CN102323397B - 一种混凝土开裂风险评价指数的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种混凝土开裂风险评价指数的测定方法，包括对混凝土早期收缩开裂特性的测定，其具体过程是首先在同一环境中同步进行混凝土早期收缩开裂特性的测定和蒸发量的测定，再对数据进行处理后得出结合两个测定结果的混凝土开裂风险的评价指数。与现有技术相比，本发明不仅不必对试验室环境温度、环境湿度、混凝土表面温度及其近表面风速等多个物理量进行测量和控制，节省了测定成本且根本性避免了因测量误差叠加及自动控制精度引起的对试验结果带来的误差。而引入环境蒸发量因素结合混凝土早期收缩变形量或单位面积上的总开裂面积来评价，使所获得的评价结果有更高的准确度和唯一性，同时消除了试验环境变化对试验结果的影响。

Description

一种混凝土开裂风险评价指数的测定方法

技术领域本发明涉及的是一种混凝土开裂风险评价指数的测定方法。

背景技术混凝土工程普遍会发生早期收缩裂缝，混凝土早期收缩裂缝是由混凝土在干燥时的早期收缩变形引起的，这种早期收缩裂缝的产生严重威胁着混凝土结构的安全性和耐久性，因此准确及时地对混凝土开裂风险进行评价是指导混凝土养护工艺、降低早期收缩裂缝的产生程度、保证混凝土工程质量的重要手段。现行的评价混凝土开裂风险的方法主要是对混凝土早期收缩变形量或单位面积上的总开裂面积(mm²/m²)的测定，这两种测定都是采用把新拌混凝土放入特定的模具，经振实成型后进行测定的“非接触法”，其中包含对测定时的环境温度、湿度和风速的要求。

如：现行中国国家标准GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中第8节“收缩试验”之“非接触法”规定，非接触法混凝土收缩试验应在温度为(20±2)℃、相对湿度为(60±5)％的恒温恒湿条件下进行。第9节“早期抗裂试验”其试验环境规定为：温度(20±2)℃，相对湿度为(60±5％)，并在试件成型30min后，立即调节风扇位置和风速，使试件表面中心正上方100mm处风速为(5±0.5)m/s，并应使风向平行于试件表面和裂缝诱导器。

研究发现：混凝土的干燥收缩是引起混凝土早期收缩裂缝的主要原因，而混凝土养护环境与干燥收缩的大小直接相关，实质上混凝土所处环境的蒸发量(与蒸发速率)是决定混凝土干燥收缩程度(与收缩速率)的最直接的因素。早期养护关键是保证混凝土浇筑后性能发展所需的一定湿度环境。混凝土与其周围环境的湿交换程度(可解释为基于物质平衡的在某环境中混凝土与环境之间的以蒸发为主要流向的水分子交换程度)对混凝土早期性能尤其是收缩性能的影响是很大的。早期若不及时采取妥善的养护而过早地处于干燥环境下，将极大地增加早期的干燥收缩。而蒸发量是度量湿交换程度最直接的物理量参数，并且蒸发量及其变化速率是可以测定的。

美国ACI新编混凝土施工规范征求意见稿提出，混凝土的蒸发量(蒸发速率)与环境温度、环境湿度、混凝土表面温度及其近表面流速(风速)存在如下函数关系：

W＝5[(T_c+18)^2.5-r(T_a+18)^2.5]×(v+4)×10^-6

其中：W-蒸发速率kg/(m²·h)，T_c-混凝土表面温度℃，T_a-空气温度℃，r-相对湿度％，v-风速km/h。

上述现行的对混凝土早期收缩变形量的测定方法和混凝土单位面积上的总开裂面积的测定方法，其中所要求的试验环境条件都不能准确反映出混凝土所处环境的主要以蒸发量度量的湿交换程度，即该规定的环境条件与环境蒸发量、蒸发速率不存在确定的对应关系。通过限定试验的环境温度、相对湿度、风速而期望间接反映出所处环境的湿交换程度将造成很大的试验误差，使混凝土在相同控制条件的环境下所测得的数据结果不具有可比性，因而难以准确、全面地评价被测混凝土的收缩特性或开裂风险程度。

