一種高精度早期混凝土導溫和導熱係數同時測量裝置的製作方法
2023-06-22 11:32:11 2
專利名稱：一種高精度早期混凝土導溫和導熱係數同時測量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種同時測定早期混凝土導熱係數、導溫係數的裝置，屬於混凝土建築領域。
背景技術：
土木工程領域中，對混凝土結構的熱傳導進行分析是非常重要的。混凝土在硬化過程中所釋放的水化熱，或者在其內部產生某種程度的溫度梯度，都有可能導致混凝土結構發生開裂現象。為了能夠準確的預測混凝土在這些因素作用下的開裂趨勢，並能夠及時的預防混凝土開裂現象的發生，就必須系統的研究混凝土的導熱係數、導溫係數以及比熱， 尤其是在混凝土的早齡期階段，更應深入的研究這些熱學參數隨齡期變化的規律。目前測量材料的導熱係數、導溫係數及比熱的方法主要分為穩態方法和瞬態方法兩大類。穩態方法是最早使用的方法，它的普遍特點是操作人員在已知樣品的壁厚上建立溫度梯度，並控制從一邊傳遞到另一邊的熱量。最常用的熱流是一維的，如熱流法或熱板法。採用熱流法測量材料導熱係數請參見2000年9月20日公告的中國專利第93115076.0 號揭露的一種測量材料導熱係數的方法及裝置。所述專利揭露的方法及裝置使用方便，測量成本低。但是，對於液體或氣體物質來說，明顯的溫度改變會形成對流傳熱，違背了穩態法的根本出發點，因此，該方法不適用於測定液體，氣態物質的導熱係數。由於早期混凝土處於半液體狀態，因此該方法不適用於測定早期混凝土的導熱係數，且一次測量不能同時測得導溫係數。瞬態方法如熱線法(Hot Wire method),用於測量高導熱係數材料和/或在高溫條件下測量。熱線法又分為單線法、平行線法、熱線比較法、和探針法四種。其中單線法和探針法的原理基本上一致，只是測試的裝置不同。其原理是直線(即熱線)附近物質(熱電偶)的溫升與其導熱係數有關，導熱係數
可用下式表達
^IA^2-B1)其中i力單位長度熱線發熱量W/m 為測量時刻，可事先確定為為為Tb Ti時刻對應的溫升。但是，單線法、熱線比較法和探針法在測量中只能確定材料的導熱係數，而不能同時確定導溫係數。《耐火材料導熱係數試驗方法》GB/T17106—1997中提出了採用平行線法測定耐火材料的導熱係數，該方法雖然能夠同時測定材料的導熱係數和導溫係數，但是該標準中提出的裝置並不適用於測定早期混凝土的導熱係數和導溫係數。2000年6月觀日公告的中國專利第99214843. X號揭露的一種無機非金屬材料的熱導率測試裝置也是採用熱線法測試材料的導熱係數。[0010]所述熱線法測試裝置測量精度高，操作簡便。但是，該裝置不適用於測定半液體狀態材料的導熱係數，且不能同時測定導溫係數。因此，不適用於同時測定早期混凝土導熱係數、導溫係數。2009年5月27日公告的中國專利CN200820185222. 5介紹了早期混凝土導溫導熱係數測量裝置。此裝置可以同時測量早期混凝土導溫和導熱係數，但由於混凝土的不均勻性，其測量結果只能代表熱探針和熱敏電阻溫度計之間的混合材料的導溫和導熱係數，並不能精確代表混凝土的導溫和導熱係數。熱線法應用廣泛，可用於對液體物質導熱係數的測定，但是熱線法直接對熱線通電加熱，對於自身能導電的液態物質，為保證通過的電能完全轉變成熱能，必須對熱線做絕緣處理，另外，熱線法中為保證測定的準確度要求熱線在測定過程中不得變形彎曲，同時對熱線加熱功率和溫度的測量精度要求較高，這些因素增加了熱線法的應用難度。
