CN107860796B - 一种用于监测混凝土质量和凝结硬化状态的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于现场/及时监测凝土质量和凝结硬化状态的方法，包括第一步，在混凝土成型前现场确定监测用电极对；第二步，在混凝土成型或浇注完成后，将现场具有的电极对与测试设备相连接，测试设备通过电极对混凝土施加正弦交流信号，测定这对电极间的混凝土的交流阻抗电学参数；第三步，记录并形成电学参数‑时间曲线；第四步，根据电学参数‑时间曲线的形状确定混凝土的水化状态；第五步，从完整的电学参数‑时间曲线上确定初凝时间点和终凝时间点，并进一步确定初凝时间和终凝时间；第六步，通过比较混凝土的初凝时间和终凝时间，分析混凝土的质量。本技术能准确确定混凝土凝结时间，判断混凝土的质量，合理安排工程进度，确保施工安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于现场/及时监测、判断混凝土凝结硬化状态和判断混凝土质量的方法，特别涉及一种利用混凝土的电学参数变化来监测混凝土凝结硬化状态和判断混凝土质量的方法。
背景技术
常规的混凝土是一种宏观均匀而微观不均匀的大宗建筑材料。现有的许多建筑工程都是采用混凝土作为主要的建筑材料。这些混凝土基本上都不是浇注后就算完工了的，还有很多后续的工作或程序需要进行，比如，脱模、新的浇注等。
混凝土的水化程度和已具有的力学性能对后续工作的开展和工程进度具有决定性影响因素。在实际的混凝土施工过程中，通常采用成型小样法来判断混凝土的状态：在浇筑混凝土的过程中随机取样施工现场的混凝土成型混凝土小样，然后将混凝土小样与混凝土构件同条件养护；通过测试混凝土小样的凝结时间、不同龄期的力学性能来判断混凝土构件的凝结时间、力学性能。
混凝土的小样法充分利用了混凝土的均匀性和混凝土的体积效应。在正常环境下，实际的混凝土构件尺寸是远大于混凝土小样的尺寸的，混凝土的内部温度也是高于小样混凝土的温度的。在其它条件都完全相同的情况下，混凝土构件因为温度高而水化速度快，其凝结时间比混凝土小样短，其力学性能发展速度比混凝土小样快。在早期的力学性能判断中，利用混凝土小样法是具有比较大的保险系数的。因此，混凝土小样法在实际工程中得到了广泛的应用。
随着混凝土技术的发展，大量的工业废弃物或副产物作为混合材或掺合料进入了混凝土工程中，比如磨细高炉矿渣、粉煤灰等。这些掺合料的使用，一方面降低了混凝土的成本，另一方面也改善了混凝土的性能。比如，粉煤灰能明显改善混凝土的工作性、降低水化热。因此，掺合料已经成为混凝土的不可缺少的组成部分。
然而，这些掺合料是工业废弃物或副产物而不是有严格质量要求和标准的产品，将因工艺、配方或原材料的变化而变化，存在明显的不稳定性，各个批次的材料的性能差距较大。这些缺点已经成为影响混凝土质量的一个重要方面。但是，大量的工程实践表明，这些材料的不均匀性尚不足以造成重大的工程事故。随着世界环境的日益恶化，特别是大气污染异常严峻。雾霾已经成为影响个体健康乃至社会稳定的一个重大公共环境问题。通过降低工业废气中的氮氧化物的含量来改善空气质量已经成为全社会共识。降低工业废气中的氮氧化物一般称为脱硝处理。对于含氮氧化物的工业废气，特别是大型火电厂的废烟气，通常采用氨水还原法脱硝。氨水还原法利用在高温环境条件下的氨气的还原性来还原氮氧化物为氮气和水，从而达到降低氮氧化物的目的。因此，脱硝处理工艺是在既有排放烟气的工艺、过程中通过雾化氨水完成的，充分利用了原有的各种条件。但是，与将粉煤灰分离后的烟气进行脱硫处理工艺不同，脱硝处理是在粉煤灰与烟气分离前进行的。在脱硝处理过程中，烟气中的固态颗粒物-粉煤灰必然与氨水相接触并吸附部分氨水。采用脱硝处理工艺后得到的粉煤灰一般称为脱硝灰。脱硝灰中必然吸附了部分氨水，且吸附的氨水的量将因各种工况的变化而变化。由于氨是碱性物质，必然与烟气中的酸性气体，比如二氧化碳，二氧化硫等发生化学反应，最后以碳酸铵或碳酸氢铵、硫酸铵等形式存在。脱硝灰中的氨含量的变化把原本不稳定的粉煤灰质量带入更大的波动中。
