CN104458806A - 水泥初始水化放热特性等温测量的试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

一种水泥初始水化放热特性等温测量的试验装置及其试验方法，该试验装置包括水浴恒温***、温度传感***和等温加水***；水浴恒温***由半导体制冷/制热片、散热片构成，控温由单片机控制；水浴壶内设置了偏心水浴搅拌；位于样品杯池内中心底部和外侧下部的热敏电阻用于传感水泥待测样品和水浴温度，通过平衡电桥及电子放大***检测两者的温差，并以此温差作为水泥初始水化放热特性的表征；螺旋形塑料注水管内的水化用水在水浴中达到温度平衡后注入待测样品中，此加水方式可以保证水化用水的温度和待测样品的温度趋于一致；完整准确地测量水泥初始水化第一个放热峰。

Description

水泥初始水化放热特性等温测量的试验装置及其试验方法

一、技术领域

本发明涉及水泥水化热试验设备及方法技术领域，具体是一种水泥初始水化放热特性等温测量的试验装置及试验方法，尤其涉及一种等温加水方式，并以水泥水化样品温度和水浴温度的温差变化作为水泥初始水化放热特性的表征，且在测量过程中环境的温度保持不变。

二、背景技术

水泥初始水化放热特性指的是水泥在0～几十min内水化释放热量的大小及释放的速率。根据以往的研究发现，水泥在初始的水化放热特性与水泥的很多性质有密切关系，故测定水泥在水化开始至几十min内的放热特性对了解和掌握水泥性能是十分重要的。

水泥的水化放热特性指水化过程中水泥释放热量的大小和释放的速率，一般通过水化样品的温度变化幅度和变化速率来表现。常用的水泥水化放热特性测量方式有三种，一种为等温测量方式，在水泥水化过程中测量从样品散入环境的热量，同时保持环境的温度不变，此方式获得水泥在水化过程中的放热速率，经过积分可以计算出指定水化龄期内的放热总量；一种为绝热测量方式，水泥在水化过程中释放的热量不外散，积累的热量使样品温度上升，以此来测量累积热量的大小，通过微分可以获得水泥在水化过程中的放热速率；一种为化学溶解热测量方式，根据各水化龄期下水化样品被某些化学试剂溶解时释放的热量与未水化时总溶解热的差值，来计算水泥样品在指定龄期下释放的累积热量。化学溶解热测量方式只能测量较长龄期的水化放热量，且操作较为繁琐， 所用化学试剂腐蚀性大，不安全，故等温和绝热这两种测量方式更为常用。

采用等温或绝热方式测量水泥水化放热特性时，往往需要预先把水泥按照一定的水灰比加水搅拌制成水泥浆体后，才测量浆体的放热量大小，导致搅拌制浆过程及装样的那几分钟内无法测量水化放热特性，错过了水泥初始水化热释放特征的信息。

水泥在初始水化过程中释放的热量并不大，导致样品温度的变化并不是很明显，直接将水泥水化样品温度的变化作为水化放热特性的表征，往往容易受到环境温度缓慢、微小变化的影响，故测量水泥在初始水化放热特性时，测量仪器需要有精准的温度控制措施。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种水泥初始水化放热特性等温测量的试验装置及试验方法，能够减少注水时水化用水对待测水泥样品温度的影响，消除测量过程中水浴温度的缓慢、微小变化对水化放热特性测量的影响，完整、准确地测量水泥初始水化的第一个水化放热峰。

