維勃稠度儀計量檢定方法探討及檢定裝置設計

高 輝，王晨

（交通運輸部天津水運工程科學研究所 國家水運監測裝備產業計量測試中心，天津 300456）

混凝土拌合物是交通工程施工中不可或缺的基礎材料，其和易性對提高施工質量、保證工程安全性和使用壽命起著重要作用，目前我國關于混凝土和易性的檢測方法主要有坍落度法和維勃稠度法。其中維勃稠度又是判定混凝土拌合物粘稠程度的重要指標。若稠度大于設計值范圍，說明混凝土拌合物水灰比增大，將導致混凝土強度降低，并影響混凝土耐久性[1]。

維勃稠度儀是測量混凝土拌合物稠度，保證混凝土拌合物性能的關鍵設備，只有保證該儀器的量值準確，才能進一步提升預制混凝土構件和現澆混凝土工程的質量。鑒于此，通過計量檢定的手段，確保其量值準確是十分必要的，目前暫無公開發布的關于維勃稠度儀的國家產品標準和計量技術規范，只有行業與地方根據各自需求起草的部門和地方的技術規范。因此，維勃稠度儀交通計量檢定規程的編制，將提升混凝土拌合物的準確檢測能力，進一步保證交通基礎設施建設工程的質量。

1 維勃稠度儀工作原理及技術參數

1.1 工作原理

維勃稠度儀由滑桿、荷重塊、圓盤、控制計時器、坍落度筒、容器和振動臺組成[2]，結構示意如圖1所示。進行檢測時，需將新拌制的水泥混凝土分3次加入坍落度筒內，每次加入后都要使用振搗棍振搗25 次左右，并把水泥混凝土頂層抹平，提起坍落度筒，失去坍落度筒的支撐混凝土椎體會產生坍落，而椎體的坍落高度便被稱為坍落度，開啟儀器，水泥混凝土就會逐漸在地面上鋪展開，當水泥混凝土完全覆蓋玻璃地面且表面上的所有空隙都消失之后，則可以認定測試已經結束，所需要的時間即為維勃測定時間[3]。

圖1 維勃稠度儀結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of VeBe consistometer

1.2 技術參數

目前，國內尚未有關于維勃稠度儀的國家標準和國家計量技術規范，該儀器應用廣泛，為規范其生產與后續使用，各個省份及有關行業和部門相繼發布實施了相關技術規范。最早由原國家建設部于1997 年發布的JG 3043-1997《維勃稠度儀》建筑行業標準，2009 年國家住建部對該標準進行了修訂，國內部分省份已經發布實施或在編的地方技術規范，也大多參考了該標準中的技術參數和試驗方法，國內部分現行技術規范匯總見表1。雖然公路水運試驗檢測機構還在參考該標準對維勃稠度儀進行技術確認，但標準中技術要求和試驗方法已不完全適用于交通行業的需求，維勃稠度儀關鍵技術參數與計量檢定方法的研究工作急需開展。

表1 維勃稠度儀技術要求Tab.1 Technical requirements for VeBe consistometer

2 維勃稠度儀計量性能要求

2.1 尺寸與形位誤差

尺寸誤差是影響維勃稠度儀正常測量功能的基礎參數，是其能正常開展混凝土拌合物檢測的基礎條件。根據使用方法，選擇容器、圓盤和坍落度筒等主要組成部分的尺寸作為計量性能要求。根據工作原理，規定了其容器內徑和高度、圓盤直徑和厚度、坍落度筒的直徑和高度等參數的公差要求。與常規計量器具有所不同，維勃稠度儀本身沒有測量示值，各組成部分的尺寸誤差采用公差的方式進行規定，而不是常見的最大允許測量誤差作為計量性能要求。公差是儀器設備幾何尺寸的最大極限尺寸與基本尺寸的偏差，它貫穿儀器整個生命周期，維勃稠度儀的尺寸誤差不僅需要在設計和生產過程中滿足要求，還需要儀器長期使用和后續檢定過程中，持續滿足尺寸誤差變動量的偏差要求。

