CN102608296B - 一种模拟和监测混凝土膨胀开裂的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟和监测混凝土膨胀开裂的装置，包括：设有沿轴向通孔的钢棒，钢棒中部设有沿径向的出液孔；钢棒上套有热缩管，热缩管通过喉箍固定在钢棒上；钢棒的两端分别接有加压注液设备和压力表；设置在混凝土试件内部的应变传感器、与应变传感器连接的应变采集仪器和设置在混凝土试件上的百分表。采用混凝土试件内部加压的方式模拟钢筋锈胀力，并布设应变传感器，用以监测混凝土膨胀开裂引起的混凝土应变。本发明还公开了一种模拟和监测混凝土膨胀开裂的方法，模拟和监测简便，通过简单的步骤就可以得到混凝土试件的应变与混凝土试件的膨胀开裂程度的关系，来标定钢筋锈蚀引起混凝土的膨胀开裂，监测的准确性较高。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程中钢筋混凝土耐久性监测领域，具体涉及一种模拟和监测混凝土膨胀开裂的装置和方法。
背景技术
钢筋锈蚀引起的混凝土膨胀开裂是导致钢筋混凝土结构耐久性失效的主要因素，由钢筋锈蚀引起的结构过早破坏已成为世界各国普遍关注的问题，多数学者采用自然暴露等试验方法来观察钢筋锈蚀的影响。但由于自然暴露等试验方法的试验周期较长，同时需要控制环境因素，该试验方法较为复杂，部分学者开始转向钢筋锈蚀的模拟试验，模拟试验能在较短时间内模拟钢筋锈蚀引起的混凝土膨胀和开裂。目前，主要有下列两种模拟方法：一种方法是采用温度膨胀环来代替锈蚀产物，通过温度膨胀模拟锈蚀产物的体积膨胀作用，随着膨胀环厚度的增大可以模拟钢筋锈蚀的发展过程；另一种方法是通过油压、水压等模拟钢筋锈胀力实验，得到了当混凝土膨胀开裂各个过程所对应的压力值。然而上述方法仅能得到压力值和混凝土保护层间的关系，无法得到钢筋锈蚀引起的混凝土膨胀开裂的应变。
专利号为ZL 200720055746.8的实用新型专利公开了一种钢筋锈蚀监测装置，通过把一根监测钢筋固定于由碳纤维机敏材料浇筑形成的柱体内，钢筋外同轴套设有内外两层钢丝网电极圆筒，该两层圆筒构成同轴圆筒电容器，钢筋锈蚀时会使碳纤维机敏材料膨胀，通过测量其电性能参数的变化来监测钢筋的锈蚀状况。然而碳纤维具有疏水性，在水泥浆体中分散较为困难，浇筑时碳纤维的分布不均会导致测量结果出现偏差。另外，混凝土具有一定的腐蚀性，对钢丝网电容器势必也将造成影响。
授权公告号为CN 101122596B的发明专利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，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；所述约束收缩测试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。虽然该装置中的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，测量不受混凝土弹性模量的影响，但是混凝土密封模具桶对混凝土有约束作用，不能准确反映混凝土膨胀开裂，因此，无法准确地模拟和监测混凝土膨胀开裂。
发明内容
本发明提供了一种模拟和监测混凝土膨胀开裂的装置，采用混凝土试件内部加压的方式模拟钢筋锈胀力，并在混凝土试件内部布设应变传感器，用以监测混凝土膨胀开裂引起的混凝土应变。
一种模拟和监测钢筋混凝土膨胀开裂的装置，包括：
设有沿轴向通孔的钢棒，所述的钢棒中部设有沿径向的出液孔；
套在所述的钢棒上的热缩管，所述的热缩管通过喉箍固定在所述的钢棒上；
所述的钢棒的两端分别接有加压注液设备和压力表；
设置在混凝土试件内部的应变传感器、与所述的应变传感器连接的应变采集仪器和设置在混凝土试件上的百分表。
以下作为本发明优选的技术方案：
所述的钢棒的通孔内壁带有螺纹，该钢棒的一端与加压注液设备螺纹连接，该钢棒的另一端与压力表螺纹连接，采用螺纹连接，使得加压注液设备和压力表与钢棒安装和拆下都十分方便，方便本发明模拟和监测混凝土膨胀开裂的装置的使用。
