CN105716745B - 一种测试混凝土毛细管负压的传感装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测试混凝土毛细管负压的传感装置及其使用方法，所述传感装置包括密封盖、传压管、直通接头、储水管、微孔陶瓷头和压力传感器，密封盖、传压管与压力传感器为上中下结构，所述直通接头镶嵌在传压管壁上，储水管与直通接头形成密不漏气的可拆装配合，储水管与微孔陶瓷头为不可拆卸的紧密连接，传压管与压力传感器为密不漏气的配合，所述传感装置的传压空间体积为0.5mL~1.6mL。本发明并通过专用压力传感器和特定的构造设计，实现了混凝土毛细管负压在0kPa~95kPa范围内的准确、精确、稳定的测试。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土毛细管负压力测试技术领域，具体涉及一种测试混凝土毛细管负压的传感装置及其使用方法。
背景技术
多年以来，混凝土的毛细管负压的测试和研究一直受到水泥、混凝土领域学者的研究和重视，但如何准确测试混凝土的毛细管负压却仍处于一种研究和探索阶段。
混凝土毛细管负压的测试原理为：随着混凝土内水泥水化的进行，混凝土内部水分逐渐被消耗，同时伴随着混凝土孔溶液的浓度变化，混凝土内部毛细管形成的弯液面也随之发生变化，从而产生不断变化的毛细管负压力，当毛细管负压力增大时，陶瓷头内的水分渗出，与混凝土内部的负压力形成压力平衡，再由压力传感器将捕捉到的压力的物理信号转变为电信号，从而实现混凝土毛细管负压的测试。但在此过程中，陶瓷头内水分的渗出，降低了混凝土内部本应该产生的负压值，所测试的结果与混凝土在没有埋设陶瓷头时的值偏小。在本发明中，将陶瓷头与测试装置或传感装置相连通的用于传递混凝土毛细管负压的空间称为传压空间。因此，若传压空间的水的体积较大时，将需要较大体积的水才可与混凝土内部产生的负压形成平衡，从而导致所测试的结果与真实值的偏差较大，所测试的毛细管负压的发展曲线的斜率偏小，体现出来的混凝土毛细管负压的发展进程缓慢。测试装置通过水进行压力传递，但若传压空间内的水未经除气处理，水中所溶解的气体将会在负压力到达50kpa以上时逐渐溶出，由于空气的压缩比较大，将导致大量的水进入混凝土内，使得测试值不准确，负压峰值较低，同样的道理，若测试装置的传压空间未用水完全填充(留有空气)，亦会产生相同的后果，而且在这种情况下，会导致混凝土在初凝之前的毛细管负压值无法测试或灵敏度较低。除此之外，气密性是混凝土毛细管负压测试的最关键因素，若测试装置的气密性不好，则会导致试验测试的重复性差、测试结果不准确或无法测试到负压值。传感器的设计同样至关重要，目前市场上所售的传感器均不是专为混凝土毛细管负压测试设计，因此，在选用现有市场上销售的传感器时，往往存在无法完全排除传感气内的空气的问题，因而导致测试结果不准确。
ZL200610038805.0公开了一种混凝土早期毛细管负压自动测试装置，ZL200910301734.2公开了一种混凝土早期毛细管负压的测试方法，ZL200910184610.0公开了一种水泥基材料早期养护方法，在这三项专利中所涉及的毛细管负压测试装置和方法包括压力传感器、陶瓷头、集气管、管塞、测筒、针头等，实现了混凝土早期毛细管负压的测试。但按照以上三项专利公开的方法，经过长期的试验和应用，发现测试数据的准确性、稳定性和测试灵敏度均有待于改善。究其原因：集气管内所盛放的水的体积较大，导致测试结果偏离真实值较大；其针头和传感器内存在气体无法排除，严重影响测试的灵敏度和准确性；其排出陶瓷头管壁微孔内的气体的方法为浸泡，由于陶瓷头管壁内的微孔为微米级，在水的表面张力下，水无法自行渗入陶瓷管壁将气体排出；其未采取严格的密封措施，导致测试装置的气密性不好，甚至出现多个测试装置的气密性不一致的情况，导致对同一混凝土样品测试的结果相差较大。
