專利名稱：一種高精度早期混凝土導(dǎo)溫和導(dǎo)熱系數(shù)同時(shí)測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種同時(shí)測(cè)定早期混凝土導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)的裝置，屬于混凝土建筑領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
土木工程領(lǐng)域中，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)進(jìn)行分析是非常重要的。混凝土在硬化過(guò)程中所釋放的水化熱，或者在其內(nèi)部產(chǎn)生某種程度的溫度梯度，都有可能導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。為了能夠準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)混凝土在這些因素作用下的開(kāi)裂趨勢(shì)，并能夠及時(shí)的預(yù)防混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象的發(fā)生，就必須系統(tǒng)的研究混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)以及比熱， 尤其是在混凝土的早齡期階段，更應(yīng)深入的研究這些熱學(xué)參數(shù)隨齡期變化的規(guī)律。目前測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)及比熱的方法主要分為穩(wěn)態(tài)方法和瞬態(tài)方法兩大類。穩(wěn)態(tài)方法是最早使用的方法，它的普遍特點(diǎn)是操作人員在已知樣品的壁厚上建立溫度梯度，并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。采用熱流法測(cè)量材料導(dǎo)熱系數(shù)請(qǐng)參見(jiàn)2000年9月20日公告的中國(guó)專利第93115076.0 號(hào)揭露的一種測(cè)量材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法及裝置。所述專利揭露的方法及裝置使用方便，測(cè)量成本低。但是，對(duì)于液體或氣體物質(zhì)來(lái)說(shuō)，明顯的溫度改變會(huì)形成對(duì)流傳熱，違背了穩(wěn)態(tài)法的根本出發(fā)點(diǎn)，因此，該方法不適用于測(cè)定液體，氣態(tài)物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)。由于早期混凝土處于半液體狀態(tài)，因此該方法不適用于測(cè)定早期混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，且一次測(cè)量不能同時(shí)測(cè)得導(dǎo)溫系數(shù)。瞬態(tài)方法如熱線法(Hot Wire method),用于測(cè)量高導(dǎo)熱系數(shù)材料和/或在高溫條件下測(cè)量。熱線法又分為單線法、平行線法、熱線比較法、和探針?lè)ㄋ姆N。其中單線法和探針?lè)ǖ脑砘旧弦恢拢皇菧y(cè)試的裝置不同。其原理是直線(即熱線)附近物質(zhì)(熱電偶)的溫升與其導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，導(dǎo)熱系數(shù)
可用下式表達(dá)
^IA^2-B1)其中i力單位長(zhǎng)度熱線發(fā)熱量W/m 為測(cè)量時(shí)刻，可事先確定為爲(wèi)為T(mén)b Ti時(shí)刻對(duì)應(yīng)的溫升。但是，單線法、熱線比較法和探針?lè)ㄔ跍y(cè)量中只能確定材料的導(dǎo)熱系數(shù)，而不能同時(shí)確定導(dǎo)溫系數(shù)。《耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)方法》GB/T17106—1997中提出了采用平行線法測(cè)定耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)，該方法雖然能夠同時(shí)測(cè)定材料的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)，但是該標(biāo)準(zhǔn)中提出的裝置并不適用于測(cè)定早期混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)。2000年6月觀日公告的中國(guó)專利第99214843. X號(hào)揭露的一種無(wú)機(jī)非金屬材料的熱導(dǎo)率測(cè)試裝置也是采用熱線法測(cè)試材料的導(dǎo)熱系數(shù)。[0010]所述熱線法測(cè)試裝置測(cè)量精度高，操作簡(jiǎn)便。但是，該裝置不適用于測(cè)定半液體狀態(tài)材料的導(dǎo)熱系數(shù)，且不能同時(shí)測(cè)定導(dǎo)溫系數(shù)。因此，不適用于同時(shí)測(cè)定早期混凝土導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)。2009年5月27日公告的中國(guó)專利CN200820185222. 5介紹了早期混凝土導(dǎo)溫導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置。此裝置可以同時(shí)測(cè)量早期混凝土導(dǎo)溫和導(dǎo)熱系數(shù)，但由于混凝土的不均勻性，其測(cè)量結(jié)果只能代表熱探針和熱敏電阻溫度計(jì)之間的混合材料的導(dǎo)溫和導(dǎo)熱系數(shù)，并不能精確代表混凝土的導(dǎo)溫和導(dǎo)熱系數(shù)。