CN113607768A - 实现低场核磁共振实时观测水泥基材料水化过程的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种实现低场核磁共振实时观测水泥基材料水化过程的装置，属于水泥基材研究技术领域。该装置包括陶瓷螺旋管、导热管、内部隔热层、支撑环、外部隔热层、散热层、循环加热系统、循环冷却系统，陶瓷螺旋管外部敷设内部隔热层，内部隔热层通过支撑环连接外部隔热层，导热管缠绕在陶瓷螺旋管上，外部隔热层的外部覆盖散热层，外部隔热层上设置外部隔热层测温光纤，陶瓷螺纹管上设置陶瓷管测温光纤，陶瓷螺纹管开口一端的隔热层不封闭，预留盖子的通道。该装置结构简单、成本低、可拆卸、可重复应用、操作难度小，可在不改造或更换设备的条件下，实现了实时观测不同温度下水泥基材料的水化特性，降低试验成本。
Description
技术领域
本发明涉及水泥基材研究技术领域，特别是指一种实现低场核磁共振实时观测水泥基材料水化过程的装置。
背景技术
水泥是目前最常用的工程材料之一，广泛应用于土木工程、矿业工程及隧道工程等领域中，因此其性质优劣直接关系到工程的结构安全与服役寿命。以水泥为基础，发展形成了多种多样的功能材料，可统称为水泥基材料，如混凝土、胶结充填体、各类胶凝材料等。水泥基材料主要通过与水发生水化反应，从而逐步凝结硬化，产生强度，因此，水化过程直接影响水泥基材料最终的性质，水泥基材料的水化特性研究一直是建筑材料领域的研究热点与难点。
水泥基材料水化的关键步骤之一是水的状态变化，包括水的位置与存在状态的变化，因此目前主要通过追踪水的变化来对水泥基材料进行研究。低场核磁共振的主要工作原理是通过观测水中氢原子状态变化，实现对水的状态及位置的观测，同时可得到物体的孔隙度，具有观测迅速、精度高、操作简单等特点，因此低场核磁共振设备在研究水泥基水化方面具有独一无二的优势，近些年得到了广泛的应用，取得了丰富的研究成果。
水泥基材料的水化是个复杂的过程，与多种因素有关，其中温度是影响水化的关键因素之一，因此温度对水泥基材料水化的影响是目前的研究重点与难点。由于试验复杂性和条件的限制，目前进行温度对水泥基材料水化影响研究时，首先将水泥基材料在不同温度下进行水化，水化一定时间后，再对此时的水泥基材料的水化状态进行研究，虽然可一定程度上获得温度对水化的影响，但由于中间水化过程的缺失，仍无法有效揭示温度对水泥基材料水化的影响机理，且由于需要挪动样品，导致样品温度发生较大变化，影响实验结果。因此，亟需研发一种可实现不同温度下水泥基材料水化的实时观测装置与方法，解决现有技术困难。
现阶段，虽然低场核磁共振设备在观测水化方面具有独特的优势，但由于其易受干扰，对受测物体内成分、温度变化等非常敏感，目前已成功研发了高温高压核磁共振设备，但不适合现有设备，需购买带有专门加持头的核磁共振设备，导致设备成本急剧升高，且现有的高温高压核磁共振设备并不适合研究水泥基材料的水化研究，需改造设备。
发明内容
本发明为解决现有低场核磁共振设备无法实时观测不同温度下水泥基材料的水化过程，且设备改造技术复杂、成本高等问题，提供一种实现低场核磁共振实时观测水泥基材料水化过程的装置。
