專利名稱：測定早期混凝土導熱系數(shù)、導溫系數(shù)的測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種同時測定早期混凝土導熱系數(shù)、導溫系數(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，對混凝土結(jié)構(gòu)的熱傳導進行分析是非常重要的。混凝土在硬化過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，都有可能導致混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂現(xiàn)象。為了能夠準確的預測混凝土在這些因素作用下的開裂趨勢，并能夠及時的預防混凝土開裂現(xiàn)象的發(fā)生，就必須系統(tǒng)的研究混凝土的導熱系數(shù)、導溫系數(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參數(shù)隨齡期變化的規(guī)律。
目前測量材料的導熱系數(shù)、導溫系數(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。采用熱流法測量材料導熱系數(shù)請參見2000年9月20日公告的中國專利第93115076.0號揭露的一種測量材料導熱系數(shù)的方法及裝置。所述專利揭露的方法及裝置使用方便，測量成本低。但是，對于液體或氣體物質(zhì)來說，明顯的溫度改變會形成對流傳熱，違背了穩(wěn)態(tài)法的根本出發(fā)點，因此，該方法不適用于測定液體，氣態(tài)物質(zhì)的導熱系數(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定早期混凝土的導熱系數(shù)，且一次測量不能同時測得導溫系數(shù)。
瞬態(tài)方法如熱線法(Hot Wire method)，用于測量高導熱系數(shù)材料和/或在高溫條件下測量。熱線法又分為單線法、平行線法、熱線比較法、和探針法四種。其中單線法和探針法的原理基本上一致，只是測試的裝置不同。其原理是直線(即熱線)附近物質(zhì)(熱電偶)的溫升與其導熱系數(shù)有關(guān)，導熱系數(shù)λ可用下式表達 λ＝q1n(τ2/τ1)/4π(θ2-θ1) (1) 其中，q為單位長度熱線發(fā)熱量W/m；τ1、τ2為測量時刻，可事先確定；θ1、θ2為τ1、τ2時刻對應(yīng)的溫升。但是，單線法、熱線比較法和探針法在測量中只能確定材料的導熱系數(shù)，而不能同時確定導溫系數(shù)。
《耐火材料導熱系數(shù)試驗方法》GB/T 17106—1997中提出了采用平行線法測定耐火材料的導熱系數(shù)，該方法雖然能夠同時測定材料的導熱系數(shù)和導溫系數(shù)，但是該標準中提出的裝置并不適用于測定早期混凝土的導熱系數(shù)和導溫系數(shù)。
2000年6月28日公告的中國專利第99214843.X號揭露的一種無機非金屬材料的熱導率測試裝置也是采用熱線法測試材料的導熱系數(shù)。
所述熱線法測試裝置測量精度高，操作簡便。但是，該裝置不適用于測定半液體狀態(tài)材料的導熱系數(shù)，且不能同時測定導溫系數(shù)。因此，不適用于同時測定早期混凝土導熱系數(shù)、導溫系數(shù)。
熱線法應(yīng)用廣泛，可用于對液體物質(zhì)導熱系數(shù)的測定，但是熱線法直接對熱線通電加熱，對于自身能導電的液態(tài)物質(zhì)，為保證通過的電能完全轉(zhuǎn)變成熱能，必須對熱線做絕緣處理，另外，熱線法中為保證測定的準確度要求熱線在測定過程中不得變形彎曲，同時對熱線加熱功率和溫度的測量精度要求較高，這些因素增加了熱線法的應(yīng)用難度。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型所要解決的技術(shù)問題時針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種測定早期混凝土導熱系數(shù)、導溫系數(shù)的試驗裝置，該裝置自行組裝簡單，操作方便，試驗所需儀器較少，一次測量能夠同時測定導熱系數(shù)和導溫系數(shù)。
