CN107918005A - 一种测量混凝土全过程约束度的方法 - Google Patents

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刘毅
张国新
辛建达
张磊
朱振泱
刘有志
侯文倩
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Abstract

一种测量混凝土全过程约束度的方法，将混凝土原材料按照相应配比搅拌，浇入主、辅试验机的容置空间，形成试件，盖好温度模板上盖；将温度传感器分别插入试件中部三等分点，以及环境箱测温孔内；试件中部安装位移传感器，并用定位工装固定，保持其位置恒定；软件测试界面内设定相应的约束度、温度模板以及环境箱的温度历程曲线；待混凝土初凝后拆除定位工装；开始试验，全过程测量约束试件的变形数据；监测自由试件在某时间内的变形量；对约束试件施加荷载，同步监测约束试件在某时间内的变形量，使其变形量满足公式的计算结果。本发明能对混凝土在温度变化发展条件下的全过程约束度进行试验，为掌握混凝土力学性能和防止混凝土裂缝产生提供可靠依据。

Description

一种测量混凝土全过程约束度的方法
技术领域
本发明属于水利水电工程的技术领域，特别是一种测量混凝土全过程约束度的方法。
背景技术
大体积混凝土的裂缝问题一直是困扰国内外工程界的一个重要难题，混凝土裂缝的出现，不但影响着结构的外观质量，也严重影响着工程的使用寿命和安全，进而威胁到人民的生命财产。因此，如何避免裂缝的产生或者降低裂缝发生的可能就成为工程建设者所关心的问题，特别是大体积混凝土结构，温度裂缝是主要的裂缝形式。截止目前，对大体积混凝土的温度裂缝防止主要从如下三方面着手：(1)优化混凝土结构，改善受力特性；(2)材料方面改进，优化混凝土配合比，改善混凝土的材料性能，真实掌握混凝土热力学特性；(3)采取施工措施，降低混凝土温度，防止混凝土产生过大的温差。
温度裂缝是大体积混凝土主要的裂缝形式，而温度应力是产生温度裂缝的主要原因。温度应力的大小与温差和约束密切相关，只有温差没有约束，不会产生应力；只有约束而没有温差，同样不会产生温度应力。因此，除了温差外，约束度也是个非常重要的指标。一般而言，只有温差而没约束不会产生温度应力，只有约束而没温差也不会产生温度应力，故两者缺一不可。
目前的混凝土性能参数试验，都是规范规定的常规试验，并没考虑实际工程中不同部位混凝土所受的约束，更没有考虑约束度对混凝土的约束，更没有考虑混凝土在约束存在情况下的性能参数，尤其是约束存在下混凝土的力学性能参数。因此，为了更好地接近工程实际，一种实现混凝土开裂全过程仿真试验机约束度的装置和方法就成为研究工程实际的混凝土温控防裂所需。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量混凝土全过程约束度的方法，其可以改进现有水工混凝土全过程约束度试验方法的局限和不足，对混凝土在温度变化发展条件下的全过程约束度进行试验，为掌握混凝土力学性能和防止混凝土裂缝产生提供可靠依据。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种测量混凝土全过程约束度的方法，它利用两个相同的试验装置，其中一个为主试验机，另一个为辅试验机；该试验装置包括一底座，该底座上设置有一用于隔绝外界环境的环境箱，该环境箱内设有混凝土试件容置装置；
该混凝土试件容置装置包括固定夹头、活动夹头、两个侧模板，拼合构成一个上端敞口或者上下端均敞口的容置空间，该固定夹头固定设置在该环境箱一端，该活动夹头可沿该容置空间的长度方向的轴线移动地设置在该环境箱另一端，两个侧模板平行置于该固定夹头和活动夹头之间；该环境箱或者该环境箱和该容置空间设置温度传感器和湿度传感器；该环境箱和混凝土试件容置装置还设有温度调节装置和湿度调节装置；
还包括一加载系统；该加载系统包括一反力框架、一传动装置和一带有减速机的伺服电机，该反力框架固定设置在该底座上，将该环境箱包围；该传动装置包括设于该反力框架上的主动丝杠，该主动丝杠末端连接约束轴，该约束轴穿过该环境箱且末端穿与该活动夹头连接，而使得该活动夹头位置固定或在该轴线方向移动；该伺服电机与该主动丝杠连接；该约束轴顶部设有测量顶，该测量顶与该环境箱之间设有位移传感器；该传动装置设有应力传感器；
该温度传感器、湿度传感器、位移传感器、应力传感器连接至测量控制系统的输入端，该温度调节装置、湿度调节装置和该伺服电机均连接至测量控制系统的输出端；
定义约束度的表达式
γR＝ΔεR/εsh (1)
式中，ΔεR是试件被约束住的变形，με；εsh是试件的自由变形，με。
