专利名称：水泥混凝土结构形成过程原位监测装置及方法
技术领域：
本发明涉及的是水泥水泥混凝土结构形成过程原位监测装置及实验方法，属于水泥混凝 土早期性能测试技术。主要用亍建筑、交通、桥梁、水利、地下T.程等领域的混凝土质量控 制、原材料的优选和配合比参数的优化。
背景技术：
水泥混凝土是世界上最大宗的人造建筑材料，广泛应用于建筑、交通、桥梁、水利、地 下工程等领域。随着全球经济迅速发展，建设规模空前，混凝十.使用量逐年上升，对于经济 高速发展的中国尤为突出，目前我国混凝土的年产量达70亿吨，占世界总产量的45%。用混 凝土建造的基建工程在整个国民经济中不仅占有极大的比例而且发挥着极其重要的作用。根 据统计，世界上的财富大部分由建筑物及构筑物组成。资料表明，美国全部财富的70%由市政 设施、楼宇建筑、基建工程组成。在我国基建工程也是国家的主要财富。我国嫦娥一号的全 部研制费用仅仅是2公里地铁的建设费。由于混凝土是基建工程的主体，因此国家总财富中 混凝土占有相当大的部分。然而，由于现代混凝土组分复杂，胶凝材料用量大，并且掺加了 大量的工业废渣和外加剂，早期易开裂，导致长期力学强度和耐久性下降。我国近年来混凝 土结构的过早失效频频发生，这不仅导致了国家财富的无端大量流失，而且造成了资源与能 源的极大浪费，更严重的是造成了大量的人员伤亡。
水泥混凝土早期结构形成过程进行速度的快慢及程度的人小直接决定着水化产物的数量 以及微结构的密实程度，最终将影响水泥混凝土结构的物理力学性能、变形行为和长期耐久 性能，监测水泥混凝土早期的结构形成过程，可以用来监控水泥混凝土的质量，保障水泥混 凝土的长期服役性能，同时也可用来优选原材料、优化配合比参数和科学指导施工。因此研 发水泥混凝土早期结构形成过程的监测装置具有十分重要的T.程价值，应用前景十分广阔。
国内外对水泥混凝土早期(自加水后开始)的结构形成过程的研究较少，综合已有的文献 资料不难发现，目前应用广泛且有代表性的方法主要有差热分析、X射线分析、扫描电镜分析 等，不难发现这些方法需要取样和中止水化。因此，属破损、间断和非原位的方法，且主要 针对于较为成熟的具有一定强度的水泥混凝土(3天后)，而对于超早期(自加水开始-3天)的 结构形成过程研究非常缺乏。因此，研制水泥混凝七早期结构形成过程的监测装置和建立相 应的实验方法具有重要的应用价值，对T水泥混凝十质量监控也提供了科学的实验仪器，前 景十分广阔。
发明内容
技术问题本发明的目的在于提供一种水泥混凝土结构形成过程原位监测装置及方法， 实现不同温度条件下水泥混凝土早期结构形成过程的快速与准确测试。技术方案针对现有水泥混凝土早期结构形成过程监测技术中存在的不足和缺陷，利用 超声波技术，通过油浴加热方式，首先设计加I:出一种隔声性能好、传热速度快的泡沫铝制 成的倒梯形试验仓，并将其嵌入可调温的油浴槽中；然后通过弹簧式夹持仪使超声仪的压电 传感器与试样仓中的水泥混凝土浆体直接紧密相连，实现不同温度条件下水泥混凝土早期结 构形成过程的快速与准确测试。
本发明的水泥混凝土结构形成过程原位监测装置包括电磁搅拌装置、试样仓、油浴槽、 超声仪和超声夹持器；电磁搅拌装置处于底部，其上放置油浴槽，油浴槽内部嵌入试样仓； 超声仪包括压电传感器、A/D转换器和主机，压电传感器有两个，分别位于试样仓的两侧，通 过超声夹持器与试样仓中的水泥混凝土试样直接相连。
电磁搅拌装置的温度在20-35(TC范围内调节，转子转速在0-1500转/分范围内调节。试 样仓是由隔声性能好、传热速度快的泡沫铝制成的倒梯形槽。超声夹持仪包括支架和可折叠 型夹持环。
