一體化混凝土熱物理參數測定儀的研制

姜福田，田冠飛，紀國晉，諸華豐

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.中國建筑科學研究院，北京 100013；3.舟山市博遠科技開發有限公司，浙江 舟山 316000）

大體積混凝土溫度應力和裂縫控制計算需要的主要熱物理參數包括混凝土的絕熱溫升、比熱容、熱擴散率和熱線脹系數。其測定方法可按 《水工混凝土試驗規程》[1-2]進行，而相關測試儀器尚無統一的產品標準。為規范混凝土熱物理參數測定儀產品的性能指標和檢測方法，經住房和城鄉建設部批準，成立了標準編制組起草行業標準JG/T 329—2011《混凝土熱物理參數測定儀》，目前該標準已經頒布實施[3]。

為實現和驗證標準提出的技術要求和檢驗指標，標準編制組成員舟山市博遠科技開發有限公司等單位同步進行了產品樣機的研制。通過在測試方法和技術上的多項創新，全面實現了新頒布的行業標準JG/T 329—2011《混凝土熱物理參數測定儀》提出的技術性能要求，整體技術指標達到國際先進水平，部分指標超過國外同類機水平。

1 國內現有產品現狀

目前國內至少有三家生產熱物理參數測定儀的廠商，其產品現狀是：①設計不盡相同，多是仿制國外不同年代的機型；②儀器參數測定值準確度規定不統一，有些無規定；③檢驗方法無章可循，各行其是。

丁建彤等采用三家儀器對同一種混凝土的絕熱溫升參數進行了比對檢驗，結果表明[4]，采用不同儀器測得的相同配合比混凝土絕熱溫升有顯著差異（見表1和圖1）。其中，HR-2的28 d絕熱溫升最高，JR-2的最低，3臺儀器對28 d齡期混凝土絕熱溫升的檢測結果最大相差2.4℃。

圖1 采用不同儀器測得的相同配合比混凝土的絕熱溫升過程線

表1 采用不同儀器測得的相同配合比混凝土的絕熱溫升 ℃

文獻[4]作者認為，造成不同儀器絕熱溫升檢測結果存在差異的原因有3點，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測定儀生產標準化，檢測指標和準確度統一化，檢驗方法規范化，制定產品標準JG/T 329—2011《混凝土熱物理參數測定儀》是非常必要的。

2 儀器結構、性能和創新設計

2.1 總體目標

儀器開發研制的總體目標為：①實現和驗證產品標準 《混凝土熱物理參數測定儀》提出的技術要求和檢驗標準，整體性能指標達到國際先進水平；②測試技術和方法有所創新，部分性能技術指標超過國外同類機水平；③儀器操控和運行智能化，試驗程序計算機操控，數據采集、結果處理均可顯示和貯存；④節能和降低成本。

2.2 結構與功能

2.2.1 儀器體積容量

混凝土絕熱溫升測定必須采用原級配混凝土（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），可測定普通混凝土、大壩常規混凝土和碾壓混凝土絕熱溫升。

比熱容、熱擴散率和熱線脹系數的試件尺寸采用SL 352—2006 《水工混凝土試驗規程》相應試驗方法規定的尺寸。

2.2.2 智能化操控

儀器硬件選用高可靠工業計算機和WinCE操作系統，實現全自動數據采集、貯存、處理和智能化運行控制，專用操控軟件集成了儀器各項測試功能和齊全的輔助功能，大屏幕彩色觸摸屏實現人機交互和試驗數據顯示，儀器操作簡單明了，極具人性化，并配有網絡、USB等接口，可方便實現儀器的聯網監控和試驗數據文件傳輸。

2.2.3 一機多用，降低成本

單項熱物理參數測定儀的缺點是每項都需要設置冷卻和加熱升溫兩個系統。如果將幾個單項或全部參數的測定功能放在一個試驗機內進行，可降低設備成本。本次樣機按全能型設計，一機可測定絕熱溫升、比熱容、熱擴散率和熱線脹系數4個熱物理參數，以節省能源和降低儀器成本。

2.3 各功能單元創新設計

2.3.1 絕熱溫升測定單元

絕熱溫升測定單元的結構如圖2所示，由絕熱試驗箱、試件桶及溫度測量與儀器運行控制系統等組成。

圖2 絕熱溫升試驗裝置

儀器設計采納了美國墾務局和日本圓井制作所試驗儀器的理念，吸收了現代科技新技術，采用高精度溫度傳感器和計算機自動采樣技術，專門研發了針對絕熱溫升測定方法和裝置的計算機軟件智能溫度跟蹤算法，使絕熱試驗箱的溫度跟蹤精度在全溫度段達到±0.1℃以內，50 L水在絕熱跟蹤狀態下溫度變動值保持在0.05℃以內的持續時間達到3 d以上。

2.3.2 比熱容測定單元

比熱容參數采用絕熱法測定，其加熱裝置結構如圖3所示。比熱容測定單元的設計具有以下創新點：①比熱容測定的絕熱環境與絕熱溫升測定單元絕熱試驗箱合用，提高了設備利用率。由于比熱容測定時的升溫速率遠大于絕熱溫升測定，其溫度跟蹤算法是專門研制開發的，不同于絕熱溫升測定。②比熱容測定分3個階段進行，每個階段試驗時間、加熱參數和操作程序嚴格固定；考慮到混凝土試件的吸熱，試驗終止時間選定在比熱容加熱桶內水溫與絕熱箱溫度相等時。③比熱容加熱桶內攪拌器的等效熱功率和加熱桶的總熱容量不需要測定，采用水修正試驗值取代。

