非恒温环境下混凝土自收缩试验装置及其工作方法
阅读说明：本技术 非恒温环境下混凝土自收缩试验装置及其工作方法 (Concrete self-shrinkage test device in non-constant temperature environment and working method thereof ) 是由 付欢 吴靖江 孟庆鑫 张征 毋存粮 郭进军 叶雨山 郑元勋 张永 景玉婷 尹贺军 于 2021-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种非恒温环境下混凝土自收缩试验装置及其工作方法,用以解决现有混凝土早期收缩的测量过程中存在的只能在恒温的调节下才能进行测量的技术问题。本发明通过对现有自收缩试验装置进行改进,增加温度补偿系统,利用信号分离系统消除在进行自收缩试验时温度变化引起的传感器电信号变化的部分,将消除后的电信号转换为数值信号进行计算并输出混凝土的早期收缩值,在试验时对混凝土试模预处理,消除外部影响,使用塑料薄膜将混凝土完全密封,提升测量准确性,从实际采集到的混凝土收缩的数据信号中减去由于温度变化所引起的正弦函数形式的数据信号,消除温度影响,根据数字信号计算混凝土早期收缩值并输出曲线图供工作人员使用。(The invention provides a concrete self-contraction test device in a non-constant temperature environment and a working method thereof, which are used for solving the technical problem that the measurement can be carried out only under the condition of constant temperature adjustment in the existing measurement process of the early contraction of concrete. The invention improves the existing self-contraction test device, adds a temperature compensation system, eliminates the part of the electric signal change of the sensor caused by the temperature change during the self-contraction test by using a signal separation system, converts the eliminated electric signal into a numerical signal to calculate and output the early contraction value of the concrete, preprocesses the concrete test mold during the test, eliminates the external influence, completely seals the concrete by using a plastic film, improves the measurement accuracy, subtracts a data signal in a sine function form caused by the temperature change from the actually acquired data signal of the concrete contraction, eliminates the temperature influence, calculates the early contraction value of the concrete according to the digital signal and outputs a curve chart for workers to use.)
技术领域
本发明涉及混凝土建筑施工的技术领域，尤其涉及一种非恒温环境下混凝土自收缩试验装置及其工作方法。
背景技术
混凝土材料由于优良的抗压性能被广泛应用于基础设施建设的各个领域。但其也存在抗拉性能差的缺点。尤其是在我国西北地区，环境条件恶劣：干燥少雨，温差较大。在这种环境下进行混凝土的施工养护，混凝土极易由于温度应力和干燥产生的收缩应力而开裂。而混凝土一旦开裂，就会为环境中的有害物质提供侵蚀到混凝土内部的通道，从而导致钢筋锈蚀，混凝土保护层剥落，严重影响混凝土结构的安全性和耐久性。因此如何精确地测量混凝土早期收缩性能极为重要。
