混凝土产品固化程度的测定方法

本发明涉及一种用于确定或监测混凝土材料、产品或结构的固化(硬化)程度的方法。

背景技术：

1、在混凝土产品的建造中，包括物体、结构、建筑物、装置、支撑、挖掘或竖井的填充物、和岩石中的间隙或空腔的填充物，固化周期，也称为硬化周期(在给定温度和湿度条件下的给定时间)，决定了材料或产品的固化程度和所获得的特性。由于环境条件的不同，建造中的温度和湿度往往不同。其他不时变化的因素包括土壤条件和混凝土混合物的组成。此外，为了在最短的时间内达到令人满意的固化程度和质量，该过程的持续时间经常变化。对于标准结构，固化时间通常由监管文件确定，但根据不同情况，与标称值相比，可以多次调整。由于天气条件导致的温度和湿度的偏差会显著改变固化时间，因此需要确定或监测固化时间。对于大型或非典型结构，可能无法获得监管文件，因此类似地需要确定或监测固化程度。此外，对于大型结构，结构元件内部的水分饱和度可能与结构表面上的水分含量显著不同，因此如果固化程度由结构表面的固化决定，会导致大的误差。如果不能实现目标固化程度，那么就无法取得规定的性能，通常是机械性能，而保守地延长结构固化过程的持续时间将会导致不合理的时间成本。因此，在混凝土结构建造中，监测固化程度至关重要。

2、用于确定或监测混凝土材料和结构的固化程度的现有方法通常复杂、昂贵、耗时、测量精度低或使用不方便。这些方法通常基于对正在建造的结构的取样(破坏性测试)或对类似成分的样品进行实验室研究，重现结构建造的条件。测试样品的机械强度通常是通过压缩圆柱形样品直至破坏来进行的，这不仅耗时，而且需要使用实验室设备。此外，这些方法更多地与混凝土材料和结构的固化程度的一次性监测有关，而不是与连续监测有关，而且它们的扩展是不可能的。

3、确定混凝土材料和结构的固化程度的另一种方法是基于固化过程中测量的正在建造的结构的材料温度进行无损化持续性监测。温度测量通常使用位于产品表面或嵌入结构中的热电偶进行，测量材料温度随时间的变化用于评估固化程度。然而，由于没有考虑到其他因素，例如会显著改变固化效果的湿度，这种方法的测量误差很大，只能算是一种估算。在无线版本中，这种方法需要复杂的一次性设备，与热电偶一起嵌入结构中，通过厚厚的混凝土传输信号。

4、另一种方法是通过超声波扫描来确定声波的传播参数。在最简单的情况下，可以确定与固化程度相关的声速、动态弹性模量和泊松比。该方法为非破坏性方法，符合astmd597标准。然而，这种方法需要昂贵的设备和高素质的人员。这种方法的另一个缺点是通常仅限于表面测量，无法确定结构中不同厚度处的固化程度。如果波在具有复杂固化情况的材料中传播，破译信号就成了一个复杂的科学问题。

5、鉴于上述方法的不足，需要开发一种数字量化连续方法来监测混凝土结构的固化程度，这种方法无破坏性、可扩展且成本效益高，既可进行单通道测量，也可进行多通道测量(取决于所需的监测点数量)，不会导致声称的特性的退化，并且可直接在材料或结构中实时进行，使用方便、广泛使用的测量仪器，非专业人员也可轻松判读结果。

6、与所要求的方法最接近的是专利us2017/0284996"嵌入式无线监测传感器"，该专利公开了一种利用嵌入结构中的无线传感器连续监测混凝土温度的方法，该传感器由温度传感器、无线信号发射器和电池组成。记录的数据被传输到便携式电子设备中，用于数据收集、处理和分析。该系统的类似物目前已在实际中使用。这种方法的缺点是需要使用昂贵的一次性设备(热电偶和穿过厚厚的混凝土的无线信号发射器和电池)，因为该设备需要被嵌入到正在建造的结构内部。此外，测量续航时间受电池容量的限制，且无法更换电池。通过厚厚的混凝土结构传输无线电波信号有一定的难度，因此这种方法只能用于昂贵的大功率发射器、昂贵的大容量电池和薄壁结构。此外，将大型测量设备嵌入产品中会对其机械性能产生负面影响。该方法的主要缺点是仅通过测量温度来确定材料的固化程度，而不考虑其他条件，例如湿度，这导致测量误差很大，使该方法更像是一种估计，而不能准确确定固化程度。