本发明通过下述技术方案方法实现上述目的：一种水泥初始水化放热特性等温测量的试验装置，包括样品杯、水化用水出水口、样品杯池、水浴搅拌器、半导体制冷/制热片、散热片、水化用水注水管、第一热敏电阻、第二热敏电阻、注水口以及水浴壶，半导体制冷/制热片安装在水浴壶三分之一高度的位置，水化用水注水管经螺旋化定形后置于样品杯池的下方，在恒温足够长时间后可使水化用水温度与待测样品温度趋于一致。水浴搅拌器呈偏心设置在水浴壶内，水浴搅拌器的搅拌叶片位于与水浴接触的散热片的下边缘但不触碰水化用水注水管的螺旋状部分，水化用水注水管一端设有可以由注射器***的注水口，另一端设有水化用水出水口，样品杯池内底部的中心贴有用于传感样品温度的第一热敏电阻，该热敏电阻的上方有一水平的圆形金属导热片与之紧贴，当样品杯置入样品杯池时，该金属导热片可与样品杯底部紧密接触，样品杯池外侧下方贴有用于传感水浴温度的第二热敏电阻并浸于水浴中，并以第一热敏电阻和 第二热敏电阻所表达的温差作为水泥初始水化放热特性的表征。

所述样品杯带有样品杯盖。

所述半导体制冷/制热片的两个面紧贴有散热片，一只散热片伸入水浴壶中与水浴接触，另一只散热片置于水浴壶外并配有一只直流12V的电风扇。

所述水浴壶底部设有垫架，垫架的架面上设有孔，样品杯池穿过该孔并紧固在垫架上，样品杯池上边缘露出水浴面约0.5cm。

所述水化用水注水管为符合医用要求的塑料材质。

所述的样品杯呈平底圆柱形，为导热良好的金属材料，用于放置待测样品。

一种适用于所述的水泥初始水化放热特性等温测量的试验装置的试验方法，包括如下步骤：

(1)开启半导体制冷/热片、水浴搅拌器的电源，在20～30℃范围内设置需要的水浴恒温温度，经过一段时间后水浴达到恒温状态，恒温精度±0.005℃；

(2)用百分之一精度的天平称取4～8g通过0.080mm方孔筛、均化和65～70℃/3h干燥后的水泥待测样品，分多次置入样品杯1中，用称量勺轻轻划拨杯内样品，使杯内样品初步分布均匀，然后在平整桌面上一边轻轻振动一边旋转样品杯1，使杯内样品形成各处堆积密度均匀、毛细管分布均匀、表面平整的水泥粉体固定床；

(3)将体积刻度经过标定的注射器***注水口，把出水口浸入一只盛有水化用水的烧杯中，将注射器***注水口中，多次抽吸注射器以使注水管内没有气泡，全部充满水化用水，然后将注射器抽吸至2.0mL相应的体积刻度并固定，此时的水灰比为0.50，将注水管的出水口移出盛有水化用水的烧杯，擦干出水口的表面和样品杯盖的内表面，为使水泥“静态”水化顺利进行，水灰比应在0.40～0.60的范围内选择且固定，以使测量结果具有可比性；

(4)盖好样品杯的保温盖，将样品杯底部擦净后置入样品杯池底部中心位 置，使样品杯底部与热敏电阻的导热片表面接触良好，盖好水浴壶的保温盖；

(5)在水浴已进入恒温的状态下，将样品杯置入杯池后，通过计算机数据采集***观察水浴温度与水泥待测样品温度的温差变化趋势，经过1h或更长时间的水浴恒温后，当两者的温差平衡时，轻巧地推动注水器活塞至尽头，相应体积的水化用水即被注入待测水泥样品中，水泥开始水化；

(6)水泥开始水化后，平衡电桥及电子放大***测量样品杯底部的第一热敏电阻和样品杯池外侧下部浸于水浴中的第二热敏电阻所传感的温度差别，以mV值的形式表达两者的温差，并由计算机经数模转化后采集和记录，该mV值的变化即用于水泥初始水化放热特性的表征。

本发明具有以下的突出优点：

1、不需要预先把待测水泥样品制备成浆体，开始测量时水化用水直接注入样品中，保证在水泥水化一开始就能够测量样品因水化而发生的温度变化。

2、采用等温加注水化用水的方式测量水泥初始水化放热特性，水化用水先通过水浴进行恒温，然后才注进水泥样品中，这种加水方式可以将水化用水温度对待测样品温度的影响降到最低。

