CN101122596B - 混凝土开裂敏感性测试装置及抗裂能力评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土开裂敏感性测试装置，由一干燥收缩测试装置，一自收缩测试装置，及一约束收缩测试装置组合而成。本发明的混凝土开裂敏感性测试装置及评价方法，可在线计算混凝土经时弹性模量变化、混凝土收缩应力、抗裂因子以评价混凝土配合比及在配筋条件下的整体抗裂能力，主要用于控制现浇混凝土的开裂敏感性，特别是控制胶凝材料的开裂趋势，从而减少现浇混凝土的收缩应力，降低混凝土开裂风险。

Description

混凝土开裂敏感性测试装置及抗裂能力评价方法 

技术领域

本发明涉及一种混凝土开裂敏感性的测试装置及评价方法，主要用于控制现浇混凝土的开裂敏感性，并评价混凝土配合比在配筋条件下的整体抗裂能力，提高混凝土工程开裂预控能力； 

技术背景 

国内外针对不同胶凝体系混凝土材料体积稳定性的研究十分活跃，采用的研究方法主要为干燥收缩、自生体积变形、热力学性能、徐变、约束开裂试验等。根据设计模具尺寸的不同，测试的对象可在混凝土、砂浆及水泥浆体之间进行相应的变化，测试的技术手段主要为千分表法、传感器法等，测试结果可通过位移、长度、应力、重量、应变、热量、开裂时间等参数来表征。其测试的准确度、精度以及可重复性与仪器设备参数、实验环境条件、试验构件的龄期等密切相关。 

在评价收缩、开裂方法的进展上，值得介绍的是德国幕尼黑技术大学R.Springen schmid教授早在1969年开发的开裂试验架装置。这个装置可以模拟混凝土在初龄期受约束条件下产生的应力，混凝土从半液半固态的粘塑性体开始转变为粘弹性体过程，弹性模量迅速增长、徐变松弛作用减小都可以得到综合的反映。由于混凝土变形很大程度上被刚性的构架所阻止，因此可以定量测得混凝土的开裂趋势和水泥的开裂敏感性，适用于为工程选择抗裂性能较好、开裂趋势较小的原材料和配合比，也可以用于预测已知结构参数、混凝土材料和浇注温度等条件时开裂的可能性，因此能够采取必要的防范措施。 

国际上对混凝土抗裂性能常用的研究方法还有平板法，新平板法、椭圆法、圆环法和棱柱体法。在后几种方法中常用的是圆环法，因为大圆环试验可以评价混凝土自收缩和干燥收缩产生的自应力对混凝土的抗裂性能，虽然由于粗骨料的存在使混凝土环表面水份蒸发受到一定的阻碍，从而使混凝土外表面不能沿环均匀收缩，再加上粗骨料对裂缝限制分散作用，使混凝土表面产生微裂纹，从而释放部分应力，使测出可见裂缝的最大宽度降低，影响了评价效果，但总的来说为混凝土提供了完全均匀的约束，体现了混凝土在约束条件下收缩和应力松弛的综合作用。在此基础上设计的小圆环法可以避开粗细骨料的限制收缩影响，通过提供一个稳定的等价内环的约束条件，在径向和切向应力共同作用下，能够直接评价不同胶凝材料组成的早期开裂敏感性。

目前在工程中用来评价混凝土抗裂性能的指标有以下几种，(1)抗拉强度、极限拉伸率等。(2)测定混凝土的干缩值，并以其评定混凝土开裂的可能性。然而，研究发现，温度收缩和自身收缩也是引起开裂的主要原因，测定干缩值来评价混凝土开裂的方法，对低水灰比混凝土就不适宜了。因此单一的从某一个性能方面来评价混凝土材料配合比或者某种特种工程材料的应用对混凝土抗裂能力的好与坏是不全面的，也是不科学的。有必要兼顾、综合分析与裂缝产生过程有关的物理力学、变形等参数，可从定性角度评价其利弊、从定量角度分析其影响程度。 

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足，提供一种混凝土开裂敏感性测试装置。 

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：一种混凝土开裂敏感性测试装置，其特征在于：由一干燥收缩测试装置，一自收缩测试装置，及一约束收缩测试装置组合而成，所述自收缩测试装置，由一高精密数字位移计、一混凝土密封模具桶，及一用于测量混凝土温度的测温设备构成；上述约束收缩装置包括一圆柱体两端留有孔口的钢模具、一低弹模纤维筋、一差动变压数字位移测试系统及计算机系统，所述低弹模纤维筋轴向贯穿过模具，所述差动变压数字位移测试系统的位移计连接弹模纤维筋两端，并通过数据电缆连接于计算机系统。 