作为常用的掺合料，粉煤灰中的氨的变化引起混凝土的凝结时间和早期力学性能的严重变化。部分混凝土可能因为粉煤灰引入的过量的氨而严重缓凝，而其余的可能正常凝结。另外，在实际的混凝土生产、制备过程中，原材料的各种变化、波动，特别是外加剂的不精准称量，也可能引起混凝土质量的波动。还有，外界条件的变化，比如气温的突变等也能对混凝土的凝结造成影响。混凝土的严重波动会导致混凝土失去了均匀性，那么采用小样法制作的混凝土试件已经不能反映混凝土构件的真实情况。后浇注的混凝土先凝结的现象已经常发生，而这些现象极其容易引起工程上的误判进而造成工程质量事故，特别是在工期紧张的条件下。
因此，能否在现场/及时准确判断混凝土构件的水化过程及状态，继而对可能造成不良影响的混凝土构件状态进行识别，已经成为现今条件下混凝土工程的一个重要课题！同时，对于混凝土的供应商而言，如何掌握混凝土的生产质量、预先判断可能出现的混凝土质量事故，也是一个迫切的需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用混凝土的电学参数变化来监测混凝土凝结硬化状态和判断混凝土质量的方法，解决目前由于缺乏在现场/及时准确判断混凝土构件的早期水化过程及状态的监测手段从而导致混凝土质量事故的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种用于监测混凝土质量和凝结硬化状态的方法，包括以下步骤，
第一步，在混凝土成型前确定监测用电极对，确定的监测用电极对是混凝土成型现场所有；
第二步，在混凝土成型或浇注完成后，将现场具有的电极对与测试设备相连接，测试设备通过电极对混凝土施加正弦交流信号，测定这对电极间的混凝土的交流阻抗电学参数；
第三步，记录并形成电学参数-时间曲线；
第四步，根据电学参数-时间曲线的形状确定混凝土的水化状态；
第五步，从完整的电学参数-时间曲线上确定初凝时间点和终凝时间点，并进一步确定初凝时间和终凝时间；
第六步，通过比较同一批次或配合比相同的混凝土间的初凝时间和终凝时间，分析混凝土的质量。
进一步，限定上述技术方案中所述的电极是指具有导电能力、彼此间独立的且能以导线形式与外界相连的导体；本技术方案中所说的电极是指具有导电能力、彼此间独立的且能以导线形式与外界相连的导体，可以是关模板用的金属模板，也可以是作为结构用的钢筋，也可以是布置在非导电的模板的内表面的金属或其它的能与混凝土直接接触的导电材料。本发明所说的电极对是分布在待监测混凝土两侧且其最短导电路线穿过待监测混凝土的一组电极。本发明所说的电极可以是板状的、条状的、棒状的或网状的。
另外，进一步限定上述技术方案中所述的正弦交流信号：其频率在1Hz～1MHz范围内，正弦交流信号的电压在电极间形成的电场强度在1mV/m～10V/m范围内。
更进一步限定所述的正弦交流信号：其频率在20Hz～20kHz范围内，正弦交流信号的电压在电极间形成的电场强度在10mV/m～1V/m范围内。
进一步限定，所述交流阻抗电学参数至少包括电感L，电容C，相位差、损耗系数D中的一个。
更进一步限定，所述交流阻抗电学参数至少包括电感L，电容C，相位差、损耗系数D中的两个或两个以上。
进一步限定，所述记录是由记录设备自动完成的数据采集；所述记录至少包括所选定的电学参数的类型、单位、数值以及时间参数。
