專利背景
對
流態混凝土的流變性測試和評價一直是混凝土質量控制的重要環節之一。流態混凝土屬於
非牛頓流體,其中兩個最基本的
流變學參數:
漿體的剪應力屈服值τ
0和漿體的塑性粘度η
p是反映混凝土漿體流變性的主要指標。2009年5月前施工現場使用最多也是最方便的測試混凝土流變性的方法是塌落度測試。用塌落度來評價混凝土的流變性存在著諸多缺陷:它只適合稠度範圍在3.8~17.8厘米的中等可塑到高等可塑的稠度範圍,這種方法對不正規操作相當敏感,需要一定的操作技巧;對貧拌和物而言,塌落度方法不能測出稠度不同的兩種拌和物的差異;即便塌落度相同的混凝土,穩定性如離析、泌水可能差異很大;對大流變性混凝土也不適用。此外也有在施工現場測試大流變性混凝土流速變化如:用L型流動儀、Orimet流速儀等,但要配合塌落度測試儀或維勃稠度儀等才能判斷混凝土的流動性和工作性能,這些方法測點少、隨意性強、手工操作誤差大和對澆注混凝土流變性無法完整客觀評價。
截至2009年5月,工程實踐中也有其他一些新型測試混凝土流變性的方法,這些方法都是基於兩點法原理測試流態混凝土的剪應力屈服值τ0和漿體的塑性粘度ηp。但這些測試儀器和方法只能在現場由人工控制隨機測試少量測點,獲取少量離散數據,籍以評價混凝土的流變性能,對整體混凝土流變性的變化無法準確評判。
施工現場能實時獲取所有澆注前混凝土流變性參數是對整體混凝土流變性評判的重要依據,也對混凝土的施工質量控制提供了可靠的技術指標。顯然依靠上述諸多種測試方法無法滿足獲取對整體混凝土流變性評判的完整參數,因此不能對澆注的混凝土流變性有客觀準確的評價。
發明內容
專利目的
為了克服2009年5月前所採用的混凝土流變性測試手段對整體混凝土流變性的變化無法準確評判的缺點,《施工現場混凝土流變性動態檢測方法》公開了一種施工現場混凝土流變性動態檢測方法,可以對混凝土整體流變性做出正確評價。
技術方案
《施工現場混凝土流變性動態檢測方法》步驟為:
首先,安裝調試測試儀,使測試儀的料盒運動到採樣位置時,正位於混凝土車或泵的卸料口下方;
然後,開始採樣,從混凝土卸料口處自動採集混凝土拌合物試樣,測試採集混凝土拌合物試樣的溫度T
j,然後對採集的T
j取算術平均,得到這組的溫度
,其中j=1,2,……k,j表示同一批次混凝土所需測試的試樣編號,k為同一批次混凝土所需測試的試樣總數,k根據具體需要取值;連續測試j個試樣下的每個試樣不同轉速n
i下的旋轉扭距M
ji,其中j=1,2,……k,j、k意義同上,i=1,2,……11,i為同一試樣由60轉/分鐘~200轉/分鐘之間轉速變換次數,比如從60轉/分鐘~90轉/分鐘~120轉/分鐘~150轉/分鐘~180轉/分鐘~200轉/分鐘~180轉/分鐘~150轉/分鐘~120轉/分鐘~90轉/分鐘~60轉/分鐘進行11次轉速變換,也就是有11個檔位,例如n
4表示進行了4次轉速變換也就是第4檔的轉速。以這種方法連續採集得到同一批次混凝土拌合物試樣的
若干組,將採集的數據儲存在單片機MSP430中。為保證施工現場測試方便,在單片機控制系統內設定了自動採集存儲系統,最多可存儲12,500個數據,可以連續獲取採集數據,既可以在線上線上測試,也可以間斷讀取測試數據,從而便於自動測試系統的連續工作。其中,所述的不同轉速n
