一种混凝土自生收缩测试用模具以及基于光学放大的混凝土自生收缩测试方法

本发明涉及一种混凝土自生收缩测试用模具以及基于光学放大的混凝土自生收缩测试方法，属于混凝土体积变形测试。

背景技术：

1、混凝土是消耗量最大的建筑材料，具备可塑性好、高强度等优点，然而，这种由水泥、水、骨料及其他外掺剂混合而成的材料，还存在一些“先天性不良”，如韧性差、抗拉强度低、易收缩开裂等。开裂是导致实际混凝土结构耐久性和使用寿命降低的主要因素，也是当前各类混凝土结构面临的普遍问题。研究发现，混凝土材料开裂现象是多方面因素综合作用的结果，绝大多数开裂是因约束条件下的收缩变形引起的。混凝土的收缩可分为塑性收缩、自生收缩、干燥收缩和碳化收缩等。其中，混凝土自收缩主要发生在混凝土水化反应阶段，是指初凝以后水泥水化形成水化硅酸钙与水化铝酸钙凝胶导致的表观体积减小，其与因自身物质增减、温湿度变化、外部加载或约束而引起的体积变化无关，是混凝土在恒温恒重且没有受到外力和约束的情况下，由混凝土材料自身的物理和化学变化而引起的体积形变。研究表明，自收缩占总收缩的比例随着水灰比的下降而增长；现代混凝土为实现高性能而趋于采用低水胶比和高含量胶凝材料，使得混凝土自收缩显著增大，在约束条件下往往形成较大的拉应力，因此现代混凝土结构开裂问题愈发严重，显著降低了混凝土的耐久性，缩短服役期。由此，自收缩成为了当今混凝土材料和结构领域研究的热点与重点。

2、混凝土的自生收缩测定不仅需要精确的测量方法，而且需要从初凝即开始测定，另外还需要保证被测试体系(试件)与外界无水分交换，因此给测试工作带来了很大的难度。国内通常依照gb/t 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中指定的收缩试验装置来测量混凝土的自生收缩值。标准推荐使用非接触法进行自由状态下早龄期混凝土与外界隔绝湿交换的条件下自生收缩变形的测定。该方法采用特定长度的棱柱体试件，将不锈钢测头预埋于端部，置于恒定温度、隔绝湿交换的环境中，采用反射靶与混凝土试件协同变形的方式表征混凝土试件的收缩。该方法只能测试硬化后的收缩变形，忽略了硬化前的早期自生收缩，且对硬件要求较高，如优质的探头及测头金属片等。

3、我国《水工混凝土试验规程》sl352-2006中的“混凝土自生体积变形试验”提供了测试混凝土自生收缩的参考方法。所用试件密封桶尺寸为直径200mm、高度500mm～600mm，实验前将应变计垂直固定在试件桶中心，试验时筛除拌和物中粒径超过40mm的骨料后，将剩余浆体分多次装入密封容器中，并借助人工插捣器或震动台密实成型，此后密封试件，将其转移到恒温环境静养(温度为20±2℃)。一般情形下，试验员应当在成型后2h、6h、12h、24h测试应变计的电阻参数，以24h测试值为基准值，此后的14d内每天测试1～2次，接着每周测量1～2次，半年之后每月量测1～2次，龄期为一年。但该方法中的浆体在早期不具备足够强度，弹性模量较低，无法与应变计同步移动，而此时恰是浆体收缩程度最大的阶段，最终导致所测数据精确度不足。

4、进行混凝土的体积变形测试，大多都会用到相应变形类型的模具以及标靶，标靶位置及稳定对混凝土体积变形的测试结果影响巨大，因此标靶及固定是保证混凝土体积变形准确测定的关键。目前在混凝土体积变形测试过程中，标靶及其固定方式存在以下问题：1)标靶缺少合理的约束，不能保证完全垂直于试件平面，会产生倾角、偏转、不定向位移等现象；2)标靶本身的材质、表面粗糙度会影响传感器信号的反射，造成精度损失进而干扰最终结果。但是对于标靶的研究改进极少，对于标靶固定装置改进及实验方法的优化更是没有。

5、混凝土体积变形测定设备是通过测量标靶的一维位移来测定混凝土的体积变形，传统的测量标靶固定方式是将标靶置于新拌的混凝土中，或者浇筑成型时采取固定装置固定标靶然后撤去固定装置，此时混凝土并未完全固化，由于混凝土会产生不均匀沉降，以及震动、撞击、触碰等人为因素，测量标靶会产生偏转、倾角、非水平位移等现象。但若标靶固定装置撤去太晚，又测不到混凝土实际的体积变形。由于目前缺少一种合理的标靶、固定装置及合理的实验方法，测定的数据会出现随机的异常偏差，以至于测定结果的准确性很难得到保障。

