CN111103350B - 一种泡沫混凝土气泡稳定性的测试装置及测试方法 - Google Patents

一种泡沫混凝土气泡稳定性的测试装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

一种泡沫混凝土气泡稳定性的测试装置及测试方法，属于泡沫混凝土技术领域。本发明型解决了现有的评判泡沫混凝土气孔结构方法耗时长且准确程度较低，而新拌泡沫混凝土在不同环境温度和压力下的气泡稳定性难以定量评估，以及无法监测出气泡融合或上浮的问题。它包括加压组件、密封活塞板、内筒容器、外筒容器、水浴控温设备、数据采集设备、微机控制设备、声信号发射器及若干声信号接收器。通过本申请的测试装置和测试方法，实现了在不同环境温度和压力下对新拌泡沫混凝土浆体中气泡稳定性的快速评估和连续监测，与现有技术中检验泡沫混凝土硬化后气孔结构的方法相比，大大缩短试验周期，提高了工作效率。

Description

一种泡沫混凝土气泡稳定性的测试装置及测试方法
技术领域
本发明涉及一种泡沫混凝土气泡稳定性的测试装置及测试方法，属于泡沫混凝土技术领域。
背景技术
泡沫混凝土是一类由发泡剂溶液经机械方法制出泡沫后，再加入水泥浆体中搅拌均匀、浇筑成型的轻质多孔材料，内部含有大量封闭细小的孔隙。根据不同密度等级的划分，可广泛用于轻质结构、建筑保温、吸声隔热、砌筑填充以及冲击拦阻等领域。近年来，随着泡沫混凝土构件和制品的大面积应用和产业快速发展，泡沫混凝土功能材料日益受到重视，但由于新拌浆体中的气泡稳定性难以评估和控制，导致实际生产中泡沫混凝土质量良莠不齐。
要制备出高性能泡沫混凝土，关键在于其内部要形成优良的气孔结构。具体而言，气泡自身的热力学不稳定和气泡的上浮运动都会导致硬化泡沫混凝土内部气孔结构不佳。前者可表现为泡沫液膜的排液破裂导致相邻气泡间发生合并，或是在浆体固化前，由于相邻气泡间存在内压差而引发的由较小气泡到较大气泡的气体扩散；这会造成泡沫混凝土气孔粗大，严重降低使用性能。另一方面，气泡大量上浮增加了它们粘附和聚集的概率，同时还进一步加剧了新拌浆体中的固相颗粒下沉，易造成泡沫混凝土发生离析分层的现象。
目前，对泡沫混凝土气泡稳定性的评价多采用沿纵向或横向切开断面来观察气孔结构的破损检测方法；此方法仅限用于硬化后泡沫混凝土，存在试验周期长，取样个数有限，准确度较低等不足。也有一些对于泡沫自身稳定性的测试评价方法，但是并不能反映出气泡在新拌浆体中的真实情况。相关研究表明，水泥浆体与气泡之间有着复杂的相互作用机制：水泥浆体流变性能、液相离子浓度、外加剂与发泡剂的竞争吸附、环境温度、外界扰动等因素均会显著影响泡沫混凝土的气泡稳定性。实际生产时，很多结构构件高度尺寸较大且浇筑时入模温度随季节变化，使得处于底部的气泡易承受较大压力而破裂；而基于测量密度变化的传统方法测试很不方便且只能获得气泡总损失率，并不能反映出气泡在水泥浆体中是否发生了融合或者出现了不均匀分布现象。
发明内容
本发明是为了解决现有的评判泡沫混凝土气孔结构方法耗时长且准确程度较低，而新拌泡沫混凝土在不同环境温度和压力下的气泡稳定性难以定量评估，以及无法监测出气泡融合或上浮的问题，进而提供了一种泡沫混凝土气泡稳定性的测试装置及测试方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种泡沫混凝土气泡稳定性的测试装置，它包括加压组件、密封活塞板、内筒容器、外筒容器、水浴控温设备、数据采集设备、微机控制设备、声信号发射器及若干声信号接收器，