按照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，常用的测量混凝土早期收缩的方法有：接触法和非接触法。其中，非接触法由于操作简单，测量精度较高，可连续自动监测混凝土早期变形，被越来越多的学者用来测量混凝土材料的早期收缩特性。非接触式混凝土收缩测量仪器通过传感器输出电信号的变化来反映出传感器端头和预埋在混凝土试件中的金属反射靶之间的距离变化，从而计算混凝土的收缩值。这种收缩测量装置在实验室环境下(恒温)可以得到较为理想的效果，但是当外界环境发生变化时，尤其温度的变化(热胀冷缩)会对混凝土早期收缩值产生较大的影响，从而对混凝土真实的收缩特性的测量和分析造成干扰。
因此，工作人员需要一种混凝土早期收缩的测量装置和测量方法，使混凝土早期收缩试验不再局限于恒温的实验室标准环境下，还能应用于非恒温的实际工程环境中。
发明内容
针对现有混凝土早期收缩的测量过程中存在的只能在恒温的调节下才能进行测量的技术问题，本发明提出一种非恒温环境下混凝土自收缩试验装置及其工作方法，通过对现有自收缩试验装置进行改进，增加温度补偿系统，利用信号分离系统消除在进行自收缩试验时温度变化引起的传感器电信号变化的部分，将消除后的电信号转换为数值信号进行计算并输出混凝土的早期收缩值，保证在非恒温尤其是非恒温的条件下进行混凝土自收缩试验时结果的准确性。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种非恒温环境下混凝土自收缩试验装置，包括混凝土试模、信号获取机构、温度补偿单元和信号处理单元，混凝土试模的两侧壁上设置有把手，信号获取机构安装在混凝土试模上，温度补偿单元与信号获取机构相连接，信号处理单元与温度补偿单元相连接。
进一步的，信号获取机构包括传感器探头、卡簧、探头固定器和金属反射靶，金属反射靶插放在混凝土试模内，探头固定器固定在混凝土试模的侧壁上，传感器探头通过卡簧与探头固定器固定连接，传感器探头的接收端与金属反射靶相配合，传感器探头通过信号传输导线与温度补偿单元相连接。
进一步的，温度补偿单元包括第一信号接收模块、信号分离模块和信号输出模块，第一信号接收模块通过信号传输导线与传感器探头相连接，第一信号接收模块、信号分离模块和信号输出模块通过信号传输导线依次相连接，信号输出模块通过信号传输导线与信号处理单元相连接。
进一步的，信号处理单元包括第二信号接收模块、信号转化模块和终端处理模块，第二信号接收模块通过信号传输导线与信号输出模块相连接，第二信号接收模块、信号转化模块和终端处理模块通过信号传输导线依次相连接。
非恒温环境下混凝土自收缩试验装置的工作方法，包括以下步骤：
S1、对混凝土试模进行清理，在混凝土试模的内壁刷一层润滑剂，在混凝土试模内设置隔离层，再刷一层润滑剂，在混凝土试模内铺设一张可以包裹试件的塑料薄膜，塑料薄膜与隔离层紧贴；
S2、在混凝土试模两端内侧放置并固定金属反射靶，将拌合好的新鲜混凝土倒入混凝土试模中并振捣密实，用塑料薄膜将待测混凝土密封；
S3、待待测混凝土初凝后，拔出混凝土试模侧面的聚四氟乙烯板，在混凝土试模的侧壁固定探头固定器，利用卡簧连接并调整传感器探头与金属反射靶之间的距离，使信号获取机构可以采集到待测混凝土的数据信号；
S4、使用把手将待测混凝土连同混凝土试模一起置于试验环境下，开启温度补偿单元和信号处理单元，确定采样时间间隔，开始自动记录待测混凝土的收缩变形。
进一步的，步骤S1中的润滑剂为凡士林、植物油或机油，润滑剂的厚度为1mm，隔离层为聚四氟乙烯板或聚全氟乙丙烯板；步骤S3中传感器探头和金属反射靶的工作方法包括：传感器探头发射脉冲至金属反射靶，金属反射靶将脉冲反射至传感器探头，传感器探头将反射的脉冲信号传输至温度补偿单元。
进一步的，步骤S4中温度补偿单元的工作方法包括以下步骤：
Y1、第一信号接收模块接收传感器探头采集传输的待测混凝土的数据信号，第一信号接收模块将信号传输至信号分离模块；
Y2、信号分离模块接收第一信号接收模块传输的信号并进行处理，将获取的信号中的温度影响信号分离出，将消除温度影响后的信号传输至信号输出模块；
Y3、信号输出模块将接收到的消除温度影响后的信号传输至信号处理单元。
进一步的，步骤Y2中将获取的信号中的温度影响信号分离出的方法为从实际采集到的混凝土收缩的数据信号中减去由于外界温度变化所引起的正弦函数形式的数据信号，信号消除的公式为：
H(t)＝D(t)-F(t)
F(t)＝Asin(Bt+C)+E
其中，H(t)为t时刻消除温度影响的数据信号，D(t)为t时刻实测的数据信号，F(t)为t时刻由于温度影响产生的数据信号，A、B、C和E均为温度对数据信号的影响参数，影响参数与测量环境的温度、湿度和测量材料的种类有关。
进一步的，步骤S4中信号处理单元的工作方法包括以下步骤：
T1、第二信号接收模块接收信号输出模块传输的消除温度影响后的信号，第二信号接收模块将信号传输至信号转化模块；
T2、信号转化模块将接收的消除温度影响后的信号转换为数字信号传输至终端处理模块；
