一种新拌混凝土振捣作用下流变性能测试装置及其使用方法

1.本发明涉及新拌混凝土整体稳定性与均匀性测试领域，具体是一种新拌混凝土振捣作用下流变性能测试装置及其使用方法。


背景技术：

2.混凝土是土木工程中最广泛使用的人工复合材料。随着现代科学技术和经济的不断发展，各类建筑形式不断涌现，高层、大跨度结构对混凝土材料的性能要求也逐渐提高。在实际工程中，使用新拌混凝土浇筑构件时，通常需要插入式振捣棒进行振捣排出气泡使混凝土材料密实填充在模具中。新拌混凝土在振捣作用下，振捣半径内的浆体会与外围浆体呈现不同的流变特性。由于距离振源较近，振捣半径内的浆体受到振动所产生的高速剪切作用，其屈服应力和塑性粘度大幅度降低，出现“液化”现象。振捣作用有助于排除气泡，使混凝土均匀密实，提高其硬化后的力学性能以及耐久性能。但是，当振捣棒在混凝土的某一位置振动时间过长或振动位置过近时，混凝土极易产生离析。混凝土离析是由于混凝土各组分之间的粘聚力不足造成的，通常表现为粗骨料和砂浆两组分之间相互分离。较大粒径的粗骨料在自重和振动作用下发生下沉，造成不同高度的混凝土质量产生差异。过振引起离析会使混凝土强度大幅度下降，严重影响混凝土结构的承载能力，降低结构的安全性能和耐久性能。因此，确定新拌混凝土在振捣作用下的流变性能具有极为重要的意义。目前，国内外对新拌混凝土在振动条件下的流变性能的测试和评价方法极为有限。比如：采用振动流变仪测定振动后新拌混凝土的流变性能。该方法仅能测试新拌混凝土整体受振后的流变性能，无法测试距离振源不同位置处新拌混凝土的流变性能变化，难以反映实际工程情况。


