CN104965063A - 一种基于时域反射的早龄期混凝土养护质量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时域反射的早龄期混凝土养护质量检测方法，先制备混凝土试件，并在混凝土试件中埋设探管；再从浇筑到硬化期间的连续每一养护日期中，利用时域反射仪通过电缆连接探头插入探管，来测量对应养护日期混凝土试件的若干组介电常数；并通过烘干法和工具测量来计算含水量；后根据介电常数与含水量的函数关系式，采用最小二乘法计算得出函数关系式中系数，确定混凝土试件介电常数与含水量的函数关系；接着确定混凝土试件强度与含水量的函数关系；在实际工程中，利用时域反射仪测量新浇筑早龄期混凝土介电常数，计算含水率，后根据混凝土养护目标强度，实时优化并调整养护条件、实时监测养护质量。测量简便快速，精度高，稳定性好。

Description

一种基于时域反射的早龄期混凝土养护质量检测方法

技术领域

本发明涉及一种早龄期混凝土养护质量检测方法，特别是涉及一种基于时域反射的早龄期混凝土养护质量检测方法，属于养护期混凝土检测领域。

背景技术

混凝土强度等级是评估混凝土的一项重要指标，混凝土的抗压强度是通过试验得出的，我国最新标准C60强度以下的采用边长为100mm的立方体试件作为混凝土抗压强度的标准尺寸试件。按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081-2002，制作边长为150mm的立方体在标准养护(温度20±2℃、相对湿度在95％以上)条件下，养护至28d龄期，用标准试验方法测得的极限抗压强度，称为混凝土标准立方体抗压强度。GB50010-2010《混凝土结构设计规范》规定，在立方体极限抗压强度总体分布中，具有95％强度保证率的立方体试件抗压强度，称为混凝土立方体抗压强度标准值。

然而，对于浇注后28d养护期以内的早龄期混凝土，其内部水分含量和水分分布的变化对材料的各项性能有较大影响，从而直接影响混凝土的强度、抗冻性以及水泥水化，是影响混凝土结构耐久性的重要参数。

混凝土浇筑后，如气候炎热、空气干燥，不及时进行养护，混凝土中水分会蒸发过快，而形成脱水现象，会使已形成凝胶体的水泥颗粒不能充分水化，不能转化为稳定的结晶，缺乏足够的粘结力，从而会在混凝土表面出现片状或粉状脱落。此外，在混凝土尚未具备足够的强度时，水分过早的蒸发还会产生较大的收缩变形，出现干缩裂纹，影响混凝土的耐久性和整体性。

因此检测早龄期混凝土内部水分含量的变化对于保障混凝土养护质量和预防混凝土结构开裂具有更重要意义。目前混凝土含水率测试技术从测量仪器上分为以下三种：

(1)电容式传感器：利用水的介电常数显著大于其他集料介电常数的原理制成的。一般自由水的介电常数为81，而普通材料的介电常数约为4，因此可以通过对传感器进行标定后，进行含水率测定。能够实现混凝土水分的快 速无损测量，但电容式传感器的缺点是集料种类和其中的杂物对测量结果影响较大。

(2)红外式传感器：利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度(高于绝对零度)，都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，红外式传感器利用红外线技术进行含水率测定，但其缺点是穿透力差，仅能对物料表面进行测定。

(3)探地雷达：一种高频电磁检测法，探地雷达技术具有分辨率高、无损和高效等特点，应用探地雷达检测介质含水率成为近年来探地雷达技术新的研究方向。然而，混凝土含水率的变化与雷达波的传播特性之间的关系需要通过开展理论和实验研究建立起两者之间的定量关系，才能使探地雷达技术真正应用于探测混凝土含水率这一领域。

(4)微波式传感器：通过微波频段水的介电常数远远大于一般材料的特性进行含水率测定。在高频电场中，电介质存在弛豫损耗，混凝土中的水分成为决定混凝土中的介电常数的重要部分，所以混凝土的湿度变化，可以明显改变混凝土的介电特性；通过测量功率衰减、相位变化和谐振频率等相关介电常数的物理量，就能测量混凝土的含水率，但其缺点是关于微波和含水量的关系研究还不够深入，不能准确获得精确地含水率。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种基于时域反射的早龄期混凝土养护质量检测方法，操作简便、测量准确，具有精度高、稳定性好、速度快等优点，通过检测确定早龄期混凝土介电常数与含水量的函数关系组、早龄期混凝土强度与含水量的函数关系组，在实际工程中，利用时域反射仪测量早期浇筑混凝土介电常数，从而确定其所需要达到的混凝土强度，实现实时优化并调整养护条件、实时监测早龄期混凝土养护质量的目的，适用于指导工程设计及施工，具有产业上的利用价值。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于时域反射的早龄期混凝土养护质量检测方法，包括以下步骤：

