CN110487674A - 无损测试水泥基材料凝结时间的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无损测试水泥基材料凝结时间的装置和方法。木模板为由多块木板搭建的上端开口的长方体箱，木模板内填充放置水泥基材料样品，在木模板两侧对称地分别开有三个弯曲元预留孔，每个弯曲元预留孔为通孔，弯曲元预留孔内安装有弯曲元结构，弯曲元预留孔中通过螺纹安装有螺套，朝向木模板内中心的一端开设有盲孔；弯曲元基片向外依次包裹有聚氨酯漆、紫色底漆和聚氯乙烯水泥，形成弯曲元，弯曲元安装在螺套的盲孔中，且弯曲元基片的扁平表面竖直布置；弯曲元基片经电线引出连接到剪切波速测试系统。本发明可无损、实时地获得水泥基材料的凝结时间。实现了利用机械波无损伤法获得现场施工中所使用水泥基材料的凝结时间。
Description
技术领域
本发明属于水泥基材料领域，具体涉及了一种无损测试水泥基材料凝结时间的装置和方法，能用于测试水泥基材料早期凝结过程的凝结时间。
背景技术
水泥基材料被大量的应用于全球的工程建设项目中。为确保用水泥基材料所建造基础设施的质量以及长期服役性能，确定其早期性能非常重要。初凝时间与终凝时间是水泥基材料非常关键的早期性能指标，对于建设工程施工具有重要的指导意义。初凝时间是从水泥与水混合时刻到水泥浆开始失去可塑性和流动性所经过的时间。终凝时间是从水加入水泥开始到水泥浆完全失去其可塑性并开始具备一定强度所经过的时间。
目前，用于测量砂浆或混凝土凝结时间的规范标准是抗穿透性试验(ASTM C403)，用于测量水泥浆凝结时间的规范标准是Vicat针试验(ASTM C191)。但这些标准方法对于试样具有破坏性，故无法用标准方法获得现场施工中水泥基材料构件的凝结时间。所以，如何运用无损伤方法准确地获得水泥基材料的凝结时间是一个急需解决的问题。
近些年来，由于压缩波波速(Vp)可反映水泥基材料中的裂缝及空洞，大量的施工现场测试了水泥基材料早期凝结过程中的Vp值，并有一些学者直接通过所得的Vp变化曲线估计水泥基材料的凝结时间。然而，水泥基材料中的水分会导致高Vp值(大约1490m/s)。而在水泥基材料早期凝结过程中，其固体部分中传播的Vp值也只是从新鲜状态的100m/s变化到硬化状态下的4000m/s左右。可见水泥基材料固体部分中的Vp值在凝结前期被水屏蔽，且大量的研究也表明Vp变化曲线与凝结时间的关联性不足。故将Vp值作为水泥基材料早期凝结过程中的性能指标是不妥当的。由于剪切波主要通过材料的固体骨架传播，受材料中水分、空气的影响较小，已经有不少学者研究表明剪切波速值(Vs)对水泥基材料的早期凝结过程更加敏感。但存在两个问题：(1)水泥基材料在早期凝结过程中剪切刚度值上升过快，这对连续监测其早期凝结过程的Vs值带来了巨大的挑战，目前只能测得其在15h内的Vs值，而水泥基材料早期凝结过程一般大于24h。(2)目前大部分学者采用FreshCon系统同时测定Vs值及Vp值，但由于FreshCon系统中使用的水泥基材料样品尺寸过小，导致凝结后期机械波的传播时间过小到接近系统延迟时间。
目前已经有学者根据所测得的Vs值求解水泥基材料凝结时间，以及将Vs与Vp值转化为弹性模量变化曲线，再根据弹性模量变化曲线求得凝结时间。但以上的方法对凝结时间的关联性还不足，用这些方法估计凝结时间存在巨大的误差。
综上所述：(1)急需一种可以连续测试大尺寸(降低系统延迟时间所带来的影响)水泥基材料样品凝结过程剪切波速24h以上的实验系统。(2)如何提高无损测试水泥基材料凝结时间的准确度，也是一个需要解决的问题。
发明内容