设置出液孔后，使得混凝土试件承受一定的液压，从而模拟钢筋锈蚀引起的混凝土膨胀开裂，一般混凝土试件的内径与实际钢筋的外径一致。所述的出液孔为三个，该三个出液孔等弧度设置，使得混凝土试件受到的膨胀力与实际情况基本一致，进一步提高了模拟和监测准确程度，进一步优选，该三个出液孔在同一平面等弧度设置。
所述的应变传感器可选择电阻应变片、光纤光栅、分布式光纤等中的一种，用于监测混凝土试件的膨胀开裂信息。
所述的百分表用于测试某一方向的相对位移，即用于测试混凝土试件的某一方向的真实膨胀程度。所述的百分表可为四个，对称地设置在混凝土试件的四周，从而可以测试混凝土试件各个方向的真实膨胀程度。
所述的热缩管和钢棒固定在台虎钳上，方便套有热缩管的钢棒安装和拆卸，同时也方便监测混凝土试件的膨胀开裂。
本发明模拟和监测混凝土膨胀开裂的装置还包括混凝土试件的浇筑装置，所述的混凝土试件的浇筑装置包括：底板、固定在底板上的圆杆、钢圈和设有与钢圈配合的通孔的固定板，固定板用于固定钢圈，并且当钢圈固定在固定板上时，钢圈的通孔贯穿于固定板。圆杆一般与实际钢筋的外径一致，从而使得混凝土试件受到的膨胀力与由于钢筋锈蚀引起的混凝土膨胀开裂的实际情况基本一致，从而保证监测结果的有效性和可行性。
所述的钢圈由沿钢圈轴向切分成的两半组成，方便在混凝土试件的浇筑装置浇筑完混凝土试件后对钢圈脱模。
本发明还提供了一种模拟和监测混凝土膨胀开裂的方法，模拟和监测简便，并且监测的准确性较高。
一种模拟和监测混凝土膨胀开裂的方法，包括以下步骤：
(a)将钢圈固定在固定板上，得到两组带有钢圈的固定板，先将第一组带有钢圈的固定板安装到固定有圆杆的底板上，开始铺设混凝土，当混凝土铺满第一组的钢圈时，将应变传感器放置在铺好的混凝土上，再放上第二组带有钢圈的固定板，继续在第二组的钢圈中铺设混凝土，振捣后凝固成型拆去混凝土试件的浇筑装置得到混凝土试件；
(b)将热缩管套在钢棒上，对热缩管加热，待热缩管收缩后紧密套在钢棒上，将步骤(a)中的混凝土试件套在热缩管上并对准钢棒中部的出液孔，通过喉箍将热缩管箍紧在钢棒上；
(c)利用加压注液设备向钢棒注入液体产生液压，得到应变与混凝土试件的膨胀开裂程度的关系。
步骤(a)中，第一组的钢圈与第二组的钢圈的内径或者轴向高度可以相同也可以不同，可根据实际需要设置。
步骤(b)中，所述的热缩管为聚酯热缩管，如PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)热缩管，具体可采用市售产品，对热缩管加热至95℃～105℃，具有较好的热缩性能，并且热缩管加热至95℃～105℃，热缩管还能够保证较好的机械强度。
步骤(c)中，所述的液体为水。相对于油等其他液体产生的液压，一方面水压对设备要求不高，提供水压的设备可选择较多；另一方面，水的比热容较大，向钢棒注入水压，能使热缩管的温度回到合适温度，避免了热缩管的温度对混凝土试件测试结果的影响。
本发明具有的有益效果如下：
本发明模拟和监测钢筋混凝土膨胀开裂的装置将应变传感器埋入混凝土内部后，可以监测不同混凝土保护层厚度、不同直径的钢筋锈蚀时混凝土膨胀特征、开裂时间点以及开裂后的裂缝发展信息，快速有效地得到试验结果，节约了大量的时间和财力的投入，并且通过该装置可以找到适合不同直径钢筋的合适混凝土。
本发明模拟和监测混凝土膨胀开裂的方法，模拟和监测简便，通过简单的步骤就可以得到混凝土试件的应变与混凝土试件的膨胀开裂程度的关系，来标定钢筋锈蚀引起混凝土的膨胀开裂，监测的准确性较高。
附图说明
图1是本发明模拟和监测混凝土膨胀开裂的装置的结构示意图；
图2是图1中的压力表、钢棒和热缩管的结构示意图；
图3是混凝土试件的浇筑装置的结构示意图；
图4是内部设有应变传感器的混凝土试件的结构示意图；
图5是内部设有应变传感器的混凝土试件的膨胀开裂示意图；