外筒容器同轴套设在内筒容器外部，外筒容器内壁与内筒容器外壁之间形成密闭的空腔，外筒容器的筒壁开设有两个循环接口，所述空腔与水浴控温设备连通，内筒容器的底部同轴固设有立杆，所述声信号发射器通过立杆装设在内筒容器内部，若干声信号接收器布置在内筒容器的内壁，
密封活塞板上下滑动设置在内筒容器内，所述密封活塞板上开设有装料口，且密封活塞板的下表面安装有若干压力传感器，
所述加压组件包括反力梁、横梁、底座、竖向支架、液压缸及连接件，其中反力梁及底座上下平行设置且通过竖向支架固接，液压缸固设在反力梁的下端面，外筒容器置于底座上，横梁设置在反力梁与外筒容器之间且通过液压缸上下滑动设置在竖向支架上，连接件固装在横梁下端面，
声信号接收器、压力传感器分别通过数据线连接数据采集设备，声信号发射器、水浴控温设备及数据采集设备分别通过数据线连接微机控制设备。
进一步地，内筒容器的外表面包覆有防水吸声材料层，外筒容器的外表面包覆有保温隔热材料层。
进一步地，外筒容器的内壁与内筒容器的外壁之间的距离为50mm-200mm，所述保温隔热材料层的厚度为20mm-50mm。
进一步地，内筒容器的外壁下部固设有两个卡扣，外筒容器的底部固设有两个限位板，且两个所述限位板分别立设于内筒容器的两侧，每个限位板上均开设有限位孔，两个卡扣对应卡设在两个限位孔内，外筒容器的底端通过若干立柱焊接在底座上，外筒容器底端与底座上表面之间设置有保温隔热层。
进一步地，声信号发射器的发射方向和声信号接收器的接收方向均与内筒容器的直径方向重合。
进一步地，若干声信号接收器位于同一竖直平面内且关于内筒容器的中心轴线对称分布为两列，沿内筒容器高度方向上的中间位置所在水平面为基准面，若干声信号接收器关于所述基准面上下对称分布。
进一步地，若干声信号接收器外部均罩设有保护罩。
进一步地，所述立杆为伸缩杆。
进一步地，声信号发射器的数量为两个且成180°夹角分布，每个声信号发射器均由内筒容器的中心轴线位置出发沿半径方向发出声信号。
一种泡沫混凝土气泡稳定性的测试方法，它包括如下步骤：
步骤一、打开微机控制设备、数据采集设备和水浴控温设备，设置测试需要的环境温度，在外筒容器内开启水浴循环，等待温度平衡；
步骤二、打开密封活塞板上的装料口，将待测的新拌泡沫混凝土装入到内筒容器中并填满，然后关闭装料口，确保内筒容器处于密封状态；
步骤三、微机控制开启声信号发射器，使其沿内筒容器径向发出特定频率和强度的声信号，记录每一个声信号接收器i的位置和接收的声信号强度L1i；
步骤四、用外设油泵给液压缸加压，使横梁下移并通过连接件对密封活塞板施加压力F，使得密封活塞板的位置下降至内筒容器约3/4高度处，标记此时密封活塞板位置；然后卸去荷载，密封活塞板恢复原位；
步骤五、重复步骤三，记录此时声信号接收器i收到的声信号强度S1i。
步骤六、计算同一个声信号接收器i在加压前后接收的声信号强度的差异率(S1i-L1i)/(S1i+L1i)；差异越大，则局部气泡稳定性越差，破裂融合越严重；
步骤七、计算所有声信号接收器在加压前后接收的声信号强度差异率的算术平均值，获得气泡稳定性的整体情况；
步骤八、计算与声信号发射器距离相等的两个对称分布的声信号接收器接收到的声信号强度差异率，下部声信号强度记为S1d，上部声信号强度记为S1u；若(S1d-S1u)/(S1d+S1u)的值越大，说明已发生的气泡上浮和固相颗粒下沉现象就越严重；若差异率很小，说明新拌泡沫混凝土的局部均质性越好；
步骤九、对符合步骤八中条件的每两个不同位置的声信号接收器，计算接收声信号强度差异率并计算算术平均值，得到泡沫混凝土的整体均质性情况；
