CN104198588A - 利用水泥基材料的自振频率检测其凝结时间的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种利用水泥基材料的自振频率检测其凝结时间的方法及装置，通过对初凝基体试件进行定时激振，并且在激振的同时通过振动传感器和与之相连的振动数据采集装置采集初凝基体试件的振动数据，最后对采集到的振动数据和时间进行处理，绘制出初凝基体试件的自振频率与时间的关系曲线，将通过现有凝结时间测定方法确定的初凝自振频率及终凝自振频率代入曲线中，找到对应的初凝时间点和终凝时间点，计算处理得到初凝时间和终凝时间，完成水泥基材料的凝结时间测试。本发明将自振频率引入到凝结时间的测试中，检测原理更科学合理；而且装置的自动化程度高，减少了人为因素的影响，且节省人力和时间，可以提高检测效率。

Description

利用水泥基材料的自振频率检测其凝结时间的方法及装置

技术领域

本发明涉及建筑材料性能检测，具体为一种利用水泥基材料的自振频率检测其凝结时间的方法及装置。 

背景技术

在测试新拌混凝土、砂浆和水泥浆等水泥基材料的凝结时间通常采用将测针压入材料一定深度的方法进行。比如混凝土凝结时间测定时使用的贯入阻力法，就是在混凝土凝结过程中多次将规定形状的测针压入试样25mm深，从而测得贯入阻力，至贯入阻力测值为3.5MPa，即认为到达初凝时间，至贯入阻力测值为28MPa，即认为到达终凝时间。这种方法受人为因素影响大，测量精度不高；测试过程中需要人工多次搬动初凝基体试件，按压测针，读取和记录数据，且需要测试人员长时间值班守候，有时凝结时间长，值守时间达40多个小时，费时费力。 

发明内容

本发明的目的是针对以上问题，提供一种利用水泥基材料的自振频率检测其凝结时间的方法及装置，可以提高水泥基材料凝结时间的测试精度，实现自动化测试，减少人为因素干扰，减轻测试人员的体力劳动，避免长时间值班守候。 

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，提供一种利用水泥基材料的自振频率检测其凝结时间的方法，具体步骤为： 

1）配制水泥基材料，搅拌均匀形成拌和物，并记录配制时间点T0；

2）将拌和物进行过筛，筛除粒径大于5mm的颗粒，然后将筛下物装入试模中振捣密实，抹平表面，使拌和物与试模的上沿平齐，拌和物形成初凝基体试件；

3）将步骤2）中的试模置于泡沫材料上，振动传感器固定在初凝基体试件的中部，激振器固定在初凝基体试件边缘上表面，然后通过控制激振器每隔一段时间对初凝基体试件进行一次瞬态激振，同时通过振动传感器和与之相连的振动数据采集装置采集初凝基体试件的振动数据；

4）分析采集到的振动数据，得到初凝基体试件的自振频率与时间的关系曲线，将通过贯入阻力法得到的初凝自振频率及终凝自振频率代入曲线中，找到对应的初凝时间点Ti和终凝时间点Tf，最后得到该水泥基材料的初凝时间为Ti - T0，终凝时间为Tf - T0。

所述初凝自振频率及终凝自振频率的确定方法是，不同类别的水泥基材料采用各自现有的凝结时间测量方法测量材料的初凝时间点和终凝时间点，比如混凝土凝结时间测定采用贯入阻力法，同时根据步骤1）至4）得出该材料的自振频率与时间的关系曲线，将初凝时间点和终凝时间点代入曲线中确定对应的初凝自振频率及终凝自振频率。按这种方法，对多种不同配合比的同类材料进行多次试验测量，得到多个初凝时间点和终凝时间点分别对应的自振频率，取其平均值，即确定为此类材料的初凝自振频率和终凝自振频率。确定下来的自振频率作为标准，供后续的同类材料的凝结时间试验使用，无需再行确定。 

所述水泥基材料为新拌混凝土、砂浆、水泥浆。 

所述步骤3）中激振器每隔3分钟至10分钟对初凝基体试件进行一次瞬态激振。该时间间隔参考了水泥凝结时间测定国家标准中的规定，即“临近初凝时每隔5min测定一次，临近终凝时每隔15min测定一次”。 

