CN108181346B - 全级配混凝土现场自生体积变形与线膨胀系数监测设备与方法 - Google Patents

Abstract

一种全级配混凝土现场自生体积变形与线膨胀系数监测设备与方法，该设备包括模板系统、采集系统和计算机系统；该模板系统包括第一模板和第二模板，二者均包括上模板、下模板和两个对称的侧模板，形成截面呈矩形的筒状；该侧模板两端分别设有端部模板，该上模板、下模板、侧模板和端部模板之间围构成密封的浇筑空间；该上模板穿设有两个石英棒，两个石英棒之间设有位移传感器；该浇筑空间中心设有温度传感器；该采集系统的输入端与该位移传感器、该温度传感器连接，该采集系统的输出端与该计算机系统的输入端连接。本发明可以对不同养护温度条件下的全级配混凝土变形参数精确测量，为大体积混凝土结构优化设计提供参数基础。

Description

全级配混凝土现场自生体积变形与线膨胀系数监测设备与 方法

技术领域

本发明属于水利水电技术领域，特别是一种全级配混凝土现场自生体积变 形与线膨胀系数监测设备与方法。

背景技术

混凝土是一种多相的脆性材料，其抗拉强度远低于抗压强度。水工混凝土 结构由于其断面较厚，水泥水化热难以散失，导致混凝土在过大温差以及内、 外约束状态下产生拉应力。一旦拉应力超过其抗拉强度，混凝土便会开裂，对 水工结构施工期、运行期间的安全性产生严重影响。同时，混凝土由于持续的 水化反应导致自身体积发生变化，在温变的同时也会产生自生体积变形，加剧 混凝土拉应力增幅，影响水工混凝土结构施工期和运行期的安全。

混凝土的自生体积变形和热膨胀系数是影响混凝土长期变形的重要因素。 这两种参数也受到混凝土骨料性质、组成比例，以及养护温度等因素的影响。 混凝土的变形参数测试方法和设备应尽可能基于实测数据，反映混凝土的配 比，便于工程技术人员操作。目前，混凝土的变形参数试验方法仍存在改进空 间：

(1)实验室内多数自生体积变形试验，受限于实验室条件，全级配(大骨 料)混凝土试验时采用湿筛的方式去除大粒径骨料，再进行参数试验，混凝土 组成成分的改变使测量结果无法直接应用；

(2)采用文献给定的混凝土热膨胀系数经验值，与实际混凝土配比不符； 或采取理论模型推导的方式，将混凝土不同成分的材料热膨胀系数耦合计算出 全级配混凝土的热膨胀系数，理论模型与实测结果存在差异；

(3)实验室内所需混凝土变形测试设备通常配备温控箱、环境箱等辅助 设施。工地现场由于条件受限，缺少相应的试验设备，往往难以精准测量现场 混凝土的自生体积变形和温度变形；

(4)混凝土自生体积变形受温度历程影响。现有规范关于混凝土自生体 积变形试验均基于实验室内恒温养护条件，这与实际工程混凝土的变温历程不 符，试验结果无法直接应用于实际工程。

发明内容

本发明的目的是提供一种全级配混凝土现场自生体积变形与线膨胀系数 监测设备与方法，其可以对不同养护温度条件下的全级配混凝土变形参数精确 测量，为大体积混凝土结构优化设计提供参数基础。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种全级配混凝土现场自生体积变形与线膨胀系数监测设备，它包括模板 系统、采集系统和计算机系统；

该模板系统包括第一模板和第二模板，二者均包括上模板、下模板和两个 对称的侧模板，形成截面呈矩形的筒状；该侧模板两端分别设有端部模板，该 上模板、下模板、侧模板和端部模板之间围构成密封的浇筑空间；该上模板穿 设有两个石英棒，两个石英棒之间设有位移传感器；该浇筑空间中心设有温度 传感器；

该采集系统的输入端与该位移传感器、该温度传感器连接，该采集系统的 输出端与该计算机系统的输入端连接。

进一步的，所述上模板、下模板、侧模板和端部模板外侧设有保温层，所 述第一模板和第二模板的保温层的导热系数不同。

进一步的，所述上模板为可拆卸式。

一种全级配混凝土现场自生体积变形与线膨胀系数监测方法，利用所述的 全级配混凝土现场自生体积变形与线膨胀系数监测设备，它包括下列步骤：

将搅拌完成的混凝土分别浇入所述第一模板和第二模板的浇筑空间内，分 别形成第一混凝土试件和第二混凝土试件；盖上上模板，预埋的温度传感器的 导线从上模板的预留孔穿出与采集系统相连；

