CN201955318U - 一种高精度早期混凝土导温和导热系数同时测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型装置公开了一种早期混凝土导温和导热系数同时测量装置，包括试模，电源、电压表以及温度巡检仪，在所述的试模内设置一根加热探针和三根不锈金属杆，所述的电源通过导线与加热探针连接形成回路，在该回路上还连接有一电流表，在三根不锈金属杆上分别设置一热敏电阻，该热敏电阻与高精度温度巡检仪连接；所述的加热探针由空心不锈金属管和通过结晶氧化镁粉层固定在该金属管内的电阻丝组成。本实用新型装置结构简单，拆卸方便，所需材料及仪器少，测量精度高，不仅适用于科研，而且适用于施工现场对早期混凝土导热系数、导温系数的测定。

Description

一种高精度早期混凝土导温和导热系数同时测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种同时测定早期混凝土导热系数、导温系数的装置，属于混凝土建筑领域。

背景技术

土木工程领域中，对混凝土结构的热传导进行分析是非常重要的。混凝土在硬化过程中所释放的水化热，或者在其内部产生某种程度的温度梯度，都有可能导致混凝土结构发生开裂现象。为了能够准确的预测混凝土在这些因素作用下的开裂趋势，并能够及时的预防混凝土开裂现象的发生，就必须系统的研究混凝土的导热系数、导温系数以及比热，尤其是在混凝土的早龄期阶段，更应深入的研究这些热学参数随龄期变化的规律。

目前测量材料的导热系数、导温系数及比热的方法主要分为稳态方法和瞬态方法两大类。

稳态方法是最早使用的方法，它的普遍特点是操作人员在已知样品的壁厚上建立温度梯度，并控制从一边传递到另一边的热量。最常用的热流是一维的，如热流法或热板法。采用热流法测量材料导热系数请参见2000年9月20日公告的中国专利第93115076.0号揭露的一种测量材料导热系数的方法及装置。所述专利揭露的方法及装置使用方便，测量成本低。但是，对于液体或气体物质来说，明显的温度改变会形成对流传热，违背了稳态法的根本出发点，因此，该方法不适用于测定液体，气态物质的导热系数。由于早期混凝土处于半液体状态，因此该方法不适用于测定早期混凝土的导热系数，且一次测量不能同时测得导温系数。

瞬态方法如热线法（Hot Wire method），用于测量高导热系数材料和/或在高温条件下测量。热线法又分为单线法、平行线法、热线比较法、和探针法四种。其中单线法和探针法的原理基本上一致，只是测试的装置不同。其原理是直线（即热线）附近物质（热电偶）的温升与其导热系数有关，导热系数                                                

可用下式表达：

（1）

其中，

为单位长度热线发热量W/m；、

为测量时刻，可事先确定；

、

为

、

时刻对应的温升。但是，单线法、热线比较法和探针法在测量中只能确定材料的导热系数，而不能同时确定导温系数。

《耐火材料导热系数试验方法》GB/T 17106—1997中提出了采用平行线法测定耐火材料的导热系数，该方法虽然能够同时测定材料的导热系数和导温系数，但是该标准中提出的装置并不适用于测定早期混凝土的导热系数和导温系数。

2000年6月28日公告的中国专利第99214843.X号揭露的一种无机非金属材料的热导率测试装置也是采用热线法测试材料的导热系数。

所述热线法测试装置测量精度高，操作简便。但是，该装置不适用于测定半液体状态材料的导热系数，且不能同时测定导温系数。因此，不适用于同时测定早期混凝土导热系数、导温系数。

2009年5月27日公告的中国专利CN200820185222.5介绍了早期混凝土导温导热系数测量装置。此装置可以同时测量早期混凝土导温和导热系数，但由于混凝土的不均匀性，其测量结果只能代表热探针和热敏电阻温度计之间的混合材料的导温和导热系数，并不能精确代表混凝土的导温和导热系数。

热线法应用广泛，可用于对液体物质导热系数的测定，但是热线法直接对热线通电加热，对于自身能导电的液态物质，为保证通过的电能完全转变成热能，必须对热线做绝缘处理，另外，热线法中为保证测定的准确度要求热线在测定过程中不得变形弯曲，同时对热线加热功率和温度的测量精度要求较高，这些因素增加了热线法的应用难度。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题时针对上述现有技术的不足，而提供一种测定早期混凝土导热系数、导温系数的试验装置，该装置自行组装简单，操作方便，试验所需仪器较少，一次测量能够同时测定导热系数和导温系数。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：一种早期混凝土导热系数、导温系数的测试装置，包括试模，电源、电压表以及温度巡检仪，在所述的试模内设置一根加热探针和三根不锈金属杆，所述的电源通过导线与加热探针连接形成回路，在该回路上还连接有一电流表，在不锈金属管上设置有一热敏电阻，该热敏电阻与温度巡检仪连接，所述的电压表连接在加热探针的两端测量加热探针两端之间的电压值。