何况上述非接触法混凝土收缩试验标准中也没有对环境风速条件设定要求，这将更严重影响试验结果。

因此，处于自然环境中施工的混凝土工程，其湿交换是实时变化的，现行的人工环境条件下得到的试验结果显然对实际混凝土工程缺乏指导意义。

发明内容针对上述不足，本发明所要解决的技术问题是确定环境条件与混凝土早期收缩特性、开裂程度之间关系，并建立可以观察养护环境对混凝土收缩裂缝发生影响程度的一种混凝土开裂风险评价指数的测定方法。

本发明提供的一种混凝土开裂风险评价指数的测定方法，包括对混凝土早期收缩开裂特性的测定，其具体过程是首先在同一环境中同步进行混凝土早期收缩开裂特性的测定和蒸发量的测定，再对数据进行处理后得出结合两个测定结果的混凝土开裂风险的评价指数；

其中对混凝土早期收缩开裂特性的测定是对混凝土早期收缩变形量的测定，其方法是先制作试件，在试件两端预埋反射靶，再按时间表通过测距仪测定反射靶随试件收缩而产生的位移距离并记录该时间-位移距离关系；

其中蒸发量的测定方法，是先将定量的水加入蒸发皿并置于混凝土早期收缩变形量的测定环境中，再按时间表测量蒸发量并记录该时间-蒸发量关系，所说蒸发量是单位面积水面上的水的蒸发质量；

其中数据处理是分别计算被测混凝土的收缩速率和测量环境的蒸发速率，收缩速率的计算公式是：

$V_{\mathrm{\ϵ}}\left(t\right)=\frac{d{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{st}}}{\mathrm{dt}}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{st}}\left(t\right)-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{st}}\left(t_{-1}\right)}{\mathrm{\Δt}},$

其中： ${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{st}}\left(t\right)=\frac{L\left(t\right)-L\left(t_{-1}\right)}{L_0},$

V_ε(t)为t时刻的混凝土试件的收缩速率，单位：10^-6/h；ε_st(t)、ε_st(t_-1)分别为本测量时刻、上一测量时刻的混凝土试件的收缩率(单位：10^-6，无量纲)；Δt为本测量时刻与上一测量时刻的时间差；L(t)、L(t_-1)分别为本测量时刻、上一测量时刻的混凝土试件的收缩量测定参考长度，L₀为被测混凝土试件的标距；

蒸发速率的计算公式是：

$\mathrm{ER}\left(t\right)=\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dt}}\left(t\right)=\frac{E\left(t\right)-E\left(t_{-1}\right)}{\mathrm{\Δt}},$

其中： $E\left(t\right)=\frac{\mathrm{\ΔW}\left(t\right)}{S},$

ER(t)为t时刻的单位面积水面蒸发速率，单位kg/m²·h；E(t)、E(t_-1)为本测量时刻、上一测量时刻的单位面积水面蒸发量，单位kg/m²；Δt为本测量时刻与上一测量时刻的时间差；ΔW(t)为经时t的蒸发皿中水的质量的减少量，S为蒸发皿的蒸发面积，单位m²；

得出评价指数1-1：

${\mathrm{BYCR}}_{\mathrm{st}}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{st}}\left(t\right)}{E\left(t\right)}---(1-1)$

其中：BYCR_st(t)为经时t的混凝土试件基于收缩率的混凝土开裂风险评价指数，或称BYCR收缩率指数，单位：m²/kg；

或评价指数1-2：

${\mathrm{BYCR}}_{\mathrm{st}1}\left(t\right)=\frac{V_{\mathrm{\ϵ}}\left(t\right)}{\mathrm{ER}\left(t\right)}---(1-2)$

其中：BYCR_st1(t)为经时t的现场混凝土试件基于收缩率的混凝土开裂风险评价指数，或称现场BYCR收缩率指数，单位：m²/kg。

经时t是指混凝土成型(通常也是测量的开始时刻)起到本测量时刻所经过的时间。

本发明提供的一种混凝土开裂风险评价指数的测定方法，包括对混凝土早期收缩开裂特性的测定，其具体过程是首先在同一环境中同步进行混凝土早期收缩开裂特性的测定和蒸发量的测定，再得出结合两个测定结果的混凝土开裂风险的评价指数；

其中混凝土早期收缩开裂特性是对混凝土早期单位面积上的总开裂面积的测定，其方法是先制作试件，在试件底预埋裂缝诱导器，再在经过一段时间后测定试件表面产生的裂缝总面积；

