CN108225939B - 测定新拌混凝土屈服应力的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测定新拌混凝土屈服应力的装置及方法，属于工程材料力学性质测定用具技术领域。所述装置包括扁圆柱容器、透明盖板、支撑架、电机和扇叶型转子，其中透明盖板固定在所述扁圆柱容器上，所述电机通过所述支撑架固定在所述扁圆柱容器轴心的正上方，扇叶型转子的叶片通过一端连接在所述电机上的转轴置于所述扁圆柱容器中，该装置可直接读取新拌混凝土的屈服半径。所述方法首先利用所述装置测定屈服半径，然后准确计算混凝土的屈服应力。本发明具有原理清晰、结果准确、测定速度快、成本低廉、结构简单、操作方便、应用范围广的优点。

Description

测定新拌混凝土屈服应力的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测定新拌混凝土屈服应力的装置及方法，属于工程材料力学性质测定用具技术领域。

背景技术

新拌混凝土的流变性质通常以剪切应力-剪切速率关系来表征。在受到剪切作用时，材料固有的屈服强度使得混凝土需要受到足够的剪切应力才会开始流动。在混凝土流变学分析中，屈服应力是具有明确物理意义的基本参数之一。

国内外已有多种用于评估混凝土屈服应力的装置。其中一些方法简便易行(如实践中广泛使用的坍落度试验)，通过单次采集数据来综合评判混凝土的工作性能，然而这类测试中生成的流场较为复杂或不稳定，因此无法在屈服应力与测量数据之间建立准确的对应关系。另一类较为现代化的旋转式流变仪可以通过采集多组数据，根据特定的模型对数据进行回归分析，最后迭代计算推导出屈服应力等参数，然而这类测试中屈服应力的计算较为复杂，且结果受到模型假定的影响。

发明内容

针对现有混凝土屈服应力测定存在的上述问题，本发明提供了一种测定新拌混凝土屈服应力的装置及方法，通过电机带动新拌混凝土转动，可生成近乎理想的稳定流场，然后可直接读取新拌混凝土的屈服半径，准确计算混凝土的屈服应力，本发明具有原理清晰、结果准确、测定速度快、成本低廉、结构简单、操作方便、应用范围广的优点。

为解决以上技术问题，本发明包括如下技术方案：

本发明提供的一种测定新拌混凝土屈服应力的装置，包括：

扁圆柱容器，包括侧壁和底板，所述底板与侧壁固定连接，所述侧壁的内表面设置有若干防滑肋条；

透明盖板，可拆卸固定在所述扁圆柱容器上，所述透明盖板的轴心处设置有轴孔；

支撑架，设置于所述扁圆柱容器外侧且横跨所述扁圆柱容器顶部；

电机，位于所述轴孔的正上方，并固定于支撑架上；以及

扇叶型转子，包括转轴和若干固结在所述转轴上的叶片，所述转轴穿过所述轴孔与所述电机连接，所述转轴与所述扁圆柱容器同轴心。

优选为，所述底板的上表面或/和所述透明盖板的下表面设置有润滑剂或脱模剂。

优选为，所述扁圆柱容器材质为不锈钢，底板的上表面作抛光处理。

优选为，所述扁圆柱容器的半径为15～50cm，高度为10～30cm。

优选为，所述扁圆柱容器的侧壁上缘设置有L型槽口，所述透明盖板位于所述L型槽口中。

优选为，所述透明盖板的上表面由圆心沿半径方向设置有刻度尺。

优选为，所述支撑架包括若干竖杆，一端与所述竖杆固定连接的连接杆，以及位于所述轴孔正上方且与所述连接杆另一端固结的托盘；所述托盘上设置有供所述转轴穿过的通孔，所述电机固定在所述托盘上。