该装置包括陶瓷螺旋管、导热管、内部隔热层、支撑环、外部隔热层、散热层、循环加热系统、循环冷却系统，陶瓷螺纹管为有内部空腔且外部带有螺纹的圆柱形容器，陶瓷螺旋管外部敷设内部隔热层，内部隔热层通过支撑环连接外部隔热层，导热管缠绕在陶瓷螺旋管上，外部隔热层的外部覆盖散热层，外部隔热层上设置外部隔热层测温光纤，循环加热系统包括进液口和出液口，进液口和出液口分别连接导热管的两个开口，循环冷却系统包括出水口和进水口，出水口和进水口分别连接散热层管道的两个开口，陶瓷螺纹管上设置陶瓷管测温光纤，陶瓷螺纹管开口一端的隔热层不封闭，预留盖子的通道。
其中，陶瓷螺旋管用于盛放水泥基材料，材料在内部空腔中进行反应；陶瓷螺旋管一端开口，一端封闭；螺纹牙距6～10mm，牙高3～5mm；内部空腔直径30～40mm，壁厚2～3mm，长度不超过50～60mm；盖子采用保温隔热材料制作；在陶瓷螺旋管底部安装陶瓷管测温光纤。
导热管缠绕在陶瓷螺旋管上，导热管采用柔性耐高温材料制成，导热管外径3～5mm，内径2～4mm，壁厚1～3mm。
内部隔热层敷设在陶瓷螺旋管表面，内部隔热层采用柔性非金属隔热材料制成，厚度2～3mm。
支撑环包括内圆和外圆，内圆和外圆通过腹板连接，内圆套在内部隔热层外侧，外圆与外部隔热层接触，内圆内径与缠绕了内部隔热层的陶瓷螺旋管直径相同，外圆外径45～50mm，内圆和外圆之间通过3～5条腹板连接；支撑环宽度5～10mm。
外部隔热层包裹在支撑环外部，外部隔热层采用柔性或硬质隔热材料制成，为空心圆柱形，一端封闭，一端开放，厚度3～5mm，外部隔热层长60mm～70mm。
该装置的使用方法包括步骤如下：
S1：将导热管沿陶瓷螺旋管外部螺旋进行缠绕，缠绕过程中，采用耐高温胶水进行粘结固定牢固，确保导热管高度不超过螺旋牙高，将导热管两个开口从陶瓷螺旋管封闭端引出；
S2：缠绕固定好导热管后，采用耐高温胶水将柔性保温隔热材料粘结在陶瓷螺旋管外围，陶瓷螺旋管封闭端一侧预留导热管和陶瓷管测温光纤通道；陶瓷螺旋管开口端一侧隔热层不封闭，保留盖盖子的通道；
S3：沿陶瓷螺旋管长度方向，将支撑环内圆套在内部隔热层外，通过在内圆与内部隔热层之间涂抹胶水或填塞隔热材料使支撑环位置固定；沿长度方向等间距布置3～5个支撑环；
S4：将制作好的空心圆柱形外部隔热层由陶瓷螺旋管封闭端套入；套好外部隔热层后，在外部隔热层外部布置外部隔热层测温光纤，外部隔热层测温光纤在陶瓷螺旋管长度的中间位置上方；
S5：将导热管引出的其中一个开口作为进液口与循环加热系统的泵送出口连接，将加热管另一个开口作为出液口与循环加热系统的回液口连接，保证连接紧密；连接后，将导热介质放入加热部件，将陶瓷螺旋管盖子盖好，开始加热，控制加热温度；根据实验需求，加热至既定温度，保持2～5分钟，开启循环泵送系统，将导热介质送入导热管；循环加热过程中，通过陶瓷管测温光纤实时监测陶瓷螺旋管内部的温度；
S6：当陶瓷管测温光纤显示温度达到试验要求后，保持不变，打开陶瓷螺旋管的盖子，将待测试的水泥基材料放入陶瓷螺旋管中，然后盖好盖子，采用与外部隔热层相同的材料，将开放端封堵密实；迅速将空心圆柱形散热层由外部隔热层开放端套入；套入后放入核磁共振设备中，放入时，外部隔热层测温光纤位于正上方，所有的测温线、管路从核磁共振监测口引出；
S7：将散热层引出的管道口之一作为进水口与循环冷却系统的泵送系统连接，另一口作为出水口与回流口连接；试验过程中，通过外部隔热层测温光纤实时观测温度变化，当外部隔热层处的温度达到40°时，开启循环冷却系统开关，将冷却水或冷风送入散热层，形成散热回路，散热层与加热系统的循环方向相反；试验过程中，通过核磁共振设备记录T2弛豫时间演化规律、各类型水分含量、孔隙率及细观结构图像；
