CN104345216A - 测量水泥电阻率和水泥28天强度的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种测量水泥电阻率和28天强度的方法和装置，涉及建筑材料技术领域，解决了现有技术中水泥强度的测量不能满足施工要求的问题。本发明的主要技术方案为：测量水泥电阻率的装置包括信号发生装置、初级线圈、铁芯、次级线圈安置部、电压测定装置及电流测定装置；信号发生装置使初级线圈产生交变电压；铁芯用于感应初级线圈的交变电流以产生交变磁场；次级线圈安置部用于安置由待测水泥试样构成的次级线圈，在交变磁场作用下，次级线圈中产生环电压V和环电流I；根据环电压和环电流得到待测水泥试样的电阻率；根据上述装置可测定出水泥水化24小时的电阻率，进而得到水泥28天强度值。本发明主要用于水泥电阻率的测定和水泥强度的提前准确测定。

Description

测量水泥电阻率和水泥28天强度的方法和装置

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种测定水泥电阻率的方法和装置及快速测定水泥28天强度的方法和装置。

背景技术

强度是水泥质量的重要性能指标，水泥28天强度(水泥水化28天时的强度，以下称为水泥28天强度)的大小决定了水泥质量是否满足施工要求，但是若在水泥水化28天时才测定出强度的话会给施工效率及工期造成严重影响。所以，在水泥早期推测出水泥后期(28天)的强度，及时发现水泥混凝土强度的缺陷并及时予以纠正，或者及时确认水泥混凝土强度是否符合要求，对提高施工效率及缩短工期具有重大意义。

目前，国内外快速测量水泥强度的方法主要有两种：第一种是加速水泥水化的方法，该方式主要通过改变养护条件或加入促凝剂等实现加速水泥水化，具体为通过加速水泥水化，使水泥在很短的时间内(5小时或1天)便可具有很高的强度(一般可以达到28天强度的50～60％)，再通过已建立好的强度关系曲线进行强度预测。第二种是改变成型条件的方法，该方法主要通过改变水泥的成型条件及降低水泥的水灰比、减少用沙量，使水泥在早期就达到后期(28天)的强度，从而在水泥水化早期便能测定出水泥水化后期的强度。

在执行上述两种方法时，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：加速水化的方法测量结果的稳定性较差；改变成型条件法需专用设备，实验成本较高，操作也比较复杂，测的结果也一般要比28天时水泥混凝土的实际强度高。上述两种方式的测量结果的准确性不能满足施工要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种测量水泥电阻率的装置，通过测定出水泥早期的电阻率，进而准确地得到水泥28天的强度，以满足施工要求。

为达到上述目的，本发明提供了一种测量水泥电阻率的装置，包括：

信号发生装置；

初级线圈，与所述信号发生装置连接，通过所述信号发生装置使所述初级线圈产生交变电压；

铁芯，与所述初级线圈配合设置，用于感应所述初级线圈的交变电流以产生交变磁场；

次级线圈安置部，用于安置由待测水泥试样构成的环状次级线圈，以使所安置的次级线圈在交变磁场作用下产生环电压V和环电流I；

电压测定装置，用于测定次级线圈中的环电压V；

电流测定装置，用于测定次级线圈中的环电流I。

前述的测量水泥电阻率的装置，还包括放大器，所述放大器安装在所述信号发生装置和所述初级线圈之间，用以对所述信号发生装置发给所述初级线圈的信号进行放大处理。

前述的测量水泥电阻率的装置，还包括数据采集处理装置；

所述数据采集处理装置并别连接所述电压测定装置、电流测定装置，用以采集所述电压测定装置测定的环电压V和所述电流测定装置测定的环电流I，并根据采集的环电压V和环电流I计算得出待测水泥试样的电阻率。