步骤九、重复步骤四至步骤八n次，直至Sni-Lni和Snd-Snu的差值显著变大为止，期间需密切观察经加压后密封活塞板的高度应处于同一位置，以确保内筒容器处于密闭状态；
步骤十、对不同的新拌泡沫混凝土，在相同温度环境下，经历过相同的加压次数n和压力值F后，比较它们(Sni-Lni)/(Sni+Lni)和(Snd-Snu)/(Snd+Snu)差异率平均值的大小，进而评估浆体中气泡稳定性的优劣；
步骤十一、关闭系统电源，解除内筒容器底部的卡扣，提出内筒卸料。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
一、通过本申请的测试装置和测试方法，实现了在不同环境温度和压力下对新拌泡沫混凝土浆体中气泡稳定性的快速评估和连续监测，与现有技术中检验泡沫混凝土硬化后气孔结构的方法相比，大大缩短试验周期，提高了工作效率；
二、突破了传统监测方法不能同时评估新拌泡沫混凝土浆体中气泡融合和气泡上浮的技术难题，实现了对气泡的“存在状态稳定”和“运动状态稳定”两个方面的定量评价；
三、测试装置的内部环境与外界隔离，受其他因素影响小，因此可靠性和准确度高。
附图说明
图1为本申请中测试装置的结构示意图；
图2为内筒容器与外筒容器之间的底部连接示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1及图2说明本实施方式，一种泡沫混凝土气泡稳定性的测试装置，它包括加压组件、密封活塞板1、内筒容器2、外筒容器3、水浴控温设备4、数据采集设备5、微机控制设备6、声信号发射器7及若干声信号接收器8，
外筒容器3同轴套设在内筒容器2外部，外筒容器3内壁与内筒容器2外壁之间形成密闭的空腔，外筒容器3的筒壁开设有两个循环接口，所述空腔与水浴控温设备连通，内筒容器2的底部同轴固设有立杆9，所述声信号发射器7通过立杆9装设在内筒容器2内部，若干声信号接收器8布置在内筒容器2的内壁，
密封活塞板1上下滑动设置在内筒容器2内，所述密封活塞板1上开设有装料口1-1，且密封活塞板1的下表面安装有若干压力传感器10，
所述加压组件包括反力梁11、横梁12、底座13、竖向支架14、液压缸15及连接件16，其中反力梁11及底座13上下平行设置且通过竖向支架14固接，液压缸15固设在反力梁11的下端面，外筒容器3置于底座13上，横梁12设置在反力梁11与外筒容器3之间且通过液压缸15上下滑动设置在竖向支架14上，连接件16固装在横梁12下端面，
声信号接收器8、压力传感器10分别通过数据线连接数据采集设备5，声信号发射器7、水浴控温设备4及数据采集设备5分别通过数据线连接微机控制设备6。
外筒容器3的上顶面通过设置环形橡胶密封盖板实现空腔的密闭，该环形橡胶密封盖板可实现密封也可实现与内筒容器和外筒容器之间的分离，其上盖有保温隔热层。液压缸15安装于反力梁11上并控制横梁12上下移动，横梁12通过连接件16对密封活塞板1施加下压力，新拌泡沫混凝土装设在内筒容器2内，密封活塞板1作为内筒容器2的上顶面，为刚性活塞板，顶部覆有保温隔热材料，其受到来自于连接件16的下压力后，沿内筒容器2的内壁垂直移动，压力传感器10均布设置。声信号发射器7装设在立杆9顶端，其数量为2只，呈180度夹角对称分布，分别对应两侧的声信号接收器。
声信号发射器7发出的声信号频率包括但不限于1kHz-10000kHz，声信号强度包括但不限于0.001-10W/cm2。
工作原理：
