陳志遠，王振振，陳軍琪，李　萌

(葛洲壩集團試驗檢測有限公司，湖北宜昌443002)

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振動法測試水泥基材料凝結時間的試驗研究

陳志遠，王振振，陳軍琪，李萌

(葛洲壩集團試驗檢測有限公司，湖北宜昌443002)

摘要：用水泥基材料制成條形試件，設置激振和振動采集裝置，按一定的時間間隔持續(xù)測試其自振頻率，可以得到一條頻率和時間的關系曲線。研究發(fā)現(xiàn)，對應同一類水泥基材料的初凝和終凝兩種狀態(tài)，其試件分別具有兩個固定的自振頻率，在關系曲線上找出這兩個自振頻率對應的時間即可得到該材料的凝結時間。該方法相對于在被測材料中貫入試針測試凝結時間的傳統(tǒng)方法，其結果能更真實地反映材料的凝結程度，易于實現(xiàn)自動化，降低測試者的勞動強度。

關鍵詞：振動法；自振頻率；凝結時間；水泥基材料

1研究背景

水泥基材料從加水攪拌開始到失去可塑性經歷了由可塑狀態(tài)到固體狀態(tài)的過程，期間經歷的時間稱之為凝結時間。適宜的凝結時間是水泥基材料的重要性能，過短的凝結時間不足以完成拌和、運輸和澆筑等施工過程，而過長的凝結時間則會導致工期拖延，故在水泥基材料配合比設計和施工過程中，對其凝結時間(初凝時間和終凝時間)的檢測和調整是一項不可缺少的工作。

現(xiàn)有的水泥基材料(混凝土、砂漿、水泥)的凝結時間測試通常采用試針貫入法。例如，混凝土凝結時間測定時使用的貫入阻力法就是在混凝土凝結過程中多次將規(guī)定試針以一定的速度壓入試件25 mm深，測得由小到大的多個貫入阻力，至貫入阻力值為3.5 MPa和28 MPa時，即判定混凝土分別處于初凝狀態(tài)和終凝狀態(tài)；砌筑砂漿性能測試規(guī)范中則規(guī)定砂漿的貫入阻力達到0.5 MPa時的狀態(tài)為凝結狀態(tài)；水泥漿則是將質量為300 g的試針能沉入試件(36±1)mm深的狀態(tài)規(guī)定為達到了初凝狀態(tài)，試針能沉入試件0.5 mm深的狀態(tài)規(guī)定為達到了終凝狀態(tài)?，F(xiàn)有試針貫入法的混凝土、砂漿和水泥凝結時間測試儀器見圖1。

圖1　混凝土、砂漿和水泥的凝結時間測試儀器

在使用過程中發(fā)現(xiàn)，試針貫入法存在以下弊端：

(1)不同貫入點處的材料性能不一致，而導致測值不穩(wěn)定。貫入點處若存在大的材料顆粒，會使測值變大；表面若凹陷積水，又會使測值變小。

(2)從試件表面將試針貫入至規(guī)定深度的做法得到的結果只能代表試件表層材料的性能，而不是試件整體的性能。由水泥基材料制成的試件，其上部和下部的性能是存在差異的，例如泌水現(xiàn)象的存在就會使試件的上部比下部的材料水膠比大，導致上下層的凝結程度不一致。

(3)雖然規(guī)范上有貫入點之間的最小間隔距離限制，但每次試針貫入和拔出在試件上留下的孔洞，都會對其后的測值大小產生影響。尤其遇到凝結時間長的試件時，到測試后期，試件表面會密布孔洞，對貫入阻力值的影響會更明顯，甚至還會出現(xiàn)難以找到新的貫入點位置的現(xiàn)象。

(4)靠手工不易均勻控制試針貫入速度，對測試結果的精度會造成不利影響。通常試針貫入快，測值會變大，貫入慢，測值則會變小，控制不好就會帶來測值誤差。特別是到了臨近終凝狀態(tài)時，試件越來越硬，手工貫入速度的控制難度就更大，測力指針會大幅抖動，讀數(shù)誤差大。

(5)常用的手工操作需要值班守候，費時費力。遇到凝結時間長且較重的混凝土試件，搬運、讀數(shù)和記錄將消耗測試人員很大體力。

鑒于上述原因，筆者團隊研究了水泥基材料凝結時間測試的新方法，最終將振動測試技術與凝結時間測試結合了起來，提出了水泥基材料凝結時間的振動法測試思路，取得了滿意的效果。

2振動法的原理和系統(tǒng)構成

2.1原理

將水泥基材料加水攪拌制成拌和物，裝入試模，得到棱柱體試件，再把試件置于隔震材料上，此時可以把該試件看作一個兩端無固定自由梁。若在試件端部垂直于其縱軸線施加一定的瞬態(tài)激振力，可以使這一自由梁以一階振型振動。理論認為，在這種狀況下自由梁的自振頻率符合式(1)，即