针对背景技术中提出的关键问题，本发明提供了一种测试大尺寸水泥基材料样品早期凝结过程剪切波速的实验系统，可实现连续测试24h以上。此外，本发明还提出了一种根据早期凝结过程下的泊松比变化曲线求解凝结时间的方法。早期凝结过程一般认为为24小时之内。
为了实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案：
一、一种无损测试水泥基材料凝结时间的装置：
装置包括木模板、改进弯曲元和剪切波速测试系统；木模板为由多块木板搭建的上端开口的长方体箱，木模板内填充放置水泥基材料样品，在木模板两侧对称地分别开有三个弯曲元预留孔，三个弯曲元预留孔沿水平间隔布置，每个弯曲元预留孔为通孔，弯曲元预留孔内安装有弯曲元结构，每侧的三个弯曲元预留孔中安装的三个构成一组弯曲元结构。
所述的弯曲元结构包括弯曲元基片、聚氨酯漆、紫色底漆、聚氯乙烯水泥和螺套；弯曲元预留孔中通过螺纹安装有螺套，朝向木模板内中心的一端开设有盲孔；弯曲元基片向外依次包裹有3～5层聚氨酯漆、1层紫色底漆和1层聚氯乙烯水泥，形成弯曲元，弯曲元安装在螺套的盲孔中，且弯曲元基片的扁平表面竖直布置；弯曲元基片经电线引出连接到剪切波速测试系统。
所述的电线穿设于螺套后和所述的剪切波速测试系统连接。
所述的剪切波速测试系统包含示波器、滤波器、信号发生器和信号放大器；信号发生器和弯曲元基片的输入端连接，弯曲元基片输出端依次经滤波器、信号放大器后和示波器连接。
还包括压缩波速测试系统，压缩波速测试系统采用超声脉冲波速测试仪。
所述的木模板两侧的弯曲元预留孔之间的间距和弯曲元基片发出的剪切波波速之比不小于2，且弯曲元基片发出的剪切波从一侧弯曲元结构到另一侧弯曲元结构的传播时间为由弯曲元件涂层及电子设备导致的系统延迟(大约在6-11μs)的8倍以上。
本发明中：
(1)设计剪切波传播距离比波长值在凝结过程中始终不小于2，并且增大了剪切波传播时间，确保由弯曲元件涂层及电子设备导致的系统延迟(大约在6-11μs)的8倍以上，这样能有效避免在剪切波速测试过程中产生的近场效应，更准确测量获得剪切波速结果。
同时传播距离不至于过长，而导致剪切波能量传播过程中被完全耗散，到达不了接收弯曲元。
(2)实施采用3.8cm厚的木模板具有足够大的剪切刚度，可抵抗砂浆凝结过程中产生的侧向荷载，并确保弯曲元在木模板内壁上被紧密固定，为弯曲元和水泥基材料之间提供良好的接触。
木模板的多块木板之间通过螺栓组装在一起，内壁涂抹有一层薄凡士林，方便水泥基材料硬化后的拆除及再次使用。弯曲元片的扁平面方向与木模板底面垂直(测试了Vs,hv)，可有效减少灌入试验材料过程中在弯曲元片下方产生的气泡量，并防止了压缩波经底面反射传播到接收弯曲元，也降低了近场效应。
二、一种无损测试水泥基材料凝结时间的方法：
1)针对每一种水泥基材料样品，在多个不同水灰比下分别测试获得随时间变化的剪切波速Vs和压缩波速Vp，水灰比是指水分和水泥之间的比例；
剪切波速Vs采用权利要求1-5任一所述装置进行测试获得，测试时在木模板内填充满水泥基材料样品。压缩波速测试的方法是将水泥基材料样品(来自同一批)装入QUIK-TUBE(8英寸直径)中，使用商业超声脉冲波速测试仪测试其压缩波波速。
对于同一水灰比的水泥基材料样品，将所测得的剪切波速Vs用土水特征曲线(SWCC)方程拟合，将所测得的压缩波速Vp用Lognormal方程拟合，根据弹性材料，根据测试获得各个时刻的剪切波速Vs和压缩波速Vp按照以下公式计算得到泊松比变化曲线，泊松比变化曲线为泊松比随时间变化的曲线：
其中，v表示泊松比；
