振动法测试水泥基材料凝结时间的试验研究

陈志远，王振振，陈军琪，李　萌

(葛洲坝集团试验检测有限公司，湖北宜昌443002)



振动法测试水泥基材料凝结时间的试验研究

陈志远，王振振，陈军琪，李萌

(葛洲坝集团试验检测有限公司，湖北宜昌443002)

摘要：用水泥基材料制成条形试件，设置激振和振动采集装置，按一定的时间间隔持续测试其自振频率，可以得到一条频率和时间的关系曲线。研究发现，对应同一类水泥基材料的初凝和终凝两种状态，其试件分别具有两个固定的自振频率，在关系曲线上找出这两个自振频率对应的时间即可得到该材料的凝结时间。该方法相对于在被测材料中贯入试针测试凝结时间的传统方法，其结果能更真实地反映材料的凝结程度，易于实现自动化，降低测试者的劳动强度。

关键词：振动法；自振频率；凝结时间；水泥基材料

1研究背景

水泥基材料从加水搅拌开始到失去可塑性经历了由可塑状态到固体状态的过程，期间经历的时间称之为凝结时间。适宜的凝结时间是水泥基材料的重要性能，过短的凝结时间不足以完成拌和、运输和浇筑等施工过程，而过长的凝结时间则会导致工期拖延，故在水泥基材料配合比设计和施工过程中，对其凝结时间(初凝时间和终凝时间)的检测和调整是一项不可缺少的工作。

现有的水泥基材料(混凝土、砂浆、水泥)的凝结时间测试通常采用试针贯入法。例如，混凝土凝结时间测定时使用的贯入阻力法就是在混凝土凝结过程中多次将规定试针以一定的速度压入试件25 mm深，测得由小到大的多个贯入阻力，至贯入阻力值为3.5 MPa和28 MPa时，即判定混凝土分别处于初凝状态和终凝状态；砌筑砂浆性能测试规范中则规定砂浆的贯入阻力达到0.5 MPa时的状态为凝结状态；水泥浆则是将质量为300 g的试针能沉入试件(36±1)mm深的状态规定为达到了初凝状态，试针能沉入试件0.5 mm深的状态规定为达到了终凝状态。现有试针贯入法的混凝土、砂浆和水泥凝结时间测试仪器见图1。

图1　混凝土、砂浆和水泥的凝结时间测试仪器

在使用过程中发现，试针贯入法存在以下弊端：

(1)不同贯入点处的材料性能不一致，而导致测值不稳定。贯入点处若存在大的材料颗粒，会使测值变大；表面若凹陷积水，又会使测值变小。

(2)从试件表面将试针贯入至规定深度的做法得到的结果只能代表试件表层材料的性能，而不是试件整体的性能。由水泥基材料制成的试件，其上部和下部的性能是存在差异的，例如泌水现象的存在就会使试件的上部比下部的材料水胶比大，导致上下层的凝结程度不一致。

(3)虽然规范上有贯入点之间的最小间隔距离限制，但每次试针贯入和拔出在试件上留下的孔洞，都会对其后的测值大小产生影响。尤其遇到凝结时间长的试件时，到测试后期，试件表面会密布孔洞，对贯入阻力值的影响会更明显，甚至还会出现难以找到新的贯入点位置的现象。

(4)靠手工不易均匀控制试针贯入速度，对测试结果的精度会造成不利影响。通常试针贯入快，测值会变大，贯入慢，测值则会变小，控制不好就会带来测值误差。特别是到了临近终凝状态时，试件越来越硬，手工贯入速度的控制难度就更大，测力指针会大幅抖动，读数误差大。

(5)常用的手工操作需要值班守候，费时费力。遇到凝结时间长且较重的混凝土试件，搬运、读数和记录将消耗测试人员很大体力。

鉴于上述原因，笔者团队研究了水泥基材料凝结时间测试的新方法，最终将振动测试技术与凝结时间测试结合了起来，提出了水泥基材料凝结时间的振动法测试思路，取得了满意的效果。

2振动法的原理和系统构成

2.1原理

将水泥基材料加水搅拌制成拌和物，装入试模，得到棱柱体试件，再把试件置于隔震材料上，此时可以把该试件看作一个两端无固定自由梁。若在试件端部垂直于其纵轴线施加一定的瞬态激振力，可以使这一自由梁以一阶振型振动。理论认为，在这种状况下自由梁的自振频率符合式(1)，即

(1)

式中，f为自振频率；E为弹性模量；I为惯性矩；m0为单位长度质量；ξ为振型参数；l为长度。

对于一个试件，当其形状和尺寸固定时，I和l就是固定值；而当以固定方式激振时，ξ也成为固定值；并且，对于同一类水泥基材料，其密度差别不大，相对稳定，故m0也是一相对固定值。因此，从式(1)可以得出结论，在特定条件下，试件的自振频率f仅随试件组成材料的弹性模量E发生变化。而事实上，水泥基材料的弹性模量与其凝结程度存在直接关系，故通过监测试件自振频率随时间的变化，实现对凝结时间的测定具有可行性。

