CN1821780A - 混凝土早期毛细管负压自动测试装置 - Google Patents

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CN1821780A CN 200610038805 CN200610038805A CN1821780A CN 1821780 A CN1821780 A CN 1821780A CN 200610038805 CN200610038805 CN 200610038805 CN 200610038805 A CN200610038805 A CN 200610038805A CN 1821780 A CN1821780 A CN 1821780A
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Abstract

本发明涉及一种混凝土早期毛细管负压自动测试装置，由压力传感器、陶瓷头、集气管、管塞、测筒、针头、变送器、A/D转换器及计算机组成，集气管底部安装有陶瓷头，顶部设有管塞，前述陶瓷头表面和内部有微小的孔隙；压力传感器安装在测筒内，安装在测筒前端的针头穿过管塞伸入集气管内；压力传感器测得的数据由变送器送往A/D转换器，经模/数转换后送往计算机进行分析和处理。本发明在热力学和表面物理化学的基础上，从自干燥收缩的定义出发，实现水泥基材料最早期水分消耗规律的定量自动化研究，探究高性能混凝土最早期自干燥收缩的机理，对水泥基材料自干燥收缩“Time－zero”进行科学而地判定。操作简单易行。

Description

混凝土早期毛细管负压自动测试装置
技术领域
本发明混凝土早期毛细管负压自动测试装置，属于水泥基材料早龄期自干燥收缩变形的机理、自干燥收缩零点及毛细管负压测试技术领域。
背景技术
水泥基材料从加水开始到终凝之后几个小时的时间历程里，自干燥收缩发展迅速，临界半径变化较快但仍然较大，表现在相对湿度的下降很小，一般都在98％以上，传统的湿度计无法反映出这种高湿环境下相对湿度的变化。自干燥收缩起始于结构的初始形成，然而，如何描述毛细管网络结构体系的初始形成，也就是水泥浆初始结构形成：即“time-zero”(零点)的确定。从开裂的角度而言，在“time-zero”之前测试的收缩没有力学意义，而在“time-zero”之后测试的收缩则不完全。相关的研究才刚刚开始进行，更未能形成统一的标准，为此很难对不同类型的材料的收缩进行比较，并且也很难将所建立的模型与文献中的试验结果进行对比。
在JCI(日本混凝土协会)的报告里“time-zero”就是初凝；在RILEM TC(国际材料和结构测试与研究试验室联合会)181的报告里“time-zero”定义为：在标准养护温度下，从水泥与水接触开始到混凝土内部结构足以传递拉应力的时间。
国际上已有的“time-zero”的确定方法主要有：
贯入阻力的方法：即测试凝结时间，其本质上是从宏观上测试水泥浆(混凝土)抵抗外力作用的力学性能，譬如ASTM 403的Pin-penetration试验及GB 8076-87的贯入阻力仪试验，测试其贯入阻力达到3.5MPa(相应的抗压强度近似为0)的时间定义为混凝土初凝，其贯入阻力达到28MPa(相应的抗压强度近似为0.75MPa)时的时间定义为混凝土终凝；ASTM C191和GB 1346的针入度试验用来测试水泥净浆的凝结时间。
水化放热曲线测试的方法：传统的水化放热曲线给出了水泥浆的水化动力学特征，以及导致微观结构变化的水化反应，通常初凝对应于从潜伏期向加速期转变之后的某一点，而终凝则在峰值附近的某一点。
电导率测试的方法：近年来，水泥基材料的电导率测试在反映其化学反应、微观结构变化以及传输性质的应用中越来越受到重视。由于其电导率在早期非常敏感，因此也被用来判断“time-zero”。
超声测试(UPV)的方法：塑性阶段的混凝土由于结构松散，超声波尤其是剪切波很难传递，随着凝聚网络结构的开始形成，体系逐渐由悬浮态向凝聚态转变，则可以传递剪切波的时刻对应着混凝土的凝结时间。
约束条件下的应力测试：单轴约束下的温度应力试验机可以测试出早期混凝土内部的温度、应力以及体积变形，在这种方法中定义了两个零应力温度。第一个零应力温度是指混凝土内部开始出现压应力的时刻，即混凝土结构足以传递热膨胀所引起的压应力时刻。第二个零应力温度则对应着由于收缩而引起应力反向的时刻。