因此，为了能够准确、精确、稳定地测试混凝土的毛细管负压，需要设定和定制专用于混凝土毛细管负压测试的压力传感器，设计一种有效的传感装置配合结构，探索一种合理的使用方法。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供了一种可以准确、精确、稳定测定混凝土毛细管负压的传感装置及其使用方法，具体是这样实现的：
本发明提供了一种测试混凝土毛细管负压的传感装置，包括密封盖、传压管、直通接头、储水管、微孔陶瓷头和压力传感器，密封盖、传压管与压力传感器为上中下结构；
所述压力传感器是由传感器底座、信号膜片、压紧螺母、芯片、传感器外壳和导线及信号线组成，所述信号膜片与传感器底座之间形成储水囊，传感器底座轴心处设有贯通的直径为2.5mm～3.5mm的传压孔；
所述直通接头镶嵌在传压管壁上，储水管一端与直通接头的直通孔配合形成密不漏气的可拆装配合，储水管另一端与微孔陶瓷头为不可拆卸的紧密连接，微孔陶瓷头由陶瓷管壁和储水槽形成中空结构；
传压管的下端与压力传感器为密不漏气的配合，传压管与压力传感器通过传压孔连通，传压管的上端设有排气嘴，排气嘴与密封盖为可自由拆装的螺纹配合，传压管内设有直径为2.5mm～3.5mm的排气孔，排气孔内还设有外壁直径为0.8mm～1.2mm的排气管，排气管贯穿排气孔至压力传感器的储水囊内；传压管、储水管、微孔陶瓷头和压力传感器的储水的传压空间的体积之和V为0.5mL～1.6mL；
传压空间体积的大小是相对于微孔陶瓷头与混凝土的接触面积而言的，所述微孔陶瓷头的外径为D，长度为L，则微孔陶瓷头的外表面积约为πDL，即微孔陶瓷头与混凝土的接触面积。经过试验研究，所述传感装置的传压空间体积V与微孔陶瓷头的表面积πDL的数值之比不大于0.21且微孔陶瓷头的长径比L/D为2.0～4.0时，可认为微孔陶瓷头内的水对混凝土毛细管负压的测量值没有影响，通过数值换算可得到：L·D≥1.52V，即微孔陶瓷头的长度和外径的数据之积不小于传感装置传压空间体积数值的1.52倍。
为实现较好的密封性，所述传压管与所述压力传感器可以为一体成型，然而这样当压力传感器出现故障时不便于维修，甚至一旦当压力传感器出现故障，整个负压传感装置即报废，不利于合理利用资源；为克服这样的缺陷，传压管与压力传感器也可以为可拆装的密不漏气的配合。
所述传压管的下端设有螺纹槽，所述传感器底座上部设有底座接头，底座接头上设有螺纹，所述螺纹与所述螺纹槽形成密不漏气的可拆装配合。但这种情况的的密封性相比两者一体成型要差一些，可以在所述传压管的螺纹槽上下端分别设有硅胶密封圈，硅胶密封圈的作用是确保压力传感器与传压管之间形成密不漏气的配合。
为进一步提高负压传感装置的密封性，所述排气嘴的上部还可设有密封台，排气嘴内设有气鼻，所述气鼻上设有左气鼻孔和右气鼻孔，所述排气管贯穿左气鼻孔或右气鼻孔经排气孔至压力传感器内，排气管与所述左气鼻孔或右气鼻孔形成不可拆卸的紧密连接。
所述密封盖的内顶面可设有硅胶密封片，当所述密封盖与所述排气嘴配合在一起时，形成密不漏气的配合；当排气嘴的上部设有密封台时，硅胶密封片紧压密封台，密封效果更好。
为避免在较大的负压下，储水管被吸瘪变形而影响测试结果，所述储水管应为透明的硬质管，例如聚四氟乙烯管，保证其在90kPa以上时不被吸瘪变形。
