高寒区水工混凝土初凝前孔隙演化监测装置及监测方法

1.本发明属于水工混凝土孔隙结构监测设备技术领域，涉及高寒区水工混凝土初凝前孔隙演化监测装置，还涉及高寒区水工混凝土初凝前孔隙演化监测方法。


背景技术：

2.随着现代工程技术的不断发展，对混凝土的要求也在不断加强，而孔隙在混凝土各个组分中广泛存在，并与混凝土的多项性能有直接关系，因此对混凝土孔隙演化的检测与研究有非常重要的作用。混凝土的孔隙率与混凝土强度、弹性模量、干缩性、抗渗性、抗冻性等多项性能有直接关系。其中反复多次冻融循环也会影响到混凝土本身的耐久性，使得混凝土的损伤不断扩大并积累，最终导致混凝土结构开裂或剥落。
3.高寒区混凝土结构受到季节更替、环境温度周期性变化的影响，长期承受着冻融循环的作用，使工程遭到了破坏或降低了使用年限，从而不得不对工程进行加固或维修，进而造成很大的直接和间接的经济损失。混凝土孔隙演化的监测与研究有利于了解混凝土耐久性等性能与孔隙演化之间的关系，为以后的工程实际减少不必要的人力与经济损失。
4.目前测定混凝土孔隙率的方法主要有：压汞法、低温氮气吸附-脱附法(bet)、核磁共振法等。这些方法只能测定混凝土终凝之后的孔隙率，为此，我们提出了一种高寒区水工混凝土初凝前孔隙演化监测装置及方法，通过环境模拟系统和表面孔隙演化收集装置对混凝土初凝之前孔隙演化的检测。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供高寒区水工混凝土初凝前孔隙演化监测装置，解决现有装置无法获取混凝土初凝前孔隙演化的问题。
6.本发明的另一目的是提供高寒区水工混凝土初凝前孔隙演化监测方法。
7.本发明所采用的技术方案是，高寒区水工混凝土初凝前孔隙演化监测装置，包括环境箱，环境箱底部设置混凝土振动台，混凝土振动台上设置有混凝土搅拌装置，环境箱外部设置有空气压缩机、加湿器和液氮，空气压缩机通过管道a与环境箱连通，加湿器通过管道b与环境箱连通，液氮的出入口通过液氮循环管道连通，液氮循环管道设置于环境箱的内部，环境箱的四周设置有多个高速摄像机，环境箱内设置有温度气压湿度计。
8.本发明的特征还在于，
9.混凝土搅拌装置包括透明的混凝土搅拌室，混凝土搅拌室顶部设置有电机，电机连接有叶片轴，叶片轴上设置有三层叶片，混凝土搅拌室的顶端侧壁上均匀的设置有通气孔。
10.混凝土搅拌室内设置有透明圆桶，透明圆桶的顶部低于通气孔。
11.混凝土搅拌室的轴线与混凝土振动台垂直。
12.混凝土搅拌室的顶部设置有盖体，盖体上设置有搅拌室预留进水口，搅拌室预留进水口与管路c的一端连接，管路c的另一端穿出环境箱与水箱连接，管路c上设置有水箱阀
门。
13.管路c上设置有流量计。
14.管道a上设置有空气压缩机管道控制阀。
15.管道b上设置有加湿器管道控制阀。
16.液氮循环管道的输入端和输出端均设置有液氮装置阀门。
17.本发明所采用的另一技术方案是，高寒区水工混凝土初凝前孔隙演化监测方法，具体按照以下步骤实施：
18.步骤1，获取所需模拟的高寒区环境特征指标：温度、气压、湿度；
19.步骤2，在混凝土搅拌室中放入透明圆桶，在透明圆桶内加入已确定的用量的水泥和骨料；
20.步骤3，检查水箱阀门、液氮装置阀门、空气压缩机管道控制阀、加湿器管道控制阀的密封情况，并将水箱阀门、液氮装置阀门、空气压缩机管道控制阀、加湿器管道控制阀关闭；
21.步骤4，打开液氮装置阀门、空气压缩机、加湿器，环境箱中的温度、气压、湿度变化，当温度气压湿度计采集的温度、气压、湿度数据与步骤1获取的一致时，关闭液氮装置阀门、空气压缩机、加湿器；
22.步骤5，检查密封性，等待15min，等待时若温度气压湿度计上的温度、压力示数的变化在误差范围内，误差为：|
△
t/t|≤2％、|
△
p/p|≤2％，则密封性及绝热性能合格；若超过误差范围，检查并校准直至满足误差范围要求为止；
23.步骤6，打开水箱阀门，根据已确定的水量将水箱中的水加入混凝土搅拌室，关闭水箱阀门；
24.步骤7，启动电机，搅拌加入透明圆桶内的水、骨料、水泥10min，静置1min，启动混凝土振动台，直至搅拌好的混凝土表面泛浆后停止振动，关闭混凝土振动台；