發明內容本實用新型所要解決的技術問題時針對上述現有技術的不足，而提供一種測定早期混凝土導熱係數、導溫係數的試驗裝置，該裝置自行組裝簡單，操作方便，試驗所需儀器較少，一次測量能夠同時測定導熱係數和導溫係數。為了解決上述技術問題，本實用新型採用以下技術方案一種早期混凝土導熱係數、導溫係數的測試裝置，包括試模，電源、電壓表以及溫度巡檢儀，在所述的試模內設置一根加熱探針和三根不鏽金屬杆，所述的電源通過導線與加熱探針連接形成迴路，在該迴路上還連接有一電流表，在不鏽金屬管上設置有一熱敏電阻，該熱敏電阻與溫度巡檢儀連接， 所述的電壓表連接在加熱探針的兩端測量加熱探針兩端之間的電壓值。所述的加熱探針由空心不鏽金屬管和通過結晶氧化鎂粉層固定在該金屬管內的電阻絲組成。在所述的試模的兩端板中心處設置一小孔，所述的加熱探針穿過此小孔，在熱探針周圍0度、180度和270度方向等距設置3個小孔，3根不鏽鋼金屬杆分別由其中穿過，探針和不鏽金屬杆均採用氰基丙烯酸脂粘合劑固定在小孔中。所述的熱敏電阻通過氰基丙烯酸脂粘合劑固定在不鏽鋼管中部。本試驗裝置根據平行熱線法原理製成，因此一次測量能同時測定早期混凝土的導熱係數和導溫係數。加熱探針選用有效長度與直徑比大於100的空心不鏽鋼管，內部的加熱絲採用有效長度與直徑比大於150的電阻絲，因此完全可把加熱探針當作理想線熱源。 加熱探針內部的電阻絲表面的絕緣處理採用環氧樹脂導熱膠，環氧樹脂導熱膠的優點在於較高的導熱性能，因此能夠快速的把熱線產生的熱量散發出去。另外，環氧樹脂導熱膠固化快且與熱線表面的粘結強度高。電阻絲與空心鋼管之間的空隙採用結晶氧化鎂粉填充密實。結晶氧化鎂粉的優點在於導熱性能好並且絕緣，因此，能夠保證加熱探針內部的電阻絲與空心不鏽鋼管的內壁保持絕緣。為保證熱線加熱功率的穩定，故採用高精度的直流穩壓電源，同時採用精度為1/1000的電流表對流經熱線的電流進行測定，保證熱線加熱功率計算的準確性。溫度測量中採用的溫度傳感器為Ptl00，l/;3B級熱敏電阻。熱敏電阻在測溫領域中應用廣泛，具有高穩定性、精密、小尺寸以及溫度響應速度快且不需要冷端補償等優點。測量中結合高精度的溫度巡檢儀，分辨能力達到了 0.01°C，保證了測試過程中所測溫度的精度。同現有技術相比較，本實用新型具有如下優點1、適用於硬化和早期混凝土導熱係數和導溫係數的測定，結果準確；2、測試過程中溫升小、時間短，測定的導熱係數和導溫係數可認為是指定溫度下的導熱係數和導溫係數；3、測量所需儀器少；4、自行組裝測量裝置方便、快速、簡單。
圖1為本實用新型測試裝置的結構示意圖。圖2是圖1的A-A剖面圖。圖3為加熱探針的結構示意圖。圖4為本實用新型測試方法的迭代流程圖圖5為本實用新型測試方法下導熱係數隨齡期增長的變化圖。圖6為本實用新型測試方法下導溫係數隨齡期增長的變化圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型裝置作進一步描述如圖1、圖2所示，可拆式鋼試模1的尺寸為150mmX 150mmX 300mm，在兩端板中心處鑽取1個小孔，小孔的直徑和加熱探針2和不鏽鋼管3的直徑相一致，熱探針2在兩孔之中固定。在孔的周圍0度、180度和270度方向分別鑽取3個小孔，小孔的直徑和加熱探針 2和不鏽鋼金屬杆3的直徑相一致，三小孔距離中心孔距離相等，均為22. 5mm。加熱探針2 和不鏽鋼金屬杆3穿過試模的小孔，並採用氰基丙烯酸脂粘合劑進行固定。電源4通過導線7與加熱探針2連接形成迴路，在該迴路上還連接有一電流表5，在3個不鏽金屬杆3上分別設置有一熱敏電阻8，熱敏電阻8通過氰基丙烯酸脂粘合劑固定在不鏽鋼管3中部，熱敏電阻8與高精度溫度巡檢儀6連接，測量時，在熱探針2兩端點連接一個電壓表，測量熱探針上下測點之間的電壓值。