[摘 要] 智能化混凝土測試儀是利用混凝土的流變特性來測量混凝土的基本參數(shù)的。該儀器采用了傳感技術和微電腦技術，能直接通過液晶顯示器顯示坍落度值、溫度，預測28 天強度，為工程施工和混凝土生產人員提供水灰比、用水量等參考值，并進行平均值計算等。
[關鍵詞] 智能化混凝土測試儀； 流變特性； 粘滯阻力矩； 傳感技術； 微電腦技術
1 技術基礎介紹
1.1 新拌混凝土性能測量原理
在混凝土生產及施工過程中，為了保證建筑物的質量，必須按照規(guī)定的方法及時測定到達澆灌部位的拌合物的和易性，實現(xiàn)對混凝土配合比、攪拌工藝、運輸、澆灌作業(yè)的正確性進行控制。和易性是一種涉及混凝土多種性能的綜合指標，主要指拌合物的稠度， 而稠度即表現(xiàn)為混凝土形成良好密實、均勻、成型難易程度的性能。
混凝土拌合物這種性能的產生原因在于，混凝土材料本身具有的流變特性: 經攪拌后的新鮮混凝土中，骨料、未水化水泥顆粒、早期水化產物等均處于分散狀態(tài)，同時彼此保持一定距離而具有較好的流動性。但隨著水泥水化的深入進行，其固、液、氣相比例不斷發(fā)生變化，在水化持續(xù)40 分鐘～120 分鐘的潛伏期內，水泥顆粒表面被一層凝膠覆蓋，顆粒間距逐漸縮小，整個漿體迅速形成均勻絮凝網狀結構，這種微觀結構的形成和表現(xiàn)的宏觀現(xiàn)象符合流變學特性。流變學是研究材料流動和變形的科學，可反映材料應力─應變關系隨時間發(fā)展演變的規(guī)律。對于混凝土來說是反映新拌混凝土從加入拌和水開始后的粘性、塑性、彈性在混凝土凝固硬化前的變化規(guī)律。目前比較趨于一致的看法是在低流動性范圍內呈現(xiàn)粘塑性體特性，在中等流動性時又呈現(xiàn)塑性體特征，在大流動性范圍，則變?yōu)橘e漢姆體。
半個世紀前E·C·Bingham 在研究瓷土、硅藻土等材料時，提出了賓漢姆體的流變方程。
τ=θt +ηp (dv/ dt)
式中 θt ———屈服應力；
ηp ———塑性粘度；
dv/ dt ———速度梯度。
水泥漿體及混凝土混合物其流變性能都具有賓漢姆體(Bingham body) 特征。方程式說明賓漢姆體τ <θt 時，在外力達到屈服應力θt 之前，物體具有固態(tài)性質，不流動;τ>θt 時，材料結構破壞迅速進入液態(tài)，
按牛頓粘性體規(guī)律連續(xù)移動;外力一旦降低到屈服值以下時又迅速形成新固態(tài)?；炷涟韬衔镌跀嚢?、輸送、澆灌、搗實、抹平等工序中所須加的外力，首先要克服混凝土拌合物的屈服應力θt ，然后是塑性粘度ηpl 。因此θt 和ηpl是反映混凝土和易性的兩個主要流變參數(shù)。凡影響兩個參數(shù)的因素也必影響和易性因素。
由于和易性直接決定了混凝土施工的難易程度， 也直接影響著混凝土硬化后的物理力學性能，因此它一直是混凝土生產工藝中很重要的性能，但至今對于它的確切含義各國學者眾說不一。
1932 年T·C·Powers 曾把和易性定義為“混凝土拌合物澆灌成型的難易程度和抵抗離析能力的一種性能，它包括流動性和粘聚性兩方面的作用”。W·H· Glanv2ille ，A·R·Collins 與D·O·Mathaws 則定義為“決定混凝土拌合物達到完全密實所消耗的有效內部功的大小的一種性能”。國內的專家學者認為應包含四種性能的綜合表現(xiàn)即
和易性= 流動性+ 可塑性+ 穩(wěn)定性+ 易密性