25.步骤8，将高速摄像机的fps设置为60并调整高度至环境箱外表面的中心位置，以完整拍摄混凝土搅拌室，关闭混凝土振动台，立即打开高速摄像机记录搅拌后混凝土孔隙的演化直至混凝土初凝；
26.步骤9，使用image j软件对高速摄像机拍摄的图片进行处理，在图片中取4mm
×
4mm的区域为研究区域，设置研究区域的颜色阈值，记录振荡结束后研究区域内孔隙直径的发展状态，观察记录孔隙发育过程及其孔隙演化过程中的稳定性。
27.本发明的有益效果是，
28.(1)本发明高寒区水工混凝土初凝前孔隙演化监测装置，能够模拟多种复杂环境状态，其中可模拟极端低温环境、大湿度环境、干旱环境、高寒低压环境、干旱高压环境等，还可以运用于处于各种复杂情况下的水利工程、边防工程、军事工程等混凝土的检测；
29.(2)本发明高寒区水工混凝土初凝前孔隙演化监测装置，结构简单、制作成本低、且操作方便、观测记录精度高，能够较完整收集初凝前各时间的变化状态；
30.(3)本发明高寒区水工混凝土初凝前孔隙演化监测装置，弥补了现有技术主要针对硬化后的混凝土孔隙分析之外少有的针对混凝土初凝前孔隙发展的监测装置和研究方法，可有效掌握混凝土初凝前孔隙的发展规律，为后续相关研究提供依据。
附图说明
31.图1是本发明高寒区水工混凝土初凝前孔隙演化监测装置的结构示意图；
32.图2是本发明高寒区水工混凝土初凝前孔隙演化监测装置中环境箱的侧视图；
33.图3是本发明高寒区水工混凝土初凝前孔隙演化监测装置中环境箱的俯视图。
34.图中，1.环境箱，2.混凝土搅拌室，3.混凝土振动台，4.电机，5.叶片，6.透明圆桶，7.通气孔，8.水箱，9.水箱阀门，10.流量计，11.液氮，12.液氮循环管道，13.液氮装置阀门，14.空气压缩机，15.空气压缩机管道控制阀，16.加湿器，17.加湿器管道控制阀，18.温度气压湿度计，19.高速摄像机，20.搅拌室预留进水口，21.管道a，22.管道b，23.管道c，24.盖体。
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
36.本发明提供一种高寒区水工混凝土初凝前孔隙演化监测装置，结构如图1、图2和图3所示，包括环境箱1，环境箱1底部设置混凝土振动台3，混凝土振动台3上设置有混凝土搅拌装置，环境箱1外部设置有空气压缩机14、加湿器16和液氮11，空气压缩机14通过管道a21与环境箱1连通，管道a21上设置有空气压缩机管道控制阀15，加湿器16通过管道b22与环境箱1连通，管道b22上设置有加湿器管道控制阀17，液氮11的出入口通过液氮循环管道12连通，液氮循环管道12的输入端和输出端均设置有液氮装置阀门13，液氮循环管道12设置于环境箱1的内部，环境箱1的四周设置有多个高速摄像机19，环境箱1内设置有温度气压湿度计18。
37.高速摄像机19为4个，采用jvcgc-p100高速摄像机；温度气压湿度计18温度测量范围为：-10℃130℃，湿度测量范围为40％1100％，气压测量范围为：40.0kpa1120.0kpa；混凝土振动台3采用25hz低频式振动台(震动频率为1500次/min)。
38.混凝土搅拌装置包括透明的混凝土搅拌室2，混凝土搅拌室2的轴线与混凝土振动台3垂直，混凝土搅拌室2顶部设置有电机4，电机4连接有叶片轴，叶片轴上设置有三层叶片5，混凝土搅拌室2的顶端侧壁上均匀的设置有通气孔7，混凝土搅拌室2内设置有透明圆桶6，透明圆桶6的顶部低于通气孔7，混凝土搅拌室2的顶部设置有盖体24，盖体24上设置有搅拌室预留进水口20，搅拌室预留进水口20与管路c23的一端连接，管路c23的另一端穿出环境箱1与水箱8连接，管路c23上设置有水箱阀门9，管路c23上设置有流量计10。
39.本发明还提供一种高寒区水工混凝土初凝前孔隙演化监测方法，采用上述监测装置，具体按照以下步骤实施：
40.步骤1，获取所需模拟的高寒区环境特征指标：温度、气压、湿度；
41.具体的：前往所需模拟环境的高寒区，用温度气压湿度计18测量该地区7天的温度气压；
42.(1)温度测定
