一体化混凝土热物理参数测定仪的研制

姜福田，田冠飞，纪国晋，诸华丰

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.中国建筑科学研究院，北京 100013；3.舟山市博远科技开发有限公司，浙江 舟山 316000）

大体积混凝土温度应力和裂缝控制计算需要的主要热物理参数包括混凝土的绝热温升、比热容、热扩散率和热线胀系数。其测定方法可按 《水工混凝土试验规程》[1-2]进行，而相关测试仪器尚无统一的产品标准。为规范混凝土热物理参数测定仪产品的性能指标和检测方法，经住房和城乡建设部批准，成立了标准编制组起草行业标准JG/T 329—2011《混凝土热物理参数测定仪》，目前该标准已经颁布实施[3]。

为实现和验证标准提出的技术要求和检验指标，标准编制组成员舟山市博远科技开发有限公司等单位同步进行了产品样机的研制。通过在测试方法和技术上的多项创新，全面实现了新颁布的行业标准JG/T 329—2011《混凝土热物理参数测定仪》提出的技术性能要求，整体技术指标达到国际先进水平，部分指标超过国外同类机水平。

1 国内现有产品现状

目前国内至少有三家生产热物理参数测定仪的厂商，其产品现状是：①设计不尽相同，多是仿制国外不同年代的机型；②仪器参数测定值准确度规定不统一，有些无规定；③检验方法无章可循，各行其是。

丁建彤等采用三家仪器对同一种混凝土的绝热温升参数进行了比对检验，结果表明[4]，采用不同仪器测得的相同配合比混凝土绝热温升有显著差异（见表1和图1）。其中，HR-2的28 d绝热温升最高，JR-2的最低，3台仪器对28 d龄期混凝土绝热温升的检测结果最大相差2.4℃。

图1 采用不同仪器测得的相同配合比混凝土的绝热温升过程线

表1 采用不同仪器测得的相同配合比混凝土的绝热温升 ℃

文献[4]作者认为，造成不同仪器绝热温升检测结果存在差异的原因有3点，即仪器控温精度、仪器本身的控制方式和偏差值率定方式。因此，为了将混凝土热物理参数测定仪生产标准化，检测指标和准确度统一化，检验方法规范化，制定产品标准JG/T 329—2011《混凝土热物理参数测定仪》是非常必要的。

2 仪器结构、性能和创新设计

2.1 总体目标

仪器开发研制的总体目标为：①实现和验证产品标准 《混凝土热物理参数测定仪》提出的技术要求和检验标准，整体性能指标达到国际先进水平；②测试技术和方法有所创新，部分性能技术指标超过国外同类机水平；③仪器操控和运行智能化，试验程序计算机操控，数据采集、结果处理均可显示和贮存；④节能和降低成本。

2.2 结构与功能

2.2.1 仪器体积容量

混凝土绝热温升测定必须采用原级配混凝土（不能湿筛）。大坝水工混凝土最大骨料粒径为150 mm，由此决定试件最大尺寸为φ400 mm×400 mm（约50 L），可测定普通混凝土、大坝常规混凝土和碾压混凝土绝热温升。

比热容、热扩散率和热线胀系数的试件尺寸采用SL 352—2006 《水工混凝土试验规程》相应试验方法规定的尺寸。

2.2.2 智能化操控

仪器硬件选用高可靠工业计算机和WinCE操作系统，实现全自动数据采集、贮存、处理和智能化运行控制，专用操控软件集成了仪器各项测试功能和齐全的辅助功能，大屏幕彩色触摸屏实现人机交互和试验数据显示，仪器操作简单明了，极具人性化，并配有网络、USB等接口，可方便实现仪器的联网监控和试验数据文件传输。

2.2.3 一机多用，降低成本

单项热物理参数测定仪的缺点是每项都需要设置冷却和加热升温两个系统。如果将几个单项或全部参数的测定功能放在一个试验机内进行，可降低设备成本。本次样机按全能型设计，一机可测定绝热温升、比热容、热扩散率和热线胀系数4个热物理参数，以节省能源和降低仪器成本。

2.3 各功能单元创新设计

2.3.1 绝热温升测定单元

绝热温升测定单元的结构如图2所示，由绝热试验箱、试件桶及温度测量与仪器运行控制系统等组成。

图2 绝热温升试验装置

仪器设计采纳了美国垦务局和日本圆井制作所试验仪器的理念，吸收了现代科技新技术，采用高精度温度传感器和计算机自动采样技术，专门研发了针对绝热温升测定方法和装置的计算机软件智能温度跟踪算法，使绝热试验箱的温度跟踪精度在全温度段达到±0.1℃以内，50 L水在绝热跟踪状态下温度变动值保持在0.05℃以内的持续时间达到3 d以上。

2.3.2 比热容测定单元

比热容参数采用绝热法测定，其加热装置结构如图3所示。比热容测定单元的设计具有以下创新点：①比热容测定的绝热环境与绝热温升测定单元绝热试验箱合用，提高了设备利用率。由于比热容测定时的升温速率远大于绝热温升测定，其温度跟踪算法是专门研制开发的，不同于绝热温升测定。②比热容测定分3个阶段进行，每个阶段试验时间、加热参数和操作程序严格固定；考虑到混凝土试件的吸热，试验终止时间选定在比热容加热桶内水温与绝热箱温度相等时。③比热容加热桶内搅拌器的等效热功率和加热桶的总热容量不需要测定，采用水修正试验值取代。