监测方法为首先在油浴槽中加满耐热油，然后将油浴槽(3)放在电磁搅拌装置上面，并 将电磁搅拌装置中的磁性搅拌于和温度传感器放入油浴槽中，打开电磁搅拌装置的电源、设 置温度和搅拌子转速，加热耐热油直至达到设置温度，迅速将新拌水泥混凝土浆体放入试样 仓中，然后将装有浆体的试样仓嵌入加满耐热油的油浴槽中，最后通过超声夹持器夹住超声 仪的两个压电传感器，使之与试样仓中的水泥浆体直接紧密接触，并S动记录水泥混凝十.浆 体结构形成过程中的声学参数的变化曲线；连续自动原位监测水泥混凝十.在不同温度条件下 的结构形成全过程。
有益效果与国内外同类技术相比，该项成果具有以下特色-
1、 可以连续、自动、原位监测水泥混凝土自加水开始的结构形成全过程
本发明通过弹簧式夹持仪夹住超声仪的两个压电传感器，使之与试样仓中的水泥浆体直 接紧密接触，整个监测过程传感器和试样不移动，保证原位测试；利用计算机采集，实现连 续、自动记录水泥混凝土衆体结构形成过程中的声学参数的变化曲线。
2、 可以研究温度对水泥混凝土结构形成过程的影响规律
目前的超声波法仅能研究温度在20-40'C条件下水泥混凝十.结构形成过程，无法实现高 温条件下的结构形成过程研究。本发明利用材料学知识，首先设计了一种隔声性能好、传热 速度快的泡沫铝，并将其精加i:制成倒梯形试验仓；然后通过油浴加热方式，将试验仓紧密 嵌入可调温的油浴槽中，实现温度在20'C-350'C可调。
3、 可以保证压电传感器与水泥浆体直接紧密接触，测试结果准确
目前，己有的实验方法在超声波测试时传感器与水泥混凝土浆体间隔了垫片(钢或有机玻 璃)，不能保证传感器与水泥混凝土直接紧密接触，特别是随着水泥混凝土的凝结硬化，体积 发生收縮传感器与试样之间接触变差，造成测量值出现明显误差。本发明专门设计和制作了 弹簧式夹持仪，用其夹住超声仪的两个压电传感器，使之与水泥浆体直接紧密接触，可以保 证整个测试过程传感器和试样间的压力保持恒定。
综合运用超声波技术、采用油浴加热方式和新型泡沫铝材料，制备出混凝土结构形成过 程原位监测装置，国内外尚无此类产品，技术经济效益明显。
图1混凝土结构形成过程原位监测装置示意图。图2超声仪示意图。 图3夹持仪示意图
图4采用本发明装置实施的案例1的具体结果。 图5釆用本发明装置实施的案例2的具体结果。 图6采用本发明装置实施的案例3的具体结果。 图7采用本发明装置实施的案例4的具体结果。 图8采用本发明装置实施的案例5的具体结果。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作迸一步说明
本发明涉及的水泥混凝十.结构形成过程原位监测装置是由电磁搅拌装置、试样仓、油浴 槽、超声仪和超声夹持仪组成；电磁搅拌装置处于底部，其上放置油浴槽，油浴槽内部嵌入 试样仓，超声仪通过超声夹持仪与试样仓中的水泥混凝土试样直接相连。实验时首先在油浴 槽中加满耐热油，然后将油浴槽放在电磁搅拌装置上面，并将电磁搅拌装置中的磁性搅拌子 和温度传感器放入油浴槽中，打开电磁搅拌装置的电源、设置温度和搅拌子转速，加热耐热 油直至达到设置温度，迅速将新拌水泥混凝土浆体放入试样仓中，然后将装有浆体的试样仓 嵌入加满耐热油的油浴槽中，最后通过超声夹持仪夹住超声仪的两个压电传感器，使之与试 样仓中的水泥浆体直接紧密接触，并自动记录水泥混凝土浆体结构形成过程中的声学参数的 变化曲线。
进行水泥混凝土结构形成过程监测实验时，首先在油浴槽中加满耐热油，然后将油浴槽 放在电磁搅拌装置上面，并将电磁搅拌装置中的磁性搅拌子和温度传感器放入油浴槽中，打 开电磁搅拌装置的电源、设置温度和搅拌子转速，加热耐热油莨至达到设置温度，迅速将新 拌水泥混凝土浆体放入试样仓中，然后将装有浆体的试样仓嵌入加满耐热油的油浴槽中，最 后通过超声夹持仪夹住超声仪的两个压电传感器，使之与试样仓中的水泥浆体直接紧密接触， 并自动记录水泥混凝土浆体结构形成过程中的声学参数的变化曲线。
实施例1:
采用P.II42.5硅酸盐水泥，固含量30%的聚羧酸高效减水剂，自来水。配合比(g):水 泥-戰水-208，外加剂-32. 5