本发明的目的还在于提供一种对混凝土抗裂能力的评价方法。 

本发明采用的混凝土抗裂能力评价方法，包括以下步骤： 

(1)测量并计算混凝土的极限拉伸率ε_p，徐变系数Vc，干燥收缩变形ε_d，s，自生体积变形ε_a，s，温差ΔT，线性膨胀系数α及基础约束系数R； 

(2)将上述测得的数值代入以下公式，计得抗裂因子K_ac

$k_{\mathrm{ac}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_p*(1+\mathrm{Vc})}{R*|\mathrm{\ΔT\α}-{\mathrm{\ϵ}}_{d,s}-{\mathrm{\ϵ}}_{a,s}|}---\left(1.8\right)$

式中：ε_p——混凝土极限拉伸率；Vc——徐变系数；ε_d，s——干燥收缩变形； 

ε_a，s——自生体积变形；ΔT——温差；α——线性膨胀系数； 

R——基础约束系数；0≤R≤1。 

(3)根据抗裂因子K_ac的大小得知混凝土抗裂性能的强与弱。 

本发明的混凝土开裂敏感性测试装置及评价方法，主要用于控制现浇混凝土的开裂敏感性，特别是控制混凝土中胶凝材料的开裂趋势，从而减少现浇混凝土的收缩应力，降低混凝土开裂风险。该测试装置及开裂评价方法充分利用混凝土的自由收缩、干燥收缩和温度收缩以及约束条件下总收缩的相互关系和作用特点，集成先进电子测试、传感器技术、混凝土材料制备技术，可在线计算混凝土经时弹性模量变化、计算混凝土收缩应力，计算抗裂因子以评价混凝土配合比及在配筋条件下的整体抗裂能力。 

本发明采用的高精度位移传感器法具有以下特点：1)高精密数字位移计(传感器)测量精度高，可达0.1μm量级，较千分表精度高出10倍，2)由于传感器不是埋入式的，没有和混凝土温度变形不同步的问题，所以测量不受混凝土弹性模量的影响，可以测量早期的自生体积变形；3)密封桶具有良好的密封性，保证试件的绝湿状态；4)通过对温度影响的修正，可消除温度对自生体积变形以及传感器的影响；5)传感器可重复使用，长期试验成本相对较低；6)密封桶内衬以橡胶皮、黄油和塑料薄膜，降低了模具对混凝土的约束作用。 

附图说明

图1是高精度位移传感器测试装置示意图。 

图2是混凝土体积变形约束力测试装置示意图。 

图3是混凝土开裂分析模型方框图。 

实施例1 

混凝土自收缩测试装置 

参照《水工混凝土试验规程》(DL/T5150-2001)自生体积变形试验方法，如图1所示，设计的这套测定装置包括固定于支架4上的高精密数字位移计(传感器)1、混凝土密封模具桶2以及测温设备3部分。混凝土密封模具桶2的顶部水平放置有一平板玻璃，高精密数字位移计1的传感器11置于该平板玻璃的表面，测温设备3用于测量密封模具桶2内外温度。 

高精密数字位移计1的测量范围为±1mm，分辨率为0.0001mm；差动变压器(LVDT)的温度数：-0.01％/℃～-0.05％/℃，具有较强的抗干扰能力。设计加工的专用支架可消除传感器11本身的松弛，适应不同尺寸试件的测量需要。混凝土密封模具桶2用镀锌铁皮制作，用塑料布、黄油和2mm厚橡皮贴于铁桶内壁，减小侧面变形约束。混凝土内部测温采用XJY-0162智能巡检仪，外部测温采用数字温度计。 

试件成型后立即置于预先调好试验温度的恒温室中。测量试件的原始长度L0，试件顶部放置玻璃板，传感器的探头和玻璃板保持垂直，以减少实验误差。调零后读取位移初始值α0，同时读取混凝土内部的温度T01、T02、T03，取3个数的平均值作为混凝土内部的温度初值T0，并用数字温度仪记录试件外部初始温度T10。3d内每天读4～5次数(αi,Ti1,Ti2,Ti3及Tli)，以后每天读3个数。 

混凝土自生体积变形由下式计算：εi＝  (αi-α0)/L0+C1(Ti-T0)+C2(Ti1-T10).式中：εi为混凝土的自生体积变形；C1为混凝土的线膨胀系数；C2为LVDT的线膨胀系数；Ti＝(Ti1+Ti2+Ti3)/3；T0＝(T01+T02+T03)/3；Tli为LVDT所处的外部环境温度。 

实施例2 

混凝土自收缩应力测试装置 

如图2所示，体积变形约束自应力测试装置可分解为干燥收缩测试装置20、自收缩测试装置10及约束收缩测试装置30三个部分。干燥收缩测试装置20可参照有关国家标准方法进行。自收缩测试装置10按照实施例1进行。 

