水泥基材料在热养护过程中的变形动态测试装置及方法与流程

本发明涉及水泥基材料在热养护过程中的变形动态测试装置及方法，属于土木工程材料测试技术领域。

背景技术：

在我国大力发展高铁建设事业的大背景下，以促进模具周转而加快施工进度为目标的，如轨枕、轨道板以及预应力简支箱梁等以蒸汽养护混凝土为代表的预制构件，通过其快速化、批量化的生产，大大推动了高铁建设事业的进程。然而，尽管在蒸汽养护混凝土配合比设计不断完善，胶凝材料配伍的选取改进、蒸汽养护制度持续优化以及掺入各种高性能外加剂的条件下，新拌混凝土在经历了蒸汽养护的过程后，仍然出现了肿胀变形并随之带来了热脆化与孔结构粗化等热伤损病害，这些病害往往对预制构件及其混凝土结构的力学与耐久性能造成了潜在的巨大的威胁。对此，人们对蒸汽养护混凝土提出了抑制肿胀变形的要求，并希望能借助多种手段以修复这些病害，从而使得这些预制构件达到最佳的使用性能。因此，研究混凝土在蒸汽养护过程中的变形特征是我国高铁建设事业中一个重要的部分。

当前，关于混凝土体积变形的研究主要包括常温下混凝土的干缩、自收缩、化学收缩以及特定(高温)温度下混凝土先膨胀再收缩特征，主要以接触式和非接触式两种方法来实现，然而这些研究的对象主要以凝结硬化后的混凝土为主，鲜有专门介绍混凝土在蒸汽养护过程中，即由常温向高温转变过程中的混凝土变形特征测试装置及方法。少数学者通过在蒸养箱外架设磁性支座并搭接千分表的方式研究蒸汽养护过程中混凝土的变形特征，但这并不能排除由蒸养箱交流继电器开关引起的振动和人为读数所造成的误差，同时，蒸汽上升对千分表本身读数也会产生影响并存在锈蚀千分表的可能，因此，采取传统接触式的测试方法对混凝土在蒸汽养护过程中变形特征进行研究有着明显的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单，设计合理、使用方便的水泥基材料在热养护过程中的变形动态测试装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述水泥基材料在热养护过程中的变形动态测试装置，包括可控式水浴加热系统、由试验模具和反射靶组成的设计模具系统，由数据采集仪、电涡流传感器和外架组成的变形测量系统以及安装在计算机中的优化数据采集与分析处理程序组成的水泥基材料变形测试系统。

作为优选，所述可控式水浴加热系统形状为长方体，箱体采用双层保温结构，材质为304不锈钢，可控式水浴加热系统内的加热液体采用自来水，控温范围为20～100℃，控温精度为±2℃，升温速率可控在0～20℃/h；长方体内预留有数个试模槽。

作为优选，数个所述试验模具与试模槽配合安装后，加热液体液面将上升至试验模具侧壁顶面。

作为优选，所述试验模具和反射靶的材质为殷钢，其热膨胀系数为1.5×10^-6/℃，弹性模量为145gpa。

作为优选，试验模具底板和侧壁厚度为5mm左右，底板长度和宽度分别为530mm和100mm左右，短侧壁垂直焊接在底板短边，其高度为100mm左右，长侧壁焊接在底板长边并向外侧倾斜，其坡度和铅直高度分别为2.5％和100mm左右，长侧壁顶端间距为105mm左右，水泥基材料在试验模具中浇筑并振捣；

作为优选，反射靶底座和反射面厚度为5mm左右，底座为边长50mm左右的正方形，反射面垂直焊接在底座边长中心线上，其高度和宽度分别为160mm和30mm左右，底座背面贴有一块厚度为2.5～3.5mm的等面积聚四氟乙烯泡沫板。

作为优选，所述的水泥基材料包括水泥净浆、水泥砂浆及水泥混凝土。

作为优选，所述的变形测量系统中外架为铝合金框架，其梁、柱截面为边长30mm左右的正方形，其横跨可控式水浴加热系统并通过螺栓固定在地面，具有数根主梁且分别对应数个试模槽，每根主梁两端下部焊接了长60mm左右的短柱，短柱下部预留了孔径为10mm左右的孔；电涡流传感器朝试验模具短边方向穿过主梁下部短柱的预留孔，通过短柱前后两个螺母调节其位置，并与数据采集仪相连接；数据采集仪为全自动数据采集系统，其具有三组共六通道，可连接六个电涡流传感器，采集频率为每分钟一次。