S1、制备混凝土试件，并在混凝土试件中埋设探管；

S2、根据养护条件对混凝土试件进行养护，从浇筑到硬化期间的连续每一养护日期中，按照养护日期排序，利用时域反射仪通过电缆连接探头插入探管，来测量排至的该养护日期混凝土试件的若干组介电常数，并将该养护日期的混凝土试件通过烘干法和工具测量，来计算含水量ω和混凝土试件干密度ρ_d；

根据所测介电常数和所得含水量及混凝土试件干密度，带入到介电常数与含水量的函数关系式(1)，采用最小二乘法计算得出函数关系式(1)中的系数a、b，从而确定混凝土试件在养护条件下对应该养护日期的介电常数与含水量的函数关系；

$\sqrt{K_a}\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\ω}}}{{\mathrm{\ρ}}_d}=a+\mathrm{b\ω}---\left(1\right)$

其中，K_a为介电常数，ρ_ω为水的密度，ρ_d为混凝土试件干密度，ω为含水量，a、b为系数；

S3、根据所测含水量带入到养护条件下混凝土试件强度与含水量的函数关系式，得出混凝土试件在养护条件下对应该养护日期的混凝土试件强度与含水量的函数关系；

S4、按照养护日期排序，将步骤S2确定的混凝土试件连续每一养护日期的介电常数与含水量的函数关系组成早龄期混凝土介电常数与含水量的函数关系组，将步骤S3确定的混凝土试件连续每一养护日期的混凝土试件强度与含水量的函数关系组成早龄期混凝土强度与含水量的函数关系组；

S5、监测现场浇筑后的早龄期混凝土，利用时域反射仪检测到早龄期混凝土介电常数，根据步骤S4确定的早龄期混凝土介电常数与含水量的函数关系组、早龄期混凝土强度与含水量的函数关系组，依次计算出早龄期混凝土含水量和早龄期混凝土强度，通过将早龄期混凝土强度与混凝土养护目标强度做比对，实时优化并调整养护条件，从而实时监测早龄期混凝土养护质量。

本发明进一步设置为：所述步骤S2中烘干法可通过烤箱完成烘干。

本发明进一步设置为：所述步骤S2中含水量ω根据计算公式(2)，混凝土试件干密度ρ_d根据计算公式(3)；

$\mathrm{\ω}=\frac{m_1-m_2}{m_2}---\left(2\right)$

${\mathrm{\ρ}}_d=\frac{m_2}{V}---\left(3\right)$

其中，ω为混凝土含水量，m₁为混凝土试件原始质量，m₂为混凝土试件烘干后质量，ρ_d为混凝土干密度，V为混凝土试件烘干后体积。

本发明进一步设置为：所述步骤S2中养护条件包括自然养护条件和标准养护条件，养护日期为28天。

本发明进一步设置为：所述步骤S3中养护条件下混凝土试件强度与含水量的函数关系式包括标准养护条件和自然养护条件下混凝土试件强度与含水量的函数关系式(4)、(5)，分别为

标准养护条件下:f_c＝-3.448ω+52.81         (4) 

自然养护条件下:f_c＝2.037ω²-13.5ω+47        (5) 

其中，f_c为混凝土试件强度，ω为混凝土含水量。

本发明进一步设置为：所述步骤S1中探管为黄铜棒。

本发明进一步设置为：所述步骤S1中混凝土试件为28件相同的边长是150mm的立方体试样，每一件立方体试样均埋设有留出检测预留孔的9根探管。

本发明进一步设置为：所述9根探管以三排三列的矩阵形式分布。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、利用时域反射仪通过电缆连接探头插入探管、来测量混凝土试件的介电常数，其中时域反射仪所用电磁波传输具有衰减小、抗干扰性强、精度高、稳定性好、安全性能高等优点；而且操作简便，获取数据速度快，可提高效率、节约人力财力。

2、采用烘干法和工具测量来计算混凝土试件含水量和混凝土试件干密度，操作简单，快速有效；根据所测介电常数和所得含水量及混凝土试件干密度带 入到介电常数与含水量的函数关系式中，再采用最小二乘法计算得出函数关系式中的系数值，数据精度高，求值误差小，准确可靠。