优选为，所述连接杆与所述竖杆的固定方式可采用如下其一：

a.所述连接杆通过管箍固定在所述竖杆上。

b.所述连接杆上设置有若干螺栓孔，所述连接杆的一端设置有内螺纹，所述连接杆通过穿过所述螺栓孔的螺栓固定在所述竖杆上。

相应地，本发明还提供了一种利用所述的装置测定新拌混凝土屈服应力的方法，包括如下步骤：

S1.将新拌混凝土添加至高度为h的扁圆柱容器中，盖上透明盖板；

S2.驱动电机施加已知扭矩T转动并带动混凝土旋转，待混凝土转动稳定后，测量屈服半径r_p，并利用公式一计算屈服应力τ₀，

优选为，步骤S2之后，还包括：

S3.重复所述步骤S1和S2，分别测定扭矩T¹、T²…Tⁿ对应的屈服半径r_p ¹、r_p ²…r_p ⁿ，并利用公式一计算相应的屈服应力τ₀ ¹、τ₀ ²…τ₀ ⁿ，由公式二计算平均屈服应力

本发明提供的测定新拌混凝土屈服应力的装置，扁圆柱容器用于盛放新拌混凝土，支撑架用于固定电机，电机带动扇叶型转子转动，从而使叶片带动新拌混凝土转动，且靠近叶片处的混凝土转动的线速度最大，随着半径增加，混凝土受到的切应力逐渐减少、转动的线速度和角速度逐渐变小，在混凝土的线速度为0的区域形成分界面，即屈服界面，屈服界面所处的半径为屈服半径r_p，本装置可生成近乎理想的稳定流场，并可用于直接测定屈服半径r_p，然后利用公式可计算新拌混凝土的屈服应力τ₀。该装置结构简单，占用空间少，适合在施工现场测定新拌混凝土的屈服半径r_p。

本发明提供的一种利用所述的装置测定新拌混凝土屈服应力的方法，只需将新拌混凝土添加至扁圆柱容器中，盖上透明盖板，然后驱动电机施加已知扭矩T并带动混凝土旋转，待新拌混凝土旋转稳定后，测量屈服半径r_p，并利用公式一即可计算屈服应力τ₀，并可通过改变扭矩T，多次测算应力τ₀，然后取平均值。该方法，可直接测定屈服半径，然后准确计算混凝土的屈服应力，且计算得到的是动态屈服应力，符合混凝土的流变学分析要求，本发明在原理上对新拌混凝土的屈服应力大小没有限制，因此适用于具有不同工作性能的混凝土，本发明具有原理清晰、结果准确、测定速度快、成本低廉、结构简单、操作方便、应用范围广的优点。

附图说明

图1为本发明一实施例中的测定新拌混凝土屈服应力的装置的结构示意图；

图2为图1中装置的爆炸图；

图3为测试状态示意图；

图4为测试分析示意图；

图5为已知扭矩T下混凝土切应力随半径变化曲线；

图6为已知扭矩T下混凝土角速度随半径变化曲线。

图中标号如下：

1-扁圆柱容器；11-侧壁；12-底板；13-防滑肋条；2-透明盖板；3-支撑架；31-竖杆；32-连接杆；33-托盘；4-电机；5-扇叶型转子；51-转轴；52-叶片。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提供的测定新拌混凝土屈服应力的装置及方法作进一步详细说明。结合下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

请参阅图1和图2所示，本实施例提供的一种测定新拌混凝土屈服应力的装置，包括扁圆柱容器1、透明盖板2、支撑架3、电机4和扇叶型转子5。其中，扁圆柱容器1包括圆形侧壁11和底板12，底板12与侧壁11固定连接，侧壁11的内表面设置有若干防滑肋条13；透明盖板2可拆卸固定在扁圆柱容器1上，透明盖板2的轴心处设置有轴孔；电机4位于透明盖板2轴孔的正上方，并固定于支撑架3上；扇叶型转子5包括转轴51和若干固结在转轴51上的叶片52，转轴51穿过轴孔与电机4连接，转轴51与扁圆柱容器1同轴心。

