CN104535431B - 混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂性评价方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂性评价方法及装置，将混凝土浇筑在设置有加热棒的温度试验组围护体中，将温度试验组围护体置入温度试验组保温箱中。将混凝土浇筑在不设置加热棒的对比组围护体中，将对比组围护体置入对比组保温箱中。按照预设的加热棒的升降温模式启动或关闭加热棒，记录温度试验组围护体中混凝土的裂缝宽度W1、长度L1；同时记录对比组围护体中混凝土的裂缝宽度W2、长度L2；计算并表征混凝土的抗裂指数K，判断混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂等级。本发明方法及装置使混凝土在温度、收缩共同作用下的开裂风险的测试过程快捷、操作方便、耦合因素判断明晰化、数据定量化、成本较小易于推广。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域，尤其涉及一种混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂性评价方法及装置。
背景技术
随着经济发展，高层建筑超高层建筑日益兴起，随着该类建筑的规模化兴建，出现了与之前不同形式的结构构件。以前在土木建筑方面，底板属于大体积混凝土，但是往往底板混凝土强度等级不高，且混凝土的设计厚度不大，因此，以前的底板出现开裂等现象较少。但是，在目前的高层、超高层建筑中，出现了厚度超过1.0m的大体积高强剪力墙结构，而且底板也比以前的建筑厚度厚，强度高。而且高层、超高层建筑往往设计寿命在100年及以上，耐久性要求极高，大体积底板、剪力墙等结构构件又是重要承力构件，起着至关重要的作用，一旦这类构件出现开裂，不紧影响结构的承载力，同时将会大大降低结构的耐久性。
高层、超高层建筑的底板、1.0米以上厚度的剪力墙等结构构件，均属于大体积混凝土结构，同时，1.0m以上厚度的剪力墙混凝土几乎均为高强混凝土，部分底板混凝土也用到了高强混凝土；大体积混凝土由于体积大散热不良，随着混凝土中胶凝材料水化的进行，中心温度急剧升高，边界温度低，在温差作用下，形成较大的温度应力而导致开裂，影响结构承载力和耐久性；大体积混凝土尤其是高强大体积混凝土由于胶凝材料用量高、水胶比低，混凝土的收缩大，收缩作用对混凝土产生拉应力，在较大的收缩应力作用下，结构也有出现开裂的风险。
以上表述可见，大体积混凝土或大体积高强混凝土，同时存在温度应力作用和收缩作用，在结构实体中，二者同时存在，共同作用，不可分割。因此，急需一种方法能够综合评价混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂性。
目前，评价混凝土抗裂性的试验装置有：
1、平板抗裂试验装置，将待评价的混凝土浇筑入带有约束的平板试验装置，观察开裂时间和裂缝状态。
2、温度应力试验机，将待评价的混凝土浇筑入温度应力试验机模具内，通过精密传感器和电子设备记录开裂时间、开裂温度等参数。
但两种测试装置均有不足：第一种装置由于混凝土浇筑体积过小，温度作用极小，仅能评价混凝土在收缩作用下的开裂风险，无法评价混凝土的温度开裂风险，评价指标单一，无法表征温度、收缩耦合作用；第二种装置可以评价混凝土在温度、收缩共同作用下的开裂风险，但该装置造价极高，且测试一次的电力消耗成本也极大，因此，设备周转和试验频率就相对降低，如果待评价混凝土的配合比多，则试验效率低，且由于自身价格问题，该装置难以普及使用。
发明内容
本发明针对现有技术在评价混凝土在温度、收缩共同作用下的开裂风险过程中，所用的装置造价高，且测试一次的电力消耗成本也极大，导致难以普及使用的问题，提供一种混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂性评价方法及装置，使混凝土在温度、收缩共同作用下的开裂风险的测试过程快捷、操作方便、耦合因素判断明晰化、数据定量化、成本较小易于推广。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：首先提供一种混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂性评价方法，该方法包括以下步骤，1)将混凝土浇筑在设置有加热棒的温度试验组围护体中，将温度试验组围护体置入温度试验组保温箱中，温度试验组保温箱内设置温度传感器一；2)将混凝土浇筑在不设置加热棒的对比组围护体中，将对比组围护体置入对比组保温箱中，对比组保温箱内设置温度传感器二；3)按照预设的加热棒的升降温模式启动或关闭加热棒，同步启动温度试验组保温箱中的温度传感器，实时记录温度试验组保温箱中的温度与加热棒温度，待预设的加热棒的升降温模式执行完毕后，记录温度试验组围护体中混凝土的裂缝宽度W1、长度L1；启动对比组保温箱中的温度传感器，实时记录对比组保温箱中的温度，在观察并记录W1和L1的相同时刻，记录对比组围护体中混凝土的裂缝宽度W2、长度L2；4)按照如下公式计算并表征混凝土的抗裂指数K：
