CN107941612A - 一种测量混凝土早期弹性模量的方法 - Google Patents
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Abstract
一种测量混凝土早期弹性模量的方法，将混凝土原材料按相应配比搅拌，浇入容置空间内，形成试件，保持试件上表面裸露，以模拟环境因素产生的温湿影响；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，将湿度传感器置于环境箱内；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环境箱温、湿度和约束参数，模拟真实环境，待混凝土终凝后拆除定位工装，开始试验，根据下表施加相应龄期的荷载数据并测量混凝土的位移数据；根据测得的试件应变，根据公式计算混凝土不同龄期的弹性模量。本发明可以对混凝土在实际环境条件变化发展条件下的早期弹性模量进行试验。
Description
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早期弹性模量的方法。
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。
弹性模量是混凝土的一个重要力学参数，它的准确与否直接影响着混凝土真实材料性能的掌控、评估，影响着真实应力的大小，甚至影响着施工措施的制定和决策。截止目前，混凝土的弹性模量主要是通过压力试验机测定混凝土圆柱体的经历抗压弹性模量，通过公式计算得到。但是，目前的装置和方法还有如下几个客观的缺点：混凝土只能在恒温和绝湿条件(20℃±2℃)的恒温室进行，不能在混凝土本身温度变化条件下进行试验，得出体现混凝土的真实温度历程的弹性模量；不能进行拉弹性模量的测试试验，目前还是通过压弹性模量来估算拉弹性模量；不能进行早龄期混凝土的弹性模量试验，特别是前3天龄期混凝土的弹性模量测试，严重影响着混凝土的早期性能评估。因此，一种测量混凝土早期弹性模量的装置和方法就成为工程建设所需。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量混凝土早期弹性模量的方法，其可以改进现有水工混凝土早期弹性模量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早期弹性模量进行试验，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：
一种测量混凝土早期弹性模量的方法，它利用一个试验装置，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；在该容置空间内浇筑混凝土，并形成试件，该试件整体呈哑铃状，两端分别被固定夹头和活动夹头夹紧；
将混凝土原材料按相应配比搅拌，浇入容置空间内，形成试件，保持试件上表面裸露，以模拟环境因素产生的温湿影响；
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，将湿度传感器置于环境箱内；
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环境箱温、湿度和约束参数，模拟真实环境，待混凝土终凝后拆除定位工装，开始试验，根据下表施加相应龄期的荷载数据并测量混凝土的位移数据；根据测得的试件应变，根据公式(1)计算混凝土不同龄期的弹性模量：
式中，Δσ是加载试件的应力增量，MPa；Δ1是加载时间段内的位移增量，mm；1是试件的测量标距，mm。
| 5小时 | 10小时 | 15小时 | 20小时 | 25小时 | 30小时 | 35小时 |
| 5Kn | 10Kn | 15Kn | 20Kn | 30Kn | 40Kn | 60Kn |
| 40小时 | 45小时 | 50小时 | 55小时 | 60小时 | 65小时 | 70小时 |
| 70Kn | 80Kn | 100Kn | 100Kn | 100Kn | 100Kn | 100Kn |
| 75小时 | 80小时 | 85小时 | 90小时 | 95小时 | 100小时 | |
| 100Kn | 100Kn | 100Kn | 100Kn | 100Kn | 100Kn |
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，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(2)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(3)计算：
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 (4)
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) (5)
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 (6)
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(7)计算降水量，
Ps＝Pt{1-exp[-(Ta-Tr)/(Tr-Ts)]2}+，Tr≥Ts
Pr＝Pt-Ps (7)
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：本发明测量混凝土早期弹性模量的方法，其可以改进现有水工混凝土早期弹性模量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早期弹性模量进行试验，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早期弹性模量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早期弹性模量的方法采用的实验装置的定位件的结构示意图。
图4是本发明测试混凝土抗裂性能的方法中混凝土温度和受力过程曲线。
图5是本发明测试混凝土抗裂性能的方法中混凝土约束阀值和受力过程线图。
图6-图11是本发明一个实施例的早龄期不同龄期混凝土的弹性模量测试图。
图12是本发明一个实施例的早龄期时混凝土的弹性模量试验值。
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早期弹性模量的方法，它利用一个试验装置，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。
测量时，将混凝土原材料按相应配比搅拌，浇入容置空间内，形成试件，保持试件上表面裸露，以模拟环境因素产生的温湿影响；
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，将湿度传感器置于环境箱内；
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环境箱温、湿度和约束参数，模拟真实环境，待混凝土终凝后拆除定位工装，开始试验，根据下表施加相应龄期的荷载数据并测量混凝土的位移数据；根据测得的试件应变，根据公式(1)计算混凝土不同龄期的弹性模量：
式中，Δσ是加载试件的应力增量，MPa；Δl是加载时间段内的位移增量，mm；l是试件的测量标距，mm。
| 5小时 | 10小时 | 15小时 | 20小时 | 25小时 | 30小时 | 35小时 |
| 5Kn | 10Kn | 15Kn | 20Kn | 30Kn | 40Kn | 60Kn |
| 40小时 | 45小时 | 50小时 | 55小时 | 60小时 | 65小时 | 70小时 |
| 70Kn | 80Kn | 100Kn | 100Kn | 100Kn | 100Kn | 100Kn |
| 75小时 | 80小时 | 85小时 | 90小时 | 95小时 | 100小时 | |
