CN108254402A - 不同浇筑温度下全级配混凝土绝热温升测试装备与方法 - Google Patents

Abstract

一种不同浇筑温度下全级配混凝土绝热温升测试装备及方法，测试装备包括模板系统、温度测量系统、温度控制系统和计算机系统；模板系统包括內桶和外桶；內桶位于外桶内部，內桶内具有模板，模板内具有浇筑空间；內桶和外桶之间具有第一控温空间，內桶与模板之间具有第二控温空间；温度测量系统包括接触温度传感器和若干非接触温度传感器；接触温度传感器位于浇筑空间中心，非接触温度传感器分别位于第一控温空间及第二控温空间，各非接触温度传感器不与模板、內桶和外桶接触；接触温度传感器和非接触温度传感器均与计算机系统通过第一导线连接；温度控制系统包括设于內桶外壁、模板外壁的控温装置，各控温装置与计算机系统通过第二导线连接。

Description

不同浇筑温度下全级配混凝土绝热温升测试装备与方法

技术领域

本发明属于混凝土热学参数测试技术领域，特别是一种不同浇筑温度下全级配混凝土绝热温升测试装备与方法。

背景技术

混凝土是一种由水泥、水、骨料以及多种外加剂组成的多相脆性材料，其抗拉强度远低于抗压强度。混凝土浇筑后由于水泥水化反应产生大量水化热，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。混凝土的绝热温升以及混凝土的浇筑温度，会直接影响混凝土后期温降幅度以及拉应力幅值，继而影响水工混凝土结构的开裂风险。

混凝土的热学参数测试方法应尽可能基于实测数据，反映混凝土的配比，相应的测试设备应便于工程技术人员操作。目前，混凝土的绝热温升试验方法仍存在改进空间：

(1)现行的《水工混凝土试验规程》采用水浴的方式，控制混凝土的边界条件：将混凝土试件置于25℃左右的水桶中，通过控制混凝土中心点温度和水温差值在±0.1℃。水介质的温度易于恒定，但该设备的主要不足在于水温变化速率受水介质体积、以及加热、制冷组件功率的影响，有可能滞后于混凝土中心点温度时间过长，导致混凝土边界处于半绝热状态，测量数据失真；此外，混凝土晚龄期由于水化热较少，因此在边界绝热条件不精准的条件下，混凝土有可能出现温度下降的现象，即针对变温环境其调节速率偏慢，对混凝土边界的把控不够精准；

(2)部分实验采用先测量水泥水化热，然后根据混凝土比热、密度等参数计算混凝土绝热温升，由于混凝土材料参数的不确定性，计算出的混凝土绝热温升结果与直接测量的结果可能存在差异；

(3)现有混凝土绝热温升仪容量仅有50L，对于全级配混凝土，其拌和用的粗骨料粒径可达150mm，因此测试用试件体积可达100L，对设备的结构提出新的要求；

(4)混凝土保温结构由于与外界不是完全密封，且实验室本身温控条件差，导致大坝全级配低热水泥混凝土或者普通硅酸盐水泥混凝土在发热量较小的阶段，容易出现保温结构热量散失，测试过程中混凝土温度下降的现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种不同浇筑温度下全级配混凝土绝热温升测试装备与方法，其可以对不同浇筑温度条件下的全级配混凝土绝热温升参数精确测量，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：

一种不同浇筑温度下全级配混凝土绝热温升测试装备，它包括模板系统、温度测量系统、温度控制系统和计算机系统；

该模板系统包括密封的內桶和外桶；该內桶位于该外桶内部，该內桶内具有用于浇筑混凝土试件的模板，该模板内具有浇筑空间；该內桶和外桶之间具有第一控温空间，该內桶与该模板之间具有第二控温空间；

该温度测量系统包括接触温度传感器和若干非接触温度传感器；该接触温度传感器位于该浇筑空间中心，该非接触温度传感器分别位于该第一控温空间及第二控温空间，各非接触温度传感器不与该模板、內桶和外桶接触；该接触温度传感器和非接触温度传感器均与该计算机系统通过第一导线连接；

