CN105352876A - 基于真实环境的混凝土开裂全过程试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于真实环境的混凝土开裂全过程试验装置和试验方法，主试验机包括环境箱和设于环境箱中的混凝土试件容置装置，试件放置在混凝土试件容置装置中，一加载系统连接混凝土试件容置装置上的活动夹头；在环境箱中提供模拟的真实环境。本方法包括约束应力、自由变量、弹性模量、变形分离、徐变等试验。本发明可在多种温控措施条件下，试验混凝土从浇筑到硬化全过程中其自身温度应力的发展过程，包括绝热温升、热膨胀系数、弹性模量和徐变等参数随时间发展的过程，还可模拟仿真真实气象环境，对自然因素影响下的温度应力和开裂机理进行仿真。该装置可根据需要设置不同的温度及约束度条件，包括绝热、恒温、设定温升温降过程等。通过混凝土开裂全过程仿真试验，评价混凝土的抗裂性能。

Description

基于真实环境的混凝土开裂全过程试验装置和方法

技术领域

本发明属于水利水电工程技术领域，涉及一种基于真实环境的混凝土开裂全过程试验方法以及采用该方法的试验装置，更具体地，涉及大体积混凝土的开裂全过程仿真试验的方法和装置。

背景技术

长期以来，“无坝不裂”一直是未能解决的世界难题，裂缝的出现影响着大坝结构的外观、性能和安全，最终影响到人民的生命财产。如何减小甚至防止裂缝的产生就成为工程建设者必须考虑的问题。随着相关领域理论及技术研究的进步，大坝混凝土裂缝的研究工作取得了较明显的进展，特别是大体积混凝土温控防裂工作，目前已形成了相对完善的基础理论与方法体系。但鉴于水利水电工程的复杂性，特别是所在地区环境的恶劣性，大坝混凝土裂缝问题仍然没有彻底解决。

导致混凝土产生裂缝的因素很多，结构、材料和施工因素均有可能成为裂缝出现的诱因，但是对于大坝而言，特别是在大温差高海拔地区修筑的大坝，周围气象环境逐渐成为温控防裂控制的重点因素。大气环境不但把整个混凝土工程实时包围着，而且大气环境的变化无常也对工程产生重要的影响，特别是周围环境的温度、湿度、降雨、风速和太阳辐射等因素，严重影响着混凝土裂缝的产生，大气环境影响因素对混凝土裂缝产生的影响规律如何，其影响程度又有多大，目前还没有定论。因此，研制基于真实环境的混凝土开裂全过程试验装置和方法就成为大坝混凝土工程建设所需。

发明内容

本发明的目的在于改进现有混凝土温度应力模拟和裂缝研究中的局限和不足，提供一种从试验角度出发，对混凝土的温度和应力等因素在多变环境条件下的发展全过程进行试验的装置，并且还提供在该装置中进行试验的方法，为防止混凝土裂缝产生提供依据。

本发明的技术解决方案是：

本发明提供的基于真实环境的混凝土开裂全过程试验装置，包括一主试验机，其包括一底座，在该底座上设置有：

一环境箱，至少具有四壁和上盖，形成一个封闭的空间，与周围环境隔开；

一混凝土试件容置装置，其设置在该环境箱中，其包括固定夹头、活动夹头、试件中部固定侧模板，三者拼合构成一个上端敞口或者上下端均敞口的混凝土试件容置空间，所述固定夹头固定设置在该环境箱中，所述活动夹头可沿所述混凝土试件容置空间的长度方向的轴线移动地设置；

在所述环境箱或者所述环境箱中和混凝土试件容置空间设置温度传感器；

一真实环境模拟系统，其至少包括至少一个执行机构：其包括一温度调节装置，其为加热和/或冷却装置，其设置在所述环境箱和混凝土试件容置装置上以提供至少在温度上模拟设定的的真实环境；

一加载系统，包括一框架、一传动装置和一动力装置，所述框架设置在所述底座上，该传动装置包括一直线运动机构，其中的从动件通过所述环境箱的侧壁进入环境箱与所述活动夹头固定而使得该活动夹头位置固定或在所述轴线方向移动，该直线运动机构中的主动件固定在该框架上；所述动力装置设置在所述框架上，连接所述直线运动机构中的该主动件；该动力装置构成加载执行机构；

在所述活动夹头或与活动夹头连接的部件上设置位移/变形传感器感知混凝土试件的变形；在所述直线运动机构上设置应力传感器感知试件承受的负荷；

一计算机，该计算机通过数据线与一控制系统连接，该控制系统包括：控制主试验机真实环境模拟系统各执行机构动作的控制单元；和主试验机中控制混凝土试件加载系统中动力装置动作的控制单元；

所述计算机还通过数据线所述监测环境参数的温度传感器的信号输出端；

所述监测混凝土试件的位移/变形的位移/变形传感器的信号输出端；

所述监测试件应力的应力传感器的信号输出端相连；

所述控制系统的控制信号输出端与各执行机构的控制端相连。

在本发明的具体实施例中，所述各执行机构的控制单元包括：温度控制单元、位移/变形控制单元和加载控制单元。

温度控制单元接受计算机的指令，控制执行机构即加热/冷却装置工作，使得混凝土试件容置空间也可以包括环境箱的温度符合设定的参数。

位移/变形控制单元和加载控制单元一起控制执行机构即加载系统中的动力装置。

计算机中的数据处理系统计算出混凝土试件在所述模拟的真实环境中的包括约束应力、自由变量、弹性模量、变形分离、徐变中至少一种结果并输出。

所述容置空间的横截面形状为：两端是宽度较大长度较短的头部，中间是宽度较小长度较长的中间段，所述头部和中间段通过锥段连接过渡；所述固定夹头和活动夹头与试件中部固定侧模板之间的拼接缝位于该容置空间的中间段范围内。

进一步地，所述试件容置固定装置还可以包括一个上模板，其封闭所述混凝土试件容置空间的所述上端敞口。

所述侧模板和所述活动夹头和/或固定夹头之间的接缝留有间隙，该间隙包括侧模板的端头与所述活动夹头之间的间隙，以保证试件在压缩时侧模板与活动夹头不抵触，还包括侧模板的侧面与固定夹头和活动夹头之间的间隙。

所述侧模板可横向移动地设置在该环境箱中。

在使用中，可以将混凝土直接浇注到所述混凝土试件容置空间中形成试件，也可以将制成的与该试件容置空间形状匹配的试件置于所述混凝土试件容置空间中。

设置在所述环境箱中的所述气温控制系统中的加热和/或冷却装置可以是设置在所述环境箱的箱壁中或封闭的空间中，所述箱壁具有中空腔室，和/或，设置试件容置固定装置中的所述固定夹头、活动夹头和侧模板至少其一具有中空腔室；

各所述中空腔室设置进口和出口与所述加热或冷却装置的介质通道连通，所述执行机构可以是在该加热冷却装置的介质通道上设置的电加热线圈或驱动加热或冷却的介质流动的输送泵，用于在试验中根据需要提供热能或冷能。

在本发明中，模拟真实环境系统中主要的气温控制系统，可以有两部分，一部分是在环境箱体上设置，另一部分在试件容置固定装置上设置。在环境箱上设置，更多的是模拟真实环境中的气温，而在试件容置固定装置上设置，能在短时间内模拟出真实环境中例如混凝土大坝的温度。现有技术中的试验装置中都没有如此全面的气温控制系统。

在本发明中，能够直接将混凝土直接浇注在试件容置固定装置的混凝土试件容置空间中，这样，就可以在模拟的真实环境中测试混凝土从稀态到凝固再到硬化完整过程的膨胀变形和应力的变化，这样，对于例如大坝从浇筑、凝固到硬化过程的应力、应变在不同环境条件下都可以进行测试，获得全面的数据，为大坝的设计、施工提供宝贵的信息。现有技术中的试验装置都没有想到也做不到这种完整过程的测试。当然，本发明提供的试验装置中的试件容置固定装置也可以对已经制成的混凝土试件进行测试。

本发明提供的计算机控制系统基本上为现有技术，在其中实现如下功能：当由于试件在模拟的真实环境中变形而推抵所述活动夹头时，应力传感器采集到应力，通过数据处理系统和数据输出系统的信号输出端与动力装置连接而启动动力装置驱动活动夹头移动直到应力传感器上感测的应力降低到零，所述动力装置停止。

这样的结构可以使得本试验装置实现自由变量等试验。

还有就是在自由变量之后，启动动力装置驱动活动夹头移动而缩小变形量，由所述位移传感器获得位移量，由所述应力传感器获得相应的应力值。

所述真实环境模拟系统除了所述的气温调节装置之外，还可以包括设置所述环境箱中的如下传感器中的至少一种：湿度传感器、太阳辐射传感器、降雨传感器和风速传感器，其与所述计算机连接，所述控制系统连接的所述执行机构，还连接如下执行机构中的全部或部分：湿度调节装置、太阳辐射调节装置、降雨调节装置、风速调节装置。

具体地，可以在所述环境箱的箱壁上设孔，连接管路，该管路连接送气、送汽、送风和喷水装置中的至少一种，相应地构成湿度调节装置、降雨调节装置和风速调节装置；和/或，所述环境箱的箱壁上设孔，在孔中设置模拟太阳照射的灯具构成太阳辐射调节装置。