作为优选，所述的计算机通过编译的分析处理程序对数据采集仪采集的数据进行实时解析，可设定水泥基材料随温度变化对应的温度应变值，并实时反馈水泥基材料的变形特征。

所述水泥基材料在热养护过程中的变形动态测试方法主要包括以下步骤：

01、安装可控式水浴加热系统并设置好试验参数：加入适量的自来水，打开电源开关，水浴温度设置为20℃，升温速率设置为0℃/h；

02、安装设计模具系统，将待测水泥基材料在试验模具内浇筑并振捣：在试验模具的长侧壁紧贴放置厚度为3mm左右的等高塑料板，在其短侧壁紧贴放置厚度为5mm左右的等高聚四氟乙烯泡沫板，在其底板和长侧壁上平铺一层聚四氟乙烯薄膜，在其内部均匀地涂覆少量润滑油；将反射靶安放在试验模具内两端，与电涡流传感器探头保持垂直，保证反射靶间距大于400mm；将拌好的水泥基材料分两层浇筑在试验模具中，水泥基材料高度控制在85mm左右，每浇筑完一层后将试验模具在混凝土振动台上振动30s；振动完成后，在水泥基材料上方先覆盖一层塑料薄膜，再覆盖一层10mm厚的聚四氟乙烯泡沫板；将数个装有水泥基材料的试验模具安装在可控式水浴加热系统中；

03、安装变形测量系统，连接传感器与该测量系统，进行传感器校准：待试验达到所需静停时间后，移除试验模具侧壁的塑料板和聚四氟乙烯泡沫板；将外架横跨安装在可控式水浴加热系统上，保证其与可控式水浴加热系统互不接触、其数根主梁位于数个试模槽的中轴线上；将电涡流传感器连接数据采集仪，并将其悬挂安装在外架主梁的短柱上，通过螺母调节其位置，通过计算机显示的反射靶与对应电涡流传感器的实时间距，校准并保证该间距在1.2mm左右；

04、采用可控式水浴加热系统模拟热养护过程，同时进行数据采集：调节可控式水浴加热系统升温速率至试验所需的要求，并设定保持恒温的持续时间；在升温开始的同时，打开数据采集仪进行水泥基材料变形数据的自动采集；

05、通过编辑好的数据分析处理程序，对水泥基材料(4)变形情况进行实时分析：水泥基材料的实时变形值可通过α＝(△l1+△l2)×10⁶/l0计算得到(其中：△l1、△l2分别为，1组电涡流传感器的两个探头所对应反射靶的实时间距与初始间距之差，l0为测试前两个反射靶间的初始间距)。

本发明采用非接触式的技术手段对水泥基材料的变形情况进行动态监测，以消除蒸汽及温度对测试的影响，同时，从而实现水泥基材料在早期热养护等非稳态条件下体积变形数据的自动采集、解析并实时反馈测试结果。

采用上述结构后，本发明有益效果为：本发明所述的水泥基材料在热养护过程中的变形动态测试装置及方法，实现了水泥基材料在早期热养护等非稳态条件下变形的自动采集与数据分析，可适用于解析并呈现在热养护过程中的水泥基材料变形规律，尤其可对蒸养混凝土的配伍及其养护制度优化提供参考；可消除蒸汽及温度对测试的影响，采用非接触式测试手段对水泥基材料的变形情况进行动态监测，可实现水泥基材料在早期热养护条件下变形的自动采集与数据分析，并实时反馈测试结果，通过简便的操作，实现精确、可靠、连续、自动化的动态测试过程，本发明具有结构简单，设置合理，制作成本低等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的变形动态测试装置示意图；

图2是本发明的试验模具结构示意图；

图3是本图2的右视图；

图4是本发明的反射靶结构示意图；

图5是图4的右视图；

图6是本发明的变形动态测试原理图；

图7是本发明的变形动态测试结果；

附图标记说明：

1、可控式水浴加热系统；2、试验模具；3、反射靶；4、水泥基材料；5、数据采集仪；6、电涡流传感器；7、外架；8、计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

