CN112834554A - 一种新拌混凝土凝固时间检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新拌混凝土凝固时间检测方法，步骤为在待测容器一侧激发应力波，将换能器采集的新拌混凝土的时域信息进行降噪、归一化处理，截取局部声波时域图；求局部声波时域图的频域图，并对频域图的各分波包的声波数据求积分面积C；再通过C求钢筋导波凝固时间参数i的峰值点，该峰值点即为新拌混凝土的初凝时间。本发明所采用的方法，可以方便简单的得出混凝土的凝固情况。相比于传统的使用的笨重的混凝土贯入仪测试贯入度的方法，其大大减少了试验的前置流程，减少了检测时的人为因素的干扰，并且装置结构简单，便于推广，适合在施工现场使用。

Description

一种新拌混凝土凝固时间检测方法和装置

技术领域

本发明涉及一种混凝土凝固时间的检测方法，具体为新拌混凝土凝固时间检测方法和装置，属于声波检测领域。

背景技术

凝结时间是混凝土水化反应进程的一个标志，凝结过程中浆体自身发生一系列物理和化学变化。凝结时间分为初凝时间和终凝时间。初凝时间为水泥加水拌合起，至水泥浆开始失去塑性所需的时间。终凝时间为从水泥加水拌合起，至水泥浆完全失去塑性并开始产生强度所需的时间。水泥凝结时间在施工中有重要意义，初凝时间不宜过短，终凝时间不宜过长。

目前，贯入阻力法为我国现行的凝固时间标准测试方法，现行规范为《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080-2016)，装置包括混凝土贯入仪、砂浆试样筒、试验筛、振动台、捣棒等。试验时要先通过试验筛从混凝土中筛选出砂浆，凝结时间检测从混凝土搅拌加水开始计时。根据混凝土拌合物的性能，确定测针试验时间，以后每隔0.5h测试一次，在临近初凝和终凝时缩短测试间隔时间。测试时，将砂浆试样筒置于贯入阻力仪上，记录最大贯入阻力值。每个砂浆筒每次测1～2个点，每个式样的贯入测试不应少于6次，直至单位面积贯入阻力值大于28MPa为止(达到终凝)。后续的凝结时间按公式(1)通过线性回归方法确定：

lnt＝a+blnf_PR (1)

其中，t为单位面积贯入阻力对应的测试时间(min)，a、b为线性回归系数。

凝结时间也可以用绘图拟合方法确定，应以单位面积贯入阻力为纵坐标，测试时间为横坐标，绘制出单位面积贯入阻力与测试时间之间的关系曲线；分别以3.5MPa和28MPa绘制两条平行于横坐标的直线，与曲线交点的横坐标应分别为初凝时间和终凝时间。

贯入阻力法较为复杂，存在较多缺点，例如：无法连续测试浆体的凝结硬化过程、测试结果与操作者的技巧有关、时常出现平行测试结果差距大难以准确判断试件的凝结时间。另外，在测试混凝土凝结时间时需先将混凝土中的砂浆筛出来，这对于流动度小的混凝土来说是很困难的。

在科研方面，人们尝试从不同方面，如水化热、核磁共振、电阻率及超声波等来建立新的凝结时间测试方法。其中，超声检测法的研究最多，它与水泥基本微结构参数如水化程度有着密切关系，可无损、连续监测砂浆和混凝土等样品的凝结过程。Shruti Sharma等人通过超声波在钢筋中的传播来监控新拌混凝土的凝固，测试结果表明，随着混凝土的凝固，更多的波能会逸入周围的混凝土中，从而导致信号衰减，且衰减趋势和凝固时间变化趋势具有趋同性。测量结果不太准确，需要实现在施工现场便捷检测出混凝土的凝固时间，判断其是否达到初凝时间。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种新拌混凝土凝固时间检测方法，可在施工现场便捷检测出混凝土的凝固时间，判断其是否达到初凝时间，节省了大量时间成本和人力成本。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种全新的新拌混凝土凝固时间检测方法，具体为：