本发明所述一种测试混凝土毛细管负压的传感装置的使用方法，包括如下步骤：
(1)传压空间的排气：使用时还包括抽气装置，所述抽气装置是由真空泵、储水筒、橡胶管和接头组成，真空泵、储水筒和接头由橡胶管依次串联为一体，储水筒的容积不小于50mL，且储水筒带有刻度的透明的有机玻璃管，便于观察水位的情况，接头内设有硅胶垫圈，可与所述传压管形成自由拆装的紧密连接；
所述传感装置的使用的最关键的一个步骤是排气，将传感装置的传压空间内的所有空气排除干净是保证混凝土毛细管负压准确测试的基本前提，其排气方法具体为：预先将自来水煮沸15～20分钟，倒入容器中密封冷却至室温，备用，该步骤为排除水中溶解的空气，对混凝土毛细管负压的精确测试尤其是对大于50kPa时的毛细管负压准确测试十分重要；将微孔陶瓷头浸入已备好的水中，且保持微孔陶瓷头的高度高于传压管的高度，避免排气结束时水位回流而带入空气，然后取下密封盖，将抽气装置的接头与传压管的排气嘴连接进行抽气，使所述传感装置内与外界形成压力差，水通过微孔陶瓷头经储水管进入传压管的排气孔内，当水进入排气孔时，由于水的比重远大于空气，因此水液面不再继续在排气孔内上升，而是由排气管从压力传感器的储水囊内抽气，水由排气孔和传压孔进入储水囊中，从而使水由排气孔到储水囊形成定向流动，解决了因为水的表面张力而无法填充至储水囊内的难题；当储水囊被水完全填充时，排气孔与排气管内的水液面同时上升，当传压管内的气体被排除干净后继续保持抽气状态，并观察微孔陶瓷头内是否有气泡出现并经由储水管抽出，当微孔陶瓷头不再产生气泡且进入储水筒的水的体积不小25mL时，关闭抽气装置，将接头取下，把所述密封盖与所述传压管的排气嘴形成密不漏气的配合；
(2)所述传感装置的应用测试：将所述传感装置通过导线及信号线与数据采集设备连接，将微孔陶瓷头埋设于新拌混凝土内，随着水泥的水化，混凝土内部水分逐渐被消耗，混凝土毛细管形成弯液面，产生负压力，微孔陶瓷头与毛细管弯液面形成水压力平衡，由毛细管产生的负压力，经微孔陶瓷头、储水管、传压管和储水囊内的水传递给压力传感器的信号膜片，信号膜片产生变形，将负压信号转变为电信号，传送给数据采集设备。
本发明的有益效果为：本发明解决了测试装置传压空间内的空气无法排除干净的难题，尤其通过定制专用压力传感器和特定的构造设计解决了压力传感器内空气难以排净的问题，以及解决了微孔陶瓷头管壁微孔内气泡难以排除的问题；本发明的传压空间完全被无气水填充，体积小，气密性好，大大提高了混凝土毛细管负压测定的精准度，解决了传压空间的水的体积过大而导致测试结果严重偏离真实值和气密性不好负压值测试不准确的问题；总之，本发明的总体方案，实现了混凝土毛细管负压在0kPa～95kPa范围内的准确、精确、稳定的测试，尤其是大大提高了混凝土毛细管负压小于10kPa时的测试灵敏度和精确度。
附图说明
图1为测试混凝土毛细管负压的传感装置的剖面示意图。
图2为传压管的剖面示意图。
图3为排气嘴示意图。
图4为密封盖示意图。
图5为压力传感器剖面示意图。
图6为微孔陶瓷头剖面示意图。
图7为抽气装置示意图。
图8为接头示意图。
图9为传感器底座局部示意图
图1-9中的标注分别为：1密封盖，2传压管，3直通接头，4储水管，5压力传感器，6微孔陶瓷头，7气鼻，8排气嘴，9排气孔，10直通孔，11硅胶密封圈，12排气管，13左气鼻孔，14右气鼻孔，15密封台，16硅胶密封片，17储水槽，18陶瓷管壁，19底座接头，20传感器底座，21储水囊，22芯片，23导线及信号线，24传感器外壳，25压紧螺母，26信号膜片，27传压孔，28螺纹槽，29真空泵，30储水筒，31接头，32橡胶管，33硅胶垫圈，34螺纹。