其中蒸发量的测定方法，是先将定量的水加入蒸发皿并置于混凝土早期单位面积上的总开裂面积的测定环境中，再在经过一段时间后测定蒸发量，所说蒸发量是单位面积水面上水的蒸发质量；

得出评价指数2：

${\mathrm{BYCR}}_{\mathrm{cr}}=\frac{c}{E}---\left(2\right)$

其中：BYCR_cr为混凝土试件基于开裂面积的混凝土开裂风险评价指数，或称BYCR开裂面积指数，单位：mm²/kg；c为单位面积上的总开裂面积，单位：mm²/m²；E为单位面积水面蒸发量，单位：kg/m²。

BYCR拟命名为博远混凝土开裂风险指数(BOYUAN Concretecracking risk index)，指新拌混凝土浇筑后其养护环境水面蒸发速率条件对成型后混凝土收缩裂缝发生概率大小的评价指数。

本发明提供的一种混凝土开裂风险评价指数的测定方法，利用同步测定的混凝土早期收缩率或其引发的开裂总面积与环境蒸发量，建立了一种“混凝土开裂风险指数”及测定方法，使混凝土在相同的“混凝土开裂风险指数”下呈现相同的收缩特性或开裂特性，从而使被测混凝土的收缩特性(或抗裂性能)具有明确的可比性，能更全面、更准确反映或评价混凝土收缩特性(抗裂性能)。与现有技术相比，本发明不仅不必对试验室环境温度、环境湿度、混凝土表面温度及其近表面风速等多个物理量进行测量，而引入环境蒸发量及其速率的测定并在评价混凝土开裂风险中将该测定结果与混凝土早期收缩变形量或单位面积上的总开裂面积测定结果相结合，使所获得的评价结果有更高的准确度和唯一性，同时消除了试验环境变化对试验结果的影响。

虽然试验室环境温度、环境湿度、混凝土表面温度及其近表面风速的变化都将影响对混凝土收缩变形产生影响，但其测量值与混凝土收缩变形量或单位面积上的总开裂面积的关系过于复杂，不存在唯一性。因此，如根据这些物理量来直接评价混凝土的收缩变形特性是不够准确的，另外这些物理量的测量误差必将直接影响试验结果的精度，为提高实验精度必须提高对温度、湿度及风速的控制精度，这将大大增加技术难度与试验成本。与现有技术相比，本发明不必对试验环境的各种条件参数进行控制，节省了测定成本。方法简单，测量精度高，根本性避免了因测量误差叠加及自动控制精度引起的对试验结果带来的误差。

根据实验室测得的“混凝土开裂风险指数”(BYCR指数)可以对处于自然环境下施工的混凝土做出混凝土开裂风险评估，为及时采取施工技术措施、减小混凝土开裂风险发挥作用，有利于提高工程质量。尤其是其中现场收缩率指数BYCR_st1的物理意义是混凝土成型起某时刻混凝土开裂的风险大小，BYCR_st1越大，被测混凝土的开裂风险越大。BYCR_st1的瞬间特性，可用来评价混凝土工程现场的即时开裂风险，指导混凝土施工现场及时采取抗裂技术措施。具体讲，一是针对若干个不同配方的试件所得到的BYCR指数的大小，指导混凝土的不同材料的配比量，二是将得到的BYCR指数比照现场测得的蒸发量指导保养是否要加减洒水量。

所说的蒸发量完整的测定步骤是：

已知蒸发皿口径面积为S m²和重量M₀kg；

(1)往放置在混凝土试件的试验环境中的蒸发皿内注入一定量的水，测得蒸发皿与水的重量为M₁kg；

(2)定时测量蒸发皿与水的重量为M₂、M₃……M_i-1、M_i……M_nkg；

(3)各测量时间段蒸发量的计算，第i-1次测量到第i次测量的时间段内的蒸发量是：

E(i)＝ΔW/S＝[(M_i-1-M₀)-(M_i-M₀)]/S＝(M_i-1-M_i)/S，单位：kg/m²；

测定结束时的总蒸发量是：单位：kg/m²；

该时间段内的蒸发速率则是：ER(i)＝E(i)/(t_i-1-t_i)，单位kg/m²·h。

具体实施方式例1：一混凝土开裂风险评价指数的测定方法，先制作试件，并选用直径为20cm的铜质蒸发皿。制作试件后总的步骤是先同步测定混凝土早期收缩变形量和同一环境下的蒸发量，然后计算得到收缩率、收缩速率和单位面积水面蒸发量、蒸发速率，最后确定评价指数1-1和评价指数1-2。