该温度控制系统包括设于该內桶外壁、模板外壁的控温装置，各控温装置与该计算机系统通过第二导线连接。

进一步的，所述各第一导线连接至一个采集系统，所述各第二导线连接至一个控制系统，该采集系统和控制系统分别与所述计算机系统连接。

进一步的，所述控温装置包括加热机构和制冷机构。

进一步的，所述非接触温度传感器为红外探头。

进一步的，所述模板为金属材料，热膨胀系数大于所述模板内混凝土的热膨胀系数。

一种不同浇筑温度下全级配混凝土绝热温升测试方法，利用所述的测试装备，它包括下列步骤：

混凝土浇筑所需的水泥、水，骨料等原材料提前24小时置于恒温室中，然后将搅拌完的混凝土浇入模板的浇筑空间内；通过所述计算机系统控制所述控温装置，对所述第一控温空间、第二控温空间进行加热或制冷，并通过所述接触温度传感器和非接触温度传感器测量温度数据，监测浇筑空间中心温度T，该第一控温空间温度达到T±0.3℃，第二控温空间温度达到T±0.1℃，通过计算机系统实时绘制浇筑空间中心温度和第一控温空间、第二控温空间的温度曲线。

进一步的，所述模板内浇筑空间的体积大于100L。

进一步的，所述混凝土的浇筑温度的计算如下：

进一步的，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(1)为拟合后的计算公式：

式中，T_a为气温，T_am为年平均气温，A_a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(2)计算：

式中，为日气温，T_a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；

根据下式(3)计算预定温度T：

其中，k为固定常数，值为0.1-1，为日气温。

本发明的有益效果是：混凝土水化温升时，金属模板由于热膨胀系数更大，在相同的温度历程下，其由于热膨胀产生的体积变形远大于混凝土的体积变形。因此，在大范围的温度变化下，金属模板仅在内部产生自应力，不会产生翘曲或胀裂等影响金属模板正常使用的现象。

附图说明

图1是本发明不同浇筑温度下全级配混凝土绝热温升测试装备实施例1的结构示意图。

图2是本发明不同浇筑温度下全级配混凝土绝热温升测试装备实施例2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，本发明提供一种不同浇筑温度下全级配混凝土绝热温升测试装备，它包括模板系统、温度测量系统、温度控制系统和计算机系统。

该模板系统包括密封的內桶1和外桶2。该內桶1位于该外桶2内部，该內桶1内具有用于浇筑混凝土试件的模板3，该模板3内具有浇筑空间A。该模板3为金属材料，热膨胀系数大于该模板3内混凝土的热膨胀系数。该內桶1和外桶2之间具有第一控温空间B，该內桶1与该模板3之间具有第二控温空间C。全级配混凝土试件体积可达100L，在混凝土水化温升过程中，混凝土因温度升高产生体积膨胀，对模板3带来巨大的作用力，有可能导致模板胀裂，影响设备的使用寿命。本发明的模板3采用的是热膨胀系数远大于混凝土的金属材料，满足

α_金属>>α_混凝土

式中，α_金属是金属的线膨胀系数；α_混凝土是混凝土的线膨胀系数。

该温度控制系统包括设于该內桶1外壁、模板3外壁的控温装置4，包括加热机构和制冷机构。本发明的温度控制系统，基于计算机控制系统，气体导温介质温变速率更快的优势，调整内、外桶靠近混凝土一侧的加热和制冷机构对气体介质温度进行闭环控制，单套加热制冷机构调控的面积不大于混凝土试件表面面积的1/2：通过精准的PID控制设备内桶1第二控温空间C的空气温度，保证第二控温空间C的温度与混凝土中心点温度差值在±0.1℃；由于气体加热更为迅速，内桶1保温层可以起到更好的绝热效果。同时，调整第一控温空间B温度与混凝土中心点温度差值在±0.3℃，保证內桶1的热量散失率维持在一个较低的水平。

该温度测量系统包括接触温度传感器5和若干非接触温度传感器6。该接触温度传感器5位于该浇筑空间A中心，用于测量混凝土中心点的温升历程。该非接触温度传感器6(例如红外探头)分别位于该第一控温空间B及第二控温空间C，各非接触温度传感器6不与该模板3、內桶1和外桶2接触。该接触温度传感器5和非接触温度传感器6均与该计算机系统7通过第一导线71连接，各控温装置4与该计算机系统7通过第二导线72连接。由于混凝土是非均匀材质，在全级配混凝土试件尺寸较大的条件下，容易出现温度传导不均匀的情况，对混凝土试件的绝热边界条件产生影响。红外感温探头可以对所选区域进行温度感应，精度可达±0.1℃。当监测混凝土某部分温度与其他区域偏差较大时，负责该区域温控的加热/制冷机构便会启动，通过PID调节快速使该区域温度与试件中心点温度一致，保证大尺寸全级配混凝土边界的绝热要求。