图10为本发明与现有装置测得的毛细管负压数据对比。
图11为本发明不同技术方案所测毛细管负压值。
具体实施方式
如图1～图6所示，一种测试混凝土毛细管负压的传感装置，包括密封盖1、传压管2、直通接头3、储水管4、微孔陶瓷头6和压力传感器5，密封盖1、传压管2与压力传感器5为上中下结构，所述压力传感器5是由传感器底座20、信号膜片26、压紧螺母25、芯片22、传感器外壳24和导线及信号线23组成，所述信号膜片26与传感器底座20之间形成储水囊21，传感器底座20轴心处设有直径为3.0mm的传压孔27；所述直通接头3镶嵌在传压管2的管壁上，储水管4与直通接头3形成密不漏气的可拆装配合，储水管4与微孔陶瓷头6为不可拆卸的紧密连接，微孔陶瓷头6由陶瓷管壁18和储水槽17形成中空结构；传压管2与压力传感器5为可拆装配合，传压管2的下端设有螺纹槽28，所述传感器底座20上部设有底座接头19，底座接头19上设有螺纹34，所述螺纹34与所述螺纹槽28形成密不漏气的可拆装配合。传压管2的螺纹槽28上下端分别设有硅胶密封圈11，以确保压力传感器5与传压管2之间形成密不漏气的配合。，传压管2与压力传感器5通过传压孔27连通；传压管2的上端设有排气嘴8，排气嘴8与密封盖1为可自由拆装的螺纹配合，传压管2内设有直径为3.5mm的排气孔9，排气孔9内还设有外壁直径为1.0mm的排气管12，排气嘴8的上部设有密封台15，排气嘴8内设有气鼻7，所述气鼻7上设有左气鼻孔13和右气鼻孔14，排气管12贯穿左气鼻孔13经排气孔9至压力传感器5的储水囊21内，排气管12与左气鼻孔13形成不可拆卸的紧密连接；密封盖1的内顶面设有硅胶密封片16，硅胶密封片16紧压密封台15，与排气嘴8配合在一起形成密不漏气的配合。储水管4为透明的聚四氟乙烯管，传压管2、储水管4、微孔陶瓷头6和压力传感器5的传压空间的体积之和V为1.6mL；所述微孔陶瓷头6的外径为D，长度为L，微孔陶瓷头6的规格满足条件：L/D＝3，L·D＝2.50。
本发明提供基于上述混凝土毛细管负压传感装置的使用方法，具体如下：
如图7所示，所述抽气装置是由真空泵29、储水筒30、橡胶管32和接头31组成，真空泵29、储水筒30和接头31由橡胶管32依次串联为一体，储水筒30的容积不小于50mL，且储水筒30是带有刻度的透明的有机玻璃管，便于观察水位的情况，接头31内设有硅胶垫圈33，与所述传压管2形成自由拆装的紧密连接；
预先将自来水煮沸20分钟，倒入容器中密封冷却至室温，备用；将微孔陶瓷头6浸入已备好的水中，且保持微孔陶瓷头6的高度高于传压管2的高度，避免排气结束时水位回流而带入空气，然后取下密封盖1，将抽气装置的接头与传压管2的排气嘴8连接进行抽气，使所述传感装置内与外界形成压力差，水通过微孔陶瓷头6经储水管4进入传压管2的排气孔9内，当水进入排气孔9时，由于水的比重远大于空气，因此水液面不再继续在排气孔9内上升，而是由排气管12从压力传感器5的储水囊21内抽气，水由排气孔9和传压孔27进入储水囊21中，从而使水由排气孔9到储水囊21形成定向流动；当储水囊21被水完全填充时，排气孔9与排气管12内的水液面同时上升，当传压管2内的气体被排除干净后继续保持抽气状态，并观察微孔陶瓷头6内是否有气泡出现并经由储水管4抽出，当微孔陶瓷头6不再产生气泡且进入储水筒30的水的体积不小25mL时，关闭抽气装置，将接头取下，把所述密封盖1与所述传压管2的排气嘴8形成密不漏气的配合；