上述四種基本性能之間又互存矛盾，如流動性要求拌合物有小的內摩阻力和粘聚力便于流動，而穩(wěn)定性又要求有大的內摩阻力和粘聚力，使粗細骨料不易下沉和泌水，故和易性是要求兼顧幾個方面的性能， 可見要保證制取高質量的混凝土拌合物，必須要選擇和控制最佳和易性，而最佳和易性的實現(xiàn)需通過及時調整混凝土配合比中水灰比、骨灰比、骨料級配、用水量等各因素的變化，因此和易性的確是混凝土生產工藝中承上啟下的關鍵技術指標。
1.2 新拌混凝土性能的主要測量方法
半世紀以來世界很多學者都研究和提出過多種測定方法，1960 年K·Newman 曾認為世界至少有30 多種方法，T·C·Powers1968 年估計多達100 種以上，其中一些方法幾乎僅限于試驗室內應用，不能為公眾所接納，還有一些方法盡管不能用來檢測和評價這一性能的全部特征，但一些稠度試驗已得到人們的認可并在施工中使用。據不完全統(tǒng)計迄今已知的測定方法按原理及衡量稠度的技術指標可歸納為以下幾類:
1.2.1 經驗法
這類方法是經驗性的，無嚴格理論根據，但目前又是廣泛被采用和納入各國標準的方法，如：
(1) 對經增實拌合物體在外力或自重作用下變形的測定:主要有坍落度法(Abrams 設計) ，球體貫入度法(Kelly 設計) ，錐體貫入度法(Grag 設計) 等。
(2) 對經增實拌合物體引入一定量功所產生變形的測定:主要有跳桌擴展法( Graf 設計) ，滑動距離法(Burmister 設計) ，墜落擴展度法(吉田) 。
(3) 對經增實拌合物體，重塑至某一形狀所需功的測定:有維勃法(Bahrner 設計) 的VB 試驗，蘇聯(lián)中央建筑研究院制定的工業(yè)粘度計法，以及由Powers 和Thaulows 分別設計的重塑跳落次數(shù)測定試驗。
(4) 流動桌法:測定拌合物在重力作用下流經一定截面所需的時間:如NECOB 設計的浮球式振動粘滯儀，Graf 設計的灰漿粘滯儀。
(5) 搗實系數(shù)法:測定拌合物經引入一定功使之增實后的密實程度。如Walz 設計的增實度試驗， Glanville Collins 和Mathews 所設計的增實因數(shù)試驗等。以上方法在有些國家的標準中只規(guī)定一種，也有的同時規(guī)定兩種。根據RILEM14 ———CPC1972 年資料介紹，這個國際組織已向國際標準化組織建議同時采用坍落度法和維勃法兩種。坍落度試驗法是艾布拉姆斯(Abrams) 于1913 年設計的，這一古老的測定法一直使用至今，是國內外廣泛用于測定混凝土拌合物和易性的主要方法。已被編入國家標準的有英國標準BS1881 ─1970 ;美國ASTM 試驗手冊C143 ─74 標準；荷蘭標準NEN3801 ;德國標準DIN1048 ;日本J ISA1101 標準;國際標準化組織ISO4109 ─1980 也接納它作為一項測定可塑性和流動性及拌合物和易性(稠度) 的標準法。
1.2.2 土力學法
如剪力學試驗法、三軸試驗法等。這些試驗方法太麻煩，而且在該領域里的進展還很有限。
1.2.3 流變學測定法
這是至今在理論上最有希望的測定法。由塔特索爾研究的MKⅠ測量裝置和MKⅡ測量裝置為其代表。但這些裝置在理論上還存在爭議，目前比較一致的看法認為在坍落度小于12cm 時，新制混凝土表現(xiàn)為粘塑性體，在12cm～15cm 時為塑性體，在15cm 以上則為賓漢姆體，但并未形成定論，因此這些方法目前尚未納入各國標準，而且其裝置都比較復雜，還遠遠談不到隨身攜帶，即使這些方法納入各國標準后， 坍落度法很可能還要保留一段很長的時間。
1.3 國內外新拌混凝土性能測量的現(xiàn)狀與問題