所述的加热探针由空心不锈金属管和通过结晶氧化镁粉层固定在该金属管内的电阻丝组成。

在所述的试模的两端板中心处设置一小孔，所述的加热探针穿过此小孔，在热探针周围0度、180度和270度方向等距设置3个小孔，3根不锈钢金属杆分别由其中穿过，探针和不锈金属杆均采用氰基丙烯酸脂粘合剂固定在小孔中。

所述的热敏电阻通过氰基丙烯酸脂粘合剂固定在不锈钢管中部。

本试验装置根据平行热线法原理制成，因此一次测量能同时测定早期混凝土的导热系数和导温系数。加热探针选用有效长度与直径比大于100的空心不锈钢管，内部的加热丝采用有效长度与直径比大于150的电阻丝，因此完全可把加热探针当作理想线热源。加热探针内部的电阻丝表面的绝缘处理采用环氧树脂导热胶，环氧树脂导热胶的优点在于较高的导热性能，因此能够快速的把热线产生的热量散发出去。另外，环氧树脂导热胶固化快且与热线表面的粘结强度高。电阻丝与空心钢管之间的空隙采用结晶氧化镁粉填充密实。结晶氧化镁粉的优点在于导热性能好并且绝缘，因此，能够保证加热探针内部的电阻丝与空心不锈钢管的内壁保持绝缘。为保证热线加热功率的稳定，故采用高精度的直流稳压电源，同时采用精度为1/1000的电流表对流经热线的电流进行测定，保证热线加热功率计算的准确性。温度测量中采用的温度传感器为Pt100,1/3B级热敏电阻。热敏电阻在测温领域中应用广泛，具有高稳定性、精密、小尺寸以及温度响应速度快且不需要冷端补偿等优点。测量中结合高精度的温度巡检仪，分辨能力达到了0.01℃，保证了测试过程中所测温度的精度。

同现有技术相比较，本实用新型具有如下优点：1、适用于硬化和早期混凝土导热系数和导温系数的测定，结果准确；2、测试过程中温升小、时间短，测定的导热系数和导温系数可认为是指定温度下的导热系数和导温系数；3、测量所需仪器少；4、自行组装测量装置方便、快速、简单。

附图说明

图1为本实用新型测试装置的结构示意图。

图2是图1的A-A剖面图。

图3为加热探针的结构示意图。

图4为本实用新型测试方法的迭代流程图

图5为本实用新型测试方法下导热系数随龄期增长的变化图。

图6为本实用新型测试方法下导温系数随龄期增长的变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型装置作进一步描述：

如图1、图2所示，可拆式钢试模1的尺寸为150mm×150mm×300mm，在两端板中心处钻取1个小孔，小孔的直径和加热探针2和不锈钢管3的直径相一致，热探针2在两孔之中固定。在孔的周围0度、180度和270度方向分别钻取3个小孔，小孔的直径和加热探针2和不锈钢金属杆3的直径相一致，三小孔距离中心孔距离相等，均为22.5mm。加热探针2和不锈钢金属杆3穿过试模的小孔，并采用氰基丙烯酸脂粘合剂进行固定。电源4通过导线7与加热探针2连接形成回路，在该回路上还连接有一电流表5，在3个不锈金属杆3上分别设置有一热敏电阻8，热敏电阻8通过氰基丙烯酸脂粘合剂固定在不锈钢管3中部，热敏电阻8与高精度温度巡检仪6连接，测量时，在热探针2两端点连接一个电压表，测量热探针上下测点之间的电压值。加热探针2由空心不锈金属管21和通过结晶氧化镁粉层23固定在该金属管21内的电阻丝22组成。

加热探针2的制作方法是，预先将电阻丝拉直并处于绷紧的状态，然后将环氧树脂导热胶均匀的涂在电阻丝的表面，待其完全固化后，将不锈钢空心钢管套入电阻丝，并把结晶氧化镁粉填充进电阻丝和空心管的空隙中，直到填满为止。然后再利用环氧树脂导热胶将探针的两个端头进行密封，以防止结晶氧化镁粉发生渗漏现象。最后，准确测量加热探针的有效加热长度。在钢试模1内分别设置一根加热探针2和三根不锈金属管3，并且互相平行设置。加热探针2和不锈钢管3穿过钢试模端板上的两个小孔，并通过氰基丙烯酸脂粘合剂固定在钢试模1内。将PT100热敏电阻8通过氰基丙烯酸脂粘合剂固定在不锈金属管3的中部。

将待测的新拌混凝土装入钢试模1后，利用铝箔纸将装置的上表面密封，以防止水份的散失，然后把整个测试装置放入温度稳定的养护室内。待混凝土内部的温度与室内温度达到平衡后即可开始进行测量。接通直流稳压电源4对加热探针2进行加热，同时开始记录温度及对应的时间。测量过程中，每隔15秒钟利用温度巡检仪6记录一次热敏电阻8的温度，直至450秒时停止，并读取电流表6的电流值