开始试验，通过所述温度传感器测量第一混凝土试件和第二混凝土试件的 温度数据；混凝土初凝后，通过所述位移传感器测量第一混凝土试件和第二混 凝土试件的变形数据；将温度数据和变形数据代入公式(1)中计算热膨胀系 数：

式中，ΔT₁是第一混凝土试件的温度变化，ΔT₂是第二混凝土试件的温度变 化；ε₁(t_e)是第一混凝土试件等效龄期t_e时刻的混凝土自生体积变形；ε₂(t_e)是第 二混凝土试件等效龄期t_e时刻的混凝土自生体积变形；

然后把热膨胀系数分别代入公式(2)和公式(3)，计算第一混凝土试件 和第二混凝土试件在各自温度历程下的自生体积变形：

式中，

是t时刻第一混凝土试件的总变形；

是t时刻第二混凝 土试件的总变形；ΔT₁是t时刻第一混凝土试件的温度变化，ΔT₂是t时刻第二 混凝土试件的温度变化；

是t时刻第一混凝土试件的自生体积变形；

是t时刻第二混凝土试件的自生体积变形。

进一步的，所述混凝土的热膨胀系数在初凝1d后稳定，且混凝土的等效 龄期满足公式(4)：

式中，E_h是活化能；R是理想气体常数；T₀是参考温度；T是混凝土温度。

本发明的有益效果是：本发明提供的全级配混凝土自生体积变形和热膨胀 系数现场监测设备和方法可以直接分离全级配混凝土的自生体积变形和温度 变形，同时获取任意温度历程下全级配混凝土的自生体积变形和热膨胀系数， 解决了以往现场试验条件不足，无法真实反映全级配混凝土变形参数的问题， 精度较高。

附图说明

图1是本发明全级配混凝土现场自生体积变形与线膨胀系数监测设备的结 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所示，本发明提供一种全级配混凝土现场自生体积变形与线膨胀系 数监测设备，它包括模板系统、采集系统和计算机系统。

该模板系统包括第一模板A和第二模板B，二者均包括上模板1、下模板 2和两个对称的侧模板3，形成截面呈矩形的筒状。该侧模板3两端分别设有 端部模板4，该上模板1、下模板2、侧模板3和端部模板4之间围构成密封的 浇筑空间C。该浇筑空间C中心设有温度传感器5。该上模板1为可拆卸式， 该上模板1、下模板2、侧模板3和端部模板4外侧设有保温层，该第一模板 A和第二模板B的保温层的导热系数不同，相差很大，即采用两种保温效果差 异明显的材料制成，目的是使两个模板内的混凝土试件经历不同的温变历程， 便于后续各变形成份分离。该上模板1穿设有两个石英棒6，两个石英棒6之 间设有位移传感器7。本发明采用的位移控制方法为：将位移传感器7固定于 石英棒6(其热膨胀系数较小，约为1μm/℃)的一端，采用预埋件将石英棒6 直接埋入混凝土试件模板的端部，使石英棒6带动位移传感器7与混凝土试件 同步变形，保证位移传感器7测量出混凝土试件的实际变形，避免引入不必要 的测量误差，并且不受混凝土试件骨料粒径的限制，测量方法合理。

该采集系统8的输入端与该位移传感器7、该温度传感器连接5，该采集 系统8的输出端与该计算机系统9的输入端连接。

本发明还提供一种全级配混凝土现场自生体积变形与线膨胀系数监测方 法，利用所述的全级配混凝土现场自生体积变形与线膨胀系数监测设备，它包 括下列步骤：

将搅拌完成的混凝土分别浇入所述第一模板A和第二模板B的浇筑空间C 内，分别形成第一混凝土试件和第二混凝土试件；盖上上模板1，预埋的温度 传感器5的导线从上模板1的预留孔穿出与采集系统8相连；

开始试验，通过所述温度传感器5测量第一混凝土试件和第二混凝土试件 的温度数据；混凝土初凝后，通过所述位移传感器7测量第一混凝土试件和第 二混凝土试件的变形数据。

变温下自生体积变形和温度变形是耦合的，因此二者需要从测量的总变形 中分离。分离的基本假定为：所述混凝土的热膨胀系数在初凝1d后稳定，且 混凝土的等效龄期满足公式(4)：