i是指從60轉/分鐘~200轉/分鐘的轉速之間,由低到高,再由高到低變化的轉速,比如由60轉/分鐘~90轉/分鐘-120轉/分鐘~150轉/分鐘-180轉/分鐘~200轉/分鐘~180轉/分鐘-150轉/分鐘~120轉/分鐘-90轉/分鐘~60轉/分鐘轉動。
最後,將單片機中儲存的數據傳輸到上位機中進行數據分析,根據所得旋轉扭矩M
ji,由公式
計算出剪下應力τ
ji,式中:D-十字型攪拌軸的直徑:h-旋轉葉片長度:M
ji-第j個試樣第i檔時的旋轉扭矩,π-圓周率;根據轉速n
i,由公式:
計算出剪下速率γ
i,其中R
1-料漿盒高度,R
2-旋轉葉片半徑,h-旋轉葉片長度,n
i-第i檔轉速,公式推導過程如下:通過電機帶動旋轉葉片轉動第j個測試樣混凝土拌合物,再由扭矩感測器測出旋轉葉片在第i檔轉速n
i下的旋轉扭矩M
ji,由旋轉扭矩M
ji可得到剪下應力τ
ji,推導過程如下:
把十字攪拌軸的剪下面看作一個圓筒面來計算,如圖8,因此,受剪下的面按照側面和兩個底面計算,則所受旋轉扭矩Mji為:
式中:D-十字型攪拌軸的直徑:h-旋轉葉片長度:Mji-第i檔轉速ni下的旋轉扭矩,π-3.14;
攪拌軸的剪下速率γ
i的推導過程如下:假定十字型攪拌軸的剪下面為一圓筒,而料漿盒內部混凝土在攪拌過程中形成一圓筒如圖9:則A處產生的粘滯阻力的剪下速率是
:
式中ω:A處的旋轉角速度變數,v:A處線速度,r:A處半徑,取
將(1)式、(2)式帶入(3)式,整理後得到:
當r=R1時,ω=0;當r=R2時,ω=Ω。代入(4)式進行積分:
將(1)式代入(6)式,移項整理得:
把(9)式代入(8)後得到
(10)式表示:剪下速率可以由已知量ni、R1、h、R2求出。
式中:D-十字型攪拌軸的直徑,ni-第i檔轉速;R1-料漿盒高度;h-旋轉葉片長度;R2-旋轉葉片半徑;ω-角速度,0≤ω≤Ω。
將j組試樣第i檔轉速n
i下測得的τ
ji數據對應分別取平均,得到第i檔剪下速率γ
i和平均剪下應力
關係,根據計算的剪下速率γ
i和平均剪下應力
關係繪製出混凝土的流變曲線圖,通過曲線擬合獲得一直線
得到
,其中τ
0為澆注前流態混凝土
條件下的剪應力屈服值、η
p為
條件下漿體的塑性粘度,從而可以分析液態混凝土的流變性;根據測得的不同轉速n
i下的剪下速率γ
i和平均剪下應力
關係獲得流態混凝土的觸變滯回曲線圖,通過曲線擬合得到上下兩個曲線函式f
1(γ
i)、f
2(γ
i),再積分得混凝土滯後環面積S,從而分析流態混凝土的觸變性,用同樣的方法測得若干組的混凝土試樣的流變性和觸變性以及溫度參數。
從攪拌機出料口處自動採集混凝土拌合物試樣,測試記錄採集的混凝土拌合物試樣的溫度,以及每個試樣不同i檔轉速下的旋轉扭距Mji的具體步驟為:測試開始後,料盒運動至攪拌機出料口下方接取待測混凝土拌合物試樣,接取完畢,料盒後退離開攪拌機出料口下方,溫度感測器測試溫度Tj,同時料盒內的十字型攪拌軸開始以不同轉速由低到高,再由高到低的變速攪拌,共分i=11檔,速度範圍為60轉/分鐘~200轉/分鐘,由60轉/分鐘~90轉/分鐘-120轉/分鐘~150轉/分鐘-180轉/分鐘~200轉/分鐘~180轉/分鐘-150轉/分鐘~120轉/分鐘-90轉/分鐘~60轉/分鐘轉動,扭矩感測器同時測出不同轉動速度下的旋轉扭矩Mji,測試完畢料盒閘門開,漿料流出,再次採樣。