各个执行机构与所述控制系统关联使得模拟出设定的真实环境。

各个所述调节装置还可以是自成体系，例如温度调节装置，包括加热控制器、温控仪，其连接加热元件和温度传感器而实现加热功能。这样，可以简化控制系统的结构。

进一步地，所述框架为包括两个横梁和两个立柱构成的矩形的框架，一个固定横梁固定在所述固定夹头一侧的所述底座上，两个所述立柱平行地固连所述固定横梁位于所述环境箱两侧，一个微动横梁设置在所述活动夹头一侧的所述底座上，与所述立柱连接，所述动力装置设置在该微动横梁上，由此形成反力框架，所述直线运动机构穿过该微动横梁与活动夹头连接，所述位移/变形传感器和所述应力传感器的支撑部分直接或间接地固定在所述底座上。

本发明提供的框架，两个横梁一个固定在所述底座上形成固定横梁，另一个只是设置在所述底座上与该底座没有固定结构形成微动横梁，且加载系统设置在微动横梁上。

这样，当加载系统向试件施力时，框架会承受很大的应力且可能会有很小的变形，但这种力和变形不会传给底座。因此，位移传感器和力传感器的测量精度不受框架变形的影响，保证很好的测量精度。

所述立柱的材料和截面尺寸为：保证其刚度为承受混凝土最大的强度应力的5-20倍的力而不变形，或者刚度K大于等于2MN/mm；和/或，保证其温度稳定性为在试验的温度范围(例如-20-80℃)内时其温差变形小于10微米。

本发明提供的所述框架，采用立柱横梁式，结构稳定，加之其中的立柱具有足够的刚度和温差变形稳定性，可以很好地保证试验的精度。

进一步地，所述环境箱的所述箱盖上设置视窗，使得试验过程可视化。

所述动力装置优选伺服电机，连接蜗轮减速机传动机构。这样的动力装置使控制精度、反馈速度、效率大提高。

所述直线运动的传动机构采用螺旋传动机构。

在所述底座还设置一提升机构，在所述试件容置固定装置中设置一个底板用于放置试件或在其上浇注试件，该底板连接该提升机构，通过运行该提升机构，能够将试件从混凝土试件容置空间中移入或移出。

本发明提供的试验装置中还可以包括一辅助试验机，该辅助试验机包括一个试件容置腔用于放置与所述主试验机中试验的试件相同的试件，该试件容置腔中设置所述温度调节装置，或者设置所述温度调节装置以及如下调节装置中的至少一种：湿度调节装置、太阳辐射调节装置、降雨调节装置和风速调节装置；该试件容置腔中设置温度传感器，还设置如下传感器中的至少一种：湿度传感器、太阳辐射传感器、降雨传感器和风速传感器，各个所述传感器与所述计算机连接，该控制系统连接所述调节装置而调节所述试件容置腔内环境参数与所述主试验环境箱相同；该试件容置腔中还设置位移/变形传感器以感知试件的变形。

所述控制系统还包括控制所述辅助试验机中真实环境模拟系统各种所述执行机构动作的控制单元。

与主试验装置中一样的试件放入试件容置腔内，使得试件可自由变形。辅助试验机中同样环境中的试件，用于与主试验装置中的试件进行对比。辅助试验机是在试件与机器底板摩擦系数足够小条件下，测量与主试验机同温度条件下辅试件的自由变形。同温度条件平行试验机，使试验数据具备完整性。

本发明提供的试验装置，主要用于混凝土裂缝机理和温度应力试验。可以进行多种温控措施条件下，混凝土从浇筑到硬化全过程中其自身温度应力的发展过程的试验，该过程可包括绝热温升、热膨胀系数、弹性模量和徐变等参数随时间发展的过程；还可以模拟仿真真实气象环境，对自然因素影响下的温度应力和开裂机理进行仿真。该试验装置可根据需要设置不同的温度及约束度条件，包括绝热、恒温、设定温升温降的过程等。通过混凝土开裂全过程仿真试验，评价混凝土的抗裂性能。

使用上述试验装置，基于真实环境的混凝土开裂全过程试验方法，包括以下步骤：

(1)，将混凝土浇注在所述混凝土试件容置空间中，或者将混凝土试件设置在该混凝土试件容置空间中固定装置上；所述试件的两端分别与所述固定夹头和活动夹头固连；

(2)构建一个真实环境模拟系统，通过所述执行机构使得所述环境箱和/或混凝土试件容置装置中的至少温度参数达到设定要模拟的真实环境要求，该环境箱中的环境可以是一个不变的环境，或者是在设定范围内参数变化的环境；

(3)然后在设定的真实环境下进行如下的至少一个试验步骤：

A.自由约束：

试验装置将混凝土试件一端固定，另一端可自由伸缩，在真实环境模拟系统提供设定的真实环境下，对该试件进行自由变量试验，在设定的时间区域(t)内，设定时段采集变形量ε(t)，

当试件出现膨胀或收缩时，设置的应力传感器即显示出应力值，即启动动力装置，使得直线运动机构在变形方向相同的方向运动直至应力传感器显示应力值为零，从位移/变形传感器获得此时的自由变量的数值。

自由约束的具体操作为：试验装置将混凝土试件的两端夹紧，一端固定，一端可控制移动，真实环境模拟条件下，将所述试件可控制端不加荷载，设定时间间隔(t)，根据位移/变形传感器和应力传感器检测的数据，通过控制系统使动力装置动作，从而，使所述试件的自由位移为μ(t)，即为t时刻混凝土的自由变量ε(t)。

测量混凝土的自由变量目的是为混凝土各种变形进行分离。

B.约束应力：

试验装置将混凝土试件的两端夹紧，一端固定，一端可控制移动，即先让试件的与活动夹头连接的一端自由伸缩，当试件在所述真实环境中具有一个伸长量或收缩量后，设定时间间隔(t)，根据位移/变形传感器和应力传感器检测的数据，通过控制系统使动力装置动作，从而，使试件可移动端的位移进行减小，试验不同约束程度情况下的混凝土应力，对该试件进行约束应力试验。

具体操作是：试验装置将混凝土试件的两端夹紧，一端固定，一端可控制移动。真实环境模拟条件下，所述混凝土试件可移动端的自由位移为μ(t)，根据实际需要，通过计算机控制系统、位移/变形控制系统和加载系统，对试件可移动端的位移进行减小，这时所述应力传感器测得各时刻不同约束程度即为约束系数f(t)情况下的混凝土温度应力σ(t)。

可移动端减小的位移为：

f(t)×μ(t)(6)

式中，t为时间，f(t)为t时的混凝土约束系数，μ(t)为混凝土试件可移动端的自由位移。

C.弹性模量：

基于真实环境的混凝土开裂全过程试验装置测量混凝土的弹性模量，在计算机的计算机中设置时间间隔△t，即每隔△t时间测量一次混凝土的弹性模量。

具体地，在计算机中设置时间间隔△t，每隔△t时间间隔，根据位移/变形传感器和应力传感器检测的数据，通过控制系统使动力装置动作，从而，使试件可移动端做一次位移变化，即针对设定的位移变化值(比如2微米)，当试件长度伸长或者缩短长度达到设定位移变化值(比如2微米)时，对试件可移动端做一次位移变化，把这个设定位移变化值压回去或者拉回来，根据应力传感器测出这个位移变化导致的应力变化，对该试件进行弹性模量试验。

具体操作为：每隔△t时间，根据位移/变形传感器和应力传感器检测的数据，通过控制系统使动力装置动作，从而，使试件可移动端做一次位移变化Δμ(t)，其是指试件上一个时刻和这一个时刻的长度之差，得出变形Δε(t)，其是指试件上一个时刻和这一个时刻的长度之差除以试件总长度，根据应力传感器测出的应力变化量为Δσ(t)，则t时刻的混凝土弹性模量为：

$E\left(t\right)=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\σ}\left(t\right)}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}\left(t\right)}---\left(7\right)$

根据设计的时间间隔，计算机控制系统可以自动地测量不同时刻的混凝土弹性模量，即可得到混凝土在整个发展过程的弹性模量。

D.变形的分离

根据混凝土热膨胀系数和温度传感器测得的温度变化，得出混凝土的温度变形，结合测得的自由变形，对该试件进行变形的分离的试验。

变形的分离是指把测得总变形进行分离。因为测得总变形是多种变形混合在一起，有温度导致的变形(如热胀冷缩)，有干缩导致的变形，有自生体积变形，有受力引起的变形等等。这里的分离，比如把单单温度引起的变形那一部分从测得变形里面分离出来，以了解混凝土只在温度作用下的变形情况等等。

具体操作为：首先做自由约束：试验装置将混凝土试件一端固定，另一端可自由伸缩，通过真实环境模拟系统提供设定的真实环境，对该试件进行自由变量试验，在设定的时间区域(t)内，设定时段采集变形量ε(t)。

混凝土1天龄期以后，其热膨胀系数基本就不会再发生变化，一般认为是个常数，该参数也可以通过专用热膨胀系数测试仪测得，这里认为是常数α。根据混凝土热膨胀系数α和温度控制系统测得的温度变化ΔT(t)，可以得出真实环境模拟条件下混凝土的温度变形：