技术实现要素：

3.本发明是为了解决现有新拌混凝土流变性能测试方法所存在的无法实现对振捣作用下对距离振源不同位置处新拌混凝土的流变参数进行精确测定的问题，提供了一种新拌混凝土振捣作用下流变性能测试装置及其使用方法。
4.本发明一种新拌混凝土振捣作用下流变性能测试装置由框架、驱动单元、测试单元和通讯单元组成；所述框架为立方体固定支架，所述框架的上部设置有顶边特殊支架，所述框架的下部设置有底边特殊支架；所述驱动单元由电机、升降台、联轴器、旋线器、光轴、轴承支座和控制箱组成，所述升降台置于框架的外侧，电机固定在升降台上，所述光轴的两端分别通过轴承支座支撑，所述光轴与电机通过联轴器相连，且保持水平；所述光轴上等距设置多个旋线器，所述轴承支座设置在底边特殊支架上；所述控制箱与电机通过导线连接，用于控制电机；所述测试单元由螺杆、高精度拉力传感器、滑轮组件、细线、小球、容器、插入式振捣棒和移动底座组成；等距设置的多个旋线器上方设置有相对应的滑轮组件，所述滑轮组件分别通过螺杆固定在顶边特殊支架上，所述螺杆上均设置有高精度拉力传感器，所述细线穿过滑轮组件一端固定于旋线器，另一端与小球相连；所述容器为上端开口的中空
容器，所述容器放置在移动底座上，所述插入式振捣棒竖直设置在容器一端；所述通讯单元由数据传输线、多通道通讯模块、usb-485转换器和usb插头组成；所述多通道通讯模块与高精度拉力传感器通过数据传输线相连，所述多通道通讯模块通过导线与usb-485转换器相连，所述usb-485转换器上设置有usb插头。
5.本发明一种新拌混凝土振捣作用下流变性能测试装置的使用方法是按以下步骤进行：
6.一、将usb插头接入计算机，初始时小球在空气中静止，此时对高精度拉力传感器力值清零；
7.二、拉出移动底座，将待测的新拌混凝土样品均匀地装满容器；
8.三、推入移动底座，提起小球落入新拌混凝土样品中，调整移动底座位置使小球始终处于容器中轴线上，制动移动底座使之位置保持不变；
9.四、接通220v交流电源，按下控制箱电源开关，设置多个变速器转速档位，调节变速器至初始设置的转速档位；
10.五、按下控制箱的上升按钮，电机通过光轴带动旋线器旋转，通过细线传动将小球从新拌混凝土样品中匀速拉出；
11.六、小球拉出新拌混凝土样品上表面后立即按下控制箱的暂停按钮，计算机保存拉出过程高精度拉力传感器的力值变化；
12.七、按下控制箱的下降按钮，使小球下降至初始位置，并使其始终处于容器的中轴线上；
13.八、调节控制箱的变速器至下一个设置的转速档位，对高精度拉力传感器力值清零；
14.九、重复步骤5至步骤8，直到完成所有设置的转速档位测试；
15.十、根据不同转速下高精度拉力传感器所测定的力值绘制剪切应力-剪切速率曲线，拟合得到所需要的流变模型对应的流变参数。
16.本发明的优点：
17.采用本发明的装置，能够便捷且精确地测定距离振源不同位置处不同配合比的新拌混凝土的流变性能。该测试过程中插入式振捣棒的振捣时间、振捣频率等可以任意设定，小球所测试的新拌混凝土区域可以任意调整，电机转速可根据流变参数拟合需要进行调节，可用于试验研究和实际工程测试。该测试装置工作原理简单、操作便捷、测试精度高、适用范围广。
附图说明
18.图1为新拌混凝土振捣作用下流变性能测试装置的结构示意图；
19.图2为容器内的侧视图；
20.图3为实施例中振捣实验结果对比曲线；其中a段为静止于砂浆阶段、b段为加速阶段、c段为匀速阶段、d段为通过气-液界面阶段、e段为静止于空气中阶段；1为小球距离插入式振捣棒100mm、2为小球距离插入式振捣棒100mm、3为小球距离插入式振捣棒100mm、4为小球距离插入式振捣棒100mm；
21.图4为实施例中振捣实验剪切应力与剪切速率的关系图；其中1为小球距离插入式
振捣棒100mm、2为小球距离插入式振捣棒100mm、3为小球距离插入式振捣棒100mm、4为小球距离插入式振捣棒100mm。
具体实施方式
22.具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式一种新拌混凝土振捣作用下流变性能测试装置由框架1、驱动单元、测试单元和通讯单元组成；所述框架1为立方体固定支架，所述框架1的上部设置有顶边特殊支架，所述框架1的下部设置有底边特殊支架；所述驱动单元由电机17、升降台18、联轴器20、旋线器7、光轴8、轴承支座9和控制箱15组成，所述升降台18置于框架1的外侧，电机17固定在升降台18上，所述光轴8的两端分别通过轴承支座9支撑，所述光轴8与电机17通过联轴器20相连，且保持水平；所述光轴8上等距设置多个旋线器7，所述轴承支座9设置在底边特殊支架上；所述控制箱15与电机17通过导线连接，用于控制电机17；所述测试单元由螺杆2、高精度拉力传感器3、滑轮组件4、细线5、小球21、容器6、插入式振捣棒19和移动底座10组成；等距设置的多个旋线器7上方设置有相对应的滑轮组件4，所述滑轮组件4分别通过螺杆2固定在顶边特殊支架上，所述螺杆2上均设置有高精度拉力传感器3，所述细线5穿过滑轮组件4一端固定于旋线器7，另一端与小球21相连；所述容器6为上端开口的中空容器，所述容器6放置在移动底座10上，所述插入式振捣棒19竖直设置在容器6一端；所述通讯单元由数据传输线11、多通道通讯模块12、usb-485转换器13和usb插头14组成；所述多通道通讯模块12与高精度拉力传感器3通过数据传输线11相连，所述多通道通讯模块12通过导线与usb-485转换器13相连，所述usb-485转换器13上设置有usb插头14。
23.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述控制箱15包括智能数显调速器和按钮开关。其它与具体实施方式一相同。
24.控制箱与电机通过导线连接，用于控制电机开关、调节转速、暂停、正转及反转等。
25.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述控制箱15外接220v交流电源16。其它与具体实施方式一或二相同。
26.具体实施方式四：本实施方式一种新拌混凝土振捣作用下流变性能测试装置的使用方法是按以下步骤进行：
27.一、将usb插头14接入计算机，初始时小球21在空气中静止，此时对高精度拉力传感器3力值清零；
28.二、拉出移动底座10，将待测的新拌混凝土样品均匀地装满容器6；
