通过坍落度测试过程预测新拌混凝土流变参数的方法与流程

本发明涉及混凝土参数测量领域，特别涉及一种通过坍落度测试过程预测新拌混凝土流变参数的方法。

背景技术

新拌混凝土的流变参数是判定新拌混凝土工作性能好坏的重要参数。为了更直观更准确地测量新拌混凝土的流变性能和研究新拌混凝土的流动行为，近20年来，各国学者们开发出来了多种不同几何形状、不同配置、不同适用条件的流变仪。

流变仪能较为准确地测量新拌混凝土的流变参数，但是大多不够便携，十分笨重，在施工现场难以展开测试，且流变仪一般成本高、操作复杂，对测试人员要求较高，增加了在工程现场使用流变仪的难度。另一方面，混凝土的流变性能受到配合比、温度、湿度、拌合工艺及时间等诸多因素的影响，若在搅拌站测量后运输到施工现场，新拌混凝土的流变参数会发生变化，对混凝土质量控制带来巨大困难。

坍落度实验是施工现场常用的基础实验，操作简单，装置灵活便携，对外部环境要求不高，对于新拌混凝土工作性的测定是一种较成熟有效的方法，但是，随着外加剂、掺合料的大量使用，简单的坍落度或扩展度测试不能全面反映混凝土工作性能，需要测得混凝土的流变参数才能量化反映新拌混凝土的工作性能。

因此，提供一种成本较低，简易便携，适合在施工现场测量新拌混凝土流变参数的方法具有重大意义。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种通过坍落度测试过程预测新拌混凝土流变参数的方法，主要目的是简化新拌混凝土流变参数测试过程，降低测试成本。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一种通过坍落度测试过程预测新拌混凝土流变参数的方法，包括以下步骤：

(1)将底板放置于水平面上，所述底板上设有同心圆刻度线；

(2)在底板相对的两边，一边固定平行光源平板，另一边固定刻度平板；所述平行光源平板上设有平行点阵光源，所述刻度平板上设有水平刻度线；

(3)组合坍落度筒的两半成一个完整的坍落度筒，放在底板中心，使可拆分的坍落度筒的轴心与底板中心重合；

(4)打开平行点阵光源、第一摄像机以及第二摄像机；

(5)向坍落度筒中灌注新拌混凝土；

(6)将坍落度筒的两半同时向两侧分离，混凝土开始坍落；

(7)第一摄像机和第二摄像机记录下混凝土高度和半径随时间变化的过程，再分帧读取各时刻的坍落高度和半径值；所述第一摄像机固定在平行点阵光源上方，用于拍摄对面刻度平板上的水平刻度线，所述第二摄像机固定在底板圆心正上方，用于拍摄底板上的同心圆刻度线；

(8)将记录的坍落高度、半径进行筛选，取出径向变化速率大于高度变化速率5倍以上的点，并将相应的高度、半径、时间数值别代入和以为横坐标，为纵坐标在直角坐标系中标出相应的散点，将散点拟合成直线，则所得到直线的截距为屈服应力τ0，斜率为塑性粘度μ；其中ρ为密度，g为重力加速度，r为扩展半径，r0为初始半径，h为高度，t为坍落时间，τ0为屈服应力，μ为粘度。

所述新拌混凝土为大流态混凝土，坍落度应至少达到180mm，且坍落过程中不发生离析和骨料堆积现象。

所述第一摄像机和第二摄像机记录坍落高度和半径值的时间间隔应小于0.5s。

所述刻度平板上设有等距水平刻度线，最小刻度值为0，最小刻度线与所述底板在同一水平面上，最大刻度值为30cm，水平刻度线的分度值为1cm。

所述平行光源平板和所述刻度平板均为矩形平板，两块矩形平板长1m，宽0.35m。

所述底板平行于水平面放置，所述平行光源平板中设有水平的平行点阵光源，所述平行点阵光源用于发射水平的可见光与所述底板平行。

所述底板为1*1m的正方形平板，同心圆的中心为正方形平板的中心，所述同心圆的最小半径为100mm，最大半径为500mm，所述同心圆的半径以10mm为等差排列。

所述两块矩形平板垂直于底板设置。

所述平行点阵光源沿着所述平行光源平板的宽度方向排布5列，每列有35个光源等间距布置，在所述第一列平行点阵光源的两侧各分布两列平行点阵光源，相邻平行点阵光源的中心距为20mm。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过采用本发明的方法在保证预测准确度的基础上，不仅简化新拌混凝土流变参数测试过程，且能降低测试成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的坍落测试装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的在竖直平板上读取坍落高度的刻度线示意图；