S8：试验结束后，首先停止加热，当外部隔热层测温光纤温度小于40℃后，通过循环冷却系统将散热层内的制冷介质排放干净后，两者分离；然后将导热介质排净，分离导热管和循环加热系统；将实验装置从核磁共振设备中取出，继续通过陶瓷螺旋管测温光纤监测温度变化，当温度达到40℃以下后，将外部隔热层开放端打开，取下陶瓷螺旋管盖子，取出水泥基材料，进行下一轮试验。
S6中套入放入过程在1～2分钟内完成，且温度变化在±5℃之间，核磁共振提前开启，根据试验要求设置好参数。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，在现有低场核磁共振设备的基础上，结合设备技术原理及结构特点，克服了目前该设备的不足，具有结构简单、成本低、可拆卸、可重复应用、操作难度小等优点，可在不改造或更换设备的条件下，实现了实时观测不同温度下水泥基材料的水化特性，降低试验成本。
附图说明
图1为本发明的实现低场核磁共振实时观测水泥基材料水化过程的装置组装示意图；
图2为图1中A-A剖面示意图；
图3为图1中B-B剖面示意图；
图4为本发明中陶瓷螺旋管示意图；
图5为本发明中的支撑环结构示意图；
图6为图5中C-C剖面示意图。
其中：1-外部隔热层测温光纤；2-外部隔热层；3-出水口；4-进液口；5陶瓷管测温光纤；6-出液口；7-进水口；8-支撑环；9-导热管；10-陶瓷螺旋管；11-螺纹；12-内部隔热层；13-散热层；14-盖子；15-内部空腔；16-腹板；17-内圆；18-外圆。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种实现低场核磁共振实时观测水泥基材料水化过程的装置。
如图1、图2和图3所示，该装置包括陶瓷螺旋管10、导热管9、内部隔热层12、支撑环8、外部隔热层2、散热层13、循环加热系统和循环冷却系统，陶瓷螺纹管10为有内部空腔15且外部带有螺纹11的圆柱形容器，陶瓷螺旋管10外部敷设内部隔热层12，内部隔热层12通过支撑环8连接外部隔热层2，导热管9缠绕在陶瓷螺旋管10上，外部隔热层2的外部覆盖散热层13，外部隔热层2上设置外部隔热层测温光纤1，循环加热系统包括进液口4和出液口6，进液口4和出液口6分别连接导热管9的两个开口，循环冷却系统包括出水口3和进水口7，出水口3和进水口7分别连接散热层13管道的两个开口，陶瓷螺纹管10上设置陶瓷管测温光纤5，陶瓷螺纹管10开口一端的隔热层不封闭，预留盖子14的通道。
如图4所示，陶瓷螺旋管10用于盛放水泥基材料，材料在内部空腔15中进行反应；在实际设计中，陶瓷螺旋管10采用普通陶瓷制作，其内部中空，外部带有螺旋纹路，为圆柱形容器；且陶瓷螺旋管10一端开口，一端封闭；螺纹11牙距6～10mm，牙高3～5mm；内部空腔15直径30～40mm，壁厚2～3mm，长度不超过50～60mm；根据陶瓷螺旋管尺寸制作相应大小的盖子，盖子14采用保温隔热材料制作；在陶瓷螺旋管底部安装陶瓷管测温光纤5，监测线通过底部打孔引出。
导热管9缠绕在陶瓷螺旋管10上，将热量传递给陶瓷螺旋管，使之升温；导热管9采用柔性耐高温材料制成，如聚四氟乙烯或聚醚醚酮，导热管9外径3～5mm，内径2～4mm，壁厚1～3mm。
内部隔热层12敷设在陶瓷螺旋管10表面，内部隔热层12采用柔性非金属隔热材料制成，如气凝胶材料、隔热保温喷涂层材料等，厚度2～3mm。
