CN108716893A - 一种非接触式混凝土自生体积变形测试方法及测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式混凝土自生体积变形测试方法及测试装置。本发明测试方法采用激光位移传感器非接触测量混凝土在密封试模内的自生体积变形。所用的测试装置由密封试模、激光位移传感器、温度传感器、设备台座、数据转换箱、计算机组成。密封试模能保持混凝土恒重；激光位移传感器采集变形数据；温度传感器测量混凝土内部温度变化；通过设备台座调整激光位移传感器与待测试件的相对位置；数据转换箱对多通道测试数据进行转换与传输；计算机对传输的测试数据进行记录与分析。本发明的测试方法和测试装置能准确测量混凝土自生体积变形，并降低测试成本，提高试验效率。

Description

一种非接触式混凝土自生体积变形测试方法及测试装置

技术领域

本发明涉及一种混凝土材料的检测方法和检测装置，具体涉及一种非接触式混凝土自生体积变形测试方法和测试装置。主要应用于水工混凝土自生体积变形测试领域。

背景技术

混凝土自生体积变形是指在恒温绝湿条件下，由于胶凝材料（水泥加混合材）的水化作用引起的体积变形，它不包括混凝土受外荷载、温度、外界湿度和碱活性骨料影响所引起的体积变形。水利工程中混凝土自生体积变形会引起混凝土早期裂缝，从而对混凝土结构的整体性、承载力特别是耐久性造成极大的影响。

定量测试混凝土自生体积变形是有效评价其水平并加以控制的前提。现阶段国内外对自生体积变形的测量方法主要有应变计法和千分表法两种。我国《水工混凝土试验规程》（SL 352）测定水工混凝土自生体积变形采用的是内埋应变计法，这种方法的最大不足就是在早期由于混凝土弹性模量很低，应变计和混凝土变形不同步，不能准确测量早期混凝土的自生体积变形。另外，这种应变计不仅价格高，而且无法重复利用，因此测试的成本很高。采用千分表法测定自生体积变形，其测量精度过低，不能满足测试要求。此外，中国专利（CN 2807217）公开了一种在水中测量自生体积变形的方法，这种方法先将混凝土拌合物放入橡皮袋内，再将橡皮袋放入水中，通过观察水位的变化得到混凝土的自生体积变形。这种方法的不足之处在于可靠度较差，测试误差较大，并且测试设备过于简单，自动化程度较低。日本自收缩研究委员会也提出过一种自生体积变形测试方法，这种方法是在试件成型1d进行测量，且未考虑到水化热引起的温度变形，其测试结果不能真实反映混凝土自生体积变形大小。

综上所述，现有混凝土自生体积变形测试方法的精度较低、可靠度较差、测试成本较大、测试设备过于简单，自动化程度较低。

发明内容

本发明提出一种非接触式混凝土自生体积变形测试方法及测试装置，主要应用于水工混凝土自生体积变形测试，能够解决以往自生体积变形测试中精度较低、可靠度较差、成本较大的问题，并可以显著提高试验效率。

一种非接触式混凝土自生体积变形测试装置，包括：

密封试模1，用于装载混凝土拌合物2样品；

轻质测头12，下端位于密封试模1的内部，上端穿过密封试模1的桶盖9；在测头12的上端上设有激光反射靶11；

激光位移传感器4，位于密封试模1的外部，用于对激光反射靶11的位移进行测定。

在一个实施方式中，还包括：温度传感器3，位于混凝土拌合物2内部，用于测定混凝土拌合物2的温度。

在一个实施方式中，还包括：设备台座5，激光位移传感器4安装于设备台座5上，并且激光位移传感器4在设备台座5上的位置可以调节。

在一个实施方式中，设备台座5上设有垂直轨道20，垂直轨道20在设备台座5上的垂直高度可调节；在垂直轨道20还设有水平轨道22，水平轨道22在垂直轨道20上的水平位移可调节；激光位移传感器4固定于水平轨道22上。