3、通过两只热敏电阻分别测量样品和水浴的温度，用两者的温差变化来表征水泥初始水化放热特性，此法可以消除测量过程中水浴温度的缓慢、微小变化对水泥初始水化放热特性测量的影响，完整、准确地测量第一个水化放热峰。

四、附图说明

图1是本发明所述的水泥初始水化放热特性等温测量的试验装置的结构示意图。

图2是采用本发明所述的水泥初始水化放热特性等温测量的试验装置测量水泥初始水化放热特性的结果。

五、具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，本发明所述的水泥初始水化放热特性等温测量的试验装置，包括样品杯1、样品杯盖2、水化用水出水口3、样品杯池4、水浴搅拌器5、半导体制冷/制热片6、散热片7、水化用水注水管8、第一热敏电阻9、第二热敏电阻10、注水口11以及水浴壶12，半导体制冷/制热片6安装在水浴壶12约三分之一高度的位置，其两个面均有铝质散热片与之紧贴着，一只散热片7伸入水浴壶7中与水浴接触，另一只散热片置于水浴壶外并配有一只直流12V的电风扇用于驱走该散热片的热或冷，一只三脚垫架置于水浴壶底部，垫架的架面上开有合适直径的孔，样品杯池4穿过该孔并紧固在垫架上，样品杯池上边缘露出水浴面约0.5cm，水化用水注水管8经螺旋化定形后置于样品杯池4的下方，由水浴壶12上方电机驱动的水浴搅拌器5伸入水浴壶12内，搅拌叶位于与水浴接触的散热片7的下边缘下方但不触碰水化用水注水管8的螺旋状部分，样品杯池4内底部的中心贴有第一热敏电阻9，该热敏电阻的上方有一水平的圆形金属导热片与之紧贴，当样品杯1置入样品杯池时，该金属导热片可与样品杯1底部紧密接触，样品杯池4外侧下方贴有第二热敏电阻10并浸于水浴中。所述样品杯1带有样品杯盖2，所述的水浴搅拌器5靠近散热片7，水浴搅拌器5呈偏心设置在水浴壶12内，散热片7置于水浴壶12内，水化用水注水管8一端设有可以由注射器***的注水口11，另一端设有水化用水出水口3，所述热敏电阻为两只，第一热敏电阻9位于样品杯池4内底部中间，用于传感样品温度，第二热敏电阻10贴于样品杯池4外侧下部并浸于水浴中，用于传感水浴温度，并以这两只热敏电阻所表达的温差作为水泥初始水化放热特性的表征。

所述的样品杯1呈平底圆柱形，为导热良好的金属材料，用于放置待测样品。水泥样品13置于样品杯1中。

所述的水浴搅拌器5靠近散热片7，水浴搅拌器5呈偏心设置在水浴壶12内，这更有利于水浴温度的均匀分布。

所述的水化用水注水管8呈螺旋形置于水浴壶12内样品杯池4下方的水浴中，水化用水注水管8采用符合医用要求的塑料材质。

实施例2

本实施例为采用所述的水泥初始水化放热特性等温测量的试验装置的试验方法，包括如下步骤：

(1)开启半导体制冷/热片6、水浴搅拌器5的电源，在20～30℃范围内设置需要的水浴恒温温度，经过一段时间后水浴达到恒温状态，恒温精度优于±0.005℃；

(2)用百分之一精度的天平称取4.00g通过0.080mm方孔筛、均化和65～70℃/3h干燥后的待测水泥样品13，分多次置入样品杯1中，用称量勺轻轻划拨杯内水泥样品13，使杯内水泥样品13初步分布均匀，然后在平整桌面上一边轻轻振动一边旋转样品杯1，使杯内样品形成各处堆积密度均匀、毛细管分布均匀、表面平整的水泥粉体固定床。所称量的样品质量一般在4～8g的范围内选择，且应固定样品称取量以使测量结果具有可比性；