本发明另一个目的是提供一种测量水泥电阻率的方法，包括：

将待测水泥试样制成环状的次级线圈；

将所述次级线圈安置于测量水泥电阻率的装置的次级线圈安置部；

采用所述测量水泥电阻率的装置测定出所述次级线圈产生的环电压和环电流；

根据所述次级线圈产生的环电压、环电流得到所述待测水泥试样的电阻率；

其中，所述测量水泥电阻率的装置为上述任一项所述的装置。

本发明另一个目的是提供一种快速测定水泥28天强度的方法，包括：

测定出水泥水化24小时时的电阻率，并根据如下公式计算得到水泥28天的强度：

R_28d＝6.017×ρ_24h+30.4；

其中，R_28d为水泥28天的强度；ρ_24h为水泥水化24小时时的电阻率。

前述的快速测定水泥28天强度的方法，采用上述任一项所述的测量水泥电阻率的装置测定出水泥水化24小时时的电阻率。

本发明另一个目的是提供一种快速测定水泥28天强度的装置，包括：

测量水泥电阻率的装置，用于测出水泥水化24小时时的电阻率；

强度计算装置，与所述测量水泥电阻率的装置连接，用于采集所述测量水泥电阻率的装置测出的水泥水化24小时时的电阻率ρ_24h的数据，并将所接收的数据换算为水泥28天强度。

前述的快速测定水泥28天强度的装置，所述测量水泥电阻率的装置为上述任一项所述的装置。

前述的快速测定水泥28天强度的装置，所述强度计算装置通过如下公式计算得到水泥28天的强度：

R_28d＝6.017×ρ_24h+30.4；

其中，R_28d为水泥28天的强度；ρ_24h为水泥水化24小时时的电阻率。

本发明实施例提出的一种测量水泥电阻率和水泥28天强度的方法和装置，通过将待测水泥试样制成环形的测量水泥电阻率的装置的次级线圈，并通过测量该次级线圈的电流和电压得出该次级线圈即待测水泥试样的电阻值，本发明利用上述测量水泥电阻率的装置测定出待测水泥试样早期(水泥水化24小时)的电阻率，进而准确地得出待测水泥试样28天时的强度，从而满足施工要求。

本发明实施例无需对水泥进行成型或养护，且不会改变水泥的特性，测量结果准确可靠，可实现无人情况下的连续自动测定，自动化程度高，自适应性较好，方法简单、方便、省时。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种测量水泥电阻率的装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种现有的用于等效电路模拟的水泥水化层状模型图；

图3为本发明实施例提供的一种改进后的用于等效电路模拟的水泥水化层状模型图；

图4为本发明实施例提供的水泥水化24小时时的电阻率与水泥28天强度的关系图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种测量水泥电阻率和水泥28天强度的方法和装置的具体实施方式、特征及其功效，详细说明如下。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种测量水泥电阻率的装置，包括信号发生装置1、初级线圈3、铁芯4、次级线圈安置部5、电压测定装置6和电流测定装置7。其中，信号发生装置1与初级线圈3连接，用以提供输入信号，使初级线圈3具有一个交变电压，初级线圈3设置在铁芯4上，与铁芯4配合，当初级线圈3中产生交变电压时，使得铁芯4感应到初级线圈3的交变电流，从而产生交变磁场。次级线圈安置部5主要用于安置由待测水泥试样制成的环形次级线圈，铁芯产生的交变磁场穿过所述次级线圈安置部，进而影响到次级线圈安置部安置的次级线圈，使次级线圈中产生环电压V和环电流I，通过电压测量装置6和电流测量装置7分别测出环电压V和环电流I，而由于次级线圈5是由环形的水泥试样制成的，因此可以根据次级线圈的环电压V和环电流I计算得到环形水泥试样的电阻值，再根据环形水泥试样的长度和截面积等，计算得到待测水泥试样的电阻率。

