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智能化新拌混凝土性能测试仪的研究
UPDATE：2016/6/16　来源：北京路达

智能化新拌混凝土性能测试仪的研究
摘要：智能化混凝土测试仪是利用混凝土的流变特性来测量混凝土的基本参数的。该仪器采用了传感技术和微电脑技术，能直接通过液晶显示器显示坍落度值、温度，预测28 天强度，为工程施工和混凝土生产人员提供水灰比、用水量等参考值，并进行平均值计算等。
关键词：智能化混凝土测试仪；流变特性；粘滞阻力矩；传感技术；微电脑技术。
1 　技术基础介绍
1.1 　新拌混凝土性能测量原理
在混凝土生产及施工过程中，为了保证建筑物的质量，必须按照规定的方法及时测定到达浇灌部位的拌合物的和易性，实现对混凝土配合比、搅拌工艺、运输、浇灌作业的正确性进行控制。和易性是一种涉及混凝土多种性能的综合指标，主要指拌合物的稠度，而稠度即表现为混凝土形成良好密实、均匀、成型难易程度的性能。
混凝土拌合物这种性能的产生原因在于，混凝土材料本身具有的流变特性: 经搅拌后的新鲜混凝土中，骨料、未水化水泥颗粒、早期水化产物等均处于分散状态，同时彼此保持一定距离而具有较好的流动性。但随着水泥水化的深入进行，其固、液、气相比例不断发生变化，在水化持续40 分钟～120 分钟的潜伏期内，水泥颗粒表面被一层凝胶覆盖，颗粒间距逐渐缩小，整个浆体迅速形成均匀絮凝网状结构，这种微观结构的形成和表现的宏观现象符合流变学特性。流变学是研究材料流动和变形的科学，可反映材料应力─应变关系随时间发展演变的规律。对于混凝土来说是反映新拌混凝土从加入拌和水开始后的粘性、塑性、弹性在混凝土凝固硬化前的变化规律。目前比较趋于一致的看法是在低流动性范围内呈现粘塑性体特性，在中等流动性时又呈现塑性体特征，在大流动性范围，则变为宾汉姆体。
半个世纪前E·C·Bingham 在研究瓷土、硅藻土等材料时，提出了宾汉姆体的流变方程：
τ=θt +ηp (dv/ dt)
式中　θt ———屈服应力；ηp ———塑性粘度；dv/ dt ———速度梯度。
　　水泥浆体及混凝土混合物其流变性能都具有宾汉姆体(Bingham body) 特征。方程式说明宾汉姆体τ <θt 时，在外力达到屈服应力θt 之前，物体具有固态性质，不流动;τ>θt 时，材料结构破坏迅速进入液态，
按牛顿粘性体规律连续移动;外力一旦降低到屈服值以下时又迅速形成新固态。混凝土拌合物在搅拌、输送、浇灌、捣实、抹平等工序中所须加的外力，首先要克服混凝土拌合物的屈服应力θt ，然后是塑性粘度ηpl 。因此θt 和ηpl是反映混凝土和易性的两个主要流变参数。凡影响两个参数的因素也必影响和易性因素。
由于和易性直接决定了混凝土施工的难易程度，也直接影响着混凝土硬化后的物理力学性能，因此它一直是混凝土生产工艺中很重要的性能，但至今对于它的确切含义各国学者众说不一。
1932 年T·C·Powers 曾把和易性定义为“混凝土拌合物浇灌成型的难易程度和抵抗离析能力的一种性能，它包括流动性和粘聚性两方面的作用”。W·H· Glanv2ille ，A·R·Collins 与D·O·Mathaws 则定义为“决定混凝土拌合物达到完全密实所消耗的有效内部功的大小的一种性能”。国内的专家学者认为应包含四种性能的综合表现即
和易性= 流动性+ 可塑性+ 稳定性+ 易密性
上述四种基本性能之间又互存矛盾，如流动性要求拌合物有小的内摩阻力和粘聚力便于流动，而稳定性又要求有大的内摩阻力和粘聚力，使粗细骨料不易下沉和泌水，故和易性是要求兼顾几个方面的性能，可见要保证制取高质量的混凝土拌合物，必须要选择和控制佳和易性，而佳和易性的实现需通过及时调整混凝土配合比中水灰比、骨灰比、骨料级配、用水量等各因素的变化，因此和易性的确是混凝土生产工艺中承上启下的关键技术指标。
1.2 　新拌混凝土性能的主要测量方法