如图5和图6所示，支撑环8包括内圆17和外圆18，内圆17和外圆18通过腹板16连接，内圆17套在内部隔热层12外侧，外圆18与外部隔热层2接触，外圆采用耐热非金属材料(如聚苯硫醚、工业化液晶聚合物、聚砜类塑料、聚四氟乙烯或聚醚醚酮等)制作，内圆17内径与缠绕了内部隔热层的陶瓷螺旋管10直径相同，外圆18外径45～50mm，内圆17和外圆18之间通过3～5条腹板16连接；支撑环8宽度5～10mm。
外部隔热层2包裹在支撑环8外部，形成保温隔热层，防止热量向外溢出，外部隔热层2采用柔性或硬质隔热材料制成，为空心圆柱形，一端封闭，一端开放，厚度3～5mm，外部隔热层2长60mm～70mm。外部隔热层中间部分布置光纤测温传感器。
散热层13覆盖在外部隔热层2外围，将溢出外部隔热层的多余热量，通过水循环或空气循环的方式带走。散热层13采用耐高温材料制成，空心圆柱形，一端封闭，一端开放，边壁为连通空心，厚度3～5mm，长70～100mm，在开放段预留进口和出口。
循环加热系统包括加热部件、循环泵送部件及温控部件，功能是将导热介质加热到并保持一定温度，然后通过泵送系统与导热管连接，形成循环加热系统。导热介质采用导热油或水。
循环冷却系统包括循环泵送部件、制冷部件及温控部件，功能是将溢出外部隔热层的热量带出，防止热量过多影响核磁共振探头。冷却介质采用水或风。
该装置在实际应用中，其使用方法包括步骤如下：
S1：将导热管9沿陶瓷螺旋管10外部螺旋11进行缠绕，缠绕过程中，采用耐高温胶水进行粘结固定牢固，确保导热管9高度不超过螺旋牙高，将导热管9两个开口从陶瓷螺旋管10封闭端引出；导热管长度根据实际情况确定；
S2：缠绕固定好导热管9后，采用耐高温胶水将柔性保温隔热材料粘结在陶瓷螺旋管10外围，陶瓷螺旋管10封闭端一侧预留导热管9和陶瓷管测温光纤5通道；陶瓷螺旋管10开口端一侧隔热层不封闭，保留盖盖子14的通道；
S3：沿陶瓷螺旋管10长度方向，将支撑环8内圆套在内部隔热层12外，通过在内圆17与内部隔热层12之间涂抹胶水或填塞隔热材料使支撑环8位置固定；沿长度方向等间距布置3～5个支撑环；
S4：将制作好的空心圆柱形外部隔热层2由陶瓷螺旋管10封闭端套入；套入前，根据导热管两端开口和光纤测温传感器导线位置，在外部隔热层封闭端一侧预留出相应通道。套好外部隔热层2后，在外部隔热层2外部布置外部隔热层测温光纤1，外部隔热层测温光纤1在陶瓷螺旋管10长度的中间位置上方；
S5：将导热管9引出的其中一个开口作为进液口4与循环加热系统的泵送出口连接，将加热管9另一个开口作为出液口6与循环加热系统的回液口连接，保证连接紧密；连接后，将导热介质放入加热部件，将陶瓷螺旋管盖子盖好，开始加热，控制加热温度；根据实验需求，加热至既定温度，保持2～5分钟，开启循环泵送系统，将导热介质送入导热管9；循环加热过程中，通过陶瓷管测温光纤5实时监测陶瓷螺旋管内部的温度；
S6：当陶瓷管测温光纤5显示温度达到试验要求后，保持不变，打开陶瓷螺旋管的盖子14，将待测试的水泥基材料放入陶瓷螺旋管10中，然后盖好盖子14，采用与外部隔热层2相同的材料，将开放端封堵密实；迅速将空心圆柱形散热层13由外部隔热层开放端套入；套入后放入核磁共振设备中，放入时，外部隔热层测温光纤1位于正上方，所有的测温线、管路从核磁共振监测口引出；
S7：将散热层13引出的管道口之一作为进水口7与循环冷却系统的泵送系统连接，另一口作为出水口3与回流口连接；试验过程中，通过外部隔热层测温光纤1实时观测温度变化，当外部隔热层2处的温度达到40°时，开启循环冷却系统开关，将冷却水或冷风送入散热层13，形成散热回路，散热层与加热系统的循环方向相反；试验过程中，通过核磁共振设备记录T2弛豫时间演化规律、各类型水分含量、孔隙率及细观结构图像；