T3、终端处理模块根据接收到的数字信号转化为曲线图像，并进行混凝土早期收缩值的计算。
进一步的，步骤T3中混凝土早期收缩值的计算中，混凝土的收缩率计算公式为：
其中，εt为t时刻时混凝土的自收缩率；Lt为t时刻时试件长度，单位为mm；L0为试件基准长度，单位为mm。
本发明的有益效果：
1.本发明通过对现有自收缩试验装置进行改进，增加温度补偿系统，利用信号分离系统消除在进行自收缩试验时温度变化引起的传感器电信号变化的部分，将消除后的电信号转换为数值信号进行计算并输出混凝土的早期收缩值，保证在非恒温尤其是非恒温的条件下进行混凝土自收缩试验时结果的准确性。
2.本发明的工作方法中，首先，在进行待测混凝土试验前对混凝土试模进行处理，保证混凝土的自由收缩，消除外部影响；其次，使用塑料薄膜将混凝土完全密封，保证外部环境对待测混凝土的影响降到最低，提升测量准确性；再次，从实际采集到的混凝土收缩的数据信号中减去由于外界温度变化所引起的正弦函数形式的数据信号，消除温度影响，进一步提升测量准确性，根据数字信号计算混凝土早期收缩值并输出曲线图供工作人员使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的工作方法流程图。
图3为本发明混凝土自收缩试验消除温度影响前的自收缩曲线图。
图4为本发明混凝土自收缩试验消除温度影响后的自收缩曲线图。
图中，1-混凝土试模，2-把手，3-传感器探头，4-卡簧，5-探头固定器，6-金属反射靶，7-温度补偿单元，801-第一信号接收模块，802-第二信号接收模块，9-信号分离模块，10-信号输出模块，11-信号处理单元，12-信号转化模块，13-终端处理模块，14-信号传输导线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种非恒温环境下混凝土自收缩试验装置，如图1所示，包括混凝土试模1、信号获取机构、温度补偿单元7和信号处理单元11，混凝土试模1的两侧壁上设置有把手2，信号获取机构安装在混凝土试模1上，温度补偿单元7与信号获取机构相连接，信号处理单元11与温度补偿单元7相连接。混凝土试模1用于填充盛放待测混凝土，把手2用于施工人员根据需要移动混凝土试模1和待测混凝土，信号获取机构用于获取待测混凝土自收缩时的数据信号，温度补偿单元7用于接收信号获取机构传输的数据信号并消除温度影响，输出消除温度影响的数据信息，信号处理单元11用于接收温度补偿单元7传输的消除温度影响的数据信息并根据数据信息输出混凝土早期收缩值信息。
进一步的，如图1所示，信号获取机构包括传感器探头3、卡簧4、探头固定器5和金属反射靶6，金属反射靶6插放在混凝土试模1内，探头固定器5固定在混凝土试模1的侧壁上，传感器探头3通过卡簧4与探头固定器5固定连接，传感器探头3的接收端与金属反射靶6相配合，传感器探头3通过信号传输导线14与温度补偿单元7相连接。卡簧4用于调整传感器探头3与金属反射靶6之间的距离，提高测量精度，探头固定器5用于将传感器探头3和卡簧4与混凝土试模1组合成一体，方便传感器探头3发出脉冲信号至金属反射靶6和接收金属反射靶6反射的脉冲信号，提高工作稳定性，且方便传感器探头3获得传感器探头3与金属反射靶6之间的距离变化的数据信号，并将数据信号通过信号传输导线14传输至温度补偿单元7。
进一步的，如图1所示，温度补偿单元7包括第一信号接收模块801、信号分离模块9和信号输出模块10，第一信号接收模块801通过信号传输导线14与传感器探头3相连接，第一信号接收模块801、信号分离模块9和信号输出模块10通过信号传输导线14依次相连接，信号输出模块10通过信号传输导线14与信号处理单元11相连接。第一信号接收模块801用于接收传感器探头3通过信号传输导线14传输的数据信号并传输给信号分离模块9，信号分离模块9用于接收第一信号接收模块801通过信号传输导线14传输的数据信号，将获得的数据信号中的温度影响信号分离消除后，将消除温度影响后的数据信号传输至信号输出模块10，信号输出模块10用于接收信号分离模块9通过信号传输导线14传输的消除温度影响后的数据信号并传输至信号处理单元11。
进一步的，如图1所示，信号处理单元11包括第二信号接收模块802、信号转化模块12和终端处理模块13，第二信号接收模块802通过信号传输导线14与信号输出模块10相连接，第二信号接收模块802、信号转化模块12和终端处理模块13通过信号传输导线14依次相连接。第二信号接收模块802用于接收信号输出模块10通过信号传输导线14传输的消除温度影响后的数据信号并传输给信号转化模块12，信号转化模块12用于接收第二信号接收模块802通过信号传输导线14传输的消除温度影响后的数据信号，将获得的消除温度影响后的数据信号即电信号转换为数字信号，将转换后的数字信号传输至终端处理模块13，终端处理模块13用于接收信号转化模块12通过信号传输导线14传输的数字信号，根据数字信号计算混凝土早期收缩值并输出曲线图供工作人员使用。
实施例2