Δε_T(t)＝α·ΔT(t)(8)

结合测得的自由变形ε(t)，进行分离，即可得出其他变形Δε_a(t)，主要包括自生体积变形和干缩变形：

Δε_a(t)＝ε(t)-Δε_T(t)(9)

E.混凝土徐变

根据前述步骤C测得的混凝土弹性模量和前述步骤A测得的自由变形，可计算出不受徐变影响时混凝土应力；根据位移/变形传感器和应力传感器检测的数据，通过控制系统使动力装置动作，从而，使试件的变形为零，这时测得另一应力，根据这两个应力变化,对该试件进行混凝土徐变的试验。

具体操作为：根据得出的混凝土弹性模量E(t)和自由变形ε(t)，可计算出真实环境模拟条件下不受徐变影响时混凝土应力σ(t)：

σ(t)＝ε(t)·E(t)(10)

根据位移/变形传感器和应力传感器检测的数据，通过控制系统使动力装置动作，从而，对混凝土变形进行控制，使其变形为零，这时测得应力为σ₀(t)，则真实环境模拟条件下徐变引起的应力降低为：

σ_c(t)＝σ(t)-σ₀(t)(11)

通过σ_c(t)的大小可以得出混凝土徐变的影响程度，其中t为时间。

F.混凝土开裂全过程

让混凝土试件在设定的温度变化中承受拉应力或者在设定的模拟真实环境中施加拉力直至开裂，获得混凝土开裂的温度变化情况或在设定的真实环境中混凝土试件的抗拉强度或极限拉伸值。

混凝土开裂全过程的具体操作可以是：混凝土温度从起始温度变化到设定温度，试件两端固定、一端施加拉力，当拉应力数据突然减小、位移突然增大、对应时间-应力、时间-变形/位移的曲线上出现突变时，混凝土开裂，获取这时混凝土的相关参数，包括温度、抗拉强度、极限拉伸值。

G.对该试件进行混凝土开裂全过程评价

结合步骤A、B、C、D、E、F的试验数据即试验条件和结果，对在试验设定的模拟真实环境中混凝土试件进行性能评定。

进一步地，结合前面A、B、C、D、E、F至少之一的试验数据和结果，即结合混凝土的相关环境参数如温度、应力、位移和变形，对该试件进行从混凝土试件完好或从浇筑开始直至开裂全过程做出评价。

在该步骤中，可针对工程实际中气象环境变化复杂这一特点，设置多种环境因素变化模型，所述的环境因素参数包括环境温度，另外包括湿度、降雨、风速和太阳辐射中的至少一个。

混凝土的相关参数温度、应力、位移和变形可以作为真实环境温度条件下的开裂指标，为工程设计、施工和建设提供重要的试验参考。

由上述可知，所述的试验装置和方法可以对真实环境条件下混凝土的自由变形进行试验；可以对真实环境条件下混凝土不同约束状态的温度应力进行试验；可以对真实环境条件下混凝土的弹性模量发展过程进行试验；可以对真实环境条件下混凝土的多种变形进行分离试验；可以对真实环境条件下混凝土的徐变进行试验；可以根据真实环境条件下试验得出的混凝土温度、应力、应变等参数的发展过程和开裂过程，对混凝土的开裂全过程进行分析评价，为混凝土的防裂设计提供参考。

所述的真实环境的模拟，是指根据实际工程所在地的水文气象条件，输入环境温度、湿度、降雨、风速和太阳辐射等相关信息，模拟真实的工程气象环境。在该步骤中，可针对工程实际中气象环境变化复杂这一特点，设置多种环境因素变化模型。

本发明提供的方法，还可以从混凝土浇注试件开始直至开裂这样的全过程的各个阶段或各个方面进行试验和评价。

在上述方法中，对于真实环境的模拟，可以采用如下方法：

①环境温度

针对当地的情况而定，即模拟真实环境的当地，将以上月平均气温资料拟合成一条余弦曲线，下式(1)为拟合后的计算公式：

考虑气温年变化，采用下式计算：

$T_a=T_{am}+A_{a}cos\[\frac{\mathrm{\π}}{6}(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_0)\]---\left(1\right)$

式中，T_a为气温，T_am为年平均气温，Aa为气温年变幅，τ为时间(月)，τ₀为气温最高的时间(月)。

考虑气温日变化，采用下式计算：

$T_a^d=T_a+Acos\[\frac{\mathrm{\π}}{12}(t-14)\]---\left(2\right)$

式中，为日气温，T_a为月平均气温，A为气温日变化幅度，t为1天中的时刻(时)根据不同地区的不同季节而定。

②太阳辐射热

混凝土建筑物经常是暴露在太阳辐射之下的，其对混凝土温度有重要影响。单位时间内在单位面积上太阳辐射来的热量是S，其中设被混凝土吸收的部分为R，剩余部分被反射掉，则：

R＝α_s·S(3)

式中，α_s为吸收系数，也称为黑度系数，混凝土表面一般取0.65。

S＝S₀(1-kn)(4)

式中，S₀为晴天太阳辐射热，n为云量，k为系数，这三个数值可由当地气象站给出。

日照的影响相当于周围空气的温度增高了ΔT_a，

ΔT_a＝R/β(5)

式中，β为混凝土表面放热系数，可根据表面粗糙程度和风速计算得出。

③降雨

查询工程所在地气象部门的降雨量，通过降雨设备和降雨量控制器来模拟降雨。

④风速

查询工程所在地的气象部门的风速，启动风速模拟装置，并根据风速可得出混凝土表面散热系数。

本发明提供的基于真实环境的混凝土开裂全过程试验装置可以进行多种温控措施条件下，混凝土从浇筑到硬化全过程中其自身温度应力的发展过程，包括绝热温升、热膨胀系数、弹性模量和徐变等参数随时间发展的过程，还可以模拟仿真真实气象环境，对自然因素影响下的温度应力和开裂机理进行仿真。该装置可根据需要设置不同的温度及约束度条件，包括绝热、恒温、设定温升温降过程等。通过混凝土开裂全过程仿真试验，评价混凝土的抗裂性能。

本装置和方法具有如下优点：

1)本试验装置采用环境箱和混凝土试件容置空间双重结构，能够从试件浇筑开始进行试验，加之能够模拟各种真实环境，能够全面了解混凝土浇注到硬化完整过程的情况，为各个行业混凝土结构给出全面的试验数据。

2)采用了高刚度的反力框架结构，适于混凝土长久徐变试验。

3)采用了浮动框架结构，即两端横梁，一个固定在底座上，一个仅放置于底座上，测量精度更高，系统误差更小。

4)增加了试件自动提升装置，使试件成型及试验之后试件处理过程节省体力，便于操作；

5)增加了试件在试验过程调整约束的功能，在试验过程调整该微调机构可以使试件约束逐渐减少至零；

6)实时跟踪记录数据，采样时间间隔可自由设置；

因此，本装置是广泛适用于矿山、矿业、地下工程、冶金建筑、国防人防、大专院校、交通运输等行业理想的高性价比的试验设备。

下面通过附图和实施例对本发明做进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明提供的试验装置的结构示意图。

图2为本发明提供的试验装置中的主试验机的外部结构的结构示意图。

图3为本发明提供的主试验机的内部结构的结构示意图。

图4为图3的A部局部放大结构示意图。

图5为图3所示主试验机的去除环境箱的箱盖22和上模板314后的俯视结构示意图。

图6为图5的A部局部放大结构示意图。

图7为位移传感器设置结构示意图。

图8为侧模板中介质循环线路结构示意图。

图9为介质加热流程示意图。

图10为加热装置的一个实施例的结构示意图。

图11为本发明基于真实环境的混凝土开裂全过程试验的控制原理图。

图12为另一种控制原理图。

图13为本发明的功能示意图。

图14为基于真实环境的气温和混凝土应力过程线。

具体实施方式

本发明提供的基于真实环境的混凝土开裂全过程试验装置如图1所示，包括一个主试验机A和一个辅助试验机B。还设有计算机D，计算机D通过数据线L与一控制系统D1连接，该控制系统D1包括：

1.主试验机A和辅助试验机B中控制真实环境模拟系统各种执行机构的控制单元；

2.主试验机A中控制混凝土试件加载的执行机构的控制单元即加载系统中的动力装置的控制单元。

计算机D的数据线L还连接：

1.主试验机A和辅助试验机B中监测环境参数的温度传感器的信号输出端；

2.主试验机A和辅助试验机B中监测混凝土试件的位移/变形的位移/变形传感器的信号输出端；

3.主试验机A中监测试件应力的应力传感器的信号输出端。

计算机D的主要功能是：

1.通过计算机D设置要模拟的真实环境的各个参数以及各个参数的变化规律，据此控制模拟真实环境的各个执行单元的动作，还要接受监测环境参数的各传感器回馈的环境参数且据此通过控制单元控制执行机构的操作；

