CN103837670A - 水泥基材料早龄期自收缩测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水泥基材料早龄期自收缩测量装置，包括试件模具、预埋标靶及位移测量系统；试件模具包括外模和内模，外模为上部开口的盒状长方体，内模为可容纳于外模中的长方框，在外模的两个相对的端面和内模的两个相对的端面的对应位置处分别设置有一圆形通孔；预埋标靶包括相互适配的内螺纹空心管和螺纹杆，该螺纹杆可穿过所述内模和外模上的圆形通孔；位移测量系统为非接触式位移测量系统，包括位移传感器和位移信号采集处理单元，位移传感器可非接触地监测预埋标靶的位移并将监测到的位移信息传输至位移信号采集处理单元处理。本发明还公开了一种水泥基材料早龄期自收缩测量方法。本发明可将测试龄期提前到初凝前，且结构简单、成本低廉。

Description

水泥基材料早龄期自收缩测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种水泥基材料早龄期自收缩测量装置及测量方法，属于水泥材料性能测量技术领域。

背景技术

随着社会的不断进步与发展，实际工程中对混凝土等水泥基材料的性能要求越来越高，同时伴随高性能混凝土的高收缩导致的施工期开裂也越来越普遍。而混凝土结构开裂，其耐久性、长期力学性能、整体性能和美观性能均将大为削弱，甚至严重丧失，是目前影响工程安全性、耐久性降低的主要原因之一。因此，为了有效减小和控制自收缩、提高其耐久性，首要解决的问题是建立测量自收缩的准确有效方法和方便测试装置。

水泥基材料内部温湿度是影响其收缩的重要因素，水泥基材料入模后，由于胶凝材料水化以及环境温度影响，其内部温湿度经历复杂变化。在测量水泥基材料收缩时，同时测量试件内部的温度和湿度，有助于揭示收缩的机理，从而从机理上采取减小有害收缩的手段和方法。

目前已建立了多种水泥基材料自收缩测量方法，部分方法已被各种专业性标准和规范所采用，例如中国国标GBJ82-85、中国交通行业标准JTJ270-98、中国电力行业标准DL/T5150-2001中采用的卧式混凝土收缩测定仪方法，国外混凝土收缩试验方法主要是比长仪方法，如美国ASTM C157/C157M-2003、ASTM C490a-2000，英国标准BS1881：Part5，日本标准JIS A 1129：2001中采用的方法等。上述方法都存在无法解决对早龄期1d内收缩测量的缺点，且基本都在标准养护条件下进行。但是自收缩与凝胶材料的水化进程、环境温湿度密切相关，早龄期收缩变形发展迅速、复杂，且实际工程中混凝土浇筑后经历较复杂的温度、湿度历程，因此准确测量不同温湿度作用下早龄期的自收缩非常重要。然而对于早龄期的水泥基材料而言，自收缩的测量并无统一的标准方法可依，目前已有的测试方法绝大多数存在起测龄期较晚、起测龄期较难判断等不足之处，直接影响测试的精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有水泥基材料自收缩测量技术的不足，提供一种水泥基材料早龄期自收缩测量装置及测量方法，从水泥基材料稍具塑性后即可进行变形的测量，可测量水泥基材料从超早龄期到硬化的自收缩情况，同时可更准确确定等效初凝时间，从而更加精确确定自收缩起测时间，为水泥基材料早期力学、变形性能研究及数值仿真分析提供准确的自收缩技术参数。

本发明的水泥基材料早龄期自收缩测量装置，包括试件模具、预埋标靶及位移测量系统；所述试件模具包括外模和内模，外模为上部开口的盒状长方体，内模为可容纳于外模中的长方框，在外模的两个相对的端面和内模的两个相对的端面的对应位置处分别设置有一圆形通孔；所述预埋标靶包括相互适配的内螺纹空心管和螺纹杆，该螺纹杆可穿过所述内模和外模上的圆形通孔；所述位移测量系统为非接触式位移测量系统，包括位移传感器和位移信号采集处理单元，位移传感器可非接触地监测预埋标靶的位移并将监测到的位移信息传输至位移信号采集处理单元处理。

优选地，所述外模由可拆装的两块端板、两块侧板及一块底板组成；内模由相互分离的两块端板和两块侧板组成，所述圆形通孔分别设置于外模的两块端板和内模的两块端板的对应位置处。

