測定早期混凝土導熱係數、導溫係數的測試裝置及測試方法

2023-08-01 04:33:56

專利名稱：：測定早期混凝土導熱係數、導溫係數的測試裝置及測試方法
技術領域：
：本發明涉及一種同時測定早期混凝土導熱係數、導溫係數的裝置及測試方法，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曰公告的中國專利第93115076.0號揭露的一種渕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(HotWireraethod)，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A=《ln(r2/rj/4;r(^-《)(1)其中，q為單位長度熱線發熱量W/lD;巧、f2為測量時刻，可事先確定；《、《為^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28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才才料的導熱係數。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。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髙，這些因素增加了熱線法的應用難度。
發明內容本發明所要解決的技術問題時針對上述現有技術的不足，而提供一種同時測定早期混凝土導熱係數、導溫係數的試驗裝置及測試方法。為了解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案一種測定早期混凝土導熱係數、導溫係數的測試裝置，包括試模，電源以及溫度顯示儀，在所述的試模內設置有兩根平行的第一電阻絲、第二電阻絲，所述的電源通過導線與第一電阻絲連接形成迴路，在該迴路上還連接有一電流表，在第二電阻絲上設置有一熱敏電阻，該熱敏電阻與溫度顯示儀連接。在所述的試模的端板還設置有接插件，所述的第一電阻絲和第二電阻絲通過接插件固定在試模內，所述的導線也通過接插件與第一電阻絲連接。第一電阻絲的材料為鎳鉻合金、康銅絲或錳銅絲。接插件與試模的端板粘結固定，粘合劑為氰基丙烯酸脂粘合劑。所述的熱敏電阻通過熱縮套管和氰基丙烯酸脂粘合劑固定在電阻絲中部。一種測定早期混凝土導熱係數、導溫係數的測試方法，包括以下步驟第一步、採集熱敏電阻(9)與第一電阻絲(2)的距離r;第=步、對第一電阻絲(2)通電加熱，採集電流表(6)的電流值/;並按540s的時間間隔採集巧時刻熱敏電阻(9)的溫度《；求出r,時刻距z^時刻的溫差&,r,+,時刻距^時刻的溫差^+1，其中formulaseeoriginaldocumentpage6;第三步、令formulaseeoriginaldocumentpage6；當2SM〈3時，令formulaseeoriginaldocumentpage6,當l5A/《2時，令xformulaseeoriginaldocumentpage6:第四步、迭代令formulaseeoriginaldocumentpage6,賦值;c-;c。，求formulaseeoriginaldocumentpage6;當I及-M^^時，停止迭代，10朋！輸出x，式中，y為歐拉常數(=0.5772156649);第五步、求導溫係數"、導熱係數vl;formulaseeoriginaldocumentpage6式中，g—第一電阻絲(2)每單位長度的發熱功率，W/m。本試驗裝置根據平行線法原理製成，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。加熱絲選用有效長度與直徑比大於150的電阻絲，因此完全可把熱線當作理想線熱源。為保證熱線在測定過程中保持直線狀態，故採用接插件內部的螺栓固定。熱線表面的絕緣防水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，環氧樹脂導熱膠的防水效果好，固化快且與熱線表面的粘結強度高。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PT100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顯示儀表，分辨能力達到了o.oit:，保證了測試過程中所測溫度的精度。