本发明提供的测定新拌混凝土屈服应力的装置，扁圆柱容器1用于盛放新拌混凝土，支撑架3用于固定电机4，电机4带动扇叶型转子5转动，从而使叶片52带动新拌混凝土转动，且靠近叶片52处的混凝土转动的线速度最大，随着半径增加，混凝土转动的线速度逐渐变小，在混凝土的线速度为0的区域形成分界面，即屈服界面，屈服界面所处的半径为屈服半径r_p，本装置可用于测定屈服半径r_p，然后利用公式可计算新拌混凝土的屈服应力τ₀。该装置结构简单，占用空间少，适合在施工现场测定新拌混凝土的屈服半径r_p。

侧壁11的内表面设置有若干防滑肋条13，可以为侧壁11接触的混凝土提供作用反力，使混凝土在屈服半径r_p处形成明显的分界面。作为举例，防滑肋条13与侧壁11同材质且一体成型，防滑肋条13垂直于底板12并均布在侧壁11上，高度低于侧壁11的高度，侧壁11的上缘设置有L型槽口，透明盖板2搁置于L型槽口中。

为了使实验数据更贴合工程实际，底板12的上表面、透明盖板2的下表面与混凝土之间需要具有较小的摩擦力，尽量避免对混凝土转动速度造成阻碍，优选为，扁圆柱容器1材质为不锈钢，底板12的上表面作抛光处理，透明盖板2采用PVC塑料，透明盖板2具有光洁的下表面。另一种处理方式为，底板12的上表面及透明盖板2的下表面设置有润滑剂或脱模剂，从而减小底板12的上表面、透明盖板2的下表面与新拌混凝土之间的摩擦力。

作为举例，扁圆柱容器1的半径为15～50cm，高度为10～30cm；透明盖板2的厚度优选为1～3mm，透明盖板2通过扁圆柱容器1上边缘设置的卡扣(未示出)固定。

为了方便读取新拌混凝土的屈服半径r_p的数值，优选为，透明盖板2的上表面由圆心沿半径方向设置有刻度尺，圆心处读数为零，读数沿半径方向逐渐增大。

优选的实施方式为，支撑架3包括若干竖杆31、一端与竖杆31固定连接的连接杆32，以及位于透明盖板2轴孔正上方且与连接杆32另一端固结的托盘33，托盘33上设置有供转轴51穿过的通孔，电机4固定在托盘33上。

扇叶型转子5的叶片52的高度略小于扁圆柱容器1的高度，为了使叶片52处于最佳高度，优选为，支撑架3的托盘33的高度可调节，作为举例，可以采用以下两种结构的任一种：(1)连接杆32通过管箍固定在竖杆31上；(2)竖杆31上设置有若干螺栓孔，连接杆32的一端设置有内螺纹，连接杆32通过穿过螺栓孔的螺栓固定在竖杆31上。

实施例二

本实施例提供了一种利用实施例一中的装置测定新拌混凝土屈服应力的方法，下面结合图1至图6对该方法作进一步介绍，其包括如下步骤：

S1.将新拌混凝土添加至高度为h的扁圆柱容器1中，盖上透明盖板2；

S2.驱动电机4施加已知扭矩T并带动混凝土旋转，待混凝土转动稳定后，测量屈服半径r_p，并利用公式一计算屈服应力τ₀，

结合图3所示，驱动电机4施加已知扭矩T，新拌混凝土具有可流动性，在扇形转子的叶片52带动下，混凝土随叶片52旋转。结合图3至图6所示，叶片52边缘处的混凝土受到的切应力τ最大、转动的线速度v_i最大，随着半径的增加，混凝土受到的切应力τ逐渐变小、角速度ω迅速变小、线速度v逐渐变小，在混凝土受到的切应力τ达到混凝土屈服应力τ₀时，混凝土转动线速度为v＝0(同时角速度ω＝0)，此半径即为屈服半径r_p，屈服半径r_p至扁圆柱容器1侧壁11之间的混凝土不转动，即角速度ω＝0、线速度v＝0。屈服半径r_p测定后，由公式一计算屈服应力τ₀。