S8：试验结束后，首先停止加热，当外部隔热层测温光纤1温度小于40℃后，通过循环冷却系统将散热层内的制冷介质排放干净后，两者分离；然后将导热介质排净，分离导热管9和循环加热系统；将实验装置从核磁共振设备中取出，继续通过陶瓷螺旋管测温光纤5监测温度变化，当温度达到40℃以下后，将外部隔热层2开放端打开，取下陶瓷螺旋管盖子，取出水泥基材料，进行下一轮试验。
上述S6中套入放入过程在1～2分钟内完成，且温度变化在±5℃之间，核磁共振提前开启，根据试验要求设置好参数。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种实现低场核磁共振实时观测水泥基材料水化过程的装置，其特征在于：包括陶瓷螺旋管(10)、导热管(9)、内部隔热层(12)、支撑环(8)、外部隔热层(2)、散热层(13)、循环加热系统和循环冷却系统，陶瓷螺纹管(10)为有内部空腔(15)且外部带有螺纹(11)的圆柱形容器，陶瓷螺旋管(10)外部敷设内部隔热层(12)，内部隔热层(12)通过支撑环(8)连接外部隔热层(2)，导热管(9)缠绕在陶瓷螺旋管(10)上，外部隔热层(2)的外部覆盖散热层(13)，外部隔热层(2)上设置外部隔热层测温光纤(1)，循环加热系统包括进液口(4)和出液口(6)，进液口(4)和出液口(6)分别连接导热管(9)的两个开口，循环冷却系统包括出水口(3)和进水口(7)，出水口(3)和进水口(7)分别连接散热层(13)管道的两个开口，陶瓷螺纹管(10)上设置陶瓷管测温光纤(5)，陶瓷螺纹管(10)开口一端的隔热层不封闭，预留盖子(14)的通道。
2.根据权利要求1所述的实现低场核磁共振实时观测水泥基材料水化过程的装置，其特征在于：所述陶瓷螺旋管(10)用于盛放水泥基材料，材料在内部空腔(15)中进行反应；陶瓷螺旋管(10)一端开口，一端封闭；螺纹(11)牙距6～10mm，牙高3～5mm；内部空腔(15)直径30～40mm，壁厚2～3mm，长度不超过50～60mm；盖子(14)采用保温隔热材料制作；在陶瓷螺旋管底部安装陶瓷管测温光纤(5)。
3.根据权利要求1所述的实现低场核磁共振实时观测水泥基材料水化过程的装置，其特征在于：所述导热管(9)缠绕在陶瓷螺旋管(10)上，导热管(9)采用柔性耐高温材料制成，导热管(9)外径3～5mm，内径2～4mm，壁厚1～3mm。
4.根据权利要求1所述的实现低场核磁共振实时观测水泥基材料水化过程的装置，其特征在于：所述内部隔热层(12)敷设在陶瓷螺旋管(10)表面，内部隔热层(12)采用柔性非金属隔热材料制成，厚度2～3mm。
5.根据权利要求1所述的实现低场核磁共振实时观测水泥基材料水化过程的装置，其特征在于：所述支撑环(8)包括内圆(17)和外圆(18)，内圆(17)和外圆(18)通过腹板(16)连接，内圆(17)套在内部隔热层(12)外侧，外圆(18)与外部隔热层(2)接触，内圆(17)内径与缠绕了内部隔热层的陶瓷螺旋管(10)直径相同，外圆(18)外径45～50mm，内圆(17)和外圆(18)之间通过3～5条腹板(16)连接；支撑环(8)宽度5～10mm。
6.根据权利要求1所述的实现低场核磁共振实时观测水泥基材料水化过程的装置，其特征在于：所述外部隔热层(2)包裹在支撑环(8)外部，外部隔热层(2)采用柔性或硬质隔热材料制成，为空心圆柱形，一端封闭，一端开放，厚度3～5mm，外部隔热层(2)长60mm～70mm。
