CN107525848A

CN107525848A - 水泥基材料的材料参数的检测方法及设备

Info

Publication number: CN107525848A
Application number: CN201610441294.0A
Authority: CN
Inventors: 李宗津; 陆有源; 覃道鼎
Original assignee: To Balance Security Networking Equipment Technology Co Ltd
Current assignee: To Balance Security Networking Equipment Technology Co Ltd
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2017-12-29

Abstract

本发明公开了水泥基材料的材料参数的检测方法及设备，检测设备包含用于摆放待测水泥基材料试件的支架、可控电磁铁、激振用小钢球、接收振动信号用加速度计、电荷放大器、信号接收采集模块，以及数据分析处理模块，通过小钢球自由降落至水泥基材料试件的顶部来激发水泥基材料试件自身的结构振动，然后将这种结构振动通过加速度计及电荷放大器接收采集至计算机，通过计算机计算出水泥基材料试件的动态弹性模量、剪切模量、泊松比、横波及纵波波速参数。本发明的检测设备和方法，其可实现各参数快速可靠的检测。

Description

水泥基材料的材料参数的检测方法及设备

技术领域

本发明涉及土木材料领域，尤其涉及水泥基材料的材料参数的检测方法及设备。

背景技术

水泥基材料的材料参数，如弹性模量、剪切模量、泊松比、横波及纵波波速是衡量水泥基材料质量和特性的重要指标。测量水泥基材料参数的方法大多操作过程复杂，需要特殊设备或装置，成本较高且易受人工操作及环境的影响。同时，现有的这些方法只能同时针对一到两个材料参数进行测量，针对不同参数的测量方法差异较大，也就是说，现有技术无法实现快速可靠的同时测量以上各种参数。

申请号为201210101848.4的国内发明专利申请公开了一种温度环境下测量动态弹性模量的方法。该方法主要是将梁试件夹持于刚性固定台上即一端固支一端自由的悬臂状态，通过电阻加热装置，热电偶温度反馈和温度控制仪器对试件进行加温和温度控制，安装于试件上的压电陶瓷激振器接收经信号放大仪器所放大的激振信号对试件进行激振，激光测振仪器对温度环境下的试件进行模态测试，计算机接收激光测振仪器的信号，通过信号分析得到试件在所控温度环境下的各阶次固有频率和模态，通过固有频率和弹性模量的关系由测得的固有频率反推出所控温度环境下的材料动态弹性模量。该方法由于包含有温度控制模块，因此所测动态弹性模量能够精确反应温度的变化。然而该方法所需设备较多且操作复杂，无法快速得到试件的动态弹性模量参数。

申请号为201210014310.X的国内发明专利申请公开了一种对功能梯度材料梁的弹性模量和剪切模量的测定方法。该方法主要包括：考虑弹性模量和剪切模量为梁长度方向的函数，并将梁沿长度方向离散化；在保证离散化后的单元满足平衡方程的条件下，分别建立单元节点处的弹性模量和位移、剪切模量和转角的关系；当单元点处的位移和转角被分别测定后，可得到离散分布的弹性模量和剪切模量。该方法只需对材料弹性变形进行测量即可同时得到材料的弹性模量以及剪切模量，方法简单方便，但由于测定方法本身对材料的要求，即必须是功能梯度材料，因此限制了其通用性，无法对所有水泥基材料的动态弹性模量以及剪切模量进行测量。

申请号为201010106887.4的国内发明专利申请公开了一种基于谐振频率法的MEMS薄膜泊松比测量方法。该方法主要包括，先制作一个圆环形MEMS薄膜作为测试结构，再测出该薄膜的径向振动以及横向振动，然后利用径向振动与横向振动的谐振频率来计算出MEMS薄膜的泊松比参数。该方法可以避免因杨氏模量以及材料密度等引起的误差，有利于精度的提高，且测试结构制作简单，可以快速准确地测出材料的泊松比，但并不能快速准确地同时测出水泥基材料的其他材料参数如动态弹性模量、剪切模量、横波及纵波波速等。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供水泥基材料的材料参数的检测方法及设备，本发明的检测方法操作简单，测量结果受人工操作与环境影响微小，分析结果重复性好，数据可靠。本发明的检测方法可同时获得水泥基材料的动态弹性模量、剪切模量、泊松比、横波及纵波波速等材料参数，方便快捷。