熱線法應(yīng)用廣泛，可用于對(duì)液體物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定，但是熱線法直接對(duì)熱線通電加熱，對(duì)于自身能導(dǎo)電的液態(tài)物質(zhì)，為保證通過(guò)的電能完全轉(zhuǎn)變成熱能，必須對(duì)熱線做絕緣處理，另外，熱線法中為保證測(cè)定的準(zhǔn)確度要求熱線在測(cè)定過(guò)程中不得變形彎曲，同時(shí)對(duì)熱線加熱功率和溫度的測(cè)量精度要求較高，這些因素增加了熱線法的應(yīng)用難度。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題時(shí)針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種測(cè)定早期混凝土導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)的試驗(yàn)裝置，該裝置自行組裝簡(jiǎn)單，操作方便，試驗(yàn)所需儀器較少，一次測(cè)量能夠同時(shí)測(cè)定導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案一種早期混凝土導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)的測(cè)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(nèi)設(shè)置一根加熱探針和三根不銹金屬桿，所述的電源通過(guò)導(dǎo)線與加熱探針連接形成回路，在該回路上還連接有一電流表，在不銹金屬管上設(shè)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(cè)量加熱探針兩端之間的電壓值。所述的加熱探針由空心不銹金屬管和通過(guò)結(jié)晶氧化鎂粉層固定在該金屬管內(nèi)的電阻絲組成。在所述的試模的兩端板中心處設(shè)置一小孔，所述的加熱探針穿過(guò)此小孔，在熱探針周圍0度、180度和270度方向等距設(shè)置3個(gè)小孔，3根不銹鋼金屬桿分別由其中穿過(guò)，探針和不銹金屬桿均采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(guò)氰基丙烯酸脂粘合劑固定在不銹鋼管中部。本試驗(yàn)裝置根據(jù)平行熱線法原理制成，因此一次測(cè)量能同時(shí)測(cè)定早期混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)。加熱探針選用有效長(zhǎng)度與直徑比大于100的空心不銹鋼管，內(nèi)部的加熱絲采用有效長(zhǎng)度與直徑比大于150的電阻絲，因此完全可把加熱探針當(dāng)作理想線熱源。 加熱探針內(nèi)部的電阻絲表面的絕緣處理采用環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)熱膠，環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)熱膠的優(yōu)點(diǎn)在于較高的導(dǎo)熱性能，因此能夠快速的把熱線產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去。另外，環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)熱膠固化快且與熱線表面的粘結(jié)強(qiáng)度高。電阻絲與空心鋼管之間的空隙采用結(jié)晶氧化鎂粉填充密實(shí)。結(jié)晶氧化鎂粉的優(yōu)點(diǎn)在于導(dǎo)熱性能好并且絕緣，因此，能夠保證加熱探針內(nèi)部的電阻絲與空心不銹鋼管的內(nèi)壁保持絕緣。為保證熱線加熱功率的穩(wěn)定，故采用高精度的直流穩(wěn)壓電源，同時(shí)采用精度為1/1000的電流表對(duì)流經(jīng)熱線的電流進(jìn)行測(cè)定，保證熱線加熱功率計(jì)算的準(zhǔn)確性。溫度測(cè)量中采用的溫度傳感器為Ptl00，l/;3B級(jí)熱敏電阻。熱敏電阻在測(cè)溫領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，具有高穩(wěn)定性、精密、小尺寸以及溫度響應(yīng)速度快且不需要冷端補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。測(cè)量中結(jié)合高精度的溫度巡檢儀，分辨能力達(dá)到了 0.01°C，保證了測(cè)試過(guò)程中所測(cè)溫度的精度。同現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)1、適用于硬化和早期混凝土導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)的測(cè)定，結(jié)果準(zhǔn)確；2、測(cè)試過(guò)程中溫升小、時(shí)間短，測(cè)定的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)可認(rèn)為是指定溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)；3、測(cè)量所需儀器少；4、自行組裝測(cè)量裝置方便、快速、簡(jiǎn)單。