2.通过计算机D设置试验中的各种试验参数，例如：位移/变形传感器和应力传感器的监测时间间隔；

3.设置控制单元指令所述动力装置动作与所述位移/变形传感器和所述应力传感器的关联关系；

4.通过计算机D中的数据处理系统和数据输出系统输出各个试验中各种试验结果。

一计算机控制系统，包括由前述各传感器组成的采集至少有温度、位移/变形和应力在内的数据采集系统和数据处理和输出系统；各个所述传感器的信号输出端与计算机控制系统的数据处理系统和数据输出系统的相应信号输入端连接，所述数据处理系统和数据输出系统的信号输出端与一执行机构的信号输入端连接，该执行机构包括加载系统中的动力装置和气温调节装置中的加热和/或冷却装置，以调节环境箱和/或混凝土试件容置空间的环境与设定的真实环境一致和/或启动或停止所述动力装置；所述数据处理系统与数据输出系统连接而计算出混凝土试件在所述模拟的真实环境中的包括约束应力、自由变量、弹性模量、变形分离、徐变中至少一种结果并输出。

通过计算机D和控制系统D1与在主试验机A以及辅助试验机B中设置的模拟真实环境的执行机构在试件上和试件所处的环境中模拟出一个设定的真实环境，在该环境中，通过计算机D和控制系统D1通过位移/变形传感器获得试件在不同温度等环境中的变形，再通过计算机D和控制系统D1设置和控制的加载系统对主试验机A中试件施加拉力或压力，完成诸如自由约束、约束应力、弹性模量、变形的分离、混凝土徐变和混凝土开裂全过程的试验，得出在各种模拟环境中混凝土的各种性能参数，辅助试验机B中的相同试块处于自由无约束的状态，该试块的变形等可以作为对比。

下面就本发明提供的试验装置和试验方法做详细描述。

图2示出一种主试验机，其包括底座1，在底座1上设置环境箱2，在底座1上还设有一框架4，在环境箱2中还设置有试件容置固定装置3(见图3、图5)。

如图3所示，环境箱2包括一个上端敞口的箱体21和封闭所述上端敞口的箱盖22，以此构成一个与周围环境隔开的封闭空间，以在其中通过真实环境模拟系统建成试验需要的设定的真实环境。

环境箱2隔绝内部的热量向反力架即框架4及底座1传递，同时也隔绝外部的热量向内部传递，保证了温度控制的易控性，同时避免了设备底座1的热涨冷缩对测量结果的影响。

如图3和图5所示，所述试件容置固定装置3，设置在该环境箱2中，包括固定夹头311、活动夹头312、试件中部固定侧模板313，三者拼合构成一个上端敞口或者上下端均敞口的混凝土试件容置空间31，该容置空间31的横截面形状为：两端是宽度较大长度较短的头部，中间是宽度较小长度较长的中间段，所述头部和中间段通过锥段连接过渡；所述固定夹头311和活动夹头312与试件中部固定侧模板313之间的拼接缝位于该容置空间31的中间段范围内，侧模板313的侧面与活动夹头312留有侧向间隙a1，侧模板31的端面与活动夹头312之间留有端面间隙a2(如图6所示)。混凝土试件容置空间31的形状基本上等于是试件C的形状。

一种试件容置固定装置3的结构为：固定夹头311固定设置在底座1上，活动夹头312可沿所述混凝土试件容置空间的长度方向的轴线相对于底座1可移动地设置在底座1上；试件容置固定装置3还包括一个上模板314，其封闭所述混凝土试件容置空间31的所述上端敞口。对于上下端均敞口的试件容置固定装置的例子，在该容置空间31中下底面上设一底板即下模板(图中未示出)。上下模板和两侧模板为厚度为70mm的304不锈钢模板共4块。

在使用中，可以将混凝土直接浇注到所述混凝土试件容置空间31中的底板上形成试件C，也可以将制成的与该试件容置空间形状匹配的试件C置于容置空间31中的底板上。在底板下面设置支撑座31-1(见图5)。

如图5和图6所示，为了保证侧模板313的重复定位精度，其安装固定方式采用T型槽导向方式，在侧模板313外侧面固设侧模滑块313-1，在环境箱2中相应位置固设T型槽固定块313-2，侧模滑块313-1可滑动地固定在T型槽固定块313-2上的T型槽中，使得侧模板313可以在垂直于容置空间31的纵向轴线的侧向移动，环境箱侧壁上安装一螺杆313-3，螺杆313-3螺接在侧模滑块313-1上，螺杆313-3上固设一调节手轮313-4。旋转调节手轮313-4，通过侧模滑块带动侧模板313沿T型槽在环境箱2中左右滑动。

如图6所示，侧模板313侧面与活动夹头312间的最大调节距离a1为10mm，脱模时可将侧模板313向外侧调到距离最大。侧模板313端部与活动夹头间的间隙a2为5mm，保证试件在压缩时侧模板313与活动夹头312不抵触。上模板314和下模板也就是底板与侧模板313之间无间隙，保证试件C在制作时水泥不挤出，侧模板313端部与活动夹头的间隙a2在制作试件C时用一段很薄的铜片垫住即可。

如图3所示，还包括一脱模装置，该底板的下底面上连接一升降装置，该升降装置连接一顶出减速电机32，可以通过该顶出减速电机32将底板顶出容置空间31而方便地取出混凝土试件C。

具体地，脱模采用丝杆自动顶出装置，安装在试件底部的两端，通过顶出减速电机32带动链轮链条传动到丝杆螺母，螺母旋转丝杆升降带动顶杆升降，用于将试件C顶出，最大顶出距离150mm。顶杆与底模板即底板处安装有防尘密封件，防止灰尘及杂物掉落到间隙内。底板或下模板处的顶杆过孔采用不锈钢管与底模焊接形式，保证液体不会渗漏。试件顶出前需旋转侧模板调节手轮313-4将侧模板313移开一些间隙。

试件容置空间31的形状使得试件在夹头部分形状为骨头状，具有大圆角过渡，保证试件在有效长度内发生断裂。

设置在所述底座1上的框架4，如图2、图3、图4和图5所示，框架4包括两根立柱41、一固定横梁42和一微动横梁43，组成一矩形框，立柱41与容置空间的纵向，也就是混凝土试件的轴线方向平行，两横梁分别固定在两立柱的两端。固定横梁42固定在底座1上，微动横梁设置在底座上，但与底座之间没有固定结构。

立柱41的材料和截面尺寸为：保证其刚度为承受混凝土最大的强度应力的5-20倍的力而不变形，或者刚度K大于等于2MN/mm；再有，立柱的材料和截面尺寸还保证其温度稳定性为在温度为-20-80℃时其温差变形小于10微米。

一直线运动机构设置在该微动横梁43上，具体的，如图4和图5所示，直线运动机构为一滚珠丝杆螺母组件构成的螺旋机构44，螺旋机构中的螺母441通过螺母套442穿过浮动横梁43固定在约束轴443上，约束轴443穿过环境箱2的侧壁连接在活动夹头312的端面上，使得该活动夹头312位置固定或在所述轴线方向移动；与螺母441螺接的螺杆444可转动地固定在微动横梁43上。

在约束轴443和环境箱2之间设置位移/变形传感器443-3，具体地，在约束轴443上设置测量顶板443-1，在环境箱2外侧壁上设置支撑座443-2，在该支撑座443-2上设置位移/变形传感器443-3，该位移/变形传感器443-3的感测部件抵在测量顶板443-1上。在螺母441上连接应力传感器441-1，其上的感测部件抵在支撑座或约束轴443上而感测应力。

位移/变形传感器443-3的这种设置方式可以使其不会受到动力装置对试件加载的影响而降低检测精度。这是因为框架4中的微动横梁43与底座1没有固连，动力装置拉压试件的反力不会传到底座1上，位移/变形传感器443-3固定在环境箱上等于是固定于底座1上，所以不会受到影响。

如图4和图7所示，位移/变形传感器443-3安装在试件的两端，呈对称布置，各于2路精度±1μm，同样辅助试验B机中亦然。主试验机位移/变形传感器范围：±100μm，辅助试验机位移/变形传感器范围：±2000μm。

支撑座443-2安装在底座1上，实验室环境温度不变时，位移/变形传感器测量端与试件固定端的相对位置不会变化，理论上无误差。

具体到一个具体实施例，所述约束轴443、活动夹头312和固定夹头311均采用高刚度的因瓦钢，该材料线性膨胀系数极小仅为(-20-100℃)1.4x10-6/℃，对整个装置的影响仅为0.000924mm/℃,可在实验结果中扣除此误差，结果更精确；活动夹头312下面与底座1之间采用高精度滑轨装置，保障了测试精度。

一加载系统，包括一动力装置，该动力装置设置在所述框架4上，具体的，动力装置为如图4、图5所示，设置在微动横梁43上。动力装置包括斜齿轮-蜗轮蜗杆、减速比达到650的减速机445和减速机所连接的伺服电机446，该动力装置受控于计算机计算机连接的加载控制单元，使其启动和停止并限定其转向。而加载控制单元是根据所设置的位移/变形传感器和应力传感器发出的信号，根据具体试验的要求控制伺服电机446的启动和停止等参数的。

与螺母441螺接的螺杆444的螺距为12mm。如此的直线运动机构，单个脉冲位移量仅为0.007μm，伺服电机带闭环反馈，大大提高了加卸载精度，即使阈值设置在1μm也能轻松应对。

