一體化混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定儀的研制

姜福田，田冠飛，紀(jì)國(guó)晉，諸華豐

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院，北京 100013；3.舟山市博遠(yuǎn)科技開(kāi)發(fā)有限公司，浙江 舟山 316000）

大體積混凝土溫度應(yīng)力和裂縫控制計(jì)算需要的主要熱物理參數(shù)包括混凝土的絕熱溫升、比熱容、熱擴(kuò)散率和熱線脹系數(shù)。其測(cè)定方法可按 《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[1-2]進(jìn)行，而相關(guān)測(cè)試儀器尚無(wú)統(tǒng)一的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。為規(guī)范混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定儀產(chǎn)品的性能指標(biāo)和檢測(cè)方法，經(jīng)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部批準(zhǔn)，成立了標(biāo)準(zhǔn)編制組起草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 329—2011《混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定儀》，目前該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)頒布實(shí)施[3]。

為實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)提出的技術(shù)要求和檢驗(yàn)指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)編制組成員舟山市博遠(yuǎn)科技開(kāi)發(fā)有限公司等單位同步進(jìn)行了產(chǎn)品樣機(jī)的研制。通過(guò)在測(cè)試方法和技術(shù)上的多項(xiàng)創(chuàng)新，全面實(shí)現(xiàn)了新頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 329—2011《混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定儀》提出的技術(shù)性能要求，整體技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，部分指標(biāo)超過(guò)國(guó)外同類(lèi)機(jī)水平。

1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有產(chǎn)品現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)至少有三家生產(chǎn)熱物理參數(shù)測(cè)定儀的廠商，其產(chǎn)品現(xiàn)狀是：①設(shè)計(jì)不盡相同，多是仿制國(guó)外不同年代的機(jī)型；②儀器參數(shù)測(cè)定值準(zhǔn)確度規(guī)定不統(tǒng)一，有些無(wú)規(guī)定；③檢驗(yàn)方法無(wú)章可循，各行其是。

丁建彤等采用三家儀器對(duì)同一種混凝土的絕熱溫升參數(shù)進(jìn)行了比對(duì)檢驗(yàn)，結(jié)果表明[4]，采用不同儀器測(cè)得的相同配合比混凝土絕熱溫升有顯著差異（見(jiàn)表1和圖1）。其中，HR-2的28 d絕熱溫升最高，JR-2的最低，3臺(tái)儀器對(duì)28 d齡期混凝土絕熱溫升的檢測(cè)結(jié)果最大相差2.4℃。

圖1 采用不同儀器測(cè)得的相同配合比混凝土的絕熱溫升過(guò)程線

表1 采用不同儀器測(cè)得的相同配合比混凝土的絕熱溫升 ℃

文獻(xiàn)[4]作者認(rèn)為，造成不同儀器絕熱溫升檢測(cè)結(jié)果存在差異的原因有3點(diǎn)，即儀器控溫精度、儀器本身的控制方式和偏差值率定方式。因此，為了將混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定儀生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化，檢測(cè)指標(biāo)和準(zhǔn)確度統(tǒng)一化，檢驗(yàn)方法規(guī)范化，制定產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)JG/T 329—2011《混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定儀》是非常必要的。

2 儀器結(jié)構(gòu)、性能和創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 總體目標(biāo)

儀器開(kāi)發(fā)研制的總體目標(biāo)為：①實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) 《混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定儀》提出的技術(shù)要求和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，整體性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平；②測(cè)試技術(shù)和方法有所創(chuàng)新，部分性能技術(shù)指標(biāo)超過(guò)國(guó)外同類(lèi)機(jī)水平；③儀器操控和運(yùn)行智能化，試驗(yàn)程序計(jì)算機(jī)操控，數(shù)據(jù)采集、結(jié)果處理均可顯示和貯存；④節(jié)能和降低成本。

2.2 結(jié)構(gòu)與功能

2.2.1 儀器體積容量

混凝土絕熱溫升測(cè)定必須采用原級(jí)配混凝土（不能濕篩）。大壩水工混凝土最大骨料粒徑為150 mm，由此決定試件最大尺寸為φ400 mm×400 mm（約50 L），可測(cè)定普通混凝土、大壩常規(guī)混凝土和碾壓混凝土絕熱溫升。