2)将泊松比变化曲线求一阶导获得一阶导数曲线，得到一阶导数最小值数据t(ν’min)，ν’min表示一阶导数最小值，t表示时间，t(ν’min)表示一阶导数最小值对应的时间；然后以t(ν’min)为横坐标，用标准方法测出的终凝时间tf为纵坐标，用不同水灰比的水泥基材料样品获得的一阶导数最小值数据t(ν’min)及其对应的终凝时间tf采用线性方程拟合各点，各点数量和水灰比的数量相同，所得的线性方程作为联合Vp、Vs时间变化曲线确定终凝时间的终凝时间方程；
继续将泊松比变化曲线求二阶导获得二阶导数曲线，得到二阶导数最小值数据t(ν”local)，ν”local表示一阶导数最小值，t(ν”local)表示二阶导数最小值对应的时间；然后以t(ν”local)为横坐标，用标准方法测出的初凝时间ti为纵坐标，用不同水灰比的水泥基材料样品获得的一阶导数最小值数据t(ν”local)及其对应的终凝时间ti采用线性方程拟合各点，各点数量和水灰比的数量相同，所得的线性方程作为联合Vp、Vs时间变化曲线确定初凝时间的初凝时间方程；
3)在获得终凝时间方程和初凝时间方程后，在现场施工前，对于待测的水泥基材料样品采用上述步骤1)和步骤2)相同方式进行处理获得剪切波速Vs和压缩波速Vp随时间变化曲线，进而获得泊松比变化曲线，再获得一阶导数最小值数据t(ν’min)和二阶导数最小值数据t(ν”local)，分别代入终凝时间方程和初凝时间方程，无损、实时地获得该种水泥基材料样品的凝结时间。
本发明通过提供一种新型测试水泥基材料样品早期凝结过程剪切波速的实验系统以及一种结合Vp、Vs时间变化曲线求解凝结时间的方法，可无损、实时、较准确地获得水泥基材料的凝结时间。
与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：
(1)本发明开创性地提出了一种新型测试水泥基材料样品早期凝结过程剪切波速的实验系统，可长时间(>24小时)并更精确的测量水泥基材料早期凝结过程中的剪切波速变化曲线。
(2)本发明首次提出一种根据泊松比变化曲线分析得水泥基材料的凝结时间的方法，相比于传统的直接用Vp时间变化曲线求解凝结时间，提高了关联性，能得到更准确的凝结时间。
附图说明
图1是本发明方法流程图。
图2是木模板的侧视图示意图。
图3是木模板的俯视图示意图。
图4是改进弯曲元的涂层结构示意图。
图5是实施例中根据泊松比变化曲线获得t(ν’min)值及t(ν”local)值示意图。
图6是实施例中t(ν’min)值与终凝时间关联关系示意图。
图7是实施例中t(ν”local)值与初凝时间关联关系示意图。
图中：1、木模板，2、水泥基材料样品，3、弯曲元预留孔，4、改进弯曲元，4-1、弯曲元基片，4-2、聚氨酯漆，4-3、紫色底漆，4-4、聚氯乙烯水泥，4-5、螺套，4-6、电线。
具体实施方式
以下通过附图和实施例说明本发明的具体步骤，但不受实施例限制。
在本发明中所使用的术语，除非另有说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。
结合具体实施例并参照数据进一步详细描述本发明。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。
本发明具体实施包括木模板1、改进弯曲元4和剪切波速测试系统。
如图2和图3所示，木模板1为由多块木板搭建的上端开口的长方体箱，木模板1内填充放置水泥基材料样品2，在木模板1两侧长度半高处对称地分别开有三个弯曲元预留孔3，三个弯曲元预留孔3沿水平间隔布置，一侧的三个弯曲元预留孔和另一侧的三个弯曲元预留孔对称布置，每个弯曲元预留孔3为通孔。弯曲元预留孔3内，孔内安装有改进弯曲元4，两侧的改进弯曲元4共组成3对弯曲元。