圖1為本實(shí)用新型測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1的A-A剖面圖。圖3為加熱探針的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本實(shí)用新型測(cè)試方法的迭代流程圖圖5為本實(shí)用新型測(cè)試方法下導(dǎo)熱系數(shù)隨齡期增長(zhǎng)的變化圖。圖6為本實(shí)用新型測(cè)試方法下導(dǎo)溫系數(shù)隨齡期增長(zhǎng)的變化圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型裝置作進(jìn)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，在兩端板中心處鉆取1個(gè)小孔，小孔的直徑和加熱探針2和不銹鋼管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度方向分別鉆取3個(gè)小孔，小孔的直徑和加熱探針 2和不銹鋼金屬桿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 和不銹鋼金屬桿3穿過(guò)試模的小孔，并采用氰基丙烯酸脂粘合劑進(jìn)行固定。電源4通過(guò)導(dǎo)線7與加熱探針2連接形成回路，在該回路上還連接有一電流表5，在3個(gè)不銹金屬桿3上分別設(shè)置有一熱敏電阻8，熱敏電阻8通過(guò)氰基丙烯酸脂粘合劑固定在不銹鋼管3中部，熱敏電阻8與高精度溫度巡檢儀6連接，測(cè)量時(shí)，在熱探針2兩端點(diǎn)連接一個(gè)電壓表，測(cè)量熱探針上下測(cè)點(diǎn)之間的電壓值。加熱探針2由空心不銹金屬管21和通過(guò)結(jié)晶氧化鎂粉層23 固定在該金屬管21內(nèi)的電阻絲22組成。加熱探針2的制作方法是，預(yù)先將電阻絲拉直并處于繃緊的狀態(tài)，然后將環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)熱膠均勻的涂在電阻絲的表面，待其完全固化后，將不銹鋼空心鋼管套入電阻絲，并把結(jié)晶氧化鎂粉填充進(jìn)電阻絲和空心管的空隙中，直到填滿為止。然后再利用環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)熱膠將探針的兩個(gè)端頭進(jìn)行密封，以防止結(jié)晶氧化鎂粉發(fā)生滲漏現(xiàn)象。最后，準(zhǔn)確測(cè)量加熱探針的有效加熱長(zhǎng)度。在鋼試模1內(nèi)分別設(shè)置一根加熱探針2和三根不銹金屬管3，并且互相平行設(shè)置。加熱探針2和不銹鋼管3穿過(guò)鋼試模端板上的兩個(gè)小孔，并通過(guò)氰基丙烯酸脂粘合劑固定在鋼試模1內(nèi)。將PT100熱敏電阻8通過(guò)氰基丙烯酸脂粘合劑固定在不銹金屬管3的中部。將待測(cè)的新拌混凝土裝入鋼試模1后，利用鋁箔紙將裝置的上表面密封，以防止水份的散失，然后把整個(gè)測(cè)試裝置放入溫度穩(wěn)定的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)。待混凝土內(nèi)部的溫度與室內(nèi)溫度達(dá)到平衡后即可開(kāi)始進(jìn)行測(cè)量。接通直流穩(wěn)壓電源4對(duì)加熱探針2進(jìn)行加熱，同時(shí)開(kāi)始記錄溫度及對(duì)應(yīng)的時(shí)間。測(cè)量過(guò)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(shí)停止，并讀取電流表6的電流值i。[0030]假設(shè)在T1 Γ時(shí)刻，距加熱探針2距離為f處所測(cè)得的溫差為^ ;在1
距加熱探針2距離為r處所測(cè)得的溫差力(則B1、馬可由下式確定
'時(shí)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(dǎo)熱系數(shù)，是混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)，鳥(niǎo) 1a
分，可近似的用如下形式的級(jí)數(shù)確定
/ — \
是一個(gè)指數(shù)積 令;P
4 QT
，則有
(5)
Ei(X) - -y -In χ -y]-
■If xs
朋!式中> 力歐拉常數(shù)(=0. 5772156649)。公式(4)可簡(jiǎn)化為
柳) Si(X)
M根據(jù)式(6)可知，若求得比值ι，就可以確定的值。由于式和馬(X)是隱函數(shù)，無(wú)法直接求解出; 值，因此必須利用級(jí)數(shù)展開(kāi)式，通過(guò)具體的數(shù)值計(jì)算求
出。只要計(jì)算出λ的值，便可得出Ij(X)的值，由此確定混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)。具
體的計(jì)算公式如下 其中[0043]
JJJ Ul(9)q- L式(7)中一導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/(m· V )；^一加熱探針(2)每單位長(zhǎng)度的發(fā)熱功率，單位W/m ；式(8)中，—導(dǎo)溫系數(shù)，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(cè)點(diǎn)間的電壓，單位V ；L 一為熱探針2上兩測(cè)點(diǎn)間的距離，單位m ；其中的算法流程框圖見(jiàn)圖3:第一步輸入?yún)?shù)f、r、T1Haj ；第二步計(jì)算Af值；
時(shí)，X0 =0.002 ； ,賦值 X = X0 ， 求
時(shí)，停止迭代，輸出，
/ -γ- '-ι^--- IiJ-Mi^