所述步骤3）中激振器的打击力度为0.3kgf至1kgf。 

本发明还提供了一种利用上述方法进行测试的装置，包括试模，试模内装有待测的初凝基体试件，初凝基体试件的顶部中心设有振动传感器，振动传感器的尾锥固定到初凝基体试件内，振动传感器连接到振动数据采集装置，初凝基体试件的边缘上方设有激振器，激振器与用于控制其定时激振的FPGA模块连接，振动数据采集装置和FPGA模块分别连接到工控机。 

所述试模为长方体状，其尺寸为长300mm，宽150mm，高150mm，试模顶部敞开。 

所述振动传感器为振动速度传感器、振动加速度传感器或振动位移传感器。振动数据采集装置的采样频率应设置为大于初凝基体试件终凝自振频率的2.5倍，通常可设置为5到10倍。这样的采样频率符合采样定理，能保证从采集到的波形中分析出正确的初凝自振频率和终凝自振频率。 

所述激振器为电磁激振器。其筒形外壳的底板直径为50mm至80mm。 

所述激振器与初凝基体试件之间设有纸片层或薄膜层，防止激振器与初凝基体试件表面的粘结。 

水泥基材料制作成的长方体初凝基体试件，其自振频率与其尺寸、弹性模量和自重有关，在这些影响参数中，尺寸固定不变，自重相对稳定，影响最明显的参数是弹性模量，并且弹性模量随材料的凝结时间的增加而逐渐变大，所以从理论上说，自振频率可以作为材料凝结状态的一种反映，用自振频率测试凝结时间具有可行性。而水泥基材料可以分为三类，混凝土、砂浆和水泥浆，这三类材料的凝结状态的特征在其各自的原有测试方法中都有明确规定，比如混凝土：初凝状态的判断特征规定为贯入阻力达到3.5MPa，终凝状态为贯入阻力达到28MPa；砂浆：凝结状态规定为贯入阻力达到0.5MPa；水泥浆：初凝状态的判断特征规定为300g质量的测针沉入材料中距底板4±1mm，终凝状态的判断特征规定为300g质量的测针沉入材料中距底板0.5mm。 

用频率的方法测试凝结时间，和原来方法一样也需要先行规定凝结状态的特征，即初凝基体试件的自振频率达到何值时判断为材料凝结，该自振频率值为一固定值。为得到材料凝结状态对应的自振频率值，用已有的凝结时间测定方法和现在提出的用频率测定凝结时间的方法同时对同一材料进行测试比对即可。从理论上说，对于水泥基材料中的混凝土、砂浆和水泥浆中的任意一种，即使是组成成分的配合比不同，当其达到已有规范规定的凝结状态时，其弹性模量应为一相对稳定值，再加上同一类材料的密度基本稳定，初凝基体试件尺寸固定，所以，其规定凝结状态下，初凝基体试件的自振频率应该相对稳定，变化幅度不大，试验结果也发现，的确如此。这样，对混凝土、砂浆和水泥浆中的每一类材料，使用不同的配合比，分别进行多次比对试验，取其平均值，即可作为每一类水泥基材料各自的初凝自振频率、终凝自振频率。这些频率值可以以试验规程的方式规定下来，供业内使用。 

本发明具有以下有益效果： 

水泥基材料，包括混凝土、砂浆和水泥浆的现有的凝结时间测试方法，都要将测针多次压入初凝基体试件到一定深度，在初凝基体试件表面留下多个孔洞，这样，再次压入测针时，原有的孔洞会影响到最新测值的准确性；有些凝结时间特别长的初凝基体试件，试验还未结束，初凝基体试件表面已经布满孔洞，以至于找不到新的测针压入位置，使试验无法进行；由于制作初凝基体试件时内部总会存在不均匀性，所以即使是同一时间点在同一初凝基体试件上不同的测试位置处的测值也会存在较大不同；受测试方法的制约，原有的方法及装置更适宜于手工操作，测针压入速度和压入深度靠人工控制，稳定性差；人工读取测值，且测力装置在测针压入过程中指针抖动，又影响测试结果的准确性；测试过程中，需要人工长时间值守，有的要长达数十个小时，浪费时间，浪费人力；每一次压入测针，都需要人工搬动初凝基体试件，调整位置，劳动强度大。