為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用以下技術(shù)方案一種同時測定早期混凝土導熱系數(shù)、導溫系數(shù)的測試裝置，包括試模，電源以及溫度顯示儀，在所述的試模內(nèi)設(shè)置有兩根平行的第一電阻絲、第二電阻絲，所述的電源通過導線與第一電阻絲連接形成回路，在該回路上還連接有一電流表，在第二電阻絲上設(shè)置有一熱敏電阻，該熱敏電阻與溫度顯示儀連接。
在所述的試模的端板還設(shè)置有接插件，所述的第一電阻絲和第二電阻絲通過接插件固定在試模內(nèi)，所述的導線也通過接插件與第一電阻絲連接。
第一電阻絲的材料為鎳鉻合金、康銅絲或錳銅絲。
接插件與試模的端板粘結(jié)固定，粘合劑為氰基丙烯酸脂粘合劑。
所述的熱敏電阻通過熱縮套管和氰基丙烯酸脂粘合劑固定在電阻絲中部。
本試驗裝置根據(jù)平行線法原理制成，因此一次測量能同時測定早期混凝土的導熱系數(shù)和導溫系數(shù)。加熱絲選用有效長度與直徑比大于150的電阻絲，因此完全可把熱線當作理想線熱源。為保證熱線在測定過程中保持直線狀態(tài)，故采用接插件內(nèi)部的螺栓固定。熱線表面的絕緣防水處理采用環(huán)氧樹脂導熱膠，環(huán)氧樹脂導熱膠的優(yōu)點在于較高的導熱性能，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)氧樹脂導熱膠的防水效果好，固化快且與熱線表面的粘結(jié)強度高。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，同時采用精度為1/1000的電流表對流經(jīng)熱線的電流進行測定，保證熱線加熱功率計算的準確性。溫度測量中采用的溫度傳感器為PT100熱敏電阻。熱敏電阻在測溫領(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償?shù)葍?yōu)點。測量中結(jié)合高精度的溫度顯示儀表，分辨能力達到了0.01℃，保證了測試過程中所測溫度的精度。
同現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實用新型具有如下優(yōu)點 1、本實用新型測試裝置結(jié)構(gòu)簡單，且易于操作，可同時對導熱系數(shù)和導溫系數(shù)進行測量。
2、既適用于松散材料(如水泥、砂子等)，也適用于早期混凝土、水泥凈漿和水泥砂漿等導熱系數(shù)和導溫系數(shù)的測定； 3、測試過程中溫升小、時間短，測定的導熱系數(shù)和導溫系數(shù)可認為是指定溫度下的導熱系數(shù)和導溫系數(shù)； 4、測量所需儀器少，自行組裝測量裝置方便、快速、簡單。

圖1是本實用新型測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是采用實用新型測試裝置置進行測試的迭代流程圖。
圖3為本實用新型測試裝置測試導熱系數(shù)隨齡期增長的變化圖。