较佳地，本实施例中的测量水泥电阻率的装置在进行测量时，电压测量装置6、电流测量装置7与次级线圈连接，以测定出次级线圈中的环电压和环电流。

本实施例通过类似变压器的原理测量出待测水泥试样的电阻率，不会对水泥待测试样的各项性能产生影响，即测量准确性较高，同时，结构简单，信号发生装置可以采用一个交变电源即可实现，操作也较简便。

作为上述实施例的优选，该测量水泥电阻率的装置还包括放大器，放大器安装在信号发生装置和初级线圈之间，分别与所述信号发生装置、初级线圈连接，用以对信号发生装置发出的信号进行放大处理，从而使次级线圈得到的环电压V和环电流I准确性更高，计算出的电阻率更准确。

需要特别指出的是，本实施例中的环形水泥试样，优选采用具有相同横截面积的环形水泥试样，以便于方便简单的计算出电阻率。

较佳地，本实施例中的次级线圈安置部可以与铁芯连接，也可以设置在其他地方，只需保证所安置的次级线圈能够在交变磁场的作用下产生电流和电压即可。

较佳地，本实施例中的测量水泥电阻率的装置还包括数据采集处理装置，将数据处理程序预设入该装置中，避免后续的繁杂人工计算带来错误的可能，用以采集测量的环电压V和环电流I，并根据环电压V和环电流I的值计算得出对应的电阻值和电阻率。使用时，可采用相同尺寸大小的环形水泥试样，将水泥试样的尺寸数据输入数据采集处理装置，数据采集处理装置根据测得的环电压V和环电流I，以及输入的数据进行运算，并将运算结果显示在数据采集处理装置的显示屏上，还可以连接打印装置，直接打印出规定格式的水泥样品电阻率检测报告。

实施例2

本实施例提供一种测量水泥电阻率的方法，该方法利用实施例1中的测量水泥电阻率的装置进行测定，具体包括如下步骤：

将待测水泥试样制成环状的次级线圈，将次级线圈安置在测量水泥电阻率的装置的次级线圈安置部上；

信号发生器发出信号使初级线圈产生交变的电压信号；

交变的电压信号被铁芯感应形成交变磁场；

环形的水泥试样制成的次级线圈对交变磁场产生感应，在环状的水泥试样中形成环电压V和环电流I；

测出次级线圈的环电压V和环电流I，并计算得到环形水泥试样的电阻值和电阻率。

本实施例的测量水泥电阻率的方法，采用了环形水泥试样作为次级线圈，通过测量环形水泥试样的环电流和环电压，通过欧姆定律即可计算出该环形水泥试样的电阻，从而计算出环形水泥试样的电阻率。仅需在水泥浇筑的同时，取少量水泥制成环形水泥试样即可快速准确的测出其水泥试样的电阻率。无需对水泥进行成型养护，不改变水泥的任何特性，测出的结果准确性高，稳定性较强。

作为上述实施例的优选，所述信号发生器发出的信号经过信号放大器后再使初级线圈产生交变的电压信号。例如信号发生器发出了一个信号，经过放大器后，信号增强，使得初级线圈中的交变电流增大，从而使得得到交变磁场增强，进而次级线圈产生的环电压和环电流也会增大，从而降低了测量难度，提高了测量结果的准确性。

实施例3

本实施例提供了一种快速测定水泥28天强度的方法，包括：

测定水泥24小时时的电阻率ρ_24h，并根据如下公式计算得到水泥28天时的强度：

R_28d＝6.017×ρ_24h+30.4。

作为上述实施例的优选，所述测定水泥水化24小时时的电阻率ρ_24h可以采用实施例2的方法，采用实施例1所提供的装置实现。

该实施例通过简单方法测量出水泥24小时时的电阻率(水泥水化24小时时的电阻率)，代入上述公式，即可得到水泥28天时的强度值，无需对水泥进行成型和养护，不改变水泥特性，测量结果准确可靠，可实现无人情况下的连续自动测定，自动化程度高，自适应性较好，方法简单、方便、省时。