在一个实施方式中，还包括：垂直台座25，用于固定设备台座5。

在一个实施方式中，密封试模1放置于钢垫板26上。

在一个实施方式中，密封试模1为多层桶体结构，外层为金属材质桶体，中间层为弹性材质桶体，内层为聚合物膜。

在一个实施方式中，聚合物膜的内侧还涂有润滑油。

在一个实施方式中，还包括：卡夹13，用于可拆卸地将轻质测头12固定于桶盖9上。

在一个实施方式中，激光位移传感器4和/温度传感器3或与计算机8连接。

一种非接触式混凝土自生体积变形测试方法，包括如下步骤：

第1步，将混凝土拌合物2样品装载于密封试模1中；

第2步，在混凝土拌合物2样品的上方放入轻质测头12；

第3步，通过激光位移传感器4测定在混凝土拌合物2在体积变形前后轻质测头12上部的位移，得到体积变形量。

在一个实施方式中，在第3步之前，调节激光位移传感器4的位置。

在一个实施方式中，还包括：在混凝土拌合物2中放入温度传感器3，并测定温度。

在一个实施方式中，还包括：在混凝土拌合物2初凝之前，固定轻质测头12与激光位移传感器4之间的相对位置。

在一个实施方式中，在第1步之前，在密封试模1内壁上涂上润滑油。

在一个实施方式中，将激光位移传感器4和/或温度传感器3得到的数据转换后传输到计算机8中。

有益效果

相对于以往的自生体积变形测试方法，采用本发明测试混凝土自生体积变形，具有以下优点：

（1）测试精度较高

本发明采用激光位移传感器非接触测量混凝土自生体积变形，其测试精度高达0.1μm，而传统测试方法中测试精度只有1μm，本发明可精确测量混凝土自生体积变形。

（2）测试结果更为准确

混凝土初凝后便可进行测量，并考虑了温度作用对自生体积变形的影响。计算机可人为设定试验参数，实时查询测试结果，观察变形曲线和温度变化曲线等，准确获得混凝土自生体积变形的特征。

（3）提高试验效率

传统自生体积变形测试中需要有专人按时记录测试数据，再通过计算获得自生体积变形结果。本发明可同时对多个混凝土试件进行测试，并通过计算机自动对测试数据进行记录和分析，实现了全天无人值守式的测试，降低了试验人员的劳动强度，提高了试验效率。

（4）降低测试成本

现阶段采用内埋应变计法测试混凝土自生体积变形费用高达5000元/组，其中所用差动式应变计就高达1000元/个。本发明装置中除温度传感器外，其余测试设备均可循环使用，测试成本低于500元/组，显著降低了测试成本。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为用于自生体积变形测试的密封试模示意图；

图3为桶盖的俯视结构图；

图4为轻质测头的结构图；

图5为设备台座结构正立面图；

图6为设备台座结构侧立面图；

图7为数据转换箱结构示意图；

图8为多通道测试设备连接示意图；

图9为另一种密封试模示意图；

图10为另一种轻质测头的结构图。

其中，1、密封试模；2、混凝土拌合物；3、温度传感器；4、激光位移传感器；5、设备台座；6、数据转换箱；7、数据线；8、计算机；9、桶盖；10、小孔；11、激光反射靶；12、轻质测头；13、卡夹；14、密封胶；15、铁皮桶；16、橡胶皮桶；17、PE薄膜；18、墙体；19、垂直调整旋钮；20、垂直轨道；21、水平调整旋钮；22、水平轨道；23、传感器台座；24、固定螺栓；25、垂直台座；26、钢垫板；27、支架；28、温度仪；29、数据线接口；30、多通道数据转换器；31、配电箱；32、压缩空气腔；33、套管；34、上部杆体；35、弹性片；36、下部杆体。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于设备本身而言，指向设备内部的方向为内，反之为外，而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“左、右”的含义指的是阅读者正对附图时，阅读者的左边即为左，阅读者的右边即为右，而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

本文使用的词语“包括”、“包含”、“具有”或其任何其他变体意欲 涵盖非排它性的包括。例如，包括列出要素的工艺、方法、物品或设 备不必受限于那些要素，而是可以包括其他没有明确列出或属于这种 工艺、方法、物品或设备固有的要素。