试验时：将混凝土原材料按照相应配比搅拌，浇入主、辅试验机的容置空间，形成试件，盖好温度模板上盖；将温度传感器分别插入试件中部三等分点，以及环境箱测温孔内；试件中部安装位移传感器，并用定位工装固定，保持其位置恒定；软件测试界面内设定相应的约束度γR、温度模板以及环境箱的温度历程曲线；待混凝土初凝后拆除定位工装。开始试验，全过程测量约束试件的变形数据Δεtot；监测自由试件在Δt时间内的变形量Δεsh(可预设为一固定数值)；对约束试件施加荷载，同步监测约束试件在Δt时间内的变形量，使其变形量满足公式(2)的计算结果
Δεtot＝(1-γR)Δεsh (2)
基于上述步骤，保证试件满足公式(1)的约束度定义，进而获取在任意约束度γR的位移发展全过程。
进一步的，所述环境箱内还设有太阳辐射传感器、降雨传感器和风速传感器中的至少一种，分别连接至所述测量控制系统的输入端；所述环境箱内还对应设有太阳辐射调节装置、降雨调节装置和风速调节装置中的至少一种，分别连接至所述测量控制系统的输出端；在测量过程中，根据施工地光照、降雨和风力的实际变化情况，通过测量控制系统调节环境箱内的太阳辐射、降雨和风速。
进一步的，在浇筑所述试件之前，在所述固定夹头和活动夹头之间设置“工”字型的定位件，该定位件的两端分别和固定夹头和活动夹头通过定位销固定连接；并在浇筑试件后3小时拆除该定位件。
进一步的，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(3)为拟合后的计算公式：
式中，Ta为气温，Tam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(4)计算：
式中，Ta d为日气温，Ta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＝αs S (5)
式中，αs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) (6)
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ΔTa，
ΔTa＝R/β (7)
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降水
查询工程所在地气象部门的降水量，通过降水设备和降水量控制器来模拟降水；
并通过公式(8)计算降水量，
Ps＝Pt{1-exp[-(Ta-Tr)/(Tr-Ts)]2}+，Tr≥Ts
Pr＝Pt-Ps (8)
式中Ps为降雪量，Pr为降雨量，Pt为总降水量，Ta为日平均气温，Tr为降雨临界气温，Ts为降雪临界气温。
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。
本发明的有益效果是：本发明测量混凝土全过程约束度的方法，其可以改进现有水工混凝土全过程约束度试验方法的局限和不足，对混凝土在实际环境条件变化发展条件下的全过程约束度进行试验，为掌握混凝土力学性能和防止混凝土裂缝产生提供可靠依据。
附图说明
图1是本发明测量混凝土全过程约束度的方法采用的实验装置的结构示意图。
图2是图1中A处的放大示意图。
图3是本发明测量混凝土全过程约束度的方法采用的实验装置的定位件的结构示意图。
具体实施方式
以下仅以实施例说明本发明可能的实施态样，然而并非用以限制本发明所欲保护的范畴，先予叙明。
如图1、图2所示，本发明提供一种测量混凝土全过程约束度的方法，它利用两个相同的试验装置，其中一个为主试验机，另一个为辅试验机；该试验装置包括一底座1，该底座1上设置有一用于隔绝外界环境的环境箱2，该环境箱2内设有混凝土试件容置装置。
该混凝土试件容置装置包括固定夹头3、活动夹头4、两个侧模板5，拼合构成一个上端敞口或者上下端均敞口的容置空间，该固定夹头3固定设置在该环境箱2一端，该活动夹头4可沿该容置空间的长度方向的轴线移动地设置在该环境箱2另一端，两个侧模板5平行置于该固定夹头3和活动夹头4之间。该环境箱2或者该环境箱2和该容置空间设置温度传感器和湿度传感器。该环境箱2和混凝土试件容置装置还设有温度调节装置和湿度调节装置。
该实验装置还包括一加载系统。该加载系统包括一反力框架6、一传动装置和一带有减速机的伺服电机7，该反力框架6固定设置在该底座1上，将该环境箱2包围。该传动装置包括设于该反力框架6上的主动丝杠，该主动丝杠末端连接约束轴8，该约束轴8穿过该环境箱2且末端穿与该活动夹头4连接，而使得该活动夹头4位置固定或在该轴线方向移动。该伺服电机7与该主动丝杠连接。该约束轴8顶部设有测量顶9，该测量顶9与该环境箱之间设有位移传感器10，该传动装置设有应力传感器11。