5)按照预设标准，判断混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂等级。所述步骤5)中按照预设标准，判断混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂等级，具体为，当0≤K<1时，混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂等级为I级；当1≤K<2时，混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂等级为II级，混凝土的收缩应力开裂为主，温度应力开裂次之；当K≥2时，混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂等级为III级，混凝土的温度应力开裂为主，收缩应力开裂次之。
按上述技术方案，温度试验组围护体、对比组围护体的内部分别设置有约束器，通过温度试验组围护体、对比组围护体表面预设的约束器孔道分别对约束器进行固定；将加热棒通过温度试验组围护体上预留的加热棒孔道安装于温度试验组围护体内。
按上述技术方案，所述约束器为圆柱状，约束器根部直径为7～13mm，约束器根部以上表面设置倒刺型结构。
按上述技术方案，所述加热棒的升降温模式具体为：升温阶段4～6℃/8h，连续升温3天；降温阶段2～4℃/8h，连续降温4天。
本发明还提供一种混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂性评价装置，包括温度试验组围护体及温度试验组保温箱、对比组围护体及对比组保温箱、温度传感器一、温度传感器二、控制器；温度试验组围护体置于温度试验组保温箱的内部，温度试验组围护体内部设置温度传感器一，温度试验组围护体内部用于填充混凝土，并在温度试验组围护体内部设置加热棒；对比组围护体置于对比组保温箱的内部，对比组保温箱的内部设置温度传感器二，对比组围护体内部用于填充混凝土；温度传感器一、温度传感器二、加热棒分别与控制器连接，温度传感器一用于测量温度试验组保温箱内部的温度，温度传感器二用于测量对比组保温箱内部的温度；控制器用于控制加热棒的升降温模式，同时用于接收温度传感器一和温度传感器二的测量数据，记录温度试验组围护体中混凝土的裂缝宽度W1、长度L1，记录对比组围护体中混凝土的裂缝宽度W2、长度L2，并计算混凝土的抗裂指数K，判断混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂等级。
按上述技术方案，温度试验组围护体、对比组围护体的内部分别设置有约束器，通过温度试验组围护体、对比组围护体表面预设的约束器孔道分别对约束器进行固定；将加热棒通过温度试验组围护体上预留的加热棒孔道安装于温度试验组围护体内。
按上述技术方案，温度试验组围护体和对比组围护体均为钢材焊接成的封闭体，其尺寸范围均为，长600～1000mm，宽500～700mm、高80～120mm。
按上述技术方案，所述约束器分别沿温度试验组围护体和对比组围护体的长度方向设置，相邻约束器的间距为30mm，约束器为圆柱状，约束器根部直径为7～13mm，约束器根部以上表面设置倒刺型结构；所述加热棒为热电偶，加热棒数量5根，相邻加热棒的间距为150mm。
按上述技术方案，所述温度试验组保温箱和对比组保温箱均采用角钢焊接成箱型骨架，四周采用可更换的低导热系数的保温材料搭设于箱型骨架上。
本发明产生的有益效果是：
1)测试快捷：准备好混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂性评价装置，分别将试验组与对比组放入各自保温箱中即可开展测试；
2)操作方便：测试装置安装操作过程简单，测试人员经简单培训后即可掌握；
3)耦合因素判断明晰化：可准确判断温度、收缩耦合因素中影响混凝土抗裂性的主次因素；
4)数据定量化：可定量计算混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂性，并判断抗裂等级；
5)易于推广：混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂性评价装置可定制或购买，造价低；
6)特别适用于大体积底板混凝土、高层超高层建筑剪力墙中的大体积高强混凝土抗裂性评价、开裂主次因素分析及配合比优化设计。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中温度试验组围护体的结构示意图；
图2是本发明实施例中保温箱的结构示意图；
图3是本发明实施例中温度试验组围护体侧面的示意图；
图4是图1中约束器的示意图；
图5是图1中加热棒的示意图；
图6是本发明具体实施例1的混凝土配合比与抗裂性测试结果；
图7是本发明具体实施例2的混凝土配合比与抗裂性测试结果；
