一种新型混凝土热物理参数测定仪研制

2.3. 热扩散率试验装置
JG/T329-2011 规定了热扩散率试验装置恒温循环水的温度变动值指标。对于《水工混 凝土试验规程》SL 352-2006 规定的混凝土热扩散率测定方法（简称：SL352 法） ，要求整个 热扩散率测定过程中恒温循环水的温度变动值不大于±1℃，稳定热扩散阶段水温变动值不 大于±0.5℃。该标准同时采纳了舟山市博远科技开发有限公司提出的逆向热扩散测定法 （BYR 法） ，要求热扩散率测定过程的恒温循环水的温度变动值不大于±0.5℃，稳定热扩散 阶段水温变动值不大于±0.3℃。由于稳态热扩散率测定方法的测定误差主要影响因素是恒 温热扩散环境温度的控制误差，BYR 法提高了混凝土热扩散率的测定精度。
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图 2 JG/T329-2011 比热容加热装置 1-搅拌器电机，2-桶盖，3-混凝土试样， 4-电加热器，5-温度传感器，6-搅拌器
图 3 外循环水驱动比热容加热装置 1-桶盖，2-混凝土试样，3-温度传感器， 4-循环水管，5-循环水泵，6-电加热器
[5]
BY-ATC 型混凝土热物理参数测定仪的比热容测定装置采用外循环水驱动专利技术 ， 图 3 为结构示意图。该设计将循环水驱动改为水泵驱动，并将电加热器安装在循环水管路中， 避免了传统加热装置所存在的不足，具有操作更方便、测定装置耐久性更好的特点。由于该
3.2. 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。 智能化仪器操控系统使仪器实现 JG/T329-2011 规定的基本测定功能外，还实现了绝热 温升试验装置的无热源水检验、 比热容测定装置的热容量水修正值测定试验功能、 高精度恒 温试验箱模式等扩展功能以及仪器运行部件的检验功能。
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以内，50 升水在绝热跟踪状态下温度变动值保持 0.05℃以内的持续时间达 3 天（72 小时） 以上。比热容试验的绝热温差跟踪状态实现跟踪温差±0.2℃以内。
3.4. 逆向热扩散率测定法
BY-ATC 型混凝土热物理参数测定仪实现了舟山市博远科技提出的逆向热扩散测定法 [4] （BYR 法）技术 ，具有以下优点： 1) 提高测量精度：BYR 法测量装置实现了更高的循环水恒温控制精度（温度波动幅度更 小） ，实测稳定热扩散阶段（线性阶段）的水温波动在±0.02℃以内，大大优于产品 标准 JG/T329-2011 对传统测定方法，使试件获得极其稳定的热扩散环境温度，从而 大大提高了测量精度。 2) 节能：测量过程试件只需经历一次加热即可完成，与传统试验方法（SL352 法）相比， 实现节约电能 2/3 以上。 3) 节水：由于 BYR 法基于制热方式的恒温控制系统的响应速度远快于传统方法基于制冷 方式的温控系统，因此实现相同恒温条件（相同温度波动幅度）所需的循环水的容量 更小。 BY-ATC 型混凝土热物理参数测定仪的热扩散率测定装置在大幅提高温度控制精 度的同时实现了最小循环水量的目标。 4) 缩短试验时间：由于 BYR 法测量过程试件只需经历一次加热过程，试验时间比传统试 验方法缩短约一半。
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装置的循环水的流动无需借助特定形状的混凝土试件， 因此能对任意形状的混凝土试件进行 比热容测定。
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混凝土热扩散率的温度特性与多温段热扩散率测定法
4.1. 混凝土热扩散率的温度特性
逆向热扩散率测定法是研发团队提出的热扩散率全新测定方法。 为验证技术实现和试验 结论， 研发团队对同一试件在同一测定环境下分别用 BYR 法与 SL352 方法在不同的热扩散温 度下进行了反复的比对试验。试验结果表明，BYR 法与 SL352 方法的测定结果一致，同时发 现混凝土热扩散率与热扩散温度相关，在试验温度段内呈较好的线性关系，见图 1。
3.5. 外循环式比热容试验装置
行业产品标准《混凝土热物理参数测定仪》JG/T329-2011 与《水工混凝土试验规程》 SL352-2006 所描述的混凝土比热容测定装置在结构上均将加热装置的水循环驱动装置和电 加热装置和安装在装置的桶盖之上， 图 2 为产品标准描述的比热容测定加热装置的结构示意 图。这一结构存在下述不足： 1) 搅拌器和加热器部分伸出盖体较长的尺寸且外露，且桶盖重量大，造成操作不方便 并容易发生碰撞而损坏搅拌器或加热器； 2) 搅拌器为螺旋桨形状且以高速转动驱动水流动形成“试件中心——试件外侧”循环 水流，由于负荷大、传动轴较长，如搅拌器桨叶的形状不对称、不平衡或者传动轴 的同心度出现偏离，将导致产生晃动而影响机械寿命，对搅拌器和传动轴的机械加 工要求很高。
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行业产品标准的主要技术指标
JG/T329-2011 规定了混凝土热参数测定仪的绝热温升试验装置、比热容试验装置、热 扩散率（导温系数）试验装置和热线胀系数试验装置的结构、主要技术指标和相应的试验方 法。
2.1. 绝热温升试验装置