图6是本发明模拟和监测C30混凝土膨胀开裂的监测数据图。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明模拟和监测混凝土膨胀开裂的装置，包括钢棒7、热缩管12、加压注液设备9、压力表10、应变传感器2、应变采集仪器16以及百分表14；钢棒7设有沿轴向设置且内壁带螺纹的通孔，钢棒7中部设有沿径向的出液孔8；出液孔8为三个，三个出液孔8在同一平面等弧度设置，从出液孔8中流出的液体为混凝土试件1提供液压从而提供膨胀力，钢棒7上套有热缩管12，钢棒7的外径为23mm，热缩管12的内径为25mm，热缩管12通过喉箍13固定在钢棒7上，钢棒7的一端与加压注液设备9螺纹连接，钢棒7的另一端与压力表10螺纹连接，压力表10的量程为20MPa。应变传感器2沿环向设置在混凝土试件1内部，应变采集仪器16与应变传感器2连接。百分表14为四个，对称地设置在混凝土试件1的四周，即混凝土试件1上下左右四个方向，最好呈均匀分布，套有热缩管12的钢棒7固定在台虎钳11上。
如图3所示，混凝土试件1的浇筑装置，包括：底板3、固定在底板3上的圆杆6、钢圈5和设有与钢圈5配合的通孔的固定板4。底板3采用1mm厚的200mm×200mm的铁板，用于混凝土振捣时与振动台固定，底板3中间有设有一个M5的螺孔，用以固定放置圆杆6。固定板4采用200mm×200mm的铝板，固定板4用于固定钢圈5，并且当钢圈5固定在固定板4上时，钢圈5的通孔贯穿于固定板4，两个钢圈5分别固定在两块固定板4上，得到两组带有钢圈5的固定板4，作为混凝土浇筑的模具，两组带有钢圈5的固定板4的连接处用于埋设应变传感器2。在浇筑混凝土试件1时，圆杆6的直径不同可以模拟实际中不同直径的钢筋，根据圆杆6的直径和钢圈5的尺寸不同，可以浇筑得到不同规格的混凝土试件1，混凝土试件1浇筑好后中间留有与圆杆6直径一致的孔洞，以便在混凝土试件1中放入加压装置。另外，为方便混凝土试件1的脱模，防止混凝土试件1由于膨胀导致混凝土和钢圈5紧密粘结，不利于脱模，在不同规格的钢圈5制作好后采用线切割技术将钢圈5沿轴向切为对称的两部分。
如图4所示，为混凝土试件1和应变传感器2，应变传感器2沿环向布设混凝土试件1内部。
一种模拟和监测混凝土膨胀开裂的方法，相关部件参考图1、图2、图3和图4，包括以下步骤：
(a)将钢圈5固定在固定板4上，得到两组带有钢圈5的固定板4，先将第一组带有钢圈5的固定板4安装到固定有圆杆6的底板3上，开始铺设C30混凝土(配合的质量比为：水∶水泥∶砂∶石子＝0.38∶1∶1.11∶2.72)，当C30混凝土铺满第一组的钢圈5时，将应变传感器2沿环向布设在铺好的C30混凝土上，应变传感器2具体选用分布式光纤传感器，再放上第二组带有钢圈5的固定板4，继续在第二组的钢圈5中铺设C30混凝土，振捣后，2天凝固成型，脱模取下模型并且放在水中养护28天，得到C30混凝土试件；
(b)将热缩管12套在钢棒7上，对热缩管12加热，热缩管12为PET热缩管，对热缩管12加热至100℃，待热缩管12收缩后紧密套在钢棒7上，将步骤(a)中的混凝土试件1套在热缩管12上并对准钢棒7中部的出液孔8，通过喉箍13将热缩管12箍紧在钢棒7上；
(c)利用加压注液设备9向钢棒7注入水产生水压，加压时开启加压注液设备9的阀门，每隔1MPa应变采集仪器16采集三次分布式光纤传感器的监测数据并读取百分表的示数，出现裂缝15后，如图5所示，继续加压，直至混凝土试件1失去承载能力破坏，在此过程中需要密切关注裂缝的开展信息。
应变采集仪器16具体选用布里渊光时域分析仪16(BOTDA)，应变测量过程中是通过测量光纤布里渊频移量来推测光纤应变，该值同时和温度有关，如下式(1)所示：
式中，vB(0)为初始应变、初始温度时布里渊频率漂移量；vB(ε，T)为在应变ε、温度T时布里渊频率漂移量；dvB(T)/dT为温度比例系数；dvB(ε)/dε为应变比例系数。T-T0为光纤温度差；ε为光纤应变变化量。因此，分布式光纤传感器光纤铺设完成后需连接一段自由温度传感光纤作为温度补偿光纤。
测试数据时设定BOTDA的空间分辨率为0.5m，水压从零开始按1MPa逐级加载，每加载一次，测试三次应变数据并取平均值，由应变情况估算裂缝开展宽度。由图6可知，开始加载压力并不大时，混凝土产生微裂缝，开展的不快，并不容易观察，当应变超过150με，混凝土开始出现裂缝。根据裂缝宽度和监测应变之间的标定关系，可以估算在水压作用下混凝土裂缝的开展信息。