在我國對混凝土和易性的檢驗，仍普遍沿用傳統(tǒng)錐形筒的方法來檢測混凝土的流動性。其方法是用一金屬制成的空心截頭錐形筒，兩端開口，高300mm ， 底徑200mm ，頂徑100mm ，試驗時將混凝土從筒上端分三次加料澆搗，每澆一層同時進行搗實，全部澆搗完畢后垂直提起錐形筒，混凝土自然坍落后測其坍落高度。該法對于操作者的技術偏差很敏感，由于操作者在提拔錐形筒時的速度與用力的均勻程度不同，同一試驗會得出不同的結果，在出現(xiàn)剪切型錐體結果時，其試料最佳測量點很難確定，而多被視為作廢重做。格蘭維爾，柯林斯與馬修斯等反對者在1925 年也對此提出過異議。此外，試驗器具為多個部件組成， 一般測定需2 人以上，因由人力手工操作，其結果很粗略。此法不僅勞動強度和人為誤差大，而且檢測極不方便，對大坍落度(商品化混凝土) 基本無法使用。
1975 年美國ACI ( 混凝土學會) 會員， 加拿大Saskatschewen(薩斯喀川) 大學土木工程系教授K·W· Nasser 發(fā)明了簡易坍落度測定器，定名為“K- 坍落度測定器”，在加拿大被稱為“托拉姆”(TORAM) 。該儀器是設計一種帶孔的尺寸為60mm ×300mm、重量為250 克的管型構造物，可實現(xiàn)在60 秒內直讀式測定和易性數(shù)據，經在美國和加拿大的幾個試驗中心驗證，
該儀器與坍落度試驗法有較好的相關關系，且在應用中大大簡化了坍落度圓錐法。在加拿大多倫多市興建的世界最高的自立式國家電視旅游高塔550 米高的施工中，加拿大安達略省雷克斯達勒試驗業(yè)務公司經理(john A·Bickley) 比克利，曾采用了K- 坍落度測定器進行了施工應用觀測控制混凝土質量。
日本于1975 年首先刊出了研究報導，目前在日本混凝土施工手冊中也列入為澆灌混凝土坍落度測定應用的試驗器具之一。1979 年該儀器開始在我國生產應用，到1981 年約有23 個省市的112 個單位應用過該儀器，1982 年國家水電部正式接納該試驗法并列入水工混凝土試驗規(guī)程SD105 ─82 中。K- 型坍落度儀經幾年的應用試驗證明，它雖然在簡化圓錐形筒方面有了不少改進，但也存在一些局限性和不足，主要有以下幾點：
(1) K- 型坍落度儀測定混凝土坍落度范圍僅用于塑性混凝土拌合物，而對于低流動性和大流動性混凝土的和易性測定結果則與圓錐形筒法有明顯差異， 實際測量證實，在坍落度超過8cm 時，用該儀器測得的值與用圓錐形筒所測之值已有明顯差異，而且這個差值隨坍落度的增大而急劇增大，商品混凝土一般在12cm以上，從而使該儀器的使用范圍受到很大限制。主要原因在于它只用一條直線來擬合整個測量范圍的實測數(shù)據，但要找到一條在高、中、低端都適合的直線是不可能的;其次，由于高端的砂漿流動性增大，變化加劇，但是該儀器的測桿卻又無法分辨細微的變化，也是造成在高端測不準的重要原因。Nasser 的驗證方程式其坍落度值也在小于8cm 以下范圍。當代建筑施工技術不斷的發(fā)展，為提高混凝土澆筑效率， 商品混凝土與泵送的大坍落度大流動性混凝土已被廣泛采用，其坍落度值均大于10cm ，這使得K- 坍落度測定器的測定范圍受到了一定的限制，而難于適用。
(2) K- 型坍落度儀雖使用方便，省時、省力，但功能過于單一，仍依靠手工操作完成測定，并憑測定者手感判斷終點，從而帶來人為誤差。如儀器測桿因自重而壓進砂漿時造成的過失誤差難以校正。
(3) 測定值的讀取、計時也是靠人工目測估計取值，加上測桿刻度精度較粗而形成系統(tǒng)誤差，影響準確性。
