CN103364283A - 一种快速检测水泥基材料的材料参数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速检测水泥基材料的材料参数的方法，属于土木材料领域。该方法通过合理放置测试用水泥基材料试件的支架、可控电磁铁、激振用小钢球、接收振动信号用加速度计、配套电荷放大器、信号接收采集模块，配合数据分析处理软件，通过让小钢球自由降落至水泥基材料试件的顶部来激发试件自身的结构振动，然后将这种结构振动通过加速度计及配套设备接受采集至计算机，计算机软件根据一定的算法可以快速给出该测试用水泥基材料的动态弹性模量、剪切模量、泊松比、横波及纵波波速等参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种快速检测水泥基材料的材料参数的方法，本发明属于土木材料领域。
背景技术
水泥基材料的材料参数，如弹性模量、剪切模量、泊松比、横波及纵波波速是衡量水泥基材料质量和特性的重要指标。
目前，测量以上水泥基材料参数的方法大多操作过程复杂，需要特殊设备或装置，成本较高且易受人工操作及环境的影响。同时，那些方法只能同时针对一到两个材料参数进行测量，测量不同参数的方法间差异较大，现有技术未能提供一种快速可靠的同时测量以上所述参数的设备与方法。
弹性模量是材料力学性能中的一个重要指标，是表征固体材料抵抗变形的能力大小的尺度。目前，测量水泥基材料弹性模量的方法主要分为静态法和动态法，静力拉伸法主要利用应力及应变关系得到弹性模量值，但测量过程中会使材料进入塑性或发生断裂，是一种破坏性试验，且对非均质材料宏观等效的弹性模量测量存在局限性。考虑到环境的多变性以及使测量方法更具通用性，现在多采用动态法，利用弹性模量与振动频率的关系，通过测量频率而间接得到材料的动态弹性模量。本方法即属于动态测试法范畴。申请号为201210101848.4申请日为2012年4月9日的国内发明专利申请公开了一种温度环境下测量动态弹性模量的方法。该方法主要是将梁试件夹持于刚性固定台上即一端固支一端自由的悬臂状态，通过电阻加热装置，热电偶温度反馈和温度控制仪器对试件进行加温和温度控制，安装于试件上的压电陶瓷激振器接收经信号放大仪器所放大的激振信号对试件进行激振，激光测振仪器对温度环境下的试件进行模态测试，计算机接收激光测振仪器的信号，通过信号分析得到试件在所控温度环境下的各阶次固有频率和模态，通过固有频率和弹性模量的关系由测得的固有频率反推出所控温度环境下的材料动态弹性模量。该方法由于包含有温度控制模块，因此所测动态弹性模量能够精确反应温度的变化。然而该方法所需设备较多且操作复杂，无法快速得到试件的动态弹性模量参数。而本方法并未包含温度控制模块，操作更加简便，同时由于对测试环境及温度我们选择对于水泥基材料最通用的室内温度环境，因此本方法不仅能够快速准确地得到材料的动态弹性模量参数，且所得参数具备广泛的适用性，方便使用者快速准确地对所用水泥基材料的性能进行评价。
申请号为201210014310.X申请日为2012年1月17日的国内发明专利申请公开了一种对功能梯度材料梁的弹性模量和剪切模量的测定方法。该方法主要包括：考虑弹性模量和剪切模量为梁长度方向的函数，并将梁沿长度方向离散化；在保证离散化后的单元满足平衡方程的条件下，分别建立单元节点处的弹性模量和位移、剪切模量和转角的关系；当单元点处的位移和转角被分别测定后，可得到离散分布的弹性模量和剪切模量。该发明只需对材料弹性变形进行测量即可同时得到材料的弹性模量以及剪切模量，方法简单方便，但由于测定方法本身对材料的要求，即必须是功能梯度材料，因此限制了其通用性，无法对所有水泥基材料的动态弹性模量以及剪切模量进行测量。