所述动力装置优选伺服电机，连接蜗轮减速机传动机构。这样的动力装置使控制精度、反馈速度、效率大提高。

因为要用本试验装置做长期徐变试验(加载力不变)，采用全伺服电机硬齿面蜗轮减速机驱动方式，比步进电机加载应力控制的准确度大大提高。在实验过程中，混凝土变形很小，伺服电机446与减速机445相配使用，而伺服电机446速度无级可调，加载步长可任意选择，故位移控制准确度比步进电机高；传动方式用滚珠丝杠，比普通丝杠精度高，传动效率也高得多(95％)，传动采用滚动摩擦，使用寿命长。

所述框架4采用45钢制造，设计成一端固定横梁一端浮动的微动横梁的连接结构，在受力时其变形不会对位移测量产生干扰，不会引入测量误差。

加载时因反力架即所述框架浮动端即微动横梁移动，而固定端即固定横梁与试件固定参考端不动，位移/变形传感器测量顶板与试件固定端相对位置不动，所以不会引入测量误差。

框架结构采用立柱横梁式，重量约4吨，可以适应长期徐变试验要求试验机本身的刚度要求，(刚度K≥2MN/mm)。

具体地，当加载框架承受200KN载荷时，最大应力点约为60MPa，远远小于材料屈服强度和抗拉强度。当加载框架承受200KN载荷时，框架中固定横梁和微动横梁向外侧弯曲，两侧立柱拉长并由于弯矩的作用向内弯曲，轴向总变形量为0.04655+0.04670＝0.09325mm，刚度为200000/0.09325＝2144772N/mm＝2.14MN/mm。当加载框架承受200KN载荷时，框架最小安全系数为6.49。

本发明提供的所述框架，采用立柱横梁式，结构稳定，加之其中的立柱具有足够的刚度和温差变形稳定性，可以很好地保证试验的精度。

固定夹头311、活动夹头312及两端的约束轴443均采用因瓦钢4J36制造，约束轴443的直径150mm，因瓦钢的弹性模量大，线性膨胀系数很小，在20-100℃范围内的平均线性膨胀系数只有1.4x10^-6/℃,对测量有影响的零件长度为660mm，故对实验的结果影响为0.000924mm/℃,并且在-80-100℃时基本不变，对实验结果影响可计算或测量，测量结果更精准。

所述环境箱的所述箱盖上设置视窗，使得试验过程可视化。

图11给出了本发明提供的试验装置中的一个实施例中的基于真实环境的混凝土开裂全过程试验的控制原理图。

如图11所示，本发明提供的试验装置还包括一计算机D和控制系统D1，控制系统D1包括：主试验机A和辅助试验机B中控制真实环境模拟系统各种执行机构动作的控制单元；以及，主试验机A中控制混凝土试件加载的执行机构动作的控制单元即加载系统中的动力装置的控制单元。

所述计算机D通过数据线L与控制系统D1相连，同时，计算机D还通过数据线L与监测环境参数的温度传感器的信号输出端、监测混凝土试件位移/变形的位移/变形传感器的信号输出端、监测试件应力的应力传感器的信号输出端相连；

所述控制系统D1的控制信号输出端与各执行机构的控制端相连。

所述各执行机构的控制单元包括：温度控制单元、位移/变形控制单元和加载控制单元，计算机D给出指令，控制系统D1控制各执行机构动作即：加热或冷却，加载机构动作以设定方向加载或卸载，让试件C自由变形或可控地变形，而执行机构动作的起始、动作方向和停止受控于计算机D接受位移/变形传感器的信号而对加载控制系统发出的指令。计算机D中的数据处理系统对于从各个传感器得到的信息根据具体试验进行数据处理，计算出试验结构和/或绘制出参数曲线输出。

有温度控制单元控制的环境箱2中以及试件容置固定装置3中的加热或冷却装置可以是，在组成容置固定装置的固定夹头311、活动夹头312和侧模板313内部设置空腔，通过该空腔与外界连接管路向空腔中通入加热介质或冷却介质。以一个侧模板313为例，如图8所示，，在侧模板313的内部空腔中设置导流栅格，形成曲折流道，内部导流栅格同时起到加强筋作用，保证长时间加卸载试验后不变形。又如上模板314也是这样的结构，如图3所示，该空腔在一端设置介质入口313-5，在另一端设置介质出口313-6。介质入口和出口连接介质加热或冷却装置，如图9和图10所示。侧模板313的介质入口上的接管313-5连接一泵313-7的出口，泵313-7的入口接管连接一恒温箱313-8的出口，其中设置制冷管313-9，连接制冷装置，制冷装置中的压缩机制冷剂采用R502无毒无害，对环境无污染。在恒温箱313-8中设加热冷却介质采用40％乙二醇水溶液，冰点温度-25℃。恒温箱313-8的入口连接侧模板313的介质出口接管。在泵313-7的入口管上设置加热线圈313-10。

如图9所示的加热/冷却装置，根据试验需要向侧模板、上模板以至于固定夹头、活动夹头乃至环境箱2中的箱壁等处的空腔中输送加热介质或冷却介质。该加热或冷却装置中的泵313-7、连接制冷管313-9的制冷装置和加热线圈313-10即为执行机构，其受控于计算机D中设定的温度参数。为了能够简化计算机的结构，也可以将温度控制单元全部或部分地从计算机D中分离出来，其流程图就可以从图11变为图12。

加热线圈313-10的加热系统如图10所示，加热管也就是泵313-7上的入口管313-12上接温度传感器a，该温度传感器a的信号输出端连接温控仪b的信号输入输出端，该温控仪b的温度数据传送端连接加热控制器c的相应的信号IO端，根据温控仪b传送的温度数据，加热控制器c对加热线圈313-10输出适合的电压、电流，使得加热线圈313-10发热，对外体现设定温度，提供设定的真实环境的模拟。

如果要提供低温，加热装置停止工作，冷却装置启动，制冷管313-9中循环制冷剂，冷却恒温箱中的介质d乙二醇水溶液，泵313-7工作，向固定夹头、活动夹头和侧模板的空腔内输送冷却介质，也可以同时向环境箱中设置的换热器中输送。泵313-7作为执行机构，其启动和停止以及转速受到温度控制单元的控制，提供所需要的温度。

为了测定试件的温度，可以将温度传感器插设在试件中，一般的将监测试件的温度传感器插设在试件的轴心线处。为此，在侧模板313以及固定夹头和活动夹头等各个模板上均可以有模板测温孔1个，如图1所示的实施例中，侧模板上设一个测温孔313-11。上模板314-1另布置有三个试件测温孔314-2，用于将温度传感器插装到试件C内部或表面，温度传感器分布在试件长度1/4、1/2和3/4处。

上模板上设置有上模板提手314-2。

上模板平放置在试件上方，可以自由拆卸与安装，循环液连接处介质入口313-5和介质出口313-6采用软管连接，拆卸与安装时不用拆卸软管，保证密封可靠不漏液。

为保证温度传递均匀，模板内部的栅格结构，限制液体在内部的流动形态，试件的上下左右四块空心模板内部为同程循环液；PID精确计算控制加热与制冷装置，保证精细的冷热补偿，控制输入模板循环液的流量，使循环液的温度满足试验的各种要求。

使环境箱的温度满足试验的各种要求。环境箱壳体采用不锈钢材质，内部填充保温材料，密封严实无变形，厚度为150mm。

保温环境箱将试件、模板、夹头及部分约束轴包裹在内部。

除了含制冷机组、加热装置之外，还可以包括空气加湿装置即加湿器、降雨装置即喷淋装置、风速装置即风扇装置，其原理图如图12所示。

真实环境模拟系统还包括太阳辐射装置即电灯泡。

模拟大气自然环境，上述各装置设置在环境箱中，例如，环境箱2的箱壁上设孔，连接管路，该管路连接送气、送汽、送风和喷水装置中的至少一种。所述环境箱的箱壁上设孔，在孔中设置模拟太阳照射的灯具构成太阳辐射调节系统。在环境箱中设置湿度传感器、风速传感器和太阳辐射传感器。

相对应地，为了模拟真实环境，除了温度控制单元之外，还设置了湿度控制单元控制加湿器的启闭或加湿强度；设置降雨控制单元控制喷淋装置的启闭和流量；设置风速控制单元控制风扇的启闭和转速，设置太阳辐射装置控制单元控制电灯泡的启闭和亮度。这些控制装置也可以同时设置在辅助试验机B中。

上述的执行机构的控制单元可以都包含在控制系统D1中，其流程图如图11和图12所示。

如果要增加太阳辐射的模拟，可以在环境箱上开孔，设置电灯泡。

各个控制单元与计算机D的关联关系以太阳辐射为例说明如下：电灯泡的开关即为执行机构，相应地，在环境箱中设置太阳辐射传感器，控制系统D1中或单独地设置太阳辐射控制单元关联开关，该太阳辐射控制单元又受控于计算机D中设定的真实环境参数而执行闭合和断开以及强弱调节等操作。

计算机D根据设定的真实环境模拟系统的各个参数与相关传感器采集的数据比对结果，给各个控制单元指令，或启动或停止各个执行机构或调整其程度。由此，即可在环境箱中模拟出各种真实环境，让试件的各种试验在特定的环境中进行。

