CN108226215A - 全级配混凝土自生体积变形和热膨胀系数测试装备与方法 - Google Patents
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Abstract
一种全级配混凝土自生体积变形和热膨胀系数测试装备与方法，该装备包括模板系统、温度系统、采集系统、控制系统和计算机系统；该模板系统包括第一模板和第二模板，二者的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；该温度系统包括带水泵的水箱，该水箱内设有控温装置及第二温度传感器；该采集系统的输入端与该位移传感器、该第一温度传感器、第二温度传感器连接，该采集系统的输出端与该计算机系统的输入端连接；该控制系统的输入端与该计算机系统的输出端连接，该控制系统的输出端与该控温装置及该水泵连接。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
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自生体积变形和 热膨胀系数测试装备与方法。
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)根据实测的变形数据，采用有限元软件反演的方式获取混凝土的热 膨胀系数和自生体积变形，需要专业配套的软件支持，不便于现场工程技术人 员操作；
(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自生体积变形和热膨胀系数测试 装备与方法，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：
一种全级配混凝土自生体积变形和热膨胀系数测试装备，它包括模板系 统、温度系统、采集系统、控制系统和计算机系统；
该模板系统包括第一模板和第二模板，二者均包括具有控温通道的上模 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 设有具有控温通道的端部模板，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；该上模板、下模板、侧模板、端部模板以及该浇筑空间中心均设有第 一温度传感器；
该温度系统包括带水泵的水箱，该水箱具有出水管和回水管，该出水管分 别连接至该上模板、下模板、侧模板和端部模板的控温通道的进水端，该回水 管分别连接至该上模板、下模板、侧模板和端部模板的控温通道的出水端；该 水箱内设有控温装置及第二温度传感器；
该采集系统的输入端与该位移传感器、该第一温度传感器、第二温度传感 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；
该控制系统的输入端与该计算机系统的输出端连接，该控制系统的输出端 与该控温装置及该水泵连接。
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。
进一步的，所述上模板为可拆卸式。
一种全级配混凝土自生体积变形和热膨胀系数测试方法，利用所述的全级 配混凝土自生体积变形和热膨胀系数测试装备，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；设定预定温度，通过控温装置使水 箱里的水达到预定温度，并通过水泵使水在所述控温通道内循环，对所述上模 板、下模板、侧模板和端部模板的温度进行调控，最终使第一混凝土试件和第 二混凝土试件的温度达到分别达到第一预定温度T1和第二预定温度T2；盖上 上模板，预埋的第一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，通过所述第一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(te)是第一混凝土试件等效龄期te时刻的混凝土自生体积变形；ε2(te)是第 二混凝土试件等效龄期te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。
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，Eh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。
进一步的，所述第一预定温度和第二预定温度的历程计算如下：
针对实验当地的情况，将其月平均气温资料拟合成一条余弦曲线，下式(5) 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(6)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。
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 系数参数测试装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， 解决了以往实验室内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自生体积变形和热膨胀系数测试装备的结构示 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自生体积变形和热膨胀系数测 试装备，它包括模板系统、温度系统、采集系统、控制系统和计算机系统。
该模板系统包括第一模板A和第二模板B，二者均包括具有控温通道的上 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 两端分别设有具有控温通道的端部模板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。该上模板1、下模板 2、侧模板3、端部模板4以及该浇筑空间C中心均设有第一温度传感器5。该 上模板穿设有两个石英棒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。
工民建用混凝土结构，如梁、板，柱等，断面比较小，混凝土水化热产生 的热量可以及时散失到空气中，温度波动不大。但混凝土大坝由于其断面尺寸 可达几十米，内部热量往往堆积，导致混凝土内部经历一定幅度的温度变化， 其日降温速率仅0.3℃/天。传统的试验内温度应力实验往往采用快速温升温降 (0.3℃/小时)考察温度对混凝土开裂的影响，温控设备功能单一，难以直接应用 于大坝混凝土温度应力试验。本发明的温度系统包括带水泵的水箱8，该水箱 8具有出水管和回水管，该出水管分别连接至该上模板1、下模板2、侧模板3 和端部模板4的控温通道的进水端，该回水管分别连接至该上模板1、下模板 2、侧模板3和端部模板4的控温通道的出水端。该水箱8内设有控温装置及 第二温度传感器。本发明的温度系统，基于计算机控制系统，可依照设定的温 度历程对控温装置(加热和制冷装置)进行温度闭环控制：将液体送入水箱， 利用加热和制冷组件，将液体调整到所需温度，利用增压组件(水泵)，将液 体输入到控温通道中，使混凝土试件的温度按照预设曲线发展。为保证温度传 递均匀，控温通道内部为同程循环液；PID精确计算控制加热与制冷装置，保 证精细的冷热补偿，控制输入控温通道循环液的流量，使循环液的温度满足试 验的各种要求。模板内部分成两层，与混凝土试件接触层为通水层，与空气接 触部分为保温层，保温层可使得试件温度与环境箱内的温度隔绝，减小相互影 响，易于温度控制。
该采集系统9的输入端与该位移传感器7、该第一温度传感器5、第二温 度传感器连接，该采集系统9的输出端与该计算机系统10的输入端连接。
该控制系统11的输入端与该计算机系统10的输出端连接，该控制系统11 的输出端与该控温装置及该水泵连接。
本发明还提供一种全级配混凝土自生体积变形和热膨胀系数测试方法，利 用所述的全级配混凝土自生体积变形和热膨胀系数测试装备，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；设定预定温度，通过控温装 置使水箱8里的水达到预定温度，并通过水泵使水在所述控温通道内循环，对 所述上模板1、下模板2、侧模板3和端部模板4的温度进行调控，最终使第 一混凝土试件和第二混凝土试件的温度达到分别达到第一预定温度T1和第二 预定温度T2；盖上上模板1，预埋的第一温度传感器5的导线从上模板1的预 留孔穿出与采集系统相连；
