CN106018760B - 一种测量混凝土内部湿度的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量混凝土内部湿度的装置，包括油石外壳、油石外壳盖、吸水感应装置和空腔填充体组成，吸水感应装置置于油石外壳内，吸水感应装置的底端与油石外壳的内底板紧密贴合，吸水感应装置的顶端与油石外壳盖内侧壁紧密贴合，吸水感应装置与应变测量仪通过导线连接，油石外壳与吸水膨胀橡胶之间的圆环形的空腔内填充有空腔填充体，油石外壳与油石外壳盖之间紧密粘结。同时，本发明也解决了探头式传感器湿度测量准确性差的技术问题，提供了混凝土的湿度与其应变值相关联的测量混凝土内部湿度的装置和方法。
Description
技术领域
本发明涉及湿度测量装置及其测试方法，尤其是一种水泥基材料(水泥砂浆、混凝土等)水化过程中内部湿度测量装置及其测试方法，属于工程材料检测领域。
背景技术
混凝土是一种水硬性材料，其强度随着水化程度的进行而不断变大。随着水化的进行，其内部的湿度也是变化的。有关混凝土材料性能的试验中，内部湿度的变化是一项重要的内容，研究内部湿度与水化程度的关系的实验中，湿度的准确测量成为一项关键的内容。
众所周知，混凝土内部湿度的测量是一个世界性难题。传统湿度测量的湿度传感器往往价格很高，体积庞大，很难直接埋置在混凝土内部，传统做法往往是只将探头一部分伸入混凝土里，一部分在混凝土外部。而这样对混凝土的整体性破坏较大。另外，探头式传感器当湿度稍大时很容易结露，若不及时擦去，将严重影响测量的准确性。若擦去则需要拔出，这样又会对内部环境造成扰动。本文中方法混凝土与透水油石接触，透水油石又直接与吸水膨胀橡胶接触，从根本上消除结露的问题。并且该种传感器体积小，可埋入混凝土中，对混凝土结构破坏小，造价又很低廉，适合大范围内多点测量。
发明内容
本发明需要解决的是探头式传感器湿度测量准确性差的技术问题，提供了一种将湿度与应变关联在一起的测量混凝土内部湿度的装置和方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种测量混凝土内部湿度的装置，该装置由圆柱形油石外壳、油石外壳盖、吸水感应装置和空腔填充体组成，吸水感应装置置于油石外壳内，吸水感应装置的顶端与油石外壳盖内壁紧密贴合，吸水感应装置的底端与油石外壳的内底板紧密贴合，吸水感应装置与应变测量仪连接在导线上，油石外壳与吸水感应装置之间的圆环形的空腔内填充有空腔填充体，油石外壳与油石外壳盖之间紧密粘结。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述吸水感应装置由上下两块呈圆柱形结构的吸水膨胀橡胶、设置在两块吸水膨胀橡胶中间的应变片、与应变片连接的导线组成，导线的另一端连接在油石外壳外部的应变测量仪上。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述吸水感应装置置于油石外壳的内部中央。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述吸水膨胀橡胶的体积膨胀率为4-6倍。
本发明技术方案的进一步改进在于：空腔填充体的弹性模量为7-8MPa,泊松比为0.45-0.5，粘度为2000-3000cps,固化时间为20-25小时双组份硅胶。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述应变片和吸水膨胀橡胶通过环氧树脂胶固定粘结，应变片与吸水膨胀橡胶的横截面面积比为1:3-1:4。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述油石外壳的开口处设置有导出导线的凹形槽，凹形槽的纵向截面呈圆形或弧形。