如图4所示，改进弯曲元4包括弯曲元基片4-1、聚氨酯漆4-2、紫色底漆4-3、聚氯乙烯水泥4-4、尼龙螺套4-5；弯曲元预留孔3中通过螺纹安装有螺套4-5，朝向木模板1内中心的一端开设有盲孔；弯曲元基片4-1宽边与电线4-6焊接，向外依次涂抹包裹有3～5层聚氨酯漆4-2、1层紫色底漆4-3至其外表面，然后将其安装至尼龙螺套4-5的盲孔中，并在间隙处及弯曲元片面外填充聚氯乙烯水泥4-4至固化；弯曲元基片4-1的扁平表面竖直布置。改进弯曲元4通过其尼龙螺套4-5的外螺纹过盈拧入木模板弯曲元预留孔3中直至探测端插入到木模板内的待测试样中，并确保弯曲元片面与木模板底面垂直；电线4-6穿设于螺套4-5远离木模板1内中心一侧后引出连接至剪切波速测试系统。
具体实施中，弯曲元基片4-1外表面先涂抹包裹3到5层聚氨酯漆4-2，聚氨酯漆起绝缘及防水作用，再外面涂抹了一层紫色底漆4-3，紫色底漆4-3进行粗糙化弯曲元片表面，与聚氯乙烯水泥胶结的更加紧密，最后在紫色底漆4-3外面上涂抹一层聚氯乙烯水泥4-4，聚氯乙烯水泥4-4安装至螺套4-5中。
紫色底漆4-3为美国欧地公司生产，起粗糙化涂有聚氨酯漆后的弯曲元片表面的作用，进而可与后续涂抹的聚氯乙烯水泥胶结的更加紧密。
剪切波速测试系统包含示波器、滤波器、信号发生器和信号放大器；信号发生器输出两路信号，其中一路连接示波器，另一路依次连接信号放大器、发射波弯曲元，剪切波信号经过试样后到达接收波弯曲元，信号最终经过滤波器后到达示波器。
还包括压缩波速测试系统，由超声脉冲波速测试仪及QUIK-TUBE筒体组成。超声脉冲波速测试仪含有一对超声脉冲波传感器，分别用来激发和接收压缩波。在测试压缩波速前，在QUIK-TUBE筒体侧壁径向上钻两孔，使用薄塑料膜盖住(可防止水泥砂浆溢出)，倒入试样至QUIK-TUBE中。继续往薄塑料膜表面涂上一层凡士林，并紧贴安装超声脉冲波传感器。QUIK-TUBE筒体为刚性纤维材质。
每对改进弯曲元4的尖端-尖端距离与弯曲元基片4-1发出的剪切波波长值之比不小于2，且弯曲元基片4-1发出的剪切波从一侧弯曲元结构到另一侧弯曲元结构的传播时间为由弯曲元件涂层及电子设备导致的系统延迟(大约在6-11μs)的8倍以上。
具体实施中，木模板的内边尺寸为0.61×0.305×0.14m3(长×宽×高)，木板厚度为3.8cm。
每侧的三个弯曲元预留孔中，邻孔中轴线距离10.2cm，孔内径2.2cm，孔圆心距离木模板底面7.6cm，弯曲元对尖端-尖端距离为27cm。
本发明在传统土工测试所使用的弯曲元基础上设计制造了适用于水泥基材料剪切波速测试的改进弯曲元，能确保弯曲元能在水泥基材料内强腐蚀环境下(高pH值以及水化产物引起)正常工作。
使用23×11.5×2mm(长×宽×高)尺寸的黄铜加强型扩展器作为弯曲元基片，可提供更强的信号，确保剪切波能在水化初期(颗粒间接触点少，传播过程中能量耗散大)及远距离传播下有效地传播到终点。
本发明实施例如下：
根据附图1的方法实现了用机械波无损监测的方式得到了待测试样的凝结时间，包括以下步骤：
(1)使用普通的I型波特兰水泥、密苏里河砂(D50为0.7mm，Cu为2.74)、水化控制混合物(延迟剂)以及非氯化物加速混合物(加速剂)制备成六种不同的砂浆样品：样品1水灰比为0.5，样品2水灰比为0.43，样品3水灰比为0.37，样品1-3不添加化学试剂。样品4-6水灰比为0.43，其中样品4延迟剂剂量为195ml/100kg，样品5加速剂剂量为1500ml/100kg，样品6延迟剂剂量为220ml/100kg。
