CN103852384A - 一种混凝土抗裂能力数值化评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土抗裂能力数值化评价方法，其包括以下步骤：使用温度应力试验机测试混凝土试件的试验数据；计算抗裂安全系数K_f并作为混凝土抗裂能力评价标准，其中K_f的计算中以测试得到的开裂应力和室温应力代入计算，当K_f＞1.15时，表明被测试混凝土试件具有较好的抗裂性能。本发明的评价方法可以快速地得到测试结果，并以（开裂应力/室温应力）的比值评价受约束混凝土的温度敏感性及约束应力松弛性能，从而直观地评价混凝土的抗裂性能。

Description

一种混凝土抗裂能力数值化评价方法

技术领域

本发明涉及使用温度应力试验评价混凝土抗裂性能的试验方法，对受约束混凝土在特定的温度历程下进行养护并测试其热力学性能，并测试混凝土入模至断裂的一系列热力学性能，最终测定各项性能参数并计算出抗裂性能指标，评价混凝土的开裂敏感性。

背景技术

长久以来，国内外学者采用了各种约束试验方法来研究混凝土早期的开裂敏感性，但是由于影响混凝土抗裂性能的因素很多，除了混凝土的早期收缩变形，还主要有极限拉伸值、轴心抗拉强度、弹性模量、线膨胀系数、水化温升、徐变等等因素。由于以上因素并不是互相独立，而是相互关联和制约的，但是传统抗裂性能试验方法大多只针对混凝土的某一种抗裂因素进行评价，并且只适用于特定的试验条件，例如有关规范要求采用极限拉伸值、绝热温升值作为抗裂性能参数，这类评价方法往往只考虑到某一条件对抗裂性能的影响，很难客观评价混凝土在多条件下的抗裂能力或开裂趋势，更不利于标准化和相互比较。

目前国内大多使用平板法、圆环法对混凝土进行抗裂性能评价，其中平板法具有简单易操作的特点，能迅速、有效地研究混凝土和砂浆的塑性干缩性能。但是它只能部分地、不均匀地约束混凝土的收缩变形，且试验结果对试件尺寸、材料特性、配筋情况、环境状况等的依赖性很大，在裂缝的量化与后期处理方面存在不足，因裂缝产生的无规律性使得无法精确对混凝土开裂进行评价，而且平板试验方法只能提供部分的不均匀的约束，不利于相互比较；而对于圆环法来说，由于在圆环周围裂缝出现的机会均等，很难预测出初始裂缝出现的位置，且当所用钢环的硬度不够时，刚性更高的混凝土就不会出现可见裂缝，而是产生更多的不可见微裂缝，这对混凝土的耐久性产生了一些潜在的威胁，此外圆环法约束试验装置的约束程度普遍不高，这导致试样的开裂敏感性较低，研究表明，ASTM C1581采用钢制内圆环的约束程度最高约75%，而AASHTOPP圆环最高仅为60%。因此，传统的混凝土开裂性能评价方法各有缺陷，且大多没有考虑混凝土徐变和应力松弛的影响。

国家标准《大体积混凝土施工规范》（GB50496-2009）中规定的抗裂安全系数Kf可作为混凝土抗裂性能的评价标准，但是在实际中很少被应用，究其原因是因为其中的约束应力或抗拉强度标准值等参数均按表取值或通过计算值代入，理论计算与实际结果存在较大误差，不符合客观实际。

近年来在德国、挪威、奥地利、日本等一些国家，温度应力试验已经成为混凝土开裂敏感性非常有效的定量评定方法。温度应力试验机能够在混凝土浇注时开始测试和计算混凝土的各项特征参数，不仅如此，温度应力试验机还能够对混凝土试件的不同温度历程、不同约束度条件进行控制和模拟，能综合多项因素并定量地评价混凝土早期开裂敏感性。此种试验方法由单轴约束试验发展而来，并在90年代引进到国内，在高强高性能混凝土的研究方面已取得一系列有价值的成果，但由于其试验方法、试验条件的不同，对试验结果的影响非常大，例如丁建彤等研究了绝热条件、恒温条件和温度控制条件下混凝土的抗裂性能，证实了在不同的温度历程下得到的抗裂性评价结果完全不同；再如张涛等研究了不同约束程度对混凝土抗裂性能的影响，并提出了采用全约束条件会过高地估计混凝土的开裂危险性，70%～80%的约束程度可能更符合实际。因此，利用温度应力试验并建立混凝土开裂能力数值化评价方法，有着较为重要的意义。国内外学者使用温度应力试验评价混凝土抗裂性能使用的评价标准主要为开裂应力和开裂温度，其原因为开裂应力与开裂温度可直观地作为试验结果得到，并表征了混凝土试件在温度应力下的开裂敏感性，如开裂温度更低和开裂应力更大的试件，证明混凝土受温度影响而开裂的难度较大，抗裂性能较好。