6、目前，市面上采用激光位移传感器的测试设备测试混凝土的早期体积变形，虽然激光测试具有较高的精度和较强的抗干扰能力，但同时仍存在一些缺陷：1)激光测试的环境要求极高。粉尘是影响激光位移传感器精度的重要因素之一。这是因为粉尘会附着在传感器镜头上，导致反射光直接射向接收器，从而干扰传感器的测量结果。这种影响可能会使传感器的准确度下降，或者在极端情况下使其无法工作。混凝土浇筑体积变形的实验环境中往往具有较多的灰尘，日积月累必然会导致其精度下降以及加快激光位移传感器到达使用寿命；2)精度误差较大。市面上常见的激光位移传感器所宣传的精度多为最小重复精度，具有一定的偶然性，多数激光位移传感器的重复精度在实际使用时无法达到所标精度。如果将其应用到实际测量中，引起的误差会远远大于计算所得。此外，激光探头即使近几年技术取得突破，国产的产品逐渐赶超国外的水平，但是其价格仍很高，一支高精度的传感器一般都在5000元以上，甚至更高。此外，设备仍没有在测试过程中进行实验数据校准的能力。

7、参照图1所示，误差校准是精密仪器应具备的一项重要功能。误差源主要来自以下三个方面：1)时间漂移误差，这一误差是由测量系统的时间稳定性所决定的；2)替换性误差，测量系统中零部件的个体批次差异会影响传感器测量精准度；3)环境条件误差，测量系统会受外界环境电磁场、温度、湿度等因素的干扰而产生较大误差，这通常是测试结果出现问题的主要原因。每个混凝土体积变形测定设备出厂时都进行校准，个别设备在测试前对传感器进行校准，而在测试过程中则没有实时校准的先例。即目前针对环境条件引起的误差并没有合适的解决办法。实验室或实际工程的环境条件处于持续变化状态，在使用过程中突发的电磁干扰会影响电涡流信号的反射与传输；激光技术的应用受到环境光线、灰尘、表面粗糙曲度等的干扰。此外，温度、湿度的改变同样会影响探头灵敏度。由于当前缺乏一种实时误差校准的技术，混凝土体积变形测定设备得不到及时校准，以至于测定结果的准确性很难得到保障。

技术实现思路

1、本发明提出了一种混凝土自生收缩测试用模具以及基于光学放大的混凝土自生收缩测试方法，根据混凝土自生收缩的测试类型，设计了相应的模具，从而减少了由模具产生的结果误差，且公开了光学放大的测试方法，解决了现有技术中存在的混凝土体积变形的微米级位移测量难度大、受干扰大导致误差大的问题。

2、一种混凝土自生收缩测试用模具，所述混凝土自生收缩测试用模具包括槽部和输出部，其中，所述槽部包括底板、两块大基板和两块小基板，所述两块大基板和两块小基板分别相对安装在所述底板上，合围成一槽式结构，每块小基板均设有一通孔，所述输出部包括标靶、保护套、保护装置、测头和滑动装置，所述保护套为内部中空结构，所述保护装置为管状结构，保护装置穿过所述通孔与保护套连接，标靶的一部分被包裹于保护套内，且与保护装置留有空隙，所述测头穿过保护装置与标靶固定连接，测头还通过滑动装置与保护装置滑动连接，所述测头作为待测混凝土的位移输出端与光学放大机构的输入端连接。

3、一种混凝土自生收缩测试用模具，所述混凝土自生收缩测试用模具包括波纹管部和输出部，其中，波纹管部包括，光滑的金属杆支架、波纹管、刚性圆片以及连接件；所述输出部包括测头和滑动装置，波纹管放置于光滑的金属杆支架上，用于成型混凝土；测头固定于刚性圆片；所述测头与滑动装置连接，所述测头作为待测混凝土的位移输出端与光学放大机构的输入端连接。

4、进一步的，所述滑动装置包括滑块、滑槽和滑轮，所述滑块通过滑轮限位于滑槽中，与滑槽连接。

5、进一步的，所述保护套为柔性材料，保护套对标靶施加有预紧力，防止新拌混凝土渗入其中；保护装置与标靶设置间隙，保证测试混凝土早期的微膨胀。

6、一种基于光学放大的混凝土自生收缩测试方法，基于上述的一种混凝土自生收缩测试用模具，所述基于光学放大的混凝土自生收缩测试方法包括以下步骤：

7、s100、将混凝土自生收缩测试用模具组装好，向模具中浇筑待测混凝土；

8、s200、将待测混凝土的位移输出端连接到光学放大机构的输入端上，并打开光源，得到投影到箱体内投影面上的放大后的图像，形成可分辨的光斑图形；或，待测混凝土的位移输出端同时作为光学放大机构的输入端，遮在光学放大机构中的挡板上的通孔上，并打开光源；

9、s300、在进行混凝土体积变形测试的过程中，标靶通过待测混凝土的位移输出端带动光学放大机构的输入端产生位移；或，标靶带动待测混凝土的位移输出端，待测混凝土的位移输出端同时作为光学放大机构的输入端在通孔处产生位移；