本发明所说的时间应精确到秒。本发明所说的时间的起始点必须是在混凝土初凝以前。本发明所说的电学参数-时间曲线是指将所测得的电学参数的数据按照时间顺序形成的曲线。
采用上述技术方案的一种利用混凝土的电学参数变化来监测混凝土凝结硬化状态和判断混凝土质量的方法，由于是在现场确定监测用电极对，可以根据监测的需要，选择关模板用的金属模板、作为结构用的钢筋、布置在非导电的模板的内表面的金属或其它的能与混凝土直接接触的导电材料作为电极对，现场利用测试设备与不同的选择电极对进行同步连接，测试设备通过电极对混凝土施加正弦交流信号，测定不同的电极对之间的混凝土的交流阻抗电学参数，通过水泥水化过程中的结构、组成变化引起的电容、电感等电学参数变化，建立电学参数-时间曲线与水泥水化过程间的关系，客观表征出所测混凝土的水化状态。
电学参数-时间的变化曲线与测量对象样品所处的具体环境无关，与试样的大小、尺寸无关，也与测量的频率无关，仅与混凝土内在的结构变化相关。本发明可广泛用于实验室和工程现场。本发明优点主要体现在：
1、提供了一种客观的测定混凝土的凝结时间从而监测、预判混凝土质量的方法。常规的水泥、混凝土的凝结时间的标准法测定主要依靠人为判断，且劳动强度大。混凝土生产商对于混凝土的生产、凝结硬化过程中的质量控制除坍落度、坍落度损失外，缺乏其它的监控措施和手段。混凝土凝结时间的监测为判定混凝土的质量和凝结硬化状态提供了一种新的方法。
2、提供了一种现场监测混凝土质量的方法，利于合理安排工程进度。混凝土一旦完成浇注后就隐藏在模板的里面，我们对于其凝结硬化过程及状态无从知晓。工程上通常是采用小试样方法来进行替代判断的，但是，混凝土的不均匀性导致该小样法的失效，并可能在特殊情况下造成严重的工程事故。混凝土的凝结过程的实时监测为确定混凝土的水化过程及状态提供了客观的科学的依据，为异常混凝土的及时发现提供了一种新的方法技术手段。比如，通过分析混凝土的凝结时间点及其差异就可以发现同一批混凝土是否具有不一致凝结现象、先浇后凝现象或者超预期不凝结现象等。
3、为可能发生的工程事故的分析提供客观证据。混凝土工程是一个复杂的系统工程，不仅涉及众多参与方，更受材料变化、配方调整、生产制备、运输、浇注、振捣、养护、环境温度、外力作用等多因素、多环节的影响。
附图说明：
图1是采用本发明技术方案现场测量同一批次混凝土相同位置电极对的电容、损耗系数以及相位角来测定水泥及其制品凝结时间的对比曲线图；
图2是采用本发明技术方案现场测量同一批次混凝土相同位置电极对的电感来测定水泥及其制品凝结时间的对比曲线图；
图3是实施例一采用本发明技术方案通过测量两个不同批次的混凝土测量的电容监测混凝土凝结时间的对比曲线图；
图4是实施例二采用本发明技术方案通过测量同批次，三个不同位置混凝土，同时测量的电感监测混凝土凝结时间的对比曲线图；
图5：是实施例三采用本发明技术方案通过测量三个不同批次的混凝土测量的相位角监测混凝土凝结时间的对比曲线图；
图6：是实施例四采用本发明技术方案通过测量同批次，三个不同位置的混凝土测量的损耗系数监测混凝土凝结时间的对比曲线图。
具体实施方式：
下面通过实施例的方式，对本发明方案进行说明。但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
采用本发明技术方案现场测量同一批次混凝土相同位置电极进行监测的方法，包括以下步骤，
第一步，在混凝土成型前确定监测用电极对为现浇现场关模板用的金属模板；第二步，在混凝土浇注完成后，将关模板用的金属模板与测试设备相连接，测试设备通过电极对混凝土施加正弦交流信号，测定这对电极间的混凝土的电容/水化时间、损耗系数/水化时间、相位角/水化时间、电感/水化时间；第三步，记录并形成电学参数-时间曲线，如图1、图2所示；第四步，根据电学参数-时间曲线的形状确定混凝土的水化状态；第五步，从完整的电学参数-时间曲线上确定初凝时间点（t初）和终凝时间点（t终），并进一步确定初凝时间和终凝时间；第六步，通过比较混凝土的初凝时间和终凝时间，分析混凝土的质量。