(3)将体积刻度经过标定的注射器***注水口11，把出水口3浸入一只盛有水化用水的烧杯中，多次抽吸注射器活塞并退出注射器，以使水化用水注水管8内没有气泡，全部充满水化用水，然后将注射器活塞抽吸至2.0mL相应的体积刻度并固定，此时的水灰比为0.50。将注水管的出水口3移出盛有水化用水的烧杯，擦干出水口3的表面和样品杯盖2的内表面。为使水泥“静态”水化顺利进行，水灰比应在0.40～0.60的范围内选择且固定，以使测量结果具有可比性；

(4)盖好样品杯1的保温盖2，将样品杯1底部擦净后置入样品杯池4底部中心位置，使样品杯1底部与第一热敏电阻9的导热片表面接触良好，盖好 水浴壶12的保温盖；

(5)在水浴已进入恒温的状态下，将样品杯1置入杯池4后，通过计算机数据采集***观察水浴温度与待测水泥样品温度的温差变化趋势，经过1h或更长时间的水浴恒温后，当两者的温差平衡时，轻巧地推动注水器活塞至尽头，相应体积的水化用水即被注入待测水泥样品中，水泥开始水化。

(6)水泥开始水化后，平衡电桥及电子放大***测量样品杯1底部的第一热敏电阻9和样品杯池4外侧下部浸于水浴中的第二热敏电阻10所传感的温度差别，以mV值的形式表达两者的温差，并由计算机经数模转化后采集和记录。该mV值的变化即用于水泥初始水化放热特性的表征。

本实施例的水泥初始水化放热特性等温测量共计46min，测量结果如图2所示。从图2可以看出，从注入水化用水开始，水泥即开始水化放热，随着时间延长，在2.3min左右达到放热和散热的平衡，形成一个极值点，随后放热曲线开始下降，水化至35min左右曲线明显走平，表明水泥水化进入潜伏期。可以根据曲线的形态来评价水泥样品初始水化放热特性，根据研究经验，以水化20min作为分界线，之前的曲线形成了水泥初始水化的第一个放热峰，峰值越大、峰值对应的水化时间越短，表明样品初始水化放热速率越大；第一个放热峰包围的面积越大，表明水泥初始水化放热量越大，这些都反映出水泥样品非常早期的水化活性越高，故第一个放热峰的峰值大小、峰值对应的水化时间、第一放热峰包围的面积，均可作为水泥样品初始水化放热特性的表征。

工作原理及过程：

水浴恒温通过半导体制冷/热片6来实现，由单片机PID温度控制***控制，恒温温度可在20～30℃范围内设置，水浴恒温精度优于±0.005℃。采用平衡电桥和电子放大***测量热敏电阻9和热敏电阻10传感的温差变化，原始的温 差输出量为mV，通过测量样品和水浴之间的mV差别，即可得到由水泥水化导致的样品温度变化特性，此设计消除了水浴温度的缓慢、微小变化对水泥初始水化放热特性测量的影响；水浴壶内设置了偏心搅拌装置5，搅拌叶靠近散热片7，可以更有效地使水浴各处温度均匀；充满水化用水的螺旋形塑料管8浸入恒温水浴中并保持足够长的时间，待管内水化用水的温度与待测样品的温度趋于一致之后，才将注水管中的水化用水注入样品中，这种加水方式可以使水化用水的温度对待测样品温度的影响降到最低，确保了水化放热特性测量的准确性。开始测量时，连接注水口11的注射器向水化用水注水管8内推注规定体积的水分，水化用水注水管8内相应体积的水化用水则通过出水口3注入水泥样品13中，推注出来的水化用水通过待测样品固定床中的毛细管扩散到样品各处，这种“静态”的加水方式不会破坏水泥初始水化时在颗粒表面形成的初始水化产物层，最大限度地保持了初始水化的状态。

Claims (7)

