CN203249816U - 基于简支结构的水泥基材料早期弹性模量测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于简支结构的水泥基材料早期弹性模量测量装置。本实用新型包括：等截面空心直管，用于灌注待测水泥基材料；简支支撑装置，用于支撑所述空心直管，形成由待测水泥基材料与空心直管组成的组合简支梁；振动测量装置，包括设置于所述组合简支梁中点处的振动传感器，以及与振动传感器连接的振动信号采集处理装置。本实用新型利用振动传感器持续监测组合简支梁的自振频率，并根据组合简支梁的材料力学特性计算出水泥基材料早期弹性模量。本实用新型可以从水泥基材料入模后且不脱模连续监测不同养护温度下水泥基材料早期弹性模量随龄期变化的过程，且结构简单，成本低廉。

Description

基于简支结构的水泥基材料早期弹性模量测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种水泥基材料力学性能的测试装置，尤其涉及一种基于简支结构的水泥基材料早期弹性模量测量装置。

背景技术

混凝土结构的早期开裂所涉及的问题综合而复杂，涵盖了水泥基材料早期热学、力学及变形性能的方方面面，矿物掺合料和外加剂应用也大大增加了其早期性能的复杂性。国内外研究者对混凝土早期宏观性能进行了大量的试验研究，试图阐明混凝土早期开裂机理、早期性能变化规律和技术参数取值问题。其中早期弹性模量随龄期的发展变化过程是研究人员关心的热点问题之一，测量弹性模量的方法主要有静态法，如拉伸法、压入法、弯曲法等，但是传统的通过荷载变形关系求得弹性模量的方法，至少要在试件浇筑一天拆模后进行，因此通过传统的方法难以测得水泥基材料更早期的弹性模量。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于简支结构的水泥基材料早期弹性模量测量装置，可以实现在从入模到硬化的早期阶段，无损地对水泥基材料的弹性模量随龄期发展进行连续监测，从而为水泥基材料早期力学、变形性能研究及数值仿真分析提供准确的弹性模量参数。

本实用新型具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于简支结构的水泥基材料早期弹性模量测量装置，包括：

等截面空心直管，用于灌注待测水泥基材料；

简支支撑装置，用于支撑所述空心直管，形成由待测水泥基材料与空心直管组成的组合简支梁；

振动测量装置，包括设置于所述组合简支梁中点处的振动传感器，以及与振动传感器连接的振动信号采集处理装置。

优选地，所述测量装置还包括用于调整所述空心直管温度的温度控制装置。

优选地，所述空心直管的截面为圆形或矩形。所述空心管的横截面尺寸小于100mm，长度为600-1000mm。所述空心管的材质为塑料或合金材料。

本实用新型的基于简支结构的水泥基材料早期弹性模量测量方法，首先将拌和好的待测水泥基材料充满并封装于等截面的空心直管中；然后通过空心直管两端的简支支承使该空心直管水平放置，形成由待测水泥基材料与空心直管组成的组合简支梁；通过设置于组合简支梁中点处的振动传感器，持续监测组合简支梁的自振频率；通过下式计算待测水泥基材料在龄期为t时的弹性模量：

$E_c\left(t\right)=[\mathrm{EI}\left(t\right)-E_a{I}_a]\frac{64}{\mathrm{\π}{d}_i^4}$

式中，E_c(t)表示龄期为t时的待测水泥基材料的弹性模量；E_aI_a为空心直管的刚度；d_i为空心直管内径；EI(t)表示龄期为t时组合简支梁的刚度，通过求解以下方程得到：

$\mathrm{EI}\left(t\right)=0.4053\stackrel{\‾}{m}{l}^4{f}^2$

其中，

为单位长度组合简支梁的均布质量；l为组合简支梁的计算长度；f为龄期t时组合简支梁的第一自振频率，龄期t从水泥和水开始拌和算起。

优选地，所述空心直管的刚度E_aI_a通过以下方法得到：通过空心直管两端的简支支承使该空心直管水平放置，形成简支梁；通过设置于所述简支梁中点处的振动传感器，测量简支梁的自振频率；通过下式计算简支梁刚度，即空心直管刚度E_aI_a：

