水泥基材料流动过程的精密监测装置、及水泥基材料流动性能的表征方法与流程

1.本发明属于水泥基材料的工作性能测试技术领域，具体来讲，涉及一种水泥基材料流动过程的精密监测装置、以及基于该精密监测装置的水泥基材料流动性能的表征方法。


背景技术：

2.现代混凝土显著的特点是在满足工程结构对于力学性能要求的同时具有高耐久性、高体积稳定性以及优异的工作性能。工作性能是流动性、保水性和粘聚性的统一，是混凝土工程质量保证的先决条件。混凝土是由固、液、气组成的三相，伴随着其中水泥的水化过程，混凝土的工作性能又呈现出与时间相关。因此，准确、快速评价混凝土的工作性能对混凝土施工有着重要的意义。工程实践中主要通过净浆、砂浆或混凝土流动度或扩展度来表征混凝土的工作性能。然而，随着矿物掺合料和聚羧酸减水剂的应用，具有流动度的净浆、砂浆或混凝土，其粘度以及和易性差异巨大。因此，仅从终态的流动度或扩展度来评价混凝土工作性能存在明显的不足。
3.因此，对混凝土的流动过程提供实时、精密的监测，并提供流动过程中的性能表征，才能更为准确地评价该混凝土的工作性能。


技术实现要素：

4.本发明的发明人在大量实验的实操过程中发现，水泥基材料的流动过程与浆体本身的流变性能密切相关。水泥浆体的流动过程是受到重力剪切作用的流动过程，其流动速率受到剪切力和粘度的控制，是一种剪切力逐渐降低的过程，初始阶段(5s以内)剪切力最大，不同类型的浆体在该阶段表现出的流动速度差异最为明显，因此精确测试初始阶段的流动速度具有重要的意义，能够科学地评价浆体的流变学特征。然而水泥基材料流动度的测试过程需要人工提起试模，该过程大约需要3s～10s的时间，现有的技术手段无法完整地记录该阶段的流动过程。此外，操作过程中难以避免出现试模倾斜，浆体流动呈现不规则的非圆形扩展，因此通过测试直径的方法存在流动度测试不准的问题。
5.为解决上述现有技术存在、以及测试经验总结的问题，本发明提供了一种水泥基材料流动性能的精密监测装置，该精密监测装置可实时监测水泥基材料的流动过程，并且对于非常临近初始时刻的流动状态仍能起到监测的目的，能够更为精确地反应水泥基材料的流动过程随时间的变化趋势。
6.为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
7.一种水泥基材料流动过程的精密监测装置，其包括用于承载流动度试模的工作台以及位于所述工作台下方的检测组件；其中，所述工作台包括半透明平台、用于支撑并调控所述半透明平台呈水平的调节支架、以及用于检测所述半透明平台水平度的水平仪；所述检测组件包括位于所述半透明平台下的摄像机以及用于支撑并调整所述摄像机的高度的
升降台；所述调节支架和所述升降台的调整范围为使得所述摄像机的录制范围将所述半透明平台完全纳入。
8.进一步地，所述半透明平台由厚度大于5mm的钢化玻璃制成。
9.进一步地，所述半透明玻璃的透光率为60％～80％。
10.进一步地，所述摄像机为数码摄像机、高清摄像头或智能手机。
11.本发明的另一目的还在于提供了一种水泥基材料流动性能的表征方法，其基于上述的精密监测装置进行，所述表征方法包括下述步骤：
12.s1、采用如上任一所述的精密监测装置录制水泥基材料的自由流动扩展过程，生成流动扩展视频；
13.s2、采用二值化处理结合流动度面积映射计算法处理所述流动扩展视频，获取所述水泥基材料在不同时刻的流动度，绘制所述水泥基材料的流动过程曲线；
14.s3、将所述流动过程曲线拟合为下式1所示的方程：
15.r
t-r0＝(r
g-r0)[1-exp(-ktn)]
ꢀꢀꢀ
式1
[0016]
在式1中：t为时间，单位为s；r0为试模的下底面外径，单位为mm；r
t
为t时刻水泥基材料流动度的值，单位为mm；rg为水泥基材料的拟合最终流动度，单位为mm；k为流变性能参数，单位为s-n
；n为铺展指数，无量纲；
[0017]