图3 比热容加热装置

2.3.3 热扩散率测定单元

热扩散率测定单元的结构如图4所示，由试验桶、恒温循环水给水装置及仪器测量与运行控制系统等组成。该单元采用循环水给水设计，具有以下优点：①试件恒温加热与恒温冷却过程在同一试验桶内进行，试验过程可实现自动运行；②试件降温阶段恒温循环水给水装置提供的循环水水温变动值不超过±0.5℃，与采用自来水降温方法相比，确保了试件冷却过程的恒温环境状态；③由于采用了水循环方式，最大限度节约了水资源，体现了绿色、环保的设计理念。

图4 热扩散率和热线胀系数试验装置

在上述新结构设计的基础上，博远科技开发有限公司经过试验探索，提出并实现了全新的逆向热扩散率测定法—BYR法[5]，并申报了国家发明专利[5]。与传统测定方法相比，BYR法具有以下优点：①低成本。循环水的恒温控制可通过控制电加热的功率来实现，与采用制冷恒温控制技术相比，大大降低了温度控制系统的技术难度和设备成本。②节能。测量过程试件只需经历一次加热即可完成，由于传统试验方法的测量过程试件需要经历一次加热和一次冷却过程，且冷却过程的制冷效率远低于直接加热，因此采用新方法可以节约电能2/3以上。③节水。由于制热功率控制响应远比制冷系统快速，实现相同恒温条件 （相同温度波动幅度）其循环水的容量可以更小，耗水量也更小。④缩短试验时间。根据物理学热传导原理，对于相同试件在相同的高低温差下， “高温试件低温扩散”和 “低温试件高温扩散”过程所经历的时间是相等的。由于BYR法测量过程试件只需经历一次加热过程，试验时间缩短约1/2。⑤提高测量精度。由于制热功率控制响应远比制冷系统快，因此BYR法测量装置可实现更高的循环水恒温控制精度 （温度波动幅度更小），使试件获得更稳定的热扩散环境温度，从而降低温度波动引起的测量误差。实测表明，该试验装置稳定热扩散阶段 （线性阶段）的水温波动在±0.1℃以内，全过程的温度波动在±0.3℃以内。

对同一试件分别用BYR法与SL352方法进行了对比测量，试验结果见图5。实测表明，混凝土热扩散系数与温度相关，在试验温度段内呈较好的线性关系，同一试件BYR法测量结果与SL352方法测量结果相一致。

图5 同一试件不同方法的热扩散温度对比试验结果

2.3.4 热胀系数测定单元

热胀系数测定不需要增加任何装置，与热扩散率试验装置合用，由仪器运行控制系统软件，根据操作程序自动完成全部测定工作。恒温期间试验箱内水温变动值不大于±0.1℃。

2.4 性能技术指标

仪器的性能技术指标全部达到JG/T 329—2011《混凝土热物理参数测定仪》的规定，与国外最新同类型仪器相比，个别项目性能有所提高，达到国际先进水平。

2.4.1 温度传感器

温度传感器温度测量范围为0～100℃，测量误差不大于±0.1℃，分辨率不低于0.01℃。

2.4.2 绝热温升试验装置

（1）无热源水检验，在温度跟踪状态下运行72 h，容器内水的温度变动不大于±0.05℃，即±0.05℃/（72 h·50 L水），优于日本圆井制作要求的±0.05℃/（24 h·50 L 水） 的指标。

（2）混凝土试验时，绝热室内空气平均温度与试件中心温度的差值不大于±0.1℃。

2.4.3 比热容测定装置

（1）试验时，绝热试验箱内空气平均温度与试件加热桶水温的差值保持不大于±0.2℃。

（2）每个热容量水修正值与平均值的差值不大于15%。

2.2.4 热扩散率测定装置

（1）试验箱内水的温度为10～80℃，升温速率为1℃/min。

（2）试件整个热扩散率测定过程中，试验箱内水温变动值不大于±1℃；稳定热扩散阶段水温变动值不大于±0.5℃，优于日本圆井制作±1℃的指标[6]。

（3）BYR法实现了全过程水温变动值在±0.3℃以内，试验装置稳定热扩散阶段的水温波动在±0.1℃以内。

2.4.5 热胀系数测定装置

（1）试验箱水温范围和升温速率与热扩散率测定相同。

（2）恒温期间试验箱内水温变动值不大于±0.1℃。

3 结语

本文所述的混凝土热物理参数测定仪设计以美国垦务局对混凝土热物理参数测定的理论为依据，吸收了美国垦务局、美国陆军工程师兵团及日本圆井制作所的测试方法,采用高精度温度传感器和计算机控制技术，通过测试技术和方法上的多项创新，全面实现了新制定的行业标准JG/329—2011《混凝土热物理参数测定仪》提出的技术性能要求，整体技术指标达到国际先进水平。

［1］ SL 352—2006 水工混凝土试验规程［S］.

［2］ DL/T 5150—2001 水工混凝土试验规程［S］.

［3］ JG/T 329—2011 混凝土热物理参数测定仪［S］.

［4］ 丁建彤，等.测试设备及率定方式对混凝土绝热温升试验的影响［C］//水工大坝混凝土材料和温度控制研究与进展.北京：中国水利水电出版社，2009.

［5］ 诸华丰，等.一种测定混凝土热扩散率的新方法［C］//全国混凝土新技术、新标准及工程应用学术交流会论文集.2010.

［6］ 舟山市博远科技开发有限公司.混凝土热扩散率的测定方法及试验装置：中国，CN101915776A［P］.2010.12.15.