一种测量混凝土内部湿度的方法，包括以下步骤：
①将传感器放入温湿度调节箱中，调节温度为室温，湿度设定为0％，把导线5接在应变测量仪上，待示数稳定后，该应变即为湿度为0％时对应的应变；
②将湿度分别设置为5％，10％，待示数稳定后，分别读取相应的应变值，按照10％的速率提高湿度，测取不同湿度下对应的应变值；
③画出湿度-应变图线，并拟合曲线，得出拟合方程；
④使用该传感器时，先将传感器根据使用具体情况稍微湿润一下，在浇筑混凝土的同时，将该装置浇筑在混凝中，将圆柱体测量头放置在需要测量的位置，将导线出露头接在应变测量仪上，这样就可以采集随时间变化的应变数据；
⑤采集数据，将得到的应变数据代入步骤③中得出的拟合方程，得出该应变下的湿度值。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤①的应变值由三向应力可列出如下计算式得到：
其中，E—空腔填充体(4)的弹性模量，
μ—空腔填充体(4)的泊松比，
σ1—吸水膨胀橡胶(3)的径向最大膨胀应力，
σ2—空腔填充体(4)的圆周方向应力，
σ3—空腔填充体(4)的轴向应力，
ε1—空腔填充体(4)的直径方向应变，
整理得[ε1,σ2,σ3]系数行列式为：
解得：
式中，σ1＝-0.18MPa，E＝7.8MPa，μ＝0.48
代入得到ε1＝-0.00263，
从而进一步得到吸水膨胀橡胶的应变值ε＝(L1/L2)*ε1
其中，L1—圆环空腔的厚度，
L2—吸水膨胀橡胶3的半径。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明提出一种测量混凝土内部湿度的装置及方法，该装置内部设置了吸水膨胀橡胶，装置外壳为圆柱形透水性油石，内部为圆柱形吸水膨胀橡胶，吸水膨胀橡胶中心位置设置有应变片。吸水橡胶与油石外壳之间留有缝隙，缝隙内使用硅胶填充。实现了将湿度测量转化为应变测量间接实现，从而得以将湿度与传感器内部变形联系起来。
本发明中油石外壳为透水性良好的油石，它经由高温烧结而成的一种微晶刚玉制品，结构紧密而细腻，具有较大的强度和刚性，并且具有透水性，渗透系数约为0.03cm/s。
本发明中的吸水膨胀橡胶为定做的橡胶，其吸水后的体积膨胀率为4-6倍，具有吸水、失水迅速，并且能够多次循环吸水、失水过程。吸水膨胀橡胶的圆柱体结构的上、下两个底面与油石外壳圆柱体内部的上、下两个底面紧密接触，吸水感应装置放置在油石外壳的内部中央，油石外壳内的空腔与吸水膨胀橡胶的高度相等，保证了吸水膨胀橡胶在膨胀时不会发生纵向上的形变，同时，吸水膨胀橡胶能够循环地吸、失水过程，也确保了吸水膨胀橡胶地重复利用。
本发明中在油石外壳和吸水膨胀橡胶的圆柱体结构之间形成了空腔，在此空腔内填充了双组份硅胶，这种硅胶具有流动性好，硫化快，可以浇注成型也可以注射成型，并且常温下固化。可在-65-250℃温度范围内长期保持弹性，并具有优良的电气性能和化学稳定性，能耐水、耐臭氧、耐气候老化，加之用法简单，工艺适用性强。因此，广泛被用作为灌封和制模的材料。各种电子、电器元件用室温硫化硅橡胶涂覆、灌封后，可以起到防潮、防腐、防震等保护作用。双组分室温硫化硅橡胶特别适宜于做深层灌封材料并具有较快的硫化时间，这一点也是优于单组分室温硫化硅橡胶之处。双组分室温硫化硅橡胶硫化后具有优良的防粘性能，加上硫化时收缩率极小。因此，适合于用来制造软模具，用于铸造模具。
本发明中的油石外壳的开口处设置有导出导线的凹形槽，并且凹形槽的纵向截面呈圆形或弧形，保证了装置的密封性，使得连接在应变片上的导线可以将应变数据传输到外部的应变测量仪上。