s4、由所述式1获取流变性能参数k和铺展指数n的值，并计算n/k的比值；
[0018]
其中，所述n/k的比值越小，表明所述水泥基材料在初始阶段的流速越快，所述水泥基材料的粘度越低。
[0019]
进一步地，所述步骤s2的具体方法为：
[0020]
s21、通过计算机程序按照0.1s的间隔提取所述流动扩展视频中的图像；
[0021]
s22、将获得的每一帧图像进行二值化处理，获得清晰的二值化图像；
[0022]
s23、以即将提起所述流动度试模时的第一帧图像作为0时刻的基准二值化图像，分别计算所述基准二值化图像和t时刻的二值化图像中像数为零部分的面积，分别作为所述水泥基材料的基准流动度面积和t时刻流动度面积；
[0023]
s23、将所述t时刻流动度面积与所述基准流动度面积进行线性映射计算，获得所述水泥基材料的t时刻流动度；
[0024]
s24、将每一时刻流动度随时间的变化作图，获得所述流动过程曲线。
[0025]
进一步地，所述步骤s1的具体方法为：
[0026]
s11、采用所述调节支架支撑并调整所述半透明平台的高度，并使用所述水平仪测试直至所述半透明平台达到水平状态；
[0027]
s12、调整所述升降台的高度，以使所述摄像机的录制范围恰好完全将所述半透明平台的大小容纳进画面；
[0028]
s13、开启所述摄像机并将所述流动度试模提起，将所述流动度试模提起后的水泥基材料自由流动扩展的过程进行录制，直至所述水泥基材料不再流动，结束录制，获得所述流动扩展视频。
[0029]
本发明通过以半透明平台作为水泥基材料流动性操作平台，并通过在其下方安置摄像机来全程录制水泥基材料在去除试模后流动扩展的过程，该位置设置一方面可完全避免手动去除试模时，操作手位于一般摄像设备与水泥基材料之间时所带来的阴影而影响对
流动度状态图片的二值化处理，由此在去除试模的过程中将无法获取对应流动度状态图片，此阶段的水泥基材料的流动性能即无法得以监控；另一方面也可避免基于前述操作手带来的遮挡问题，在去除试模的过程中只能采集到水泥基材料流动扩展形成的圆形的直径参数，即只能以此数据表征流动度，而必然存在的结果不准确的弊端。
[0030]
本发明提供的该水泥基材料流动性能的表征方法，通过对本发明的精密监测装置录制的水泥基材料的流动扩展视频进行图像分析，并结合二值化处理及流动度面积映射计算法，可获取该水泥基材料的流动过程曲线，继而通过数值分析和拟合可以得到浆体的流动度随时间变化的方程，其中的方程参数可用于定量表征水泥基材料的流变学特征。该表征方法基于前述精密监测装置的完全全程录制自由扩展过程，一方面可获取初始自由扩展数据，能够精密表征不同水泥基材料的过程性能，另一方面采用面积映射计算法获取流动度数据，也避免了现有技术中采用圆形直径/半径测量法所存在的测量不准问题，该测量及表征方法克服了流动度试模提起过程用力不平衡等造成的不利影响。
[0031]
基于本发明提供的精密监测装置及其对应的表征方法，能够精确地分析由胶凝材料、化学外加剂、水灰比等因素导致的浆体流动性能的变化，可用于水泥基材料流变性能的精确测试。
附图说明
[0032]
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
[0033]
图1是根据本发明的精密监测装置的结构示意图；
[0034]
图2是根据本发明的精密监测装置采集到的浆体流动度图像；
[0035]
图3是图2中流动度图像的二值化图像；
[0036]
图4是根据本发明的水泥基材料流动性能的表征方法应用于不同水灰比砂浆时的流动过程曲线图；
[0037]
图5是根据本发明的水泥基材料流动性能的表征方法应用于含不同矿物掺合料的净浆时的流动过程曲线图；
[0038]
图6是根据本发明的水泥基材料流动性能的表征方法应用于含不同外加剂的砂浆时的流动过程曲线图；
[0039]