如图1所示，一种非接触式混凝土自生体积变形测试装置，所述测试装置主要包括密封试模1、温度传感器3、激光位移传感器4、设备台座5、数据转换箱6、计算机8组成。密封试模1，用于装载混凝土拌合物2样品并进行自生体积变形测试；温度传感器3是放置于混凝土拌合物2中并测定混凝土拌合物2的内部温度；激光位移传感器4在密封试模1的外部，是用于测定混凝土拌合物2的体积变形量，设备台座5位于密封试模1的外部，是用于固定激光位移传感器4；数据转换箱6的作用是将温度传感器3和激光位移传感器4与计算机8连接，将传感器的信号数据转换之后，传输至计算机8中。可通过数据转换箱6对多通道测试数据进行转换与传输；计算机8对传输的多通道测试数据进行记录与分析。

如图2所示，密封试模1的外部为圆柱体铁皮桶15，壁厚2～3mm，外径180～220mm，高度500～600mm，密封试模1的上部设有桶盖9，桶盖9中部有孔径为8～12mm的小孔10，以便轻质测头12通过。轻质测头12长度为120～160mm，直径为6~10mm，上端部粘帖有的激光反射靶11，激光反射靶11可选用直径为1～2cm的铝片，测试时将轻质测头12插入混凝土中，上端部留在桶外。密封试模1内衬1～2mm厚的橡胶皮桶16，橡胶皮桶16内部再内附一层PE薄膜17，混凝土装模之前再在PE薄膜17上刷涂一层润滑油，可以大大降低密封试模1对混凝土变形的约束。桶盖9与密封试模1桶身之间的缝隙由密封胶14进行密封，小孔10与轻质测头12间的缝隙由凡士林进行密封，密封试模1能保持混凝土恒重。图3为桶盖的俯视结构图；图4为轻质测头的结构图。

设备台座主要由垂直台座25、垂直调整旋钮19、垂直轨道20、水平调整旋钮21、水平轨道22、传感器台座23、钢垫板26组成。垂直台座25通过固定螺栓24固定在墙体上，钢垫板26固定在地面上，激光位移传感器4固定在传感器台座23上。通过垂直调整旋钮19调整激光位移传感器4在竖直方向的高度，通过水平调整旋钮11调整激光位移传感器4在水平方向的位置。如图5、6所示，垂直台座25通过固定螺栓24固定在墙体18上，垂直轨道20通过固定螺栓24固定在垂直台座25上，水平轨道22通过固定螺栓24固定在垂直轨道20上，激光位移传感器4通过固定螺栓24固定在水平轨道22的传感器移动台座23上。激光位移传感器4的竖直高度通过垂直调整旋钮19来调整，水平位置通过水平调整旋钮21来调整。垂直轨道20的行程为60～80cm，水平轨道22的行程为30～50cm，可以满足不同规格试件的垂直测量要求。钢垫板26为Q235级钢板，尺寸为30cm×30cm，厚度为1～2cm，底面采用AB胶与地面进行粘结，粘结牢固可靠。将密封试模1放置在钢垫板26上，可以有效降低地面震动对变形测试的干扰，同时也隔绝了地面水分对混凝土自身体积变形的影响。

其中所采用的激光位移传感器4，其具有较高的测量精度和非接触测量特性，可准确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，主要应用于检测物的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量。激光位移传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光位移传感器是新型测量仪表。能够准确非接触测量被测物体的位置、位移等变化。激光位移传感器可准确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，主要应用于检测物体的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量。按照测量原理，激光位移传感器原理分为激光三角测量法和激光回波分析法，激光三角测量法一般适用于高精度、短距离的测量，三角测量法激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面，经物体反射的激光通过接收器镜头，被内部的CCD线性相机接收，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下”看见”这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信号。如果使用开关量输出，则在设定的窗口内导通，窗口之外截止。另外，模拟量与开关量输出可独立设置检测窗口。采取三角测量法的激光位移传感器线性度可达1μm，分辨率更是可达到0.1μm的水平。比如ZLDS100类型的传感器，它可以达到百分之0.01高分辨率，百分之0.1高线性度，9.4KHz高响应，适应恶劣环境。

本发明中所采用的温度传感器3，其主要的工作原理是输出信号与温度变量之间有一给定的连续函数关系（通常为线性函数），可以是采用一些通用的型号，例如pt100温度传感器等。