在該發明中採用了一個單片機控制系統,以實現自動循環測試,是以單片機MSP430為MPU,主要分為三個部分。
第一,測量部分。主要測量的量有兩個,一是溫度Tj,目的是監控混凝土的實時溫度,實際操作時將j組的溫度Tj取算術平均得到Tj來表征一段時間內的混凝土的溫度,再一個是旋轉扭矩Mji,目的是測量混凝土的流變特性。這些測得的數據均存儲在單片機上。
第二,控制電機部分。這部分主要是由單片機控制測試儀的料盒的進退採樣、採好樣後十字型攪拌軸的變速攪拌以及卸料。其中變速攪拌的速度可以分檔,比如60~200~60轉/分鐘間分為11檔。
第三,通訊部分。這部分又分為人機互動和計算機通訊兩部分。其中人機互動包括輸入裝置鍵盤和輸出裝置LCD液晶顯示器,可以控制整個測試儀的開關,並且將測得的溫度Tj和旋轉扭矩Mji實時的顯示。計算機通訊是將存儲的數據通過MAX232傳輸給上位機,由上位機對數據進行處理分析。
有益效果
1.《施工現場混凝土流變性動態檢測方法》為滿足工程實際套用要求,運用混凝土流變學、單片機控制、機械設計與控制以及資料庫管理軟體等,開發出的現場施工混凝土流變性線上檢測方法,能及時、方便、準確、連續地獲取施工現場混凝土流變性參數,並對混凝土的流變性形成客觀完整的評價。
2.由於採用平臥十字型攪拌軸變速轉動,更符合測試含碎石、砂等粗細顆粒的多相流體,連續測試混凝土,可以獲取大量離散的樣本數據,該方法套用於工程實踐,可避免人為檢測誤差和其他測試方法表征性差的缺陷,真正實現精確化、自動化、信息化。
3.基於統計學原理,對測試參數結果數據建立資料庫,依據分析模型評價混凝土流變性能。
附圖說明
圖3-W/B=0.40混凝土觸變滯回曲線。
圖4-W/B=0.45混凝土觸變滯回曲線。
圖5-測試儀俯視示意圖。
圖6-測試儀主要工作部分主視圖。
圖7-測試儀主要工作部分右視圖。
圖8-十字型攪拌軸剪下面示意圖。
圖9-自動攪拌測試時漿體運動狀態示意圖。
權利要求
1、《施工現場混凝土流變性動態檢測方法》特徵在於,步驟為:
首先,安裝調試測試儀,使測試儀的料盒運動到採樣位置時,位於混凝土車或泵的卸料口下方;
然後,開始採樣,從混凝土卸料口處自動採集拌合物測試樣,測試採集混凝土拌合物試樣的溫度T
j,然後對採集的T
j取算術平均,得到這組的溫度T
j,其中j=1,2,……k,j表示同一批次混凝土所需測試的試樣編號,k為同一批次混凝土所需測試的試樣總數,k根據具體需要取值;連續測試j個試樣下的每個試樣不同轉速n
i下的旋轉扭距M
ji,其中j=1,2,……k,j、k意義同上,i=1,2,……11,i為同一試樣由60轉/分鐘~200轉/分鐘~60轉/分鐘之間轉速變換次數;以這種方法連續採集得到同一批次混凝土拌合物試樣的
若干組,將採集的數據儲存在單片機中;
最後,將單片機中儲存的數據傳輸到上位機中進行數據分析,根據所得旋轉扭矩M
ji,由公式
計算出剪下應力τ
ji,式中:D-十字型攪拌軸的直徑:h-旋轉葉片長度:M