图7是根据本发明的水泥基材料流动性能的表征方法应用于自密实混凝土的流动过程曲线图。
具体实施方式
[0040]
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。
[0041]
需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的
过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0042]
在本技术中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
[0043]
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
[0044]
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0045]
具体参照图1，本发明提供的水泥基材料流动过程的精密监测装置包括用于承载流动度试模a的工作台1以及位于该工作台1下方的检测组件2。
[0046]
具体来讲，工作台1包括半透明平台11、用于支撑并调控该半透明平台11呈水平的调节支架12、以及用于检测半透明平台11水平度的水平仪13；而检测组件2则包括位于半透明平台11下的摄像机21以及用于支撑并调整摄像机21的高度的升降台22。
[0047]
摄像机21用于录制水泥基材料在去除试模a后的完整自由流动扩展过程，因此对调节支架12和升降台22的调整范围的要求为使得摄像机21的录制范围将半透明平台11完全纳入。
[0048]
为了保证半透明平台11的刚度从而确保试验的准确性，该半透明平台11优选由厚度大于5mm的钢化玻璃制成，其透光率应在60％～80％之间，以降低操作人员和环境对图像的影响。同时，光滑湿润的玻璃表面对扩展更为有利。
[0049]
图1中示意出了试模a的去除过程，其中b表示已经开始扩展的水泥基材料。
[0050]
在该精密监测装置中，摄像机21可以是数码摄像机、高清摄像头或智能手机等任意能够清晰录制的电子设备。
[0051]
基于本发明提供的前述精密监测装置，其可以对水泥基材料的流动性能进行测试和表征，具体参照下述方法：
[0052]
第一步，采用本发明提供的精密监测装置录制水泥基材料的自由流动扩展过程，生成流动扩展视频。
[0053]
具体来讲，参照下述步骤进行：1)通过调节支架支撑12并调整半透明平台11的高度，并使用水平仪13测试该半透明平台11是否达到水平状态；同时调整升降台22的高度，以使摄像机21的录制范围恰好完全将半透明平台11的大小容纳进画面；2)开启摄像机21并将流动度试模a提起，将流动度试模a提起后其内部的水泥基材料b自由流动扩展的过程进行录制，直至该水泥基材料b不再流动，结束录制，获得该水泥基材料的流动扩展视频。
[0054]
以上对于试模的提起方法可采用现有技术中任意水泥净浆或水泥砂浆流动度测试方法中所述，以使水泥基材料的浆体在重力作用下自由流动扩展。
[0055]
第二步，处理所记录的流动扩展视频，获得流动过程曲线。
[0056]
具体来讲，首先，通过计算机程序按照0.1s的间隔提取视频中的图像；然后将获得的每一帧图像进行二值化处理(参见图2所示)，通过改变二值化的阈值调整图像的对比度，获得清晰的二值化图像(参见图3所示)；第三步，以即将提起试模时的第一帧图像作为0时刻的基准二值化图像，分别计算基准二值化图像和t时刻的二值化图像中像数为零部分的面积，作为该水泥基材料的基准流动度面积和t时刻流动度面积；第四步，将t时刻流动度面积与基准流动度面积进行线性映射计算即可获得该水泥基材料的t时刻流动度；最后，将每一时刻流动度随时间的变化作图，即可得到该水泥基材料的流动过程曲线。
[0057]
第三步，将流动过程曲线拟合为下式1所示的方程，获取流变性能参数k和铺展指数n的值，以n/k的大小来评估该水泥基材料的粘度大小。