数据转换箱主要由温度仪28、数据线接口29、多通道数据转换器30、数据线7、配电箱31组成。温度仪28可以连接多个温度传感器3，并可实时显示所测温度，例如温度仪可以采用LM-PT100、LM-PT1000等热电阻温湿度传感器自带的LCD显示器，另外，温度传感器3可以将所测的温度数据通过常规的数模信号转换之后，通过数据线传输给计算机，例如：LM-PT100、LM-PT1000、WD-PT100、WD-PT1000等热电阻温度传感器采集模块，可以实现两路现场温度的采集，同时利用其自身的RS-485总线串行通信接口可以方便地和环境监控主机或其他工控主机进行联网。数据线接口29可以连接多个激光位移传感器4。多通道数据转换器30接收多个激光位移传感器4的传输信号，并将这些传输信号转换成所需的变形数据，再通过数据线传输给计算机8。以上设备的连接均在配电箱内完成。计算机8应安装具备处理多通道测试数据的测试软件，此软件可以人为设定试验参数，自动采集各通道测试数据，计算分析混凝土自生变形结果，并对测试结果进行定时记录。计算机可实时显示各通道的测试结果，所有测试数据及计算结果均可导出成Excel文件进行编辑。如图7所示，数据转换箱主要由温度仪28、数据线接口29、多通道数据转换器30、数据线7、配电箱31组成。温度仪28可以连接多个温度传感器3，并可实时显示所测温度。数据线接口29可以连接多个激光位移传感器4。多通道数据转换器30接收多个激光位移传感器4的传输信号，并将这些传输信号转换成能被计算机8识别的变形数据，通过数据线7传输给计算机8。配电箱31的高度为50~80cm，宽度为40～60cm，箱体厚度为20～30cm。以上设备的连接均在配电箱31内完成，能够避免外界因素的干扰，确保设备连接的安全可靠。

在一个改进的实施方式中，当需要考察在带压力环境下混凝土试样的体积形变时，上述的装置中，如图9所示，在铁皮桶15和橡胶皮桶16之间还设有压缩空气腔32，空气腔中的气体压力可以通过外部气源可调节，因此，通过加入或抽出空气腔中的空气可以使橡胶皮桶16产生向内的压力，使混凝土试样受到压力；同时，为了保持密封试模1的密封，使混凝土试样及其上部的空气中的压力为均匀，采用的轻质测头12的结构如图10所示，轻质测头12包括外部的套管33，套管33中间设有弹性片35，弹性片34将套管33的上下两侧相互隔绝，在弹性片34上方的套管中套接有上部杆体34，在弹性片34下方的套管中套接有下部杆体36，在上部杆体34的上端设激光反射靶11。由于弹性片35将套管33的上下两侧相互隔绝，也可以实现了保持在加压操作时，密封试模1的上部区域的密封，使施加的压力不至于使内部空气排除导致测试结果不准，因此，当混凝土试样发生形变时，会使下部杆体36向上运动，推动弹性片35，进而推动上部杆体34向上运动，使得激光位移传感器4能够测定混凝土试样的位移。

本发明提出的非接触式混凝土自生体积变形测试方法，包括如下步骤：（1）将混凝土拌合物装入密封试模内，并埋入温度传感器，振捣密实；（2）将带有激光反射靶的轻质测头竖直插入混凝土内部一定深度（>100 mm），并设置卡夹固定测头位置不变，试模边缘缝隙采用密封胶进行密封；（3）待混凝土初凝后移除卡夹，并用凡士林密封测头周围的空隙；（4）通过设备台座调整激光位移传感器与激光反射靶的相对位置；（5）通过计算机设定试验参数，包括试验温湿度、试件尺寸、结束时间、时间间隔等；（6）通过激光位移传感器测量混凝土试件竖直方向的相对变形，通过温度传感器测量混凝土内部的温度变化。

以下通过具体的操作步骤进行说明：

（1）将混凝土拌合物2装入密封试模1内，并埋入温度传感器3，经振捣密实后测量桶内混凝土高度，将此高度作为试件的基准长度。

（2）通过垂直调整旋钮19和水平调整旋钮21调整激光位移传感器4位置，预留出待测试件的放置空间；

（3）将装有混凝土拌合物2的密封试模1放置在钢垫板26中央，再将温度传感器3的导线引出密封试模1外，随后盖紧桶盖9。

（4）将轻质测头12穿过小孔10垂直插入混凝土内部一定深度（>100 mm），并在孔口处设置卡夹13固定侧头位置，用密封胶14密封桶盖3边缘缝隙。

（5）打开激光位移传感器4，通过垂直调整旋钮19和水平调整旋钮21调整激光位移传感器4与激光反射靶11的相对位置，直至满足测试要求。激光位移传感器4到达合适位置后，拧紧旋钮，确保传感器在测试过程不会发生移动。