开始试验，通过所述第一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，Eh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；ε1 auto(t)是t时刻第一混凝土试件的自生体积变形； ε2 aito(t)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te时刻的混凝土自生体积变形相 同，也就是
ε1 auto(te)＝ε2 auto(te) (5)
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(te)是第一混凝土试件等效龄期te时刻的混凝土自生体积变形；ε2(te)是第 二混凝土试件等效龄期te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。
所述第一预定温度和第二预定温度的历程计算如下：
针对实验当地的情况，将其月平均气温资料拟合成一条余弦曲线，下式(6) 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(7)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。
本发明优点如下：
1、本发明可以模拟不同养护条件下全级配混凝土的温度历程，同时测定 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温度历程要求，输入混凝土 不同龄期的温度信息，模拟真实的大坝全级配混凝土养护过程。
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、本发明可以对直接测量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 (6)
1.一种全级配混凝土自生体积变形和热膨胀系数测试装备，其特征在于，它包括模板系统、温度系统、采集系统、控制系统和计算机系统；
该模板系统包括第一模板和第二模板，二者均包括具有控温通道的上模板、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具有控温通道的端部模板，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；该上模板、下模板、侧模板、端部模板以及该浇筑空间中心均设有第一温度传感器；
该温度系统包括带水泵的水箱，该水箱具有出水管和回水管，该出水管分别连接至该上模板、下模板、侧模板和端部模板的控温通道的进水端，该回水管分别连接至该上模板、下模板、侧模板和端部模板的控温通道的出水端；该水箱内设有控温装置及第二温度传感器；
该采集系统的输入端与该位移传感器、该第一温度传感器、第二温度传感器连接，该采集系统的输出端与该计算机系统的输入端连接；
该控制系统的输入端与该计算机系统的输出端连接，该控制系统的输出端与该控温装置及该水泵连接。
2.根据权利要求1所述的全级配混凝土自生体积变形和热膨胀系数测试装备，其特征在于：所述上模板、下模板、侧模板和端部模板外侧设有保温层。
3.根据权利要求1所述的全级配混凝土自生体积变形和热膨胀系数测试装备，其特征在于：所述上模板为可拆卸式。
4.一种全级配混凝土自生体积变形和热膨胀系数测试方法，其特征在于，利用权利要求1-3中任一项所述的全级配混凝土自生体积变形和热膨胀系数测试装备，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；设定预定温度，通过控温装置使水箱里的水达到预定温度，并通过水泵使水在所述控温通道内循环，对所述上模板、下模板、侧模板和端部模板的温度进行调控，最终使第一混凝土试件和第二混凝土试件的温度达到分别达到第一预定温度T1和第二预定温度T2；盖上上模板，预埋的第一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，通过所述第一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(te)是第一混凝土试件等效龄期te时刻的混凝土自生体积变形；ε2(te)是第二混凝土试件等效龄期te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。
5.根据权利要求4所述的全级配混凝土自生体积变形和热膨胀系数测试方法，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，Eh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。
6.根据权利要求4所述的全级配混凝土自生体积变形和热膨胀系数测试方法，其特征在于：所述第一预定温度和第二预定温度的历程计算如下：
针对实验当地的情况，将其月平均气温资料拟合成一条余弦曲线，下式(5) 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(6)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。
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| CN201711390653.5A Pending CN108226215A (zh) | 2017-12-21 | 2017-12-21 | 全级配混凝土自生体积变形和热膨胀系数测试装备与方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108226215A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110043221A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-07-23 | 中国海洋石油集团有限公司 | 一种测量固井水泥环微环隙的装置 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104534972A (zh) * | 2014-12-31 | 2015-04-22 | 天津大学 | 超低温下混凝土应变测量试验装置 |
| CN105372171A (zh) * | 2015-09-09 | 2016-03-02 | 中国水利水电科学研究院 | 基于真实环境的混凝土开裂全过程试验装置 |
-
2017
- 2017-12-21 CN CN201711390653.5A patent/CN108226215A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104534972A (zh) * | 2014-12-31 | 2015-04-22 | 天津大学 | 超低温下混凝土应变测量试验装置 |
| CN105372171A (zh) * | 2015-09-09 | 2016-03-02 | 中国水利水电科学研究院 | 基于真实环境的混凝土开裂全过程试验装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 陈波 等: "《基于温度-应力试验的混凝土早龄期应变分离及热膨胀系数计算》", 《水利学报》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110043221A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-07-23 | 中国海洋石油集团有限公司 | 一种测量固井水泥环微环隙的装置 |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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