比熱容、熱擴(kuò)散率和熱線脹系數(shù)的試件尺寸采用SL 352—2006 《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》相應(yīng)試驗(yàn)方法規(guī)定的尺寸。

2.2.2 智能化操控

儀器硬件選用高可靠工業(yè)計(jì)算機(jī)和WinCE操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、貯存、處理和智能化運(yùn)行控制，專用操控軟件集成了儀器各項(xiàng)測(cè)試功能和齊全的輔助功能，大屏幕彩色觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，儀器操作簡(jiǎn)單明了，極具人性化，并配有網(wǎng)絡(luò)、USB等接口，可方便實(shí)現(xiàn)儀器的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控和試驗(yàn)數(shù)據(jù)文件傳輸。

2.2.3 一機(jī)多用，降低成本

單項(xiàng)熱物理參數(shù)測(cè)定儀的缺點(diǎn)是每項(xiàng)都需要設(shè)置冷卻和加熱升溫兩個(gè)系統(tǒng)。如果將幾個(gè)單項(xiàng)或全部參數(shù)的測(cè)定功能放在一個(gè)試驗(yàn)機(jī)內(nèi)進(jìn)行，可降低設(shè)備成本。本次樣機(jī)按全能型設(shè)計(jì)，一機(jī)可測(cè)定絕熱溫升、比熱容、熱擴(kuò)散率和熱線脹系數(shù)4個(gè)熱物理參數(shù)，以節(jié)省能源和降低儀器成本。

2.3 各功能單元?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)

2.3.1 絕熱溫升測(cè)定單元

絕熱溫升測(cè)定單元的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由絕熱試驗(yàn)箱、試件桶及溫度測(cè)量與儀器運(yùn)行控制系統(tǒng)等組成。

圖2 絕熱溫升試驗(yàn)裝置

儀器設(shè)計(jì)采納了美國(guó)墾務(wù)局和日本圓井制作所試驗(yàn)儀器的理念，吸收了現(xiàn)代科技新技術(shù)，采用高精度溫度傳感器和計(jì)算機(jī)自動(dòng)采樣技術(shù)，專門(mén)研發(fā)了針對(duì)絕熱溫升測(cè)定方法和裝置的計(jì)算機(jī)軟件智能溫度跟蹤算法，使絕熱試驗(yàn)箱的溫度跟蹤精度在全溫度段達(dá)到±0.1℃以內(nèi)，50 L水在絕熱跟蹤狀態(tài)下溫度變動(dòng)值保持在0.05℃以內(nèi)的持續(xù)時(shí)間達(dá)到3 d以上。

2.3.2 比熱容測(cè)定單元

比熱容參數(shù)采用絕熱法測(cè)定，其加熱裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。比熱容測(cè)定單元的設(shè)計(jì)具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：①比熱容測(cè)定的絕熱環(huán)境與絕熱溫升測(cè)定單元絕熱試驗(yàn)箱合用，提高了設(shè)備利用率。由于比熱容測(cè)定時(shí)的升溫速率遠(yuǎn)大于絕熱溫升測(cè)定，其溫度跟蹤算法是專門(mén)研制開(kāi)發(fā)的，不同于絕熱溫升測(cè)定。②比熱容測(cè)定分3個(gè)階段進(jìn)行，每個(gè)階段試驗(yàn)時(shí)間、加熱參數(shù)和操作程序嚴(yán)格固定；考慮到混凝土試件的吸熱，試驗(yàn)終止時(shí)間選定在比熱容加熱桶內(nèi)水溫與絕熱箱溫度相等時(shí)。③比熱容加熱桶內(nèi)攪拌器的等效熱功率和加熱桶的總熱容量不需要測(cè)定，采用水修正試驗(yàn)值取代。