新拌泡沫混凝土由固相、液相和气相组成，三相所占的体积比都很大。声信号(即声波)在不同介质中的衰减程度不同，一般而言在空气中传播声强会有较大衰减，液体次之，固体则是声信号传播的优良导体；因此，通过对比不同位置处接收的声信号强度差异，即可判断泡沫混凝土中是否出现了严重的气泡上浮和颗粒下沉的分层现象。另一方面，声信号通过细小密集气泡群时，声波会在微气泡间的发生明显的吸收和散射，这大大加剧了声信号强度的衰减，此时声波的强度衰减现象要比其通过少量粗大的气泡时显著得多；因此，通过相同位置处接收到声信号的强度差异，即可判断泡沫混凝土浆体中气泡的存在状态是细小密集的气泡群，还是破裂融合后少量粗大的气泡。本发明提供的装置及方法还可使声信号直接在新拌泡沫混凝土中传播而不经过容器内壁，因此干扰噪声较小。
内筒容器2的外表面包覆有防水吸声材料层，外筒容器3的外表面包覆有保温隔热材料层。防水吸声材料层还具有一定的传热效率。
外筒容器3的内壁与内筒容器2的外壁之间的距离为50mm-200mm，所述保温隔热材料层的厚度为20mm-50mm。
内筒容器2的外壁下部固设有两个卡扣17，外筒容器3的底部固设有两个限位板18，且两个所述限位板18分别立设于内筒容器2的两侧，每个限位板18上均开设有限位孔18-1，两个卡扣17对应卡设在两个限位孔18-1内，外筒容器3的底端通过若干立柱焊接在底座13上，外筒容器3底端与底座13上表面之间设置有保温隔热层。
声信号发射器7的发射方向和声信号接收器8的接收方向均与内筒容器2的直径方向重合。如此设计，每只声信号接收器8均水平放置且指向内筒容器2中心轴线方向，声信号发射器7与其同一平面位置对应的声信号接收器8构成一条通过内筒容器2截面圆心的直线。
若干声信号接收器8位于同一竖直平面内且关于内筒容器2的中心轴线对称分布为两列，沿内筒容器2高度方向上的中间位置所在水平面为基准面，若干声信号接收器8关于所述基准面上下对称分布。声信号接收器8的数量为优选为20只，数量越多，统计测试的结果越准确。
若干声信号接收器8外部均罩设有保护罩。
所述立杆9为伸缩杆。如此设计，使声信号发射器7能在不同高度位置处发出声信号；从而实现对新拌泡沫混凝土中局部气泡的稳定性实现更精密的测量。伸缩杆的直径小于5mm。立杆的内部填充有吸声材料层，如海绵层，立杆的伸缩通过微机系统自动控制。
声信号发射器7的数量为两个且成180°夹角分布，每个声信号发射器7均由内筒容器2的中心轴线位置出发沿半径方向发出声信号。
一种泡沫混凝土气泡稳定性的测试方法，它包括如下步骤：
步骤一、打开微机控制设备6、数据采集设备5和水浴控温设备4，设置测试需要的环境温度，在外筒容器3内开启水浴循环，等待温度平衡；
步骤二、打开密封活塞板1上的装料口1-1，将待测的新拌泡沫混凝土装入到内筒容器2中并填满，然后关闭装料口1-1，确保内筒容器2处于密封状态；
步骤三、微机控制开启声信号发射器7，使其沿内筒容器2径向发出特定频率和强度的声信号，记录每一个声信号接收器8i的位置和接收的声信号强度L1i；
步骤四、用外设油泵给液压缸15加压，使横梁12下移并通过连接件16对密封活塞板1施加压力F，使得密封活塞板1的位置下降至内筒容器2约3/4高度处，标记此时密封活塞板1位置；然后卸去荷载，密封活塞板1恢复原位；
步骤五、重复步骤三，记录此时声信号接收器8i收到的声信号强度S1i。
步骤六、计算同一个声信号接收器8i在加压前后接收的声信号强度的差异率(S1i-L1i)/(S1i+L1i)；差异越大，则局部气泡稳定性越差，破裂融合越严重；
步骤七、计算所有声信号接收器8在加压前后接收的声信号强度差异率的算术平均值，获得气泡稳定性的整体情况；