半世纪以来世界很多学者都研究和提出过多种测定方法，1960 年K·Newman 曾认为世界至少有30 多种方法，T·C·Powers1968 年估计多达100 种以上，其中一些方法几乎仅限于试验室内应用，不能为公众所接纳，还有一些方法尽管不能用来检测和评价这一性能的全部特征，但一些稠度试验已得到人们的认可并在施工中使用。据不完全统计迄今已知的测定方法按原理及衡量稠度的技术指标可归纳为以下几类:
1.2.1 　经验法
这类方法是经验性的，无严格理论根据，但目前又是广泛被采用和纳入各国标准的方法，如：
(1) 对经增实拌合物体在外力或自重作用下变形的测定:主要有坍落度法(Abrams 设计) ，球体贯入度法(Kelly 设计) ，锥体贯入度法(Grag 设计) 等。
(2) 对经增实拌合物体引入一定量功所产生变形的测定:主要有跳桌扩展法( Graf 设计) ，滑动距离法(Burmister 设计) ，坠落扩展度法(吉田) 。
(3) 对经增实拌合物体，重塑至某一形状所需功的测定:有维勃法(Bahrner 设计) 的VB 试验，苏联中央建筑研究院制定的工业粘度计法，以及由Powers 和Thaulows 分别设计的重塑跳落次数测定试验。
(4) 流动桌法:测定拌合物在重力作用下流经一定截面所需的时间:如NECOB 设计的浮球式振动粘滞仪，Graf 设计的灰浆粘滞仪。
(5) 捣实系数法:测定拌合物经引入一定功使之增实后的密实程度。如Walz 设计的增实度试验， Glanville Collins 和Mathews 所设计的增实因数试验等。以上方法在有些国家的标准中只规定一种，也有的同时规定两种。根据RILEM14 ———CPC1972 年资料介绍，这个国际组织已向国际标准化组织建议同时采用坍落度法和维勃法两种。坍落度试验法是艾布拉姆斯(Abrams) 于1913 年设计的，这一古老的测定法一直使用至今，是国内外广泛用于测定混凝土拌合物和易性的主要方法。已被编入国家标准的有英国标准BS1881 ─1970 ;美国ASTM 试验手册C143 ─74 标准；荷兰标准NEN3801 ;德国标准DIN1048 ;日本J ISA1101 标准;国际标准化组织ISO4109 ─1980 也接纳它作为一项测定可塑性和流动性及拌合物和易性(稠度) 的标准法。
1.2.2 　土力学法
如剪力学试验法、三轴试验法等。这些试验方法太麻烦，而且在该领域里的进展还很有限。
1.2.3 　流变学测定法
这是至今在理论上有希望的测定法。由塔特索尔研究的MKⅠ测量装置和MKⅡ测量装置为其代表。但这些装置在理论上还存在争议，目前比较一致的看法认为在坍落度小于12cm 时，新制混凝土表现为粘塑性体，在12cm～15cm 时为塑性体，在15cm 以上则为宾汉姆体，但并未形成定论，因此这些方法目前尚未纳入各国标准，而且其装置都比较复杂，还远远谈不到随身携带，即使这些方法纳入各国标准后，坍落度法很可能还要保留一段很长的时间。
1.3 　国内外新拌混凝土性能测量的现状与问题
在我国对混凝土和易性的检验，仍普遍沿用传统锥形筒的方法来检测混凝土的流动性。其方法是用一金属制成的空心截头锥形筒，两端开口，高300mm ，底径200mm ，顶径100mm ，试验时将混凝土从筒上端分三次加料浇捣，每浇一层同时进行捣实，全部浇捣完毕后垂直提起锥形筒，混凝土自然坍落后测其坍落高度。该法对于操作者的技术偏差很敏感，由于操作者在提拔锥形筒时的速度与用力的均匀程度不同，同一试验会得出不同的结果，在出现剪切型锥体结果时，其试料佳测量点很难确定，而多被视为作废重做。格兰维尔，柯林斯与马修斯等反对者在1925 年也对此提出过异议。此外，试验器具为多个部件组成，一般测定需2 人以上，因由人力手工操作，其结果很粗略。此法不仅劳动强度和人为误差大，而且检测极不方便，对大坍落度(商品化混凝土) 基本无法使用。