ji-第j個試樣第i檔時的旋轉扭矩,π-3.14;根據轉速n
i,由公式:
計算出剪下速率γ
i,其中R
1-料漿盒高度,R
2-旋轉葉片半徑,h-旋轉葉片長度,n
i-第i檔轉速;將j個試樣中對應的i檔轉速n
i下計算所得的τ
ji數據分別取平均,得到剪下速率γ
i和平均剪下應力
關係,根據i檔剪下速率γ
i和平均剪下應力
關係繪製出混凝土的流變曲線圖,通過曲線擬合獲得一直線
得到
,其中τ
0為澆注前流態混凝土
條件下的剪應力屈服值、η
p為
條件下漿體的塑性粘度,用以分析液態混凝土的流變性;根據獲得的j個試樣i檔轉速下的剪下速率γ
i和平均剪下應力
關係繪製流態混凝土的觸變滯回曲線圖,通過曲線擬合得到上下兩個曲線函式
、
,再積分得混凝土滯後環面積S,用以分析流態混凝土的觸變性,用同樣的方法測得若干組的混凝土試樣的流變性和觸變性以及溫度參數。
2.如權利要求1所述的施工現場混凝土流變性動態檢測方法,其特徵在於,所述的不同轉速ni是指從60轉/分鐘~90轉/分鐘-120轉/分鐘~150轉/分鐘-180轉/分鐘~200轉/分鐘~180轉/分鐘-150轉/分鐘~120轉/分鐘-90轉/分鐘~60轉/分鐘轉動。
3.如權利要求1所述的施工現場混凝土流變性動態檢測方法,其特徵在於,從攪拌機出料口處自動採集混凝土拌合物試樣,測試採集的混凝土拌合物試樣的溫度,以及不同轉速ni下的旋轉扭距Mji的具體步驟為:測試開始後,料盒運動至攪拌機出料口下方接取待測混凝土拌合物試樣,接取完畢,料盒後退離開攪拌機出料口下方,溫度感測器測試溫度,同時料盒內的十字型攪拌軸開始以不同轉速由低到高,再由高到低的變速攪拌,速度範圍為60轉/分鐘~200轉/分鐘,扭矩感測器同時測出旋轉扭矩Mji,測試完畢料盒閘門開,漿料流出,再次採樣。
實施方式
操作內容
《施工現場混凝土流變性動態檢測方法》步驟為:
首先,安裝調試測試儀,使測試儀的料盒運動到採樣位置時,正位於攪拌機出料口下方;
然後,開始採樣,從攪拌機出料口處自動採集混凝土拌合物試樣,測試採集的混凝土拌合物試樣的溫度T
j,以及i檔不同轉速n
j下的旋轉扭距M
ji,j為一共需測試的混凝土拌合物試樣數,i=1,2,……11,i為同一個試樣由60轉/分鐘~200轉/分鐘~60轉/分鐘之間轉速變換次數,以這種方法連續採集j個試樣,溫度
取算術平均表示為
,得到一組混凝土拌合物j個測試試樣的
,將採集的數據儲存在單片機MSP430中。為保證施工現場測試方便,在單片機控制系統內設定了自動採集存儲系統,最多可存儲12,500個數據,可以連續獲取採集數據,既可以在線上線上測試,也可以間斷讀取測試數據,從而便於自動測試系統的連續工作。其中,所述的不同轉速n
i是指從60轉/分鐘~200轉/分鐘的轉速之間,由低到高,再由高到低變化的轉速,比如由60轉/分鐘~90轉/分鐘-120轉/分鐘~150轉/分鐘-180轉/分鐘~200轉/分鐘~180轉/分鐘-150轉/分鐘~120轉/分鐘-90轉/分鐘~60轉/分鐘轉動。
最後,將單片機中儲存的數據傳輸到上位機中進行數據分析,根據所得旋轉扭矩M
ji,由公式
計算出剪下應力τ
ji,式中:D-十字型攪拌軸的直徑:h-旋轉葉片長度:M
