CN108050983A - 一种用于不同温度下水泥混凝土冻胀变形的测试装置及方法 - Google Patents

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杨树立
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Abstract

本发明涉及一种用于不同温度下水泥混凝土冻胀变形的测试装置及方法。主要解决了现有方法存在测试结果受环境温度影响大精度差的问题。其特征在于：所述容器内冷冻液中置有橡胶密封袋，密封袋内装有测试样品。所述测试方法包括：1）当测试样品达到一定养护时间后，将密封袋放入到冷冻液中；记录流出冷冻液的质量，测试样品与密封袋的初始总体积；2）当橡胶密封袋的外观体积逐渐变大，记录冷冻时间t时由于混凝土冻胀而被挤压出的冷冻液质量；3）记录最终冷冻液流出质量；4）计算出任意时刻t时混凝土因受冻而产生的体积膨胀率及最大膨胀量。该测试方法通过监测混凝土早期冻胀量来评价冻害损伤程度，实时监测混凝土受冻体积变形过程。

Description

一种用于不同温度下水泥混凝土冻胀变形的测试装置及方法
技术领域
本发明涉及工程材料应用技术领域，尤其涉及一种用于不同温度下水泥混凝土冻胀变形的测试方法。
背景技术
水泥混凝土是目前使用最为广泛的土木工程材料，力学强度与体积稳定性是影响这类材料工程应用的最重要性能指标。众所周知，混凝土之所以具有较高强度是由于其中的水泥颗粒与水发生水化反应，而水泥水化反应需要液态水的存在和较长时间养护才能达到设计强度要求；同时，低温环境条件下即便有液态水的存在，水泥水化反应速率也会显著降低、强度增长缓慢。因此，当新拌混凝土处于未经预养护、预养护时间不足、气温急剧下降等条件下受到低温环境作用时，由于水泥石结构尚未完全形成导致混凝土中存在大量可冻结的自由水，而且水泥石强度较低不足以抵抗自由水冻结产生的膨胀力，便会导致混凝土中微裂缝形成扩展而影响混凝土强度和长期性能发展。为了预防混凝土早期受冻破坏，大量研究与实际应用中主要通过掺入防冻剂降低水的冰点、掺早强剂加速水泥水化和强度发展、外部保温养护或额外提供热源以避免或延迟混凝土中自由水冻结等措施加以防范。即便如此，实际工程应用中也会常常出现早期混凝土受冻破坏的现象，因此预防早期冻害是严寒地区混凝土材料领域的重要研究课题。综合国家标准和相关文献，国内外目前普遍采用受冻后继续标准养护混凝土的抗压强度损失率、超声波传播速率和动弹性模量变化等测试方法与指标评价早期冻害对混凝土的不利影响。这些评价方法存在测试过程繁琐、实验工作量大、测试周期长、测试结果受实验操作者与实验环境条件影响大而精度较差等不足之处。同时，从混凝土早期冻害的机理分析，受冻害程度主要与混凝土受冻过程中的体积膨胀量直接相关，因而可以通过监测混凝土早期冻胀量来评价冻害损伤程度，目前国内外尚未有关于这方面的测试方法报道。
发明内容
本发明在于克服背景技术中目前混凝土早期冻害损伤测试方法存在测试过程繁琐、测试结果受实验操作者与环境温度影响大而精度较差的问题，从而提供一种用于不同温度下水泥混凝土冻胀变形的测试方法。该用于不同温度下水泥混凝土冻胀变形的测试方法，通过监测混凝土早期冻胀量来评价冻害损伤程度，能够实时监测混凝土受冻体积的变形过程，具有操作简单、快捷、精度高的优点。
本发明解决其问题可通过如下技术方案来达到：一种用于不同温度下水泥混凝土冻胀变形的测试装置，包括容器，所述容器为带有空腔的双层容器，容器内装有冷冻液，冷冻液中置有橡胶密封袋，橡胶密封袋内装有测试的混凝土样品； 所述橡胶密封袋的装料口塞有橡胶密封塞；容器的靠近顶部位置处设置溢流管，所述溢流管出口端对向量筒，量筒置于精密天平上；容器内壁上安装温度传感器；容器外壁的上部和下部分别设有进口阀和出口阀，容器的顶部设有密封盖；所述容器的外壁为塑料材质，内壁为金属材质。