加熱探針2由空心不鏽金屬管21和通過結晶氧化鎂粉層23 固定在該金屬管21內的電阻絲22組成。加熱探針2的製作方法是，預先將電阻絲拉直並處於繃緊的狀態，然後將環氧樹脂導熱膠均勻的塗在電阻絲的表面，待其完全固化後，將不鏽鋼空心鋼管套入電阻絲，並把結晶氧化鎂粉填充進電阻絲和空心管的空隙中，直到填滿為止。然後再利用環氧樹脂導熱膠將探針的兩個端頭進行密封，以防止結晶氧化鎂粉發生滲漏現象。最後，準確測量加熱探針的有效加熱長度。在鋼試模1內分別設置一根加熱探針2和三根不鏽金屬管3，並且互相平行設置。加熱探針2和不鏽鋼管3穿過鋼試模端板上的兩個小孔，並通過氰基丙烯酸脂粘合劑固定在鋼試模1內。將PT100熱敏電阻8通過氰基丙烯酸脂粘合劑固定在不鏽金屬管3的中部。將待測的新拌混凝土裝入鋼試模1後，利用鋁箔紙將裝置的上表面密封，以防止水份的散失，然後把整個測試裝置放入溫度穩定的養護室內。待混凝土內部的溫度與室內溫度達到平衡後即可開始進行測量。接通直流穩壓電源4對加熱探針2進行加熱，同時開始記錄溫度及對應的時間。測量過程中，每隔15秒鐘利用溫度巡檢儀6記錄一次熱敏電阻 8的溫度，直至450秒時停止，並讀取電流表6的電流值i。[0030]假設在T1 Γ時刻，距加熱探針2距離為f處所測得的溫差為^ ;在1
距加熱探針2距離為r處所測得的溫差力(則B1、馬可由下式確定
'時刻，
q
(2) Γ2
-)
4πΛ 『 '4ατ
(3)
4M
.(4 err)
由式(2)和(3)可得
(4)
&2_4M 1 2-(ΑατΥ t 二 ^
M
4π ! Αατ
式中，是混凝土的導熱係數，是混凝土的導溫係數，鳥 1a
分，可近似的用如下形式的級數確定
/ — \
是一個指數積 令;P
4 QT
，則有
(5)
Ei(X) - -y -In χ -y]-
■If xs
朋!式中> 力歐拉常數(=0. 5772156649)。公式(4)可簡化為
柳) Si(X)
M根據式(6)可知，若求得比值ι，就可以確定的值。由於式和馬(X)是隱函數，無法直接求解出; 值，因此必須利用級數展開式，通過具體的數值計算求
出。只要計算出λ的值，便可得出Ij(X)的值，由此確定混凝土的導熱係數和導溫係數。具
體的計算公式如下 其中[0043]
JJJ Ul(9)q- L式(7)中一導熱係數，單位W/(m· V )；^一加熱探針(2)每單位長度的發熱功率，單位W/m ；式(8)中，—導溫係數，單位 ；加熱探針2距熱敏電阻8的距離，單位m ；式(9)中，J 一為電源4的加熱電流，單位A ；U 一為熱探針2上兩測點間的電壓，單位V ；L 一為熱探針2上兩測點間的距離，單位m ；其中的算法流程框圖見圖3:第一步輸入參數f、r、T1Haj ；第二步計算Af值；
時，X0 =0.002 ； ,賦值 X = X0 ， 求
時，停止迭代，輸出，
/ -γ- '-ι^--- IiJ-Mi^
/1 朋丨11 IO5T第五步根據公式(5)、(7)和(8)計算各傳感器處混凝土導溫導熱係數，最後計算其平均值，即為混凝土導溫導熱係數。具體測定方法是結合本裝置，對水灰比為0. 3的混凝土材料進行了導熱係數和導溫係數的測定，混凝土拌合物配合比詳見表1。測定按以下步驟進行，1、將拌合的混凝土裝入試模1中，然後把整個裝置放入溫度穩定的養護室內進行養護。同時，在試模上表面利用鋁箔紙進行密封處理，以避免環境溼度對早期混凝土導熱係數和導溫係數的測量結果產生影響；2、待混凝土試件內部的溫度與環境溫度達到平衡時，即可進行測量。