JG/T329-2011 规定了绝热温升试验装置应进行无热源水检验，即试样桶（容积不小于 50L）内装与绝热温升试验试样体积相同的水，水温分别为 40℃和 60℃左右，在温度跟踪状 态下运行 72h，试样桶内水的温度变动值不应大于±0.05℃。这一技术指标保证了绝热温升 试验装置的测定精度，相当于 28 天的混凝土绝热温升试验的测定误差不大于 0.5℃。标准 同时规定了绝热试验箱内空气的平均温度与试样中心温度的差值应保持不大于±0.1℃，是 实现前一技术指标的必要手段。 要求同时满足 40℃和 60℃两个温度的水跟踪检验的目的是为了杜绝绝热温升测定试验 装置的温度跟踪偏差 （测定试样中的被跟踪目标温度与绝热试验箱内跟踪气温的两支温度传 感器的测量偏差）仅校准在某个温度点上，而未能实现全温度段的偏差校准。把检验温度定 在 40℃和 60℃相对较高的温度段是由于 28 天的混凝土绝热温升试验过程的大部分时间的被 测混凝土试件的温度处于这个温度区间。
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主要技术创新
研发团队在测试方法和技术上的提出并实现了多项技术创新，以实现仪器的研制目标。
3.1. 一机多用设计
单项热物理参数测定装置需要冷却和加热升温两个系统，BY-ATC 型混凝土热物理参数 测定仪将绝热温升测定装置与比热容测定装置放在同一绝热试验箱中实现， 将热扩散率和热 线胀系数测定功能用同一试验装置实现，有效地降低了仪器的综合成本。
K m K
ln t
பைடு நூலகம்
（1）
式中： α -被测试件的热扩散率测定值； θ -稳定热扩散阶段试件中心与恒温热扩散环境的温度差； K-被测试件的形状系数，仅与试件的形状尺寸相关； m-θ 随时间线性变化的斜率的绝对值； t-时间。 式（1）出现负号的原因是 m 为负值。 根据（1） ，由温度差θ 的误差所引起的热扩散率值误差为：
2.4. 热线胀系数试验装置
JG/T329-2011 所要求混凝土热参数测定仪的热线胀系数试验装置要求恒温期间试验箱 内水温变动值不应大于±0.1℃，本质上是为实现《水工混凝土试验规程》SL352-2006 规定 的混凝土热线胀系数测定方法提供符合要求的试验环境。 由于混凝土热参数测定仪的热线胀 系数试验装置与热扩散率试验装置是同一装置， 且技术指标低于热扩散率试验装置， 因此仪 器只要满足热扩散率试验装置技术指标即满足热扩散率试验装置的技术指标要求。
1
前
言
大体积混凝土温度应力和裂缝控制计算需要的主要热参数包括混凝土的绝热温升、 比热 [1] 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》 进行，但长期以来 相关测试仪器在国内缺乏统一的产品标准。 国内首个混凝土热参数测定仪的行业产品标准《混凝土热物理参数测定仪》 [2] JG/T329-2011 经中华人民共和国住房和城乡建设部批准，自 2012 年 2 月 1 日起实施。该 标准规定了混凝土热物理参数测定仪的分类、组成、使用条件、技术要求、试验方法、检验 规则等，适用于混凝土热参数仪的设计、生产和质量检验。 博远 BY-ATC 型混凝土热物理参数测定仪依据该产品标准设计，其主要目标是全面实现 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，实现整体性能指 标达到国际先进水平。
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3.3. 绝热试验箱温度跟踪算法
由于绝热温升测定装置与比热容测定装置在同一绝热试验箱中进行， 而绝热温升测定和 比热容测定具有不同目标温度变动速率， 并且比热容测定还有对被测试件与循环水进行定时 的加热过程， 因此采用传统的硬件模拟系统构成的温度跟踪方法难以同时满足两种测定状态 下的温度跟踪精度。 BY-ATC 型混凝土热物理参数测定仪的绝热试验箱采用高精度温度传感器和计算机自动 采样技术， 研发了针对绝热温升测定和比热容测定不同目标温度变动速率的计算机软件智能 温度跟踪算法。 在实现全温度段温度传感器偏差精确校准的基础上，对于绝热温升测定的绝 热温差跟踪状态， 采用分温度段自适应温度跟踪算法， 使绝热试验箱在全温度段实现±0.1℃
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一种新型混凝土热参数测定仪研制
诸华丰
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田冠飞
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周岳年
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王波
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魏军
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（舟山市博远科技开发有限公司 浙江 316000） （中国建筑科学研究院 北京 100013） 3 （舟山弘业预拌混凝土有限公司 浙江 316012）
提 要：本文介绍了一种新型混凝土热参数测定仪的研制，其主要功能包括混凝土绝热温升、比热容和热 扩散率等混凝土热参数的测定。该仪器通过测试方法和技术上的多项创新，全面实现了行业产品标准《混 凝土热物理参数测定仪》JG/T329-2011 提出的技术性能要求。其中，混凝土热扩散率测定方法采用了博远 科技提出的逆向热扩散率测定法（BYR 法） ，在测定方法、测试精度和综合性能上实现了质的突破。 关键词：混凝土，热参数测定仪，研制，BYR 法