關于形位誤差，各省份與各行業發布的現行維勃稠度儀計量技術規范中，大多列為維勃稠度儀的主要計量特性之一，包括容器內壁與底面垂直度、圓盤平面度、漏斗軸線與容器軸線同軸度、測桿軸線與容器軸線同軸度、測桿與圓盤工作面垂直度和振動臺臺面與底座底面的平行度。計量檢定與校準方法也大多借鑒了JGT 250-2009《維勃稠度儀》中關于形位誤差的試驗方法，但是該方法理論屬性強，可操作性差，但又礙于維勃稠度儀不規則的形狀，導致同軸度與垂直度無法通過計量標準器進行直接測量。綜合考慮公路水運試驗檢測實際需求以及其本身的設計加工精密程度，將形位誤差列入通用技術要求，采用目測和手檢的方式進行檢查，不作為計量性能要求。

2.2 質量誤差

滑動部分是維勃稠度儀開展試驗使用較為頻繁的部分，其質量也是影響測量結果的主要因素。維勃稠度儀在開展工作之前，需要固定在指定的滑桿位置，透明圓盤需與水泥漿接觸。由于混凝土拌合物在滑動部分質量重力作用下產生流動，均勻、密實的布滿圓盤[4]，滑動部分質量偏重或偏輕，將直接影響水泥漿布滿圓盤的速率，影響對混凝土拌合物流動性的判斷。因此，規定圓盤、滑桿及荷重塊組成的滑動部分總質量2750 g±20 g。

2.3 振動臺頻率和振幅誤差

振動臺是維勃稠度儀檢測混凝土拌合物和易性的重要組成部分，振動臺的頻率與振幅也是振動計量中最常見的主要測試項目。只有保證振動臺的頻率和振幅在規定的要求范圍內，才能保證該儀器具備可以提供穩定的機械振動條件的能力。只有穩定的周期振動條件，才能滿足混凝土拌合物的和易性與流動性的檢測要求。

2.4 計時誤差

隨著測試技術的飛速發展，電子化與信息化在儀器設備生產的制造商獲得廣泛應用。市場上大量的維勃稠度儀也開始集成了自動計時系統，這也替代了以往人工手動計時的方法。因此計時功能是目前整個儀器唯一可以提供測量示值的功能，是維勃稠度值的最終體現形式，計時誤差理應被列入計量性能要求中。

3 維勃稠度儀計量檢定裝置

計量檢定裝置的選型、準確度等級或最大允許誤差、分辨力、測量范圍等技術要求需滿足開展量值傳遞的需要。檢定規程中關于計量檢定裝置的規定，不僅要滿足量傳比，還要考慮設備的可操作性。計量標準的選擇原則主要應遵循準確度原則和經濟原則，即所選標準器準確度指標必須滿足被測對象的要求。在保證測量準確度的前提下，充分考慮計量標準器的價值和使用壽命，操作方便，設備的維護保養、使用環境條件和計量人員的技術水平等。根據被測對象的大小選擇合適測量范圍的標準器，綜合考慮被測件的材質、形狀、粗糙度等。

3.1 尺寸誤差

維勃稠度儀的尺寸誤差屬于長度計量。首先要選擇適當的測量基面，然后測量基面與另一面之間的距離，在選擇測量基面的過程中，需要遵循基面統一的原則，就是設計、工藝、測量和裝配的基面需要保持一致[5]。其次就是維勃稠度儀的組件定位，選定的標準器及計量方法應該方便測量。還應注意標準器和儀器材料保持一致，以減少線膨脹系數，進而減少相應誤差。根據其外觀特性、形狀特點和計量標準器的選取原則，選擇卡尺作為主要標準器，因為作為通用類型量具，它結構簡單，使用方便，廣泛應用于機械制造業零部件的計量器具，其準確度指標也滿足其尺寸誤差的要求。

3.2 質量誤差

維勃稠度儀的質量誤差屬于力學計量領域中的質量測量，準確的說是衡量原理。衡量就是利用天平或秤，為確定物體的質量量值而進行的實驗工作，衡量的目的就是求得未知物體的質量值。衡量原理一般有杠桿原理、彈性元件變形原理和液壓原理等，測量方法又有交換法、替代法、連續替代法和組合比較法。滑動部分質量要求不高，原理簡單，因為采用相應準確度等級的電子天平，進行直接稱量即滿足溯源要求。