溫度達到平衡時的判斷依據是，在10分鐘內混凝土內部的溫度波動不大於0. 050C ；3、接通高精度直流穩壓電源4，同時利用高精度溫度巡檢儀6開始記錄溫度及對應的時間；4、一次測量過程中，高精度溫度巡檢儀同時測量三個熱敏電阻的溫度，200ms/通道，每隔15秒鐘記錄一次三通道(三個溫度傳感器)的溫度值，直至450秒時停止，並讀取電流表5的電流值；5、利用自編程序(見圖4流程圖)根據步驟4記錄的時間和對應的溫度值，計算混凝土在該齡期的導熱係數和導溫係數；第三步判斷，當<3時， =0.6，當1 <2第四步，迭代令 4 = + ^
-γ-h. JT-玄(1) ,/
及—！ 朋丨/
『/」二(看當.[0063]6、表2給出了該混凝土在齡期為2. 5小時，一次測量所得到的導熱係數和導溫係數；7、圖5、圖6分別給出了該混凝土在齡期180小時內導熱係數和導溫係數的發展變化圖。試驗數據初始溫度 =20.45 °C平行線距離r =0. 02m熱線電流/=3. 50IA熱線電壓t/=11.217熱線單位長度發熱功率力=咢=103.33
L·表1 試驗所用混凝土拌合物的具體用量
水泥粉煤灰磨細礦渣減水劑水石砂42040407. 51551100650混凝土強度等級為C50，水泥是P. 052. 5水泥，粉煤灰為II級，磨細礦渣為S95 ；外加劑是JM- VDI緩凝、泵送型高效減水劑，佔膠凝材料的1. 5% ；石子粒徑範圍在5-31. 5之間， 砂的細度模數2.7。
權利要求1.一種早期混凝土導溫和導熱係數同時測量裝置，其特徵在於包括試模(1)，電源 (4 )、電壓表以及溫度巡檢儀(6 )，在所述的試模(1)內設置一根加熱探針(2 )和三根不鏽鋼金屬杆(3)，所述的電源(4)通過導線(7)與加熱探針(2)連接形成迴路，在該迴路上還連接有一電流表(5)，在三根不鏽金屬杆(3)上分別設置有熱敏電阻(8)，該熱敏電阻(8)與所述的溫度巡檢儀(6 )連接，所述的電壓表連接在加熱探針(2 )的兩端測量加熱探針(2 )兩端之間的電壓值。
2.根據權利要求1所述的早期混凝土導溫和導熱係數同時測量裝置，其特徵在於所述的加熱探針(2)由空心不鏽金屬管(21)和通過結晶氧化鎂粉層(23)固定在該金屬管 (21)內的電阻絲(22)組成。
3.根據權利要求1所述的早期混凝土導溫和導熱係數同時測量裝置，其特徵在於在所述的試模(1)的兩端板上設置有小孔，所述的加熱探針(2)和不鏽鋼管(3)分別穿過鋼試模(1)端板上的小孔，並採用氰基丙烯酸脂粘合劑進行固定。
4.根據權利要求1所述的早期混凝土導溫和導熱係數同時測量裝置，其特徵在於所述的熱敏電阻(8 )通過氰基丙烯酸脂粘合劑固定在不鏽鋼管(3 )中部。
專利摘要本實用新型裝置公開了一種早期混凝土導溫和導熱係數同時測量裝置，包括試模，電源、電壓表以及溫度巡檢儀，在所述的試模內設置一根加熱探針和三根不鏽金屬杆，所述的電源通過導線與加熱探針連接形成迴路，在該迴路上還連接有一電流表，在三根不鏽金屬杆上分別設置一熱敏電阻，該熱敏電阻與高精度溫度巡檢儀連接；所述的加熱探針由空心不鏽金屬管和通過結晶氧化鎂粉層固定在該金屬管內的電阻絲組成。本實用新型裝置結構簡單，拆卸方便，所需材料及儀器少，測量精度高，不僅適用於科研，而且適用於施工現場對早期混凝土導熱係數、導溫係數的測定。
文檔編號G01N25/20GK201955318SQ20112000587
公開日2011年8月31日 申請日期2011年1月11日 優先權日2011年1月11日
發明者吳勝興, 欒澔, 沈德建, 沈德飛, 程意國, 魏珍中 申請人:南京宇翔建設發展有限公司, 河海大學