最后，得到应变与混凝土试件1的膨胀开裂程度的关系数据结果，直观反映了C30混凝土在整个膨胀开裂过程的变化，说明分布式光纤传感器能够有效的监测混凝土由于钢筋锈蚀产生的膨胀开裂变化。
此外，用砂浆代替步骤(a)中的C30混凝土，重复步骤(a)得到砂浆试件，对砂浆试件进行模拟和监测，进行对比，用以了解钢筋锈蚀对砂浆的影响。
用含纤维的C30混凝土代替步骤(a)中的C30混凝土，重复步骤(a)得到含纤维的C30混凝土试件，对含纤维的C30混凝土试件进行模拟和监测，进行对比，用以了解钢筋锈蚀对含纤维的C30混凝土试件的影响。
在多种模拟的监测结果下，可以寻找一种比较耐钢筋锈蚀的混凝土，有利于混凝土性能的改进，意义重大。
Claims (9)
1.一种模拟和监测混凝土膨胀开裂的装置，其特征在于，包括：
设有沿轴向通孔的钢棒（7），所述的钢棒（7）中部设有沿径向的出液孔（8）；
套在所述的钢棒（7）上的热缩管（12），所述的热缩管（12）通过喉箍（13）固定在所述的钢棒（7）上；
所述的钢棒（7）的两端分别接有加压注液设备（9）和压力表（10）；
设置在混凝土试件（1）内部的应变传感器（2）、与所述的应变传感器（2）连接的应变采集仪器（16）和设置在混凝土试件（1）上的百分表（14）；
混凝土试件（1）的浇筑装置，所述的混凝土试件（1）的浇筑装置包括：底板（3）、固定在底板（3）上的圆杆（6）、钢圈（5）和设有与钢圈（5）配合的通孔的固定板（4）；
混凝土试件（1），对热缩管（12）加热，待热缩管（12）收缩后紧密套在钢棒（7）上，将混凝土试件（1）套在热缩管（12）上并对准钢棒（7）中部的出液孔（8）。
2.根据权利要求1所述的模拟和监测混凝土膨胀开裂的装置，其特征在于，所述的钢棒（7）的通孔内壁带有螺纹，该钢棒（7）的一端与加压注液设备（9）螺纹连接，该钢棒（7）的另一端与压力表（10）螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的模拟和监测混凝土膨胀开裂的装置，其特征在于，所述的出液孔（8）为三个，该三个出液孔（8）等弧度设置。
4.根据权利要求1所述的模拟和监测混凝土膨胀开裂的装置，其特征在于，所述的百分表（14）为四个，对称地设置在混凝土试件（1）的四周。
5.根据权利要求1所述的模拟和监测混凝土膨胀开裂的装置，其特征在于，所述的热缩管（12）和钢棒（7）固定在台虎钳（11）上。
6.根据权利要求1所述的模拟和监测混凝土膨胀开裂的装置，其特征在于，所述的钢圈（5）由沿钢圈（5）轴向切分成的两半组成。
7.一种模拟和监测混凝土膨胀开裂的方法，包括以下步骤：
（a）将钢圈（5）固定在固定板（4）上，得到两组带有钢圈（5）的固定板（4），先将第一组带有钢圈（5）的固定板（4）安装到固定有圆杆（6）的底板（3）上，开始铺设混凝土，当混凝土铺满第一组的钢圈（5）时，将应变传感器（2）放置在铺好的混凝土上，再放上第二组带有钢圈（5）的固定板（4），继续在第二组的钢圈（5）中铺设混凝土，振捣后凝固成型拆去混凝土试件（1）的浇筑装置得到混凝土试件（1）；
（b）将热缩管（12）套在钢棒（7）上，对热缩管（12）加热，待热缩管（12）收缩后紧密套在钢棒（7）上，将步骤（a）中的混凝土试件（1）套在热缩管（12）上并对准钢棒（7）中部的出液孔（8），通过喉箍（13）将热缩管（12）箍紧在钢棒（7）上；
（c）利用加压注液设备（9）向钢棒（7）注入液体产生液压，得到应变与混凝土试件（1）的膨胀开裂程度的关系。
8.根据权利要求7所述的模拟和监测混凝土膨胀开裂的方法，其特征在于，步骤（b）中，所述的热缩管（12）为聚酯热缩管，对热缩管（12）加热至80℃～105℃。
9.根据权利要求7所述的模拟和监测混凝土膨胀开裂的方法，其特征在于，步骤（c）中，所述的液体为水。
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