技术实现思路

1、本发明的目的是开发一种方法，用于确定(包括一次性控制或连续监测)混凝土产品在某一点或同时几个点的固化程度。所述产品，是指物体、结构、建筑、装置、支架、矿井或竖井的填充物、岩石缝隙或空腔的填充物，以及其他现有科技水平已知的混凝土产品。混凝土是指一种以液压无机或有机粘结剂(包括水泥、石灰、硅酸盐、石膏、矿渣、镁、特种材料)为基础，可能添加其他材料，包括聚合物、添加剂(包括阻燃剂、防腐剂、增塑剂、稳定剂)、填料(包括沙子、矿粉、碎石、矿渣)、钢筋(包括钢筋、纤维增强材料)以及科技水平已知的其他材料或添加剂或改良剂或填料或增强材料。干混凝土混合物是指在加水之前由上述材料制成的混合物。混凝土混合物指由上述材料加水制成的混合物。本发明的技术效果是确保在指定产品硬化的任何步骤，包括硬化过程结束时，都能确定产品的固化程度。所要求保护的方法可直接在产品内部或其表面、在一点或同时在多点对固化程度进行定量、无损、连续的实时监测。该方法可用于通过创建反馈回路来优化制造或施工过程，以减少时间成本。

2、通过以下两个步骤实现指定的技术成果

3、a)在指定产品的硬化过程中或硬化结束时，测量在所述指定产品的组成中的特定测试材料电磁特性的变化，所述测试材料是导电或半导电添加剂或至少含有导电或半导电添加剂和混凝土混合物的组合物，且在硬化过程之前引入所述指定产品中；

4、b)所述指定产品的固化程度是通过将所述指定产品的组成中的测试材料的测量的电磁特性与所述特定测试材料的电磁特性与所述指定产品的混凝土混合物的固化程度的相关性的参考数据进行比较来确定的。

5、在步骤a)制造过程中(硬化、强度增加)或在指定产品制造完成后，测量之前引入到指定产品成组成中的测试材料的电磁特性变化。所述测试材料可以是直接添加到产品混凝土混合物中的导电或半导电添加剂，也可以是至少含有导电或半导电添加剂和混凝土混合物的组合物。在步骤b)中，通过比较指定产品组成中特定测试材料的测量得到的电磁特性与参考数据，确定指定产品的固化程度。所述参考数据是之前获得的特定测试材料的电磁特性与指定产品材料固化程度之间的关系。既可以在硬化过程中以离散控制或连续监测的形式测定产品的固化程度，也可以在硬化过程结束时以控制测量的形式测定产品的固化程度，例如负责质量控制。

6、在不限制本发明的具体情况下，产品材料组成中包含的混凝土混合物在硬化过程中，在标准测量仪器可测量的范围内，通常不会改变其电磁特性。为了确保能够测量硬化过程中出现的电磁特性变化，需要在产品中加入一种测试材料，这种材料是一种导电或半导电添加剂，或者在其组分中含有这种添加剂。可以使用任何导电或半导电颗粒。在不限制本发明的特定情况下，填料或纳米填料是基于至少一种选自下组的成分：碳或碳质颗粒或纳米颗粒或纤维或纳米纤维、单壁碳纳米管(swcnts)、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、单层或多层石墨烯或氧化石墨烯或石墨烯、炭黑、金属颗粒或纳米颗粒或纤维或纳米纤维、金属涂层颗粒或纳米颗粒或纤维或纳米纤维、金属纳米线、金属晶须纳米晶、金属纳米管、钛纳米管、硅纳米管、硅纳米线、氮化镓纳米管；基于金属二硫化物、或金属三硫化物、或金属氧化物、或磷烯(phosphorene)、或mxenes、或硅烯(silicene)、或锗烯(germanene)、或金属卤化物、或金属碳化物、或二硫化钼、或硼烯(borophene)、或其改性物的颗粒或纳米粒子。