该方法可通过实施例一中的装置直接读取新拌混凝土的屈服半径，然后准确计算混凝土的屈服应力，且计算得到的是动态屈服应力，符合混凝土的流变学分析要求，本发明在原理上对新拌混凝土的屈服应力大小没有限制，因此适用于具有不同工作性能的混凝土(包括常规混凝土、高流动性混凝土、自密实混凝土)，本发明具有原理清晰、结果准确、测定速度快、成本低廉、结构简单、操作方便、应用范围广的优点。

新拌混凝土的屈服应力为其本身固有特性，同一批混凝土的屈服应力为定值，不随扭矩T的变化而变化，因此可以通过改变扭矩T，通过多次测算其屈服应力，然后取平均值以减少误差。故优选为，步骤S2之后，还包括：

S3.重复所述步骤S1和S2，分别测定扭矩T¹、T²…Tⁿ对应的屈服半径r_p ¹、r_p ²…r_p ⁿ，并利用公式一计算相应的屈服应力τ₀ ¹、τ₀ ²…τ₀ ⁿ，由公式二计算平均屈服应力

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种测定新拌混凝土屈服应力的方法，其特征在于，利用一种测定新拌混凝土屈服应力的装置进行测定，所述装置包括：

扁圆柱容器，包括侧壁和底板，所述底板与侧壁固定连接，所述侧壁的内表面设置有若干防滑肋条；所述扁圆柱容器材质为不锈钢，底板的上表面作抛光处理；所述底板的上表面设置有润滑剂或脱模剂；

透明盖板，可拆卸固定在所述扁圆柱容器上，所述透明盖板的轴心处设置有轴孔；所述透明盖板的上表面由圆心沿半径方向设置有刻度尺；

支撑架，设置于所述扁圆柱容器外侧且横跨所述扁圆柱容器顶部；

电机，位于所述轴孔的正上方，并固定于支撑架上；以及

扇叶型转子，包括转轴和若干固结在所述转轴上的叶片，所述转轴穿过所述轴孔与所述电机连接，所述转轴与所述扁圆柱容器同轴心；

所述方法包括如下步骤：

S1.将新拌混凝土添加至高度为h的扁圆柱容器中，盖上透明盖板；

S2.驱动电机施加已知扭矩T转动并带动混凝土旋转，待混凝土转动稳定后，在混凝土的线速度为0的区域形成分界面，测量屈服半径r_p，r_p为转轴轴心至混凝土线速度为v＝0处的距离；并利用公式一计算屈服应力τ₀，

；

S3.重复所述步骤S1和S2，分别测定扭矩T¹、T²...Tⁿ对应的屈服半径r_p ¹、r_p ²…r_p ⁿ，并利用公式一计算相应的屈服应力τ₀ ¹、τ₀ ²…τ₀ ⁿ，由公式二计算平均屈服应力

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扁圆柱容器的半径为15～50cm，高度为10～30cm。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扁圆柱容器的侧壁上缘设置有L型槽口，所述透明盖板位于所述L型槽口中。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述支撑架包括若干竖杆，一端与所述竖杆固定连接的连接杆，以及位于所述轴孔正上方且与所述连接杆另一端固结的托盘；

所述托盘上设置有供所述转轴穿过的通孔，所述电机固定在所述托盘上。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述连接杆与所述竖杆的固定方式可采用如下其一：

a.所述连接杆通过管箍固定在所述竖杆上；

b.所述连接杆上设置有若干螺栓孔，所述连接杆的一端设置有内螺纹，所述连接杆通过穿过所述螺栓孔的螺栓固定在所述竖杆上。

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