将所述传感装置通过导线及信号线23与数据采集设备连接，将微孔陶瓷头6埋设于新拌混凝土内，随着水泥的水化，混凝土内部水分逐渐被消耗，混凝土毛细管形成弯液面，产生负压力，微孔陶瓷头6与毛细管弯液面形成水压力平衡，由毛细管产生的负压力，经微孔陶瓷头6、储水管4、传压管2和储水囊21内的水传递给压力传感器的信号膜片26，信号膜片26产生变形，将负压信号转变为电信号，传送给数据采集设备。
实施例1
拌制C60混凝土，取两个边长为150mm的试模，标号为A和B，用新拌C60混凝土分别填充满，用抹刀抹平，采用本发明的传感装置和使用方法测试A试样，采用ZL200610038805.0和ZL200910301734.2的装置和试验方法测试B试样。由图10可以发现，本发明的试验方法测试的数据曲线较现有公开技术试验方法的数据曲线发展迅速，本发明的试验装置和方法，在毛细管负压在小于10kPa时的测试灵敏度远高于原有技术，毛细管负压的最大值也明显高于原有技术。
实施例2
拌制C35混凝土，采用本发明的传感装置和方法进行测试，方案为：(1)传感装置的传压空间体积为1.6mL，微孔陶瓷头的长径比L/D为4，长径之积L·D为2.54；(2)传感装置的传压空间体积为0.5mL，微孔陶瓷头的长径比L/D为2，长径之积L·D为0.8；(3)传感装置的传压空间体积为1.0mL，微孔陶瓷头的长径比L/D为4，长径之积L·D为1.62。图11为本次试验的测试结果，结果显示，三种方案所测得的数据曲线基本重合，一致性较好。
Claims (7)
1.一种测试混凝土毛细管负压的传感装置，其特征在于：包括密封盖(1)、传压管(2)、直通接头(3)、储水管(4)、微孔陶瓷头(6)和压力传感器(5)，密封盖(1)、传压管(2)与压力传感器(5)为上中下结构；
所述压力传感器(5)是由传感器底座(20)、信号膜片(26)、压紧螺母(25)、芯片(22)、传感器外壳(24)和导线及信号线(23)组成，所述信号膜片(26)与传感器底座(20)之间形成储水囊(21)，传感器底座(20)轴心处设有贯通的直径为2.5mm～3.5mm的传压孔(27)；
所述直通接头(3)镶嵌在传压管(2)壁上，储水管(4)一端与直通接头(3)的直通孔(10)配合形成密不漏气的可拆装配合，储水管(4)另一端与微孔陶瓷头(6)为不可拆卸的紧密连接，微孔陶瓷头(6)由陶瓷管壁(18)和储水槽(17)形成中空结构；
传压管(2)的下端与压力传感器(5)为密不漏气的配合，传压管(2)与压力传感器(5)通过传压孔(27)连通，传压管(2)的上端设有排气嘴(8)，排气嘴(8)与密封盖(1)为可自由拆装的螺纹配合，传压管(2)内设有直径为2.5mm～3.5mm的排气孔(9)，排气孔(9)内还设有外壁直径为0.8mm～1.2mm的排气管(12)，排气管(12)贯穿排气孔(9)至压力传感器(5)的储水囊(21)内；传压管(2)、储水管(4)、微孔陶瓷头(6)和压力传感器(5)的储水的传压空间的体积之和V为0.5mL～1.6mL；
所述微孔陶瓷头(6)的外径为D，长度为L，满足条件：微孔陶瓷头(6)的长径比为2.0～4.0，微孔陶瓷头(6)的长度和外径的数据之积不小于所述传压管(2)、储水管(4)、微孔陶瓷头(6)和压力传感器(5)的储水的传压空间的体积之和V数值的1.52倍。
2.根据权利要求1所述的一种测试混凝土毛细管负压的传感装置，其特征在于，所述传压管(2)与压力传感器(5)为可拆装的密不漏气的配合。