ji-第j個試樣第i檔時的旋轉扭矩,π-3.14;根據轉速n
i,由公式(10)計算出剪下速率γ
i,將同一轉速n
i下測得的j個試樣對應檔的τ
ji數據取平均,得到剪下速率γ
i和平均剪下應力τ
ji關係,根據計算的剪下速率γ
i和平均剪下應力τ
ji關係繪製出混凝土的流變曲線圖,通過曲線擬合獲得一直線
得到
,其中τ
0為澆注前流態混凝土
條件下的剪應力屈服值、η
p為
條件下漿體的塑性粘度,從而可以分析液態混凝土的流變性;根據不同轉速n
i下的剪下速率γ
i和平均剪下應力
關係,獲得流態混凝土的觸變滯回曲線圖,通過曲線擬合得到上下兩個曲線函式
、
,再積分得混凝土滯後環面積S,從而分析流態混凝土的觸變性,用同樣的方法測得若干組的混凝土試樣的流變性和觸變性以及溫度參數。
從攪拌機出料口處自動採集混凝土拌合物試樣,測試採集的混凝土拌合物試樣的溫度Tj,以及同一溫度Tj下的,不同轉速ni下的旋轉扭距Mji的具體步驟為:測試開始後,料盒運動至攪拌機出料口下方接取待測混凝土拌合物試樣,接取完畢,料盒後退離開攪拌機出料口下方,溫度感測器測試溫度Tj,同時料盒內的十字型攪拌軸開始以不同轉速由低到高,再由高到低的變速攪拌,速度範圍為60轉/分鐘~200轉/分鐘,比如由60轉/分鐘~90轉/分鐘-120轉/分鐘~150轉/分鐘-180轉/分鐘~200轉/分鐘~180轉/分鐘-150轉/分鐘~120轉/分鐘-90轉/分鐘~60轉/分鐘轉動,扭矩感測器同時測出旋轉扭矩Mji,測試完畢料盒閘門開,漿料流出,再次採樣。
該發明中所使用的測試儀如圖5~7所示,主要由扭矩感測器1、步進電機2、軌道電機3、傳動齒輪4、齒條5、十字型攪拌軸6、料盒啟閉電機7、滑輪8、行程開關(含接觸桿)9、聯軸器10、繼電器11、料盒刮板12、MSP430單片機控制器13、斷電保護開關14、24V電源15、穩壓器16、調節器17、溫度感測器18、導軌19、導輪20、旋轉葉片21、旋轉軸22、固定螺絲23、料盒24和濾網25組成。測試儀的支架頂部設有一對相互平行的導軌19,導軌19上設有導輪20、料盒24和料盒刮板12,在導軌19上還設有前後行程開關9,以控制料盒運動的極限位置。在導軌上方平行於導軌設有齒條5,齒條5通過傳動齒輪4和軌道電機3連線。料盒24上設有濾網25,料盒24內設有平臥十字型攪拌軸6,平臥十字型攪拌軸6通過聯軸器10與步進電機2連線,在聯軸器上設有扭矩感測器1,在料盒24上還設有溫度感測器18,料盒24通過滑輪8和料盒啟閉電機7連線用來控制料盒24底部的閘門開關卸料。平臥十字型攪拌軸6由旋轉軸22、旋轉葉片21組成,旋轉葉片21通過固定螺絲23固定在旋轉軸22上。料盒24通過傳動齒輪4、齒條5在軌道電機3的帶動下可以沿導軌19滑動。為了保證整個裝置的正常運行,在測試儀支架上還設有繼電器11、MSP430單片機控制器13、斷電保護開關14、電源15、穩壓器16、調節器17。