圖4為本實用新型測試裝置測試導溫系數(shù)隨齡期增長的變化圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型裝置作進一步描述 可拆式鋼試模1的尺寸為150mm×150mm×300mm，在鋼試模1內(nèi)平行的設(shè)置兩根電阻絲2和3，也可以采用接插件4將上述電阻絲2和電阻絲3固定在鋼試模1內(nèi)，采用接插件4固定的方法是，預先在接插件4上用大頭針鉆取兩個一定距離的小孔，以保證電阻絲2和3能夠穿過。先將電阻絲2和3一端穿過事先鉆取的小孔，同時將導線8固定在接插件4內(nèi)部，然后擰緊接插件4內(nèi)部的螺栓直至完全固定為止，并采用氰基丙烯酸脂粘合劑將接插件4固定在鋼試模1的端板上。待接插件4完全固定后，截取一小段熱縮套管穿過電阻絲3。電阻絲2和3的另一端也穿過接插件上的小孔，并從接插件4下部的孔穿出預留一部分，同時將導線8固定在接插件4內(nèi)部，但事先不擰緊螺栓，然后采用氰基丙烯酸脂粘合劑將接插件4固定在鋼試模1的另一塊端板上。待接插件4完全固定在端板上后，開始組裝鋼試模1并擰緊所有的螺栓。然后利用鉗子夾住預留的電阻絲用力拉緊，直至電阻絲2和3完全繃緊為止，然后快速擰緊接插件4內(nèi)部的螺栓，保證電阻絲2和3完全被拉直且固定。然后把熱敏電阻9穿過熱縮套管，并對熱縮套管加熱，直至完全固定熱敏電阻為止。最后，利用環(huán)氧樹脂導熱膠對電阻絲2表面進行絕緣防水處理，同時用硅橡膠對接插件周邊以及接線部位進行密封，以此達到絕緣防水的目的。
將待測的新拌混凝土裝入鋼試模1后，利用塑料薄膜將裝置的上表面密封，以防止水分的散失，然后把整個測試裝置放入溫度穩(wěn)定的養(yǎng)護室內(nèi)。待混凝土內(nèi)部的溫度與室內(nèi)溫度達到平衡后即可開始進行測量。接通直流穩(wěn)壓電源5對電阻絲2進行加熱，同時開始記錄溫度及對應(yīng)的時間。測量過程中，每隔10秒鐘利用溫度顯示儀表7記錄一次熱敏電阻9的溫度，直至600秒時停止，并讀取電流表6的電流值I。
假設(shè)在τ1＝τ時刻，距電阻絲2距離為r處所測得的溫差為θr1；在τ2＝2τ時刻，距電阻絲(2)r處所測得的溫差為θr2，則θr1、θr2可由下式確定 由式(2)和(3)可得 式中，λ是介質(zhì)的導熱系數(shù)，α是介質(zhì)的導溫系數(shù)，

是一個指數(shù)積分，可近似的用如下形式的級數(shù)確定 令則有 式中，γ為歐拉常數(shù)(＝0.5772156649)。
則上式可簡化為 根據(jù)式(6)可知，若根據(jù)比值就可以確定x的值。由于式(6)中Ei(x/2)和Ei(x)是隱函數(shù)，無法直接求解出x值，因此必須利用級數(shù)展開式，通過具體的數(shù)值計算求出。因此，只要計算出x的值，便可得出Ei(x)的值，由此確定介質(zhì)的導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)。具體的計算公式如下 式(6)中，λ—導熱系數(shù)，單位W/(m·℃)； q—電阻絲(2)每單位長度的發(fā)熱功率，單位W/m； 式(7)中，α—導溫系數(shù)，單位m2/s； r—第一電阻絲2距熱敏電阻9的距離，單位m； 其中x的算法流程框圖見圖2，令M＝θr2/θr1；當2≤M<3時，令x0＝0.6，當1≤M<2時，令x0＝0.002； 第四步、迭代令x0＝x0+1/107，賦值x＝x0，求 當時，停止迭代，輸出x， 式中，γ為歐拉常數(shù)(＝0.5772156649)； 具體測定方法是結(jié)合本裝置，對水灰比為0.4的混凝土材料進行了導熱系數(shù)和導溫系數(shù)的測定，混凝土拌合物的具體用量詳見表1。測定按以下步驟進行， 1、將拌合的混凝土裝入試模1中，然后把整個裝置放入溫度穩(wěn)定的養(yǎng)護室內(nèi)進行養(yǎng)護。同時，在試模上表面利用鋁箔紙進行密封處理，以避免環(huán)境濕度對測定早期混凝土導熱系數(shù)和導溫系數(shù)結(jié)果的影響； 2、待混凝土試件內(nèi)部的溫度與環(huán)境溫度達到平衡時，即可進行測量。