本发明还提供一种用于不同温度下水泥混凝土冻胀变形的测试方法，包括以下步骤：
1）将测试的混凝土样品装入柔性橡胶密封袋中，并反复摇晃；混凝土样品装满后用橡胶密封塞塞紧橡胶密封袋的装料口；装有混凝土样品的橡胶密封袋放置在恒温室中待用；
2）将容器外壁上的进口阀和出口阀分别与低温恒温箱连接，使设定温度的冷冻液流体介质在容器的夹层内腔中循环流动；同时，在容器的内筒中装入设定温度的冷冻液，直到有冷冻液从溢流管中连续流出；
3）当所有多余的冷冻液从溢流管流出后，将量筒中的残留液体清理干净，并放置在电子天平上并置于溢流管的出口的正下方位置，将电子天平的读数清零；
4）当测试的混凝土样品达到一定养护时间后，将装有混凝土样品的柔性橡胶密封袋缓缓放入到冷冻液中，将密封盖盖在箱体顶部；此时多余的冷冻液便会通过溢流管流入量筒中并通过电子天平记录流出冷冻液的质量为M，已知冷冻液在待测温度条件下的密度为g,则测试的混凝土样品与橡胶密封袋的初始总体积为V=M/g；
5）随着装有混凝土的密封袋在冷冻液中浸泡时间的延长，混凝土孔隙中的自由水逐渐开始冻结膨胀，引起柔性橡胶密封袋的外观体积逐渐变大，因此冷冻液受到挤压便会从溢流管缓缓流出，可以通过电子天平读出在冷冻时间t时由于混凝土冻胀而被挤压出的冷冻液质量m(t),从而可换算出混凝土的冻胀体积变形量为△V(t)=m(t)/g；
6）经过一段冻结时间后，当没有冷冻液从溢流管流出时，表明测试的混凝土样品已经达到冷冻液所设定的温度而不再继续膨胀，这时记录下最终的冷冻液流出质量m m；采用步骤（4）所述的方法测试完全相同的柔性橡胶密封袋和橡胶密封塞浸入冷冻液中可排出冷冻液的质量为M0，则两者的体积总和为V0=M0/g；
7）最终便可计算出任意时刻t时混凝土因受冻而产生的体积膨胀率φ(t)= △V(t)/（V-V0）=m(t)/(M-M0)，在测试温度条件下冻结产生的最大膨胀量为φ m= mm/(M-M0)。
本发明与上述背景技术相比较可具有如下有益效果：采用本发明的用于不同温度下水泥混凝土冻胀变形的测试装置及方法，能够精确而便捷地测定尚未凝结或具有一定机械强度的不同配合比混凝土在负温环境条件下受冻后产生宏观体积变形过程及最终体积膨胀率。该测试过程中冷冻液温度可以任意设定、整个测试过程中混凝土均处于设定好的恒负温环境中而不受到外界扰动，可用于实验室研究和模拟实际温度环境中测试。因此，该测试方法的工作原理简单、测试精度高、操作方便、适用范围广。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1、容器；2、冷冻液；3、溢流管；4、进口阀；5、出口阀；6、温度传感器；7、橡胶密封袋；8、混凝土样品；9、橡胶密封塞；10、密封盖；11、量筒；12 精密天平。
具体实施方式：
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种用于不同温度下水泥混凝土冻胀变形的测试装置，包括容器1，所述容器1为带有空腔的双层容器，容器1内装有冷冻液2，冷冻液2中置有橡胶密封袋7，橡胶密封袋7内装有测试的混凝土样品8 ； 所述橡胶密封袋7的装料口塞有橡胶密封塞9； 容器1的靠近顶部位置处设置溢流管3，所述溢流管3出口端对向量筒11，量筒11置于精密天平12上；容器1内壁中间位置处安装温度传感器6 ；容器1 外壁的上部和下部分别设有进口阀4和出口阀5，容器1的顶部设有密封盖10；所述容器1的外壁为塑料材质，内壁为金属材质；测试的混凝土样品8 为搅拌好的水泥混凝土拌和物。