測試工作開始,啟動開始按鈕,指示燈亮,料盒24通過傳動齒輪4、齒條5在軌道電機3的帶動下前進,至導軌19頂端時即出料口處,接觸到行程開關9,停止前進開始接料,流態混凝土通過濾網25濾去超大粒徑骨料進入料盒24,料盒24停止20秒後後退,濾網25上多餘混凝土通過料盒刮板12颳去,至接觸到行程開關9後停止後退,通過料盒24內安置的溫度感測器18測出混凝土溫度指標,同時,十字型攪拌軸6在步進電機2帶動下由60轉/分鐘~90轉/分鐘-120轉/分鐘~150轉/分鐘-180轉/分鐘~200轉/分鐘~180轉/分鐘-150轉/分鐘~120轉/分鐘-90轉/分鐘~60轉/分鐘轉動,轉動所需轉動扭矩由扭矩感測器1測出,以電壓表示,顯示並儲存在MSP430單片機控制器13上,測試完畢,料盒啟閉電機7開,料盒底部的閘門開,漿料流出,卸料過程持續約10秒,料盒啟閉電機7關,延時7秒後料盒底部閘門關,延時5秒後一次循環結束進而進入下一次循環。
實施案例
實施例1
套用實例:測試j=1,2……5共5個試樣的兩種不同配合比下的流變參數和觸變滯回曲線間的面積各一組,配合比如下表:
1.測試獲取的扭矩值和對應的轉速如下表:
| 扭矩值(用電壓表示伏)Mj=1,2...5i=1,2...11 | |
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表3:W/C=0.45流態混凝土對應轉速的扭矩
| 扭矩值(用電壓表示伏)Mj=1,2...5i=1,2...11 |
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根據轉速ni,由公式(9)可計算出剪下速率γi,根據所得旋轉扭矩由公式(1)可自動計算出對應的剪下應力τji;
由表2和表3的數據根據公式(1)和(9)計算得到的五組τ
ji數據求平均,得剪下速率γ
i和平均剪下應力
關係如表4、表5。
表4:計算獲得W/C=0.40剪下速率γ
i和剪下應力
關係
表5:計算獲得W/C=0.45剪下速率γ
i和剪下應力
關係
根據表4和表5各11組的前5組平均
結果得到混凝土的流變曲線,如圖1、圖2所示,
由圖1、2和表4、5可得:流變曲線的擬合函式分別為:τ0.4=25.65γ0.4+201.6,τ0.45=20.386γ0.45+194.02;其中R分別為0.9661和0.9536;
根據流變學公式可知流變參數如下表
由上表看出,水灰比W/C增大,混凝土拌合物粘度係數ηp明顯減小,而初始屈服應力τ0變化較小。
2.根據表4和表5各11組的平均γi-τji結果得到混凝土的觸變滯回曲線如圖3、圖4;
可見,觸變滯回曲線由下曲線f1(γi)和上曲線f2(γi)組成,且兩條曲線不重合,這說明試樣存在著觸變性,混凝土拌合物被剪下稀化,而觸變性的大小可由兩曲線之間的面積表征,如上圖,由公式S=E蒞(戶)可計算觸變滯回曲線間的面積如下:S0.40=35340,S0.45=22942,隨著水灰比W/C增大,混凝土拌合物的觸變滯回面積減小,觸變性有逐漸減小的趨勢。
該例中只是舉了一個簡化的例子來對《施工現場混凝土流變性動態檢測方法》的方法進行說明,在該例中只是改變了水灰比,在一個水灰比下只取了一個Tj,實際操作中可以根據實際需要取若干組的Tj,相應的得到若干組的{τ0,ηp,Tj},構建資料庫以分析施工現場的混凝土流變性情況。
榮譽表彰
2013年,《施工現場混凝土流變性動態檢測方法》獲得第八屆江蘇省專利項目獎優秀獎。