步骤八、计算与声信号发射器7距离相等的两个对称分布的声信号接收器8接收到的声信号强度差异率，下部声信号强度记为S1d，上部声信号强度记为S1u；若(S1d-S1u)/(S1d+S1u)的值越大，说明已发生的气泡上浮和固相颗粒下沉现象就越严重；若差异率很小，说明新拌泡沫混凝土的局部均质性越好；
步骤九、对符合步骤八中条件的每两个不同位置的声信号接收器8，计算接收声信号强度差异率并计算算术平均值，得到泡沫混凝土的整体均质性情况；
步骤九、重复步骤四至步骤八n次，直至Sni-Lni和Snd-Snu的差值显著变大为止，期间需密切观察经加压后密封活塞板1的高度应处于同一位置，以确保内筒容器2处于密闭状态；
步骤十、对不同的新拌泡沫混凝土，在相同温度环境下，经历过相同的加压次数n和压力值F后，比较它们(Sni-Lni)/(Sni+Lni)和(Snd-Snu)/(Snd+Snu)差异率平均值的大小，进而评估浆体中气泡稳定性的优劣；
步骤十一、关闭系统电源，解除内筒容器2底部的卡扣17，提出内筒卸料。

Claims (8)

1.一种泡沫混凝土气泡稳定性的测试装置，其特征在于：它包括加压组件、密封活塞板(1)、内筒容器(2)、外筒容器(3)、水浴控温设备(4)、数据采集设备(5)、微机控制设备(6)、声信号发射器(7)及若干声信号接收器(8)，
外筒容器(3)同轴套设在内筒容器(2)外部，外筒容器(3)内壁与内筒容器(2)外壁之间形成密闭的空腔，外筒容器(3)的筒壁开设有两个循环接口，所述空腔与水浴控温设备连通，内筒容器(2)的底部同轴固设有立杆(9)，所述声信号发射器(7)通过立杆(9)装设在内筒容器(2)内部，若干声信号接收器(8)布置在内筒容器(2)的内壁，
密封活塞板(1)上下滑动设置在内筒容器(2)内，所述密封活塞板(1)上开设有装料口(1-1)，且密封活塞板(1)的下表面安装有若干压力传感器(10)，
所述加压组件包括反力梁(11)、横梁(12)、底座(13)、竖向支架(14)、液压缸(15)及连接件(16)，其中反力梁(11)及底座(13)上下平行设置且通过竖向支架(14)固接，液压缸(15)固设在反力梁(11)的下端面，外筒容器(3)置于底座(13)上，横梁(12)设置在反力梁(11)与外筒容器(3)之间且通过液压缸(15)上下滑动设置在竖向支架(14)上，连接件(16)固装在横梁(12)下端面，
声信号接收器(8)、压力传感器(10)分别通过数据线连接数据采集设备(5)，声信号发射器(7)、水浴控温设备(4)及数据采集设备(5)分别通过数据线连接微机控制设备(6)，
声信号发射器(7)的发射方向和声信号接收器(8)的接收方向均与内筒容器(2)的直径方向重合，
若干声信号接收器(8)位于同一竖直平面内且关于内筒容器(2)的中心轴线对称分布为两列，沿内筒容器(2)高度方向上的中间位置所在水平面为基准面，若干声信号接收器(8)关于所述基准面上下对称分布。
2.根据权利要求1所述的一种泡沫混凝土气泡稳定性的测试装置，其特征在于：内筒容器(2)的外表面包覆有防水吸声材料层，外筒容器(3)的外表面包覆有保温隔热材料层。
3.根据权利要求2所述的一种泡沫混凝土气泡稳定性的测试装置，其特征在于：外筒容器(3)的内壁与内筒容器(2)的外壁之间的距离为50mm-200mm，所述保温隔热材料层的厚度为20mm-50mm。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种泡沫混凝土气泡稳定性的测试装置，其特征在于：内筒容器(2)的外壁下部固设有两个卡扣(17)，外筒容器(3)的底部固设有两个限位板(18)，且两个所述限位板(18)分别立设于内筒容器(2)的两侧，每个限位板(18)上均开设有限位孔(18-1)，两个卡扣(17)对应卡设在两个限位孔(18-1)内，外筒容器(3)的底端通过若干立柱焊接在底座(13)上，外筒容器(3)底端与底座(13)上表面之间设置有保温隔热层。