步骤a)在待测容器一侧激发应力波，将换能器采集的新拌混凝土的时域信息进行降噪、归一化处理，截取局部声波时域图；

步骤b)求步骤a)所得局部声波时域图的频域图，并对频域图的各分波包的声波数据求积分面积C；

步骤c)通过步骤b)所得积分面积代入公式

求钢筋导波凝固时间参数i的峰值点，该峰值点即为新拌混凝土的初凝时间；

其中，C1～C3为第一分波包、第二分波包、第三分波包在频域图中的积分面积。

本发明提供的新拌混凝土凝固时间检测装置包括矩形容器、“人”型木托杆、U型槽和钢筋，所述矩形容器开口处的两侧分别安装有一“人”型木托杆，且该“人”型木托杆的底部凹陷处顶住矩形容器的开口处，所述“人”型木托杆的顶部水平放置U型槽，检测时，所述钢筋置于矩形容器内，所述钢筋的两端分别与安装在矩形容器两端的U型槽相接触。

所述钢筋的螺旋处置于矩形容器的容腔内部，首尾折弯处位于矩形容器外部，分别与U型槽相接触。

为了确保声波数据的检测准确性，所述检测装置中除钢筋外，均为非金属材质。

为了方便能够在最小的空间内放入较长的钢筋，保证较长的钢筋埋长，因此将钢筋的中部螺旋化处理，并将钢筋首尾弯折成90°，钢筋的首尾处分别与矩形容器两侧的U型槽接触。

所述“人”型木托杆包括一第一托杆和第二托杆，所述第一托杆和第二托杆之间的夹角为110°，组成“人”字，所述第一托杆顶部与U型槽相接，所述第一托杆的底部与矩形容器相接，所述第二托杆的顶部与第一托杆的中上部相接，所述第二托杆的底部与钢筋的折弯处相接。

所述“人”型木托杆下端分别与矩形容器的侧壁和上沿开口处相连，上端与U型槽相连，矩形容器与“人”型木托杆之间角度分别为15°和54°；具体为，所述矩形容器侧壁与第一托杆之间角度呈15°，所述矩形容器侧壁与第二托杆之间角度呈54°。

两个U型槽在检测时，分别在U型槽内放置接收换能器与激发换能器，利用橡胶具有的一定的压缩性将换能器压紧。

所述钢筋为光圆钢筋。

所述光圆钢筋总长1000mm。

所述光圆钢筋公称直径6mm。

通过上述检测装置检测新拌混凝土的初凝时间的步骤为：

步骤a’)将钢筋的折弯处卡在“人”型木托杆上；

步骤b’)在U型槽内水平放置发射换能器/接收换能器，保证换能器的发射点与接收点与钢筋横截面紧密接触，保证压力恒定；并在U型槽和换能器之间添加耦合剂；

步骤c’)向矩形容器内注入新拌混凝土，同时确保换能器与钢筋紧密接触；

步骤d’)使用发射换能器激发应力波，在超声波检测仪中设置衰减参数，待波形稳定后记录声波时域信号。

与现有技术相比，本发明专利的有益效果是：不需要繁琐的贯入阻力值检测装置和检测手法，只需要将矩形容器中盛满新拌混凝土，后续通过固定住的换能器，只需要将声波检测仪连入计算机就可进行持续测量新拌混凝土凝固情况(声波数据持续输入至计算机进行数据处理，计算机直接得出初凝时间)；原试验检测方法需要将砂浆通过筛网过滤出来，而本实验方法不需要繁琐的这一步，直接在新拌混凝土中检测；因为是对原始的新拌混凝土检测，因此基本实现新拌混凝土的原位测量；实现了早期超声波检测新拌混凝土方法的理论突破，为以后新拌混凝土的智能检测提供前瞻。