力学性能的测试：通过对不同龄期的力学性能的试验结果的数值分析来确定“time-zero”。由于成熟度的概念已经被广泛地用来预测混凝土的力学性能，如ASTM 1074-93基于试验数据回归的经验公式，此时“time-zero”对应于“零成熟度”，即开始产生强度时的成熟度。
比较上述几种试验方法可以看到，相对而言，约束状态下的应力测试方法与本文定义的自干燥收缩有着较为直接的相关性，其它几种方法均依赖于不同的对应关系，不能直接给出“time-zero”的明确定义。但是约束状态下的应力测试方法存在受温度效应、模具的约束、端头的滑移以及泌水等干扰等问题。
发明内容
本发明要解决的就是上述现有技术存在的问题，提供一种可以实现自浇筑成型开始的混凝土早期水分消耗和毛细管负压变化的自动测试装置，实现了对混凝土的早期水分消耗的定量测试以及自干燥收缩零点的更为科学的判定。
本发明基于以下原理：
在等温和没有溶质的条件下，新拌水泥基材料的水势
ψws＝ψms+ψps                               (1)
式中ψws、ψms、ψps分别为新拌水泥基材料的水势、基质势和压力势；
另一方面，在一个充水的张力计中的水势为
ψwD＝ψmD+ψpD                                 (2)
式中ψwD、ψmD、ψpD分别为张力计的水势、基质势和压力势；
当新拌水泥基材料与张力计的多孔陶瓷头相接后，它们的水势趋于平衡，达到平衡时有
ψwD＝ψws                                       (3)
因为非饱和新拌水泥基材料的压力势为0，张力计中无基质，基质势为0，故有
ψpD＝ψms＝VwΔPD                             (4)
式中Vw为水的比容，ΔPD为仪器水分压力与大气压力(参考压力)之差，即真空表的读数。
当充满水且密封的探头插入混凝土时，水膜就与混凝土内部水分连接起来，产生水力上的联系。忽略了重力势、温度势、溶质势后，水泥石(混凝土)中水的基质势便可由仪器所示的压力(差)来量度。刚刚拌合的水泥基材料属于完全饱水材料，处于悬浮态，此时如果忽略重力势、温度势、溶质势后，基质势为零，故反映出来的张力为零。一旦水泥浆内部结构形成，水泥的进一步水化将在较大的孔内部形成弯液面，跨过弯液面的两边产生压力差，水泥石(混凝土)孔隙水的基质势低于仪器里水的压力势，水泥石(混凝土)就透过陶瓷头向仪器吸水，直到平衡为止。密封的仪器中产生真空度或吸力(低于大气参照压力的压力)就是毛细管负压。根据自干燥收缩的定义，毛细管负压的产生对应着凝聚结构的形成以及自干燥收缩的开始，也就是“零点”。因此本发明所采用的“零点”测试方法与其定义直接相关，具有明确的物理意义。
随着胶凝材料的不断水化，逐渐由大孔向小孔消耗水分，负压也不断增大，再根据
Figure A20061003880500052
可以计算出相应的毛细孔半径和内部相对湿度，这就是毛细管负压测试系统原理。
根据上述基本原理，本发明的技术方案如下：
本发明由压力传感器、陶瓷头、集气管、管塞、测筒、针头、变送器、A/D转换器
及计算机组成，集气管底部安装有陶瓷头，顶部设有管塞，前述陶瓷头表面和内部有微小的孔隙；压力传感器安装在测筒内，安装在测筒前端的针头穿过管塞伸入集气管内；压力传感器测得的数据由变送器送往A/D转换器，经模/数转换后送往计算机进行分析和处理。
前述陶瓷头表面和内部的微小孔隙有多个，孔径为0.01μm-0.035μm，平均0.02μm。
本发明在热力学和表面物理化学的基础上，从自干燥收缩的定义出发，实现水泥基材料最早期水分消耗规律的定量自动化研究，探究高性能混凝土最早期自干燥收缩的机理，对水泥基材料自干燥收缩“Time-zero”进行科学而地判定。操作简单易行。
附图说明
图1是本发明的示意图
图2是采用本发明的实施案例1的测试结果
图3是采用本发明的实施案例2的测试结果
具体实施方式
参见图1，本发明由压力传感器1、陶瓷头2、集气管3、管塞4、测筒5、针头6、变送器7、A/D转换器8以及计算机9组成，其中压力传感器采用厚膜传感器。陶瓷头2与由塑料制成的集气管3的底部紧密粘结在一起，工作时塑料集气管3内装满水，顶端塞上橡皮制成的管塞4。压力传感器1装在测筒5内底部，测筒5顶端的针头6穿过橡皮管塞4插入集气管3内。陶瓷头2、塑料集气管3以及管塞4形成了一个探头，而前述探头和测筒5、针头6、压力传感器1一起又构成了一个张力计。压力传感器1的信号通过变送器7传输给A/D转换器8，从A/D转换器输出的信号可以直接送入计算机9，由计算机9内储存的按前述发明原理编制的程序进行分析处理。