图3是本发明实施例提供的在底板上读取坍落半径的同心圆刻度线示意图；

图4是图3的局部放大图；

图5是本发明实施例提供的平行点阵光源的分布示意图；

图6是用本方法计算得到的屈服应力值与流变仪测得的屈服应力值对照图；

图7是用本方法计算得到的粘度值与流变仪测得的粘度值对照图。

图中：

1-第一摄像机，2-第二摄像机，3-坍落度筒，4-平行光源平板，5-刻度平板，6-底板，7-混凝土，8-平行点阵光源，9-第一列平行点阵光源。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明提供一种通过坍落度测试过程预测新拌混凝土流变参数的方法，包括以下步骤：

(1)将底板放置于水平面上，所述底板上设有同心圆刻度线；

(2)在底板相对的两边，一边固定平行光源平板，另一边固定刻度平板；所述平行光源平板上设有平行点阵光源，所述刻度平板上设有水平刻度线；

(3)组合坍落度筒的两半成一个完整的坍落度筒，放在底板中心，使可拆分的坍落度筒的轴心与底板中心重合；

(4)打开平行点阵光源、第一摄像机以及第二摄像机；

(5)向坍落度筒中灌注新拌混凝土；

(6)将坍落度筒的两半同时向两侧分离，混凝土开始坍落；

(7)第一摄像机和第二摄像机记录下混凝土高度和半径随时间变化的过程，再分帧读取各时刻的坍落高度和半径值；所述第一摄像机固定在平行点阵光源上方，用于拍摄对面刻度平板上的水平刻度线，所述第二摄像机固定在底板圆心正上方，用于拍摄底板上的同心圆刻度线；

(8)将记录的坍落高度、半径进行筛选，取出径向变化速率大于高度变化速率5倍以上的点，并将相应的高度、半径、时间数值分别代入和以为横坐标，为纵坐标在直角坐标系中标出相应的散点，将散点拟合成直线，则所得到直线的截距为屈服应力τ0，斜率为塑性粘度μ；其中ρ为密度，g为重力加速度，r为扩展半径，r0为初始半径，h为高度，t为坍落时间，τ0为屈服应力，μ为粘度。

优选地，新拌混凝土为大流态混凝土，坍落度应至少达到180mm，且坍落过程中不发生离析和骨料堆积现象。

优选地，第一摄像机和第二摄像机记录坍落高度和半径值的时间间隔应小于0.5s。

参见图1至图5，一种通过坍落度测试过程预测新拌混凝土流变参数的装置，即坍落测试装置，包括坍落度筒3、平行光源平板4、刻度平板5、第一摄像机1、第二摄像机2和底板6；

底板6上设有同心圆刻度线，坍落度筒3设置于底板6中心位置，坍落度筒3的轴心与底板6上同心圆的圆心重合；

平行光源平板4与刻度平板5相对设置在底板6的侧方，平行光源平板4上设有平行点阵光源，刻度平板5上设有水平刻度线；

第一摄像机1固定在平行点阵光源上方，用于拍摄对面刻度平板5上的水平刻度线，第二摄像机2固定在底板6圆心正上方，用于拍摄底板6上的同心圆刻度线；

坍落度筒3能够从中轴面拆分成两部分，两部分组合后成为坍落度筒3，坍落度筒3内用于放置混凝土7。

参见图2，本实施例中，刻度平板2上设有等距水平刻度线，最小刻度值为0，最小刻度线与所述底板在同一水平面上，最大刻度值为30cm，水平刻度线的分度值为1cm。

参见图1，本实施例中，平行光源平板4和刻度平板5均为矩形平板，两块矩形平板长1m，宽0.35m。

本实施例中，底板6平行于水平面放置，平行光源平板4中设有水平的平行点阵光源，所述平行点阵光源用于发射水平的可见光与底板6平行。

参见图3和图4，本实施例中，底板为1*1m的正方形平板，同心圆的中心为正方形平板的中心，所述同心圆的最小半径为100mm，最大半径为500mm，所述同心圆的半径以10mm为等差排列。