[0058]
具体来讲，n/k的比值越小，表明该水泥基材料在初始阶段的流速越快，反映出该水泥基材料的粘度越低。
[0059]rt-r0＝(r
g-r0)[1-exp(-ktn)]
ꢀꢀꢀ
式1
[0060]
在式1中：t为时间，单位为s；r0为试模的下底面外径，单位为mm；r
t
为t时刻水泥基材料流动度的值，单位为mm；rg为水泥基材料的拟合最终流动度，单位为mm；k为流变性能参数，单位为s-n
；n为铺展指数，无量纲。
[0061]
以下将通过若干实施例来体现本发明的基于上述精密监测装置的水泥基材料的流动性能的表征方法。
[0062]
实施例1
[0063]
本实施例采用本发明提供的该精密监测装置对不同水灰比的砂浆的流动度进行测试。
[0064]
首先，采用小野田水泥、标准砂、和聚羧酸高性能减水剂pca-i配制水灰比不同但最终流动度基本一致的砂浆；然后，采用上述方法进行砂浆流动过程的测试。
[0065]
砂浆配比见表1，其中pca-i的掺量为相对于水泥质量的百分比。
[0066]
表1不同水灰比砂浆的配比及流动度
[0067][0068]
从表1中三种不同水灰比的最终流动度可以看出，虽然水灰比不同，但三者的最终流动度并没有显著差异，即表现为三者的屈服应力相差不大。
[0069]
图4示出了该砂浆流动度随时间变化的流动过程曲线。
[0070]
按照上述式1对图4中的各流动过程曲线进行拟合，获得的拟合结果如表2所示。
[0071]
表2拟合结果
[0072][0073]
从表2中可以看出，相关系数r2接近于1，表明该式1拟合的结果合理。
[0074]
对比本实施例中三个不同水灰比获得的砂浆，可见随着水灰比的增大，n/k比值逐渐减小，表明本实施例中采用的配比条件下，水灰比越大，对应得到的砂浆的粘度越低，其早期流动越快。这一点也从图4中各砂浆流动度随时间的变化曲线的曲率上得以印证；很显然，三者相比，水灰比为0.36对应的砂浆在同等时间内获得最大的流动度，即表现为流动最快，其粘度最低。
[0075]
实施例2
[0076]
本实施例采用本发明提供的该精密监测装置对不同胶凝材料组成的净浆的流动过程进行测试。
[0077]
首先，采用小野田水泥、标准砂、粉煤灰、矿粉、硅灰、聚羧酸高性能减水剂pca-i配制最终流动度基本一致的净浆；然后，采用上述方法进行净浆流动过程的测试。
[0078]
净浆配比见表3，其中pca-i的掺量为相对于与胶凝材料总质量的百分比。
[0079]
表3不同掺合料种类净浆的配比及流动度
[0080][0081]
从表3中四种不同掺合料种类获得的净浆的最终流动度可以看出，虽然掺合料种类不同，但四者的最终流动度并没有显著差异，即表现为四者的屈服应力相差不大。
[0082]
图5示出了该净浆流动度随时间变化的流动过程曲线。
[0083]
按照上述式1对图5中的各流动过程曲线进行拟合，获得的拟合结果如表4所示。
[0084]
表4拟合结果
[0085][0086]
从表4中可以看出，相关系数r2接近于1，表明该式1拟合的结果合理。
[0087]
对比本实施例中四个组分配比获得的净浆，可见组分为水泥和粉煤灰一组的净浆所对应的n/k比值最小，表明本实施例中不同的配比条件下，第2组净浆的粘度最低，其早期流动最快。这一点也从图5中各净浆流动度随时间的变化曲线的曲率上得以印证；很显然，四者相比，水泥和粉煤灰同时掺加对应的净浆在同等时间内获得最大的流动度，即表现为流动最快，其粘度最低。
[0088]
实施例3
[0089]
本实施例采用本发明提供的该精密监测装置对不同减水剂及其掺量对砂浆流动过程影响进行测试。
[0090]
首先，采用小野田水泥、标准砂、不同分子结构的聚羧酸高性能减水剂配制流动度基本一致的砂浆；然后，采用上述方法进行砂浆流动过程的测试。
[0091]
砂浆配比见表5，其中pca-i的掺量为相对于与水泥质量的百分比。