3、将确定的早龄期混凝土介电常数与含水量的函数关系组、以及早龄期混凝土强度与含水量的函数关系组，运用到实际工程的现场浇筑混凝土施工监测中，利用时域反射仪检测到处于早龄期的现浇混凝土介电常数，检测操作不破坏现浇混凝土，而且电磁波信号稳定，采集数据准确，再通过函数关系组计算其含水量和强度，根据混凝土养护目标强度，实时优化并调整养护条件，从而实现实时监测早龄期混凝土养护质量的目的。

上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1为本发明实施例所用混凝土试样的结构示意图；

图2为本发明实施例的检测原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

本发明提供一种基于时域反射的早龄期混凝土养护质量检测方法，包括以下步骤：

S1、制备混凝土试件，并在混凝土试件中埋设探管；

按照欲浇筑混凝土的配合比，配制一定量的混凝土，制备28件相同结构如图1所示的边长为150mm的标准立方体试样10，并在每一件试样10中均埋设9根探管11，9根探管11以三排三列的矩阵形式分布，探管11采用黄铜棒；对28件试样10按照编号为A1-A28进行排序，每一件试样10中的9根探管11如图编号为1-9；

S2、根据养护条件对28件试样10均进行养护，可采用自然养护条件或标准养护条件；选定一种养护条件后对不同编号试样10进行不同天数的养护，编号A1的试样养护一天，编号A2的试样养护两天，依次类推，编号A28的试样养护28天，最长的养护日期为28天；

从浇筑到硬化期间的连续每一养护日期中，按照养护日期排序，首先对养护一天完成的编号A1的试样10，利用时域反射仪12通过电缆13连接探头14 插入探管11的检测预留孔中，来测量通过计算机15读取养护日期为一天的编号A1试件1的若干组介电常数K_a，如图2所示；

再将编号A1的试件1通过烘干法和工具测量，来计算含水量ω和混凝土试件干密度ρ_d，其中可通过烤箱完成烘干，操作简单，快速有效；含水量ω根据计算公式(2)，混凝土试件干密度ρ_d根据计算公式(3)；

$\mathrm{\ω}=\frac{m_1-m_2}{m_2}---\left(2\right)$

${\mathrm{\ρ}}_d=\frac{m_2}{V}---\left(3\right)$

其中，ω为混凝土含水量，m₁为混凝土试件原始质量，m₂为混凝土试件烘干后质量，ρ_d为混凝土干密度，V为混凝土试件烘干后体积；

再根据所测介电常数K_a和所得含水量ω及混凝土试件干密度ρ_d，带入到介电常数K_a与含水量ω的函数关系式(1)，采用最小二乘法计算得出函数关系式(1)中的系数a、b，从而确定编号A1的试件1在养护条件下对应养护日期为一天的介电常数K_a与含水量ω的函数关系；

$\sqrt{K_a}\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\ω}}}{{\mathrm{\ρ}}_d}=a+b\mathrm{\ω}---\left(1\right)$

其中，K_a为介电常数，ρ_ω为水的密度，ρ_d为混凝土试件干密度，ω为含水量，a、b为系数；

S3、根据所测含水量ω带入到养护条件下混凝土试件强度f_c与含水量ω的函数关系式(4)或(5)，得出编号A1的试件1在养护条件下对应养护日期为一天的混凝土试件强度f_c与含水量ω的函数关系；

标准养护条件下:f_c＝-3.448ω+52.81         (4) 

自然养护条件下:f_c＝2.037ω²-13.5ω+47        (5) 

其中，f_c为混凝土试件强度，ω为混凝土含水量；

S4、按照养护日期排序，以此类推，按照步骤S2和步骤S3，分别检测和计算出编号2-28的每一件试样10的早龄期混凝土介电常数与含水量的函数关系、及混凝土试件强度与含水量的函数关系，组合成与养护日期对应的早龄期混凝土介电常数与含水量的函数关系组、早龄期混凝土强度与含水量的函数关系组；