该用于不同温度下水泥混凝土冻胀变形的测试装置，其中带有空腔的双层壁容器1的上部和下部分别设有进口阀4和出口阀5，通过与低温恒温箱外循环系统的出口与进口连接，可以使设定温度的冷冻液在容器1内外壁之间的空腔中循环流动，使容器1中盛装的冷冻液保持在恒定温度。双层壁容器1的外壁为导热系数较低的塑料材质制成以减少循环冷冻液与外界周围环境之间的热量交换；内壁则为导热系数较高的铁、不锈钢、铜等金属材质，以保证冷冻液与循环冷液的温度保证一致；双层壁容器1的顶部设有密封盖10，可以打开以便装入或取出测试样品，在测试过程中减少冷冻液与外部周围环境之间的热量交换。测试的混凝土样品8密封在由柔性材质制备的橡胶密封袋7中，可以保证受冻过程中混凝土样品自由变形而不受外界约束作用，橡胶密封袋的装料口由橡胶密封塞9塞紧以防冷冻液进入混凝土样品中。在距离容器1的靠近顶部位置10-20mm处设置溢流管3，当容器1中的冷冻液液面高于溢流管所在高度时，多余的冷冻液便会通过溢流管3流动进入到正下方的量筒11中，量筒11中的冷冻液流入量可以通过精密天平12实时监测记录下来。在容器1内壁中间位置处安装温度传感器6可以实时测试冷冻液的温度变化。
应用该用于不同温度下水泥混凝土冻胀变形的测试装置的测试方法，包括以下步骤：
1）将搅拌好的水泥混凝土拌和物装入柔性橡胶密封袋7中，并反复摇晃以确保混凝土拌合物与橡胶密封袋内壁充分接触而不形成空气层，混凝土拌合物装满后用橡胶密封塞9塞紧橡胶密封袋的装料口，使混凝土样品与外界空气或溶液之间完全隔绝；装有混凝土样品的橡胶密封袋放置在恒温室中待用；
2）将容器1外壁上的进口阀4和出口阀5分别与低温恒温箱连接，使设定温度的冷冻液流体介质在容器1的夹层内腔中循环流动；同时，在容器1的内筒中装入设定温度的冷冻液2，直到有冷冻液从溢流管3中连续流出；
3）当所有多余的冷冻液从溢流管流出后，将量筒11中的残留液体清理干净，并放置在电子天平12上并置于溢流管3的出口的正下方位置，将电子天平12的读数清零；
4）当搅拌好的水泥混凝土拌和物达到一定养护时间后，将装有混凝土样品的柔性橡胶密封袋缓缓放入到冷冻液中，将密封盖10盖在箱体1顶部；此时多余的冷冻液便会通过溢流管流入量筒中并通过电子天平记录流出冷冻液的质量为M，已知冷冻液在待测温度条件下的密度为g,则搅拌好的水泥混凝土拌和物与橡胶密封袋7的初始总体积为V=M/g；
5）随着装有混凝土的密封袋在冷冻液中浸泡时间的延长，混凝土孔隙中的自由水逐渐开始结冻膨胀，引起柔性橡胶密封袋7的外观体积逐渐变大，因此冷冻液受到挤压便会从溢流管缓缓流出，可以通过电子天平读出在冷冻时间t时由于混凝土冻胀而被挤压出的冷冻液质量m(t),从而可换算出混凝土的冻胀体积变形量为△V(t)=m(t)/g；
6）经过一段冻结时间后，当没有冷冻液从溢流管流出时，表明搅拌好的水泥混凝土拌和物已经达到冷冻液所设定的温度而不再继续膨胀，这时记录下最终的冷冻液流出质量m m；采用步骤（4）所述的方法测试完全相同的柔性橡胶密封袋7和橡胶密封塞9浸入冷冻液中可排出冷冻液的质量为M0，则两者的体积总和为V0=M0/g；
7）最终便可计算出任意时刻t时混凝土因受冻而产生的体积膨胀率φ(t)= △V(t)/（V-V0）=m(t)/(M-M0)，在测试温度条件下冻结产生的最大膨胀量为φ m= mm/(M-M0)。