3.根据权利要求1所述的一种测试混凝土毛细管负压的传感装置，其特征在于，所述传压管(2)的下端设有螺纹槽(28)，所述传感器底座(20)上部设有底座接头(19)，底座接头(19)上设有螺纹(34)，所述螺纹(34)与所述螺纹槽(28)形成密不漏气的可拆装配合，在所述传压管(2)的螺纹槽(28)上下端分别设有硅胶密封圈(11)。
4.根据权利要求1所述的一种测试混凝土毛细管负压的传感装置，其特征在于，所述排气嘴(8)的上部还可设有密封台(15)，排气嘴(8)内设有气鼻(7)，所述气鼻(7)上设有左气鼻孔(13)和右气鼻孔(14)，所述排气管(12)贯穿左气鼻孔(13)或右气鼻孔(14)经排气孔(9)至压力传感器(5)内，排气管(12)与所述左气鼻孔(13)或右气鼻孔(14)形成不可拆卸的紧密连接。
5.根据权利要求1所述的一种测试混凝土毛细管负压的传感装置，其特征在于，所述密封盖(1)的内顶面可设有硅胶密封片(16)，当所述密封盖(1)与所述排气嘴(8)配合在一起时，形成密不漏气的配合；当排气嘴(8)的上部设有密封台(15)时，硅胶密封片(16)紧压密封台(15)。
6.根据权利要求1所述的一种测试混凝土毛细管负压的传感装置，其特征在于，所述储水管(4)为透明的硬质管。
7.权利要求1至6任一项所述的一种测试混凝土毛细管负压的传感装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)传压空间的排气：使用时还包括抽气装置，所述抽气装置是由真空泵(29)、储水筒(30)、橡胶管(32)和接头(31)组成，真空泵(29)、储水筒(30)和接头(31)由橡胶管(32)依次串联为一体，储水筒(30)的容积不小于50mL，且储水筒(30)带有刻度的透明的有机玻璃管，便于观察水位的情况，接头(31)内设有硅胶垫圈(33)，可与所述传压管(2)形成自由拆装的紧密连接；
其排气方法具体为：预先将自来水煮沸15～20分钟，倒入容器中密封冷却至室温，备用；将微孔陶瓷头(6)浸入已备好的水中，且保持微孔陶瓷头(6)的高度高于传压管(2)的高度；然后取下密封盖(1)，将抽气装置的接头(31)与传压管(2)的排气嘴(8)连接进行抽气，使所述传感装置内与外界形成压力差，水通过微孔陶瓷头(6)经储水管(4)进入传压管(2)的排气孔(9)内，当水进入排气孔(9)时，压力传感器(5)的储水囊(21)内的气体开始由排气管(12)逐渐排出，水由排气孔(9)和传压孔(27)进入储水囊(21)中；当储水囊(21)被水完全填充时，排气孔(9)与排气管(12)内的水液面同时上升，当传压管(2)内的气体被排除干净后继续保持抽气状态，并观察微孔陶瓷头(6)内是否有气泡出现并经由储水管(4)抽出，当微孔陶瓷头(6)不再产生气泡且进入储水筒(30)的水的体积不小25mL时，关闭抽气装置，将接头(31)取下，把所述密封盖(1)与所述传压管(2)的排气嘴(8)形成密不漏气的配合；
(2)所述传感装置的应用测试：将所述传感装置通过导线及信号线(23)与数据采集设备连接，将微孔陶瓷头(6)埋设于新拌混凝土内，随着水泥的水化，混凝土内部水分逐渐被消耗，混凝土毛细管形成弯液面，产生负压力，微孔陶瓷头(6)与毛细管弯液面形成水压力平衡，由毛细管产生的负压力，经微孔陶瓷头(6)、储水管(4)、传压管(2)和储水囊(21)内的水传递给压力传感器(5)的信号膜片(26)，信号膜片(26)产生变形，将负压信号转变为电信号，传送给数据采集设备。
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