图8是本发明具体实施例3的混凝土配合比与抗裂性测试结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，首先提供一种混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂性评价方法，该方法包括以下步骤，1)将混凝土浇筑在设置有加热棒的温度试验组围护体中，将温度试验组围护体置入温度试验组保温箱中，温度试验组保温箱内设置温度传感器一；2)将混凝土浇筑在不设置加热棒的对比组围护体中，将对比组围护体置入对比组保温箱中，对比组保温箱内设置温度传感器二；3)按照预设的加热棒的升降温模式启动或关闭加热棒，同步启动温度试验组保温箱中的温度传感器，实时记录温度试验组保温箱中的温度与加热棒温度，待预设的加热棒的升降温模式执行完毕后，记录温度试验组围护体中混凝土的裂缝宽度W1、长度L1；启动对比组保温箱中的温度传感器，实时记录对比组保温箱中的温度，在观察并记录W1和L1的相同时刻，记录对比组围护体中混凝土的裂缝宽度W2、长度L2；4)按照如下公式计算并表征混凝土的抗裂指数K：
5)按照预设标准，判断混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂等级。
其中，所述步骤5)中按照预设标准，判断混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂等级，具体为，当0≤K<1时，混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂等级为I级；当1≤K<2时，混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂等级为II级，混凝土的收缩应力开裂为主，温度应力开裂次之；当K≥2时，混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂等级为III级，混凝土的温度应力开裂为主，收缩应力开裂次之。
进一步地，温度试验组围护体、对比组围护体的内部分别设置有约束器，通过温度试验组围护体、对比组围护体表面预设的约束器孔道分别对约束体进行固定；将加热棒通过温度试验组围护体上预留的加热棒孔道安装于温度试验组围护体内。
进一步地，所述约束器为圆柱状，约束器根部直径为7～13mm，约束器根部以上表面设置倒刺型结构。使约束器能够更好地将混凝土固定在温度试验组围护体、对比组围护体的内部。
其中，所述加热棒的升降温模式具体为：升温阶段4～6℃/8h，连续升温3天；降温阶段2～4℃/8h，连续降温4天。
本发明实施例中还提供一种混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂性评价装置，包括温度试验组围护体及温度试验组保温箱、对比组围护体及对比组保温箱、温度传感器一、温度传感器二、控制器；温度试验组围护体置于温度试验组保温箱的内部，温度试验组围护体内部设置温度传感器一，温度试验组围护体内部用于填充混凝土，并在温度试验组围护体内部设置加热棒；对比组围护体置于对比组保温箱的内部，对比组保温箱的内部设置温度传感器二，对比组围护体内部用于填充混凝土；温度传感器一、温度传感器二、加热棒分别与控制器连接，温度传感器一用于测量温度试验组保温箱内部的温度，温度传感器二用于测量对比组保温箱内部的温度；控制器用于控制加热棒的升降温模式，同时用于接收温度传感器一和温度传感器二的测量数据，记录温度试验组围护体中混凝土的裂缝宽度W1、长度L1，记录对比组围护体中混凝土的裂缝宽度W2、长度L2(可以通过人为观察测量W1、L1、W2、L2，并将W1、L1、W2、L2的数值输入控制器；或者在温度试验组围护体、对比组围护体的内部设置传感器，通过传感器获取W1、L1、W2、L2的数值并传送给控制器)，并计算混凝土的抗裂指数K，判断混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂等级。
进一步地，温度试验组围护体、对比组围护体的内部分别设置有约束器，通过温度试验组围护体、对比组围护体表面预设的约束器孔道分别对约束体进行固定；将加热棒通过温度试验组围护体上预留的加热棒孔道安装于温度试验组围护体内。
进一步地，温度试验组围护体和对比组围护体均为钢材焊接成的封闭体，其尺寸范围均为，长600～1000mm，宽500～700mm、高80～120mm。
进一步地，所述约束器分别沿温度试验组围护体和对比组围护体的长度方向设置，相邻约束器的间距为30mm，约束器为圆柱状，约束器根部直径为7～13mm，约束器根部以上表面设置倒刺型结构，使约束器能够更好地将混凝土固定在温度试验组围护体、对比组围护体的内部。所述加热棒为热电偶，加热棒数量5根，相邻加热棒的间距为150mm。使加热棒能够有效地对温度试验组围护体内部的混凝土进行均匀加热。
进一步地，所述温度试验组保温箱和对比组保温箱均采用角钢焊接成箱型骨架，四周采用可更换的低导热系数的保温材料搭设于箱型骨架上。
本发明的较佳实施例中，用于混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂性评价装置包括温度试验组围护体及温度试验组保温箱、对比组围护体及对比组保温箱。其中，如图1—图5所示，温度试验组围护体1、约束器2、加热棒3和温度试验组保温箱4，温度试验组围护体的形状尺寸可以依据特定要求定制，并在温度试验组围护体上开有供安装约束器2的约束器孔道5，约束器的根部为圆柱形且带有细螺纹，约束器2穿过温度试验组围护体1上预设的约束器孔道5，利用螺母紧固安装于温度试验组围护体1上，约束器2其余部分为用于约束混凝土的倒刺型结构。加热棒3为圆柱形，沿温度试验组围护体1高度中心布置一排穿过围护体上预留的加热棒孔道6，并通过螺母紧固安装在温度试验组围护体1上，温度试验组围护体1、约束器2、加热棒3组合结构内浇筑完毕混凝土放入温度试验组保温箱4中实施保温，并启动记录温度试验组保温箱内部温度的温度传感器一7。