但是在实际工程中，高胶凝材料含量、高标号的混凝土材料往往具有较大的抗拉强度和绝热温升，导致开裂应力较大的同时开裂温度较高，这对选择何种指标综合评价混凝土抗裂性能带来了困难，且这两个常用指标不利于不同种类混凝土抗裂性能的横向比较。

因此，还需要有能够客观、准确评价混凝土抗裂性能的评价标准，既能方便、准确地评价某种混凝土的抗裂性能又方便不同种类混凝土之间的抗裂性能的横向比较。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混凝土抗裂能力数值化评价方法，其基于混凝土温度应力试验，对混凝土试件采用特定的温度历程和约束条件，测定其开裂敏感性并数值化定量评价其抗裂性能。

为了实现上述目的，要发明采用了以下技术方案：一种混凝土抗裂能力数值化评价方法，其包括以下步骤：

使用温度应力试验机，设定温度试验条件为：绝热温升模式；环境温度范围25±4℃；保温时间48h；降温速率2℃/h；步进单位0.8~1.3μm；约束度100%；

测试温度应力试验机中的混凝土试件的试验数据，所述测试得到的试验数据包括：室温应力和开裂应力，室温应力指在降温阶段混凝土试件温度与环境温度相同时的应力大小；开裂应力指混凝土试件断裂时刻对应的应力值；

计算抗裂安全系数K_f并作为混凝土抗裂能力评价标准，

f_tk(x)/σ_x=K_f(2-3)

式2-4中

f_tk(x)为混凝土抗拉强度标准值，在此以测试得到的开裂应力代入计算，

σ_x为实测混凝土试件的拉应力，在此以测试得到的室温应力代入计算；

当K_f＞1.15时，表明被测试混凝土试件具有较好的抗裂性能。

具体地来说，温度应力试验机需调节混凝土试件的初始温度至20±3℃范围内。

使用温度应力试验机对混凝土试件的测试过程为：试验开始后混凝土试件开始水化发热，温度升高，模板温度与混凝土试件芯部温度保持小于0.3℃，以达到近似绝热状态；当混凝土试件发生体积变形超过1.3μm，此时试验设备的步进电机启动，将试件拉（或压）回原位，以达到100％约束度；当混凝土试件达到温峰，温度将被保持48h，然后以2℃/h的速率降温，直至混凝土试件断裂。

进一步地，本发明还包括以应力储备作为混凝土抗裂能力评价标准，所述应力储备=[(开裂应力-室温应力)/开裂应力]*100%，当应力储备＞13%时，混凝土具有较好的抗裂性能。

进一步地，所述测试得到的试验数据还包括：最高温度、第二零应力温度、室温应力、开裂温度、开裂应力等等参数。

本发明还可以进一步包括以横向指标作为评价标准，所述横向指标包括：

开裂温度：开裂温度低的混凝土试件，其抗裂性能较好；

断裂温差：即“最高温度-开裂温度”的值，断裂温差越大，混凝土抗裂能力越强；

开裂应力：开裂应力越大，混凝土抗裂能力越强；

第二零应力温度：第二零应力温度越低，混凝土抗裂能力越强；

室温应力：室温应力越小，混凝土抗裂能力越强。

本发明的评价方法可以快速地得到测试结果，并以（开裂应力/室温应力）的比值评价受约束混凝土的温度敏感性及约束应力松弛性能，从而直观地评价混凝土的抗裂性能。通过断裂温差、开裂应力、第二零应力温度、室温应力、应力储备等指标可用于同类型混凝土抗裂性能优劣的横向比较。