$E_a{I}_a=0.4053\stackrel{\‾}{m_0}{l}^4{f_0}^2,$

式中，为单位长度简支梁的均布质量；l为简支梁的计算长度；f₀为简支梁的第一自振频率。

进一步地，该方法还包括通过调整所述空心直管温度，测量待测水泥基材料在不同养护温度下的早期弹性模量。从而实现对水泥基材料在不同养护温度下的早期力学、变形性能研究及数值仿真分析提供准确的弹性模量参数。

为了便于灌注拌和好的待测水泥基材料，所述空心管可以在一端或两端设置可开合及封闭的盖或塞；也可两端开口，先用封管塞体封闭一端，再将空心管灌满拌和好的待测水泥基材料后，利用封管塞体将另一开口端封闭。

相比现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

一、本实用新型为无损试验方法，测试龄期可以提前到初凝前。由于水泥基材料凝结前还未完全硬化，难以通过拆模进行加载试验获得弹性模量，本实用新型方法不需要拆模，因此可以从装置安装就位后即可以测试，而拌合物浇灌及装置安装整个过程可以在30分钟内完成。

二、本实用新型是一种主动接收信号的监测方法，不需要人为激励，整个监测过程是自动且连续的，同时可以设定养护温度，可以从装置安装完成后即可以连续监测不同养护温度水泥基材料早期弹性模量随龄期变化的过程。

三、本实用新型装置结构简单，成本低廉，测量方法易于实施。

附图说明

图1为具体实施方式中本实用新型水泥基材料早期弹性模量测量装置的结构示意图；图中，1为空心直管，2为简支支撑装置，3为振动传感器，4为数据采集仪，5为计算机，6为工作台，7为封管胶体，8为电源，9为功率调节开关；

图2为简支支撑装置2的结构示意图；

图3为水灰比为0.5、养护温度为25.0℃的水泥净浆弹性模量发展曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明：

本实用新型的思路是将待测水泥基材料与空心直管组成组合简支梁，通过组合简支梁中点处的振动传感器，持续监测组合简支梁的自振频率，然后根据组合简支梁的力学特性求得待测水泥基材料的早期弹性模量。

本实用新型的水泥基材料早期弹性模量测量装置，如图1所示，包括空心直管1、简支支撑装置2、振动传感器3以及与振动传感器3依次连接的数据采集仪4、计算机5。本实用新型测量装置还包括用于调整所述空心直管1温度的温度控制装置，本具体实施方式中采用了一种简易的温度控制装置：空心直管1的管壁外缠绕有加热电阻丝，外层包裹一层保温材料，加热电阻丝通过功率调节开关9与电源8连接，接通电源8后通过调节功率开关9，可以使空心直管1的管壁加热到预定养护温度。本具体实施方式中，空心管1是横截面为圆形的等截面直空心管，两端开口，横截面直径不超过100mm，材质优选塑料（例如聚苯乙烯）或合金材料，长度为600-1000mm。振动传感器3可以采用加速度计或应变计等传感器，数据采集仪4是同传感器3适配的数据采集记录设备。

利用上述装置进行水泥基材料早期弹性模量的测量时，具体按照以下方法：

步骤1、通过简支支撑装置2将空心直管1水平固定于工作台6上，如图1所示，从而形成简支梁结构；本具体实施方式中所使用的简支支撑装置2的结构如图2所示；

步骤2、在空心直管1的中点处安装采集振动信号的传感器3，并与数据采集仪4连接；

步骤3、启动数据采集仪4，通过传感器3持续采集简支梁在周围环境干扰下的振动信号，并由数据采集仪4记录保存；

步骤4、计算机5对数据采集仪4记录的振动信号经时域和频域变换处理得到简支梁的自振频率，并根据第一自振频率通过下式计算简支梁刚度，即空心直管刚度E_aI_a：

$E_a{I}_a=0.4053\stackrel{\‾}{m_0}{l}^4{f_0}^2,$

式中，

为单位长度简支梁（即空心直管1）的均布质量；l为简支梁（即空心直管1）的计算长度，即空心直管1两端的简支支撑装置中心间的距离；f₀为简支梁的第一自振频率；

通过以上步骤1至步骤4可测得空心直管1的刚度E_aI_a，当然，空心直管1的刚度也可通过材料力学方法计算得到。其中，从振动信号中提取自振频率为现有成熟技术，例如采用江苏东华测试技术股份有限公司的DH5922动态信号测试分析系统等现有装置可直接测得。