3.3 振動臺頻率和振幅誤差

振動臺的頻率和振幅誤差屬于力學計量范疇中的振動計量，振幅屬于振動測量中的位移測量。常用的振動測量方法有2 種：一是在空間里設置一個靜止的坐標系，測量距離這個參考系的位移量；二是將振動測量傳感器安裝在振動體上并計算出加速度[6]。在工程測量中，方法二更具實用性。根據其振動臺工作特點，加速度型傳感器具有帶域寬、靈敏度高、小型輕量等優勢，根據被測對象的精度和范圍要求，在計量標準器選擇上要考慮靈敏度、頻率響應、動態工作范圍、幾何尺寸和重量等因素。維勃稠度儀的振動臺精度要求不高，使用常規的機械振動測量傳感器即可滿足要求，可以同時測量出振動的頻率和位移幅值。

3.4 計時誤差

維勃稠度儀的計時系統，是混凝土拌合物維勃稠度試驗最終輸出結果的裝置。選用高精度秒表作為標準器即可。

4 維勃稠度儀計量檢定方法

4.1 尺寸誤差

尺寸誤差是維勃稠度儀各部件幾何尺寸的允差，包括盛漿容器、圓盤和坍落度筒等。采用數顯卡尺進行直接測量，厚度與長度可直接進行測量。直徑在測量前需將被測部分按圓周均勻三等分，在每個三等分點使用數顯卡尺測量過圓心直徑，取3 次的算術平均值作為直徑的測量結果。在測量外尺寸時，應先將卡尺的測量爪張開的比被測物稍大，再把固定測量爪與被測表面靠上慢推尺框，使活動的測量爪輕輕與被測表面接觸并稍微移動，以便找出最佳尺寸部位。在測量容器高度等參數時，應使卡尺的尺身下斷面與容器頂部貼合，緩緩向下推動深度尺，使之輕輕接觸容器底面。

4.2 質量誤差

質量誤差選用電子天平作為計量標準器。電子天平有遞減稱量、遞增稱量和直接稱量三大方法。維勃稠度儀滑動部分質量屬于固定質量被測物，因此采用直接測量法最為合適。在稱量前將電子天平打開預熱一段時間，將被測物體放置在中心位置，待讀數穩定后讀取數據，鑒于天平作為標準器其重復性引入的不確定度遠遠小于被測精度的要求，因此試驗做1 次即可。

4.3 振動臺頻率和振幅誤差

機械振動臺的頻率計量，選取合適的頻率測量儀剛性連接在振動臺臺面上，加速度計輸出經放大器連接讀數儀，待讀數穩定后，測量結果即為振動臺的固有頻率。振動臺振幅同理，但是由于振動臺在產生振動時活動的部分導向性能差，不平衡器在激振器中的安全精度不高、激振力和支撐力、激振重心不一致等原因導致了振動臺臺面各點的振幅有所差異，因此在測量振幅的過程應該在橫向和縱向兩個維度選取不同位置的測點進行測量。

4.4 計時誤差

維勃稠度儀計時誤差檢定方法是采用秒表人工計時方法，與被測計時系統同時啟動和停止，兩者的差值作為測量結果。

5 實驗驗證

為進一步驗證校準方法的有效性，選用如圖2所示的天津三思試驗儀器制造有限公司生產的VBR-2 型數顯維勃稠度儀作為樣機進行實驗驗證。

圖2 樣機Fig.2 Prototype

校準使用的標準器為數顯卡尺（測量范圍0～300 mm，最大允許誤差±0.04 mm），高度卡尺（測量范圍0～500 mm，最大允許誤差±0.05 mm），電子天平（測量范圍0～5000 g，準確度等級級），振動頻率測量儀（頻率測量范圍20 Hz～100 Hz，最大允許誤差±1.0%）、秒表（測量范圍0～10 min，最大允許誤差±0.07 s/10 min）。實驗數據如表2 所示。

表2 維勃稠度儀檢定實驗結果Tab.2 Experiment result of verification test of the VeBe consistometer

6 結語

交通行業儀器設備的計量標準研究較為匱乏，包括維勃稠度儀在內的大多數儀器的計量標準體系設計和研究都是一個從無到有的過程。維勃稠度儀應用又較為廣泛，故本文在全面調研及梳理維勃稠度儀應用現狀的基礎上，對維勃稠度儀的結構組成、工作原理、檢測技術基礎進行了深入研究，確定了維勃稠度儀的關鍵技術參數，提出了性能指標要求及檢定方法并自主搭建了維勃稠度儀計量檢定裝置。