该温度传感器、湿度传感器、位移传感器10、应力传感器11连接至测量控制系统的输入端，该温度调节装置、湿度调节装置和该伺服电机7均连接至测量控制系统的输出端。
定义约束度的表达式
γR＝ΔεR/εsh (1)
式中，ΔεR是试件被约束住的变形，με；εsh是试件的自由变形，με。
试验时：将混凝土原材料按照相应配比搅拌，浇入主、辅试验机的容置空间，形成试件，盖好温度模板上盖；将温度传感器分别插入试件中部三等分点，以及环境箱测温孔内；试件中部安装位移传感器，并用定位工装固定，保持其位置恒定；软件测试界面内设定相应的约束度γR、温度模板以及环境箱的温度历程曲线；待混凝土初凝后拆除定位工装。开始试验，全过程测量约束试件的变形数据Δεtot；监测自由试件在Δt时间内的变形量Δεsh(可预设为一固定数值)；对约束试件施加荷载，同步监测约束试件在Δt时间内的变形量，使其变形量满足公式(2)的计算结果
Δεtot＝(1-γR)Δεsh (2)
基于上述步骤，保证试件满足公式(1)的约束度定义，进而获取在任意约束度γR的位移发展全过程。
为了更加准确地模拟施工环境，该环境箱2内还设有太阳辐射传感器、降雨传感器和风速传感器中的至少一种，分别连接至该测量控制系统的输入端。该环境箱2内还对应设有太阳辐射调节装置、降雨调节装置和风速调节装置中的至少一种，分别连接至该测量控制系统的输出端。在测量过程中，根据施工地光照、降雨和风力的实际变化情况，通过测量控制系统调节环境箱2内的太阳辐射、降雨和风速。
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(3)为拟合后的计算公式：
式中，Ta为气温，Tam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(4)计算：
式中，Ta d为日气温，Ta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＝αs S (5)
式中，αs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) (6)
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ΔTa，
ΔTa＝R/β (7)
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降水
查询工程所在地气象部门的降水量，通过降水设备和降水量控制器来模拟降水；
并通过公式(8)计算降水量，
Ps＝Pt{1-exp[-(Ta-Tr)/(Tr-Ts)]2}+，Tr≥Ts
Pr＝Pt-Ps (8)
式中Ps为降雪量，Pr为降雨量，Pt为总降水量，Ta为日平均气温，Tr为降雨临界气温，Ts为降雪临界气温。
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。
为了保持试件一致，如图3所示，在浇筑该试件之前，在该固定夹头3和活动夹头4之间设置“工”字型的定位件12，该定位件的两端分别和固定夹头3和活动夹头4通过定位销固定连接。并在浇筑试件后3小时拆除该定位件12。
以同时浇筑同时控制的辅试验机中的辅试件为标准，主试验机中的主试件和辅试验机中的辅试件原长都为L，由于温度的变化辅试件伸缩量为△L，在这个情况下，按照下面表1(温度变化引起的不同约束度的情况分析表)来进行温度变化引起的不同约束度的情况分析，可以实现不同的约束度，说明该发明方法合理有效。
表1
本发明与现有技术相比，具有下列优点：
1、本发明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，包括温度应力、干缩应力、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，还可以进行不同约束度模拟，实现不同约束度条件下的混凝土热力学特性研究，通过不同约束度条件下的试验，得出混凝土的材料性能参数。
2、本发明试验装置和方法，可以实现混凝土全过程发展过程中不同的约束度，实现自由到全约束的无级变化，即约束系数从0～1任意变化。
3、本发明试验装置和方法，可以直接测得混凝土全过程发展过程中不同约束度的下的混凝土任意龄期的热力学参数。
4、本发明试验装置和方法，可以直接测得混凝土全过程发展过程中不同约束度的下的混凝土任意龄期的温度应力。
5、本发明试验装置和方法，可以直接测得混凝土全过程发展过程中不同约束度的下的混凝土的抗裂特性。
本发明是以所述的权利要求所限定的。但基于此，本领域的普通技术人员可以做出种种显然的变化或改动，都应在本发明的主要精神和保护范围之内。

Claims (4)