(1)

式中，f為自振頻率；E為彈性模量；I為慣性矩；m0為單位長度質量；ξ為振型參數(shù)；l為長度。

對于一個試件，當其形狀和尺寸固定時，I和l就是固定值；而當以固定方式激振時，ξ也成為固定值；并且，對于同一類水泥基材料，其密度差別不大，相對穩(wěn)定，故m0也是一相對固定值。因此，從式(1)可以得出結論，在特定條件下，試件的自振頻率f僅隨試件組成材料的彈性模量E發(fā)生變化。而事實上，水泥基材料的彈性模量與其凝結程度存在直接關系，故通過監(jiān)測試件自振頻率隨時間的變化，實現(xiàn)對凝結時間的測定具有可行性。

2.2系統(tǒng)構成

振動法測試水泥基材料凝結時間的系統(tǒng)由試模、試件、振動傳感器、振動采集裝置、激振器、激振控制模塊和計算機組成，見圖2。

圖2　振動法測試水泥基材料凝結時間系統(tǒng)構成示意

圖2中試件在試模的作用下保持著棱柱體的形狀，并由可塑狀態(tài)逐漸轉變?yōu)楣虘B(tài)。振動傳感器固定在試件的中央，振動采集裝置一端與傳感器相連，一端與計算機相連，用來采集振動數(shù)據(jù)并存儲到計算機中。激振器則置于試件的端部，激振控制模塊一端與激振器相連，一端也與計算機相連，用來對試件實施自動化激振。計算機內則存有測試管理程序，用來發(fā)送激振指令和振動采集指令，并將采集到的數(shù)據(jù)進行整理和分析。

3測試步驟

振動法測試水泥基材料凝結時間的步驟為

(1)配制水泥基材料，加水攪拌均勻形成拌和物，并記錄加水時間點T0。

(2)將拌和物過篩，篩除粒徑大于5 mm的顆粒，然后再將篩下物拌和均勻裝入試模中振搗密實，抹平表面，使拌和物與試模的上沿平齊。

(3)將試模置于泡沫類的隔振材料上，以減少外部振動對測試的影響。在試件上布置好測試系統(tǒng)，之后，每隔一段時間對試件進行一次瞬態(tài)激振，同時采集試件的振動數(shù)據(jù)。

(4)分析采集到的振動數(shù)據(jù)，得到試件的自振頻率與時間的關系曲線，將確定了的初凝自振頻率和終凝自振頻率代入曲線中，找到對應的初凝時間點Ti和終凝時間點Tf，最后得到該水泥基材料的初凝時間為Ti-T0，終凝時間為Tf-T0。其中，初凝自振頻率和終凝自振頻率分別是指水泥基材料在初凝狀態(tài)和終凝狀態(tài)下試件的自振頻率，相當于試針貫入法中規(guī)定的凝結狀態(tài)下的貫入阻力或沉入深度，這是預先確定下來的。

振動法中的初凝自振頻率和終凝自振頻率是通過大量比對試驗確定的，即對于同一類水泥基材料，變化其原材料和配料比例，形成樣品，對每一個樣品使用傳統(tǒng)方法和新方法同時進行試驗，用前者測出的初凝時間和終凝時間，在后者測得的自振頻率與時間的關系曲線上找到對應的自振頻率。如此，可以得到大量的初凝時間點和終凝時間點分別對應的自振頻率，取其各自的平均值，即確定為此類材料的初凝自振頻率和終凝自振頻率。確定了的自振頻率作為標準值固定下來，供后續(xù)同類材料的凝結時間試驗使用。

比對的目的在于使振動法和試針貫入法中規(guī)定的凝結狀態(tài)保持一致，避免引起新方法與傳統(tǒng)方法脫節(jié)，打亂工程人員對水泥基材料凝結狀態(tài)已經形成的感性認識。這種確定自振頻率標準值的做法是合理的。從理論上來說，現(xiàn)有貫入法度量出來的凝結狀態(tài)是相對穩(wěn)定的，穩(wěn)定的凝結狀態(tài)下試件的彈性模量也相對穩(wěn)定，其自振頻率也就相對穩(wěn)定，因此，由比對試驗得出的多個自振頻率值之間的差別不大，其平均值具有代表性。另外，比對試驗是在利用不同原理測定同一指標時，進行相互檢驗的有效方法，所以，用此將現(xiàn)有方法中對于凝結狀態(tài)的量值規(guī)定轉化成振動法中的自振頻率標準值，也是有效的。