实施例4

本实施例提供了一种快速测定水泥28天强度的装置，包括测量水泥电阻率的装置和水泥28天强度计算装置，其中，测量水泥电阻率的装置用于测出水泥24小时时的电阻率ρ_24h；水泥28天强度计算装置用于将上述测得的水泥电阻率ρ_24h代入公式：

R_28d＝6.017×ρ_24h+30.4

计算得到水泥28天强度R_28d。

该装置的使用，可以使得水泥样品28天强度测量时间减小至24小时，且数据准确可靠，检测速度快，成本低，同时，可实现无人情况下的连续自动测定，自动化程度高，自适应性好，方便省时。

本实施例中的强度计算装置，与测量水泥电阻率的装置连接，用于接收测量水泥电阻率的装置测出的水泥水化24小时时的电阻率的数据信号，并将所接收的数据信号换算为水泥28天强度。较佳地，本实施例中的强度计算装置可以为计算机，只需在计算机预设上述计算程序即可。

较佳地，可以在次级线圈安置部上或者附件设置环形水泥试样装卸装置，用于将环形水泥试样装入次级线圈安置部开始检测，以及检测完成后搬离次级线圈安置部位置，并防止新的环形水泥试样进行自动化的下一试样检测。该环形水泥试样装卸装置可以为一个机械手，拿取并移动环形水泥试样，完成装卸。

本实施例的装置可以测定出各种不同水泥(如核电水泥、普通水泥)的28天强度。

实施例5

本实施例对水泥强度和电阻率之间的关系进行详细分析说明。

在现有技术中，水泥基材料的导电模型如图2所示，尽管该模型对理解电极极化和颗粒极化很有帮助，但其过于简化，尤其是其将液体看成是一道道被固体分割的单元，以至于得到了一个固体和液体串联的电路，这并不准确。实验数据显示浆体溶液的电阻率为0.1Ω·m的数量级，水化48小时浆体的电阻率为10Ω·m的数量级，而水泥中固体颗粒的电阻率为103～1012Ω·m的数量级，若按固液体积比1:1(实际上水化后比这小的多)计算，浆体的电阻率至少应该在500Ω·m以上，显然早龄期水泥混凝土没这么高，也就是说现有的水泥基材料的导电模型并不准确。

本发明的发明人对上述模型进行了修正，如图3所示，水泥基材料是各向均一的，在浆体吸水饱和度较高的情况下，电荷主要依靠液体通过连通孔传递，即电荷主要依靠颗粒间孔隙中的溶液传递，固体颗粒对电荷传递忽略不计。由于颗粒大小不均一，实际导电通路是弯曲的，而且孔隙并不一定被溶液充满。因此可以预知浆体的电阻率与孔、溶液的电阻率和孔隙被溶液饱和的程度等有关。

对于多孔材料的导电，常用经验公式Archie公式，其准确性在天然岩石的导电特性上得到了很好的验证。研究表明，该公式能广泛的应用于水泥基材料导电领域，Archie公式通常写成如下的形式：

$F=\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_0}=a{S}^{-c}{\mathrm{\φ}}^{-m}---\left(1\right)$

即：

ρ＝ρ₀×aS^-cφ^-m        (2)

F是结构因子(无量纲)，等于体积电阻率与溶液电阻率之比；a是弯曲系数；S是材料孔隙被水饱和的程度；m是粘固性因子；c为校正系数；φ为孔隙率；c一般在4～5之间，m一般在1.5～4.4之间，且a和m协变的。

毛细管的饱和程度与含水量有关，浆体孔隙被水充满，溶液的体积与孔隙的体积相等S＝1。所以式2可以写成式3的形式。

ρ＝ρ₀×aφ^-m           (3)

水泥石在硬化后具有强度，对于其强度，代表性的理论如下：

1)脆性材料断裂理论

该理论认为水泥石的强度主要取决于水泥石的弹性模量、表面能以及裂缝的大小，其抗裂能力可以用Griffith公式来表述：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{2\mathrm{E\γ}}{\mathrm{\πC}}}---\left(4\right)$