(4) K- 型坍落度儀為手工操作儀，功能上不具備對數(shù)據進行自動處理計算的手段，因而在現(xiàn)場使用時還要進行記錄和手算。
2 技術方案的確定
2.1 技術原理
本研究研制的新拌混凝土性能測試儀是利用混凝土的流變特性原理，直接采用旋轉扭矩傳感器測量混凝土的流變阻力矩，通過流變阻力矩與混凝土技術指標的相關關系計算出混凝土的主要技術指標。本技術的創(chuàng)新點在于采用單片機技術，自動計算和校正測量數(shù)據，并可以實現(xiàn)混凝土工程強度和水化溫度的預測。這種測量方式的最大優(yōu)點是:采用已知參數(shù)預置方式檢測，可以不依賴試驗室而直接顯示檢測結果，能較準確反映出流態(tài)混凝土的整體特性，特別是對大流動性混凝土反應敏感，而且可以使測量精度至少提高一個數(shù)量級，方便現(xiàn)場使用。工作原理如下圖:
圖1 工作原理方框圖
首先通過預置電路將混凝土的相關參數(shù)預置進測試儀，作為微處理機的計算參考值。扭矩傳感器將混凝土反剪切阻力矩直接變換成電壓，經過信號處理后變換成數(shù)字信號送入微處理機進行數(shù)據處理和計算。同時微處理機還輸出一控制信號以校正傳感器的誤差，保證測試精度，并將結果送給顯示電路顯示出來。也可以通過接口電路把測量信號送給計算機進行實時控制或打印輸出。
2.2 實現(xiàn)功能
本研究研制的混凝土綜合測試儀可直接測量混凝土的坍落度、溫度、粘稠度、水灰比、28 天強度等主要技術指標，并可完成平均值計算和檢測數(shù)據的任意檢索，同時可以通過計算機進行混凝土生產的實時控制或打印輸出等功能。實現(xiàn)了多項主要混凝土技術指標準確、快捷地綜合測試，使混凝土生產和施工的質量得到控制成為可能。
2.3 技術性能
2.3.1 技術指標
坍落度 (120mm～270mm) ±10 %
測試時間< 8s
溫度( - 25 ℃～ + 102 ℃) ±5 %
測試時間30s
28 天強度(10MPa～70MPa) ±10 %
水灰比(012～017) ±10 %
數(shù)據存儲832 個
接口標準RS232
速率9600bps
內置電源NiHM 9V/ 1300mAh
尺寸150mm ×100mm ×53mm
重量300g
2.3.2 可靠性指標
工作溫度 - 20 ℃～ + 70 ℃
儲存溫度 - 40 ℃～ + 90 ℃
相對濕度 ≤100 %RH
海拔高度 ≮4000m
沖擊 980m/ s2
絕緣電壓 ≮5000V
3 硬件設計
3.1 結構組成
硬件部分由電路板、液晶顯示器、扭矩傳感器、扭矩傳感器探頭、溫度傳感器、電池組、開關及接口部件和殼體等部分組成。微處理機采用最新型68HC08 微型化單片機，功能強，使外圍電路大為簡化。
控制電路采用PWM 技術，提高了儀器的可控性和效率。為適應便攜要求，儀器采用9V NiHM 可充電電池，為克服電池電壓變化的影響，內部采用穩(wěn)壓供電。采用漢字字符液晶顯示器及RS232 接口技術，使數(shù)據輸出更為直觀。
3.2 產品結構
產品采用工業(yè)化結構設計，適應施工中的惡劣環(huán)境。儀器采用工程塑料密封設計，1 米高自然落地或掉入水中1 分鐘，儀器無需任何處理，仍能正常使用。另外儀器還配有佩帶式皮套，即方便攜帶又保護儀器。同時儀器還采用人性化設計，更符合人的使用習慣。
4 軟件設計
軟件是嵌入式匯編軟件，其載體是高性能CMOS 單片機68HC08 ， 該單片機具有內置4096bytes 的FLASH存儲器，可以有效地抗擊來自傳感器等的干擾;2 通道16 位定時器模塊，有效地解決PWM傳感器控制。