2.2系统构成

振动法测试水泥基材料凝结时间的系统由试模、试件、振动传感器、振动采集装置、激振器、激振控制模块和计算机组成，见图2。

图2　振动法测试水泥基材料凝结时间系统构成示意

图2中试件在试模的作用下保持着棱柱体的形状，并由可塑状态逐渐转变为固态。振动传感器固定在试件的中央，振动采集装置一端与传感器相连，一端与计算机相连，用来采集振动数据并存储到计算机中。激振器则置于试件的端部，激振控制模块一端与激振器相连，一端也与计算机相连，用来对试件实施自动化激振。计算机内则存有测试管理程序，用来发送激振指令和振动采集指令，并将采集到的数据进行整理和分析。

3测试步骤

振动法测试水泥基材料凝结时间的步骤为

(1)配制水泥基材料，加水搅拌均匀形成拌和物，并记录加水时间点T0。

(2)将拌和物过筛，筛除粒径大于5 mm的颗粒，然后再将筛下物拌和均匀装入试模中振捣密实，抹平表面，使拌和物与试模的上沿平齐。

(3)将试模置于泡沫类的隔振材料上，以减少外部振动对测试的影响。在试件上布置好测试系统，之后，每隔一段时间对试件进行一次瞬态激振，同时采集试件的振动数据。

(4)分析采集到的振动数据，得到试件的自振频率与时间的关系曲线，将确定了的初凝自振频率和终凝自振频率代入曲线中，找到对应的初凝时间点Ti和终凝时间点Tf，最后得到该水泥基材料的初凝时间为Ti-T0，终凝时间为Tf-T0。其中，初凝自振频率和终凝自振频率分别是指水泥基材料在初凝状态和终凝状态下试件的自振频率，相当于试针贯入法中规定的凝结状态下的贯入阻力或沉入深度，这是预先确定下来的。

振动法中的初凝自振频率和终凝自振频率是通过大量比对试验确定的，即对于同一类水泥基材料，变化其原材料和配料比例，形成样品，对每一个样品使用传统方法和新方法同时进行试验，用前者测出的初凝时间和终凝时间，在后者测得的自振频率与时间的关系曲线上找到对应的自振频率。如此，可以得到大量的初凝时间点和终凝时间点分别对应的自振频率，取其各自的平均值，即确定为此类材料的初凝自振频率和终凝自振频率。确定了的自振频率作为标准值固定下来，供后续同类材料的凝结时间试验使用。

比对的目的在于使振动法和试针贯入法中规定的凝结状态保持一致，避免引起新方法与传统方法脱节，打乱工程人员对水泥基材料凝结状态已经形成的感性认识。这种确定自振频率标准值的做法是合理的。从理论上来说，现有贯入法度量出来的凝结状态是相对稳定的，稳定的凝结状态下试件的弹性模量也相对稳定，其自振频率也就相对稳定，因此，由比对试验得出的多个自振频率值之间的差别不大，其平均值具有代表性。另外，比对试验是在利用不同原理测定同一指标时，进行相互检验的有效方法，所以，用此将现有方法中对于凝结状态的量值规定转化成振动法中的自振频率标准值，也是有效的。

4振动法测试混凝土的凝结时间

4.1硬件配置情况

(1)振动传感器。选用振动速度传感器，频响范围10～1 200 Hz，带长尾椎，可用于自身固定，引出线长约2 m，带Q形接头。选择时要注意：被测材料的初凝频率和终凝频率应包含在传感器的频响范围内，也可以选用振动加速度传感器或振动位移传感器。

(2)激振器。自制电磁激振器，激振力为0.3～1 kgf。具有圆筒形金属外壳，高90 mm，底板直径80 mm，内置电磁铁，通电时激振，断电则自动复位。

(3)振动法凝结时间测试仪。自行制作，内置FPGA模块，融合了振动采集装置和激振控制模块的功能，具有4对控制和采集通道。测试仪通过USB接口与计算机通信。

(4)试模。采用长方体塑料试模，尺寸为300 mm×150 mm×150 mm(长×宽×高)。

(5)计算机。笔记本电脑。

4.2软件配置情况

用python语言编制了“凝结时间自动测试系统”软件。该软件具有基础数据设置，激振和采集指令生成，过程数据和执行动作显示，振动波形和测点图形显示，测试结果计算和分析等功能。系统运行时的界面见图3。

图3　凝结时间测试系统运行界面示意

4.3测试过程

(1)拌制混凝土拌和物，记下加水完毕的时间。

(2)筛除拌和物中粒径大于5 mm的颗粒，翻拌均匀后装入试模并振捣密实。装料在振捣密实后略高于试模上沿。

(3)在平整坚实的水平面上铺设软泡沫材料，再把带料试模水平放于泡沫材料上。覆盖保湿材料，减缓水分散失。

(4)静止一段时间后，发现将激振器放于试件表面不再发生明显下沉时，抹平试件表面，使试件上表面与试模上沿平齐。

(5)在试件的上表面中心点处竖直插入传感器，至长尾椎全部进入试件；在试件的端部竖直、稳定地放置激振器，使激振器的底板边缘与试件端部边缘平齐并与传感器同在试件的中轴线上，同时用纸片将激振器的底板和试件表面隔开，避免试件凝固后二者粘结在一起。传感器固定之后直至试验结束，禁止扰动。