优选地，内模组成的空间为截面尺寸为150mm×150mm，长度为500mm。

优选地，所述组成预埋标靶的内螺纹空心管和螺纹杆由塑料类或低密度合金等轻质材料制成。

优选地，所述组成预埋标靶的内螺纹空心管上设置有至少一片沿径向向外扩展且关于内螺纹空心管轴线对称的扩展片。所述扩展片的形状优选圆形、方形、或十字形。

优选地，所述组成预埋标靶的螺纹杆的一端为垂直于螺纹杆轴线的扩大的平面。

优选地，所述位移传感器为电涡流式位移传感器或激光位移传感器。

优选地，所述外模和内模的材质均为有机玻璃或合金，外模的厚度为15~25mm，内模的厚度为2-3mm。

进一步地，所述测量装置还包括可容纳所述试件模具的试验箱，该试验箱内部的温度和湿度可调整。

一种水泥基材料早龄期自收缩测量方法，使用如上所述水泥基材料早龄期自收缩测量装置，包括以下步骤：

步骤1、将所述内模放置于外模中，并使外模两端的圆形通孔与内模两端的圆形通孔分别对准；将两个预埋标靶的螺纹杆分别穿过外模和内模两侧的圆形通孔，然后在两个螺纹杆位于内模内部的一端分别拧入相应的内螺纹空心管，再分别用螺母将两根螺纹杆固定在外模上，同时在内模内部铺设塑料薄膜；

步骤2、根据试验目的，将搅拌后的待测水泥基材料注入内模中形成试件，并用塑料薄膜覆盖试件上表面；

步骤3、待试件稍具塑性，先将两根螺纹杆从相应的内螺纹空心管中拧出，然后拔出内模，再将两根螺纹杆穿过外模两端的圆形通孔，分别与埋于试件端部的两根螺纹空心管拧为一体；

步骤4、将装有试件的试件模具置于所述试验箱中，并在试验箱外侧对应于预埋标靶的位置安装位移传感器，使位移传感器能够对预埋标靶的位移进行监测；

步骤5、调节试验箱内部的温度和湿度，使之达到试验要求的温湿度状态，同时通过位移信号采集处理单元获取该温湿度状态下的预埋标靶的位移随时间的变化曲线；以该变化曲线中的拐点为等效初凝时间，并作为收缩变形的起测龄期，该等效初凝时间以后的变化曲线即为待测水泥基材料在所述温湿度状态下的自收缩曲线。

    进一步地，该测量方法还包括： 

步骤6、在不同的温湿度状态下对不同配合比的水泥基材料重复步骤2～步骤5，得到不同配合比水泥基材料在不同温湿度条件下的自收缩曲线。

   进一步地，若内模侧板厚度选择为45mm，则试件宽度为60mm，同时起测时除去试件侧面和顶面塑料薄膜，则可进行水泥材料的干燥收缩试验。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

一、本发明为非接触式试验方法，测试龄期可以提前到初凝前。由于水泥基材料凝结前还未完全硬化，难以通过传统的接触式位移传感器进行测量，本发明方法可以从装置安装就位后、水泥基材料稍具塑性后即可以测试。

二、本发明是从超早龄期开始测试水泥基材料自由变形，并基于变形曲线的拐点自动判断自收缩开始龄期，避免了通过传统的贯入阻力法等人为判断带来的误差。

三、本发明可以自动调节养护温度、湿度等环境条件，可以从装置安装完成后即可以同步、连续监测不同养护温度、湿度水泥基材料早龄期自由变形。

四、本发明的测试结果不但可以为水泥基材料提供变形参数，同时也可以来评估水泥基材料初凝、终凝时间，以及深刻理解早期微观结构形成与发展变化规律。

五、本发明装置结构简单，成本低廉，拆模方便，测量方法易于实施。

附图说明

图1为本发明测量装置的一个优选实施例的结构示意图；

图2（a）、图2（b）分别为试件模具的主视图和俯视图；

图3为预埋标靶的结构示意图；

图4（a）、图4（b）分别为内螺纹空心管的主视图和右视图；

图5为采用本发明测量装置得到的C50混凝土、养护温度为20.0℃的自由变形曲线和自收缩曲线；

图中各标号含义如下：

1为试验箱，2为支架，3为试件模具，4为温湿度调节系统，5为位移测试系统，6为外模，61为端板，62为侧板，63为底板，7为内模，71为端板，72为侧板，8为温湿控制主机，9为箱内环境温湿度传感器，10为试件内部温湿度传感器，11为温湿调节器，12为预埋标靶，13为位移传感器，14为位移采集主机，15为内螺纹空心管，16为螺纹杆，161为螺母，17为扩展片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