4.1 功能說明
4.1.1 測量坍落度
根據傳感器的特性，我們設置粒形和粒徑，根據模糊設置的方法測量坍落度。首先選擇是卵石、碎石、碎卵石，軟件記錄選擇類型;接著選擇粒徑(mm) : 10 、16 、20 、31 、40 ， 并記錄下來；然后啟動傳感器， 用PWM方式控制傳感器，采取特殊的控制方式，消除傳感器滯留特性帶來的誤差，精確調整傳感器。在規(guī)定的時間內快速連續(xù)測量，采用數(shù)字濾波技術，濾除傳感器干擾和其他噪聲干擾。存儲測試結果。根據預先設置的參數(shù)，分類處理，計算出坍落度值，顯示并存儲。
4.1.2 計算強度
由非線性回歸方程得出測量值與灰水比的關系， 再由灰水比與強度之間的關系，根據不同的水泥標號值，用浮點的方法精確計算出混凝土的強度，供現(xiàn)場技術人員和驗收人員提供現(xiàn)場的測量儀器。
4.1.3 測量溫度
由溫度傳感器調理電路，輸入到AD 口，軟件以慢變的采集率，及時顯示實際的溫度測量，等到溫度變化穩(wěn)定時，軟件自動采集并穩(wěn)定顯示實際溫度值，存儲顯示結果。再顯示多次測量的結果平均值，供技術人員參考。軟件設計了自動判別溫度溢出，自己檢測溫度電路的正常與否，并報警提示操作人員檢查是否正確操作，重新測量功能。
4.1.4 自動監(jiān)測電池電壓
本軟件具有自動監(jiān)測電池電壓的功能，如果電壓充足，就顯示全滿的電池符號;如果欠電壓，就顯示不滿的電池符號;等電壓不足以提供整機工作，尤其傳感器的工作需求，然后顯示半滿的電池符號，提示低電壓告警“LOWBATTER”，執(zhí)行中斷程序，告知用戶重新充電池。
4.1.5 數(shù)據查閱功能
本軟件具有存儲三組各99 個溫度和99 個坍落度及強度、水灰比等平均值，這些數(shù)據掉電不會丟失。能夠查閱過去的測試記錄，并進行統(tǒng)計平均，提供可靠測量手段。查閱時選擇查閱數(shù)據類，即坍落度和溫度，還有強度。按“翻屏”鍵，可以迅速地查閱以前測量的數(shù)據。如果存儲數(shù)據超過99 個，那么軟件自動將最早的數(shù)據替換掉。
4.1.6 完成與計算機的數(shù)據通信
以RS232 接口協(xié)議與主機通信，回放所有測量存儲的數(shù)據，供用戶存儲記錄備案。主機上的軟件可以統(tǒng)計分析所有的數(shù)據，可以供用戶對所有混凝土進行評定，建立完備數(shù)據庫。
4.2 軟件模塊
4.2.1 初始化模塊
(1) 閉MCU 的WATCH DOG功能，設置I/ O 的輸入輸出方向；
(2) 初始化LCD 顯示功能，設置顯示方式，初始化8 個顯示圖符；
(3) 調用存儲器存儲的粒形、粒徑、RC 等參數(shù)預設值，及坍落度、溫度、強度等存儲的序號；
(4) 顯示軟件名稱，調用按鍵子程序，查閱“翻屏” 鍵是否按下，且等待“翻屏”鍵按下。
4.2.2 功能選擇模塊
(1) 顯示坍落度、溫度、參數(shù)初始化設置、數(shù)據查閱、數(shù)據通信五個菜單；
(2) 按“選擇”鍵，選擇相應的功能；
(3) 按“確認”鍵，執(zhí)行調用相應的功能。
4.2.3 坍落度測量模塊
(1) 顯示粒形粒徑，按“選擇”鍵選擇要設置的參數(shù)；
(2) 按“選擇”鍵，可以修改參數(shù)的設置，并保存設置值;
(3) 顯示坍落度待測字符，按測量鍵進行測量，顯示正在測量字符；
(4) 按設定的程序，自動跟蹤傳感器控制技術，完成一次測量；