43.采用定时平均法。分别记录该地区一天中2时、8时、14时、20时的温度，取其平均值记为该地区当日平均温度，连续记录7天，7天记录结束后，取这7天该地区当日平均温度的平均值记为该地区的平均温度；
44.(2)气压测定
45.采用定时平均法。分别记录该地区一天中时刻为3.30、9.30、15.30、21.30的气压，取其平均值记为该地区当日平均气压，连续记录7天，7天记录结束后，取这7天该地区当日平均气压的平均值记为该地区的平均气压；
46.(3)湿度测定
47.采用定时平均法。分别记录该地区一天中2时、8时、14时、20时的湿度，取其平均值记为该地区当日平均湿度，连续记录7天，7天记录结束后，取这7天该地区当日平均湿度的平均值记为该地区的平均湿度；
48.步骤2，在混凝土搅拌室2中放入透明圆桶6，在透明圆桶6内加入已确定的用量的水泥和骨料；
49.选用所需测量工程的混凝土配合比，确定实验所需用到的水泥、水、砂石等骨料的用量，装填后物料高度不超过透明圆桶6；
50.步骤3，检查水箱阀门9、液氮装置阀门13、空气压缩机管道控制阀15、加湿器管道控制阀17的密封情况，并将水箱阀门9、液氮装置阀门13、空气压缩机管道控制阀15、加湿器管道控制阀17关闭；
51.步骤4，打开液氮装置阀门13、空气压缩机14、加湿器16，环境箱1中的温度、气压、湿度变化，当温度气压湿度计18采集的温度、气压、湿度数据与步骤1获取的一致时，关闭液氮装置阀门13、空气压缩机14、加湿器16；
52.步骤5，检查密封性，等待15min，等待时若温度气压湿度计18上的温度、压力示数的变化在误差范围内，误差为：|
△
t/t|≤2％、|
△
p/p|≤2％，则密封性及绝热性能合格；若超过误差范围，检查并校准直至满足误差范围要求为止；
53.步骤6，打开水箱阀门9，根据已确定的水量将水箱8中的水加入混凝土搅拌室2，关闭水箱阀门9；
54.步骤7，启动电机4，搅拌加入透明圆桶6内的水、骨料、水泥10min，静置1min，启动混凝土振动台3，直至搅拌好的混凝土表面泛浆后停止振动，关闭混凝土振动台3；
55.步骤8，将高速摄像机19的fps设置为60并调整高度至环境箱1外表面的中心位置，以完整拍摄混凝土搅拌室2，关闭混凝土振动台3，立即打开高速摄像机19记录搅拌后混凝土孔隙的演化直至混凝土初凝，即记录24h；
56.步骤9，选取混凝土振动后1h、4h、12h、16h、24h五个时刻图像，使用image j软件对高速摄像机19拍摄的图片进行处理，在图片中取4mm
×
4mm的区域为研究区域，设置研究区域的颜色阈值，记录振荡结束后研究区域内孔隙直径的发展状态，观察记录孔隙发育过程及其孔隙演化过程中的稳定性。
57.实施例1
58.本实施例选取的为水工混凝土配合比如下表(单位kg/m3)。
59.水水泥砂子石子减水剂引气剂13526885410702.510.02
60.将实验原材料提前放入透明圆通6，环境温度设置根据实际测试数据：设定气压值为101kpa，温度为20℃，湿度为95％。
61.其他过程按照上述方法进行。
62.实施例2
63.与实施例1的区别在于：环境温度设置根据实际测试数据：设定气压值为70kpa，温度为5℃，湿度为70％。
64.实施例3
65.与实施例1的区别在于：环境温度设置根据实际测试数据：设定气压值为50kpa，温度为0℃，湿度为50％。其他流程及操作不变与实例1相同。
66.以上三个实施例中，分别统计不同时间段内孔隙分布演化数据，由于高速摄像机只能分辨大孔的分布区域，故大孔所占拍照区域的百分比如下：
67.实施例孔隙类型1h4h12h16h24h1大孔2.50％2.30％1.90％1.70％1.20％2大孔2.10％1.80％1.40％1.20％1.10％3大孔1.40％1.20％0.90％0.70％0.60％
68.根据数据分析可知，由于该水工混凝土中增加了引气剂，故在低气压，低温及低湿度环境下，水花反应变慢，在搅拌过程中无法引入较多的孔隙和气泡，造成大孔孔隙数量减少，因此实施例3大孔比例最小，实施例1大孔比例最大，且随着时间的增长，优化水化反应的影响大孔之间转变为中孔和小孔，因此大孔比例随着时间的增长逐渐减小。以上数据的变化符合混凝土孔隙变化一般规律，因此该实验装置测试的准确性满足要求。