在开始混凝土早期收缩变形量测定前向蒸发皿加入一定量的水，蒸发皿放置在与混凝土早期收缩变形量测定的同一试验环境中；另有天平秤用于称量带水的蒸发皿的总质量，同时测得蒸发皿与水的总质量为蒸发量的起始量值。以后每隔6小时对蒸发皿与水的总质量进行称重，记录其称得质量值，并求得单位面积的蒸发量与蒸发速率，记如下表：

t(h)	Mi(kg)	ΔW(t)(kg)	E(t)(kg/m)
				0	2.200	0.000	0.00
6	2.184	0.016	0.52
				12	2.174	0.026	0.83
18	2.165	0.035	1.12
				24	2.153	0.047	1.50
30	2.141	0.059	1.88
				36	2.134	0.066	2.11
42	2.121	0.079	2.50
				48	2.110	0.090	2.86
54	2.101	0.099	3.14
				60	2.088	0.112	3.55
66	2.080	0.120	3.82
				72	2.065	0.135	4.31
78	2.056	0.144	4.58
				84	2.046	0.154	4.91
90	2.033	0.167	5.31
				96	2.024	0.176	5.60
102	2.012	0.188	5.98
				108	2.004	0.196	6.25
114	1.991	0.209	6.64
				120	1.983	0.217	6.92
126	1.968	0.232	7.39
				132	1.961	0.239	7.60

同时所作的早期收缩变形量的测定，用测得数据计算成混凝土试件的收缩率数据，结果如下(仅列入与蒸发量同时测得的收缩率)：

t(h)	tvv(t)(10)
		0	0.0
6	1062.6
		12	1537.9
18	1545.5
		24	1571.2
30	1587.7
		36	1597.4
42	1607.7
		48	1620.8
54	1639.4
		60	1658.8
66	1679.0
		72	1698.4
78	1713.6
		84	1730.9
90	1746.6
		96	1758.2
102	1774.4
		108	1788.1
114	1800.1
		120	1813.5
126	1823.4
		132	1833.9

然后进行数据处理和分别用式(1-1)和式(1-2)计算获得各时间的收缩率指数BYCR_st和现场收缩率指数BYCR_st1：

本例表中的t表示试验经过t时后进行测定的时间。

例2、一混凝土开裂风险评价指数的测定方法，先制作试件，并用直径为20cm铜质容器作为蒸发皿。制作试件后总的步骤是先同步测定混凝土早期单位面积上的开裂面积和同一环境下的蒸发量，然后计算得到总开裂面积和单位面积水面单位面积水面蒸发量，最后确定评价指数1-1和评价指数1-2。

在开始测定前向蒸发皿加入一定量的水，并将蒸发皿与混凝土试件放置在同一试验环境中；另有天平秤用于称量带水的蒸发皿的总质量。

在开始测定的同时，测量蒸发皿与水的总质量作为测量水蒸发量的起始量值。试验开始起24h时，测得单位面积水面蒸发量为：3.9kg/m²，同时测得混凝土单位面积上的总开裂面积指标c为850mm²/m²。

最后用式(3)计算得BYCR开裂面积指数BYCR_cr＝217.9mm²/kg。

Claims (4)

1.一种混凝土开裂风险评价指数的测定方法，包括对混凝土早期收缩开裂特性的测定，其特征是首先在同一环境中同步进行混凝土早期收缩开裂特性的测定和蒸发量的测定，再对测得数据进行处理后得出结合两个测定结果的混凝土开裂风险的评价指数；

其中对混凝土早期收缩开裂特性的测定是对混凝土早期收缩变形量的测定，其方法是先制作试件，在试件两端预埋反射靶，再按时间表通过测距仪测定反射靶随试件收缩而产生的位移距离并记录该时间-位移距离关系；

其中蒸发量的测定方法，是先将定量的水加入蒸发皿并置于混凝土早期收缩变形量的测定环境中，再按时间表测量蒸发量并记录该时间-蒸发量关系，所说蒸发量是单位面积上水面的水的蒸发质量；

其中数据处理是分别计算被测混凝土的收缩速率和测量环境的蒸发速率，收缩速率的计算公式是：

$V_{\mathrm{\ϵ}}\left(t\right)=\frac{d{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{st}}}{\mathrm{dt}}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{st}}\left(t\right)-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{st}}\left(t_{-1}\right)}{\mathrm{\Δt}},$