附图说明

图1a为新拌混凝土凝固时间检测装置主视图；

图1b为新拌混凝土凝固时间检测装置侧视图；

图1c为新拌混凝土凝固时间检测装置俯视图；

图2为新拌混凝土凝固时间检测装置的钢筋示意图；

图3为新拌混凝土凝固时间检测装置的“人”型木托杆示意图；

图4a为新拌混凝土凝固时间检测装置剖面主视图；

图4b为新拌混凝土凝固时间实验装置剖面俯视图；

图4c为新拌混凝土凝固时间实验装置剖面侧视图；

图5为水灰比为0.51的新拌混凝土在0～270分钟间的声波时域图；

图6为截取图3中前四个波包的局部时域图；

图7为0.51水灰比的新拌混凝土第一组数据的分组波包局部频谱图；

图8为0.51水灰比的新拌混凝土波包频谱积分点线图；

图9为0.51水灰比的新拌混凝土i-t关系图；

图10为0.31水灰比的新拌混凝土i-t关系图；

图11为使用贯入阻力法分别检测0.51和0.31水灰比的新拌混凝土的初凝时间示意图；

其中，1、钢筋；2、U型槽；3、“人”型木托杆；31、第一托杆；32、第二托杆；4、矩形容器。

具体实施方式

下面结合实施例及对比例对本发明作进一步详细、完整地说明。

如图1～图9所示，为本实施例的一种全新的新拌混凝土凝固时间检测方法与配套装置。本发明提供的新拌混凝土凝固时间检测装置结构如图1所示，主要包括木材制作的矩形容器4、一对“人”型木托杆3、一对橡胶制作的矩形的U型槽2、总长1000mm的公称直径6mm的光圆钢筋1；其中，矩形容器4开口处的两侧分别安装有一“人”型木托杆3，且该“人”型木托杆3的底部凹陷处顶住矩形容器4的开口处，“人”型木托杆3的顶部水平放置了U型槽2，为了方便能够在最小的空间内放入较长的钢筋，保证较长的钢筋埋长，因此将钢筋1的中部螺旋化处理，并将钢筋首尾弯折成90°，钢筋1的首尾处分别与矩形容器两侧的U型槽2接触。

“人”型木托杆3包括一第一托杆31和第二托杆32，第一托杆31和第二托杆32之间的夹角为110°，组成“人”字，第一托杆31顶部与U型槽2相接，第一托杆31的底部与矩形容器4相接，第二托杆32的顶部与第一托杆31的中上部相接，第二托杆32的底部与钢筋1的折弯处相接。

“人”型木托杆3可通过520胶水分别与矩形容器4和U型槽2相连，矩形容器4侧面与第一托杆31之间角度呈15°，矩形容器4侧面与第二托杆32之间角度呈54°。

检测时，钢筋1的螺旋处置于矩形容器的容腔内部，首尾折弯处位于矩形容器4外部，分别与U型槽2相接触。

通过上述装置检测新拌混凝土初凝时间的步骤为：

步骤1)将钢筋1的折弯处卡在“人”型木托杆3上；

步骤2)在U型槽内水平放置发射换能器/接收换能器，保证换能器的发射点与接收点与钢筋横截面紧密接触，保证压力恒定；并在U型槽和换能器之间添加耦合剂；

步骤3)向矩形容器4内注入新拌混凝土，同时确保换能器与钢筋紧密接触；

步骤4)使用激发频率为100khz的发射换能器，在超声波检测仪中将衰减参数设置为20，待波形稳定后记录为最终的声波时域信号，每次重复检测三次取平均值；

步骤5)将步骤4)所得时域信息进行降噪、归一化处理，截取局部声波时域图；

步骤6)求步骤5)所得局部声波时域图的频域图，并对频域图的各声波数据求积分面积；

步骤7)通过钢筋导波凝固时间参数

的公式，将步骤6)所得积分面积代入后得i的峰值点，该峰值点即为新拌混凝土的初凝时间。

本实施例中，选取TH204型多功能声波参数测试仪进行数据采集，换能器选用压电换能器激发/接收声波，以测试6mm光圆钢筋螺旋化处理、水灰比为0.31的新拌混凝土为例，具体为：