其中：σ为材料的断裂应力；E为材料的弹性模量；γ单位面积材料的表面能；C为裂缝长度。通过该公式可推导出材料的强度与最大孔(或其他缺陷)半径有关。

2)孔隙率理论

对于简单的匀质固体材料，其孔隙率和强度存在着根本的反比关系，可以表示成如下的形式：

S＝S₀e^-kp             (5)

式中：S为含有空隙率p时的材料强度；S₀为孔隙率为零时材料的本征强度；k为常数。对于很多材料来说，将S/S₀对孔隙率做图，数据点将落于同一曲线上。强度与孔隙率的关系适用于非常广泛的材料，如正常养护的水泥、压蒸养护的水泥、各种骨料、铁、不锈钢、石膏、烧结氧化铝和氧化锆等。

三种不同配比的砂浆其28天抗压强度f_c和胶空比或系统中固体水化产物与总空间之比有关：

f_c＝ax³              (6)

式中：a为孔隙率为零时材料的本征强度；x为固孔比或系统中固体分数的量，x等于1-p，p为孔隙率，其中a的取值为234MPa左右。大多数正常的凝胶系统都适用于该公式，而且多年来，这个强度与结构的本征关系一直被接受下来。尽管支持断裂力学的人认为强度与总孔隙率无关，但有证据证明强度与总孔隙率关系偶然性在于总孔隙率与临界尺寸的关系——降低了总孔隙率所用方法，同时也降低了临界尺寸。

因此可以预知在这种情况下，强度和孔隙率会有好的对应关系。

在水泥水化早期的电阻率变化主要受溶液电阻率ρ₀的影响，而在后期(加速期后)ρ₀变化范围较小，电阻率主要受结构变化的影响，影响结构的主要因素有：

1)孔隙率

从式3和式6我们可以知道孔隙率对水泥石的电阻率和强度有相同的影响，二者都随孔隙率的减小而增大。

2)孔径

质疑者认为孔径分布会对材料的电阻率或强度产生影响，考虑强度与孔隙率关系时应考虑孔径分布。对于强度，我们知道，孔径的细化将使材料更密实，因此具有更高的强度，而对于电阻率，孔径细化也会有同样的效果。根据电阻的计算公式：

$R=\frac{\mathrm{\ρL}}{S}---\left(7\right)$

式中：ρ为溶液电阻率；L为等效导电线路长度；S为等效导电横截面积。当孔径细化时会缩小导电面积S，同时会时导电路径变得更加弯曲(在式3弯曲系数a中已反映，也可理解为孔的连通性降低)，等效导电线路长度L会更长，造成R变大，因此孔径分布对电阻率和强度有相同的影响。

3)粘聚力

可以预知粘聚力增加将增大水泥石强度，同样在式3中粘固系数m反映出浆体电阻率随粘聚力增加而增大，因此粘聚力对水泥电阻率和强度有相同的影响。

4)水灰比

水灰比主要通过影响孔隙率而影响强度，同样水灰比通过影响孔隙率而影响电阻率，强度和电阻率都随水灰比的增大而减小，因此水灰比对水泥电阻率和强度有相同影响。

5)龄期

龄期主要通过影响水化程度而影响孔隙率、粘聚力等，进而对强度产生影响，同时通过式3中孔隙率φ和粘固系数m而影响电阻率，随着龄期增加，强度和电阻率都增大，龄期对二者有相同影响。

由此可以得出强度与电阻率会有好的相关性的结论。

实施例6

选取不同厂家、不同等级的38个核电水泥作为试样，对该38个核电水泥试样的24小时时的电阻率进行了测量，并对该38个试样28天时的强度进行测量，测得的24小时电阻率与28天抗压强度的关系，如图4所示。