计算机D通过采集包括温度传感器、位移/变形传感器和应力传感器的信息，可以进行如图13所示的试验功能：约束应力、自由变量、弹性模量、变形分离和混凝土徐变，如果试块是直接将混凝土浇注在试验机中，就可以对于混凝土进行从凝固到开裂全过程的试验和评价。

在本发明中，模拟真实环境系统中主要的气温控制系统，可以有两部分，一部分是在环境箱体上设置，另一部分在试件容置固定装置上设置。在环境箱上设置，更多的是模拟真实环境中的气温，而在试件容置固定装置上设置，能在短时间内模拟出真实环境中例如混凝土大坝的温度。现有技术中的试验装置中都没有如此全面的气温控制系统。

在本发明中，能够直接将混凝土浇注在试件容置固定装置的混凝土试件容置空间中，这样，就可以在模拟的真实环境中测试混凝土从稀态到凝固再到硬化全过程的膨胀变形和应力的变化，这样的测试对于例如大坝从浇筑、凝固到硬化全过程的应力、应变在不同环境条件下都可以进行测试，获得全面的数据，为大坝的设计、施工提供宝贵的信息。现有技术中的试验装置都没有想到也做不到这种全过程的测试。当然，本发明提供的试验装置中的试件容置固定装置也可以对已经制成的混凝土试件进行测试。

如图1所示，本发明提供的试验装置中的辅助试验机F，包括一个环境箱，即包括一个试件容置腔用于放置与所述主试验机中试验的试件相同的试件，作为一个实施例，该试件容置腔中设置所述温度调节装置，也设置湿度调节装置、太阳辐射调节装置、降雨调节装置和风速调节装置；该试件容置腔中设置温度传感器，还设置湿度传感器、太阳辐射传感器、降雨传感器和风速传感器，各个所述传感器与所述计算机连接，该控制系统D1连接所述调节装置而调节所述试件容置腔内环境参数与所述主试验环境箱相同；该试件容置腔中还设置位移/变形传感器以感知试件的变形。

辅助试验箱中的环境参数与主试验箱相同，其中设置一个放置试件的底面，使得试件可自由变形，其中设有真实环境模拟系统，该模拟系统至少包括一气温调节系统，其是设置在所述环境箱中和/或试件上的加热或冷却装置；还包括温度传感器和位移/变形传感器，所述温度传感器设置在所述试件上和/或环境箱中；所述位移/变形传感器设置在试件上，与主试验箱相同；各个所述传感器的的信号输出端与计算机相关联。

辅助试验机且在试件与机器底板摩擦系数足够小条件下，测量与主试验机同温度条件下辅试件的自由变形，同温度条件平行试验机，使试验数据具备完整性。

本发明提供的试验装置，基于真实环境的混凝土开裂全过程试验装置和方法是通过以下方式加以实现的：

(1)在混凝土试验试件制作完成和相应设备准备完成条件下，启动计算机控制系统即计算机，进行相关参数设置；开启真实环境模拟系统，填写工程所在地的月平均气温、水温、云量、晴天太阳辐射热、云量、纬度和混凝土表面放热系数等参数，根据试验需要启动相关环境因素的模拟，环境温度/湿度/降雨/风速/太阳辐射；

(2)计算机根据各传感器测得混凝土的温度、位移和变形，得出真实环境模拟条件下的混凝土自由变量，测量自由变形的具体操作可以是：试件固定在固定夹头和活动夹头之间，由于温度等变化，当试件出现膨胀或收缩时，设置的应力传感器即显示出应力值，控制系统即启动动力装置，使得直线运动机构在变形方向相同的方向运动直至应力传感器显示应力值为零，从位移/变形传感器获得此时的自由变形量，测自由变量为混凝土多种变形(温度变形、自生体积变形和徐变等)进行分离做出准备；

(3)通过计算机、控制系统如温度控制单元、位移/变形控制单元、加载控制单元和相应传感器，对试件可移动端的自由变形进行控制，根据自由变形和控制减小的变形，可测得真实环境模拟条件下各时刻不同约束程度情况下的混凝土温度应力，包括使位移减小为零时的应力，即全约束条件下的温度应力；

(4)通过计算机、控制系统如温度控制单元、位移/变形控制单元、加载控制单元和相应传感器，对试件可移动端的自由变形进行一次控制，每隔一定的时间间隔，对位移/变形做一次改变，同时采集相应的应力变化，得出该时刻的弹性模量，如此反复，可得到真实环境模拟条件下混凝土在整个发展过程的弹性模量；

(5)根据混凝土热膨胀系数α和数据采集系统得到的温度变化ΔT(t)，可以得出真实环境模拟条件下混凝土的纯温度变形，结合测得的自由变形，即可得出其他变形，主要包括自生体积变形和干缩变形；

(6)根据测得的混凝土弹性模量和自由变形，可计算出真实环境模拟条件下不受徐变影响时混凝土应力，启动计算机控制系统、位移/变形控制单元、加载控制单元和相应的传感器，对混凝土变形进行控制，使其变形为零，这时测得应力和不受徐变影响时的应力之差则为真实环境模拟条件下徐变引起的应力；

(7)启动数据处理系统，结合所有试验数据和数据曲线，当出现应力和位移曲线上出现突变时，表示混凝土开裂，这时刻的混凝土的相关温度、应力、位移和变形参数可以作为真实环境温度条件下的开裂指标，为混凝土抗裂性能评价提供试验参考。

所述自由约束的具体操作为：试验装置将混凝土试件的两端夹紧，一端固定，一端可控制移动，真实环境模拟条件下，将混凝土可控制端不加荷载，通过设定时间间隔(t)的计算机控制系统、位移/变形控制系统和加载系统，使其自由位移为μ(t)，即为t时刻混凝土的自由变量ε(t)。

所述约束应力的具体操作是：试验装置将混凝土试件的两端夹紧，一端固定，一端可控制移动，真实环境模拟条件下，混凝土试件可移动端的自由位移为μ(t)，根据实际需要，通过计算机控制系统、位移/变形控制单元和加载系统，对试件可移动端的位移进行减小，这时所述应力传感器测得各时刻不同约束程度即为约束系数f(t)情况下的混凝土温度应力σ(t)；

可移动端减小的位移为：

f(t)×μ(t)(6)

式中，t为时间，f(t)为t时的混凝土约束系数，μ(t)为混凝土试件可移动端的自由位移。

所述弹性模量具体操作为：具体地，在计算机控制系统中设置时间间隔，每隔时间间隔，通过位移控制系统对试件可移动端做一次位移变化，根据应力传感器测出这个位移变化导致的应力变化，对该试件进行弹性模量试验。

每隔△t时间，通过位移/变形控制系统对试件和加载系统对可移动端做一次位移变化Δμ(t)，得出变形Δε(t)，根据应力传感器测出的应力变化量为Δσ(t)，则t时刻的混凝土弹性模量为：

$E\left(t\right)=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\σ}\left(t\right)}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}\left(t\right)}---\left(7\right)$

根据设计的时间间隔，计算机控制系统自动地测量不同时刻的混凝土弹性模量，即可得到混凝土在整个发展过程的弹性模量。

所述变形的分离具体操作为：首先做自由约束：试验装置将混凝土试件一端固定，另一端可自由伸缩，通过真实环境模拟系统提供设定的真实环境，对该试件进行自由变量试验，在设定的时间区域(t)内，设定时段采集变形量ε(t)。

混凝土1天龄期以后，其热膨胀系数基本就不会再发生变化，一般认为是个常数，该参数也可以通过专用热膨胀系数测试仪测得，这里认为是常数α。根据混凝土热膨胀系数α和温度控制系统测得的温度变化ΔT(t)，可以得出真实环境模拟条件下混凝土的温度变形：

Δε_T(t)＝α·ΔT(t)(8)

结合测得的自由变形ε(t)，进行分离，即可得出其他变形Δε_a(t)，主要包括自生体积变形和干缩变形：

Δε_a(t)＝ε(t)-Δε_T(t)(9)

所述混凝土徐变具体操作为：根据测得的混凝土弹性模量E(t)和自由变形ε(t)，可计算出真实环境模拟条件下不受徐变影响时混凝土应力σ(t)：

σ(t)＝ε(t)·E(t)(10)

启动混凝土位移控制系统，对混凝土变形进行控制，使其变形为零，这时测得应力为σ₀(t)，则真实环境模拟条件下徐变引起的应力降低为：

σ_c(t)＝σ(t)-σ₀(t)(11)

通过σ_c(t)的大小可以得出混凝土徐变的影响程度，其中t为时间。

所述混凝土开裂全过程的具体操作是：混凝土温度从起始温度变化到设定温度，试件两端固定、或施加拉力，当拉应力数据突然减小、位移突然增大、对应时间-应力、时间-变形/位移的曲线上出现突变时，混凝土开裂，获取这时混凝土的相关参数，包括温度、抗拉强度、极限拉伸值。

评价的具体操作是：结合前面A、B、C、D、E的试验数据和结果，混凝土温度变化到设定程度，当拉应力数据突然减小、位移突然增大、对应曲线上出现突变时，混凝土开裂，这时混凝土的相关参数温度、应力、位移和变形可以作为对该试件进行混凝土开裂全过程评价。