1.一种测量混凝土全过程约束度的方法，其特征在于，它利用两个相同的试验装置，其中一个为主试验机，另一个为辅试验机；该试验装置包括一底座，该底座上设置有一用于隔绝外界环境的环境箱，该环境箱内设有混凝土试件容置装置；
该混凝土试件容置装置包括固定夹头、活动夹头、两个侧模板，拼合构成一个上端敞口或者上下端均敞口的容置空间，该固定夹头固定设置在该环境箱一端，该活动夹头可沿该容置空间的长度方向的轴线移动地设置在该环境箱另一端，两个侧模板平行置于该固定夹头和活动夹头之间；该环境箱或者该环境箱和该容置空间设置温度传感器和湿度传感器；该环境箱和混凝土试件容置装置还设有温度调节装置和湿度调节装置；
还包括一加载系统；该加载系统包括一反力框架、一传动装置和一带有减速机的伺服电机，该反力框架固定设置在该底座上，将该环境箱包围；该传动装置包括设于该反力框架上的主动丝杠，该主动丝杠末端连接约束轴，该约束轴穿过该环境箱且末端穿与该活动夹头连接，而使得该活动夹头位置固定或在该轴线方向移动；该伺服电机与该主动丝杠连接；该约束轴顶部设有测量顶，该测量顶与该环境箱之间设有位移传感器；该传动装置设有应力传感器；
该温度传感器、湿度传感器、位移传感器、应力传感器连接至测量控制系统的输入端，该温度调节装置、湿度调节装置和该伺服电机均连接至测量控制系统的输出端；
定义约束度的表达式
γR＝ΔεR/εsh (1)
式中，ΔεR是试件被约束住的变形，με；εsh是试件的自由变形，με；
试验时：将混凝土原材料按照相应配比搅拌，浇入主、辅试验机的容置空间，形成试件，盖好温度模板上盖；将温度传感器分别插入试件中部三等分点，以及环境箱测温孔内；试件中部安装位移传感器，并用定位工装固定，保持其位置恒定；软件测试界面内设定相应的约束度γR、温度模板以及环境箱的温度历程曲线；待混凝土初凝后拆除定位工装；开始试验，全过程测量约束试件的变形数据Δεtot；监测自由试件在Δt时间内的变形量Δεsh(可预设为一固定数值)；对约束试件施加荷载，同步监测约束试件在Δt时间内的变形量，使其变形量满足公式(2)的计算结果
Δεtot＝(1-γR)Δεsh (2)
基于上述步骤，保证试件满足公式(1)的约束度定义，进而获取在任意约束度γR的位移发展全过程。
2.根据权利要求1所述的测量混凝土全过程约束度的方法，其特征在于，所述环境箱内还设有太阳辐射传感器、降雨传感器和风速传感器中的至少一种，分别连接至所述测量控制系统的输入端；所述环境箱内还对应设有太阳辐射调节装置、降雨调节装置和风速调节装置中的至少一种，分别连接至所述测量控制系统的输出端；在测量过程中，根据施工地光照、降雨和风力的实际变化情况，通过测量控制系统调节环境箱内的太阳辐射、降雨和风速。
3.根据权利要求1所述的测量混凝土全过程约束度的方法，其特征在于，在浇筑所述试件之前，在所述固定夹头和活动夹头之间设置“工”字型的定位件，该定位件的两端分别和固定夹头和活动夹头通过定位销固定连接；并在浇筑试件后3小时拆除该定位件。
4.根据权利要求1所述的测量混凝土全过程约束度的方法，其特征在于，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(3)为拟合后的计算公式：
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式中，Ta为气温，Tam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(4)计算：
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式中，为日气温，Ta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＝αs S (5)
式中，αs为吸收系数，也称为黑度系数，混凝土表面一般取0.65。
S＝S0(1kn) (6)
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ΔTa，
ΔTa＝R/β (7)
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降水
查询工程所在地气象部门的降水量，通过降水设备和降水量控制器来模拟降水；
并通过公式(8)计算降水量，
Ps＝Pt{1-exp[-(Ta-Tr)/(Tr-Ts)]2}+，Tr≥Ts
Pr＝Pt-Ps (8)
式中Ps为降雪量，Pr为降雨量，Pt为总降水量，Ta为日平均气温，Tr为降雨临界气温，Ts为降雪临界气温。
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。
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