式中，E_h是活化能；R是理想气体常数；T₀是参考温度；T是混凝土温度。

不同温度历程下混凝土自生体积变形和温度变形分离步骤如下：

假定两个混凝土试件经历不同的温度历程，则混凝土的总变形可表达为混 凝土龄期t的函数：

式中，

是t时刻第一混凝土试件的总变形；

是t时刻第二混凝 土试件的总变形；ΔT₁是t时刻第一混凝土试件的温度变化，ΔT₂是t时刻第二 混凝土试件的温度变化；

是t时刻第一混凝土试件的自生体积变形；

是t时刻第二混凝土试件的自生体积变形。

基于假定可知，两种温度历程在等效龄期t_e时刻的混凝土自生体积变形相 同，也就是

将公式(5)带入公式(2)和(3)中，整理得热膨胀系数：

式中，ΔT₁是第一混凝土试件的温度变化，ΔT₂是第二混凝土试件的温度变 化；ε₁(t_e)是第一混凝土试件等效龄期t_e时刻的混凝土自生体积变形；ε₂(t_e)是第 二混凝土试件等效龄期t_e时刻的混凝土自生体积变形。

然后把热膨胀系数分别代入公式(2)和公式(3)，计算第一混凝土试件 和第二混凝土试件在各自温度历程下的自生体积变形。

本发明优点如下：

1、本发明可以现场测定并分离全级配混凝土的自生体积变形和热膨胀系 数，为大体积混凝土工程施工和防裂提供参考。

2、本发明可以根据实际工程的全级配混凝土配比要求，模拟真实的全级 配混凝土组成成分及变形和温度历程。

3、本发明可以分离不同养护条件下全级配混凝土不同温度下的自生体积 变形和温度变形。

4、本发明可以现场监测并分离不同养护条件下全级配混凝土的自生体积 变形和热膨胀系数，为混凝土的温控优化设计提供基础。

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)

1.一种全级配混凝土现场自生体积变形与线膨胀系数监测设备，其特征在于，它包括模板系统、采集系统和计算机系统；

该模板系统包括第一模板和第二模板，二者均包括上模板、下模板和两个对称的侧模板，形成截面呈矩形的筒状；该侧模板两端分别设有端部模板，该上模板、下模板、侧模板和端部模板之间围构成密封的浇筑空间；该上模板穿设有两个石英棒，两个石英棒之间设有位移传感器；该浇筑空间中心设有温度传感器；所述上模板、下模板、侧模板和端部模板外侧设有保温层，所述第一模板和第二模板的保温层的导热系数不同；

该采集系统的输入端与该位移传感器、该温度传感器连接，该采集系统的输出端与该计算机系统的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的全级配混凝土现场自生体积变形与线膨胀系数监测设备，其特征在于：所述上模板为可拆卸式。

3.一种全级配混凝土现场自生体积变形与线膨胀系数监测方法，其特征在于，利用权利要求1或2所述的全级配混凝土现场自生体积变形与线膨胀系数监测设备，它包括下列步骤：

将搅拌完成的混凝土分别浇入所述第一模板和第二模板的浇筑空间内，分别形成第一混凝土试件和第二混凝土试件；盖上上模板，预埋的温度传感器的导线从上模板的预留孔穿出与采集系统相连；

开始试验，通过所述温度传感器测量第一混凝土试件和第二混凝土试件的温度数据；混凝土初凝后，通过所述位移传感器测量第一混凝土试件和第二混凝土试件的变形数据；两种温度历程在等效龄期t_e时刻的混凝土自生体积变形相同，也就是

ε₁ ^auto(t_e)＝ε₂ ^auto(t_e)

将温度数据和变形数据代入公式(1)中计算热膨胀系数：

式中，ΔT₁是第一混凝土试件的温度变化，ΔT₂是第二混凝土试件的温度变化；ε₁(t_e)是第一混凝土试件等效龄期t_e时刻的混凝土自生体积变形；ε₂(t_e)是第二混凝土试件等效龄期t_e时刻的混凝土自生体积变形；

然后把热膨胀系数分别代入公式(2)和公式(3)，计算第一混凝土试件和第二混凝土试件在各自温度历程下的自生体积变形：

式中，

是t时刻第一混凝土试件的总变形；

是t时刻第二混凝土试件的总变形；ΔT₁是t时刻第一混凝土试件的温度变化，ΔT₂是t时刻第二混凝土试件的温度变化；ε₁ ^auto(t)是t时刻第一混凝土试件的自生体积变形；ε₂ ^auto(t)是t时刻第二混凝土试件的自生体积变形。

4.根据权利要求3所述的全级配混凝土现场自生体积变形与线膨胀系数监测方法，其特征在于：所述混凝土的热膨胀系数在初凝1d后稳定，且混凝土的等效龄期满足公式(4)：

式中，E_h是活化能；R是理想气体常数；T₀是参考温度；T是混凝土温度。

Images