对于真实环境可以用如下方法设定：

①环境温度

针对当地的情况而定，即模拟真实环境当地，将以上月平均气温资料拟合成一条余弦曲线，下式(1)为拟合后的计算公式：

$T_a=T_{am}+A_{a}cos\[\frac{\mathrm{\π}}{6}(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_0)\]---\left(1\right)$

式中，T_a为气温，T_am为年平均气温，Aa为气温年变幅，τ为时间(月)，τ₀为气温最高的时间(月)。

考虑气温日变化，采用下式计算：

$T_a^d=T_a+Acos\[\frac{\mathrm{\π}}{12}(t-14)\]---\left(2\right)$

式中，为日气温，T_a为月平均气温，A为气温日变化幅度，t为1天中的时刻(时)根据不同地区的不同季节而定。

②太阳辐射热

混凝土建筑物经常是暴露在太阳辐射之下的，其对混凝土温度有重要影响。单位时间内在单位面积上太阳辐射来的热量是S，其中设被混凝土吸收的部分为R，剩余部分被反射掉，则：

R＝α_s·S(3)

式中，α_s为吸收系数，也称为黑度系数，混凝土表面一般取0.65。

S＝S₀(1-kn)(4)

式中，S₀为晴天太阳辐射热，n为云量，k为系数，这三个数值由当地气象站给出；

日照的影响相当于周围空气的温度增高了ΔT_a，

ΔT_a＝R/β(5)

式中，β为混凝土表面放热系数，根据表面粗糙程度和风速计算得出。

③降雨

查询工程所在地气象部门的降雨量，通过降雨设备和降雨量控制器来模拟降雨。

④风速

查询工程所在地的气象部门的风速，启动风速模拟装置，以根据风速得出混凝土表面散热系数。

一个具体的试验例子如下：

使用上述试验方法和试验装置对混凝土试块进行了试验，验证基于真实环境的混凝土开裂全过程试验装置和方法的有效性和合理性。试验环境温度取值为某实际工程的近一年的气温实测值，输入计算机，启用试验装置，使得试验环境完全按照这个实测气温变化，试验在这个环境气温条件下，混凝土试块的应力变化情况，研究基于真实环境的混凝土开裂全过程。

从试验得出的试验数据可以看出，环境气温符合工程实际的正弦变化规律，能真实反应实际工程环境；基于这一环境气温条件下的试验温度应力能反映真实的应力变化规律，随温度周期性波动，基于热胀冷缩的效果，环境温度升高、混凝土压应力增大；环境温度降低、混凝土压应力减小拉应力增大，见图14。

Claims (9)

1.一种基于真实环境的混凝土开裂全过程试验装置，其特征在于：包括一主试验机，其包括一底座，在该底座上设置有：

一环境箱，至少具有四壁和上盖，形成一个封闭的空间，与周围环境隔开；

一混凝土试件容置装置，其设置在该环境箱中，包括固定夹头、活动夹头、试件中部固定侧模板，三者拼合构成一个上端敞口或者上下端均敞口的混凝土试件容置空间，所述固定夹头固定设置在该环境箱中，所述活动夹头可沿所述混凝土试件容置空间的长度方向的轴线移动地设置；

在所述环境箱或者所述环境箱和混凝土试件容置空间设置温度传感器；

一真实环境模拟系统，其包括至少一个执行机构：一温度调节装置，为加热和/或冷却装置，其设置在所述环境箱和混凝土试件容置装置中以在温度上模拟设定的真实环境；

一加载系统，包括一框架、一传动装置和一动力装置，所述框架设置在所述底座上，该传动装置包括一直线运动机构，其中的从动件通过所述环境箱的侧壁进入环境箱与所述活动夹头固定而使得该活动夹头位置固定或在所述轴线方向移动，该直线运动机构中的主动件固定在该框架上；所述动力装置设置在所述框架上，连接所述直线运动机构中的该主动件；该动力装置构成加载执行机构；

在所述活动夹头或与活动夹头连接的部件上设置位移/变形传感器感知混凝土试件的变形；在所述直线运动机构上设置应力传感器感知试件承受的负荷；

一计算机，该计算机通过数据线与一控制系统连接，该控制系统包括：控制主试验机中真实环境模拟系统各种执行机构动作的控制单元；和主试验机中控制混凝土试件加载系统中动力装置的控制单元；

所述计算机还通过数据线连接：

监测环境参数的所述温度传感器的信号输出端；

监测混凝土试件的所述位移/变形的位移/变形传感器的信号输出端；

监测试件应力的所述应力传感器的信号输出端相连；

所述控制系统的控制信号输出端与各执行机构的控制端相连。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述容置空间的横截面形状为：两端是宽度较大长度较短的头部，中间是宽度较小长度较长的中间段，所述头部和中间段通过锥段连接过渡；所述固定夹头和活动夹头与试件中部固定侧模板之间的拼接缝位于该容置空间的中间段范围内；和/或，所述试件容置固定装置还包括一个上模板，其封闭所述混凝土试件容置空间的所述上端敞口；和/或，

所述侧模板和所述活动夹头和/或固定夹头之间的接缝留有间隙，该间隙包括侧模板的端头与所述活动夹头之间的间隙，以保证试件在压缩时侧模板与活动夹头不抵触，和/或包括侧模板的侧面与固定夹头和活动夹头之间的间隙；和/或，

所述侧模板可横向移动地设置在该环境箱中。

3.根据权利要求1或2所述的试验装置，其特征在于：所述真实环境模拟系统还包括设置所述环境箱中的如下传感器中的至少一种：湿度传感器、太阳辐射传感器、降雨传感器和风速传感器，所述各传感器的信号输出端与所述计算机连接；和/或

所述执行机构还包括如下执行机构中的全部或部分：湿度调节装置、太阳辐射调节装置、降雨调节装置、风速调节装置；和/或，

还包括一辅助试验机，该辅助试验机包括一个试件容置腔用于放置与所述主试验机中试验的试件相同的试件，该试件容置腔中设置所述温度调节装置，或者设置所述温度调节装置以及如下调节装置中的至少一种：湿度调节装置、太阳辐射调节装置、降雨调节装置和风速调节装置；该试件容置腔中设置温度传感器，还设置如下传感器中的至少一种：湿度传感器、太阳辐射传感器、降雨传感器和风速传感器，各个所述传感器与所述计算机连接，所述控制系统连接所述调节装置而调节所述试件容置腔内环境参数与所述主试验环境箱相同；该试件容置腔中还设置位移/变形传感器以感知试件的变形；和/或，

各所述执行机构的控制单元包括：温度控制单元、位移/变形控制单元和加载控制单元；和/或，

所述控制系统还包括控制所述辅助试验机中真实环境模拟系统各种所述执行机构动作的控制单元。

4.根据权利要求1至3之一所述的试验装置，其特征在于：设置在所述环境箱中的所述气温控制系统中的加热和/或冷却装置是:

设置在所述环境箱的箱壁中或封闭的空间中，所述箱壁具有中空腔室，和/或，设置试件容置固定装置中的所述固定夹头、活动夹头和侧模板至少其一具有中空腔室；

各所述中空腔室设置进口和出口与所述加热或冷却装置的介质通道连通，所述执行机构是在该加热和/或冷却装置的介质通道上设置的电加热线圈或驱动加热或冷却的介质流动的输送泵，用于在试验中根据需要提供热能或冷能。

5.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于：所述环境箱的箱壁上设孔，连接管路，该管路连接送气、送汽、送风和喷水装置中的至少一种，相应地构成湿度调节装置、降雨调节装置和风速调节装置；和/或，所述环境箱的箱壁上设孔，在孔中设置模拟太阳照射的灯具构成太阳辐射调节装置。

6.根据权利要求1至5之一所述的试验装置，其特征在于：所述框架为包括两个横梁和两个立柱构成的矩形的框架，一个固定横梁固定在所述固定夹头一侧的所述底座上，两个所述立柱平行地固连所述固定横梁位于所述环境箱两侧，一个微动横梁设置在所述活动夹头一侧的所述底座上，与所述立柱连接，所述动力装置设置在该微动横梁上，由此形成反力框架，所述直线运动机构穿过该微动横梁与活动夹头连接，所述位移/变形传感器和所述应应力传感器的支撑部分直接或间接地固定在所述底座上；和/或，

两个所述横梁和两个所述立柱构成的所述框架中，所述立柱的材料和截面尺寸为：保证其刚度为承受混凝土最大的强度应力的5-20倍的力而不变形，或者刚度K大于等于2MN/mm；和/或，保证其温度稳定性为在试验的温度范围-20-80℃内时其温差变形小于10微米；和/或，

所述环境箱的所述箱盖上设置视窗，使得试验过程可视化；和/或，

所述动力装置为伺服电机，连接蜗轮减速机；和/或，

所述直线运动机构采用螺旋传动机构；和/或，

在所述底座还设置一提升机构，在所述试件容置固定装置中设置一个底板用于放置试件或在其上浇注试件，该底板连接该提升机构，通过运行该提升机构，能够将试件中移入或移出混凝土试件容置空间。