本发明的测量混凝土内部湿度的方法，提供了一种将湿度与传感器内部变形联系起来的方式。通过标定标准情况下的湿度与应变数据，拟合出了湿度-应变图线，即得到拟合方程；继续采集数据，将得到的应变数据代入上述的拟合方程中，得出不同应变下的湿度值。
附图说明
图1是本发明湿度传感器结构图；
图2是吸水膨胀橡胶及应变片粘贴示意图；
其中，1、油石外壳，2、油石外壳盖，3、吸水膨胀橡胶，4、空腔填充体，5、导线，6、应变片，7、应变测量仪。
具体实施方式
下面对本发明的测量装置做进一步详细说明：
如图1所示，一种测量混凝土内部湿度的装置，包括圆柱形油石外壳1、油石外壳盖2、吸水感应装置和空腔填充体4组成，透水性的油石外壳1外直径15mm，内直径12mm，底后1.5mm，壁厚1.5mm，高7.5mm，透水性的油石外壳1可以由大块油石制作完成，也可以一次制作成型。透水性的油石外壳盖2直径15mm，厚度1.5mm。吸水感应装置放置在油石外壳1的内部中央，吸水感应装置的底端与油石外壳1的内底板紧密贴合，吸水感应装置的顶端与油石外壳盖2的内侧壁紧密贴合，吸水感应装置与应变测量仪7通过导线5连接起来，吸水感应装置的一端与油石外壳1底板连接，吸水感应装置的另一端与油石外壳盖2连接，吸水感应装置由两块直径为8mm，高3mm的呈圆柱体形吸水膨胀橡胶3上下叠合成为一个整体，呈圆柱形结构，以上的尺寸均是在干燥状态下测得。
油石外壳1与吸水膨胀橡胶3之间的圆环形的空腔与吸水膨胀橡胶3的高度相等，在空腔内填充有空腔填充体，保证了吸水膨胀橡胶3的上、下两个底面与油石外壳1圆柱体内部的上、下两个底面紧密接触，使得体积膨胀率为4-6倍的吸水膨胀橡胶可以不会发生纵向上的形变。
油石外壳1和油石外壳盖2中间的空腔内填充有空腔填充体4，可以是双组份硅胶，其弹性模量为7-8MPa,泊松比为0.45-0.5，粘度为2000-3000cps,固化时间为20-25小时，并具有吸水、失水迅速能够多次循环吸水、失水过程。在油石外壳1与圆柱形的吸水膨胀橡胶3之间的圆环柱缝隙中灌入双组份硅胶，灌缝完成后，置于干燥环境中等待双组份硅胶固化成型。然后，修整双组份硅胶使其边缘整齐，恰好能够紧密盖上油石外壳盖2为准，不能留有缝隙。最后，将油石外壳盖2用环氧树脂胶粘贴在油石外壳1上，使导线5通过油石外壳1的凹形槽伸出，该凹形槽的纵向截面呈圆形或弧形保证了油石外壳盖2可以与油石外壳1贴实粘合。粘接过程一定要保证紧密结实，否则，在吸水膨胀橡胶3膨胀时在圆柱体的纵向发生形变，影响测量数据的准确性，进而影响混凝土内部湿度的测量。
两块吸水膨胀橡胶3中间由环氧树脂胶牢固粘接固定应变片6，如图2所示，在应变片6上连接有导线5，导线5的另一端连接在传感器外的应变测量仪7上，配合采集应变数据，应变片6和吸水膨胀橡胶3通过环氧树脂胶固定粘结，应变片6的与吸水膨胀橡胶3的横截面面积比例在1:3-1:4之间。
将该装置置于具有一定湿度的混凝土中，混凝土中的水分通过具有透水性的油石外壳1和油石外壳盖2进入，由于空腔填充体4是不具透水性的，因此只能从圆柱形油石的上下底面进入，而水分从侧面进不去。水分的进入使得吸水膨胀橡胶3吸水并且膨胀，由于吸水膨胀橡胶3的顶端都紧密的粘接在油石外壳盖2、吸水膨胀橡胶3的底部压实在油石外壳1的底部中央位置。因此，吸水膨胀橡胶3只能向水平方向上挤压空腔填充体4，粘贴在吸水膨胀橡胶上的应变片6是由敏感栅构成用于测量应变的元件，吸水膨胀橡胶3吸水膨胀后由于测点发生了应变，敏感栅也随之变形而使其电阻发生变化，再由导线5将测得其电阻变化大小，导出到应变测量仪7上并转换为测点的应变值。
下面对本发明的测量方法做进一步详细说明：