首先在油浴槽中加满耐热油，然后将油浴槽放在电磁搅拌装置上面，并将电磁搅拌装置 中的磁性搅拌子和温度传感器放入油浴槽中，打开电磁搅拌装置的电源、设置温度和搅拌子 转速，加热耐热油直至达到90'C;按上述配比，采用强制搅拌机拌匀后，将新拌水泥混凝十. 迅速放入试样仓中，然后将装有浆体的试样仓嵌入加满耐热油的油浴槽中，最后通过超声夹 持仪夹住超声仪的两个压电传感器，使之与试样仓中的水泥浆体直接紧密接触，并自动记录 水泥混凝土浆体结构形成过程中的声学参数的变化曲线，如图4所示。
实施例2:
采用P. 1142. 5硅酸盐水泥，固含量30%的聚羧酸高效减水剂，I级粉煤灰，埃肯硅灰， S95磨细矿渣，自来水。配合比(g):水泥-650,硅灰-130，粉煤灰-130，矿渣-390，水_208，外加剂-32. 5
按上述配比，采用强制搅拌机拌匀后，将新拌混凝土浇到为内模为哑铃型的首先在油浴 槽中加满耐热油，然后将油浴槽放在电磁搅拌装置上面，并将电磁搅拌装置中的磁性搅拌子 和温度传感器放入油浴槽中，打开电磁搅拌装置的电源、设置温度和搅拌子转速，加热耐热 油直至达到90。C;按上述配比，釆用强制搅拌机拌匀后，将新拌水泥混凝土迅速放入试样仓 中，然后将装有浆体的试样仓嵌入加满耐热油的油浴槽中，最后通过超声夹持仪夹住超声仪 的两个压电传感器，使之与试样仓中的水泥衆体直接紧密接触，并自动记录水泥混凝土浆体 结构形成过程中的声学参数的变化曲线，如图5所示。
实验3:
采用P. 1142. 5硅酸盐水泥，固含量30%的聚羧酸高效减水剂，I级粉煤灰，埃肯硅灰， S95磨细矿渣，自来水。配合比(g):水泥-325，硅灰-65，粉煤灰-65，矿渣-195,砂-650， 水-104,外加剂-16.3
按上述配比，采用强制搅拌机拌匀后，将新拌混凝十.浇到为内模为哑铃型的首先在油浴槽中 加满耐热油，然后将油浴槽放在电磁搅拌装置上面，并将电磁搅拌装置中的磁性搅拌子和温 度传感器放入油浴槽中，打开电磁搅拌装置的电源、设置温度和搅拌子转速，加热耐热油直 至达到90'C;按上述配比，采用强制搅拌机拌匀后，将新拌水泥混凝土迅速放入试样仓中， 然后将装有浆体的试样仓嵌入加满耐热油的油浴槽中，最后通过超声夹持仪夹住超声仪的两 个压电传感器，使之与试样仓中的水泥浆体直接紧密接触，并Q动记录水泥混凝十.浆体结构 形成过程中的声学参数的变化曲线，如图6所示。
实施例4:
采用P. 1142. 5硅酸盐水泥，固含量30%的聚羧酸高效减水剂，I级粉煤灰，埃肯硅灰， S95磨细矿渣，自来水。配合比(g):水泥-217,硅灰-43，粉煤灰-43,矿渣-130，砂-433， 石-433，水-70，外加剂-16. 3
按上述配比，采用强制搅拌机拌匀后，将新拌混凝土浇到为内模为哑铃型的首先在油浴 槽中加满耐热油，然后将油浴槽放在电磁搅拌装置上面，并将电磁搅拌装置中的磁性搅拌子 和温度传感器放入油浴槽中，打开电磁搅拌装置的电源、设置温度和搅拌子转速，加热耐热 油直至达到9(TC;按上述配比，采用强制搅拌机拌匀后，将新拌水泥混凝土迅速放入试样仓 中，然后将装有浆体的试样仓嵌入加满耐热油的油浴槽中，最后通过超声夹持仪夹住超声仪 的两个压电传感器，使之与试样仓中的水泥浆体直接紧密接触，并自动记录水泥混凝土浆体 结构形成过程中的声学参数的变化曲线，如图7所示。
实施例5:
采用P.II42.5硅酸盐水泥，固含量30%的聚羧酸高效减水剂，I级粉煤灰，埃肯硅灰， S95磨细矿渣，长径比75、长度13mm的平直钢纤维，自来水。配合比(g):水泥-217,硅灰 -43，粉煤灰-43,矿渣-130，砂-433，石-433，钢纤维-147，水-70，外加剂-16. 3