同現有技術相比較，本發明具有如下優點1、本發明測試裝置結構簡單，且易於操作，可同時對導熱係數和導溫係數進行測量。2、既適用於鬆散材料(如水泥、砂子等)，也適用於早期混凝土、水泥淨漿和水泥砂漿等導熱係數和導溫係數的測定；3、本發明測試方法測試過程中溫升小、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；4、測量所需儀器少，自行組裝測量裝置方便、快速、簡單。圖1是本發明測試裝置的結構示意圖。圖2是本發明測試方法的迭代流程圖。圖3為本發明測試方法下導熱係數隨齡期增長的變化圖。圖4為本發明測試方法下導溫係數隨齡期增長的變化圖。具體實施例方式下面結合附圖對本發明裝置作進一步描述可拆式鋼試模1的尺寸為150ramX150咖X300咖，在鋼試模1內平行的設置兩根電阻絲2和3，也可以採用接插件4將上述電阻絲2和電阻絲3固定在鋼試模1內，採用接插件4固定的方法是，預先在接插件4上用大頭針鑽取兩個一定距離的小孔，以保證電阻絲2和3能夠穿過。先將電阻絲2和3—端穿過事先鑽取的小孔，同時將導線8固定在接插件4內部，然後擰緊接插件4內部的螺栓直至完全固定為止，並採用氰基丙烯酸脂粘合劑將接插件4固定在鋼試模1的端板上。待接插件4完全固定後，截取一小段熱縮套管穿過電阻絲3。電阻絲2和3的另一端也穿過接插件上的小孔，並從接插件4下部的孔穿出預留一部分，同時將導線8固定在接插件4內部，但事先不擰緊嫘栓，然後採用氰基丙烯酸脂粘合劑將接插件4固定在鋼試模1的另一塊端板上。待接插件4完全固定在端板上後，開始組裝鋼試模l並擰緊所有的螺栓。然後利用鉗子夾住預留的電阻絲用力拉緊，直至電阻絲2和3完全繃緊為止，然後快速擰緊接插件4內部的螺栓，保證電阻絲2和3完全被拉直且固定。然後把熱敏電阻9穿過熱縮套管，並對熱縮套管加熱，直至完全固定熱敏電阻為止。最後，利用環氧樹脂導熱膠對電阻絲2表面進行絕緣防水處理，同時用矽橡膠對接插件周邊以及接線部位進行密封，以此達到絕緣防水的目的。將待測的新拌混凝土裝入鋼試模1後，利用塑料薄膜將裝置的上表面密封，以防止水分的散失，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5對電阻絲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10秒鐘利用溫度顯示儀表7記錄一次熱敏電阻9的溫度，直至600秒時停止，並讀取電流表6的電流值/。假設在^"時刻，距電阻絲2距離為r處所測得的溫差為&;在、-2z"時刻，距電阻絲(2)r處所測得的溫差為《2，則《u《2可由下式確定formulaseeoriginaldocumentpage8由式(2)和(3)可得:formulaseeoriginaldocumentpage8式中，；i是介質的導熱係數，"是介質的導溫係數，a似的用如下形式的級數確定是一個指數積分，可近令formulaseeoriginaldocumentpage8(5)式中，y為歐拉常數00.5772156649)<則上式可簡化為k考^(6)formulaseeoriginaldocumentpage8根據式(6)可知，若根據比值&，就可以確定jc的值。由於式(6)中￡,^/2)和《^)是隱函數，無法直接求解出x值，因此必須利用級數展開式，通過具體的數值計算求出。因此，只要計算出x的值，便可得出￡'")的值，由此確定介質的導熱係數和熱擴散係數。具體的計算公式如下formulaseeoriginaldocumentpage9式(6)中，義一導熱係數，單位W/(r'C);《一電阻絲(2)每單位長度的發熱功率，單位W/m;式(7)中，"一導溫係數，單位w)^;r一第一電阻絲2距熱敏電阻9的距離，單位ni;其中x的算法流程框圖見圖2，令M-，^^;當2SM〈3時，令jc。-0.6，當lSM〈2時，令^。=0.002;第四步、迭代令X。-JC。+^^，賦值^-X。，求formulaseeoriginaldocumentpage9輸出x，式中，y為歐拉常數(=0.5772156649);具體測定方法是結合本裝置，對水灰比為0.4的混凝土材料進行了導熱係數和導溫係數的測定，混凝土拌合物的具體用量詳見表l。