1975 年美国ACI ( 混凝土学会) 会员，加拿大Saskatschewen(萨斯喀川) 大学土木工程系教授K·W· Nasser 发明了简易坍落度测定器，定名为“K- 坍落度测定器”，在加拿大被称为“托拉姆”(TORAM) 。该仪器是设计一种带孔的尺寸为60mm ×300mm、重量为250 克的管型构造物，可实现在60 秒内直读式测定和易性数据，经在美国和加拿大的几个试验中心验证，
该仪器与坍落度试验法有较好的相关关系，且在应用中大大简化了坍落度圆锥法。在加拿大多伦多市兴建的世界高的自立式国家电视旅游高塔550 米高的施工中，加拿大安达略省雷克斯达勒试验业务公司经理(john A·Bickley) 比克利，曾采用了K- 坍落度测定器进行了施工应用观测控制混凝土质量。
日本于1975 年首先刊出了研究报导，目前在日本混凝土施工手册中也列入为浇灌混凝土坍落度测定应用的试验器具之一。1979 年该仪器开始在我国生产应用，到1981 年约有23 个省市的112 个单位应用过该仪器，1982 年国家水电部正式接纳该试验法并列入水工混凝土试验规程SD105 ─82 中。K- 型坍落度仪经几年的应用试验证明，它虽然在简化圆锥形筒方面有了不少改进，但也存在一些局限性和不足，主要有以下几点：
(1) K- 型坍落度仪测定混凝土坍落度范围仅用于塑性混凝土拌合物，而对于低流动性和大流动性混凝土的和易性测定结果则与圆锥形筒法有明显差异，实际测量证实，在坍落度超过8cm 时，用该仪器测得的值与用圆锥形筒所测之值已有明显差异，而且这个差值随坍落度的增大而急剧增大，商品混凝土一般在12cm以上，从而使该仪器的使用范围受到很大限制。主要原因在于它只用一条直线来拟合整个测量范围的实测数据，但要找到一条在高、中、低端都适合的直线是不可能的;其次，由于高端的砂浆流动性增大，变化加剧，但是该仪器的测杆却又无法分辨细微的变化，也是造成在高端测不准的重要原因。Nasser 的验证方程式其坍落度值也在小于8cm 以下范围。当代建筑施工技术不断的发展，为提高混凝土浇筑效率，商品混凝土与泵送的大坍落度大流动性混凝土已被广泛采用，其坍落度值均大于10cm ，这使得K- 坍落度测定器的测定范围受到了一定的限制，而难于适用。
(2) K- 型坍落度仪虽使用方便，省时、省力，但功能过于单一，仍依靠手工操作完成测定，并凭测定者手感判断终点，从而带来人为误差。如仪器测杆因自重而压进砂浆时造成的过失误差难以校正。
(3) 测定值的读取、计时也是靠人工目测估计取值，加上测杆刻度精度较粗而形成系统误差，影响准确性。
(4) K- 型坍落度仪为手工操作仪，功能上不具备对数据进行自动处理计算的手段，因而在现场使用时还要进行记录和手算。
2 　技术方案的确定
2.1 　技术原理
本研究研制的新拌混凝土性能测试仪是利用混凝土的流变特性原理，直接采用旋转扭矩传感器测量混凝土的流变阻力矩，通过流变阻力矩与混凝土技术指标的相关关系计算出混凝土的主要技术指标。本技术的创新点在于采用单片机技术，自动计算和校正测量数据，并可以实现混凝土工程强度和水化温度的预测。这种测量方式的优点是:采用已知参数预置方式检测，可以不依赖试验室而直接显示检测结果，能较准确反映出流态混凝土的整体特性，特别是对大流动性混凝土反应敏感，而且可以使测量精度至少提高一个数量级，方便现场使用。首先通过预置电路将混凝土的相关参数预置进测试仪，作为微处理机的计算参考值。扭矩传感器将混凝土反剪切阻力矩直接变换成电压，经过信号处理后变换成数字信号送入微处理机进行数据处理和计算。同时微处理机还输出一控制信号以校正传感器的误差，保证测试精度，并将结果送给显示电路显示出来。也可以通过接口电路把测量信号送给计算机进行实时控制或打印输出。
2.2 　实现功能
本研究研制的混凝土综合测试仪可直接测量混凝土的坍落度、温度、粘稠度、水灰比、28 天强度等主要技术指标，并可完成平均值计算和检测数据的任意检索，同时可以通过计算机进行混凝土生产的实时控制或打印输出等功能。实现了多项主要混凝土技术指标准确、快捷地综合测试，使混凝土生产和施工的质量得到控制成为可能。
2.3 　技术性能
2.3.1 　技术指标