约束收缩装置30如图所示，包括一圆柱形钢模具5，模具两端留有孔口，一低弹模纤维筋6轴向贯穿过模具5。差动变压数字位移测试系统的位移计7连接弹模纤维筋6两端，该差动变压数字位移测试系统通过数据电缆连接于计算机。计算原理：Fc＝Fs......(公式1-1) 

σ_cA_c＝σ_sA_s......(公式1-2) 

σ_cπr²＝σ_sπφ_dL(1-ξ_c)......(公式1-3) 

${\mathrm{\σ}}_c=\frac{E_s{\mathrm{\ξ}}_s{\mathrm{\φ}}_{d}L(1-{\mathrm{\ξ}}_c)}{r^2}$ ......(公式1-4) 

......(公式1-5) 

......(公式1-6) 

......(公式1-7) 

σ_c混凝土收缩应力；r混凝土横截面的半径；E_c(t)为混凝土弹性模量；E_s钢筋弹性模量；ξ_s钢筋变形率；φd钢筋直径；L钢筋埋入混凝土中的初始长度；H(t)混凝土徐变系数； 

混凝土应力松弛系数ξ_c混凝土约束收缩率；ξ_d，s混凝土干燥收缩率；ξ_f，s混凝土自生体积变形率；ξ_t，s混凝土温度收缩率；通过测量上述各值计算得到。 

实施例3 

混凝土开裂评价方法(物理模型+数学模型) 

从裂缝产生的过程可以知道混凝土的抗裂能力主要由混凝土抗拉强度、弹性模量、徐变、自身体积变形、线膨胀系数和水化温升等因素综合决定。这几种因素有的是独立的，不受别的因素的影响(或影响很小)，如线膨胀系数；有的则是相互关联和制约的，如抗拉强度与徐变，提高混凝土抗拉强度有利于混凝土抗裂，但其徐变相应减小，不利于抗裂；同时提高混凝土抗拉强度，有可能增加混凝土的水泥用量，使混凝土水化温升相应增高，这也不利于混凝土抗裂。因而混凝土的抗裂能力综合指标必须全面、合理地反映混凝土抗裂能力的各个主要因素才有指导意义。众所周知混凝土的破坏特性是多方面的，但就其结构物的破坏条件而言，关键是变形性能。控制混凝土变形的目的就是防止混凝土产生裂缝，以保持结构物的整体性及稳定性。 

本发明建立了混凝土开裂分析模型(见图3)，并在分析模型的基础上，考虑到混凝土的经时变化，创立混凝土抗裂能力评价模型如公式1-8，1-9所示。 

$k_{\mathrm{ac}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_p*(1+\mathrm{Vc})}{R*|\mathrm{\ΔT\α}-{\mathrm{\ϵ}}_{d,s}-{\mathrm{\ϵ}}_{a,s}|}---(1-8)$

式中：K_ac——抗裂因子；ε_p——混凝土极限拉伸率；Vc——徐变系数； 

ε_d，s——干燥收缩变形；ε_a，s——自生体积变形；ΔT——温差；α——线性膨胀系数；R——基础约束系数；0≤R≤1，其精确数值由约束变形、自由变形之比确定，一般情况下，作为估算R取值如下：轻微约束0.1～0.2，中等约束0.4～0.6，强约束0.8～1.0；由于裂缝的产生过程与混凝土的成熟度、经时变化密切相关，结合有关物理力学性能相关性公式、收缩预测模型公式等，可把公式1-8变换如下： 

(1-9) 

式中：当n为3d，k取2～2.5；当n为7d,k取1.5～2；当n在7～14d期间，k取1.2～1.4；f28——混凝土28天立方体抗压强度，MPa；t——混凝土结构龄期，；Cu——混凝土最终徐变系数；d——钢筋直径，mm；W——单方中混凝土胶凝材料用量，kg/m³；Q——单位质量胶凝材料的放热量，kJ/kg；C——混凝土比热，kJ/(kg·℃)，无试验数据可取0.96；γ——混凝土容重，kg/m³；μp——钢筋混凝土结构中的配筋率，％；R——基础约束系数，同上；考虑到混凝土的自收缩变形比较快，可用干燥收缩变形量的1/4表示自生体积变形量，μξ。 

需要说明的是公式1-9是结合了结构设计、基础约束度参数在内的评价体系，可以用于混凝土结构的抗裂能力分析，类似于王铁梦的“结构物抗裂度因子”方法，如果仅考虑混凝土材料配合比抗裂度，则可以配筋率，而把约束程度作为完全约束(R＝1)，可直接计算不同龄期的混凝土的抗裂能力大小，类似于李光伟的抗裂变形指数法。 