1、使用前要先对该传感器进行标定，将该传感器放入温湿度调节箱中，调节温度为室温，湿度设定为0％，将导线5接在应变箱上，示数稳定后，读取此时应变，该应变即为湿度为0％时对应的应变。
2、将湿度分别设置为5％，10％，示数稳定后，分别读取此时应变，该应变即为湿度为5％，10％时对应的应变。此后按照10％的速率进一步提高湿度，从而测取不同湿度下的对应不同的应变值。
湿度-应变关系计算：经过试验测量，吸水膨胀橡胶在固定空间内吸水至饱和状态最大膨胀应力为-0.18MPa，将该膨胀力作为吸水膨胀橡胶对硅胶的挤压力。另一方面，可通过试验得到硅胶的弹性模量为7.8MPa，泊松比为0.48。
| 硅胶弹性模量 | 硅胶泊松比 | 吸水橡胶最大膨胀应力 |
| 7.8MPa | 0.48 | -0.18MPa |
计算时，因为硅胶只在挤压方向上发生变形，其余两个方向上处于位移约束状态。因此，该模型为侧限条件下的单向应力状态，把空腔填充体4看作是展开的立方体，可列出三向应力可列出如下计算式：
其中，E—空腔填充体4的弹性模量，
μ—空腔填充体4的泊松比，
σ1—吸水膨胀橡胶3的径向最大膨胀应力，
σ2—空腔填充体4的圆周方向应力，
σ3—空腔填充体4的轴向应力，
ε1—空腔填充体4的直径方向应变，
整理得[ε1,σ2,σ3]系数行列式为：
解得：
式中，σ1＝-0.18MPa，E＝7.8MPa，μ＝0.48
代入得ε1＝-0.00263从而进一步得到吸水膨胀橡胶的应变值ε＝(L1/L2)*ε1
其中，L1—圆环空腔的厚度，L2—吸水膨胀橡胶3的半径。
从而进一步得到吸水膨胀橡胶的应变
0.00131相当于1313个微应变，而普通应变片的量成为20000个微应变，在测量范围之内，并且满足足够的精度要求。
在传感器制作过程中，硅胶灌缝这一步骤至关重要，假设灌缝边缘与外壳盖未充分接触，导致硅胶在沿圆柱纵向变为可自由伸缩，则计算结果如下：
将σ1＝-0.18MPa，E＝7.8MPa，μ＝0.48代入上方程组，
解得ε1＝-0.01776
从而进一步得到吸水膨胀橡胶的应变
0.00789相当于7890个微应变，虽然在20000个微应变范围内，并且仍然满足精度要求，但是相比于1313个微应变，相当于有双向侧限条件下应变的6.8倍，因此在制作过程中做工的影响较大。
但是，在实际使用中，因为针对每一个湿度传感器都要进行标定，所以做工的误差会影响到应变的大小，但是并不会使测量结果发生偏差。
3、待测试完后，画出湿度-应变图线，并拟合曲线，得出拟合方程，标定完毕。
4、使用该传感器时，先将传感器根据使用具体情况稍微湿润一下，在浇筑混凝土的同时，将该装置浇筑在混凝中，将圆柱体测量头放置在需要测量的位置，将导线出露头接在应变箱上，这样就可以采集随时间变化的应变数据。
5、当所需数据采集完成后，通过将得到的应变数据代入步骤3中得出的拟合方程，就可以得到该应变下的湿度值。
下面结合实施例对本发明的测量装置做进一步详细说明：
实施例1
在测量混凝土无养护条件下7天内部湿度的试验中，混凝土试件尺寸为15cm×15cm×15cm方块，混凝土中水泥：砂子：石子：水＝1:1.23:3.01:0.41，事先将采集好的多个湿度和应变数据进行拟合或用计算机模拟拟合曲线方程为y＝6.16E-16x5-1.68E-12x4+1.51E-09x3-2.70E-07x2+2.26E-04x+1.04E-03，其中x代表微应变数，y代表湿度。在无养护条件下7天，读取应变数值为1412个微应变，代入方程中，得到y＝0.81，即此时混凝土中的湿度为81％。