图1显示了本发明的测量装置的一个优选实施例的结构。如图1所示，该测量装置包括试验箱1、试件模具3以及位移测试系统5，在试验箱1底部设有支架2，试件模具3置于支架2上，试验箱1配有温湿度调节系统4。

本实施例中的温湿度调节系统4包括设置于试验箱1内的箱内环境温湿度传感器9、试件内部温湿度传感器10、温湿调节器11，以及试验箱1外的温湿度控制主机8，温湿度控制主机8通过温湿度传感器9和10监测密封试验箱1内和试件内部温湿度，并通过温湿度调节器11调整试验箱1内的温湿度环境。

位移测试系统5为非接触式的位移测量系统，包括位移传感器13和位移采集主机14，实验中，位移传感器13位置固定，通过测量设置在试件两端的预埋标靶12的位移来获得试件的变形，优选地，位移传感器13为电涡流式或激光位移传感器。

如图2（a）、图2（b）所示，试件模具3分为外模6和内模7。外模6由端板61、侧板62和底板63组成，本实施例中外模6为可拆装结构，其中侧板62预留有放置端板61和底板63的凹槽，端板61、侧板62和底板63可固定成上开口的长方体盒状。内模7由端板71和侧板72组成，可构成长方框。外模6和内模7的端板61、71的中心位置均设有圆形通孔。优选地，外模6的厚度为15~25mm，内模7的厚度为2~3mm，外模6和内模7的材质为轻质光滑材料如有机玻璃或合金材料。外模6为试件浇筑承载部分，内模7在试件稍具塑性后可以拔出，以便于在试件与外模之间形成间隙，从而实现试件为自由变形。外模6和内模7的端板中心的圆形通孔的直径大于预埋标靶12的螺纹杆16的直径，使螺纹杆16可以穿过。

如图3所示，预埋标靶12由内螺纹空心管15和螺纹杆16组成，螺纹杆16与内螺纹空心管15适配，可以拧为一体，优选使用轻质材料如塑料或合金制成。优选地，内螺纹空心管15直径较端板71的中心圆形通孔直径大1~2mm, 便于预埋标靶12与端板通过螺母161固定；优选地，螺纹杆16直径较端板61、71中心圆孔直径小1~2mm，避免螺纹杆与端板孔壁摩擦，影响测量精度。如图3所示，内螺纹空心管15上设有一组沿径向向外扩展且关于内螺纹空心管15轴线对称的扩展片17，其材质为塑料、有机玻璃或合金材料，形状优选方形、圆形或十字形，通过扩展片17可增强预埋标靶12在试件中的锚固性能，确保使之与试件变形同步。优选地，螺纹杆16外端部为扩大的平面，方便位移传感器13与其对准。本实施例中采用带有一组圆形扩展片的内螺纹空心管，其主视图和右视图分别如图4（a）、图4（b）所示。

利用上述测量装置进行测量时，具体包括以下步骤：

步骤A、将试件模具3的端板61、侧板62和底板63插入侧板62预留的凹槽内，并使之固定；

步骤B、将试件模具3的内模7的侧板72和端板71分别贴置于外模6的侧板62和端板61的内侧，将螺纹杆16穿过端板61、端板71中心预设的圆形通孔，然后拧入带有扩展片17的内螺纹空心管15，再用螺母161将内螺纹空心管15和螺纹杆16固定在端板模具端板61和端板71上，同时在模具内部铺设塑料薄膜；

步骤C、根据试验目的，搅拌水泥基材料并注入模具内，同时将试件内部温湿度传感器10埋于试件内，并用塑料薄膜覆盖待测水泥基材料上表面；

步骤D、待试件稍具塑性、水泥基材料初凝前，将螺纹杆16轻轻从内螺纹空心管15拧出，然后拔出试件内模7的端板71和侧板72，将螺纹杆16穿过端板61的圆形通孔，与埋于试件端部的螺纹空心管15拧为一体，这样试件的变形将带动螺纹杆16产生同步位移；

步骤E、将试件模具3和试件置于试验箱1中的支架2上；

步骤F、在试验箱1外侧安装位移传感器13，使其对准螺纹杆16端头扩大的平面；

步骤H、操作温湿度调节系统4，使试验箱1内部逐渐达到试验要求的温湿度状态，同时记录温湿度和位移数据，从而获取该温湿度状态下的预埋标靶的位移随时间的变化曲线；以该变化曲线中的拐点为等效初凝时间，并作为收缩变形的起测龄期，该等效初凝时间以后的变化曲线即为待测水泥基材料在该温湿度状态下的自收缩曲线。；