(6)将同一试件上的传感器和激振器分别连接在测试仪同一编号的采集通道和激振通道上，记下通道号与试件之间的对应关系。再连接好系统中其它组件的电源线和数据线。

(7)打开计算机中的凝结时间测试程序，设置基础数据：①起止频率设置为450～2 000 Hz，这是程序确认试件自振频率时的搜寻范围，下限应略低于初凝自振频率，上限应略高于终凝自振频率。下限设置不能过低，避免低频高能量杂波引起程序对自振频率误判。②初凝自振频率和终凝自振频率分别设置为560、1 060 Hz，这两个数据通过振动法和试针贯入法的多次比对试验得来。③参考水泥凝结时间测定国家标准中的规定，激振间隔设置为5 min。④采样频率设置为156 250 Hz，这是此次试验所用采集模块的指定值。采样频率应设置为大于终凝自振频率的2.5倍，通常可设置为5～10倍。⑤采样长度设置为50 k。⑥触发电压设置为0.1 mV，这是采集装置启动采集的信号阀值，与采集装置和传感器的性能有关。阀值设置不能过高，要能保证整个试验过程中，每次激振都能触发采集装置采集振动数据。⑦设定起始时间。指定通道上测试样品拌制加水的时间，这是凝结时间的起算点。⑧设定样品编号。指定通道上测试样品的编号，供区分不同样品之用。

(8)设置完毕，依次启动各个通道，进入测试状态。各个通道的启动注意保留一定的时间间隔，避免在同一时间点上不同的通道同时动作，引起系统异常。

(9)系统按设定好的时间间隔自动运行，每个通道各得到一组(t，F)测点，其中，t为时间；F为自振频率。并且，系统对落入初、终凝自振频率之间的测点实时进行回归分析，计算出凝结时间并随时更新。

(10)当连续5次测得试件的自振频率均大于终凝自振频率时，可以结束试验。

4.4测试结果

测试得到的典型自振频率与时间关系曲线，见图4。

从图4可以看出，试件的自振频率会随着凝结时长的增加而逐渐增加，同时还发现，在初凝自振频率(560 Hz)到终凝自振频率(1 060 Hz)之间，自振频率和时间呈现出明显的线性相关关系，具有较好的规律性。

振动法和试针贯入法测试混凝土凝结时间的比对结果见表1。表中29组测试试件有未掺外加剂的混凝土，也有掺普通减水剂、高效减水剂和缓凝剂的混凝土，混凝土的水胶比跨度0.4到0.7，坍落度跨度50 mm至200 mm，从数据的统计结果可知，混凝土种类繁多，但两种方法的比对结果平均误差却很小，仅为2%，故振动法可以代替试针贯入法进行凝结时间试验。

表1振动法和试针贯入法测试混凝土凝结时间对比结果

序号初凝时间/h振动法试针贯入法初凝相对误差/%终凝时间/h振动法试针贯入法终凝相对误差/%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，对比试验也检验了振动法测试系统的可靠性。经过多次的试验和改进，该系统日臻成熟，软、硬件都能经受长时间连续运行的考验，已经做到了前一天布设系统，开机测试，期间无人干预，第二天直接获取结果。

图4　自振频率与时间关系曲线示意

5结语

相比于传统的方法，振动法测试水泥基材料凝结时间的优势主要表现在：

(1)以试件自振频率的变化反映材料的凝结程度，其测值是整个试件特性的表现，代表性强。避开了因材料泌水，上下层性能不一，拌和不均匀，试件表面不平整等因素带来的结果偏差。

(2)无需在试件表面留下孔洞，减少了对试件的扰动，能更真实地测得材料的性能。

(3)无需人工选择针入点、控制试针压入速度、读数和记录，减少了由此带来的人为误差。

(4)自动化测试，无需频繁搬动试件和长时间值班守候，节省了体力和精力，有利于测试人员的健康。

参考文献：

[1]DL/T 5150—2001水工混凝土试验规程[S]．

[2]JGJ/T 70—2009建筑砂浆基本性能试验方法标准[S]．

[3]GB/T 1346—2011水泥标准稠度用水量、 凝结时间、 安定性检验方法[S]．

[4]王述银， 李家健. 碾压混凝土初凝时间测定方法探讨[J]. 水力发电， 2006， 32(9)： 64- 67．

(责任编辑王琪)

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

中图分类号：TU502；TU528；TV431

文献标识码：B

文章编号：0559- 9342(2016)01- 0102- 05

作者简介：陈志远(1969—)，男，河南郾城人，教授级高工，主要从事水工材料试验检测方面的工作．

收稿日期：2015- 01- 09