其中： ${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{st}}\left(t\right)=\frac{L\left(t\right)-L\left(t_{-1}\right)}{L_0},$

V_ε(t)为t时刻的混凝土试件的收缩速率，单位：10^-6/h；ε_st(t)、ε_st(t_-1)分别为本测量时刻、上一测量时刻的混凝土试件的收缩率(单位10^-6，无量纲)；Δt为本测量时刻与上一测量时刻的时间差；L(t)、L(t_-1)分别为本测量时刻、上一测量时刻的混凝土试件的收缩量测定参考长度，L₀为被测混凝土试件的标距；

蒸发速率的计算公式是：

$\mathrm{ER}\left(t\right)=\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dt}}\left(t\right)=\frac{E\left(t\right)-E\left(t_{-1}\right)}{\mathrm{\Δt}},$

其中： $E\left(t\right)=\frac{\mathrm{\ΔW}\left(t\right)}{S},$

ER(t)为t时刻的单位面积水面蒸发速率，单位kg/m²·h；E(t)、E(t_-1)为本测量时刻、上一测量时刻的单位面积水面蒸发量，单位kg/m²；Δt为本测量时刻与上一测量时刻的时间差；ΔW(t)为经时t的蒸发皿中水的质量的减少量，S为蒸发皿的蒸发面积，单位m²；

得出评价指数1-1：

${\mathrm{BYCR}}_{\mathrm{st}}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{st}}\left(t\right)}{E\left(t\right)}---(1-1)$

其中：BYCR_st(t)为经时t的混凝土试件基于收缩率的混凝土开裂风险评价指数，或称BYCR收缩率指数，单位：m²/kg；

或评价指数1-2：

${\mathrm{BYCR}}_{\mathrm{st}1}\left(t\right)=\frac{V_{\mathrm{\ϵ}}\left(t\right)}{\mathrm{ER}\left(t\right)}---(1-2)$

其中：BYCR_st1(t)为经时t的现场混凝土试件基于收缩率的混凝土开裂风险评价指数，或称现场BYCR收缩率指数，单位：m²/kg。

2.一种混凝土开裂风险评价指数的测定方法，包括对混凝土早期收缩开裂特性的测定，其特征是首先在同一环境中同步进行混凝土早期收缩开裂特性的测定和蒸发量的测定，再得出结合两个测定结果的混凝土开裂风险的评价指数；

其中混凝土早期收缩开裂特性是对混凝土早期单位面积上的总开裂面积的测定，其方法是先制作试件，在试件底预埋裂缝诱导器，再在经过一段时间后测定试件表面产生的裂缝总面积；

其中蒸发量的测定方法，是先将定量的水加入蒸发皿并置于混凝土早期单位面积上的总开裂面积的测定环境中，再在经过一段时间后测定蒸发量，所说蒸发量是单位面积上水的蒸发质量；

得出评价指数2：

${\mathrm{BYCR}}_{\mathrm{cr}}=\frac{c}{E}---\left(2\right)$

其中：BYCR_cr为混凝土试件基于开裂面积的混凝土开裂风险评价指数，或称BYCR开裂面积指数，单位：mm²/kg；c为单位面积上的总开裂面积，单位：mm²/m²；E为单位面积水面蒸发量，单位：kg/m²。

3.如权利要求2所述的方法，其特征是所说的对混凝土早期单位面积上的总开裂面积的测定和蒸发量的测定时间为24h。

4.如权利要求1或2或3所述的方法，其特征是所说的蒸发量测定步骤是：

已知蒸发皿口径面积为S m²和重量M₀kg；

(1)往放置在混凝土试件的试验环境中的蒸发皿内注入一定量的水，测得蒸发皿与水的重量为M₁kg；

(2)定时测量蒸发皿与水的重量为M₂、M₃……M_i-1、M_i……M_n kg；

(3)各测量时间段蒸发量的计算，第i-1次测量到第i次测量的时间段内的蒸发量是：E(i)＝ΔW/S＝[(M_i-1-M₀)-(M_i-M₀)]/S＝(M_i-1-M_i)/S，单位：kg/m²；

测定结束时的总蒸发量是：单位：kg/m²；

该时间段内的蒸发速率则是：ER(i)＝E(i)/(t_i-1-t_i)，单位kg/m²·h。