通过图1所示普通硅酸盐水泥凝结硬化过程中的电容/相位角变化对比曲线图也可以得出和图2相同的结果，无论是采用测定电容C值还是采用测定相位角，其具有完全相同的变化曲线，对应出的初凝时间界点t初和终凝时间界点t终完全相同。
实际在应用时，会对现场不同批次，不同位置的混凝土进行多次测量。
实施例一，采用本发明技术方案通过测量两个不同批次的混凝土测量的电容监测混凝土的方法包括以下步骤，第一步，在混凝土成型前确定监测用电极对为布置在非导电的模板的内表面的金属；第二步，在第一次混凝土浇注完成后，将布置在非导电的模板的内表面的金属与测试设备相连接，测试设备通过电极对混凝土施加正弦交流信号，测定这对电极间的混凝土的电容/水化时间；在第二次混凝土浇注完成后，将布置在非导电的模板的内表面的金属与测试设备相连接，测试设备通过电极对混凝土施加正弦交流信号，测定这对电极间的混凝土的电容/水化时间；第三步，记录并形成电学参数-时间曲线，如图3所示；第四步，根据电学参数-时间曲线的形状确定混凝土的水化状态；第五步，从完整的电学参数-时间曲线上确定在第一次初凝时间点（t1初）和终凝时间点（t1终），从完整的电学参数-时间曲线上确定在第二次初凝时间点（t2初）和终凝时间点（t2终）；第六步，通过混凝土的第一次初凝时间点和终凝时间点的时间差，对比混凝土的第二次初凝时间点和终凝时间点的时间差，分析混出凝土的质量，如图3所示，其时间差十分接近，说明两个不同批次的混凝土的质量性能相差不大，可以在第一次现浇时间达到终凝时间点（t1终）时拆除第一次现浇的模板；在第二次现浇时间达到终凝时间点（t2终）时拆除第二次现浇的模板。可以准确的控制拆除模板的时间和检测到不同批次的混凝土的质量的稳定性。在实施例一中，所述的电极对是指分布在待监测混凝土两侧且其最短导电路线穿待监测过混凝土的一组电极；所述的电极的形状是板状；所述的正弦交流信号：其频率在1Hz～1MHz范围内，正弦交流信号的电压在电极间形成的电场强度在1mV/m～10V/m范围内；所述记录是由记录设备自动完成的数据采集；所述记录至少包括所选定的电学参数的类型、单位、数值以及时间参数。
实施例二，采用本发明技术方案通过测量三个不同位置的混凝土测量的电容监测混凝土的方法包括以下步骤，第一步，在混凝土成型前确定监测用电极对为作为结构用的钢筋和金属模板；第二步，在混凝土浇注完成后，在第一处将钢筋和金属模板与测试设备相连接，测试设备通过电极对混凝土施加正弦交流信号，测定这对电极间的混凝土的电感/水化时间；在第二处将钢筋和金属模板与测试设备相连接，测试设备通过电极对混凝土施加正弦交流信号，测定这对电极间的混凝土的电感/水化时间；在第三处将钢筋和金属模板与测试设备相连接，测试设备通过电极对混凝土施加正弦交流信号，测定这对电极间的混凝土的电感/水化时间；第三步，记录并形成电学参数-时间曲线，如图4所示；第四步，根据电学参数-时间曲线的形状确定混凝土的水化状态；第五步，从完整的电学参数-时间曲线上确定在第一处初凝时间点（t初）和终凝时间点（t终），从完整的电学参数-时间曲线上确定在第二处初凝时间点（t初）和终凝时间点（t终），从完整的电学参数-时间曲线上确定在第三处初凝时间点（t初）和终凝时间点（t终）；第六步，通过混凝土的第一次初凝时间点和终凝时间点的时间差，对比混凝土的第二次初凝时间点和终凝时间点的时间差，分析混出凝土的质量，如图4所示，其时间点基本相同，说明两个不同批次的混凝土的质量性能基本相同，可以在现浇时间达到终凝时间点（t终）时同时拆除现浇的模板；可以准确的控制拆除模板的时间和检测到不同位置的混凝土的质量的稳定性。在实施例二中，所述的电极对是指分布在待监测混凝土两侧且其最短导电路线穿待监测过混凝土的一组电极；所述的电极的形状是网状和板状；所述的正弦交流信号：其频率在1Hz～1MHz范围内，正弦交流信号的电压在电极间形成的电场强度在1mV/m～10V/m范围内；所述记录是由记录设备自动完成的数据采集；所述记录至少包括所选定的电学参数的类型、单位、数值以及时间参数。