圖3 比熱容加熱裝置

2.3.3 熱擴(kuò)散率測(cè)定單元

熱擴(kuò)散率測(cè)定單元的結(jié)構(gòu)如圖4所示，由試驗(yàn)桶、恒溫循環(huán)水給水裝置及儀器測(cè)量與運(yùn)行控制系統(tǒng)等組成。該單元采用循環(huán)水給水設(shè)計(jì)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①試件恒溫加熱與恒溫冷卻過(guò)程在同一試驗(yàn)桶內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行；②試件降溫階段恒溫循環(huán)水給水裝置提供的循環(huán)水水溫變動(dòng)值不超過(guò)±0.5℃，與采用自來(lái)水降溫方法相比，確保了試件冷卻過(guò)程的恒溫環(huán)境狀態(tài)；③由于采用了水循環(huán)方式，最大限度節(jié)約了水資源，體現(xiàn)了綠色、環(huán)保的設(shè)計(jì)理念。

圖4 熱擴(kuò)散率和熱線脹系數(shù)試驗(yàn)裝置

在上述新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，博遠(yuǎn)科技開(kāi)發(fā)有限公司經(jīng)過(guò)試驗(yàn)探索，提出并實(shí)現(xiàn)了全新的逆向熱擴(kuò)散率測(cè)定法—BYR法[5]，并申報(bào)了國(guó)家發(fā)明專利[5]。與傳統(tǒng)測(cè)定方法相比，BYR法具有以下優(yōu)點(diǎn)：①低成本。循環(huán)水的恒溫控制可通過(guò)控制電加熱的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)，與采用制冷恒溫控制技術(shù)相比，大大降低了溫度控制系統(tǒng)的技術(shù)難度和設(shè)備成本。②節(jié)能。測(cè)量過(guò)程試件只需經(jīng)歷一次加熱即可完成，由于傳統(tǒng)試驗(yàn)方法的測(cè)量過(guò)程試件需要經(jīng)歷一次加熱和一次冷卻過(guò)程，且冷卻過(guò)程的制冷效率遠(yuǎn)低于直接加熱，因此采用新方法可以節(jié)約電能2/3以上。③節(jié)水。由于制熱功率控制響應(yīng)遠(yuǎn)比制冷系統(tǒng)快速，實(shí)現(xiàn)相同恒溫條件 （相同溫度波動(dòng)幅度）其循環(huán)水的容量可以更小，耗水量也更小。④縮短試驗(yàn)時(shí)間。根據(jù)物理學(xué)熱傳導(dǎo)原理，對(duì)于相同試件在相同的高低溫差下， “高溫試件低溫?cái)U(kuò)散”和 “低溫試件高溫?cái)U(kuò)散”過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間是相等的。由于BYR法測(cè)量過(guò)程試件只需經(jīng)歷一次加熱過(guò)程，試驗(yàn)時(shí)間縮短約1/2。⑤提高測(cè)量精度。由于制熱功率控制響應(yīng)遠(yuǎn)比制冷系統(tǒng)快，因此BYR法測(cè)量裝置可實(shí)現(xiàn)更高的循環(huán)水恒溫控制精度 （溫度波動(dòng)幅度更?。?，使試件獲得更穩(wěn)定的熱擴(kuò)散環(huán)境溫度，從而降低溫度波動(dòng)引起的測(cè)量誤差。實(shí)測(cè)表明，該試驗(yàn)裝置穩(wěn)定熱擴(kuò)散階段 （線性階段）的水溫波動(dòng)在±0.1℃以內(nèi)，全過(guò)程的溫度波動(dòng)在±0.3℃以內(nèi)。

對(duì)同一試件分別用BYR法與SL352方法進(jìn)行了對(duì)比測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。實(shí)測(cè)表明，混凝土熱擴(kuò)散系數(shù)與溫度相關(guān)，在試驗(yàn)溫度段內(nèi)呈較好的線性關(guān)系，同一試件BYR法測(cè)量結(jié)果與SL352方法測(cè)量結(jié)果相一致。