(2)用螺丝将个各木板组装拼接成木模板1，并在内壁抹上一层凡士林。将3对改进弯曲元4拧入木模板1的弯曲元预留孔3中，保证弯曲元探头的尖端露出木模板内侧17.5mm，每对弯曲元探头的尖端-尖端距离为27cm。均匀地灌入0.0212m3的待测样品至木模板1后，开始测试凝结过程中的Vs值。测试完后，先拆除螺丝后揭下木板，再按相同步骤组装拆下的木板，进行下一组实验。
(3)另取同一批次的待测样品，将其放入QUIK-TUBE(8英寸直径)中。在QUIK-TUBE径向侧壁上钻有两孔，用于安装发射传感器及接受传感器。使用Proceq公司生产的PunditLab型号UPV测试仪测试待测样品早期凝结过程中的Vp值。
(4)根据测试获得各样品在早期凝结过程中的剪切波速Vs和压缩波速Vp值，按照(1)式计算得到泊松比变化曲线，即为泊松比时间关系方程。
式中ν为泊松比。
(5)按照图5所示，解得泊松比的一阶、二阶导数曲线，并计算六种样品的t(ν’min)及t(ν”local)值，分别以t(ν’min)及t(ν”local)值为横坐标，以用抗穿透性试验(ASTM C403)测出的终凝时间tf及初凝时间ti为纵坐标，用线性方程拟合各坐标点。
具体为：将泊松比变化曲线求一阶导获得一阶导数曲线，得到一阶导数最小值数据t(ν’min)，ν’min表示一阶导数最小值，t表示时间，t(ν’min)表示一阶导数最小值对应的时间；然后以t(ν’min)为横坐标，用标准方法测出的终凝时间tf为纵坐标，用不同水灰比的水泥基材料样品2获得的一阶导数最小值数据t(ν’min)及其对应的终凝时间tf采用线性方程拟合各点，各点数量和水灰比的数量相同，所得的线性方程作为联合Vp、Vs时间变化曲线确定终凝时间的终凝时间标定方程；
继续将泊松比变化曲线求二阶导获得二阶导数曲线，得到二阶导数最小值数据t(ν”local)，ν”local表示一阶导数最小值，t(ν”local)表示二阶导数最小值对应的时间；然后以t(ν”local)为横坐标，用标准方法测出的初凝时间ti为纵坐标，用不同水灰比的水泥基材料样品2获得的一阶导数最小值数据t(ν”local)及其对应的终凝时间ti采用线性方程拟合各点，各点数量和水灰比的数量相同，所得的线性方程作为联合Vp、Vs时间变化曲线确定初凝时间的初凝时间标定方程；
(6)在获得终凝时间和初凝时间标定方程后。在现场施工前，预先在待建造试件两侧的模板上分别安装好改进弯曲元对及超声脉冲波传感器。按照相同方式获得试件的剪切波速Vs和压缩波速Vp随时间变化曲线。进而获得泊松比变化曲线，再求得一阶导数最小值数据t(ν’min)和二阶导数最小值数据t(ν”local)，分别代入终凝时间方程和初凝时间方程，无损、实时地获得该种现场所建造试件的凝结时间。
1)至5)步骤的测试结果如图6、图7所示，可见相关系数R2较高，本发明方法实施成功。
Claims (6)
1.一种无损测试水泥基材料凝结时间的装置，其特征在于：包括木模板(1)、改进弯曲元(4)和剪切波速测试系统；木模板(1)为由多块木板搭建的上端开口的长方体箱，木模板(1)内填充放置水泥基材料样品(2)，在木模板(1)两侧对称地分别开有三个弯曲元预留孔(3)，三个弯曲元预留孔(3)沿水平间隔布置，每个弯曲元预留孔(3)为通孔，弯曲元预留孔(3)内安装有弯曲元结构，每侧的三个弯曲元预留孔(3)中安装的三个构成一组弯曲元结构；所述的弯曲元结构包括弯曲元基片(4-1)、聚氨酯漆(4-2)、紫色底漆(4-3)、聚氯乙烯水泥(4-4)和螺套(4-5)；弯曲元预留孔(3)中通过螺纹安装有螺套(4-5)，朝向木模板(1)内中心的一端开设有盲孔；弯曲元基片(4-1)向外依次包裹有3～5层聚氨酯漆(4-2)、1层紫色底漆(4-3)和1层聚氯乙烯水泥(4-4)，形成弯曲元，弯曲元安装在螺套(4-5)的盲孔中，且弯曲元基片(4-1)的扁平表面竖直布置；弯曲元基片(4-1)经电线(4-6)引出连接到剪切波速测试系统。