。

假设在

时刻，距加热探针2距离为r处所测得的温差为

；在时刻，距加热探针2距离为r处所测得的温差为，则、

可由下式确定：

	（2）
			（3）

由式（2）和（3）可得：

（4）

式中，

是混凝土的导热系数，是混凝土的导温系数，

是一个指数积分，可近似的用如下形式的级数确定：

令，则有

（5）

式中，为欧拉常数（=0.5772156649）。

公式（4）可简化为：

（6）

根据式（6）可知，若求得比值

，就可以确定

的值。由于式（6）中和是隐函数，无法直接求解出

值，因此必须利用级数展开式，通过具体的数值计算求出。只要计算出

的值，便可得出

的值，由此确定混凝土的导热系数和导温系数。具体的计算公式如下：

	（7）
			（8）

其中

（9）

式（7）中，

—导热系数，单位W/(m·℃)；

—加热探针（2）每单位长度的发热功率，单位W/m；

式（8）中，

—导温系数，单位；

—加热探针2距热敏电阻8的距离，单位m；

式（9）中，

—为电源4的加热电流，单位A；

—为热探针2上两测点间的电压，单位V；

—为热探针2上两测点间的距离，单位m；

其中

的算法流程框图见图3：

第一步：输入参数、、

、

、

、

；

第二步：计算

值；

第三步：判断，当时，

,当

时，

；

第四步,迭代：令

,赋值

，求

；当

时，停止迭代，输出

，

第五步：根据公式（5）、（7）和（8）计算各传感器处混凝土导温导热系数，最后计算其平均值，即为混凝土导温导热系数。

具体测定方法是：结合本装置，对水灰比为0.3的混凝土材料进行了导热系数和导温系数的测定，混凝土拌合物配合比详见表1。测定按以下步骤进行，

1、将拌合的混凝土装入试模1中，然后把整个装置放入温度稳定的养护室内进行养护。同时，在试模上表面利用铝箔纸进行密封处理，以避免环境湿度对早期混凝土导热系数和导温系数的测量结果产生影响；

2、待混凝土试件内部的温度与环境温度达到平衡时，即可进行测量。温度达到平衡时的判断依据是，在10分钟内混凝土内部的温度波动不大于0.05℃；

3、接通高精度直流稳压电源4，同时利用高精度温度巡检仪6开始记录温度及对应的时间；

4、一次测量过程中，高精度温度巡检仪同时测量三个热敏电阻的温度，200ms/通道，每隔15秒钟记录一次三通道（三个温度传感器）的温度值，直至450秒时停止，并读取电流表5的电流值；

5、利用自编程序（见图4流程图）根据步骤4记录的时间和对应的温度值，计算混凝土在该龄期的导热系数和导温系数；

6、表2给出了该混凝土在龄期为2.5小时，一次测量所得到的导热系数和导温系数；

7、图5、图6分别给出了该混凝土在龄期180小时内导热系数和导温系数的发展变化图。

试验数据

初始温度：

=20.45℃

平行线距离：

=0.02m

热线电流：

3.501A

热线电压：

=11.217

热线单位长度发热功率：

表1   试验所用混凝土拌合物的具体用量

水泥	粉煤灰	磨细矿渣	减水剂	水	石	砂
							420	40	40	7.5	155	1100	650

混凝土强度等级为C50，水泥是P.O52.5水泥，粉煤灰为Ⅱ级，磨细矿渣为S95；外加剂是JM-Ⅷ缓凝、泵送型高效减水剂，占胶凝材料的1.5%；石子粒径范围在5-31.5之间，砂的细度模数2.7。

Claims (4)

1.一种早期混凝土导温和导热系数同时测量装置，其特征在于：包括试模（1），电源（4）、电压表以及温度巡检仪（6），在所述的试模（1）内设置一根加热探针（2）和三根不锈钢金属杆（3），所述的电源（4）通过导线（7）与加热探针（2）连接形成回路，在该回路上还连接有一电流表（5），在三根不锈金属杆（3）上分别设置有热敏电阻（8），该热敏电阻（8）与所述的温度巡检仪（6）连接，所述的电压表连接在加热探针（2）的两端测量加热探针（2）两端之间的电压值。

2.根据权利要求1所述的早期混凝土导温和导热系数同时测量装置，其特征在于：所述的加热探针（2）由空心不锈金属管（21）和通过结晶氧化镁粉层（23）固定在该金属管（21）内的电阻丝（22）组成。

3.根据权利要求1所述的早期混凝土导温和导热系数同时测量装置，其特征在于：在所述的试模（1）的两端板上设置有小孔，所述的加热探针（2）和不锈钢管（3）分别穿过钢试模（1）端板上的小孔，并采用氰基丙烯酸脂粘合剂进行固定。

4.根据权利要求1所述的早期混凝土导温和导热系数同时测量装置，其特征在于：所述的热敏电阻（8）通过氰基丙烯酸脂粘合剂固定在不锈钢管（3）中部。

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