步骤I、通过温湿度调节系统4，在不同的温湿度状态下对不同配合比的水泥基材料重复步骤C～步骤H，得到不同配合比待测水泥基材料在不同温度、湿度条件下的变形情况。

图5显示了采用本发明测量装置得到的C50混凝土、养护温度为20.0℃的自由变形曲线和自收缩曲线。

Claims (10)

1.一种水泥基材料早龄期自收缩测量装置，其特征在于，包括试件模具、预埋标靶及位移测量系统；所述试件模具包括外模和内模，外模为上部开口的盒状长方体，内模为可容纳于外模中的长方框，在外模的两个相对的端面和内模的两个相对的端面的对应位置处分别设置有一圆形通孔；所述预埋标靶包括相互适配的内螺纹空心管和螺纹杆，该螺纹杆可穿过所述内模和外模上的圆形通孔；所述位移测量系统为非接触式位移测量系统，包括位移传感器和位移信号采集处理单元，位移传感器可非接触地监测预埋标靶的位移并将监测到的位移信息传输至位移信号采集处理单元处理。

2.如权利要求1所述水泥基材料早龄期自收缩测量装置，其特征在于，所述外模由可拆装的两块端板、两块侧板及一块底板组成；内模由相互分离的两块端板和两块侧板组成，所述圆形通孔分别设置于外模的两块端板和内模的两块端板的对应位置处。

3.如权利要求1所述水泥基材料早龄期自收缩测量装置，其特征在于，所述组成预埋标靶的内螺纹空心管上设置有至少一片沿径向向外扩展且关于内螺纹空心管轴线对称的扩展片。

4.如权利要求3所述水泥基材料早龄期自收缩测量装置，其特征在于，所述扩展片的形状为圆形、方形、或十字形。

5.如权利要求1所述水泥基材料早龄期自收缩测量装置，其特征在于，所述组成预埋标靶的螺纹杆的一端为垂直于螺纹杆轴线的扩大的平面。

6.如权利要求1所述水泥基材料早龄期自收缩测量装置，其特征在于，所述位移传感器为电涡流式位移传感器或激光位移传感器。

7.如权利要求1所述水泥基材料早龄期自收缩测量装置，其特征在于，所述外模和内模的材质均为有机玻璃或合金，外模的厚度为15~25mm，内模的厚度为2-3mm。

8.如权利要求1～7任一项所述水泥基材料早龄期自收缩测量装置，其特征在于，还包括可容纳所述试件模具的试验箱，该试验箱内部的温度和湿度可调整。

9.一种水泥基材料早龄期自收缩测量方法，使用如权利要求8所述水泥基材料早龄期自收缩测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将所述内模放置于外模中，并使外模两端的圆形通孔与内模两端的圆形通孔分别对准；将两个预埋标靶的螺纹杆分别穿过外模和内模两侧的圆形通孔，然后在两个螺纹杆位于内模内部的一端分别拧入相应的内螺纹空心管，再分别用螺母将两根螺纹杆固定在外模上，同时在内模内部铺设塑料薄膜；

步骤2、根据试验目的，将搅拌后的待测水泥基材料注入内模中形成试件，并用塑料薄膜覆盖试件上表面；

步骤3、待试件稍具塑性，先将两根螺纹杆从相应的内螺纹空心管中拧出，然后拔出内模，再将两根螺纹杆穿过外模两端的圆形通孔，分别与埋于试件端部的两根螺纹空心管拧为一体；

步骤4、将装有试件的试件模具置于所述试验箱中，并在试验箱外侧对应于预埋标靶的位置安装位移传感器，使位移传感器能够对预埋标靶的位移进行监测；

步骤5、调节试验箱内部的温度和湿度，使之达到试验要求的温湿度状态，同时通过位移信号采集处理单元获取该温湿度状态下的预埋标靶的位移随时间的变化曲线；以该变化曲线中的拐点为等效初凝时间，并作为收缩变形的起测龄期，该等效初凝时间以后的变化曲线即为待测水泥基材料在所述温湿度状态下的自收缩曲线。

10.如权利要求9所述水泥基材料早龄期自收缩测量方法，其特征在于，还包括： 

步骤6、在不同的温湿度状态下对不同配合比的水泥基材料重复步骤2～步骤5，得到不同配合比水泥基材料在不同温湿度条件下的自收缩曲线。

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