7、圆柱形或其他细长形状(1d，类似cnt)的颗粒具有较低的渗流阈值，在低浓度下可形成更密集的电网络，因此可最大限度地减少添加剂对材料特性的影响。同时，它们很容易相互缠结，从而形成毛毡状--由缠结的一维颗粒组成的团聚材料，由于这种缠结，即使在干燥(未浸渍粘合剂)状态下也能保持形状。另一方面，与2d和0d颗粒相比，将1d颗粒与混凝土混合物混合更加困难，因为1d颗粒会形成难以分散的团聚体。

8、颗粒或纳米颗粒的形状接近球形或椭圆形(0d)的添加剂更容易与混凝土混合物混合，从而更好地控制颗粒分布和分散，但这类颗粒的渗流阈值会达到相当高的浓度。

9、片状(2d)添加剂通常是一种中间情况：它们在浓缩物中的缠结程度低于1d，因此更容易在混凝土混合物中分散，达到渗流阈值所需的浓度通常低于0d。

10、在一个不限制本发明的具体情况下，如果测试材料是一种与混凝土混合物混合的导电或半导电添加剂，并随后添加到产品中，进一步与不含添加剂的混凝土混合物混合就会产生严重问题，导致添加剂浓度分布不可预测。在一种不限制本发明的具体情况下，解决所述问题的方法是一种引入添加剂的方法，当用混凝土混合物填充模板时，该方法通过流动消除了添加剂的重新分布或分散。要做到这一点，可以先将测试材料(即添加剂/混凝土混合物)放置在绝缘(insulating)、透湿的容器中并放入模板，然后再用混凝土混合物填充。此外，在一个不限制本发明的具体情况下，可以在测试材料凝固并开始硬化时将其铺设到模板中，这样进一步用混凝土混合物填充模板就不会导致添加剂颗粒的重新分布。在不限制本发明的情况下，另一种可能性是将缠结、交织或编织形式(例如，以垫子或丛林或织物或纸或线的形式)的干燥(未浸渍的)添加剂用作测试材料，这种缠结、交织或编织形式可以防止添加剂在混凝土混合物填充模板的流动过程中浸出和重新分布。

11、在一个不限制本发明的具体情况下，根据生产技术、产品设计、添加剂可能引入的位置、可用的混合设备、成本、市场上材料的供应情况、添加剂的毒性和卫生法规，所述添加剂以干燥(非浸渍)形式，或以粉末形式，或以母料形式，或以糊状物形式，或以浓缩物形式，或以添加剂颗粒的缠绕或交织的干燥材料(例如：垫、丛林、织物、纸或线)形式，或以其组合的形式添加到混凝土混合物中。在一个不限制本发明的具体情况下，所述添加剂和混凝土混合物的混合是通过剪切混合(高剪切力的机械混合)，或均质化，或使用双辊或三辊碾磨机，或具有更多辊数的碾磨机，或超声波处理(如果混合物的粘度通过溶剂降低，且超声波处理不会损坏添加剂颗粒，如单壁碳纳米管)，或振动，或磁力搅拌，或球磨，或上述方法的改良，或其组合实现的。在不限制本发明的特定情况下，优选在加水之前将干添加剂与干混凝土混合物混合，因为这将大大延长测试材料的保质期，并避免混凝土混合物在混合过程中凝固。