7.一种使用权利要求1至6所述的试验装置，基于真实环境的混凝土开裂全过程试验方法，包括以下步骤：

(1)将混凝土浇注在所述混凝土试件容置空间中，或者将混凝土试件设置在该混凝土试件容置空间中固定装置上；所述试件的两端分别与所述固定夹头和活动夹头固连；

(2)构建一个真实环境模拟系统，通过所述执行机构使得所述环境箱和/或混凝土试件容置装置中的至少温度参数达到设定要模拟的真实环境要求，该环境箱中的环境是一个不变的环境，或者是在设定范围内参数变化的环境；

(3)然后在设定的真实环境下进行如下的至少一个试验步骤：

A.自由约束：

试验装置将混凝土试件一端固定，另一端可自由伸缩，在真实环境模拟系统提供设定的真实环境下，对该试件进行自由变量试验，在设定的时间区域(t)内，设定时段采集变形量ε(t)，

当试件出现膨胀或收缩时，设置的应力传感器即显示出应力值，即启动动力装置，使得直线运动机构在变形方向相同的方向运动直至应力传感器显示应力值为零，从位移/变形传感器获得此时的自由变量的数值；

B.约束应力：

试验装置将混凝土试件的两端夹紧，一端固定，一端可控制移动，即先让试件的与活动夹头连接的一端自由伸缩，当试件在设定的真实环境中具有一个伸长量或收缩量后，通过设定时间间隔(t)的计算机的控制系统控制执行机构中的所述动力装置，对试件可移动端的位移进行减小，试验不同约束程度情况下的混凝土应力，对该试件进行约束应力试验；

C.弹性模量：

基于真实环境的混凝土开裂全过程试验装置测量混凝土的弹性模量，在计算机中设置时间间隔△t，即每隔△t时间获取即测量一次混凝土的弹性模量；即每隔该时间间隔，通过控制系统中的位移/变形控制单元和加载控制单元控制的执行机构中的所述动力装置对试件可移动端做一次位移变化，即针对设定的位移变化值，当试件长度伸长或者缩短长度达到设定位移变化值时，控制系统中的位移/变形控制单元和加载控制单元控制的执行机构中的所述动力装置对试件可移动端做一次位移变化，把这个设定位移变化值压回去或者拉回来，根据应力传感器测出这个位移变化导致的应力变化，得出该试件的弹性模量。

D.变形的分离

根据混凝土热膨胀系数和温度传感器测得的温度变化，得出混凝土的温度变形，结合步骤A中自然约束中测得的自由变形，对该试件进行变形的分离的试验；

E.混凝土徐变

根据步骤C中测得的混凝土弹性模量和步骤A中测得的自由变形，计算出不受徐变影响时混凝土应力；再通过控制系统中的所述位移/变形控制单元和加载控制单元启动动力装置，使试件的变形为零，这时测得另一应力，根据这两个应力变化,对该试件进行混凝土徐变的试验；

F.混凝土开裂全过程

让混凝土试件在设定的温度变化中承受拉应力或者在设定的模拟真实环境中施加拉力直至开裂，获得混凝土开裂的温度变化情况或在设定的真实环境中混凝土试件的抗拉强度或极限拉伸值；

G.对该试件进行混凝土开裂全过程评价

结合步骤A、B、C、D、E、F的试验数据即试验条件和结果，对在试验设定的模拟真实环境中混凝土试件进行性能评定。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于：

所述自由约束的具体操作为：试验装置将混凝土试件的两端夹紧，一端固定，一端可控制移动，真实环境模拟条件下，将所述试件可控制端不加荷载，通过设定时间间隔(t)的控制系统中的位移/变形控制单元和加载控制单元控制的执行机构中的所述动力装置，使所述试件的自由位移为μ(t)，即为t时刻所述混凝土试件的自由变量ε(t)；

和/或，

所述约束应力的具体操作是：试验装置将混凝土试件的两端夹紧，一端固定，一端可控制移动，真实环境模拟条件下，所述混凝土试件可移动端的自由位移为μ(t)，根据实际需要，通过控制系统中的位移/变形控制单元和加载控制单元控制的执行机构中的所述动力装置，对所述试件可移动端的位移进行减小，这时所述应力传感器测得各时刻不同约束程度即为约束系数f(t)情况下的混凝土温度应力σ(t)；

可移动端减小的位移为：

f(t)×μ(t)(6)

式中，t为时间，f(t)为t时的混凝土约束系数，μ(t)为混凝土试件可移动端的自由位移；

和/或，

所述弹性模量具体操作为：具体地，在所述计算机中设置时间间隔△t，每隔时间间隔△t，通过控制系统中的位移/变形控制单元和加载控制单元控制的执行机构中的所述动力装置对试件可移动端做一次位移变化，根据应力传感器测出这个位移变化导致的应力变化，对该试件进行弹性模量试验：

每隔△t时间，通过控制系统中的位移/变形控制单元和加载控制单元控制的执行机构中的所述动力装置对试件的可移动端做一次位移变化Δμ(t)，得出变形Δε(t)，根据应力传感器测出的应力变化量为Δσ(t)，则t时刻的混凝土弹性模量为：

$E\left(t\right)=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\σ}\left(t\right)}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}\left(t\right)}---\left(7\right)$

根据设计的时间间隔，计算机得出不同时刻的混凝土弹性模量，即可得到混凝土在整个发展过程的弹性模量；和/或，

所述变形的分离具体操作为：首先做自由约束：试验装置将混凝土试件一端固定，另一端可自由伸缩，通过真实环境模拟系统提供设定的真实环境，对该试件进行所述自由变量试验，在设定的时间区域(t)内，设定时段采集变形量ε(t)：

混凝土1天龄期以后，其热膨胀系数基本就不会再发生变化，一般认为是个常数，该参数或者通过热膨胀系数测试仪测得，这里认为是常数α；根据混凝土热膨胀系数α和温度传感器测得的温度变化ΔT(t)，得出真实环境模拟条件下混凝土的温度变形：

Δε_T(t)＝α·ΔT(t)(8)

结合测得的自由变形ε(t)，进行分离，即可得出其他变形Δε_a(t)，包括自生体积变形和干缩变形：

Δε_a(t)＝ε(t)-Δε_T(t)(9)；

和/或，

所述混凝土徐变具体操作为：根据得出的混凝土弹性模量E(t)和自由变形ε(t)，计算出真实环境模拟条件下不受徐变影响时混凝土应力σ(t)：

σ(t)＝ε(t)·E(t)(10)

根据控制系统中的位移/变形控制单元和加载控制单元控制的执行机构中的所述动力装置，对混凝土变形进行控制，使其变形为零，这时测得应力为σ₀(t)，则真实环境模拟条件下徐变引起的应力降低为：

σ_c(t)＝σ(t)-σ₀(t)(11)

通过σ_c(t)的大小得出混凝土徐变的影响程度，其中t为时间；

和/或，

所述混凝土开裂全过程的具体操作是：混凝土温度从起始温度变化到设定温度，试件两端固定、一端施加拉力，当拉应力数据突然减小、位移突然增大、对应时间-应力、时间-变形/位移的曲线上出现突变时，混凝土开裂，获取这时混凝土的相关参数，包括温度、抗拉强度、极限拉伸值。

9.根据权利要求7至8之一所述的方法，其特征在于：

评价的具体操作是：结合所述A、B、C、D、E、F至少之一的试验数据和结果，即结合混凝土的相关环境参数、应力和位移及变形，对该试件进行从混凝土试件完好或从浇筑开始直至开裂全过程中各个阶段或各个方面的评价；

和/或，

在所述方法中，对于真实环境的模拟，采用如下步骤中的至少一个：

①环境温度

针对当地的情况而定，即模拟真实环境的当地，将以上月平均气温资料拟合成一条余弦曲线，下式(1)为拟合后的计算公式：

$T_a=T_{am}+A_{a}cos\[\frac{\mathrm{\π}}{6}(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_0)\]---\left(1\right)$

式中，T_a为气温，T_am为年平均气温，A_a为气温年变幅，τ为时间(月)，τ₀为气温最高的时间(月)。

考虑气温日变化，采用下式计算：

$T_a^d=T_a+Acos\[\frac{\mathrm{\π}}{12}(t-14)\]---\left(2\right)$

式中，为日气温，T_a为月平均气温，A为气温日变化幅度，t为1天中的时刻(时)根据不同地区的不同季节而定；

②太阳辐射热

混凝土建筑物经常是暴露在太阳辐射之下的，其对混凝土温度有重要影响。单位时间内在单位面积上太阳辐射来的热量是S，其中设被混凝土吸收的部分为R，剩余部分被反射掉，则：

R＝α_s·S(3)

式中，α_s为吸收系数，也称为黑度系数，混凝土表面一般取0.65。

S＝S₀(1-kn)(4)

式中，S₀为晴天太阳辐射热，n为云量，k为系数，这三个数值由当地气象站给出；

日照的影响相当于周围空气的温度增高了ΔT_a，

ΔT_a＝R/β(5)

式中，β为混凝土表面放热系数，根据表面粗糙程度和风速计算得出；

③降雨

查询工程所在地气象部门的降雨量，通过降雨设备和降雨量控制器来模拟降雨；

④风速

查询工程所在地的气象部门的风速，启动风速模拟装置，以根据风速得出混凝土表面散热系数。