圖5 同一試件不同方法的熱擴(kuò)散溫度對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

2.3.4 熱脹系數(shù)測(cè)定單元

熱脹系數(shù)測(cè)定不需要增加任何裝置，與熱擴(kuò)散率試驗(yàn)裝置合用，由儀器運(yùn)行控制系統(tǒng)軟件，根據(jù)操作程序自動(dòng)完成全部測(cè)定工作。恒溫期間試驗(yàn)箱內(nèi)水溫變動(dòng)值不大于±0.1℃。

2.4 性能技術(shù)指標(biāo)

儀器的性能技術(shù)指標(biāo)全部達(dá)到JG/T 329—2011《混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定儀》的規(guī)定，與國(guó)外最新同類(lèi)型儀器相比，個(gè)別項(xiàng)目性能有所提高，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

2.4.1 溫度傳感器

溫度傳感器溫度測(cè)量范圍為0～100℃，測(cè)量誤差不大于±0.1℃，分辨率不低于0.01℃。

2.4.2 絕熱溫升試驗(yàn)裝置

（1）無(wú)熱源水檢驗(yàn)，在溫度跟蹤狀態(tài)下運(yùn)行72 h，容器內(nèi)水的溫度變動(dòng)不大于±0.05℃，即±0.05℃/（72 h·50 L水），優(yōu)于日本圓井制作要求的±0.05℃/（24 h·50 L 水） 的指標(biāo)。

（2）混凝土試驗(yàn)時(shí)，絕熱室內(nèi)空氣平均溫度與試件中心溫度的差值不大于±0.1℃。

2.4.3 比熱容測(cè)定裝置

（1）試驗(yàn)時(shí)，絕熱試驗(yàn)箱內(nèi)空氣平均溫度與試件加熱桶水溫的差值保持不大于±0.2℃。

（2）每個(gè)熱容量水修正值與平均值的差值不大于15%。

2.2.4 熱擴(kuò)散率測(cè)定裝置

（1）試驗(yàn)箱內(nèi)水的溫度為10～80℃，升溫速率為1℃/min。

（2）試件整個(gè)熱擴(kuò)散率測(cè)定過(guò)程中，試驗(yàn)箱內(nèi)水溫變動(dòng)值不大于±1℃；穩(wěn)定熱擴(kuò)散階段水溫變動(dòng)值不大于±0.5℃，優(yōu)于日本圓井制作±1℃的指標(biāo)[6]。

（3）BYR法實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程水溫變動(dòng)值在±0.3℃以內(nèi)，試驗(yàn)裝置穩(wěn)定熱擴(kuò)散階段的水溫波動(dòng)在±0.1℃以內(nèi)。

2.4.5 熱脹系數(shù)測(cè)定裝置

（1）試驗(yàn)箱水溫范圍和升溫速率與熱擴(kuò)散率測(cè)定相同。

（2）恒溫期間試驗(yàn)箱內(nèi)水溫變動(dòng)值不大于±0.1℃。

3 結(jié)語(yǔ)

本文所述的混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定儀設(shè)計(jì)以美國(guó)墾務(wù)局對(duì)混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定的理論為依據(jù)，吸收了美國(guó)墾務(wù)局、美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)及日本圓井制作所的測(cè)試方法,采用高精度溫度傳感器和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，通過(guò)測(cè)試技術(shù)和方法上的多項(xiàng)創(chuàng)新，全面實(shí)現(xiàn)了新制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/329—2011《混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定儀》提出的技術(shù)性能要求，整體技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

［1］ SL 352—2006 水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［2］ DL/T 5150—2001 水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［3］ JG/T 329—2011 混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定儀［S］.

［4］ 丁建彤，等.測(cè)試設(shè)備及率定方式對(duì)混凝土絕熱溫升試驗(yàn)的影響［C］//水工大壩混凝土材料和溫度控制研究與進(jìn)展.北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.

［5］ 諸華豐，等.一種測(cè)定混凝土熱擴(kuò)散率的新方法［C］//全國(guó)混凝土新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)及工程應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.2010.

［6］ 舟山市博遠(yuǎn)科技開(kāi)發(fā)有限公司.混凝土熱擴(kuò)散率的測(cè)定方法及試驗(yàn)裝置：中國(guó)，CN101915776A［P］.2010.12.15.