12、所述固化程度是通过测量产品组成中测试材料的电磁特性的变化来确定的。在一个不限制本发明的具体情况下，可测量电导、或导电率、或电阻、或电阻率、或两线法电阻、或四线法电阻、或电阻抗、或电容、或介电常数、或电感、或磁导率、或涡流响应、或位移电流响应、或无线电波响应、或电磁响应、或其组合。为了确定所述指定产品的固化程度，需要将所述指定产品组成中的测试材料的电磁特性测量值与之前准备的参考数据进行比较。所述参考数据表示嵌入产品中的测试材料的电磁特性与所述指定产品的混凝土混合物的固化程度的相关性。为获得规定的参考数据，在同一温度和湿度条件下硬化过程中，测量测试材料的电磁特性变化，其中，所述的测试材料与产品中的相同，并测量产品混凝土混合物的固化程度变化。获得参考数据的温度和湿度条件可能与产品硬化时的温度和湿度条件不同。

13、在一个不限制本发明的具体情况下，在获取参考数据的同时测量固化程度的变化可以使用通过进行机械测试测量工程常数、使用超声波扫描测量声速和工程常数、流变分析、动态机械分析等现代科技水平已知的手段。

14、在一个不限制本发明的具体情况下，根据所选用于测量的电磁特性的响应以及所述添加剂对产品所声称的性能(例如机械强度)的影响，选择所述导电或半导电添加剂的浓度(低于、接近或高于渗滤阈值)。在一个不限制本发明的具体情况下，如果对电磁特性变化的测量要求所述添加剂/混凝土混合物自始至终都是导电或半导电的(例如，在测量测试材料导电率变化的情况下)，则所述添加剂浓度应达到或高于渗滤阈值。在一种不限制本发明的特殊情况下，由于在渗滤阈值处导电性能波动较大，建议使用高于渗滤阈值的添加剂浓度。

15、在一个不限制本发明的具体情况下，如果对电磁特性变化的测量不要求所述添加剂/混凝土混合物自始至终都是导电或半导电的(例如，在测量测试材料电感变化的情况下)，那么所述添加剂浓度既可以高于渗滤阈值，也可以低于渗滤阈值。在一个不限制本发明的具体情况下，在将导电或半导电添加剂与混凝土混合物混合时，可能会形成团聚体，这对于容易缠结在一起的一维颗粒来说尤其如此。此外，所述添加剂在团聚体内部以高浓度存在，确保了团聚体内部导电性，而导电性也取决于固化程度，可通过电磁测量仪器进行测量。在一个不限制本发明的具体情况下，当使用三辊碾磨机、两辊碾磨机或更多辊数的碾磨机将导电或半导电一维添加剂与混凝土混合物混合时，混合是通过使一个辊相对于另一个辊移动并将混合物“推”过辊之间的间隙来进行的。所述间隙的大小决定了一维粒子团聚体的平均大小，其可通过将电磁波或无线电波响应按波长调整到给定团聚物尺寸来使用。

16、是否需要将电磁电路元件嵌入产品的测试材料中，以测量其电磁特性的变化，或是否有可能进行非接触(无线)测量，这取决于将外来元件嵌入产品的可能性，以及用于测量的电磁特性的响应。在一个不限制本发明的具体情况下，如果电磁特性变化的测量需要将电触点嵌入测试材料中(例如，在接触(导线)测量电导率的情况下)，那么为了避免额外的技术步骤和使用额外的材料(如导电界面材料)，可在凝固前将裸电触点(最好是欧姆触点)直接放入测试材料中。在不限制本发明的具体情况下，为了测量磁导率或电感，可以在测试材料中放置一个电感器，通过直流电与之分离。在一个不限制本发明的具体情况下，可在测试材料中放置电容器板，以测量电容或介电常数。

17、在一个不限制本发明的具体情况下，如果不希望在测试材料中放置电磁电路元件，例如，由于机械强度下降，则建议在测试材料或产品外部，或在测试材料或产品表面放置电磁电路元件，以非接触(无线)方式测量电磁特性的变化。在一个不限制本发明的具体情况下，电导率变化的测量可以非接触方式进行，例如通过无线电波响应；电感变化的测量可以通过在产品表面放置电感器进行；电容变化的测量可以通过在电容器板之间放置产品的元件进行。