对比组围护体与温度试验组围护体相比，区别在于，对比组围护体上不预留加热棒孔道，对比组围护体内部不设置加热棒。对比组围护体及其内部的约束器组合结构内浇筑完毕混凝土放入对比组保温箱中实施保温，并启动记录对比组保温箱内部温度的温度传感器二。
设置温度试验组与对比组2组装置进行温度、收缩耦合作用下的抗裂性评价，温度试验组将约束器通过温度试验组围护体上的预留约束器孔道安装于温度试验组围护体上，将加热棒通过温度试验组围护体上的预留加热棒孔道安装于温度试验组围护体上，在温度试验组围护体中浇筑待评价的混凝土，将浇筑有混凝土的温度试验组围护体放入温度试验组保温箱中，按照预设的升降温模式启动或关闭加热棒对混凝土加热或停止加热，同步启动温度试验组保温箱中的温度传感器，实时记录温度试验组保温箱中的温度与加热棒温度，待预设的升降温模式执行完毕后，观察记录并描述试验组混凝土的裂缝宽度W1、长度L1；对比组围护体中无加热棒，不对混凝土加热，其余条件及方式与试验组相同，观察记录并描述比组混凝土的裂缝宽度W2、长度L2，按照如下公式计算并表征混凝土的抗裂指数K：
当0≤K<1时，混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂等级为I级。原理：温度促进混凝土抗拉强度的快速增长，减弱了混凝土在收缩与温度应力作用下的开裂。
当1≤K<2时，混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂等级为II级，混凝土的收缩应力开裂为主，温度应力开裂次之。原理：混凝土在收缩应力开裂下，温度应力进一步激发开裂，且二次激发的开裂程度小于收缩应力的开裂程度，即开裂指数1≤K<2，表明温度应力的二次激发作用不显著。
当K≥2时，混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂等级为III级，混凝土的温度应力开裂为主，收缩应力开裂次之。原理：混凝土在收缩应力开裂下，温度应力进一步激发开裂，且二次激发的开裂程度超过收缩应力的开裂程度，即开裂指数K≥2，表明温度应力的二次激发作用显著。
本发明具体实施例1，如图6所示，为混凝土配合比与抗裂性测试结果，通过两个计算公式计算K值，计算所得0≤K<1，抗裂等级为I级，本具体实施例中为1.5m厚5m长混凝土墙体结构，本实施例的结构实体裂缝宽度0.12mm，裂缝长度108mm，计算结果与实际情况吻合。
本发明具体实施例2中，混凝土配合比与抗裂性测试结果，如图7所示，通过两个计算公式计算K值，计算所得1≤K<2，抗裂等级为Ⅱ级，本具体实施例中为1.5m厚5m长混凝土墙体结构，本实施例的结构实体裂缝宽度0.18mm，裂缝长度170mm，计算结果与实际情况吻合。
本发明具体实施例3中，混凝土配合比与抗裂性测试结果，如图8所示，通过两个计算公式计算K值，计算所得K≥2，抗裂等级为Ⅲ级，本具体实施例中为1.5m厚5m长混凝土墙体结构，本实施例的结构实体裂缝宽度0.44mm，裂缝长度280mm，计算结果与实际情况吻合。
由上述实施例可知，采用本发明方法可快速、便捷、定量地评价混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂性。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂性评价方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，1)将混凝土浇筑在设置有加热棒的温度试验组围护体中，将温度试验组围护体置入温度试验组保温箱中，温度试验组保温箱内设置温度传感器一；2)将混凝土浇筑在不设置加热棒的对比组围护体中，将对比组围护体置入对比组保温箱中，对比组保温箱内设置温度传感器二；3)按照预设的加热棒的升降温模式启动或关闭加热棒，同步启动温度试验组保温箱中的温度传感器，实时记录温度试验组保温箱中的温度与加热棒温度，待预设的加热棒的升降温模式执行完毕后，记录温度试验组围护体中混凝土的裂缝宽度W1、长度L1；启动对比组保温箱中的温度传感器，实时记录对比组保温箱中的温度，在观察并记录W1和L1的相同时刻，记录对比组围护体中混凝土的裂缝宽度W2、长度L2；4)按照如下公式计算并表征混凝土的抗裂指数K：
<mrow>
<mi>K</mi>
<mo>=</mo>
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<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
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<mo>(</mo>
<mfrac>
<mrow>
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<mo>,</mo>
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<mi>W</mi>
<mn>1</mn>