4振動法測試混凝土的凝結時間

4.1硬件配置情況

(1)振動傳感器。選用振動速度傳感器，頻響范圍10～1 200 Hz，帶長尾椎，可用于自身固定，引出線長約2 m，帶Q形接頭。選擇時要注意：被測材料的初凝頻率和終凝頻率應包含在傳感器的頻響范圍內，也可以選用振動加速度傳感器或振動位移傳感器。

(2)激振器。自制電磁激振器，激振力為0.3～1 kgf。具有圓筒形金屬外殼，高90 mm，底板直徑80 mm，內置電磁鐵，通電時激振，斷電則自動復位。

(3)振動法凝結時間測試儀。自行制作，內置FPGA模塊，融合了振動采集裝置和激振控制模塊的功能，具有4對控制和采集通道。測試儀通過USB接口與計算機通信。

(4)試模。采用長方體塑料試模，尺寸為300 mm×150 mm×150 mm(長×寬×高)。

(5)計算機。筆記本電腦。

4.2軟件配置情況

用python語言編制了“凝結時間自動測試系統(tǒng)”軟件。該軟件具有基礎數(shù)據(jù)設置，激振和采集指令生成，過程數(shù)據(jù)和執(zhí)行動作顯示，振動波形和測點圖形顯示，測試結果計算和分析等功能。系統(tǒng)運行時的界面見圖3。

圖3　凝結時間測試系統(tǒng)運行界面示意

4.3測試過程

(1)拌制混凝土拌和物，記下加水完畢的時間。

(2)篩除拌和物中粒徑大于5 mm的顆粒，翻拌均勻后裝入試模并振搗密實。裝料在振搗密實后略高于試模上沿。

(3)在平整堅實的水平面上鋪設軟泡沫材料，再把帶料試模水平放于泡沫材料上。覆蓋保濕材料，減緩水分散失。

(4)靜止一段時間后，發(fā)現(xiàn)將激振器放于試件表面不再發(fā)生明顯下沉時，抹平試件表面，使試件上表面與試模上沿平齊。

(5)在試件的上表面中心點處豎直插入傳感器，至長尾椎全部進入試件；在試件的端部豎直、穩(wěn)定地放置激振器，使激振器的底板邊緣與試件端部邊緣平齊并與傳感器同在試件的中軸線上，同時用紙片將激振器的底板和試件表面隔開，避免試件凝固后二者粘結在一起。傳感器固定之后直至試驗結束，禁止擾動。

(6)將同一試件上的傳感器和激振器分別連接在測試儀同一編號的采集通道和激振通道上，記下通道號與試件之間的對應關系。再連接好系統(tǒng)中其它組件的電源線和數(shù)據(jù)線。

(7)打開計算機中的凝結時間測試程序，設置基礎數(shù)據(jù)：①起止頻率設置為450～2 000 Hz，這是程序確認試件自振頻率時的搜尋范圍，下限應略低于初凝自振頻率，上限應略高于終凝自振頻率。下限設置不能過低，避免低頻高能量雜波引起程序對自振頻率誤判。②初凝自振頻率和終凝自振頻率分別設置為560、1 060 Hz，這兩個數(shù)據(jù)通過振動法和試針貫入法的多次比對試驗得來。③參考水泥凝結時間測定國家標準中的規(guī)定，激振間隔設置為5 min。④采樣頻率設置為156 250 Hz，這是此次試驗所用采集模塊的指定值。采樣頻率應設置為大于終凝自振頻率的2.5倍，通?？稍O置為5～10倍。⑤采樣長度設置為50 k。⑥觸發(fā)電壓設置為0.1 mV，這是采集裝置啟動采集的信號閥值，與采集裝置和傳感器的性能有關。閥值設置不能過高，要能保證整個試驗過程中，每次激振都能觸發(fā)采集裝置采集振動數(shù)據(jù)。⑦設定起始時間。指定通道上測試樣品拌制加水的時間，這是凝結時間的起算點。⑧設定樣品編號。指定通道上測試樣品的編號，供區(qū)分不同樣品之用。

(8)設置完畢，依次啟動各個通道，進入測試狀態(tài)。各個通道的啟動注意保留一定的時間間隔，避免在同一時間點上不同的通道同時動作，引起系統(tǒng)異常。

(9)系統(tǒng)按設定好的時間間隔自動運行，每個通道各得到一組(t，F(xiàn))測點，其中，t為時間；F為自振頻率。并且，系統(tǒng)對落入初、終凝自振頻率之間的測點實時進行回歸分析，計算出凝結時間并隨時更新。