如图2所示，该各第一导线71连接至一个采集系统8，该各第二导线72连接至一个控制系统9，该采集系统8和控制系统9分别与该计算机系统7连接。

本发明还提供一种不同浇筑温度下全级配混凝土绝热温升测试方法，利用上述的测试装备，它包括下列步骤：

混凝土浇筑所需的水泥、水，骨料等原材料提前24小时置于恒温室中，然后将搅拌完的混凝土浇入模板3的浇筑空间A内；该模板3内浇筑空间A的体积大于100L；通过该计算机系统7控制该控温装置4，对该第一控温空间B、第二控温空间C进行加热或制冷，并通过该接触温度传感器5和非接触温度传感器6测量温度数据，监测浇筑空间A中心温度T，该第一控温空间B温度达到T±0.3℃，第二控温空间C温度达到T±0.1℃，通过计算机系统7实时绘制浇筑空间A中心温度和第一控温空间B、第二控温空间C的温度曲线。

具体来说，该混凝土的浇筑温度的计算如下：

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(1)为拟合后的计算公式：

式中，T_a为气温，T_am为年平均气温，A_a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(2)计算：

式中，为日气温，T_a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；

根据下式(3)计算预定温度T：

其中，k为固定常数，值为0.1-1，为日气温。

本发明具有以下优点：

1、本发明可以测量不同浇注温度下全级配混凝土的绝热温升，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以及绝热温升过程。

3、本发明可以对不同浇注温度下全级配混凝土的绝热温升直接测量，为大体积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 (8)

1.一种不同浇筑温度下全级配混凝土绝热温升测试装备，其特征在于，它包括模板系统、温度测量系统、温度控制系统和计算机系统；

该模板系统包括密封的內桶和外桶；该內桶位于该外桶内部，该內桶内具有用于浇筑混凝土试件的模板，该模板内具有浇筑空间；该內桶和外桶之间具有第一控温空间，该內桶与该模板之间具有第二控温空间；

该温度测量系统包括接触温度传感器和若干非接触温度传感器；该接触温度传感器位于该浇筑空间中心，该非接触温度传感器分别位于该第一控温空间及第二控温空间，各非接触温度传感器不与该模板、內桶和外桶接触；该接触温度传感器和非接触温度传感器均与该计算机系统通过第一导线连接；

该温度控制系统包括设于该內桶外壁、模板外壁的控温装置，各控温装置与该计算机系统通过第二导线连接。

2.根据权利要求1所述的不同浇筑温度下全级配混凝土绝热温升测试装备，其特征在于：所述各第一导线连接至一个采集系统，所述各第二导线连接至一个控制系统，该采集系统和控制系统分别与所述计算机系统连接。

3.根据权利要求1或2所述的不同浇筑温度下全级配混凝土绝热温升测试装备，其特征在于：所述控温装置包括加热机构和制冷机构。

4.根据权利要求1所述的不同浇筑温度下全级配混凝土绝热温升测试装备，其特征在于：所述非接触温度传感器为红外探头。

5.根据权利要求1所述的不同浇筑温度下全级配混凝土绝热温升测试装备，其特征在于：所述模板为金属材料，热膨胀系数大于所述模板内混凝土的热膨胀系数。

6.一种不同浇筑温度下全级配混凝土绝热温升测试方法，其特征在于：利用权利要求1-5中任一项所述的不同浇筑温度下全级配混凝土绝热温升测试装备，它包括下列步骤：

混凝土浇筑所需的水泥、水，骨料等原材料提前24小时置于恒温室中，然后将搅拌完的混凝土浇入模板的浇筑空间内；通过所述计算机系统控制所述控温装置，对所述第一控温空间、第二控温空间进行加热或制冷，并通过所述接触温度传感器和非接触温度传感器测量温度数据，监测浇筑空间中心温度T，该第一控温空间温度达到T±0.3℃，第二控温空间温度达到T±0.1℃，通过计算机系统实时绘制浇筑空间中心温度和第一控温空间、第二控温空间的温度曲线。

7.根据权利要求6所述的不同浇筑温度下全级配混凝土绝热温升测试方法，其特征在于：所述模板内浇筑空间的体积大于100L。

8.根据权利要求6或7所述的不同浇筑温度下全级配混凝土绝热温升测试方法，其特征在于：所述混凝土的浇筑温度的计算如下：

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(1)为拟合后的计算公式：

式中，T_a为气温，T_am为年平均气温，A_a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(2)计算：

式中，为日气温，T_a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；

根据下式(3)计算预定温度T：

其中，k为固定常数，值为0.1-1，为日气温。