附图说明

图1是本发明混凝土抗裂能力数值化评价方法的逻辑关系图。

图2是绝热温升模式下的模板循环介质温度和试件温度曲线图。

图3是恒温控制模式下的模板循环介质温度和试件温度曲线图。

图4是不同保温时间的温度应力试验与施工中混凝土实际温度曲线对比示意图。

具体实施方式

本发明的混凝土抗裂能力数值化评价方法，包括如下步骤：

(A)制作混凝土拌合物，浇筑至温度应力试验机的模具中制得混凝土试件，并使用温度应力试验机调节混凝土试件的初始温度至20±3℃范围内。

本文使用的温度应力试验机为北京航源平洋科技发展有限公司的HYPY-II型温度应力试验机，也可使用功能、参数相同的其他温度应力试验机。

(B)设定温度应力试验条件

试验模式：绝热温升模式；环境温度范围25±4℃；保温时间48h；降温速率2℃/h；步进单位0.8～1.3μm；约束度100%。

具体试验过程为：试验开始后混凝土开始水化发热，温度升高，模板温度与混凝土芯部温度保持小于0.3℃，以达到近似绝热状态；当混凝土发生体积变形超过1.3μm，此时试验设备的步进电机启动，将试件拉（或压）回原位，以达到100%约束度；当混凝土试件达到温峰，温度将被保持48h，然后以2℃/h的速率降温，直至混凝土试件断裂。

温度应力试验机自带三种试验模式，分别为：绝热温升模式、存档数据匹配模式和恒温控制模式。

其中绝热温升模式为试件温度主动引导模板温度进行试验，存档数据匹配模式与恒温控制模式则为使用设置好的模板温度历程，进而引导混凝土试件温度进行试验。因此在存档数据匹配模式与恒温控制模式下，由于混凝土水化反应的影响，模板温度和试件温度可能不能较好匹配，易造成误差。如图2和图3所示，分别是绝热温升模式下和恒温控制模式下的循环介质温度和试件温度曲线图，从图中可以看到，在绝热温升模式下，混凝土温度和循环介质温度能够较好的匹配，且介质温度相对稳定，而在恒温模式下，混凝土温度与循环介质温度匹配性较差，且循环介质温度波动较大。

本发明中采用的保温时间是48小时。不同保温时间的温度应力试验与施工中混凝土实际温度曲线对比如图4所示，若保温时间过短（如24h），混凝土力学强度较低，塑性变形较大，水化反应较短，甚至有可能在实际温度曲线尚未到达降温阶段就开始降温，试验易产生误差，而此时实测开裂应力较低，计算的抗裂安全系数偏低，此温度历程对评价混凝土抗裂性来说敏感性过高（如表1所示）；若保温时间过长（如72h）混凝土抗拉强度、弹性模量等力学性能得到了增加，因此开裂应力相应增大，计算出的抗裂安全系数总体偏大，此温度历程对评价混凝土抗裂性来说敏感性过低（如表2所示）；对于保温48h的试件，与实际混凝土温度曲线相对较为匹配，混凝土成熟度与标准条件下养护9天左右的混凝土试件相当，而此时抗拉强度尚未到达至较为安全的程度，导致这个时间段混凝土更容易发生开裂。因此考虑减小试验误差、提高试验效率等因素，保温时间选择为48h。

表1同一组混凝土在不同保温时间的温度应力试验下的Kf值

保温时间	24h	48h	72h
				抗裂安全系数Kf	1.046	1.169	1.667

本发明中采用的约束度为100％。混凝土内、外约束度为混凝土开裂的必要条件，并将实际工程中混凝土结构因环境条件产生的的干燥收缩等特性等同于约束条件考虑，在快速试验中约束度设定为100％较为合理

(C)试验机全程监测试验过程中混凝土温度、应力、应变的发展过程。可直接测定最高温度、第二零应力温度、室温应力、开裂温度、开裂应力等等参数。其中：

第二零应力温度：在降温阶段，混凝土试件应力发展过程中从压应力转变为拉应力对应的试件温度；

室温应力：在降温阶段，混凝土试件温度与环境温度相同时的应力大小；

开裂温度：混凝土试件断裂时刻所对应的温度；

开裂应力：混凝土试件断裂时刻对应的应力值。

(D)主要评价指标为：

①抗裂安全系数K_f

抗裂安全系数K_f，按《大体积混凝土施工规范》（GB50496-2009）附录B.7.2中的规定计算抗裂安全系数K_f：

_ftk(x)/σ_x=K_f(2-5)