S5、将检测结果运用到实际工程的现场浇筑混凝土施工监测中；

利用时域反射仪检测到现场浇筑的早龄期混凝土介电常数，根据步骤S4确定的早龄期混凝土介电常数与含水量的函数关系组、早龄期混凝土强度与含水量的函数关系组，依次计算出现场浇筑的早龄期混凝土含水量及其强度，通过将早龄期混凝土强度与混凝土养护目标强度做比对，及时给设计与施工人员提供分析数据，便于通过实时优化并调整养护条件，从而实时监测早龄期混凝土养护质量。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于时域反射的早龄期混凝土养护质量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、制备混凝土试件，并在混凝土试件中埋设探管；

S2、根据养护条件对混凝土试件进行养护，从浇筑到硬化期间的连续每一养护日期中，按照养护日期排序，利用时域反射仪通过电缆连接探头插入探管，来测量排至的该养护日期混凝土试件的若干组介电常数，并将该养护日期的混凝土试件通过烘干法和工具测量，来计算含水量ω和混凝土试件干密度ρ_d；

根据所测介电常数和所得含水量及混凝土试件干密度，带入到介电常数与含水量的函数关系式(1)，采用最小二乘法计算得出函数关系式(1)中的系数a、b，从而确定混凝土试件在养护条件下对应该养护日期的介电常数与含水量的函数关系；

$\sqrt{K_a}\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\ω}}}{{\mathrm{\ρ}}_d}=a+\mathrm{b\ω}---\left(1\right)$

其中，K_a为介电常数，ρ_ω为水的密度，ρ_d为混凝土试件干密度，ω为含水量，a、b为系数；

S3、根据所测含水量带入到养护条件下混凝土试件强度与含水量的函数关系式，得出混凝土试件在养护条件下对应该养护日期的混凝土试件强度与含水量的函数关系；

S4、按照养护日期排序，将步骤S2确定的混凝土试件连续每一养护日期的介电常数与含水量的函数关系组成早龄期混凝土介电常数与含水量的函数关系组，将步骤S3确定的混凝土试件连续每一养护日期的混凝土试件强度与含水量的函数关系组成早龄期混凝土强度与含水量的函数关系组；

S5、监测现场浇筑后的早龄期混凝土，利用时域反射仪检测到早龄期混凝土介电常数，根据步骤S4确定的早龄期混凝土介电常数与含水量的函数关系组、早龄期混凝土强度与含水量的函数关系组，依次计算出早龄期混凝土含水量和早龄期混凝土强度，通过将早龄期混凝土强度与混凝土养护目标强度做比对，实时优化并调整养护条件，从而实时监测早龄期混凝土养护质量。

2.根据权利要求1所述的一种基于时域反射的早龄期混凝土养护质量检测方法，其特征在于：所述步骤S2中烘干法可通过烤箱完成烘干。

3.根据权利要求1所述的一种基于时域反射的早龄期混凝土养护质量检测方法，其特征在于：所述步骤S2中含水量ω根据计算公式(2)，混凝土试件干密度ρ_d根据计算公式(3)；

$\mathrm{\ω}=\frac{m_1-m_2}{m_2}---\left(2\right)$

${\mathrm{\ρ}}_d=\frac{m_2}{V}---\left(3\right)$

其中，ω为混凝土含水量，m₁为混凝土试件原始质量，m₂为混凝土试件烘干后质量，ρ_d为混凝土干密度，V为混凝土试件烘干后体积。

4.根据权利要求1所述的一种基于时域反射的早龄期混凝土养护质量检测方法，其特征在于：所述步骤S2中养护条件包括自然养护条件和标准养护条件，养护日期为28天。

5.根据权利要求1所述的一种基于时域反射的早龄期混凝土养护质量检测方法，其特征在于：所述步骤S3中养护条件下混凝土试件强度与含水量的函数关系式包括标准养护条件和自然养护条件下混凝土试件强度与含水量的函数关系式(4)、(5)，分别为

标准养护条件下:f_c＝-3.448ω+52.81    (4)

自然养护条件下:f_c＝2.037ω²-13.5ω+47    (5)

其中，f_c为混凝土试件强度，ω为混凝土含水量。

6.根据权利要求1所述的一种基于时域反射的早龄期混凝土养护质量检测方法，其特征在于：所述步骤S1中探管为黄铜棒。

7.根据权利要求1所述的一种基于时域反射的早龄期混凝土养护质量检测方法，其特征在于：所述步骤S1中混凝土试件为28件相同的边长是150mm的立方体试样，每一件立方体试样均埋设有留出检测预留孔的9根探管。

8.根据权利要求7所述的一种基于时域反射的早龄期混凝土养护质量检测方法，其特征在于：所述9根探管以三排三列的矩阵形式分布。