该方法和装置通过自动化的方式测试初凝基体试件的自振频率，实现对凝结时间的测试，弥补了现有方法的不足。该方法只需将测试装置安装在初凝基体试件上，启动程序后就自动进行测试。由于该方法测试的是整个初凝基体试件的自振频率，反映整个初凝基体试件的特性，测值更具有代表性。该方法和装置相比原有的方法也减少了对初凝基体试件的扰动，增加了测值的正确性；不必频繁搬动初凝基体试件，节省了体力；无须人工读数，避免了人工读数带来的误差；无须人工长时间值守，省工省时。 

附图说明

图1为本发明提供的测试装置的结构示意图。 

图2为实施例2中初凝基体试件的自振频率与时间的关系曲线图。 

具体实施方式

下面结合实施例来进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。 

实施例1： 

如图1所示，一种水泥基材料的凝结时间测试装置，包括试模7，试模7内装有待测的初凝基体试件6，初凝基体试件6的顶部中心设有振动传感器1，振动传感器1的尾锥固定到初凝基体试件6内，振动传感器1连接到振动数据采集装置3，初凝基体试件6的边缘上方设有激振器2，激振器2与用于控制其定时激振的FPGA模块4连接，振动数据采集装置3和FPGA模块4分别连接到工控机5。

所述试模7为长方体状，其尺寸为长300mm，宽150mm，高150mm，试模7顶部敞开。这种尺寸与现有方法使用的150mm立方体试模比较接近，选用这种尺寸易于和现有的方法接轨，也适合于激振器和通用的振动传感器的布置，另外该试模在市场上有现成的产品，不需另外设计加工。其它具有这些特点的类似尺寸的试模也可以使用。 

所述振动传感器1为振动速度传感器、振动加速度传感器或振动位移传感器。振动传感器的频带应能包含初凝自振频率和终凝自振频率。 

所述激振器2为电磁激振器。其筒形外壳的底板直径为50mm至80mm，激振器的打击力度为0.3kgf至1kgf。 

所述激振器2与初凝基体试件6之间设有纸片层或薄膜层；防止两者粘结。 

工控机内安装有凝结时间测试软件，能向振动数据采集装置和FPGA模块发送控制指令实施测试作业，并能接收、存储和分析振动数据。 

凝结时间测试软件能够设定激振时间间隔、采样频率、初凝自振频率和终凝自振频率，能够将采集到的时域波形进行傅立叶变换，得到初凝基体试件的自振频率，能够自动记录激振时间点，能够实时显示时域波形，实时显示初凝基体试件自振频率随时间发展的过程线，能够自动计算出初凝时间和终凝时间。 

FPGA模块的继电器的开合受工控机发出的信号控制，一个FPGA模块上连接4个继电器，也可以更多，继电器的引线引出在安装FPGA模块电路板的配电盒面板上，可以通过航空插头方便与激振器连接。 

工作原理：在工控机设置激振的时间间隔，通过FPGA模块控制激振器定时对初凝基体试件进行激振，同时，振动数据采集装置通过振动传感器采集初凝基体试件的振动，将采集到的数据传递给工控机，然后通过对采集的振动数据和时间进行处理，可以得到自振频率与时间的关系曲线图，最后通过初凝自振频率及终凝自振频率，得到对应的初凝时间点和终凝时间点。 

实施例2： 

一种普通混凝土材料的凝结时间测试方法，具体步骤为：

1）配制混凝土材料，搅拌均匀形成拌和物，并记录配制时间点T0，其中T0为材料拌和过程中水泥与水接触的时间点。

2）将拌和物进行过筛，筛除粒径大于5mm的颗粒，然后将筛下物装入试模中振捣密实，抹平表面，使拌和物与试模的上沿平齐，拌和物形成初凝基体试件； 

3）将步骤2）中的试模置于泡沫材料上，以隔离外界的干扰振动，振动传感器固定在初凝基体试件的中部，激振器固定在初凝基体试件边缘上表面，然后通过控制激振器每隔5分钟对初凝基体试件进行一次瞬态激振，激振器的打击力度为0.3kgf至1kgf，同时通过振动传感器和与之相连的振动数据采集装置采集初凝基体试件的振动数据，并保存在工控机中； 

4）分析采集到的振动数据，得到初凝基体试件的自振频率与时间的关系曲线，如图2所示，将通过贯入阻力法得到的初凝自振频率及终凝自振频率带入曲线中，找到对应的初凝时间点Ti和终凝时间点Tf，最后得到该混凝土材料的初凝时间为Ti - T0，终凝时间为Tf - T0。