陶瓷头2是本发明的感应部件，具有许多微小的孔隙，可以视作一片没有弹性的多孔膜。陶瓷头2被水浸润后，在孔隙中形成一层水膜。当陶瓷头2中的孔隙全部充水后，孔隙中的水就具有张力，这种张力能保证水在一定压力下通过陶瓷头2，但阻止空气通过。当充满水且密封的陶瓷头插入新拌水泥浆(混凝土)时，水膜就与水泥浆(混凝土)内水分连接起来，产生水力上的联系，达到最初的平衡。随着水泥等胶凝材料的进一步水化，一旦水泥浆(混凝土)水分出现不饱和(即自干燥现象开始)，与张力计中的水势不相等时，水便由水势高处通过陶瓷头向水势低处流动，直至水泥浆(混凝土)和张力计中的水势平衡为止。当忽略了重力势、温度势、溶质势后，系统的水势即为压力势和基质势之和，水泥浆(混凝土)的压力势(以大气压力参考)为零，张力计的基质势也为零，水泥浆(混凝土)中水的基质势便可由张力计所示的压力(差)来量度。当干燥的水泥浆(混凝土)的基质势低于张力计里水的压力势，水泥浆(混凝土)就透过陶瓷头2向张力计吸水，直到平衡为止。因为张力计是密封的，张力计中就产生真空度或吸力(低于大气参照压力的压力)。这样张力计内的负压便由传感器测得。厚膜传感器仪器量程为0～100KPa，精度为±1KPa。张力计所显示的压力就是水泥浆(混凝土)的负压，也就是水泥浆(混凝土)的水分的基质势，在数值上是相等的，只是符号相反。
本发明使用前需要开启集气管3的橡皮管塞4，并将集气管倾斜，用塑料瓶徐徐注入无气水(将自来水煮沸20分钟后，放置冷却)，直到加满为止，然后将集气管3直立10--20分钟(不要加管塞)，让水把陶瓷头湿润，并见水从陶瓷头表面滴出。使用前水势探头(陶瓷头)应在无汽水中浸泡3个小时以上。
实施例1
采用本发明，按照上述方法对由“金宁羊”42.5RP·II水泥，水胶比为0.20的水泥浆的测试结果如图2所示。
实施案例2
采用本发明，按照上述方法对由“金宁羊”42.5RP·II水泥，5-20连续级配的玄武岩碎石，细度模数为2.65的天然河砂，水灰比为0.30，砂率为0.40的混凝土的测试结果如图3所示。
由图2、图3可见，采用所发明的装置可以敏感地测试出自加水成型开始水泥浆和混凝土早期毛细管负压的发展变化规律。自加水开始，在水化的初始阶段，即初凝以前毛细管负压的变化很小。也就是至少在放热速率的第一和第二阶段，浆体仍然主要处于悬浮状态，Δp增长速度非常缓慢。随着水化反应的进一步进行，水泥-水悬浮体系中液相的浓度达到一定的极限值，开始生成许多新相的初始晶胚，水泥浆体凝聚结构逐渐形成，其结构强度逐渐开始能够稳定所形成的空孔及弯液面，Δp开始迅速增加，很快达到了85kPa，此时对应的临界半径约为1-2μm。
图2和图3中的数据均由计算机自动采集而得(扣除了初始的静水压力)，同时还示出了相应的采用GB 1346针入度试验方法所测得的水泥浆的凝结时间(同一配比的初凝和终凝以一种线型表示，初凝和终凝以直线的高度区分，相对高的直线表示终凝时间，相对低的直线表示初凝时间，而不同的配比则以直线线型区分。

Claims (5)

1、混凝土早期毛细管负压自动测试装置，其特征在于由压力传感器、陶瓷头、集气管、管塞、测筒、针头、变送器、A/D转换器及计算机组成，集气管底部安装有陶瓷头，顶部设有管塞，前述陶瓷头表面和内部有微小的孔隙；压力传感器安装在测筒内，安装在测筒前端的针头穿过管塞伸入集气管内；压力传感器测得的数据由变送器送往A/D转换器，经模/数转换后送往计算机进行分析和处理。
2、如权利要求1所述的混凝土早期毛细管负压自动测试装置，其特征在于陶瓷头表面和内部的微小孔隙的孔径为0.01μm-0.035μm。
3、如权利要求1所述的混凝土早期毛细管负压自动测试装置，其特征在于陶瓷头表面和内部的微小孔隙的平均孔径为0.02μm。
4、如权利要求1或2或3所述的混凝土早期毛细管负压自动测试装置，其特征在于陶瓷头以粘结的方式安装在集气管底部。
5、如权利要求1或2或3所述的混凝土早期毛细管负压自动测试装置，其特征在于所述的压力传感器为厚膜传感器。
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