本发明的技术方案如下：

一种水泥基材料的材料参数的检测设备，其中，包含用于摆放待测水泥基材料试件的支架、可控电磁铁、激振用小钢球、接收振动信号用加速度计、电荷放大器、信号接收采集模块，以及数据分析处理模块，通过小钢球自由降落至水泥基材料试件的顶部来激发水泥基材料试件自身的结构振动，然后将这种结构振动通过加速度计及电荷放大器接收采集至计算机，通过计算机计算出水泥基材料试件的动态弹性模量、剪切模量、泊松比、横波及纵波波速参数。

一种如上所述的水泥基材料的材料参数的检测设备的检测方法，其中，包括步骤：

通过小钢球自由降落至水泥基材料试件的顶部来激发水泥基材料试件自身的结构振动，然后将这种结构振动通过加速度计及电荷放大器接收采集至计算机，通过计算机计算出水泥基材料试件的动态弹性模量、剪切模量、泊松比、横波及纵波波速参数。

所述的检测方法，其中，当启动测试后，所述支架上的可控电磁铁根据计算机的指令以自由落体的方式释放小钢球。

所述的检测方法，其中，所述支架吸收自水泥基材料试件传播而来的结构振动，防止由于水泥基材料试件的结构振动在传播界面的反射导致的测量结果的不准确。

所述的检测方法，其中，所述加速度计自带磁性，用于吸住粘贴在水泥基材料试件底部的铁片。

所述的检测方法，其中，所述加速度计接收频率在1kHz-25kHz范围内的振动信号。

所述的检测方法，其中，在测试开始前预先输入水泥基材料试件的尺寸和密度信息，所述计算机根据测试开始后上传至计算机的波形信号的频率特征，结合水泥基材料试件的尺寸、密度，自动计算出所述测试用水泥基材料的动态弹性模量、剪切模量、泊松比、横波及纵波波速参数。

有益效果：本发明通过提供水泥基材料的材料参数的检测方法及设备，通过实验证明该检测设备与方法可以快速可靠地得到关于水泥基材料的动态弹性模量、剪切模量、泊松比、横波及纵波波速等多种材料参数。

附图说明

图1为本发明的摆放测试用水泥基材料试件的支架的结构图。

图2为本发明的整套快速检测设备的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2所示，本发明的水泥基材料的材料参数的检测设备，包含用于摆放待测水泥基材料试件的支架（如图1所示）、可控电磁铁10、激振用小钢球20（也可称小钢球20）、接收振动信号用加速度计30（也可称加速度计30）、电荷放大器（即图中信号放大器60）、信号接收采集模块，以及数据分析处理模块，通过小钢球20自由降落至水泥基材料试件的顶部来激发水泥基材料试件自身的结构振动，然后将这种结构振动通过加速度计30及电荷放大器接收采集至计算机70（通过测定仪50传输），通过计算机70计算出水泥基材料试件的动态弹性模量、剪切模量、泊松比、横波及纵波波速参数。

本发明用来快速检测水泥基材料早龄期的一些动态参数。具体来说，本发明通过对根据ASTM标准制作的水泥基材料（圆柱体）试件进行快速检测，能够快速精确地得到该水泥基材料的泊松比、动态弹性模量、剪切模量、横波纵波速度参数。根据检测结果可知，水泥基材料的动态弹性模量随着材料本身的水化过程有很大的变化，而其泊松比变化微小。本发明对全面掌握水泥基材料早龄期成熟过程及材料本身特性有着极其重要的意义。

待测试用水泥基材料试件的支架的顶部安装可控电磁铁10和激振用小钢球20，所述支架的底座40上放置待测试用水泥基材料试件。

所述测试用水泥基材料试件一般为根据ASTM标准浇筑的圆柱体，尺寸为直径100mm，高200mm。

当测试启动时，所述支架上的可控电磁铁10可以根据计算机70的指令以自由落体的方式释放激振用小钢球20。

所述加速度计30安装在所述支架的底座40圆孔中，用于接收振动信号。

所述加速度计30带有磁性，测试启动前，需将其吸住水泥基材料试件底部粘贴的铁片。

进一步地，电荷放大器与信号接收采集模块将加速度计30测量到的电荷信号以预定比例转化为电压信号，并上传至计算机70，计算机70软件中的算法将根据已知的水泥基材料试件的尺寸与密度数据，结合接收到的电压信号波形参数，同时计算得出该测试用水泥基材料的动态弹性模量、剪切模量、泊松比、横波及纵波波速等参数。