(1)将混凝土装入木盒的时间定为0分钟，分别在0min、15min、30min、45min、60min、90min、120min、150min、210min、270min，通过发射换能器激发应力波，接收换能器接收声波信号的时域信息；

(2)将步骤(1)得到的时域信息进行降噪、归一化处理，如图5所示，是水灰比为0.51的新拌混凝土在0～270分钟间的声波时域图变化趋势；

(3)通过观察图5可以发现，随混凝土的凝固，钢筋导波波速基本没有变化，但是波包的数量和大小随时间有着比较明显的变化趋势，第一波包归一化目测大小变化不大，但是随着混凝土凝固，钢筋导波开始逐渐向混凝土中扩散，因此第二、三、四波包面积逐渐减小，甚至最后消失，故将图5中第0min、15min、30min的声波信号的前四个分波包，单独截取成新的声波时域图，如图6所示(此处已省略第45min、60min、90min、120min、150min、210min、270min，因其数据处理相同)；

(4)对图6的声波信号进行傅里叶变换，得频域图，图7为0min时所得水灰比为0.51的新拌混凝土声波信号的前四个分波包频域图，可以发现的确每个波包代表了一个完整的内容，具体表现在每个波包的起伏趋势一致；

(5)利用Origin软件通过积分公式

将图7中四个分波包所对应的数据分别求积分，其他时间的声波信号的处理同上述操作步骤(步骤4～5)，在此不做赘述，所得结果如表1和图8所示：

表1

所经时间	第一波包	第二波包	第三波包	第四波包
					0min	0.51497	0.31778	0.20955	0.15052
15min	0.37642	0.23315	0.17714	0.13042
					30min	0.39141	0.22	0.14317	0.10642
45min	0.38445	0.21717	0.13711	0.08394
					60min	0.38473	0.21023	0.11737	0.07491
90min	0.35174	0.14062	0.06541	0.04325
					120min	0.39195	0.13777	0.06896	0.06498
150min	0.36227	0.06377	0.04533	0.06029
					210min	0.62453	0.35828	0.34292	0.43752
270min	0.64639	0.34918	0.33765	0.4274

(6)观察表1，可发现第一波包的积分面积C1处于比较稳定的状态，第二、三、四波包面积有明显减小趋势，并且在150min时数据各个有了极大地变动，且在后续中保持基本稳定的趋势，故在这里不考虑过早消失以至于后面有噪音组成的第四波包。将第一分波包频域图积分面积定义为C1，同理将第二、三分波包频域图积分面积分别命名为C2、C3，定义参数钢筋导波凝固时间参数

各时间所对应结果做i-t关系图，如图9所示。此处不考虑第四波包的面积，其原因是第四波包其实表示了一种数据的异常情况。由图8可见第四波包面积在一个时间点有异常的突然增大，而实际情况是，随着凝固的进程，钢筋导波所扩散在外的能量逐渐增大，从而第四波包只能越来越小。分析原因是由于凝固造成的声波能量扩散越来越多，接收到的声波信号越来越少，从而噪声占得比重就逐渐增大，使得数据的归一化后，噪声影响了最终的频谱图，最终导致了这种非常规的变化。因此也第四波包也可以作为i参数的辅证。

从图9中可以看出，当混凝土加入容器到第150min时，i值达到峰点；重复步骤1～6来处理水灰比为0.31的新拌混凝土，数据处理结果如图10所示，可发现有相同的变化规律，且i的峰值点比水灰比为0.51的新拌混凝土早；故可以预测i的峰值点为初凝时间点。

将本次试验所使用的新拌混凝土，在相同环境下，同时使用贯入阻力法来检测其初凝时间，所得数据如图11所示。由图11可知，当贯入阻力为3.5MPa时，水灰比为0.31的新拌混凝土所经时间为120分钟左右，而水灰比为0.51的新拌混凝土所经时间在150分钟左右，与我们之前所定义的i峰值结论基本重合，可证明本发明提供的方法的可行性。