/1 朋丨11 IO5T第五步根據(jù)公式(5)、(7)和(8)計(jì)算各傳感器處混凝土導(dǎo)溫導(dǎo)熱系數(shù)，最后計(jì)算其平均值，即為混凝土導(dǎo)溫導(dǎo)熱系數(shù)。具體測(cè)定方法是結(jié)合本裝置，對(duì)水灰比為0. 3的混凝土材料進(jìn)行了導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)的測(cè)定，混凝土拌合物配合比詳見(jiàn)表1。測(cè)定按以下步驟進(jìn)行，1、將拌合的混凝土裝入試模1中，然后把整個(gè)裝置放入溫度穩(wěn)定的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。同時(shí)，在試模上表面利用鋁箔紙進(jìn)行密封處理，以避免環(huán)境濕度對(duì)早期混凝土導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響；2、待混凝土試件內(nèi)部的溫度與環(huán)境溫度達(dá)到平衡時(shí)，即可進(jìn)行測(cè)量。溫度達(dá)到平衡時(shí)的判斷依據(jù)是，在10分鐘內(nèi)混凝土內(nèi)部的溫度波動(dòng)不大于0. 050C ；3、接通高精度直流穩(wěn)壓電源4，同時(shí)利用高精度溫度巡檢儀6開(kāi)始記錄溫度及對(duì)應(yīng)的時(shí)間；4、一次測(cè)量過(guò)程中，高精度溫度巡檢儀同時(shí)測(cè)量三個(gè)熱敏電阻的溫度，200ms/通道，每隔15秒鐘記錄一次三通道(三個(gè)溫度傳感器)的溫度值，直至450秒時(shí)停止，并讀取電流表5的電流值；5、利用自編程序(見(jiàn)圖4流程圖)根據(jù)步驟4記錄的時(shí)間和對(duì)應(yīng)的溫度值，計(jì)算混凝土在該齡期的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)；第三步判斷，當(dāng)<3時(shí)， =0.6，當(dāng)1 <2第四步，迭代令 4 = + ^
-γ-h. JT-玄(1) ,/
及—！ 朋丨/
‘/」二(看當(dāng).[0063]6、表2給出了該混凝土在齡期為2. 5小時(shí)，一次測(cè)量所得到的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)；7、圖5、圖6分別給出了該混凝土在齡期180小時(shí)內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)的發(fā)展變化圖。試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(zhǎng)度發(fā)熱功率力=咢=103.33
L·表1 試驗(yàn)所用混凝土拌合物的具體用量
水泥粉煤灰磨細(xì)礦渣減水劑水石砂42040407. 51551100650混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，水泥是P. 052. 5水泥，粉煤灰為II級(jí)，磨細(xì)礦渣為S95 ；外加劑是JM- VDI緩凝、泵送型高效減水劑，占膠凝材料的1. 5% ；石子粒徑范圍在5-31. 5之間， 砂的細(xì)度模數(shù)2.7。
權(quán)利要求1.一種早期混凝土導(dǎo)溫和導(dǎo)熱系數(shù)同時(shí)測(cè)量裝置，其特征在于包括試模(1)，電源 (4 )、電壓表以及溫度巡檢儀(6 )，在所述的試模(1)內(nèi)設(shè)置一根加熱探針(2 )和三根不銹鋼金屬桿(3)，所述的電源(4)通過(guò)導(dǎo)線(7)與加熱探針(2)連接形成回路，在該回路上還連接有一電流表(5)，在三根不銹金屬桿(3)上分別設(shè)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(cè)量加熱探針(2 )兩端之間的電壓值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的早期混凝土導(dǎo)溫和導(dǎo)熱系數(shù)同時(shí)測(cè)量裝置，其特征在于所述的加熱探針(2)由空心不銹金屬管(21)和通過(guò)結(jié)晶氧化鎂粉層(23)固定在該金屬管 (21)內(nèi)的電阻絲(22)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的早期混凝土導(dǎo)溫和導(dǎo)熱系數(shù)同時(shí)測(cè)量裝置，其特征在于在所述的試模(1)的兩端板上設(shè)置有小孔，所述的加熱探針(2)和不銹鋼管(3)分別穿過(guò)鋼試模(1)端板上的小孔，并采用氰基丙烯酸脂粘合劑進(jìn)行固定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的早期混凝土導(dǎo)溫和導(dǎo)熱系數(shù)同時(shí)測(cè)量裝置，其特征在于所述的熱敏電阻(8 )通過(guò)氰基丙烯酸脂粘合劑固定在不銹鋼管(3 )中部。
專利摘要本實(shí)用新型裝置公開(kāi)了一種早期混凝土導(dǎo)溫和導(dǎo)熱系數(shù)同時(shí)測(cè)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(nèi)設(shè)置一根加熱探針和三根不銹金屬桿，所述的電源通過(guò)導(dǎo)線與加熱探針連接形成回路，在該回路上還連接有一電流表，在三根不銹金屬桿上分別設(shè)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銹金屬管和通過(guò)結(jié)晶氧化鎂粉層固定在該金屬管內(nèi)的電阻絲組成。本實(shí)用新型裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆卸方便，所需材料及儀器少，測(cè)量精度高，不僅適用于科研，而且適用于施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)早期混凝土導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)的測(cè)定。
文檔編號(hào)G01N25/20GK201955318SQ20112000587
公開(kāi)日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2011年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月11日
發(fā)明者吳勝興, 欒澔, 沈德建, 沈德飛, 程意國(guó), 魏珍中 申請(qǐng)人:南京宇翔建設(shè)發(fā)展有限公司, 河海大學(xué)