[0092]
表5不同减水剂及掺量砂浆的配比及流动度
[0093][0094]
从表5中三种不同减水剂及其产量获得的砂浆的最终流动度可以看出，虽然减水剂种类及用量不同，但三者的最终流动度并没有显著差异，即表现为三者的屈服应力相差不大。
[0095]
图6示出了该砂浆流动度随时间变化的流动过程曲线。
[0096]
按照上述式1对图6中的各流动过程曲线进行拟合，获得的拟合结果如表6所示。
[0097]
表6拟合结果
[0098][0099]
从表6中可以看出，相关系数r2接近于1，表明该式1拟合的结果合理。
[0100]
对比本实施例中三个组分配比获得的净浆，可见使用pca3作为减水剂获得的砂浆所对应的n/k比值最小，表明本实施例中配比条件下，采用pca3的砂浆的粘度最低，其早期流动最快。这一点也从图6中各砂浆流动度随时间的变化曲线的曲率上得以印证；很显然，三者相比，使用pca3作为减水剂对应的砂浆在同等时间内获得最大的流动度，即表现为流动最快，其粘度最低。
[0101]
实施例4
[0102]
本实施例采用本发明提供的该精密监测装置对不同自密实混凝土的流动过程进行测试。
[0103]
首先，使用小野田pii52.5水泥、粉煤灰、矿粉、细度模数为2.8的河砂、粒径为5mm～20mm的石灰石、以及减水剂pcai，按照表4所示的混凝土配合比制备自密实混凝土；然后，采用上述方法测试混凝土流动扩展过程。
[0104]
砂浆配比见表7，其中pca-i的掺量为相对于与水泥质量的百分比。
[0105]
表7混凝土配合比
[0106]
单位：kg/m3[0107][0108]
从表7中两种不同配比获得的混凝土的最终扩展度可以看出，虽然配合比不同，但二者的最终扩展度并没有显著差异，即表现为二者的屈服应力相差不大。
[0109]
图7示出了该混凝土扩展度随时间变化的流动过程曲线。
[0110]
按照上述式1对图7中的各流动过程曲线进行拟合，获得的拟合结果如表8所示。
[0111]
表8拟合结果
[0112][0113]
从表8中可以看出，相关系数r2接近于1，表明该式1拟合的结果合理。
[0114]
对比本实施例中两个组分配比获得的混凝土，可见配比1对应的混凝土的n/k比值较小，表明本实施例中该配比下的混凝土其早期流动最快。这一点也从图7中各混凝土扩展度随时间的变化曲线的曲率上得以印证；很显然，二者相比，配比1对应的混凝土在同等时间内获得最大的扩展度，即表现为流动最快，其粘度最低。
[0115]
从以上实施例可以看出，基于本发明提供的精密监测装置及基于其提供的水泥基材料流动性能的表征方法，能够定量地分析出水灰比、胶凝材料组成、以及不同分子结构的减水剂对于浆体流动过程的影响，从而能够反映出水泥基材料浆体的工作性能和流变学特征。具体来看，该装置能够全浆体初始流动的时刻开始全过程记录浆体的流动扩展历程，尤其是在浆体由静止开始流动的初始阶段，在重力剪切作用下的流动过程。图4～图7的测试结果表明，不同浆体尽管最终流动度或最终扩展度基本一致，但5s内的流动度或扩展度差异巨大，到10s时差距达到最大值，此后随着剪切力的减小，流动度或扩展度的差距逐渐缩小，最终达到基本一致的状态。可见本装置及基于该装置的上述表征方法能够精密监测水泥基材料流动的全部过程，尤其是其差异最为明显的初始流动阶段。
[0116]
该表征方法中通过式1对获得的测试结果进行拟合分析，可以得到浆体的流变参数k、n，并计算获得n/k比值。上述参数对于水泥基材料的流动过程有显著的响应，能够全面定量反映水泥基材料的流变特性。
[0117]
因此，该发明可以应用于水泥基材料浆体流变特性的研究，也可用于水泥基材料相关的化学外加剂、矿物掺合料等产品开发过程中对于浆体流变性能影响的定量测试。
[0118]
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。