实施例三，采用本发明技术方案通过测量三个不同批次的混凝土测量的相位角监测混凝土的方法包括以下步骤，第一步，在混凝土成型前确定监测用电极对为关模板用的金属模板；第二步，在第一次混凝土浇注完成后，将关模板用的金属模板与测试设备相连接，测试设备通过电极对混凝土施加正弦交流信号，测定这对电极间的混凝土的相位角/水化时间；在第二次混凝土浇注完成后，将关模板用的金属模板与测试设备相连接，测试设备通过电极对混凝土施加正弦交流信号，测定这对电极间的混凝土的相位角/水化时间；在第三次混凝土浇注完成后，将关模板用的金属模板与测试设备相连接，测试设备通过电极对混凝土施加正弦交流信号，测定这对电极间的混凝土的相位角/水化时间；第三步，记录并形成电学参数-时间曲线，如图5所示；第四步，根据电学参数-时间曲线的形状确定混凝土的水化状态；第五步，从完整的电学参数-时间曲线上确定在第一次初凝时间点（t1初）和终凝时间点（t1终），从完整的电学参数-时间曲线上确定在第二次初凝时间点（t2初）和终凝时间点（t2终）；从完整的电学参数-时间曲线上确定在第三次初凝时间点（t3初）和终凝时间点（t3终）；第六步，通过混凝土的第一次初凝时间点和终凝时间点的时间差、混凝土的第二次初凝时间点和终凝时间点的时间差、混凝土的第二次初凝时间点和终凝时间点的时间差分析混出凝土的质量，如图5所示，其第一次混凝土凝结时间差与第三次混凝土凝结时间差十分接近，说明第一批次和第三批次的混凝土的质量性能相差不大，但第二次混凝土凝结时间差明显大于第一次和第三次混凝土凝结时间差，说明第二批次的混凝土的质量性能和第一批次的混凝土的质量性能相差较大；可以在第一次现浇时间达到终凝时间点（t1终）时拆除第一次现浇的模板；然后再第三次现浇时间达到终凝时间点（t3终）时拆除第三次现浇的模板，最后在第二次现浇时间达到终凝时间点（t2终）时拆除第二次现浇的模板，可以准确的控制拆除模板的时间和检测到不同批次的混凝土的质量的稳定性。这样能克服依靠经验来判定不同批次的混凝土的质量和按照顺序拆除模板的缺点。在实施例三中，所述的电极对是指分布在待监测混凝土两侧且其最短导电路线穿待监测过混凝土的一组电极；所述的电极的形状是板状；所述的正弦交流信号：其频率在1Hz～1MHz范围内，正弦交流信号的电压在电极间形成的电场强度在1mV/m～10V/m范围内；所述记录是由记录设备自动完成的数据采集；所述记录至少包括所选定的电学参数的类型、单位、数值以及时间参数。
实施例四，采用本发明技术方案通过测量同批次，三个不同位置的混凝土测量的损耗系数监测混凝土的方法包括以下步骤，第一步，在混凝土成型前确定监测用电极对为作为结构用的钢筋；第二步，在混凝土浇注完成后，在第一处将作为结构用的钢筋与测试设备相连接，测试设备通过电极对混凝土施加正弦交流信号，测定这对电极间的混凝土的损耗系数/水化时间；在第二处将作为结构用的钢筋与测试设备相连接，测试设备通过电极对混凝土施加正弦交流信号，测定这对电极间的混凝土的损耗系数/水化时间；在第三处将作为结构用的钢筋与测试设备相连接，测试设备通过电极对混凝土施加正弦交流信号，测定这对电极间的混凝土的损耗系数/水化时间；第三步，记录并形成电学参数-时间曲线，如图6所示；第四步，根据电学参数-时间曲线的形状确定混凝土的水化状态；