步骤5、根据试验需要调节功率开关9，将空心管1加热到预定的养护温度；

步骤6、根据试验目的按照配合比拌合水泥拌合物；

步骤7、用封管塞体7将空心管1的一端封闭，将搅拌均匀的水泥拌合物灌入空心直管1中，浇灌同时轻微震荡，排出管内气泡；

步骤8、在水泥拌合物即将灌满时停止，留有约10mm高度不浇灌水泥拌合物，将空心管1另一开口端擦拭干净，使用封管塞体7将水泥拌合物封闭在空心直管1内；

步骤9、通过简支支撑装置2将灌封有水泥拌合物的空心直管1水平固定于工作台6上，如图1所示，从而形成由水泥拌合物和空心直管1组成的组合简支梁结构；

步骤10、在空心直管1的中点处安装采集振动信号的传感器3，并与数据采集仪4连接；

步骤11、启动数据采集仪4，通过传感器3持续采集组合简支梁在周围环境干扰下的振动信号，并由数据采集仪4记录保存；

步骤12、计算机5对数据采集仪4记录的振动信号经时域和频域变换处理得到组合简支梁的自振频率，并根据第一自振频率计算组合简支梁刚度；组合简支梁在龄期为t时的刚度可通过求解以下方程得到：

$\mathrm{EI}\left(t\right)=0.4053\stackrel{\‾}{m}{l}^4{f}^2$

其中，

为单位长度组合简支梁的均布质量；l为组合简支梁的计算长度，即空心直管1两端的简支支撑装置中心间的距离；f为龄期为t时的组合简支梁的第一自振频率，龄期t从水泥和水开始拌和算起；

步骤13、由下式计算不同龄期水泥拌合物弹性模量：

$E_c\left(t\right)=[\mathrm{EI}\left(t\right)-E_a{I}_a]\frac{64}{\mathrm{\π}{d}_i^4}$

式中，E_c(t)表示龄期为t时的待测水泥基材料的弹性模量；E_aI_a为空心直管1的刚度；d_i为空心直管1的内径；EI(t)表示龄期为t时组合简支梁的刚度；

步骤14、由计算结果绘制水泥基材料早期弹性模量发展曲线；

步骤15、采用不同的配合比、掺加不同种类及掺量的外加剂及矿物掺合料的水泥拌合物，重复步骤1～步骤14，得到该养护温度下不同配合比及掺合料水泥基材料弹性模量发展曲线；通过调整不同的养护温度，即可得到不同养护温度下不同配合比及掺合料水泥基材料弹性模量发展曲线。

图3显示了采用本实用新型测量方法得到的水灰比为0.5、养护温度为25.0℃的水泥净浆弹性模量发展曲线。

为了便于公众更进一步理解本实用新型的技术方案，下面给出本实用新型的理论推导过程：

梁横向自由振动微分方程如（1）所示：

$\mathrm{EI}\left(t\right)\frac{{\∂}^{4}y(x,t)}{{\∂x}^4}+\stackrel{\‾}{m}\frac{{\∂}^{2}y(x,t)}{{\∂t}^2}=0---\left(1\right)$

式中，EI(t)为组合梁刚度，是龄期t的函数；y(x,t)为梁的挠度，是关于梁长方向x和龄期t的函数；

为组合梁单位长度质量。

对于（1）式描述的梁横向自由振动微分方程，考虑系统具有与时间无关的振型，即采用分离变量法求解，将梁振动函数分解为空间函数Y(x)与时间函数T(t)的乘积。

故设方程（1）的解为

y(x,t)=Y(x)T(t)     （2）

式中，Y(x)为振型函数，表征整个梁的振动形态；T(t)是时间函数，表征梁上点的振动规律。将式（2）代入方程（1）得

$\mathrm{EI}\left(t\right)\frac{{\∂}^4\left[y\left(x\right)T\left(t\right)\right]}{{\∂x}^4}+\stackrel{\‾}{m}\frac{{\∂}^2\left[Y\left(x\right)T\left(t\right)\right]}{{\∂t}^2}=0$