溫度達到平衡時的判斷依據(jù)是，在10分鐘內(nèi)混凝土內(nèi)部的溫度波動不大于0.05℃； 3、接通高精度直流穩(wěn)壓電源5，同時利用高精度溫度顯示儀表7開始記錄溫度及對應(yīng)的時間； 4、一次測量過程中，每隔10秒鐘記錄一次熱敏電阻9的溫度，直至600秒時停止，并讀取電流表6的電流值； 5、利用自編程序(見圖2流程圖)根據(jù)步驟4記錄的時間和對應(yīng)的溫度值，計算混凝土在該齡期的導熱系數(shù)和導溫系數(shù)； 6、表2給出了該混凝土在齡期為2.5小時，一次測量所得到的導熱系數(shù)和導溫系數(shù)； 7、圖3、圖4分別給出了該混凝土在齡期180小時內(nèi)導熱系數(shù)和導溫系數(shù)的發(fā)展變化圖。
試驗數(shù)據(jù) 初始溫度t0＝21.68℃ 平行線距離r＝0.026m 熱線電流I＝4.450A 每米熱線的電阻值R0＝9.92Ω/m 熱線單位長度發(fā)熱功率q＝I2R0＝196.41379W/m 表1 試驗所用混凝土拌合物的具體用量
表2 一次測量整理的測試結(jié)果
權(quán)利要求1、一種測定早期混凝土導熱系數(shù)、導溫系數(shù)的測試裝置，其特征在于包括試模(1)，電源(5)以及溫度顯示儀(7)，在所述的試模(1)內(nèi)設(shè)置有兩根平行的第一電阻絲(2)、第二電阻絲(3)，所述的電源(5)通過導線(8)與第一電阻絲(2)連接形成回路，在該回路上還串聯(lián)有一電流表(6)，在第二電阻絲(3)上設(shè)置有一熱敏電阻(9)，該熱敏電阻(9)與溫度顯示儀(7)連接。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的測定早期混凝土導熱系數(shù)、導溫系數(shù)的測試裝置，其特征在于在所述的試模(1)的端板還設(shè)置有接插件(4)，所述的第一電阻絲(2)和第二電阻絲(3)通過接插件(4)固定在試模(1)內(nèi)，所述的導線(8)也通過接插件(4)與第一電阻絲(2)連接。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的測定早期混凝土導熱系數(shù)、導溫系數(shù)的測試裝置，其特征在于第一電阻絲(2)的材料為鎳鉻合金、康銅絲或錳銅絲。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的測定早期混凝土導熱系數(shù)、導溫系數(shù)的測試裝置，其特征在于接插件(4)與試模(1)的端板粘結(jié)固定，粘合劑為氰基丙烯酸脂粘合劑。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的測定早期混凝土導熱系數(shù)、導溫系數(shù)的測試裝置，其特征在于所述的熱敏電阻(9)通過熱縮套管和氰基丙烯酸脂粘合劑固定在第二電阻絲(3)中部。
專利摘要本實用新型公開了一種測定早期混凝土導熱系數(shù)、導溫系數(shù)的裝置，其測定裝置由一個150mm×150mm×300mm的可拆式鋼試模、兩根水平拉直的電阻絲、接插件、一個電流表、直流穩(wěn)壓電源、熱敏電阻、高精度溫度顯示儀表及若干導線組成。本實用新型裝置結(jié)構(gòu)簡單，拆卸方便，所需材料及儀器少，測量精度高，不僅適用于科研，而且適用于施工現(xiàn)場對早期混凝土導熱系數(shù)、導溫系數(shù)的測定，同時，本實用新型裝置適用范圍廣，還可以用于松散材料，如水泥和砂子等的導熱、導溫系數(shù)測量以及水泥凈漿和水泥砂漿早期導熱系數(shù)、導溫系數(shù)的測量。
文檔編號G01N33/38GK201247211SQ20082003776
公開日2009年5月27日 申請日期2008年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月2日
發(fā)明者沈德建, 吳勝興, 杰 李, 佘小頡 申請人:河海大學, 江蘇順通建設(shè)工程有限公司