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<mi>L</mi>
<mn>1</mn>
</mrow>
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<mi>W</mi>
<mn>2</mn>
<mo>&times;</mo>
<mi>L</mi>
<mn>2</mn>
</mrow>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
5)按照预设标准，判断混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂等级；所述步骤5)中按照预设标准，判断混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂等级，具体为，当0≤K<1时，混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂等级为I级；当1≤K<2时，混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂等级为II级，混凝土的收缩应力开裂为主，温度应力开裂次之；当K≥2时，混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂等级为III级，混凝土的温度应力开裂为主，收缩应力开裂次之。
2.根据权利要求1所述的混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂性评价方法，其特征在于，温度试验组围护体、对比组围护体的内部分别设置有约束器，通过温度试验组围护体、对比组围护体表面预设的约束器孔道分别对约束器进行固定；将加热棒通过温度试验组围护体上预留的加热棒孔道安装于温度试验组围护体内。
3.根据权利要求2所述的混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂性评价方法，其特征在于，所述约束器为圆柱状，约束器根部直径为7～13mm，约束器根部以上表面设置倒刺型结构。
4.根据权利要求3所述的混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂性评价方法，其特征在于，所述加热棒的升降温模式具体为：升温阶段4～6℃/8h，连续升温3天；降温阶段2～4℃/8h，连续降温4天。
5.一种实现权利要求1所述方法的混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂性评价装置，其特征在于，包括温度试验组围护体及温度试验组保温箱、对比组围护体及对比组保温箱、温度传感器一、温度传感器二、控制器；温度试验组围护体置于温度试验组保温箱的内部，温度试验组围护体内部设置温度传感器一，温度试验组围护体内部用于填充混凝土，并在温度试验组围护体内部设置加热棒；对比组围护体置于对比组保温箱的内部，对比组保温箱的内部设置温度传感器二，对比组围护体内部用于填充混凝土；温度传感器一、温度传感器二、加热棒分别与控制器连接，温度传感器一用于测量温度试验组保温箱内部的温度，温度传感器二用于测量对比组保温箱内部的温度；控制器用于控制加热棒的升降温模式，同时用于接收温度传感器一和温度传感器二的测量数据，记录温度试验组围护体中混凝土的裂缝宽度W1、长度L1，记录对比组围护体中混凝土的裂缝宽度W2、长度L2，并计算混凝土的抗裂指数K，判断混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂等级。
6.根据权利要求5所述的混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂性评价装置，其特征在于，温度试验组围护体、对比组围护体的内部分别设置有约束器，通过温度试验组围护体、对比组围护体表面预设的约束器孔道分别对约束器进行固定；将加热棒通过温度试验组围护体上预留的加热棒孔道安装于温度试验组围护体内。
7.根据权利要求6所述的混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂性评价装置，其特征在于，温度试验组围护体和对比组围护体均为钢材焊接成的封闭体，其尺寸范围均为，长600～1000mm，宽500～700mm、高80～120mm。
8.根据权利要求7所述的混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂性评价装置，其特征在于，所述约束器分别沿温度试验组围护体和对比组围护体的长度方向设置，相邻约束器的间距为30mm，约束器为圆柱状，约束器根部直径为7～13mm，约束器根部以上表面设置倒刺型结构；所述加热棒为热电偶，加热棒数量5根，相邻加热棒的间距为150mm。
9.根据权利要求7所述的混凝土在温度、收缩耦合作用下的抗裂性评价装置，其特征在于，所述温度试验组保温箱和对比组保温箱均采用角钢焊接成箱型骨架，四周采用可更换的低导热系数的保温材料搭设于箱型骨架上。
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