2.根据权利要求1所述的一种无损测试水泥基材料凝结时间的装置，其特征在于：所述的电线(4-6)穿设于螺套(4-5)后和所述的剪切波速测试系统连接。
3.根据权利要求1所述的一种无损测试水泥基材料凝结时间的装置，其特征在于：所述的剪切波速测试系统包含示波器、滤波器、信号发生器和信号放大器；信号发生器和弯曲元基片(4-1)的输入端连接，弯曲元基片(4-1)输出端依次经滤波器、信号放大器后和示波器连接。
4.根据权利要求1所述的一种无损测试水泥基材料凝结时间的装置，其特征在于：还包括压缩波速测试系统，压缩波速测试系统采用超声脉冲波速测试仪。
5.根据权利要求1所述的一种无损测试水泥基材料凝结时间的装置，其特征在于：所述的木模板(1)两侧的弯曲元预留孔(3)之间的间距和弯曲元基片(4-1)发出的剪切波波速之比不小于2，且弯曲元基片(4-1)发出的剪切波从一侧弯曲元结构到另一侧弯曲元结构的传播时间为由弯曲元件涂层及电子设备导致的系统延迟的8倍以上。
6.一种无损测试水泥基材料凝结时间的方法，其特征在于：
1)针对每一种水泥基材料样品(2)，在多个不同水灰比下分别测试获得随时间变化的剪切波速Vs和压缩波速Vp；
对于同一水灰比的水泥基材料样品(2)，根据测试获得各个时刻的剪切波速Vs和压缩波速Vp按照以下公式计算得到泊松比变化曲线：
其中，v表示泊松比；
2)将泊松比变化曲线求一阶导获得一阶导数曲线，得到一阶导数最小值数据t(ν’min)，ν’min表示一阶导数最小值，t表示时间，t(ν’min)表示一阶导数最小值对应的时间；然后以t(ν’min)为横坐标，用标准方法测出的终凝时间tf为纵坐标，用不同水灰比的水泥基材料样品(2)获得的一阶导数最小值数据t(ν’min)及其对应的终凝时间tf采用线性方程拟合各点，所得的线性方程作为终凝时间方程；
继续将泊松比变化曲线求二阶导获得二阶导数曲线，得到二阶导数最小值数据t(ν”local)，ν”local表示一阶导数最小值，t(ν”local)表示二阶导数最小值对应的时间；然后以t(ν”local)为横坐标，用标准方法测出的初凝时间ti为纵坐标，用不同水灰比的水泥基材料样品(2)获得的一阶导数最小值数据t(ν”local)及其对应的终凝时间ti采用线性方程拟合各点，所得的线性方程作为初凝时间方程；
3)在获得终凝时间方程和初凝时间方程后，在现场施工前，对于待测的水泥基材料样品(2)采用上述步骤1)和步骤2)相同方式进行处理获得剪切波速Vs和压缩波速Vp随时间变化曲线，进而获得泊松比变化曲线，再获得一阶导数最小值数据t(ν’min)和二阶导数最小值数据t(ν”local)，分别代入终凝时间方程和初凝时间方程，无损、实时地获得该种水泥基材料样品(2)的凝结时间。
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| CN113008994A (zh) * | 2021-02-19 | 2021-06-22 | 安徽建材地质工程勘察院有限公司 | 工程勘察地层划分用高精度物探剪切波测试方法 |
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