(10)當連續(xù)5次測得試件的自振頻率均大于終凝自振頻率時，可以結束試驗。

4.4測試結果

測試得到的典型自振頻率與時間關系曲線，見圖4。

從圖4可以看出，試件的自振頻率會隨著凝結時長的增加而逐漸增加，同時還發(fā)現(xiàn)，在初凝自振頻率(560 Hz)到終凝自振頻率(1 060 Hz)之間，自振頻率和時間呈現(xiàn)出明顯的線性相關關系，具有較好的規(guī)律性。

振動法和試針貫入法測試混凝土凝結時間的比對結果見表1。表中29組測試試件有未摻外加劑的混凝土，也有摻普通減水劑、高效減水劑和緩凝劑的混凝土，混凝土的水膠比跨度0.4到0.7，坍落度跨度50 mm至200 mm，從數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結果可知，混凝土種類繁多，但兩種方法的比對結果平均誤差卻很小，僅為2%，故振動法可以代替試針貫入法進行凝結時間試驗。

表1振動法和試針貫入法測試混凝土凝結時間對比結果

序號初凝時間/h振動法試針貫入法初凝相對誤差/%終凝時間/h振動法試針貫入法終凝相對誤差/%14.694.602.06.486.401.325.465.332.47.717.404.235.905.900.07.637.80-2.146.656.83-2.69.059.07-0.354.764.632.96.356.202.465.415.204.07.777.405.076.296.50-3.38.799.00-2.386.626.70-1.28.238.50-3.196.746.730.19.739.700.3107.087.50-5.69.289.73-4.6116.275.876.88.618.155.7126.787.00-3.19.439.58-1.61315.2815.101.218.3718.200.91410.3810.52-1.313.2813.83-4.01510.5510.83-2.614.2713.823.3169.158.972.112.2612.33-0.61710.6710.72-0.512.7913.08-2.3187.608.17-6.910.5010.63-1.3198.758.522.810.9410.98-0.42010.3610.38-0.212.4113.10-5.32112.2311.605.515.9315.651.82211.2310.972.414.4514.400.3239.539.85-3.214.6214.034.22411.1810.972.014.3513.784.12512.9312.682.016.0016.20-1.22610.3510.48-1.313.0013.17-1.3279.629.88-2.714.2014.031.2288.989.03-0.612.8312.85-0.12914.9514.781.117.9518.48-2.9

另外，對比試驗也檢驗了振動法測試系統(tǒng)的可靠性。經過多次的試驗和改進，該系統(tǒng)日臻成熟，軟、硬件都能經受長時間連續(xù)運行的考驗，已經做到了前一天布設系統(tǒng)，開機測試，期間無人干預，第二天直接獲取結果。

圖4　自振頻率與時間關系曲線示意

5結語

相比于傳統(tǒng)的方法，振動法測試水泥基材料凝結時間的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：

(1)以試件自振頻率的變化反映材料的凝結程度，其測值是整個試件特性的表現(xiàn)，代表性強。避開了因材料泌水，上下層性能不一，拌和不均勻，試件表面不平整等因素帶來的結果偏差。

(2)無需在試件表面留下孔洞，減少了對試件的擾動，能更真實地測得材料的性能。

(3)無需人工選擇針入點、控制試針壓入速度、讀數(shù)和記錄，減少了由此帶來的人為誤差。

(4)自動化測試，無需頻繁搬動試件和長時間值班守候，節(jié)省了體力和精力，有利于測試人員的健康。

參考文獻：

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[4]王述銀， 李家健. 碾壓混凝土初凝時間測定方法探討[J]. 水力發(fā)電， 2006， 32(9)： 64- 67．

(責任編輯王琪)

Study on Setting Time Test of Cement Based Materials by Vibration Method

CHEN Zhiyuan, WANG Zhenzhen, CHEN Junqi, LI Meng

(Gezhouba Group Testing Co., Ltd., Yichang 443002, Hubei, China)

Abstract:When a strip specimen of cement based material is tested by shock excitation and vibration acquisition device to examine its natural vibration frequency in a certain interval, a relationship curve of its frequency and time can be obtained. The study finds that, to a same kind of cement based material, the specimen will has two fixed natural vibration frequency values corresponding to their initial setting and final setting states respectively. So the setting time of material can be obtained by finding out the times corresponding to two frequencies on the relationship curve. Comparing with traditional test method of setting time that the test pin is use to penetrate in measured material, the result of above method is more truly reflect the condensation degree of material, and the test is easier to be automated and reduces the labor intensity of testers．

Key Words:vibration method; natural vibration frequency; setting time; cement based material

中圖分類號：TU502；TU528；TV431

文獻標識碼：B

文章編號：0559- 9342(2016)01- 0102- 05

作者簡介：陳志遠(1969—)，男，河南郾城人，教授級高工，主要從事水工材料試驗檢測方面的工作．

收稿日期：2015- 01- 09