分离变量得

$\frac{1}{T\left(t\right)}\frac{d^{2}T\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}=-\frac{1}{Y\left(x\right)}\frac{\mathrm{EI}\left(t\right)}{\stackrel{\‾}{m}}\frac{d^{4}Y\left(x\right)}{d{x}^4}$

上式等号左边与t无关，等号右边与x无关，则等式的两边必须等于同一个常数，设该常数为-ω²，令 $a^2=\frac{\mathrm{EI}}{\stackrel{\‾}{m}},$ ${\mathrm{\β}}^4=\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{a^2}$

则得到两个二阶常微分方程

$\frac{d^{2}T\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}+{\mathrm{\ω}}^{2}T=0---\left(3\right)$

$\frac{d^{4}Y\left(x\right)}{{\mathrm{dx}}^4}-{\mathrm{\β}}^{4}Y=0---\left(4\right)$

式（3）、（4）的解分别为

Y(x)=C₁cosβx+C₂sinβx+C₃coshβx+C₄sinhβx    （6）

得梁的主振动为

式中常数C₁,C₂,C₃,C₄及固有频率ω由边界条件确定，常数由初始条件确定。

对于简支梁，两端简支，即竖向位移和弯矩等于零，即

y(x)＝Y(x)T(t)＝0， $M=\mathrm{EI}\left(t\right)T\left(x\right)\frac{d^{2}Y\left(x\right)}{d{x}^2}=0$ （x=0或l）

即

Y(0)=0，Y''(0)=0，

Y(l)=0，Y''(l)=0，

将x=0处的边界条件代入（6）得

C₁=C₃=0

将x=l处的边界条件代入（6）得

C₂sinβl=0

C₄=0

因C₁,C₂,C₃,C₄不全为0，故

C₂≠0，

得

sinβl=0

解得第一阶振型的根为βl=π

由此得简支梁的一阶固有圆频率为

$\mathrm{\ω}={\mathrm{\β}}^{2}a={\left(\mathrm{\βl}\right)}^2\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{\stackrel{\‾}{m}{l}^4}}={\mathrm{\π}}^2\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{\stackrel{\‾}{m}{l}^4}}=\mathrm{\ξ}\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{\stackrel{\‾}{m}{l}^4}}$

式中ξ=π²称为简支梁的第一阶振型系数。

根据上式，得弹性模量的计算公式：

$\mathrm{EI}\left(t\right)=\frac{\stackrel{\‾}{m}{l}^4}{{\mathrm{\ξ}}^2}{\mathrm{\ω}}^2=0.40528\stackrel{\‾}{m}{l}^4{f}^2---\left(8\right)$

又

$\mathrm{EI}\left(t\right)=E_a{I}_a+E_c{I}_c\left(t\right)=E_a{I}_a+E_c\left(t\right)\frac{\mathrm{\π}{d}_i^4}{64}---\left(9\right)$

式中，E_aI_a为空心管刚度；E_cI_c(t)为待测水泥基材料龄期为t时刚度；E_c(t)为水基材料龄期为t时弹性模量；d_i为空心管的内径。

因此，水泥基材料龄期为t时的弹性模量为：

$E_c\left(t\right)=[\mathrm{EI}\left(t\right)-E_a{I}_a]\frac{64}{\mathrm{\π}{d}_i^4}---\left(10\right)$

本实用新型可对现有技术难以测量的水泥基材料早期弹性模量进行精确测定，且装置结构简单，实现成本低，具有很高的实用性。

Claims (4)

1.一种基于简支结构的水泥基材料早期弹性模量测量装置，其特征在于，包括：

等截面空心直管，用于灌注待测水泥基材料；

简支支撑装置，用于支撑所述空心直管，形成由待测水泥基材料与空心直管组成的组合简支梁；

振动测量装置，包括设置于所述组合简支梁中点处的振动传感器，以及与振动传感器连接的振动信号采集处理装置。

2.如权利要求1所述基于简支结构的水泥基材料早期弹性模量测量装置，其特征在于，还包括用于调整所述空心直管温度的温度控制装置。

3.如权利要求1所述基于简支结构的水泥基材料早期弹性模量测量装置，其特征在于，所述空心直管的横截面尺寸小于100mm，长度为600-1000mm。

4.如权利要求1所述基于简支结构的水泥基材料早期弹性模量测量装置，其特征在于，所述空心直管的材质为塑料或合金材料。

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