(5) 測量數(shù)據，進行數(shù)字濾波，排除干擾；
(6) 根據事先設定的參數(shù)，計算出強度值；
(7) 顯示坍落度和強度值，依照先后順序存儲坍落度和強度值；
(8) 返回待測狀態(tài)，如果繼續(xù)，可以按“測量”鍵，
如果不進行，則按“翻屏”鍵。
4.2.4 溫度測量模塊
(1) 初始化顯示溫度待測字符；
(2) 按“測量”鍵，設置測量時間，A/ D 采樣率，采集數(shù)據；
(3) 判斷數(shù)據是否在測量范圍內，如果不在則告警，告知操作者是否是因為沒有操作好，而要重新操作。如果確實是超出范圍，則要真正報警；
(4) 顯示溫度測量瞬時值，計算多次測量的平均值，并且顯示；
(5) 存儲當次測量值，刷新溫度平均值。
4.2.5 數(shù)據查閱功能模塊
(1) 始化顯示查閱的坍落度和溫度及強度的菜單；
(2) 用“選擇”鍵選擇查閱的數(shù)據類型；
(3) 顯示查閱的數(shù)據，用“翻屏”鍵翻閱依次存儲的數(shù)據，并顯示查閱的數(shù)據的序號；
(4) 用“PAGE UP”和“PAGE DOWN ”鍵，可以隨意翻頁查閱。
4.2.6 數(shù)據通信模塊
(1) 置通信協(xié)議，通信波特率、通信碼位等與通信有關的事宜；
(2) 與主機通信握手，如果握手成功，則顯示發(fā)送數(shù)據字符;否則超時顯示握手不成功， 告知操作者電纜線是否連接好，或主機沒有準備好；
(3) 依次發(fā)送三種數(shù)據，并對每種數(shù)據之間標記， 讓主機識別數(shù)據類型；
(4) 發(fā)送成功，且發(fā)送完所有的數(shù)據，就顯示“數(shù)據輸出完畢”字符。
5 調試與仿真
在軟硬件設計成功的基礎上，軟件采用Motorola HC08 開發(fā)裝置在線調試，確認功能正確，符合設計要求。在仿真調試過程中，經過反反復復的調試，不斷的修改和完善，儀表滿足了設計要求。經過多次現(xiàn)場使用，基本確認程序設計正確，功能符合現(xiàn)場檢測要求，并能準確反映混凝土的各項技術參數(shù)，較好地完成功能需求。
6 儀器研制結論
混凝土綜合測試儀是利用混凝土的流變特性來測量混凝土的基本參數(shù)的。它通過傳感器的旋轉剪切運動測量出混凝土的粘滯阻力矩，利用混凝土粘滯阻力矩與混凝土基本參數(shù)的相關性，將傳感器測量出的混凝土粘滯阻力矩直接變換成電壓信號，經過信號處理后變換成數(shù)字信號送入MCU 進行數(shù)據處理和計算。同時MCU 還輸出一控制信號以校正傳感器的誤差，保證測試精度，并將結果送給顯示電路顯示出來。新儀器采用了傳感技術和微電腦技術，完全不同于以往坍落度儀的測量原理。能直接通過液晶顯示器顯示坍落度值、溫度，預測28 天強度，為工程施工和混凝土生產人員提供水灰比、用水量等參考值，并進行平均值計算等。他還能根據要求直接連接計算機進行數(shù)據打印輸出或作在線測試的二次儀表使用。實現(xiàn)了多功能合一，使用簡便、可靠、直觀。它為混凝土的準確測量提供了技術基礎。本項目產品由于采用了新型的電路結構和工業(yè)化結構設計，及全密封注塑成型技術，使產品的防震、
防水性能完全能夠滿足在惡劣現(xiàn)場環(huán)境條件下使用的可靠性和安全性要求。
[作者簡介] 朱效榮，1970 年生，男，高級工程師。
[單位地址] 北京城建混凝土技術研究所(100039)
[聯(lián)系電話] 13501124631 ;010 - 68171239
