實(shí)踐技術(shù)：簡(jiǎn)析混凝土含氣量測(cè)定儀的工作原理和校準(zhǔn)

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本文選自《商品混凝土》雜志2024年第2期

簡(jiǎn)析混凝土含氣量測(cè)定儀的工作原理和校準(zhǔn)

賈海濤，翟艷軍，張功輝，崔建，彭新勇

［摘 要］本文簡(jiǎn)單介紹了混凝土含氣量測(cè)試中氣壓法的發(fā)展，分析了含氣量測(cè)定儀的工作原理和校準(zhǔn)方法，使操作人員從原理上了解儀器的結(jié)構(gòu)用途，以保證儀器操作正確、測(cè)試準(zhǔn)確；并能進(jìn)行校準(zhǔn)，以保持儀器的可靠性。

［關(guān)鍵詞］無注水法；注水法；工作原理；校準(zhǔn)

0 前言

混凝土中具有適宜的含氣量，既可以改善新拌混凝土的工作性，又能提高硬化混凝土的耐久性；如果含氣量過高，不但影響新拌性能，更會(huì)造成混凝土強(qiáng)度、耐久性變差。因其重要性，則需要一種能快速、準(zhǔn)確測(cè)試出混凝土含氣量的試驗(yàn)方法。

1 方法發(fā)展

GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中，第7章規(guī)定了含氣量試驗(yàn)方法。其條文說明的第7章中介紹：此方法準(zhǔn)確稱謂應(yīng)為改良式氣壓^[1]。在該標(biāo)準(zhǔn)修訂前的GBJ 80—85版本中，包括水壓法、氣壓法兩種方法，其中氣壓法是無注水法^[2]。三種方法，各有對(duì)應(yīng)的測(cè)試儀器。該標(biāo)準(zhǔn)之后的修訂版GB/T 50080—2016中，第15章是含氣量試驗(yàn)，修訂了幾處細(xì)節(jié)，試驗(yàn)方法沒有變化^[3]

1979年由原中國科學(xué)院水電部水利水電科學(xué)研究院研制并生產(chǎn)的，CA-1型混凝土含氣量測(cè)定儀是使用無注水法測(cè)試的儀器。該院姜福田教授在設(shè)計(jì)時(shí)，參照了日本、美國、英國、ISO的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。四年后根據(jù)用戶反饋，又設(shè)計(jì)出改進(jìn)型CA-2型。因?yàn)橛肅A-2型測(cè)試時(shí)，需要在混凝土抹面上注入一層水層，所以稱為改良式氣壓法，也即是注水法。姜教授通過試驗(yàn)對(duì)比確認(rèn)，注水法比之前的無注水法測(cè)試更加準(zhǔn)確^[4]。因?yàn)闇y(cè)試精度受混凝土抹面平整度的影響（混凝土抹面未與量缽上沿齊平，就會(huì)增大或減小空氣所占的體積，從而影響含氣量讀數(shù)的準(zhǔn)確性），干硬性混凝土不易做到抹面完全水平，而注水法利用水形成找平層，所以測(cè)試更加精確。

本文中所使用的含氣量測(cè)定儀為CA-3型直讀式混凝土含氣量測(cè)定儀（見圖1），量缽容積為7L，可用注水法、無注水法兩種方法測(cè)試。該型儀器與CA-2型相比：指針式儀表讀數(shù)為含氣量值，量程10%，最小刻度值0.1%，原儀器壓力表讀數(shù)是壓力值，須先進(jìn)行率定（見下文），才能把壓力值換算為含氣量值；氣室增加了微調(diào)閥，原儀器是使用進(jìn)氣閥進(jìn)行微調(diào)，操作不便；增加了手泵，可直接打氣，原儀器需要在進(jìn)氣閥連接打氣筒或氣泵進(jìn)行充氣。該型儀器的結(jié)構(gòu)是市場(chǎng)上最為常見的型式，無論國產(chǎn)還是日產(chǎn)，樣式大同小異。

2 工作原理

2.1 原理根據(jù)

姜教授^[4]介紹：“氣壓法原理是以氣體波義爾定理（波義耳定律）為基礎(chǔ)的，即在密閉容器中的定量氣體，在恒溫下，氣體的壓強(qiáng)和體積成反比關(guān)系?！备鶕?jù)定理，如果在溫度相同的狀態(tài)下，推導(dǎo)出A、B兩種狀態(tài)下的氣體關(guān)系式：P=P，其中P為壓強(qiáng)，V為氣體體積。

2.2 儀器工作原理

含氣量測(cè)定儀的工作原理，就是通過向上蓋氣室內(nèi)注入空氣到一定壓力（即壓強(qiáng)），然后將壓縮空氣釋放到量缽中，將混凝土擠實(shí)，從而排出混凝土中的氣體，此時(shí)壓縮空氣所占空間增大，壓力下降，且氣室和量缽內(nèi)的壓力值相等。此時(shí)已知?dú)馐胰莘e和注入空氣的初始?jí)毫Α⑾陆岛蟮膲毫?，根?jù)氣體關(guān)系式則可計(jì)算出空間增大值，這個(gè)增大值再除以量缽容積（混凝土裝入體積），就是混凝土中氣體所占體積百分比，即混凝土含氣量。