18、在一个不限制本发明的具体情况下，如果决定在添加剂浓度低于渗滤阈值时进行非接触测量，导电或半导电添加剂的团聚程度和团聚体的大小将对电磁响应产生重大影响，在这种情况下，使用不同的混合方法会产生不同的结果。例如，在一个不限制本发明的具体情况下，使用间隙为5μm的三辊碾磨机将产生平均尺寸相同的导电团聚体，这些团聚体通过非导电基体相互绝缘。

19、测量产品组成中测试材料的电磁特性变化，以确定产品的固化程度，可以在硬化过程中进行，也可以在硬化完成后进行，例如用于质量控制。测量可以一次性进行，也可以根据需要离散地进行控制，还可以作为连续监测或以指定的采样频率进行监测。在一个不限制本发明的实施方式中，由于固化过程的动力学是一个相当缓慢的过程，因此采样频率选择为1次/天。在一个不限制本发明的具体情况下，取样频率的选择应根据给定条件下给定混凝土混合物固化过程的反应速率来确定。

20、在一个不限制本发明的具体情况下，根据所测得的产品组成中测试材料的电磁特性来确定固化程度，既可以通过直接测量的电磁特性值来进行，也可以通过对这些值进行初步处理来进行：归一化为最小测量值、归一化为初始值、确定变化率。当归一化为最小值时，电磁特性的当前测量值除以同一过程中测量的最小值。当归一化为初始值时，电磁特性的当前测量值除以流程开始前的测量值。在确定电磁特性的变化率时，从当前测量值中减去指定时间前的测量值，然后将所得差值除以时间段。

21、在一个不限制本发明的特定情况下，对测试材料电磁特性测量值的特定处理方式的选择取决于混凝土混合物的选择、导电或半导电添加剂的选择和浓度以及固化条件。在一个不限制本发明的特定情况下，当导电或半导电添加剂的浓度接近渗滤阈值时，由于波动较大，建议将其归一化至最小值以确定固化程度，或通过变化率控制硬化过程。在一个不限制本发明的特定情况下，在获取参考数据时，采用与确定产品中测试材料电磁特性变化时相同的程序处理测量值。

22、在一个不限制本发明的具体情况下，可以对混凝土混合物中导电或半导电添加剂的浓度、空间分布、取向或这些因素的组合进行结构化处理，以实现最佳的电磁或机械性能。

23、在一个不限制本发明的具体情况下，可以通过三维打印、磁场、电场、施加电压或它们的组合的方式实现结构化处理。

24、例如，在一个不限制本发明的具体情况下，当向混凝土混合物中添加导电或半导电添加剂时(同时采取措施降低混合物的粘度)，其颗粒在电磁场的影响下定向，这可以降低渗流阈值和所需的添加剂浓度。另一个不限制本发明的具体情况是通过3d打印添加添加剂。

25、另一个不限制本发明的添加剂结构化的具体情况是，将导电或半导电添加剂以已经结构化的形式添加到混凝土混合物中，例如，以团聚体的形式、或织物(一层编织的添加剂颗粒)或垫子(一层缠结的添加剂颗粒)，或纸(一层连接在一起的添加剂颗粒)，或丛林(一层生长的添加剂颗粒)，或海绵，或泡沫，或气凝胶，或由缠结或交织的添加剂颗粒制成的线，或它们的组合。

26、在一个不限制本发明的具体情况下，当所述测试材料为导电或半导电添加剂时，可将其添加到指定产品的整个混凝土混合物体积中，例如，在加水搅拌和填充模板之前，将特定的添加剂与干燥的混凝土混合物混合。

27、一个不限制本发明的具体情况，例如，应用特定添加剂同时用于改善混凝土的机械特性(例如，使用质量分数达2％的碳纳米管)，并因此添加到产品的混凝土混合物的整个体积中。

28、在这种情况下，有关电磁特性与引入了导电或半导电添加剂的产品混凝土混合物的固化程度的参考数据([加入了导电或半导电添加剂的产品混凝土混合物的电磁特性]-[加入了导电或半导电添加剂的产品混凝土混合物的固化程度])既可以在一个试验期间获得，即在引入了导电或半导电添加剂的产品的混凝土混合物样品硬化过程中同时测量电磁特性和固化程度，也可以通过两个独立的试验获得，其中一个试验用于测量料电磁特性的变化，另一个试验测量固化程度的变化，前提是这两个试验在相同的温度和湿度条件下进行。