  初凝自振频率及终凝自振频率已经在使用该方法进行试验之前通过多组试验确定下来，如果该方法收入行业规范,则应在规范中规定普通混凝土材料的初凝自振频率和终凝自振频率。具体方法为：采用贯入阻力法测量普通混凝土材料的初凝时间点和终凝时间点，同时根据步骤1）至4）得出该材料的自振频率与时间的关系曲线，将初凝时间点和终凝时间点代入曲线中确定对应的初凝自振频率及终凝自振频率。按这种方法，对多种不同配合比的普通混凝土材料进行多次试验测量，得到多个初凝时间点和终凝时间点分别对应的自振频率，取其平均值，即确定为普通混凝土材料的初凝自振频率和终凝自振频率。本实施例确定的普通混凝土材料的初凝自振频率为560Hz，终凝自振频率为1060Hz，具体试验结果见表1，即普通混凝土凝结时间与初凝基体试件自振频率比对试验结果表。 

表1 

Claims (10)

1.一种利用水泥基材料的自振频率检测其凝结时间的方法，其特征在于，具体步骤为：

1）配制水泥基材料，搅拌均匀形成拌和物，并记录配制时间点T0；

2）将拌和物进行过筛，筛除粒径大于5mm的颗粒，然后将筛下物装入试模中振捣密实，抹平表面，使拌和物与试模的上沿平齐，拌和物形成初凝基体试件；

3）将步骤2）中的试模置于泡沫材料上，振动传感器固定在初凝基体试件的中部，激振器固定在初凝基体试件边缘上表面，然后通过控制激振器每隔一段时间对初凝基体试件进行一次瞬态激振，同时通过振动传感器和与之相连的振动数据采集装置采集初凝基体试件的振动数据；

4）分析采集到的振动数据，得到初凝基体试件的自振频率与时间的关系曲线，将通过贯入阻力法得到的初凝自振频率及终凝自振频率代入曲线中，找到对应的初凝时间点Ti和终凝时间点Tf，最后得到该水泥基材料的初凝时间为Ti - T0，终凝时间为Tf - T0。

2.根据权利要求1所述的利用水泥基材料的自振频率检测其凝结时间的方法，其特征在于：所述初凝自振频率及终凝自振频率的确定方法是，不同类别的水泥基材料采用各自现有的凝结时间测量方法测量材料的初凝时间点和终凝时间点，同时根据步骤1）至4）得出该材料的自振频率与时间的关系曲线，将初凝时间点和终凝时间点代入曲线中确定对应的初凝自振频率及终凝自振频率；按这种方法，对多种不同配合比的同类材料进行多次试验测量，得到多个初凝时间点和终凝时间点分别对应的自振频率，取其平均值，即确定为此类材料的初凝自振频率和终凝自振频率。

3.根据权利要求1所述的利用水泥基材料的自振频率检测其凝结时间的方法，其特征在于：所述水泥基材料为新拌混凝土、砂浆、水泥浆。

4.根据权利要求1所述的利用水泥基材料的自振频率检测其凝结时间的方法，其特征在于：所述步骤3）中激振器每隔3分钟至10分钟对初凝基体试件进行一次瞬态激振。

5.根据权利要求1所述的利用水泥基材料的自振频率检测其凝结时间的方法，其特征在于：所述步骤3）中激振器的打击力度为0.3kgf至1kgf。

6.采用权利要求1-5之一所述方法进行检测的装置，其特征在于：包括试模（7），试模（7）内装有待测的初凝基体试件（6），初凝基体试件（6）的顶部中心设有振动传感器（1），振动传感器（1）的尾锥固定到初凝基体试件(6)内，振动传感器（1）连接到振动数据采集装置（3）；激振器（2）与初凝基体试件（6）的表面接触，激振器（2）与用于控制其定时激振的FPGA模块（4）连接，振动数据采集装置（3）和FPGA模块（4）分别连接到工控机（5）。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述试模(7)为长方体状，其尺寸为长300mm，宽150mm，高150mm，试模(7)顶部敞开。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述振动传感器（1）为振动速度传感器、振动加速度传感器或振动位移传感器。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述激振器（2）为电磁激振器，其筒形外壳的底板直径为50mm至80mm。

10.根据权利要求6-9之一所述的装置，其特征在于：所述激振器（2）与初凝基体试件（6）之间设有纸片层或薄膜层。