本发明的方法中，不包含温度控制模块，操作更加简便，同时由于对测试环境及温度，本发明选择对于水泥基材料最通用的室内温度环境，因此本发明不仅能够快速准确地得到材料的动态弹性模量参数，且所得参数具备广泛的适用性，方便使用者快速准确地对所用水泥基材料的性能进行评价。

具体来说，测试准备阶段，需要根据ASTM标准制作混凝土圆柱体试件，其体积参数为直径100mm，高度200mm。试件所用水泥为普通42.5波特兰水泥，相对密度为3.15，细度为385m²/kg。所用粗骨料的相对密度为2.57，最大的颗粒10mm左右。本发明中采用的质量配比为（水泥：水：沙：骨料）：1.0：0.5：1.5：2.4。整个检测过程室内温度为21±1℃，室内相对湿度为100%。

首先打开计算机和信号接收放大设备的相关电源。打开图1所示支架上可控电磁铁10的电源开关，可控电磁铁10释放磁力，将10mm的小钢球20固定在离混凝土试件表面圆心正上方0.4m的位置。通过预掉球确定钢球位置在所测试件的正上方，并在正式测试开始前保持支架稳定状态。稳定后，关掉可控电磁铁10的电源开关，小钢球20自由下落撞击至圆柱体混凝土试件的上表面圆心处，撞击产生的信号将会被加速度计30监测采集，其后经信号放大器60放大，过滤，然后通过测定仪50记录，保存，传输给计算机70，经过FFT转换及提取特征点代入公式计算，混凝土试件的动态弹性模量、剪切模量、泊松比、横波及纵波波速等多种材料参数将会自动在软件界面上显示。

通过这种方法，截取四个不同水化时间下圆柱体混凝土试件的检测结果作为参考来说明整个计算过程，以下是具体的计算过程。

1、计算泊松比：

式中，和分别是第一波峰的频率与第二波峰的频率。,与定义如下：

式中的L/D为圆柱体的高度与直径的比值。

结果请见下表，泊松比波动在0.19至0.21之间，可以近似认为是一个常数。这个结果与之前研究者的实验结论保持一致。

2、计算杨氏模量

其中，

式中的R₀为圆柱体的半径。ρ为圆柱体的密度。

3、计算剪切模量和纵波波速

和

式中V为纵波波速。G_d为剪切模量。横波波速由纵波波速及泊松比共同决定。

通过本发明的设备及操作方法所记录下的第一第二纵向共振频率，然后按照上述公式计算泊松比，杨氏模量，剪切模量及波速。将水化时间分别为0.33天，1天，3天及28天的结果总结如下表，由此可以发现该检测设备及手段可以很好地反映混凝土材料的材料参数。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种水泥基材料的材料参数的检测设备，其特征在于，包含用于摆放待测水泥基材料试件的支架、可控电磁铁、激振用小钢球、接收振动信号用加速度计、电荷放大器、信号接收采集模块，以及数据分析处理模块，通过小钢球自由降落至水泥基材料试件的顶部来激发水泥基材料试件自身的结构振动，然后将这种结构振动通过加速度计及电荷放大器接收采集至计算机，通过计算机计算出水泥基材料试件的动态弹性模量、剪切模量、泊松比、横波及纵波波速参数。

2.一种如权利要求1所述的水泥基材料的材料参数的检测设备的检测方法，其特征在于，包括步骤：

3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，当启动测试后，所述支架上的可控电磁铁根据计算机的指令以自由落体的方式释放小钢球。

4.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述支架吸收自水泥基材料试件传播而来的结构振动，防止由于水泥基材料试件的结构振动在传播界面的反射导致的测量结果的不准确。

5.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述加速度计自带磁性，用于吸住粘贴在水泥基材料试件底部的铁片。

6.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述加速度计接收频率在1kHz-25kHz范围内的振动信号。

7.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，在测试开始前预先输入水泥基材料试件的尺寸和密度信息，所述计算机根据测试开始后上传至计算机的波形信号的频率特征，结合水泥基材料试件的尺寸、密度，自动计算出所述测试用水泥基材料的动态弹性模量、剪切模量、泊松比、横波及纵波波速参数。