申请号为201010106887.4申请日为2010年2月8日的国内发明专利申请公开了一种基于谐振频率法的MEMS薄膜泊松比测量方法。该方法主要包括，先制作一个圆环形MEMS薄膜作为测试结构，再测出该薄膜的径向振动以及横向振动，然后利用径向振动与横向振动的谐振频率来计算出MEMS薄膜的泊松比参数。该方法可以避免因杨氏模量以及材料密度等引起的误差，有利于精度的提高，且测试结构制作简单，可以快速准确地测出材料的泊松比，但并不能快速准确地同时测出水泥基材料的其他材料参数如动态弹性模量、剪切模量、横波及纵波波速等。
目前，现有技术对水泥基材料的横波及纵波波速还没有明确的测试方法，而本方法能够实现对水泥基材料的包括横波及纵波波速等多种材料参数进行快速准确的测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种快速可靠的检测水泥基材料的材料参数的设备与操作方法，该方法操作简单，测量结果受人工操作与环境影响微小，分析结果重复性好，数据可靠。该测量方法可同时获得水泥基材料的动态弹性模量、剪切模量、泊松比、横波及纵波波速等材料参数，方便快捷。
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种新型的检测方法，该方法包含了摆放测试用水泥基材料试件的支架、可控电磁铁、激振用小钢球、接收振动信号用加速度计、配套电荷放大器、信号接收采集模块的方式，并结合数据分析处理软件。该方法通过让小钢球自由降落至水泥基材料试件的顶部来激发试件自身的结构振动，然后将这种结构振动通过加速度计及配套设备接受采集至计算机，计算机软件根据一定的算法可以快速给出该测试用水泥基材料的动态弹性模量、剪切模量、泊松比、横波及纵波波速等参数。
本发明用来快速检测水泥基材料早龄期的一些动态参数。具体来说，本方法通过对根据ASTM标准制作的水泥基材料圆柱体试件进行快速检测，能够快速精确地得到该水泥基材料的泊松比、动态弹性模量、剪切模量、横波纵波速度参数。根据检测结果可知，水泥基材料的动态弹性模量随着材料本身的水化过程有很大的变化，而其泊松比变化微小。此项发明对全面掌握水泥基材料早龄期成熟过程及材料本身特性有着极其重要的意义。
进一步地，所述摆放测试用水泥基材料试件的支架的顶部安装有可控电磁铁和激振用小钢球，支架的底座上放置测试用水泥基材料试件。
进一步地，所述测试用水泥基材料试件一般为根据ASTM标准浇筑的圆柱体，尺寸为直径100mm，高200mm。
进一步地，当测试启动时，所述支架上的可控电磁铁可以根据计算机的指令以自由落体的方式释放激振用小钢球。
进一步地，所述支架的底座圆孔中安有接收振动信号用加速度计。
进一步地，所述加速度计带有磁性，测试启动前，需将其吸住水泥基材料试件底部粘贴的小铁片。
进一步地，配套电荷放大器与信号接收采集模块将加速度计测量到的电荷信号以一定比例转化为电压信号，并上传至计算机，计算机软件中的算法将根据已知的水泥基材料试件的尺寸与密度数据，结合接收到的电压信号波形参数，同时计算得出该测试用水泥基材料的动态弹性模量、剪切模量、泊松比、横波及纵波波速等参数。
本发明通过提供一种快速检测水泥基材料的材料参数的方法，通过实验证明该设备与方法可以快速可靠地得到关于水泥基材料的的动态弹性模量、剪切模量、泊松比、横波及纵波波速等多种材料参数，为用户提供了一种方便快捷的评价水泥基材料质量与特性。
附图说明
图1是本发明的摆放测试用水泥基材料试件的支架的结构图。
图2是本发明的整套快速检测设备的示意图。
图3是本发明的在四个不同水化时间下圆柱体混凝土试件的频率检测结果。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明具体实施方法进行详细说明。下文将对新发明的检测方法、操作过程及其分析计算过程进行详细的解释及举例说明。
测试准备阶段，需要根据ASTM标准制作混凝土圆柱体试件，其体积参数为直径100mm，高度200mm。试件所用水泥为普通42.5波特兰水泥，相对密度为3.15，细度为385m2/kg。所用粗骨料的相对密度为2.57，最大的颗粒10mm左右。下文介绍中，采用的质量配比为（水泥：水：沙：骨料）：1.0：0.5：1.5：2.4。整个检测过程室内温度为21±1℃，室内相对湿度为100%。