（6）打开温度仪28，测量混凝土试件内部温度。

（7）通过安装在计算机8上的测试软件对试验参数进行设定，试验参数包括试验温湿度、试件尺寸、结束时间、时间间隔等。

（8）设定完成后，通过测试软件观测激光位移传感器4与激光反射靶13间的相对变形，并由测试软件计算分析混凝土自生体积变形结果。

（9）测试过程中，可通过计算机8实时查询测试结果，观察变形曲线和温度变化曲线等。

（10）至设定结束时间后，测试软件自动停止测试，保存测试结果，并可将测试结果导出成Excel文件进行编辑。

（11）关闭激光位移传感器4和温度仪28，从数据转换箱6上移除温度传感器3的导线，在将混凝土试件从钢垫板26上移除。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种非接触式混凝土自生体积变形测试装置，其特征在于，包括：

密封试模（1），用于装载混凝土拌合物（2）样品；

轻质测头（12），下端位于密封试模（1）的内部，上端穿过密封试模（1）的桶盖（9）；在测头（12）的上端上设有激光反射靶（11）；

激光位移传感器（4），位于密封试模（1）的外部，用于对激光反射靶（11）的位移进行测定。

2.根据权利要求1所述的非接触式混凝土自生体积变形测试装置，其特征在于，还包括：温度传感器（3），位于混凝土拌合物（2）内部，用于测定混凝土拌合物（2）的温度；还包括：设备台座（5），激光位移传感器（4）安装于设备台座（5）上，并且激光位移传感器（4）在设备台座（5）上的位置可以调节；设备台座（5）上设有垂直轨道（20），垂直轨道（20）在设备台座（5）上的垂直高度可调节；在垂直轨道（20）还设有水平轨道（22），水平轨道（22）在垂直轨道（20）上的水平位移可调节；激光位移传感器（4）固定于水平轨道（22）上。

3.根据权利要求1所述的非接触式混凝土自生体积变形测试装置，其特征在于，还包括：垂直台座（25），用于固定设备台座（5）；密封试模（1）放置于钢垫板（26）上；密封试模（1）为多层桶体结构，外层为金属材质桶体，中间层为弹性材质桶体，内层为聚合物膜。

4.根据权利要求1所述的非接触式混凝土自生体积变形测试装置，其特征在于，聚合物膜的内侧还涂有润滑油；还包括：卡夹（13），用于可拆卸地将轻质测头（12）固定于桶盖（9）上。

5.根据权利要求1所述的非接触式混凝土自生体积变形测试装置，其特征在于，激光位移传感器（4）和/温度传感器（3）或与计算机（8）连接。

6.一种非接触式混凝土自生体积变形测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

第1步，将混凝土拌合物（2）样品装载于密封试模（1）中；

第2步，在混凝土拌合物（2）样品的上方放入轻质测头（12）；

第3步，通过激光位移传感器（4）测定在混凝土拌合物（2）在体积变形前后轻质测头（12）上部的位移，得到体积变形量。

7.根据权利要求6所述的非接触式混凝土自生体积变形测试方法，其特征在于，在第3步之前，调节激光位移传感器（4）的位置。

8.根据权利要求6所述的非接触式混凝土自生体积变形测试方法，其特征在于，还包括：在混凝土拌合物（2）中放入温度传感器（3），并测定温度。

9.根据权利要求6所述的非接触式混凝土自生体积变形测试方法，其特征在于，还包括：在混凝土拌合物（2）初凝之前，固定轻质测头（12）与激光位移传感器（4）之间的相对位置。

10.根据权利要求6所述的非接触式混凝土自生体积变形测试方法，其特征在于，在第1步之前，在密封试模（1）内壁上涂上润滑油；将激光位移传感器（4）和/或温度传感器（3）得到的数据转换后传输到计算机（8）中。