坍落度：(120mm～270mm) ±10 %
　　测试时间< 8s
温度：( - 25 ℃～ + 102 ℃) ±5 %
　　测试时间30s
28 天强度(10MPa～70MPa) ±10 %
水灰比(012～017) ±10 %
数据存储832 个
接口标准RS232
　　速率9600bps
内置电源NiHM 9V/ 1300mAh
尺寸150mm ×100mm ×53mm
重量300g
2.3.2 　可靠性指标
工作温度 - 20 ℃～ + 70 ℃
储存温度 - 40 ℃～ + 90 ℃
相对湿度 ≤100 %RH
海拔高度 ≮4000m
冲击 980m/ s2
绝缘电压 ≮5000V
3 　硬件设计
3.1 　结构组成
硬件部分由电路板、液晶显示器、扭矩传感器、扭矩传感器探头、温度传感器、电池组、开关及接口部件和壳体等部分组成。微处理机采用新型68HC08 微型化单片机，功能强，使外围电路大为简化。
控制电路采用PWM 技术，提高了仪器的可控性和效率。为适应便携要求，仪器采用9V NiHM 可充电电池，为克服电池电压变化的影响，内部采用稳压供电。采用汉字字符液晶显示器及RS232 接口技术，使数据输出更为直观。
3.2 　产品结构
产品采用工业化结构设计，适应施工中的恶劣环境。仪器采用工程塑料密封设计，1 米高自然落地或掉入水中1 分钟，仪器无需任何处理，仍能正常使用。另外仪器还配有佩带式皮套，即方便携带又保护仪器。同时仪器还采用人性化设计，更符合人的使用习惯。
4 　软件设计
　　软件是嵌入式汇编软件，其载体是高性能CMOS 单片机68HC08 ，该单片机具有内置4096bytes 的FLASH存储器，可以有效地抗击来自传感器等的干扰;2 通道16 位定时器模块，有效地解决PWM传感器控制。
4.1 　功能说明
4.1.1 　测量坍落度
根据传感器的特性，我们设置粒形和粒径，根据模糊设置的方法测量坍落度。首先选择是卵石、碎石、碎卵石，软件记录选择类型;接着选择粒径(mm) : 10 、16 、20 、31 、40 ，并记录下来；然后启动传感器，用PWM方式控制传感器，采取特殊的控制方式，消除传感器滞留特性带来的误差，精确调整传感器。在规定的时间内快速连续测量，采用数字滤波技术，滤除传感器干扰和其他噪声干扰。存储测试结果。根据预先设置的参数，分类处理，计算出坍落度值，显示并存储。
4.1.2 　计算强度
由非线性回归方程得出测量值与灰水比的关系，再由灰水比与强度之间的关系，根据不同的水泥标号值，用浮点的方法精确计算出混凝土的强度，供现场技术人员和验收人员提供现场的测量仪器。
4.1.3 　测量温度
由温度传感器调理电路，输入到AD 口，软件以慢变的采集率，及时显示实际的温度测量，等到温度变化稳定时，软件自动采集并稳定显示实际温度值，存储显示结果。再显示多次测量的结果平均值，供技术人员参考。软件设计了自动判别温度溢出，自己检测温度电路的正常与否，并报警提示操作人员检查是否正确操作，重新测量功能。
4.1.4 　自动监测电池电压
本软件具有自动监测电池电压的功能，如果电压充足，就显示全满的电池符号;如果欠电压，就显示不满的电池符号;等电压不足以提供整机工作，尤其传感器的工作需求，然后显示半满的电池符号，提示低电压告警“LOWBATTER”，执行中断程序，告知用户重新充电池。
4.1.5 　数据查阅功能
本软件具有存储三组各99 个温度和99 个坍落度及强度、水灰比等平均值，这些数据掉电不会丢失。能够查阅过去的测试记录，并进行统计平均，提供可靠测量手段。查阅时选择查阅数据类，即坍落度和温度，还有强度。按“翻屏”键，可以迅速地查阅以前测量的数据。如果存储数据超过99 个，那么软件自动将早的数据替换掉。
4.1.6 　完成与计算机的数据通信
以RS232 接口协议与主机通信，回放所有测量存储的数据，供用户存储记录备案。主机上的软件可以统计分析所有的数据，可以供用户对所有混凝土进行评定，建立完备数据库。
4.2 　软件模块