最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种新拌混凝土凝固时间检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤a)在待测容器一侧激发应力波，将换能器采集的新拌混凝土的时域信息进行降噪、归一化处理，截取局部声波时域图；

步骤b)求步骤a)所得局部声波时域图的频域图，并对频域图的各分波包的声波数据求积分面积C；

步骤c)将步骤b)所得积分面积代入公式

求钢筋导波凝固时间参数i的峰值点，该峰值点即为新拌混凝土的初凝时间；

其中，C1～C3为第一分波包、第二分波包、第三分波包在频域图中的积分面积。

2.一种新拌混凝土凝固时间检测装置，其特征在于，包括矩形容器(4)、“人”型木托杆(3)、U型槽(2)和钢筋(1)，所述矩形容器(4)开口处的两侧分别安装有一“人”型木托杆(3)，所述“人”型木托杆(3)的底部凹陷处顶住矩形容器(4)的开口处，所述“人”型木托杆(3)的顶部水平放置U型槽(2)，检测时，所述钢筋(1)置于矩形容器(4)内，所述钢筋(1)的两端分别与安装在矩形容器(4)两端的U型槽(2)相接触。

3.根据权利要求2所述的新拌混凝土凝固时间检测装置，其特征在于，所述钢筋的螺旋处置于矩形容器(4)的容腔内部，首尾折弯处位于矩形容器(4)外部，分别与U型槽(2)相接触。

4.根据权利要求2所述的新拌混凝土凝固时间检测装置，其特征在于，所述检测装置中除钢筋外，均为非金属材质。

5.根据权利要求2所述的新拌混凝土凝固时间检测装置，其特征在于，所述钢筋(1)的中部螺旋化处理，并将钢筋(1)首尾弯折成90°，所述钢筋(1)的首尾处分别与矩形容器(4)两侧的U型槽(2)接触。

6.根据权利要求2所述的新拌混凝土凝固时间检测装置，其特征在于，所述“人”型木托杆(3)包括一第一托杆(31)和第二托杆(32)，所述第一托杆(31)和第二托杆(32)之间的夹角为110°，组成“人”字，所述第一托杆(31)顶部与U型槽(2)相接，所述第一托杆(31)的底部与矩形容器(4)相接，所述第二托杆(32)的顶部与第一托杆(31)的中上部相接，所述第二托杆(32)的底部与钢筋(1)的折弯处相接。

7.根据权利要求2所述的新拌混凝土凝固时间检测装置，其特征在于，所述“人”型木托杆(3)下端分别与矩形容器(4)的侧壁和上沿开口处相连，上端与U型槽(2)相连，所述矩形容器(4)与“人”型木托杆(3)之间角度分别为15°和54°；具体为，所述矩形容器(4)侧壁与第一托杆(31)之间角度呈15°，所述矩形容器(4)侧壁与第二托杆(32)之间角度呈54°。

8.根据权利要求2所述的新拌混凝土凝固时间检测装置，其特征在于，分别在U型槽(2)内放置接收换能器与激发换能器，利用橡胶具有的一定的压缩性将换能器压紧。

9.根据权利要求2所述的新拌混凝土凝固时间检测装置，其特征在于，通过上述检测装置检测新拌混凝土的初凝时间的步骤为：

步骤a’)将钢筋(1)的折弯处卡在“人”型木托杆(3)上；

步骤b’)在U型槽(2)内水平放置发射换能器/接收换能器，保证换能器的发射点与接收点与钢筋(1)横截面紧密接触，保证压力恒定；并在U型槽(2)和换能器之间添加耦合剂；

步骤c’)向矩形容器(4)内注入新拌混凝土，同时确保换能器与钢筋(1)紧密接触；

步骤d’)使用发射换能器激发应力波，在超声波检测仪中设置衰减参数，待波形稳定后记录声波时域信号。

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