測定按以下步驟迸行，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，以避免環境溼度對測定早期混凝土導熱係數和導溫係數結果的影響；2、待混凝土試件內部的溫度與環，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0.05C;3、接通髙精度直流穩壓電源5，同時利用高精度溫度顯示儀表7開始記錄溫度及對應的時間；4、一次測量過程中，每隔10秒鐘記錄一次熱敏電阻9的溫度，直至600秒時停止，並讀取電流表6的電流值；5、利用自編程序(見圖2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；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3、圖4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f。=21.68C平行線距離r=0.026w熱線電流/-4.450A每米熱線的電阻值及。-9.92Q/附熱線單位長度發熱功率g-/2及。-l鄰,41379W/附表1試驗所用混凝土拌合物的具體用量tableseeoriginaldocumentpage10表2—次測暈整理的測試結果tableseeoriginaldocumentpage10權利要求1、一種測定早期混凝土導熱係數、導溫係數的測試裝置，其特徵在於包括試模(1)，電源(5)以及溫度顯示儀(7)，在所述的試模(1)內設置有兩根平行的第一電阻絲(2)、第二電阻絲(3)，所述的電源(5)通過導線(8)與第一電阻絲(2)連接形成迴路，在該迴路上還串聯有一電流表(6)，在第二電阻絲(3)上設置有一熱敏電阻(9)，該熱敏電阻(9)與溫度顯示儀(7)連接。2、根據權利要求1所述的測定早期混凝土導熱係數、導溫係數的測試裝置，其特徵在於在所述的試模(1)的端板還設置有接插件(4)，所述的第一電阻絲(2)和第=電阻絲(3)通過接插件(4)固定在試模(1)內，所述的導線(8)也通過接插件(4)與第一電阻絲(2)連接。3、根據權利要求1所述的測定早期混凝土導熱係數、導溫係數的測試裝置，其特徵在於第一電阻絲(2)的材料為鎳鉻合金、康銅絲或錳銅絲。4、根據權利要求1所述的測定早期混凝土導熱係數、導溫係數的測試裝置，其特徵在於接插件(4)與試模(1)的端板粘結固定，粘合劑為氰基丙烯酸脂粘合劑。5、根據權利要求1所述的測定早期混凝土導熱係數、導溫係數的測試裝置，其特徵在於所述的熱敏電阻(9)通過熱縮套管和氰基丙烯酸脂粘合劑固定在第二電阻絲(3)中部。6、一種採用權利要求1所述的測定早期混凝土導熱係數、導溫係數的測試裝置的測試方法，其特徵在於包括以下步驟第一步、記錄熱敏電阻(9)與第一電阻絲(2)的間距r;第二步、對第一電阻絲(2)通電加熱，採集電流表(6)的電流值/;並按540s的時間間隔採集r,時刻熱敏電阻(9)的溫度《；求出^時刻距2^時刻的溫差《,，7,+1時刻距^時刻的溫差&+1，其中10^iS80;第三步、令Af-^"+《；當2SAf《3時，令Xo-0.6,當l^Af<2時，令x。-0.002;formulaseeoriginaldocumentpage3，及='朋！/當|及-似|5~^時，停止迭代，formulaseeoriginaldocumentpage3輸出jc，式中，y為歐拉常數O0.5772156649);第五步、求導溫係數or、導熱係數義formulaseeoriginaldocumentpage3其中，《一電阻絲(2)每單位長度的發熱功率，^-/2及。，及。為每米第一電阻絲(2)的電阻值。全文摘要本發明公開了一種測定早期混凝土導熱係數、導溫係數的裝置及測試方法，其測定裝置由一個150mm×150mm×300mm的可拆式鋼試模、兩根水平拉直的電阻絲、接插件、一個電流表、直流穩壓電源、熱敏電阻、高精度溫度顯示儀表及若干導線組成。本發明裝置結構簡單，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，同時，本發明裝置適用範圍廣，還可以用於鬆散材料，如水泥和砂子等的導熱、導溫係數測量以及水泥淨漿和水泥砂漿早期導熱係數、導溫係數的測量。文檔編號G01N25/20GK101339149SQ200810122928公開日2009年1月7日申請日期2008年7月2日優先權日2008年7月2日發明者佘小頡,吳勝興,傑李,沈德建申請人:河海大學;江蘇順通建設工程有限公司