29.三、推入移动底座10，提起小球21落入新拌混凝土样品中，调整移动底座10位置使小球始终处于容器6中轴线上，制动移动底座10使之位置保持不变；
30.四、接通220v交流电源16，按下控制箱15电源开关，设置多个变速器转速档位，调节变速器至初始设置的转速档位；
31.五、按下控制箱15的上升按钮，电机17通过光轴8带动旋线器7旋转，通过细线5传动将小球21从新拌混凝土样品中匀速拉出；
32.六、小球21拉出新拌混凝土样品上表面后立即按下控制箱15的暂停按钮，计算机保存拉出过程高精度拉力传感器3的力值变化；
33.七、按下控制箱15的下降按钮，使小球21下降至初始位置，并使其始终处于容器6
的中轴线上；
34.八、调节控制箱15的变速器至下一个设置的转速档位，对高精度拉力传感器3力值清零；
35.九、重复步骤5至步骤8，直到完成所有设置的转速档位测试；
36.十、根据不同转速下高精度拉力传感器3所测定的力值绘制剪切应力-剪切速率曲线，拟合得到所需要的流变模型对应的流变参数。
37.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤一中所述待测的新拌混凝土样是水胶比为0.4、胶砂比为1:2、聚羧酸类高效减水剂掺量为0.8％的新拌混凝土砂浆。其它与具体实施方式四相同。
38.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五不同的是：步骤二中所述小球21的半径为20mm，重力加速度g取9.81m/s2。其它与具体实施方式四或五相同。
39.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是：步骤四中所述变速器转速档位设置分别为1240rpm、1140rpm、1000rpm、728rpm和510rpm。其它与具体实施方式四至六之一相同。
40.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四至七之一不同的是：步骤四中所述初始设置的转速档位为1240rpm。其它与具体实施方式四至七之一相同。
41.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四至八之一不同的是：步骤五中所述光轴8的直径为100mm。其它与具体实施方式四至八之一相同。
42.具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式四至九之一不同的是：步骤六中小球21拉出位置低于滑轮组件4下端。其它与具体实施方式四至九之一相同。
43.通过以下实施例验证本发明的有益效果：
44.一种新拌混凝土振捣作用下流变性能测试装置的使用方法是按以下步骤进行：
45.将usb插头14接入计算机，初始时小球21在空气中静止，此时对高精度拉力传感器3力值清零；
46.拉出移动底座10，将待测的新拌混凝土样品均匀地装满容器6；所述待测的新拌混凝土样是水胶比为0.4、胶砂比为1:2、聚羧酸类高效减水剂掺量为0.8％的砂浆；测试时砂浆温度为24.1℃；
47.推入移动底座10，提起小球21落入新拌混凝土样品中，调整移动底座10位置使小球始终处于容器6中轴线上，制动移动底座10使之位置保持不变；所述小球21的半径为20mm，重力加速度g取9.81m/s2；
48.接通220v交流电源16，按下控制箱15电源开关，变速器转速档位设置分别为1240rpm、1140rpm、1000rpm、728rpm和510rpm。调节变速器至初始设置的转速档位1240rpm。按下控制箱15的上升按钮，电机17通过联轴器20、光轴8、旋线器7、细线5和滑轮4等将小球21从新拌混凝土中匀速拉出。小球21拉出新拌混凝土上表面后立即按下控制箱15的暂停按钮，切勿使小球21高度超过滑轮4下端，计算机保存拉出过程传感器3的力值变化。按下控制箱15的下降按钮，使小球21下降至初始位置，并使其始终处于容器6的中轴线上。依次调节控制箱15的变速器至1140rpm、1000rpm、728rpm和510rpm，每个速度按照上述相同方法测定力值。
49.完成所有转速测试后，进行数据处理。当电机17转速为728rpm，经减速箱减速实际
转速为79.3rpm，光轴8直径为100mm，小球21实际拉出速度v为0.0415m/s。小球半径r为20mm。重力加速度g取9.81m/s2。测试时待测新拌混凝土温度为24.1℃。如图3所示，图中力的正号表示压力，负号表示拉力。时间0时刻表示小球开始拉动的瞬间。小球拉出可分为5个阶段：a段为静止于砂浆阶段；b段为加速阶段；c段为匀速阶段；d段为通过气-液界面阶段；e段为静止于空气中阶段。其中，匀速阶段为小球在力平衡状态下从浆体中被匀速拉出的阶段，因此，根据滑轮组及小球受力分析可知，阶段(1)的力值平均值与阶段(3)力值的平均值之差等于拉出力f
drag
的2倍。
50.计算所设定的不同速度下所有小球的拉出力f
drag
。剪切应力σ
∝fdrag
/r2，剪切速率ν
∝
v/r，因此将f
drag
/r2作为剪切应力的度量，将v/r作为剪切速率的度量，绘制二者关系图，如图4所示。对不同距离的小球曲线进行拟合，拟合根据所选定的流变本构模型。如线性拟合选用宾汉姆模型，非线性拟合选用赫谢尔-巴克利模型或幂律模型等。例如，采用宾汉姆模型进行线性拟合，其本构方程如下：
51.τ＝τ0+μγ'，τ≥τ0；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ①
52.γ'＝0，τ＜τ0；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ②
；
53.式中τ——剪切应力(pa)；τ0——屈服剪切应力(pa)；μ——塑性粘度(pa
·
s)；γ'——剪切速率(s-1
)。
54.因此拟合直线与纵轴截距即为屈服剪切应力的度量，斜率即为塑性粘度的度量。由图2可知，振动引起新拌混凝土的屈服剪切应力和塑性粘度降低。沿径向距离振源越近，降低程度越大，振捣作用越明显。如本例中距离振源100mm和200mm处的新拌混凝土可判断处于振捣作用半径范围内的“液化区”，屈服剪切应力降低至几乎为0，塑性粘度降低；距离振源300mm和400mm处的新拌混凝土可判断处于振捣作用半径范围外，受振动影响相对较小，但屈服剪切应力和塑性粘度依然有所降低。