从公式1-9中可以分析出抗裂因子越大，说明混凝土的抗裂性能越高；细密配筋，降低约束系数可以提高抗裂因子，降低绝热温升和线性膨胀系数可以提高混凝土的抗裂能力，增强徐变，提高混凝土的抗拉强度，降低混凝土的干燥收缩 及自生收缩变形可以提高混凝土的抗裂性能。 

具体实施方式

(某试验研究实例) 

不考虑结构设计、并假设把基础约束度作为完全约束，发明人根据有关试验资料计算了28天龄期的抗裂因子大小，见表1所示。 

表1具有代表性混凝土组分28天抗裂能力分析 

性能   材料	H2   基准	H6-      FA35	H9-S70	H11-      SF10	H18-      UEA	H19-JS	H20-      UEA-JS	H21   -纤维
									弹性模量MPa	4.13	4.13	3.89	4.36	4.62	4.16	4.03	4.35
抗拉强度MPa	5.2	5.0	4.1	5.3	5.2	4.5	4.5	6.1
									极限拉伸率μξ	78	87	78.8	70.8	68	109.4	110	85
干燥收缩μξ	-425	-329.4	-360	-350	-372	-287	-205	-395
									自收缩μξ	-93	-54	-79	-123	-83	-31	147	-85
温度收缩μξ	-520	-450	-387	-580	-473	-549	-230	-515
									总收缩量  (包含温度收缩)μξ	-1038	-833	-826	-1053	-928	-867	-288	-995
总收缩量  (不包含温度收缩)  μξ	-518	-383.4	-439	-473	-455	-318	-58	-480
									包含温度收缩的  抗裂因子％	7.51	10.44	9.54	6.72	7.33	12.62	38.19	8.54
不包含温度收缩的  抗裂因子％	15.06	22.69	17.95	14.97	14.95	34.40	189.66	17.71
									小圆环法开裂时间  (h)-浆体法	5.25	19	20	11	23.1	25	未裂	15.4
大圆环法开裂时间  (d)—砂浆法	2	/	/	/	15	13	34	2.5
									平板法开裂时间  (h)，开裂面积一混  凝土法	4	26	6	1.5	6	未裂	18	2.5

通过计算结果可以分析出粉煤灰、矿渣能够提高混凝土的抗裂因子，而硅灰则降低了混凝土的抗裂因子，因此可认为掺加硅灰的混凝土组分抗裂性能有所降低。掺加纤维、减缩剂、以及减缩剂和膨胀剂复合使用能够提高混凝土的抗裂性能，特别是减缩剂和膨胀剂复合使用能够大幅度提高抗裂因子，和各种约束开裂试验结果具有很好的一致性。而使用膨胀剂在早期养护不充分的前提下，有降低抗裂因子的趋势；抗裂因子是考虑混凝土的抗裂性能、而大小圆环约束开裂试验、平板试验分别是针对砂浆、浆体的早期干燥与自收缩作用、混凝土早期的塑性收 缩作用，因此和抗裂因子的大小关系有一定的出入；当抗裂因子显著高于基准时，各种约束试验的结果基本上是一致的，这再次反应了混凝土配合比中胶凝材料组成的重要性。 

Claims (2)

1.一种混凝土开裂敏感性测试装置，其特征在于：由一干燥收缩测试装置，一自收缩测试装置，及一约束收缩测试装置组合而成，所述自收缩测试装置由一高精密数字位移计、一混凝土密封模具桶，及一用于测量混凝土温度的测温设备构成；所述约束收缩装置包括一圆柱体两端留有孔口的钢模具、一低弹模纤维筋、一差动变压数字位移测试系统及计算机系统，所述低弹模纤维筋轴向贯穿过模具，所述差动变压数字位移测试系统的位移计连接低弹模纤维筋两端，并通过数据电缆连接于计算机系统。

2.一种混凝土抗裂能力评价方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)应用权利要求1所述的装置测量并计算混凝土的极限拉伸率ε_p，徐变系数Vc，干燥收缩变形ε_d，s，自生体积变形ε_a，s，温差ΔT，线性膨胀系数α及基础约束系数R；

(2)将上述测得的数值代入以下公式，计得抗裂因子K_ac

式中：ε_p——凝土极限拉伸率；Vc——徐变系数；ε_d，s——干燥收缩变形；

ε_a，s——自生体积变形；ΔT——温差；α——线性膨胀系数；

R——基础约束系数；0≤R≤1；

(3)根据抗裂因子K_ac的大小得知混凝土抗裂性能的强与弱。 

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