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1、“ 第一届混凝土耐久性测试技术及实验室建设 ” 学术交流会 北京 2011年 1 一种新型 混凝土 热参数测定仪研制 诸华丰 1 田冠飞 2 周岳年 3 王波 1 魏军 1 1（ 舟山市博远科技开发有限公司 浙江 316000） 2（ 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。
2、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 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 1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JG/T329-20112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。
3、 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 。 2 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
4、/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
5、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。 诸华丰，男， 1962.3出生，理学学士，高级工程师 。现为舟山市博远科技开发有限公司总工程师，中国建筑学会建筑材料分会建筑材料测试技术专业委员会委员。 E-mail： “ 第一届混凝土耐久性测试技术及实验室建设 ” 学术交流会 北京 2011年 2 2.2. 比热容试验装置 JG/T329-2011规定 比热容试验时绝热试验箱 的 温度 跟踪偏差
6、值 应不大于 0.2 ， 时要求仪器 提供比热容加热桶 20 30、 30 40、 40 50三个不同温度段的热容量水修正值 ，且与实测 修正值 的 平均值 之间 的 相对偏差应 不大于 15%。 前 者 是为了 保证 测试过程的比热容加热桶的绝热性能 ， 后 者 则是 对 试验装置 自身的热容量与循环水的动能转换成热能的等效功率的误差的限制 。 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
7、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。 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 SL
8、352-2006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。 3 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
9、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 。 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
10、展功能以及仪器运行部件的检验功能。 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
11、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“ 第一届混凝土耐久性测试技术及实验室建设 ” 学术交流会 北京 2011年 3 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（ BYR法） 技术 4， 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
12、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
13、 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。 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
14、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 。 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 5， 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 。 由于该图 2 JG/T329-2011
15、 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 1 2 3 4 6 “ 第一届混凝土耐久性测试技术及实验室建设 ” 学术交流会 北京 2011年 4 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。 4 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
16、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。 4.2. 多温段热扩散率测定法 鉴于 混凝土热扩散率 存在 与热扩散环境温度的相关 性， 对较宽的温度段的实际应用，有必要测定多个热扩散温度的 混凝土热扩散率 。 舟山市博远科技有限公司在 BYR法的基础上提出了 多温段 逆向热扩散率测定 方法（ 简称： 多温段