5.根据权利要求4所述的一种泡沫混凝土气泡稳定性的测试装置，其特征在于：若干声信号接收器(8)外部均罩设有保护罩。
6.根据权利要求5所述的一种泡沫混凝土气泡稳定性的测试装置，其特征在于：所述立杆(9)为伸缩杆。
7.根据权利要求1、2、3、4或6所述的一种泡沫混凝土气泡稳定性的测试装置，其特征在于：声信号发射器(7)的数量为两个且成180°夹角分布，每个声信号发射器(7)均由内筒容器(2)的中心轴线位置出发沿半径方向发出声信号。
8.一种采用上述4-7中任一项权利要求所述测试装置的测试方法，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤一、打开微机控制设备(6)、数据采集设备(5)和水浴控温设备(4)，设置测试需要的环境温度，在外筒容器(3)内开启水浴循环，等待温度平衡；
步骤二、打开密封活塞板(1)上的装料口(1-1)，将待测的新拌泡沫混凝土装入到内筒容器(2)中并填满，然后关闭装料口(1-1)，确保内筒容器(2)处于密封状态；
步骤三、微机控制开启声信号发射器(7)，使其沿内筒容器(2)径向发出特定频率和强度的声信号，记录每一个声信号接收器(8)i的位置和接收的声信号强度L1i；
步骤四、用外设油泵给液压缸(15)加压，使横梁(12)下移并通过连接件(16)对密封活塞板(1)施加压力F，使得密封活塞板(1)的位置下降至内筒容器(2)约3/4高度处，标记此时密封活塞板(1)位置；然后卸去荷载，密封活塞板(1)恢复原位；
步骤五、重复步骤三，记录此时声信号接收器(8)i收到的声信号强度S1i；
步骤六、计算同一个声信号接收器(8)i在加压前后接收的声信号强度的差异率(S1i-L1i)/(S1i+L1i)；差异越大，则局部气泡稳定性越差，破裂融合越严重；
步骤七、计算所有声信号接收器(8)在加压前后接收的声信号强度差异率的算术平均值，获得气泡稳定性的整体情况；
步骤八、计算与声信号发射器(7)距离相等的两个对称分布的声信号接收器(8)接收到的声信号强度差异率，下部声信号强度记为S1d，上部声信号强度记为S1u；若(S1d-S1u)/(S1d+S1u)的值越大，说明已发生的气泡上浮和固相颗粒下沉现象就越严重；若差异率很小，说明新拌泡沫混凝土的局部均质性越好；
步骤九、对符合步骤八中条件的每两个不同位置的声信号接收器(8)，计算接收声信号强度差异率并计算算术平均值，得到泡沫混凝土的整体均质性情况；
步骤九、重复步骤四至步骤八n次，直至Sni-Lni和Snd-Snu的差值显著变大为止，期间需密切观察经加压后密封活塞板(1)的高度应处于同一位置，以确保内筒容器(2)处于密闭状态；
步骤十、对不同的新拌泡沫混凝土，在相同温度环境下，经历过相同的加压次数n和压力值F后，比较它们(Sni-Lni)/(Sni+Lni)和(Snd-Snu)/(Snd+Snu)差异率平均值的大小，进而评估浆体中气泡稳定性的优劣；
步骤十一、关闭系统电源，解除内筒容器(2)底部的卡扣(17)，提出内筒卸料。
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