圖3 比熱容加熱裝置

2.3.3 熱擴散率測定單元

熱擴散率測定單元的結構如圖4所示，由試驗桶、恒溫循環水給水裝置及儀器測量與運行控制系統等組成。該單元采用循環水給水設計，具有以下優點：①試件恒溫加熱與恒溫冷卻過程在同一試驗桶內進行，試驗過程可實現自動運行；②試件降溫階段恒溫循環水給水裝置提供的循環水水溫變動值不超過±0.5℃，與采用自來水降溫方法相比，確保了試件冷卻過程的恒溫環境狀態；③由于采用了水循環方式，最大限度節約了水資源，體現了綠色、環保的設計理念。

圖4 熱擴散率和熱線脹系數試驗裝置

在上述新結構設計的基礎上，博遠科技開發有限公司經過試驗探索，提出并實現了全新的逆向熱擴散率測定法—BYR法[5]，并申報了國家發明專利[5]。與傳統測定方法相比，BYR法具有以下優點：①低成本。循環水的恒溫控制可通過控制電加熱的功率來實現，與采用制冷恒溫控制技術相比，大大降低了溫度控制系統的技術難度和設備成本。②節能。測量過程試件只需經歷一次加熱即可完成，由于傳統試驗方法的測量過程試件需要經歷一次加熱和一次冷卻過程，且冷卻過程的制冷效率遠低于直接加熱，因此采用新方法可以節約電能2/3以上。③節水。由于制熱功率控制響應遠比制冷系統快速，實現相同恒溫條件 （相同溫度波動幅度）其循環水的容量可以更小，耗水量也更小。④縮短試驗時間。根據物理學熱傳導原理，對于相同試件在相同的高低溫差下， “高溫試件低溫擴散”和 “低溫試件高溫擴散”過程所經歷的時間是相等的。由于BYR法測量過程試件只需經歷一次加熱過程，試驗時間縮短約1/2。⑤提高測量精度。由于制熱功率控制響應遠比制冷系統快，因此BYR法測量裝置可實現更高的循環水恒溫控制精度 （溫度波動幅度更小），使試件獲得更穩定的熱擴散環境溫度，從而降低溫度波動引起的測量誤差。實測表明，該試驗裝置穩定熱擴散階段 （線性階段）的水溫波動在±0.1℃以內，全過程的溫度波動在±0.3℃以內。

對同一試件分別用BYR法與SL352方法進行了對比測量，試驗結果見圖5。實測表明，混凝土熱擴散系數與溫度相關，在試驗溫度段內呈較好的線性關系，同一試件BYR法測量結果與SL352方法測量結果相一致。

圖5 同一試件不同方法的熱擴散溫度對比試驗結果

2.3.4 熱脹系數測定單元

熱脹系數測定不需要增加任何裝置，與熱擴散率試驗裝置合用，由儀器運行控制系統軟件，根據操作程序自動完成全部測定工作。恒溫期間試驗箱內水溫變動值不大于±0.1℃。

2.4 性能技術指標

儀器的性能技術指標全部達到JG/T 329—2011《混凝土熱物理參數測定儀》的規定，與國外最新同類型儀器相比，個別項目性能有所提高，達到國際先進水平。

2.4.1 溫度傳感器

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

2.4.2 絕熱溫升試驗裝置

（1）無熱源水檢驗，在溫度跟蹤狀態下運行72 h，容器內水的溫度變動不大于±0.05℃，即±0.05℃/（72 h·50 L水），優于日本圓井制作要求的±0.05℃/（24 h·50 L 水） 的指標。

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

2.4.3 比熱容測定裝置

（1）試驗時，絕熱試驗箱內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）每個熱容量水修正值與平均值的差值不大于15%。

2.2.4 熱擴散率測定裝置

（1）試驗箱內水的溫度為10～80℃，升溫速率為1℃/min。

（2）試件整個熱擴散率測定過程中，試驗箱內水溫變動值不大于±1℃；穩定熱擴散階段水溫變動值不大于±0.5℃，優于日本圓井制作±1℃的指標[6]。

（3）BYR法實現了全過程水溫變動值在±0.3℃以內，試驗裝置穩定熱擴散階段的水溫波動在±0.1℃以內。

2.4.5 熱脹系數測定裝置

（1）試驗箱水溫范圍和升溫速率與熱擴散率測定相同。

（2）恒溫期間試驗箱內水溫變動值不大于±0.1℃。

3 結語

本文所述的混凝土熱物理參數測定儀設計以美國墾務局對混凝土熱物理參數測定的理論為依據，吸收了美國墾務局、美國陸軍工程師兵團及日本圓井制作所的測試方法,采用高精度溫度傳感器和計算機控制技術，通過測試技術和方法上的多項創新，全面實現了新制定的行業標準JG/329—2011《混凝土熱物理參數測定儀》提出的技術性能要求，整體技術指標達到國際先進水平。

［1］ SL 352—2006 水工混凝土試驗規程［S］.

［2］ DL/T 5150—2001 水工混凝土試驗規程［S］.

［3］ JG/T 329—2011 混凝土熱物理參數測定儀［S］.

［4］ 丁建彤，等.測試設備及率定方式對混凝土絕熱溫升試驗的影響［C］//水工大壩混凝土材料和溫度控制研究與進展.北京：中國水利水電出版社，2009.

［5］ 諸華豐，等.一種測定混凝土熱擴散率的新方法［C］//全國混凝土新技術、新標準及工程應用學術交流會論文集.2010.

［6］ 舟山市博遠科技開發有限公司.混凝土熱擴散率的測定方法及試驗裝置：中國，CN101915776A［P］.2010.12.15.