参见图1，本实施例中，两块矩形平板垂直于底板6设置。

参见图5，平行点阵光源8沿着平行光源平板4的宽度方向排布5列，每列有35个光源等间距布置，第一列平行点阵光源9的中心轴线与平行光源平板4的轴线重叠，即第一列平行点阵光源9的中心轴线到平行光源平板4一侧的距离a为500mm，在第一列平行点阵光源9的两侧各分布两列平行点阵光源，相邻平行点阵光源8的中心距b为20mm。

下面通过一个具体实施例来说明本发明的测试过程：

实施例1

采用本发明上述的装置测试流变参数的测试过程为：

(1)将正方形底板放置于水平面上；

(2)在正方形底板相对的两边固定竖直矩形平板，竖直矩形平板的长边与正方形底板的边贴合对齐，使之保持与正方形底板垂直；

(3)组合坍落度筒的两半成一个完整的坍落度筒，放在正放形底板中心，使可拆分坍落度筒的轴心与正方形底板中心重合；

(4)打开平行点阵光源、第一摄像机和第二摄像机；

(5)向完整的可拆分坍落度筒中灌注新拌混凝土；

(6)将可拆分坍落度筒的两半同时向两侧分离，混凝土开始坍落；

(7)第一摄像机和第二摄像机记录下混凝土高度和半径随时间变化的过程，再分帧读取各时刻的高度和半径值。

(8)读取各时刻的高度和半径值如下表1。

表1

(9)基于以下的假设，计算流变参数：

高度、半径以及时间与流变参数的关系式的推导基于两个假设：一是新拌混凝土坍落过程是轴对称的，可将问题化简至二维平面上；二是径向剪切速率远大于轴向剪切速率，则混凝土内部剪切速率可视作相邻两层水平面的速度差。压力在径向的梯度变化可以近似为剪切力在轴向的变化梯度，基于下面两式，

其中混凝土内部任一点处的压力由上层混凝土的重力产生，即

p＝ρg(h(r)-z)

材料的流变性能用宾汉姆模型描述：

τ＝τ0+μγ

(1a)(1b)两个式子在z＝0～h(r)范围内积分得到

其中，

因为h(r＝0)＝h,h(r＝r)＝0

故对式(2)积分：

即：

在z＝0平面上，

最终得到计算方程：

将表1中记录的高度、半径进行筛选，取出径向变化速率大于高度变化速率5倍以上的点，并将相应的高度、半径、时间数值分别代入和以为横坐标，为纵坐标在直角坐标系中标出相应的散点，将散点拟合成直线，则所得到直线的截距为屈服应力，斜率为塑性粘度。其中p为压力，ρ为密度，g为重力加速度，r表示径向，z表示轴向，r为扩展半径，r0为初始半径，h为混凝土坍落后高度，h(r)为扩展半径为r时混凝土的高度，t为坍落时间，τ为剪切应力，τ0为屈服应力，μ为粘度，γ为剪切速率。

对比例

取5组不同流变性能的混凝土按实施例1中的描述重复操作，并将同一组新拌混凝土用contec5流变仪进行测试得流变参数，再与本发明的装置测得的流变参数进行对比。

图6为采用本发明的装置计算得到屈服应力值与流变仪测得屈服应力值对照图，其中τ0ca为用本发明的装置计算得到的屈服应力值，τ0ex为流变仪测得的屈服应力值，equation为拟合的线性函数，adj.r-square为数据点与拟合直线间的方差。

图7为采用本发明的装置计算得到粘度值与流变仪测得粘度值对照图，其中μcal为用本发明的装置计算得到的粘度值，μex为流变仪测得的粘度值，equation为拟合的线性函数，adj.r-square为数据点与拟合直线间的方差。

参见图6和图7，横坐标为流变仪测得的结果，纵坐标是本装置测得的结果，直线是拟合的结果，其中屈服应力和粘度的对比结果如下。

经过对比发现，本发明实施例中测得的新拌混凝土流变参数与现有的contec5流变仪测得的数据相比成比例关系，方差较小，其中屈服应力的方差为0.911，粘度的方差为0.983，基本满足准确度要求。以上说明通过本发明的装置在保证预测准确度的基础上，不仅简化新拌混凝土流变参数测试过程，且能降低测试成本。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。