该用于不同温度下水泥混凝土冻胀变形的测试装置和测试方法能够精确而便捷地测定尚未凝结或具有一定机械强度的不同配合比混凝土在负温环境条件下受冻后产生宏观体积变形过程及最终体积膨胀率。该测试过程中冷冻液温度可以任意设定、整个测试过程中混凝土均处于设定好的恒负温环境中而不受到外界扰动，可用于实验室研究和模拟实际温度环境中测试。

Claims (5)

1.一种用于不同温度下水泥混凝土冻胀变形的测试装置，包括容器（1），其特征在于：所述容器（1）为带有空腔的双层容器，容器（1）内装有冷冻液（2），冷冻液（2）中置有橡胶密封袋（7），橡胶密封袋（7）内装有测试的混凝土样品(8)； 所述橡胶密封袋（7）的装料口塞有橡胶密封塞（9）； 容器（1）的靠近顶部位置处设置溢流管（3）；容器（1）的内壁上安装温度传感器（6）；容器（1）外壁的上部和下部分别设有进口阀（4）和出口阀（5），容器（1）的顶部设有密封盖（10）。
2.根据权利要求1所述的一种用于不同温度下水泥混凝土冻胀变形的测试装置，其特征在于：所述容器（1）的外壁为塑料材质，内壁为金属材质。
3.根据权利要求1所述的一种用于不同温度下水泥混凝土冻胀变形的测试装置，其特征在于：所述溢流管（3）出口端对向量筒（11），量筒（11）置于精密天平（12）上。
4.一种利用权利要求1所述的用于不同温度下水泥混凝土冻胀变形的测试装置的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）将测试的混凝土样品(8)装入柔性橡胶密封袋（7）中，并反复摇晃；混凝土样品(8)装满后用橡胶密封塞（9）塞紧橡胶密封袋的装料口；装有混凝土样品的橡胶密封袋放置在恒温室中待用；
2）将容器（1）外壁上的进口阀（4）和出口阀（5）分别与低温恒温箱连接，使设定温度的冷冻液流体介质在容器（1）的夹层内腔中循环流动；同时，在容器（1）的内筒中装入设定温度的冷冻液（2），直到有冷冻液从溢流管（3）中连续流出；
3）当所有多余的冷冻液从溢流管流出后，将量筒（11）中的残留液体清理干净，并放置在电子天平（12）上并置于溢流管（3）的出口的正下方位置，将电子天平（12）的读数清零；
4）当测试的混凝土样品(8)达到一定养护时间后，将装有混凝土样品的橡胶密封袋放入到冷冻液中，将密封盖（10）盖在容器（1）顶部；此时多余的冷冻液便会通过溢流管流入量筒中并通过电子天平记录流出冷冻液的质量为M，已知冷冻液在待测温度条件下的密度为g,则测试的混凝土样品(8)与橡胶密封袋（7）的初始总体积为V=M/g；
5）随着装有混凝土的密封袋在冷冻液中浸泡时间的延长，混凝土孔隙中的自由水逐渐开始冻结膨胀，引起柔性橡胶密封袋（7）的外观体积逐渐变大，因此冷冻液受到挤压便会从溢流管缓缓流出，可以通过电子天平读出在冷冻时间t时由于混凝土冻胀而被挤压出的冷冻液质量m(t),从而可换算出混凝土的冻胀体积变形量为△V(t)=m(t)/g；
6）经过一段冻结时间后，当没有冷冻液从溢流管流出时，表明测试的混凝土样品(8)已经达到冷冻液所设定的温度而不再继续膨胀，这时记录下最终的冷冻液流出质量m m；采用步骤（4）所述的方法测试完全相同的柔性橡胶密封袋（7）和橡胶密封塞（9）浸入冷冻液中可排出冷冻液的质量为M0，则两者的体积总和为V0=M0/g；
7）最终便可计算出任意时刻t时混凝土因受冻而产生的体积膨胀率φ(t)= △V(t)/（V-V0）=m(t)/(M-M0)，在测试温度条件下冻结产生的最大膨胀量为φ m= mm/(M-M0)。
5.根据权利要求4所述的用于不同温度下水泥混凝土冻胀变形的测试方法，其特征在于：所述步骤（1）中测试的混凝土样品(8)为搅拌好的水泥混凝土拌和物 。
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