1.一种水泥初始水化放热特性等温测量的试验装置，其特征在于，包括样品杯、水化用水出水口、样品杯池、水浴搅拌器、半导体制冷/制热片、散热片、水化用水注水管、第一热敏电阻、第二热敏电阻、注水口以及水浴壶，半导体制冷/制热片安装在水浴壶三分之一高度的位置，水化用水注水管经螺旋化定形后置于样品杯池的下方，水浴搅拌器呈偏心设置在水浴壶内，水浴搅拌器的搅拌叶片位于与水浴接触的散热片的下边缘但不触碰水化用水注水管的螺旋状部分，水化用水注水管一端设有可以由注射器***的注水口，另一端设有水化用水出水口，样品杯池内底部的中心贴有用于传感样品温度的第一热敏电阻，该热敏电阻的上方有一水平的圆形金属导热片与之紧贴，当样品杯置入样品杯池时，该金属导热片可与样品杯底部紧密接触，样品杯池外侧下方贴有用于传感水浴温度的第二热敏电阻并浸于水浴中，并以第一热敏电阻和第二热敏电阻所表达的温差作为水泥初始水化放热特性的表征。

2.根据权利要求1所述的水泥初始水化放热特性等温测量的试验装置，其特征在于：所述样品杯带有样品杯盖。

3.根据权利要求1所述的水泥初始水化放热特性等温测量的试验装置，其特征在于：所述半导体制冷/制热片的两个面紧贴有散热片，一只散热片伸入水浴壶中与水浴接触，另一只散热片置于水浴壶外并配有一只直流12V的电风扇。

4.根据权利要求1所述的水泥初始水化放热特性等温测量的试验装置，其特征在于：所述水浴壶底部设有垫架，垫架的架面上设有孔，样品杯池穿过该孔并紧固在垫架上，样品杯池上边缘露出水浴面约0.5cm。

5.根据权利要求1所述的水泥初始水化放热特性等温测量的试验装置，其特征在于：所述的样品杯呈平底圆柱形。

6.根据权利要求1所述的水泥初始水化放热特性等温测量的试验装置，其特征在于：所述水化用水注水管为符合医用要求的塑料材质。

7.一种适用于权利要求1所述的水泥初始水化放热特性等温测量的试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)开启半导体制冷/热片、水浴搅拌器的电源，在20～30℃范围内设置需要的水浴恒温温度，经过一段时间后水浴达到恒温状态，恒温精度±0.005℃；

(2)用百分之一精度的天平称取4～8g通过0.080mm方孔筛、均化和65～70℃/3h干燥后的水泥待测样品，分多次置入样品杯1中，用称量勺轻轻划拨杯内样品，使杯内样品初步分布均匀，然后在平整桌面上一边轻轻振动一边旋转样品杯1，使杯内样品形成各处堆积密度均匀、毛细管分布均匀、表面平整的水泥粉体固定床；

(3)将体积刻度经过标定的注射器***注水口，把出水口浸入一只盛有水化用水的烧杯中，将注射器***注水口中，多次抽吸注射器以使注水管内没有气泡，全部充满水化用水，然后将注射器抽吸至2.0mL相应的体积刻度并固定，此时的水灰比为0.50，将注水管的出水口移出盛有水化用水的烧杯，擦干出水口的表面和样品杯盖的内表面，为使水泥“静态”水化顺利进行，水灰比应在0.40～0.60的范围内选择且固定，以使测量结果具有可比性；

(4)盖好样品杯的保温盖，将样品杯底部擦净后置入样品杯池底部中心位置，使样品杯底部与热敏电阻的导热片表面接触良好，盖好水浴壶的保温盖；

(5)在水浴已进入恒温的状态下，将样品杯置入杯池后，通过计算机数据采集***观察水浴温度与水泥待测样品温度的温差变化趋势，经过1h或更长时间的水浴恒温后，当两者的温差平衡时，轻巧地推动注水器活塞至尽头，相应体积的水化用水即被注入待测水泥样品中，水泥开始水化；

(6)水泥开始水化后，平衡电桥及电子放大***测量样品杯底部的第一热敏电阻和样品杯池外侧下部浸于水浴中的第二热敏电阻所传感的温度差别，以mV值的形式表达两者的温差，并由计算机经数模转化后采集和记录，该mV值的变化即用于水泥初始水化放热特性的表征。