10、s400、放大机构的输出端侧放置显微尺，通过图像识别显微尺的读数，得到混凝土试样体积变形过程中放大机构的输出端的位移量，计算得到混凝土体积变形的实际位移值，进而得到混凝土的体积变化量/率；同时进行显微尺图片的拍摄并读数，进行位移数据的校准。

11、一种基于光学放大的混凝土自生收缩测试方法，基上述的一种混凝土自生收缩测试用模具，所述基于光学放大的混凝土自生收缩测试方法包括以下步骤：

12、s100、将混凝土自生收缩测试用模具组装好，向模具中浇筑待测混凝土；

13、s200、将待测混凝土的位移输出端连接到光学放大机构的输入端上，并打开光源，得到投影到箱体内投影面上的放大后的图像，形成可分辨的光斑图形；或，待测混凝土的位移输出端同时作为光学放大机构的输入端，遮在光学放大机构中的挡板上的通孔上，并打开光源；

14、s300、在进行混凝土体积变形测试的过程中，标靶通过待测混凝土的位移输出端带动光学放大机构的输入端产生位移；或，标靶带动待测混凝土的位移输出端，待测混凝土的位移输出端同时作为光学放大机构的输入端在通孔处产生位移；

15、s400、对放大机构的输出端位移进行图像识别测距，并通过显微尺测距实现位移校准，对图像测距结果进行校准和比对，获得自校正后的高精度位移值，并进一步计算出混凝土体积变形的实际位移值。

16、进一步的，所述光学放大机构包括箱体、光源、挡板、透镜、校准尺和图像采集装置，所述挡板固定安装于所述箱体中，且挡板上开有一通孔，所述透镜安装于所述通孔中，校准尺设置于挡板的一侧，光源设置于挡板的另一侧，所述光源、透镜和校准尺均处于同一轴线上，所述光源作为光学放大机构的输入端与待测混凝土的位移输出端连接，所述图像采集装置设置在能够采集到经透镜放大后的投影的位置上。

17、进一步的，所述光学放大机构包括箱体、光源、挡板、校准尺和图像采集装置，所述挡板固定安装于所述箱体中，且挡板上开有一通孔，校准尺设置于挡板的一侧，光源设置于挡板的另一侧，所述图像采集装置设置在能够采集到经透镜放大后的投影的位置上。

18、进一步的，在s400中，图像识别测距方法包括以下步骤：

19、s410、使用图像采集装置按照所需频率进行目标图像的采集，采集投影的图像和校准尺的图像；

20、s420、对所需要观测的区域，使用边缘检测算法识别图像的边缘特征点；

21、s430、使用样条插值方法进行亚像素技术定位，细化图像局部特征，增加图像分辨率，应用灰度匹配方法对比运动前后的图像，根据零均值归一化最小距离平方相关函数进行子区匹配，进行迭代计算，获得位移板上目标区域产生的实际位移；并采集校准尺的数值，校准尺为高精度、刻度小的显微尺；

22、s440、采用刻度为10微米及以上的校准尺进行位移测量和校准，直接读取刻度数值或通过匹配算法识别目标位置对应的校准尺刻度，并使用直线检测算法找到最小刻度，计算校准尺最小刻度与目标位置所对应的校准尺刻度之间的刻度数量，得到校准尺测得的位移值；

23、将使用s430仅使用图像测距测得的位移值和s440仅应用校准尺测出的位移进行对比和校准，获得经过自校正后的高精度位移值，经过计算获得经过自校正后的混凝土体积变形实际位移值。

24、进一步的，在s410中，图像采集频率为：1分钟～60分钟；在s420中，所述边缘特征点包括圆心、弧心、半径、线宽、夹角、距离和交点。

25、本发明的有益效果：本发明的一种混凝土自生收缩测试用模具以及基于光学放大的混凝土自生收缩测试方法，根据混凝土自生收缩的特点设计设计相应的模具，可以减少由模具引起的结果误差。现有技术中，混凝土体积变形的微米级位移测量存在困难，容易受到干扰导致误差大。而本发明利用光学放大机构和图像识别测距方法，有效解决了测量难题，并提供了高精度的位移测量。通过在光学放大机构中设置校准尺，结合图像采集装置进行实时图像分析识别，可以进行实时校准。这样可以获得经过校准后的位移值，提高了测试结果的准确性和可靠性。模具的槽结构和滑动装置可以确保标靶的位置和姿态相对稳定，为混凝土体积变形测试提供了良好的条件。滑动装置和测头的设计使得待测混凝土的位移输出端可以灵活地连接到光学放大机构的输入端，同时也可以作为光学放大机构的输入端，在测试过程中实现精确的位移测量。这种可调节性和灵活性使得本发明的方法适用于混凝土自生收缩测试需求。