2.3 原理驗(yàn)證

為驗(yàn)證含氣量測(cè)定儀是否準(zhǔn)確，運(yùn)用波義耳定律，通過有壓氣瓶、壓力表和管路連接成簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)（見圖2），用來測(cè)試含氣量測(cè)定儀表盤讀數(shù)對(duì)應(yīng)的壓力值，與應(yīng)用氣體關(guān)系式計(jì)算的壓力值作比較。測(cè)試用壓力表量程為0.1MPa，最小分度值0.002MPa。

對(duì)于注水法，計(jì)算公式為：

= P（V+V+V） (1)

式中：

——?dú)馐易⑷肟諝獾某跏級(jí)毫Γ琈Pa；

——?dú)馐胰莘e，mL；

——壓力平衡后的壓力值，MPa；

——壓力平衡閥的容積，mL；

——混凝土中氣體體積，mL。

姜教授文中^[4]提到：氣室容積為0.35L，即350mL（氣室內(nèi)部構(gòu)造見圖3）；注入空氣的初始?jí)毫?kg/cm，也就是0.098MPa，壓力表實(shí)測(cè)該含氣量測(cè)定儀表盤初壓點(diǎn)壓力為0.096MPa，文中計(jì)算以0.096MPa為準(zhǔn)；壓力平衡閥的容積約為7mL，可通過初壓點(diǎn)到零刻度點(diǎn)的壓力下降算得?，F(xiàn)在，則可以計(jì)算出混凝土中不同氣體體積對(duì)應(yīng)的壓力值 P，與壓力表實(shí)測(cè)值對(duì)比，見表1。

對(duì)于無注水法，計(jì)算公式為：

=P(V+V+V+V) (2)

式中：

——?dú)馐易⑷肟諝獾某跏級(jí)毫Γ琈Pa；

——壓力平衡后的壓力值，MPa；

——上蓋穹頂?shù)娜莘e，mL。

無注水法與注水法的初壓點(diǎn)并不相同，實(shí)測(cè)P為0.094MPa。因?yàn)闆]有注水，所以公式中要加入上蓋穹頂?shù)娜莘e，約為113mL，可通過注水測(cè)得。計(jì)算出的不同壓力值P與壓力表實(shí)測(cè)值對(duì)比，見表1。

從表可見，公式計(jì)算值與壓力表實(shí)測(cè)值基本相符，儀器工作原理完全符合波義耳定律。

2.4 試驗(yàn)操作

GB/T 50080—2016中的試驗(yàn)方法包括以下幾部分：試驗(yàn)設(shè)備符合的規(guī)定、測(cè)定混凝土拌合物所用骨料的含氣量、測(cè)定混凝土拌合物含氣量、含氣量測(cè)定儀容積的標(biāo)定和壓力表讀數(shù)的率定。對(duì)于骨料的含氣量，如果不是多孔材質(zhì)，含氣量很小，可以忽略不計(jì)。

向量缽內(nèi)裝好新拌混凝土后，放在水平臺(tái)面上（有利于量缽內(nèi)氣體排出），將含氣量測(cè)定儀上蓋平穩(wěn)、對(duì)齊放到量缽上，上蓋下面有密封圈，擰緊卡子，使儀器密閉。注水閥和排氣排水閥連接量缽，通過注水閥向量缽內(nèi)注水，直至排氣排水閥有完整的水柱流出，此時(shí)上蓋底部穹頂中已充滿水，即可關(guān)閉這兩個(gè)閥門（最好同時(shí)關(guān)閉，抑或先關(guān)閉注水閥、再關(guān)閉排氣排水閥，防止空氣流入）；若用無注水法測(cè)試，無需注水，直接關(guān)閉注水閥和排氣排水閥即可。手泵連接氣室，通過手泵向氣室內(nèi)打氣，至儀表指針到達(dá)初壓點(diǎn)（輕彈儀表，使指針準(zhǔn)確指示位置），注水法的初壓點(diǎn)I.P.Line是表盤中外圈黑字，無注水法的初壓點(diǎn)I.P.Line是內(nèi)圈紅字，微調(diào)閥連接氣室，指針超過初壓點(diǎn)，可以放氣微調(diào)。壓力平衡閥按壓時(shí)連通氣室和量缽，按下平衡閥使氣室內(nèi)壓縮空氣流向量缽（至指針不再轉(zhuǎn)向壓降方向，放開），4～5秒后再按一次（初次按壓時(shí)，壓縮空氣迅速向壓力低的空間流動(dòng)，形成壓力梯度，氣室中的壓力需要幾秒鐘才能均衡，再按則可使氣室和量缽內(nèi)壓力充分平衡，且指針指位準(zhǔn)確），彈動(dòng)儀表后讀數(shù)，即為含氣量。測(cè)試后，先打開排氣排水閥，松開卡子取下上蓋，再打開微調(diào)閥放氣，以防水泥漿回流氣室。最后清理儀器。