| 100Kn | 100Kn | 100Kn | 100Kn | 100Kn | 100Kn |
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。
图4是试验混凝土温度和受力过程曲线，下方曲线为力曲线，上方曲线为温度曲线，左边y1轴是力轴，右边y2轴是温度轴；图5为试验混凝土约束阀值和受力过程线，试件位移-力趋势图，平直曲线为位移曲线，弯折曲线为力曲线，图的左边y1轴是试件位移轴，约束阀值为0.004mm，图的右边y2轴是力轴，横轴为时间轴，时间格式：天:小时:分钟。
早龄期试验结果显示，在第一天(到时间轴1:00:00处)，为升温阶段，升温速度为1.5℃/h，从25℃开始升温。第二天到第四天(时间轴1:00:00到4:15:6处)，为降温阶段，降温速度为0.175℃/h，从61℃开始降温。试件断裂大概在4:10:00处，断裂时力大概为15kN，温度为45℃，温度差值16℃。
通过本次的早龄期试验，可以确定的是温度可以按照预设温度过程发生，降温速率和升温速率控制都较好，满足设计需要，温度波动误差范围在0.2℃以内，达到了相关精度要求；实测应力结果显示，在混凝土为4天的早龄期时，可以实测的在有钢筋情况下混凝土断裂时力大概为15kN，基础温差为16℃，该试验真实反映了该试件早龄期的抗拉强度和容许基础温差，可以为工程实际提供重要参考。另外，通过该过程曲线，也可以看出不同早龄期，如1天、2天和3天等更早龄期的混凝土应力大小，为工程建设者提供重要的性能参考。该试验同时真实反映了该配合比下早龄期混凝土的弹性模量，可以为工程实际提供重要参考。另外，通过该过程曲线，也可以看出不同早龄期，如0.5天、1天、2天和3天等更早龄期的混凝土弹性模量大小，为工程建设者提供重要的性能参考。
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。
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(2)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(3)计算：
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 (4)
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) (5)
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 (6)
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(7)计算降水量，
Ps＝Pt{1-exp[-(Ta-Tr)/(Tr-Ts)]2}+，Tr≥Ts
Pr＝Pt-Ps (7)
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。
无论是大坝大体积混凝土结构，还是水闸底板等薄壁结构，裂缝问题一直是困扰工程界的主要问题，特别是早期裂缝。混凝土的抗裂特性不仅与温度因素有关，也与早龄期混凝土的压应力大小、弹性模量的实际大小等综合影响因素相关，而目前对早龄期混凝土的压应力和弹性模量研究较少，特别是前3天龄期时的混凝土压应力和混凝土弹性模量，基本没有试验资料，很难给工程建设者和研究者提供可靠的早龄期混凝土力学特性和弹性模量。针对这一问题，借助国内某在建高坝混凝土结构，利用本发明混凝土开裂全过程仿真试验机，试验早龄期混凝土的压应力大小和弹性模量，为全面认知早龄期混凝土热力学参数、掌握其温度应力特性、准确评价其开裂机理提供可靠的技术支撑。
如6-图12所示，其中图6-图11为早龄期不同龄期混凝土的弹性模量测试图，图12为早龄期时混凝土的弹性模量试验值，从图上可以看出，试验结果数值合理、规律正确。该试验同时真实反映了该配合比下早龄期混凝土的弹性模量，可以为工程实际提供重要参考。另外，通过该过程曲线，也可以看出不同早龄期，如0.5天、1天、2天和3天等更早龄期的混凝土弹性模量大小，为工程建设者提供重要的性能参考。
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，特别是早龄期弹性模量参数随时间发展的过程，还可以模拟混凝土的温度变化过程(恒温、设定温升温降过程)，可以设置不同的约束度度条件(0～100％约束任意约束度)，通过混凝土开裂全过程仿真试验，测试混凝土早龄期的弹性模量。
2、本发明试验装置和方法，可以模拟水工混凝土所处的自然环境气温，反映真实的工程实际环境，包括昼夜温差、寒潮和太阳辐射等，得出真实环境气温条件下的混凝土弹性模量发展过程。
3、本发明试验装置和方法，可以测试出任意龄期下的混凝土弹性模量，特别是早龄期混凝土水化阶段的弹性模量，为早期的混凝土温控防裂提供重要支撑。
4、本发明试验装置和方法，可以试验测试压弹性模量的同时，也可以进行拉弹性模量的测量，为混凝土材料特性的真实掌握提供支撑。
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)
1.一种测量混凝土早期弹性模量的方法，其特征在于，它利用一个试验装置，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；
将混凝土原材料按相应配比搅拌，浇入容置空间内，形成试件，保持试件上表面裸露，以模拟环境因素产生的温湿影响；
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，将湿度传感器置于环境箱内；
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环境箱温、湿度和约束参数，模拟真实环境，待混凝土终凝后拆除定位工装，开始试验，根据下表施加相应龄期的荷载数据并测量混凝土的位移数据；根据测得的试件应变，根据公式(1)计算混凝土不同龄期的弹性模量：
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式中，Δσ是加载试件的应力增量，MPa；Δ1是加载时间段内的位移增量，mm；1是试件的测量标距，mm。
2.根据权利要求1所述的测量混凝土早期弹性模量的方法，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所述的测量混凝土早期弹性模量的方法，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所述的测量混凝土早期弹性模量的方法，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，将月平均气温资料拟合成一条余弦曲线，下式(2)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(3)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
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＝αsS (4)
式中，αs为吸收系数，混凝土表面取0.65。
S＝S0(1 kn) (5)
式中，S0为晴天太阳辐射热，n为云量，k为系数。
日照的影响相当于周围空气的温度增高了ΔTa，
ΔTa＝R/β (6)
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(7)计算降水量，
Ps＝Pt{1-exp[-(Ta-Tr)/(Tr-Ts)]2}+，Tr≥Ts
Pr＝Pt-Ps (7)
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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