4.2.1 　初始化模块
(1) 闭MCU 的WATCH DOG功能，设置I/ O 的输入输出方向；
(2) 初始化LCD 显示功能，设置显示方式，初始化8 个显示图符；
(3) 调用存储器存储的粒形、粒径、RC 等参数预设值，及坍落度、温度、强度等存储的序号；
(4) 显示软件名称，调用按键子程序，查阅“翻屏” 键是否按下，且等待“翻屏”键按下。
4.2.2 　功能选择模块
(1) 显示坍落度、温度、参数初始化设置、数据查阅、数据通信五个菜单； (2) 按“选择”键，选择相应的功能；
(3) 按“确认”键，执行调用相应的功能。
4.2.3 　坍落度测量模块
(1) 显示粒形粒径，按“选择”键选择要设置的参数；
(2) 按“选择”键，可以修改参数的设置，并保存设置值;
(3) 显示坍落度待测字符，按测量键进行测量，显示正在测量字符；
(4) 按设定的程序，自动跟踪传感器控制技术，完成一次测量；
(5) 测量数据，进行数字滤波，排除干扰；
(6) 根据事先设定的参数，计算出强度值；
(7) 显示坍落度和强度值，依照先后顺序存储坍落度和强度值；
(8) 返回待测状态，如果继续，可以按“测量”键，
如果不进行，则按“翻屏”键。
4.2.4 　温度测量模块
(1) 初始化显示温度待测字符；
(2) 按“测量”键，设置测量时间，A/ D 采样率，采集数据；
(3) 判断数据是否在测量范围内，如果不在则告警，告知操作者是否是因为没有操作好，而要重新操作。如果确实是超出范围，则要真正报警；
(4) 显示温度测量瞬时值，计算多次测量的平均值，并且显示；
(5) 存储当次测量值，刷新温度平均值。
4.2.5 　数据查阅功能模块
(1) 始化显示查阅的坍落度和温度及强度的菜单；
(2) 用“选择”键选择查阅的数据类型；
(3) 显示查阅的数据，用“翻屏”键翻阅依次存储的数据，并显示查阅的数据的序号；
(4) 用“PAGE UP”和“PAGE DOWN ”键，可以随意翻页查阅。
4.2.6 　数据通信模块
(1) 置通信协议，通信波特率、通信码位等与通信有关的事宜；
(2) 与主机通信握手，如果握手成功，则显示发送数据字符;否则超时显示握手不成功，告知操作者电缆线是否连接好，或主机没有准备好；
(3) 依次发送三种数据，并对每种数据之间标记，让主机识别数据类型；
(4) 发送成功，且发送完所有的数据，就显示“数据输出完毕”字符。
5 　调试与仿真
　　在软硬件设计成功的基础上，软件采用Motorola HC08 开发装置在线调试，确认功能正确，符合设计要求。在仿真调试过程中，经过反反复复的调试，不断的修改和完善，仪表满足了设计要求。经过多次现场使用，基本确认程序设计正确，功能符合现场检测要求，并能准确反映混凝土的各项技术参数，较好地完成功能需求。
6 　仪器研制结论
　　混凝土综合测试仪是利用混凝土的流变特性来测量混凝土的基本参数的。它通过传感器的旋转剪切运动测量出混凝土的粘滞阻力矩，利用混凝土粘滞阻力矩与混凝土基本参数的相关性，将传感器测量出的混凝土粘滞阻力矩直接变换成电压信号，经过信号处理后变换成数字信号送入MCU 进行数据处理和计算。同时MCU 还输出一控制信号以校正传感器的误差，保证测试精度，并将结果送给显示电路显示出来。新仪器采用了传感技术和微电脑技术，完全不同于以往坍落度仪的测量原理。能直接通过液晶显示器显示坍落度值、温度，预测28 天强度，为工程施工和混凝土生产人员提供水灰比、用水量等参考值，并进行平均值计算等。他还能根据要求直接连接计算机进行数据打印输出或作在线测试的二次仪表使用。实现了多功能合一，使用简便、可靠、直观。它为混凝土的准确测量提供了技术基础。本项目产品由于采用了新型的电路结构和工业化结构设计，及全密封注塑成型技术，使产品的防震、防水性能完全能够满足在恶劣现场环境条件下使用的可靠性和安全性要求。

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