3 儀器校準(zhǔn)

3.1 量缽容積

量缽容積的確定，關(guān)系到含氣量的計(jì)算。自儀器購置后，量缽的容積一般不會(huì)有較明顯變化，嚴(yán)重變形、大量粘附混凝土除外。將量缽放在水平臺(tái)面上，蓋上玻璃板，注滿水，量缽內(nèi)壁、玻璃板下不要有氣泡，稱出水的質(zhì)量，即量缽容積，稱量精度應(yīng)不小于10g。

3.2 密封性

將上蓋平穩(wěn)安放的注滿水的量缽上，擰緊卡子，放在水平臺(tái)面上，通過注水閥繼續(xù)向儀器下部注水，直至排氣排水閥有完整的水柱流出，說明水已注滿，關(guān)閉排氣排水閥和注水閥，用手泵向氣室內(nèi)打氣，至儀表指針到達(dá)外圈黑字初壓點(diǎn)，按壓一次壓力平衡閥，此時(shí)指針應(yīng)指向零刻度點(diǎn)。如果，反復(fù)此操作，發(fā)現(xiàn)指針都未指向零點(diǎn)且差值不大，測(cè)試含氣量時(shí)，差值應(yīng)在初壓點(diǎn)位置上讓出。指針指向零點(diǎn)后，靜停3～10分鐘，觀察指針是否有偏移，如沒有，則說明密封性良好。

3.3 標(biāo)定

對(duì)于注水法，先將量缽注滿水，量缽內(nèi)壁不要有氣泡，注水閥下端裝上取水管，把上蓋安裝到量缽上；儀器放到水平臺(tái)面上，通過注水閥繼續(xù)把水注滿，關(guān)閉排氣排水閥；注水閥上端裝上U形管，用手泵向氣室內(nèi)打氣，按下壓力平衡閥，水就會(huì)從U形管排出，排出的水可用100mL量筒測(cè)量，也可用電子天平稱量，水量在70mL左右，放開平衡閥，排出水量除以量缽容積就相當(dāng)于含氣量；打開排氣排水閥（因?yàn)榇藭r(shí)量缽內(nèi)是負(fù)壓，U形管中水會(huì)流回量缽），使量缽內(nèi)的壓力與大氣平衡后再關(guān)閉，關(guān)閉注水閥；手泵打壓至黑字初壓點(diǎn)，先后兩次按下壓力平衡閥，儀表讀出的含氣量值為1%左右，應(yīng)與取水計(jì)算值一致。然后再重復(fù)打壓取水、取水后測(cè)含氣量的步驟，分別測(cè)得2%、3%、……10%。其中有一個(gè)細(xì)節(jié)問題，就是有些儀器配備的取水管長(zhǎng)度較短，不足以取出700mL水，可以自行用一節(jié)塑料管加長(zhǎng)，或打開上蓋直接取水后再測(cè)含氣量。對(duì)于非直讀式含氣量?jī)x，以上步驟也是率定的過程。建立取水計(jì)算值與氣體壓力值的關(guān)系曲線，實(shí)測(cè)時(shí)將壓力表讀值插入曲線，即可得出含氣量。

對(duì)于無注水法，量缽蓋上玻璃板，裝滿水，把玻璃板平平移開，再把裝好U形管、取水管的上蓋安裝到量缽上，無需再注水，同樣打壓取水、取水后測(cè)含氣量，注意手泵打壓至紅字初壓點(diǎn)，分別測(cè)得1%、2%、3%……10%，讀值應(yīng)與取水計(jì)算值相一致。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)要求

JG/T 246—2009《混凝土含氣量測(cè)定儀》^[5]、SL 132—2017《混凝土拌和物含氣量測(cè)定儀（氣壓式）校驗(yàn)方法》^[6]都對(duì)含氣量測(cè)定儀的校驗(yàn)有具體要求，如果超過誤差范圍，則不可使用。另外，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)儀器使用、校驗(yàn)環(huán)境的溫度范圍也有要求，因?yàn)闇囟葧?huì)影響大氣壓力，從而使儀表讀值不準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

[1] GB/T 50080—2002．普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（已廢止）[S]．

[2] GBJ 80—85．普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法，已廢止[S]．

[3] GB/T 50080—2016．普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]．

[4] 姜福田．氣壓式混凝土含氣量測(cè)定儀[J]．工業(yè)建筑，1985(8): 61-65．

[5] JG/T 246—2009．混凝土含氣量測(cè)定儀[S]．

[6] SL 132—2017．混凝土拌和物含氣量測(cè)定儀（氣壓式）校驗(yàn)方法[S]．

供稿人：賈海濤，翟艷軍

編輯員：李海亮

審核人：孫繼成，寧夏

【標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范】

《建筑固廢再生砂粉應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》行標(biāo)

《建筑物綠色拆除與建筑垃圾綜合利用技術(shù)規(guī)程》CECS

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《新技術(shù)在混凝土中的應(yīng)用》圖書

《常見預(yù)拌混凝土質(zhì)量事故分析百例》圖書

《預(yù)拌混凝土企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)室建設(shè)指南》圖書

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