一种非恒温环境下混凝土自收缩试验装置的工作方法，根据实施例1的非恒温环境下混凝土自收缩试验装置，本实施例提供了一种非恒温环境下混凝土自收缩试验装置的工作方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1、对混凝土试模1进行清理，在混凝土试模1的内壁刷一层润滑剂，在混凝土试模1内设置隔离层，再刷一层润滑剂，在混凝土试模1内铺设一张可以包裹试件的塑料薄膜，塑料薄膜与隔离层紧贴。具体的说，在本实施例中，在试验前需要将五个隔离层分别置于混凝土试模1的五个内表面，并在隔离层的两侧均匀涂抹润滑剂，以保证试验过程中待测混凝土与混凝土试模1的内侧面留有间距，待测混凝土的下表面保持光滑，保证混凝土的自由收缩。
值得说明的是，在本实施例中，润滑剂为凡士林，厚度为1mm，在本发明的其他实施例中，还可以使用如植物油或机油等其他物质作为润滑剂，只要达到本发明的目的即可。
值得说明的是，在本实施例中，隔离层为聚四氟乙烯板，在本发明的其他实施例中，还可以使用如聚全氟乙丙烯板等其他结构作为隔离层，只要达到本发明的目的即可。
S2、在混凝土试模1两端内侧放置并固定金属反射靶6，将拌合好的新鲜混凝土倒入混凝土试模1中并振捣密实，用塑料薄膜将待测混凝土密封。具体的说，使用塑料薄膜将混待测凝土完全密封，保证外部环境对待测混凝土的影响降到最低，提升测量准确性。
S3、待混凝土初凝后，拔出混凝土试模1侧面的聚四氟乙烯板，在混凝土试模1的侧壁固定探头固定器5，利用卡簧4连接并调整传感器探头3与金属反射靶6之间的距离，使信号获取机构可以采集到待测混凝土的数据信号。具体的说，发射脉冲至金属反射靶6，金属反射靶6将脉冲反射至传感器探头3，传感器探头3将反射的脉冲信号传输至温度补偿单元7，传感器探头3发射和接收反射脉冲是为了获得传感器探头3与金属反射靶6之间的距离变化，进而通过数据信号表达待测混凝土的自收缩变化。
S4、使用把手2将待测混凝土连同混凝土试模1一起置于试验环境下，开启温度补偿单元7和信号处理单元11，确定采样时间间隔，开始自动记录待测混凝土的收缩变形。
具体的说，步骤S4中温度补偿单元7的工作方法包括以下步骤：
Y1、第一信号接收模块801接收传感器探头3采集传输的待测混凝土的数据信号，第一信号接收模块801将信号传输至信号分离模块9，非恒温环境下混凝土早期自收缩值是混凝土自身收缩和外界温度变化共同作用的影响，外界周期性的温度变化对混凝土收缩值会产生正弦函数形式的温度影响的数据信号分离出的方法为从实际采集到的混凝土收缩的数据信号中减去由于外界温度变化所引起的正弦函数形式的数据信号，信号消除的公式为：
H(t)＝D(t)-F(t)
F(t)＝Asin(Bt+C)+E
其中，H(t)为t时刻消除温度影响的数据信号，D(t)为t时刻实测的数据信号，F(t)为t时刻由于温度影响产生的数据信号，温度影响产生的数据信号由正弦函数计算得到，正弦函数中的常数A、B、C和E均为温度对数据信号的影响参数，影响参数与测量环境的温度、湿度和测量材料的种类有关。
Y2、信号分离模块9接收第一信号接收模块801传输的信号并进行处理，将获取的信号中的温度影响信号分离出，将消除温度影响后的信号传输至信号输出模块10；Y3、信号输出模块10将接收到的消除温度影响后的信号传输至信号处理单元11。
进一步的，步骤S4中信号处理单元11的工作方法包括以下步骤：
T1、第二信号接收模块802接收信号输出模块10传输的消除温度影响后的信号，第二信号接收模块802将信号传输至信号转化模块12；
T2、信号转化模块12将接收的消除温度影响后的信号转换为数字信号传输至终端处理模块13；
T3、终端处理模块13根据接收到的数字信号转化为曲线图像，并进行混凝土早期收缩值的计算，混凝土早期收缩值的计算中，混凝土的收缩率计算公式为：
其中，εt为t时刻时混凝土的自收缩率；Lt为t时刻时待测混凝土试件长度，t时刻的待测混凝土试件长度由传感器探头3与金属反射靶6之间的距离变化的数据信号得到，单位为mm；L0为待测混凝土试件基准长度，待测混凝土试件的基准长度与混凝土试模1的长度相同，单位为mm。
值得说明的是，在本实施例中进行混凝土自收缩试验中，使用到的待测混凝土的长度为515mm，高度为100mm，金属反射靶6之间的距离为40mm，分别在使用温度补偿单元7和未使用温度补偿单元7的两种情况下进行自收缩试验，信号处理单元11输出的曲线图分别如图3和图4所示，根据图3和图4的对比很容易可以看出，在消除了温度影响信号后，自收缩试验中混凝土的自收缩曲线由不规则的曲线转变为规则的曲线，有利于对混凝土早期的自收缩变化进行研究。
值得说明的是，在实际试验中，发现湿度的变化对混凝土自收缩试验的影响很小，因此，使用本实施例中的装置和工作方法也可以在非恒温环境下进行混凝土的自收缩试验。
本实施例使用的非恒温环境下混凝土自收缩试验装置的结构与与实施例1相同，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。