根据实际混凝土测量具体实施结果，对两种混凝土湿度传感器进行比较,如表1所示，本发明的传感器的体积远远小于传统的传感器体积，解决了在混凝土中湿度稍大时容易结露的问题，保证了测量的准确性；同时，本发明的传感器造价明显减少，节省了成本。
表1
Claims (8)
1.一种测量混凝土内部湿度的装置，其特征在于：该装置由圆柱形油石外壳(1)、油石外壳盖(2)、吸水感应装置和空腔填充体(4)组成，吸水感应装置置于油石外壳(1)内部中央，吸水感应装置的顶端与油石外壳盖(2)内壁紧密贴合，吸水感应装置的底端与油石外壳(1)的内底板紧密贴合，吸水感应装置与应变测量仪(7)连接在导线(5)上，油石外壳(1)与吸水感应装置之间的圆环形的空腔内填充有空腔填充体(4)，油石外壳(1)与油石外壳盖(2)之间紧密粘结；所述吸水感应装置由上下两块呈圆柱形结构的吸水膨胀橡胶(3)、设置在两块吸水膨胀橡胶(3)中间的应变片(6)、与应变片(6)连接的导线(5)组成，导线(5)的另一端连接在油石外壳(1)外部的应变测量仪(7)上。
2.根据权利要求1所述的一种测量混凝土内部湿度的装置，其特征在于：所述油石外壳(1)与油石外壳盖(2)之间用环氧树脂胶粘结。
3.根据权利要求1所述的一种测量混凝土内部湿度的装置，其特征在于：所述吸水膨胀橡胶(3)的体积膨胀率为4-6倍。
4.根据权利要求3所述的一种测量混凝土内部湿度的装置，其特征在于：所述空腔填充体(4)的弹性模量为7-8MPa,泊松比为0.45-0.5，粘度为2000-3000cps，固化时间为20-25小时双组份硅胶。
5.根据权利要求1所述的一种测量混凝土内部湿度的装置，其特征在于：所述应变片(6)和吸水膨胀橡胶(3)通过环氧树脂胶固定粘结，应变片(6)与吸水膨胀橡胶(3)的横截面面积比为1:3-1:4。
6.根据权利要求5所述的一种测量混凝土内部湿度的装置，其特征在于：所述油石外壳(1)的开口处设置有导出导线(5)的凹形槽，凹形槽的纵向截面呈圆形或弧形。
7.一种测量混凝土内部湿度的方法，包括以下步骤：
①将传感器放入温湿度调节箱中，调节温度为室温，湿度设定为0％，把导线5接在应变测量仪上，待示数稳定后，该应变即为湿度为0％时对应的应变；
②将湿度分别设置为5％，10％，待示数稳定后，分别读取相应的应变值，按照10％的速率提高湿度，测取不同湿度下对应的应变值；
③画出湿度-应变图线，并拟合曲线，得出拟合方程；
④使用该传感器时，先将传感器根据使用具体情况稍微湿润一下，将该传感器浇筑在混凝中，将圆柱体测量头放置在需要测量的位置，将导线出露头接在应变测量仪上，采集随时间变化的应变数据；
⑤将得到的应变数据代入步骤③中得出的拟合方程，得出该应变下的湿度值。
8.根据权利要求7所述的一种测量混凝土内部湿度的方法，其特征在于：所述步骤①的应变值由三向应力可列出如下计算式得到：
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其中，E—空腔填充体(4)的弹性模量，
μ—空腔填充体(4)的泊松比，
σ1—吸水膨胀橡胶(3)的径向最大膨胀应力，
σ2—空腔填充体(4)的圆周方向应力，
σ3—空腔填充体(4)的轴向应力，
ε1—空腔填充体(4)的直径方向应变，
整理得[ε1,σ2,σ3]系数行列式为：
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式中，σ1＝-0.18MPa，E＝7.8MPa，μ＝0.48，
代入得到ε1＝-0.00263，
从而进一步得到吸水膨胀橡胶的应变值ε＝(L1/L2)*ε1
其中，L1—圆环空腔的厚度，
L2—吸水膨胀橡胶(3)的半径。
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