由图4看出，水泥24小时电阻率与水泥28天强度成线性关系，相关性系数R为0.85，有较好的相关性，标准偏差为3.7MPa，可达到强度的快速检验的要求，对水泥24小时电阻率和28天抗压强度进行线性回归分析，可得到28天抗压强度的预测公式：

R_28d＝6.017×ρ_24h+30.4        (8)

式中：R_28d为预测的水泥28天强度；ρ_24h为测得水泥水化24小时时的电阻率。

由于实验所用水泥样是从不同生产厂家选取，因此具有很广泛的代表性，电阻率法可用于核电水泥强度的快速检验。

综上所述，本发明实施例提出的一种测量水泥电阻率和28天强度的方法和装置，通过将水泥试样制成环形的次级线圈，并通过测量该次级线圈的电流和电压得出该次级线圈即水泥试样的电阻值，从而计算出该水泥试样的电阻率。并根据测定出的水泥水化24小时时的电阻率得出水泥试样28天时的强度，无需对水泥进行成型和养护，不会改变水泥的特性，测量结果准确可靠，重复性好,可实现无人情况下的连续自动测定，自动化程度高，水泥成分,混合材种类/掺量/成分和活性等对检测结果影响很小,即自适应性较好，方法简单、方便、省时。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种测量水泥电阻率的装置，其特征在于，包括：

信号发生装置；

初级线圈，与所述信号发生装置连接，通过所述信号发生装置使所述初级线圈产生交变电压；

铁芯，与所述初级线圈配合设置，用于感应所述初级线圈的交变电流以产生交变磁场；

次级线圈安置部，用于安置由待测水泥试样构成的环状次级线圈，以使所安置的次级线圈在交变磁场作用下产生环电压V和环电流I；

电压测定装置，用于测定次级线圈中的环电压V；

电流测定装置，用于测定次级线圈中的环电流I。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括放大器，所述放大器安装在所述信号发生装置和所述初级线圈之间，用以对所述信号发生装置发给所述初级线圈的信号进行放大处理。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，还包括数据采集处理装置；

所述数据采集处理装置并别连接所述电压测定装置、电流测定装置，用以采集所述电压测定装置测定的环电压V和所述电流测定装置测定的环电流I，并根据采集的环电压V和环电流I计算得出待测水泥试样的电阻率。

4.一种测量水泥电阻率的方法，其特征在于，包括：

将待测水泥试样制成环状的次级线圈；

将所述次级线圈安置于测量水泥电阻率的装置的次级线圈安置部；

采用所述测量水泥电阻率的装置测定出所述次级线圈产生的环电压和环电流；

根据所述次级线圈产生的环电压、环电流得到所述待测水泥试样的电阻率；

其中，所述测量水泥电阻率的装置为权利要求1-3任一项所述的装置。

5.一种快速测定水泥28天强度的方法，其特征在于，包括：

测定出水泥水化24小时时的电阻率，并根据如下公式计算得到水泥28天的强度：

R_28d＝6.017×ρ_24h+30.4；

其中，R_28d为水泥28天的强度；ρ_24h为水泥水化24小时时的电阻率。

6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述的测量水泥电阻率的装置测定出水泥水化24小时时的电阻率。

7.一种快速测定水泥28天强度的装置，其特征在于,包括：

测量水泥电阻率的装置，用于测出水泥水化24小时时的电阻率；

强度计算装置，与所述测量水泥电阻率的装置连接，用于采集所述测量水泥电阻率的装置测出的水泥水化24小时时的电阻率的数据，并将所接收的数据换算为水泥28天强度。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述测量水泥电阻率的装置为权利要求1-3中任意一项所述的装置。

9.根据权利要求8所述装置，其特征在于，所述强度计算装置通过如下公式计算得到水泥28天的强度：

R_28d＝6.017×ρ_24h+30.4；

其中，R_28d为水泥28天的强度；ρ_24h为水泥水化24小时时的电阻率。