29、在一种不限制本发明的具体情况下，当所述测试材料是导电或半导电添加剂时，可将其局部地引入到产品的混凝土混合物中，例如以传感器的形式。一个不限制本发明的具体情况是，所述导电或半导电添加剂以结构化形式嵌入产品中，例如，以团聚体、或垫子(一层缠结的添加剂颗粒)、或织物(一层编织的添加剂颗粒)、或丛林(一层生长的添加剂颗粒)、或海绵、或泡沫、或气凝胶、或由缠结或交织的添加剂颗粒制成的线或其组合的形式。

30、在这种不限制本发明的具体情况下，由所述导电或半导电添加剂制成的嵌入式结构元件，例如垫子或织物或丛林或线，可用作额外的加固元件。

31、在一个不限制本发明的具体情况下，有关测试材料的电磁特性与不含导电或半导电添加剂的产品混凝土混合物的固化程度的相关性的参考数据([测试材料的电磁场特性]-[不含导电或半导电添加剂的产品混凝土混合物的固化程度])既可以在一个试验期间获得，即对引入了导电或半导电添加剂的产品混凝土混合物样品和不含有导电或半导电添加剂的产品混凝土混合物样品进行同时硬化，也可以通过两个独立的试验周期获得，其中一个试验用于测量引入了导电或半导电添加剂的产品混合物样品电磁特性的变化，另一个试验用于测量不含导电或半导电添加剂的产品混凝土混合物固化程度的变化，前提是这两个试验在相同的温度和湿度条件下进行。

32、在一个不限制本发明的具体情况下，当所述测试材料是一种不仅含有导电或半导电添加剂，还含有混凝土混合物的组合物时，则所述测试材料组合物中的特定的混凝土混合物既可以与产品中的混凝土混合物一致，也可以不同，例如，当测试材料干混合物的预制备使用一种类型的干混凝土混合物，那么产品则由不同类型的混凝土混合物制成。

33、在一个不限制本发明的具体情况下，将所述的特定的测试材料嵌入到指定产品的局部或置于其表面。

34、一个不限制本发明的具体实施方式是使用紧凑型(具有可比宽度、高度和深度)传感器形式的测试材料，将其嵌入厚厚的产品中或置于其表面。

35、此外，为了避免在填充模板时所述测试材料与不含添加剂的产品混凝土混合物混合，可以将其放置在绝缘透湿的容器中，或者让其凝固并开始硬化。

36、另一个并不限制本发明的具体情况是，将测试材料以附加水平层的形式引入到水平表面上，同时产品的建造将继续在该水平表面上进行。在一个不限制本发明的具体情况下，有关特定测试材料的电磁特性与产品混凝土混合物固化程度的相关性的参考数据([测试材料的电磁特性]-[产品混凝土混合物的固化程度])既可以在一个试验期间获得，即对测试材料和产品混凝土混合物样品同时进行硬化，也可以通过两个独立的试验周期获得，其中一个试验用于测量测试材料电磁特性的变化，另一个试验测量产品混凝土混合物固化程度的变化，前提是这两个试验在相同的温度和湿度条件下进行。

37、在一个不限制本发明的具体情况下，所提出的方法可用于以下方面：

38、·用水泥材料和基于其他粘结剂的材料的建筑物或结构或物体的建造，例如混凝土结构、加筋混凝土结构、现浇混凝土(整体)；

39、·使用添加剂技术(如，3d打印)的由混凝土材料制成的建筑物和物体的建造；

40、·非标准混凝土结构的建造；

41、·大型混凝土结构的建造，如水坝或套管柱；

42、·支架建造，用混凝土填充矿井或竖井，用混凝土填充空腔或岩石裂缝；

43、·使用混凝土材料的机械设备，如船舶；

44、其他产品，在现有的科学技术水平下是已知在其制造过程中使用了混凝土材料的。