按上述配比，采用强制搅拌机拌匀后，将新拌混凝土浇到为内模为哑铃型的首先在油浴 槽中加满耐热油，然后将油浴槽放在电磁搅拌装置上面，并将电磁搅拌装置中的磁性搅拌子 和温度传感器放入油浴槽中，打开电磁搅拌装置的电源、设置温度和搅拌子转速，加热耐热油直至达到90。C;按上述配比，采用强制搅拌机拌匀后，将新拌水泥混凝土迅速放入试样仓 中，然后将装有浆体的试样仓嵌入加满耐热油的油浴槽中，最后通过超声夹持仪夹住超声仪 的两个压电传感器，使之与试样仓中的水泥浆体直接紧密接触，并自动记录水泥混凝土浆体 结构形成过程中的声学参数的变化曲线，如图8所示。
实施例6:
釆用P.II42.5硅酸盐水泥，固含量30%的聚羧酸高效减水剂，自来水。配合比(g):水 泥-函,水-208，外加剂-32. 5
首先在油浴槽中加满耐热油，然后将油浴槽放在电磁搅拌装置上面，并将电磁搅拌装置 中的磁性搅拌子和温度传感器放入油浴槽中，打开电磁搅拌装置的电源、设置温度和搅拌子 转速，加热耐热油直至达到2(TC;按上述配比，采用强制搅拌机拌匀后，将新拌水泥混凝土 迅速放入试样仓中，然后将装有浆体的试样仓嵌入加满耐热油的油浴槽中，最后通过超声夹 持仪夹住超声仪的两个压电传感器，使之与试样仓中的水泥浆体直接紧密接触，并自动记录 水泥混凝土浆体结构形成过程中的声学参数的变化曲线。
权利要求
1、一种水泥混凝土结构形成过程原位监测装置，其特征在于该装置包括电磁搅拌装置(1)、试样仓(2)、油浴槽(3)、超声仪(4)和超声夹持器(5)；电磁搅拌装置(1)处于底部，其上放置油浴槽(3)，油浴槽(3)内部嵌入试样仓(2)；超声仪(4)包括压电传感器(6)、A/D转换器(7)和主机(8)，压电传感器(6)有两个，分别位于试样仓(2)的两侧，通过超声夹持器(5)与试样仓(2)中的水泥混凝土试样直接相连。
2、 根据权利要求1所述的水泥混凝土结构形成过程原位监测装置，其特征在于的电磁搅 拌装置(l)的温度在20-350'C范围内调节，转子转速在0-1500转/分范围内调节。
3、 根据权利要求1所述的水泥混凝土结构形成过程原位监测装置，其特征在于试样仓(2) 是由隔声性能好、传热速度快的泡沫铝制成的倒梯形槽。
4、 根据权利要求1所述的水泥混凝土结构形成过程原位监测装置，其特征在于超声夹持 仪(5)包括支架(9)和可折叠型夹持环(10)。
5、 一种如权利要求1所述的水泥混凝土结构形成过程原位监测装置的监测方法，其特征 在于，首先在油浴槽(3)中加满耐热油，然后将油浴槽(3)放在电磁搅拌装置(1)上面，并将电磁 搅拌装置(l)中的磁性搅拌子和温度传感器放入油浴槽中，打开电磁搅拌装置(l)的电源、设置 温度和搅拌子转速，加热耐热油直至达到设置温度，迅速将新拌水泥混凝土浆体放入试样仓(2) 中，然后将装有浆体的试样仓(2)嵌入加满耐热油的油浴槽(3)中，最后通过超声夹持器(5)夹 住超声仪(4)的两个压电传感器，使之与试样仓(2)中的水泥浆体直接紧密接触，并自动记录水 泥混凝土浆体结构形成过程中的声学参数的变化曲线；连续自动原位监测水泥混凝土在不同 温度条件下的结构形成全过程。
全文摘要
水泥混凝土结构形成过程原位监测装置及方法主要用于建筑、交通、桥梁、水利、地下工程等领域的混凝土质量控制、原材料的优选和配合比参数的优化；该装置由电磁搅拌装置(1)、试样仓(2)、油浴槽(3)、超声仪(4)和超声夹持仪(5)组成；实验时首先在油浴槽(3)中加满耐热油，然后将油浴槽(3)放在电磁搅拌装置(1)上面，并将电磁搅拌装置(1)中的磁性搅拌子和温度传感器放入油浴槽中，将新拌水泥混凝土浆体放入试样仓(2)中，然后将装有浆体的试样仓(2)嵌入加满耐热油的油浴槽(3)中，最后通过超声夹持仪(5)夹住超声仪(4)的两个压电传感器，使之与试样仓(2)中的水泥混凝土浆体直接紧密接触，并自动记录水泥混凝土浆体结构形成过程中的声学参数的变化曲线。
文档编号G01N29/34GK101526505SQ20091002845
公开日2009年9月9日 申请日期2009年1月20日 优先权日2009年1月20日
发明者伟 佘, 孙国文, 张云升, 张文华 申请人:东南大学