第五步，从完整的电学参数-时间曲线上确定在第一处初凝时间点（t初）和终凝时间点（t终），从完整的电学参数-时间曲线上确定在第二处初凝时间点（t初）和终凝时间点（t终），从完整的电学参数-时间曲线上确定在第三处初凝时间点（t初）和终凝时间点（t终）；第六步，通过混凝土的第一次初凝时间点和终凝时间点的时间差，对比混凝土的第二次初凝时间点和终凝时间点的时间差，分析混出凝土的质量，如图4所示，其时间点完全相同，说明两个不同批次的混凝土的质量性能相同，可以在现浇时间达到终凝时间点（t终）时同时拆除现浇的模板；可以准确的控制拆除模板的时间和检测到不同位置的混凝土的质量的稳定性。在实施例四中，所述的电极对是指分布在待监测混凝土两侧且其最短导电路线穿待监测过混凝土的一组电极；所述的电极的形状是棒状；所述的正弦交流信号：其频率在1Hz～1MHz范围内，正弦交流信号的电压在电极间形成的电场强度在1mV/m～10V/m范围内；所述记录是由记录设备自动完成的数据采集；所述记录至少包括所选定的电学参数的类型、单位、数值以及时间参数。
以上对本发明提供测定方法的具体实施方式，具体实施例的说明只是用于帮助理解本发明的材料、方法及应用的技术方案，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离发明原理的前提下，还可以对本发明的具体应用做出一定的改进，这些改进落入发明的权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种用于监测混凝土质量和凝结硬化状态的方法，其特征在于：包括以下步骤，
第一步，在混凝土成型前确定监测用电极对，确定的监测用电极对是混凝土成型现场所有；
第二步，在混凝土成型或浇注完成后，将现场具有的电极对与测试设备相连接，测试设备通过电极对混凝土施加正弦交流信号，测定这对电极间的混凝土的交流阻抗电学参数；
第三步，记录并形成电学参数-时间曲线；
第四步，根据电学参数-时间曲线的形状确定混凝土的水化状态；
第五步，从完整的电学参数-时间曲线上确定初凝时间点和终凝时间点，并进一步确定初凝时间和终凝时间；
第六步，通过比较同一批次或配合比相同的混凝土间的初凝时间和终凝时间，分析混凝土的质量；
所述的电极是指具有导电能力、彼此间独立的且能以导线形式与外界相连的导体；
所述的电极对是指分布在待监测混凝土两侧且其最短导电路线穿待监测过混凝土的一组电极；
所述交流阻抗电学参数至少包括电感L，电容C，相位差、损耗系数D中的两个或两个以上。
2.根据权利要求1所述的一种用于监测混凝土质量和凝结硬化状态的方法，其特征在于：所述的导体是关模板用的金属模板、作为结构用的钢筋、布置在非导电的模板的内表面的金属或其它的能与混凝土直接接触的导电材料。
3.根据权利要求2所述的一种用于监测混凝土质量和凝结硬化状态的方法，其特征在于：所述的电极是板状的、条状的、棒状的或网状的。
4.根据权利要求1所述的一种用于监测混凝土质量和凝结硬化状态的方法，其特征在于：所述的正弦交流信号：其频率在1Hz～1MHz范围内，正弦交流信号的电压在电极间形成的电场强度在1mV/m～10V/m范围内。
5.根据权利要求4所述的一种用于监测混凝土质量和凝结硬化状态的方法，其特征在于：所述的正弦交流信号：其频率在20Hz～20kHz范围内，正弦交流信号的电压在电极间形成的电场强度在10mV/m～1V/m范围内。
6.根据权利要求1所述的一种用于监测混凝土质量和凝结硬化状态的方法，其特征在于：所述记录是由记录设备自动完成的数据采集；所述记录至少包括所选定的电学参数的类型、单位、数值以及时间参数。
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