参看如图1-图5所示，本具体实施方式所述的一种水泥基材料在热养护过程中的变形动态测试装置，包括可控式水浴加热系统1、设计模具系统，改进非接触式变形测量系统以及优化数据采集与分析处理程序组成。可控式水浴加热系统1，由304不锈钢材质的长方箱体及其双层保温结构、加热液体以及温控程序构成，其控温范围在20～100℃，控温精度为±2℃，升温速率在0～20℃/h；预留了三个试模槽，当三个试验模具全部安装好时，加热液体液面将上升至试验模具侧壁顶面；设计模具系统，由殷钢材质特制的试验模具2和反射靶3构成，试验模具2底板和侧壁厚度为5mm，底板长度和宽度分别为530mm和100mm，短侧壁垂直焊接在底板短边，其高度为100mm，长侧壁焊接在底板长边并向外侧倾斜，其坡度和铅直高度分别为2.5％和100mm，长侧壁顶端间距为105mm；反射靶3底座和反射面厚度为5mm，底座为边长50mm的正方形，反射面垂直焊接在底座边长中心线上，其高度和宽度分别为160mm和30mm，底座背面贴有1块厚度为3mm的等面积聚四氟乙烯泡沫板；变形测量系统，由铝合金外架7、电涡流传感器6以及数据采集仪5构成，外架7横跨可控式水浴加热系统1并通过螺栓固定在地面，其三根主梁且分别对应三个试模槽，电涡流传感器6朝试验模具2短边方向穿过主梁下部短柱的预留孔并与数据采集仪5相连接；数据采集仪5为全自动数据采集系统，采集频率为每分钟一次；编译的分析处理程序，可对数据采集仪5采集的数据进行实时解析，可设定水泥基材料4随温度变化对应的温度应变值，并实时反馈水泥基材料4的变形特征。

一种水泥基材料在热养护过程中的变形动态测试方法，主要包括以下步骤：

1、试模准备：在试验模具2内，将与其等高的3mm厚塑料板紧贴放置在其长内壁上，将与其等高的5mm厚聚四氟乙烯泡沫板紧贴放置在其短内壁上，同时将一层聚四氟乙烯薄膜紧铺在试验模具2内壁及底板上，并在试验模具2内均匀地涂覆一层润滑油；将反射靶3安放在试验模具2底板上并确保反射面垂直于试验模具2长边；反射靶3的间距不低于400mm；

2、试件制备：在该实施例中，采用混凝土作为水泥基材料料4；将称取好的混凝土原材料包括水泥、矿物掺合料、砂石加入到混凝土强制式搅拌机中，干拌2min后倒入称取好的水及外加剂，继续湿拌2min后停止搅拌，倒出新拌混凝土备用；先在反射靶3反射面正面与背面浇筑少量混凝土进一步压实固定反射靶后，分两层将混凝土浇筑在试验模具2内，浇筑完第一层混凝土后，随即将试验模具2放置于混凝土振动台上振动30s；由于试验模具2过长及反射靶3的阻挡，同时也为了避免过振，浇筑完第2层混凝土后，需在反射靶3背面再浇筑少量混凝土并继续振动试验模具30s，保证反射靶3正面及背面的混凝土等高，使整个混凝土试件均匀、密实，其高度控制在85mm；

3、试件保温隔热：在混凝土试件表面覆盖一层塑料薄膜并露出反射靶3，该层塑料薄膜需覆盖包括反射靶3背部与试验模具2端部间以及两个反射靶3之间的混凝土，并保证反射面与混凝土的接触部位被塑料薄膜紧密覆盖；同时，在塑料薄膜的上方压盖一层10mm厚的聚四氟乙烯泡沫板保温隔热，降低混凝土与测试环境间的温度交换并减少混凝土的干缩；

4、测试准备：在可控式水浴加热系统1内加入足量的自来水并打开电源开关，将水浴温度设置为20℃，升温速率设置为0℃/h；同时，确保将试验模具2安装于可控式水浴加热系统1后，液面的上升高度超过混凝土试件高度；待混凝土试件达到测试所需的静停时间后，撤除试验模具2内的塑料板和聚四氟乙烯泡沫板，预留出足够的混凝土变形空间；

5、探头校准：微调电涡流传感器6的位置并用螺母固定，使得每个电涡流传感器6与对应反射靶3的间距保持在1.2mm；

6、温度控制：设定可控式水浴加热系统1的升温速率在20℃/h，同时设定当可控式水浴加热系统1水温达到60℃时，保持8h恒温状态；

7、程序设置：通过在安装有已编辑好数据处理程序的计算机8上设置数据采集仪5的采集频率为每分钟采集一次，同时在该程序内设置混凝土每升高1℃所对应的温度应变值为9个微应变；

8、数据分析：安装有已编辑好数据处理程序的计算机8将根据图6所示的变形动态测试原理图，得到混凝土试件的实时变形值α＝(△l1+△l2)×10⁶/l0；而混凝土的变形近似真实值则为，在该温度下，混凝土的实时变形值扣除对应的温度应变值β，最终所呈现的变形结果为α0＝α-β；

9、变形曲线：图7显示了本实施例的混凝土试件在热养护过程中的变形结果，在该混凝土配合比下，前2h内混凝土试件的热膨胀变形快速上升，最大超过了1700个微应变，而在8h恒温阶段中，混凝土试件的变形则表现出逐渐收缩的趋势。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。