整套设备及操作过程示意图如图2。
首先打开计算机和信号接收放大设备的相关电源。打开图1所示支架上电磁铁的电源开关，磁铁释放磁力，将10mm的小钢球固定在离混凝土试件小表面圆心正上方0.4m的位置。通过预掉球确定钢球位置在所测试件的正上方，并在正式测试开始前保持支架稳定状态。稳定后，关掉电磁铁开关，钢球自由下落撞击至圆柱体混凝土试件的上表面圆心处，撞击产生的信号将会被加速度计监测采集，其后经信号放大器放大，过滤，然后通过测定仪记录，保存，传输给计算机，经过FFT转换及提取特征点代入公式计算（如图3），混凝土试件的动态弹性模量、剪切模量、泊松比、横波及纵波波速等多种材料参数将会自动在软件界面上显示。
通过这种方法我们截取四个不同水化时间下圆柱体混凝土试件的检测结果作为参考来说明整个计算过程，以下是具体的计算过程。
1.计算泊松比：
式中，
和分别是图3中所示各阶段第一波峰的频率与第二波峰的频率。
,
与
定义如下：
式中的L/D为圆柱体的高度与直径的比值。
结果请见下表，泊松比波动在0.19至0.21之间，可以近似认为是一个常数。这个结果与之前研究者的实验结论保持一致。
2.计算杨氏模量
其中，
式中的R 0 为圆柱体的半径。ρ为圆柱体的密度。
3.计算剪切模量和纵波波速
和
式中V为纵波波速。G d 为剪切模量。横波波速由纵波波速及泊松比共同决定。
通过新型的设备及操作方法所记录下的第一第二纵向共振频率，然后按照上述公式计算泊松比，杨氏模量，剪切模量及波速。我们将水化时间分别为0.33天，1天，3天及28天的结果总结如下表，由此可以发现该检测设备及手段可以很好地反映混凝土材料的材料参数。
Claims (7)
1.一种快速检测水泥基材料的材料参数的方法，其特征在于，包含了摆放测试用水泥基材料试件的支架、可控电磁铁、激振用小钢球、接收振动信号用加速度计、配套电荷放大器、信号接收采集模块，以及数据分析处理软件，通过让小钢球自由降落至根据ASTM标准制作的水泥基材料圆柱体试件的顶部来激发试件自身的结构振动，然后将这种结构振动通过加速度计及配套设备接受采集至计算机，计算机软件根据一定的算法可以快速给出该测试用水泥基材料的动态弹性模量、剪切模量、泊松比、横波及纵波波速等参数。
2.根据权利要求1所述的一种快速检测水泥基材料的材料参数的方法，其特征在于：当启动测试后，所述支架上的可控电磁铁可以根据计算机的指令以自由落体的方式释放激振用小钢球。
3.根据权利要求1所述的一种快速检测水泥基材料的材料参数的方法，其特征在于：当启动测试后，激振用小钢球精确地以相同的高度自由落体至测试用水泥基材料试件上表面的正中心，激发水泥基材料试件的结构振动。
4.根据权利要求1所述的一种快速检测水泥基材料的材料参数的方法，其特征在于：所述支架可以有效地吸收自水泥基材料试件传播而来的振动，防止由于水泥基材料试件的振动在传播界面的反射等导致的测量结果的不准确。
5.根据权利要求1所述的一种快速检测水泥基材料的材料参数的方法，其特征是：所述加速度计自带磁性，可以牢固地吸住粘贴在水泥基材料试件底部的小铁片，保证接收到的振动信号的可靠性与稳定性。
6.同时，所述加速度计可以以较高的灵敏度接收频率在1kHz-25kHz范围内的振动信号。
7.根据权利要求1所述的一种快速检测水泥基材料的材料参数的方法，其特征是， 用户在测试开始前预先输入水泥基材料试件的尺寸、密度信息，所述计算机软件中算法根据测试开始后由数据采集设备上传至计算机的波形信号的频率特征，即波形信号频谱中的第一波峰的频率与第二波峰的频率，结合水泥基材料试件的尺寸、密度，自动计算出所述测试用水泥基材料的动态弹性模量、剪切模量、泊松比、横波及纵波波速等材料参数。
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