7.根据权利要求1所述的实现低场核磁共振实时观测水泥基材料水化过程的装置，其特征在于：该装置的使用方法包括步骤如下：
S1：将导热管(9)沿陶瓷螺旋管(10)外部螺旋(11)进行缠绕，缠绕过程中，采用耐高温胶水进行粘结固定牢固，确保导热管(9)高度不超过螺旋牙高，将导热管(9)两个开口从陶瓷螺旋管(10)封闭端引出；
S2：缠绕固定好导热管(9)后，采用耐高温胶水将柔性保温隔热材料粘结在陶瓷螺旋管(10)外围，陶瓷螺旋管(10)封闭端一侧预留导热管(9)和陶瓷管测温光纤(5)通道；陶瓷螺旋管(10)开口端一侧隔热层不封闭，保留盖盖子(14)的通道；
S3：沿陶瓷螺旋管(10)长度方向，将支撑环(8)内圆套在内部隔热层(12)外，通过在内圆(17)与内部隔热层(12)之间涂抹胶水或填塞隔热材料使支撑环(8)位置固定；沿长度方向等间距布置3～5个支撑环；
S4：将制作好的空心圆柱形外部隔热层(2)由陶瓷螺旋管(10)封闭端套入；套好外部隔热层(2)后，在外部隔热层(2)外部布置外部隔热层测温光纤(1)，外部隔热层测温光纤(1)在陶瓷螺旋管(10)长度的中间位置上方；
S5：将导热管(9)引出的其中一个开口作为进液口(4)与循环加热系统的泵送出口连接，将加热管(9)另一个开口作为出液口(6)与循环加热系统的回液口连接，保证连接紧密；连接后，将导热介质放入加热部件，将陶瓷螺旋管盖子盖好，开始加热，控制加热温度；根据实验需求，加热至既定温度，保持2～5分钟，开启循环泵送系统，将导热介质送入导热管(9)；循环加热过程中，通过陶瓷管测温光纤(5)实时监测陶瓷螺旋管内部的温度；
S6：当陶瓷管测温光纤(5)显示温度达到试验要求后，保持不变，打开陶瓷螺旋管的盖子(14)，将待测试的水泥基材料放入陶瓷螺旋管(10)中，然后盖好盖子(14)，采用与外部隔热层(2)相同的材料，将开放端封堵密实；迅速将空心圆柱形散热层(13)由外部隔热层开放端套入；套入后放入核磁共振设备中，放入时，外部隔热层测温光纤(1)位于正上方，所有的测温线、管路从核磁共振监测口引出；
S7：将散热层(13)引出的管道口之一作为进水口(7)与循环冷却系统的泵送系统连接，另一口作为出水口(3)与回流口连接；试验过程中，通过外部隔热层测温光纤(1)实时观测温度变化，当外部隔热层(2)处的温度达到40°时，开启循环冷却系统开关，将冷却水或冷风送入散热层(13)，形成散热回路，散热层与加热系统的循环方向相反；试验过程中，通过核磁共振设备记录T2弛豫时间演化规律、各类型水分含量、孔隙率及细观结构图像；
S8：试验结束后，首先停止加热，当外部隔热层测温光纤(1)温度小于40℃后，通过循环冷却系统将散热层内的制冷介质排放干净后，两者分离；然后将导热介质排净，分离导热管(9)和循环加热系统；将实验装置从核磁共振设备中取出，继续通过陶瓷螺旋管测温光纤(5)监测温度变化，当温度达到40℃以下后，将外部隔热层(2)开放端打开，取下陶瓷螺旋管盖子，取出水泥基材料，进行下一轮试验。
8.根据权利要求7所述的实现低场核磁共振实时观测水泥基材料水化过程的装置，其特征在于：所述S6中套入放入过程在1～2分钟内完成，且温度变化在±5℃之间，核磁共振提前开启，根据试验要求设置好参数。
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