式中，K_f——抗裂安全系数，取K_f＞1.15；

f_tk(x)——混凝土抗拉强度标准值，在此以开裂应力代入计算；

σ_x——实测混凝土的拉应力，在此以平均室温（25℃）下的室温应力代入计算。

具体评价方法为：将上述实测的f_tk(x)及σ_x代入式（2-1）中计算Kf值，若K_f＞1.15，则表明该混凝土具有较好的抗裂性能。

本发明是在温度应力试验中使用国家标准《大体积混凝土施工规范》（GB50496-2009）中规定的抗裂安全系数Kf作为混凝土抗裂性能的评价标准，其具有以下优点：

a、国家标准中，混凝土的约束应力σx为数值计算得到（详见GB50496-2009附录B.6.3、B.6.4），而在温度应力试验中，混凝土的约束应力σx为温度应力试验机荷载传感器直接测量得到，更为精准、客观。

b、国家标准中，混凝土的抗拉强度标准值f_tk(x)为按表取标准值计算（详见GB50496-2009附录表B.7.2-2），而在温度应力试验中，混凝土的实际抗拉强度f_tk(x)为开裂应力，由温度应力试验机荷载传感器直接测量得到，更为精准、客观。

②应力储备：应力储备可作为混凝土抗裂能力数值化评价的另一指标。

计算当混凝土试件降至环境温度25℃时的应力储备：

应力储备=[(开裂应力-室温应力)/开裂应力]*100%

将“室温应力/开裂应力”作为1/K_f近似计算，可确定应力储备≥13%，即当应力储备≥13%时，混凝土具有较好的抗裂性能。

（E）横向指标评价，包括：

开裂温度：开裂温度低的混凝土试件，其抗裂性能较好；

断裂温差：即“最高温度-开裂温度”的值，断裂温差越大，混凝土抗裂能力越强；

开裂应力：开裂应力越大，混凝土抗裂能力越强；

第二零应力温度：第二零应力温度越低，混凝土抗裂能力越强；室温应力：室温应力越小，混凝土抗裂能力越强。

上述方法的具体逻辑关系图如图1所示。

Claims (6)

1.一种混凝土抗裂能力数值化评价方法，其特征在于包括以下步骤：

使用温度应力试验机，设定温度试验条件为：绝热温升模式；环境温度范围25±4℃；保温时间48h；降温速率2℃/h；步进单位0.8~1.3μm；约束度100%；

测试温度应力试验机中的混凝土试件的试验数据，所述测试得到的试验数据包括：室温应力和开裂应力，室温应力指在降温阶段混凝土试件温度与环境温度相同时的应力大小；开裂应力指混凝土试件断裂时刻对应的应力值；

计算抗裂安全系数K_f并作为混凝土抗裂能力评价标准，

f_tk(x)/σ_x=K_f(2-1)

式2-2中

f_tk(x)为混凝土抗拉强度标准值，在此以测试得到的开裂应力代入计算，

σ_x为实测混凝土试件的拉应力，在此以测试得到的室温应力代入计算；

当K_f＞1.15时，表明被测试混凝土试件具有较好的抗裂性能。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：温度应力试验机需调节混凝土试件的初始温度至20±3℃范围内。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：使用温度应力试验机对混凝土试件的测试过程为：试验开始后混凝土试件开始水化发热，温度升高，模板温度与混凝土试件芯部温度保持小于0.3℃，以达到近似绝热状态；当混凝土试件发生体积变形超过1.3μm，此时试验设备的步进电机启动，将试件拉（或压）回原位，以达到100％约束度；当混凝土试件达到温峰，温度将被保持48h，然后以2℃/h的速率降温，直至混凝土试件断裂。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括以应力储备作为混凝土抗裂能力评价标准，所述应力储备=[(开裂应力-室温应力)/开裂应力]*100%，当应力储备＞13%时，混凝土具有较好的抗裂性能。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述测试得到的试验数据还包括：最高温度、第二零应力温度、室温应力、开裂温度、开裂应力等等参数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：还包括以横向指标作为评价标准，所述横向指标包括：

开裂温度：开裂温度低的混凝土试件，其抗裂性能较好；

断裂温差：即“最高温度-开裂温度”的值，断裂温差越大，混凝土抗裂能力越强；

开裂应力：开裂应力越大，混凝土抗裂能力越强；

第二零应力温度：第二零应力温度越低，混凝土抗裂能力越强；

室温应力：室温应力越小，混凝土抗裂能力越强。

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