CN108254537A - 一种不同养护条件下混凝土松弛模量评价设备与方法 - Google Patents

Abstract

一种不同养护条件下混凝土松弛模量评价设备及方法，该设备包括模板系统、温度系统、采集系统、控制系统和计算机系统；该模板系统包括实验模板和对照模板，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；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位移传感器、该第一温度传感器和该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；控制系统的输入端与计算机系统的输出端连接，该控制系统的输出端与控温装置及该水泵连接。

Description

一种不同养护条件下混凝土松弛模量评价设备与方法

技术领域

本发明属于水利水电技术领域，特别是一种不同养护条件下混凝土松弛模量评价设备与方法。

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。

混凝土的松弛特性能够降低混凝土的应力幅度，降低混凝土的开裂风险。准确把握混凝土的松弛性能对于评估混凝土的应力发展具有重要作用。一般而言，混凝土由于松弛能够减少约50％的混凝土约束应力，对于降低开裂风险具有重要作用。混凝土的粘弹性行为受混凝土水灰比，龄期以及养护温度等因素的影响。混凝土的粘弹性行为测试方法和设备应尽可能真实反映混凝土的长期变形特性。目前，混凝土的松弛模量试验方法仍存在改进空间：

(1)由于松弛试验较为费事，目前多采用由徐变试验获取的徐变柔量，经求解沃尔泰拉积分方程后获取松弛模量，但转换过程较为复杂，且获取的松弛模量参数过多，不便于使用；

(2)基于徐变试验获取的徐变系数，由显式解法获取松弛模量的表达式，同样存在公式参数过多的问题；

上述两种方法需要在已知徐变历程的基础上，借助复杂的数值计算得到混凝土的松弛模量值，不便于工程技术人员现场估算混凝土应力发展程度。

发明内容

本发明的目的是提供一种不同养护条件下混凝土松弛模量评价设备与方法，其可以直接确定混凝土松弛模量，对任意混凝土的松弛模量精确测量，为大体积混凝土结构温控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：

一种不同养护条件下混凝土松弛模量评价设备，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；

该模板系统包括实验模板和对照模板，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；该实验模板的浇筑空间内设有钢筋笼；

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位移传感器、该第一温度传感器和该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。

一种不同养护条件下混凝土松弛模量评价方法，利用所述的不同养护条件下混凝土松弛模量评价设备，它包括下列步骤：

将搅拌完成的混凝土分别浇入所述实验模板和对照模板的浇筑空间内，分别形成实验混凝土试件和对照混凝土试件；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；

计算机系统设定混凝土试件的预定温度，开始试验，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，最终使实验混凝土试件和对照混凝土试件的温度达到预定温度T；通过所述第一温度传感器、第二温度传感器测量温度数据；

混凝土初凝后，通过所述位移传感器测量变形数据，通过下列公式(1)计算混凝土的松弛模量：

式中，E_eff是混凝土的有效模量；ε_sh为对照混凝土试件变形数据，ε_s是钢筋变形；ε_c是实验混凝土试件中混凝土变形；E_s是钢筋的弹性模量变形；A_s和A_c分别是钢筋和混凝土的截面面积。

进一步的，所述公式(1)的计算过程如下：

所述实验混凝土试件中，混凝土和钢筋的变形满足以下关系：

ε_sh＝ε_s+ε_c (2)

ε_sE_sA_s＝(ε_shε_s)E_effA_c＝ε_cE_effA_c (3)

式中，ε_sh是对照混凝土试件的收缩变形；ε_s是钢筋变形；ε_c是实验混凝土中混凝土变形；E_s和E_c分别是钢筋和混凝土的弹性模量变形；A_s和A_c分别是钢筋和混凝土的截面面积；E_eff是混凝土的有效模量。

由于混凝土的收缩变形和弹性模量均随龄期t发生变化，因此，在满足内力平衡方程时，公式(3)中的混凝土弹性模量不能直接取为龄期t时刻的弹性模量E_c(t),可改为E_eff(t)。

公式(3)改写为所述公式(1)：

进一步的，所述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(4)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(5)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。

本发明的有益效果是：本发明不同养护条件下混凝土松弛模量评价设备与方法，其可以直接确定混凝土松弛模量，对任意混凝土的松弛模量精确测量，为大体积混凝土结构温控优化设计提供参数基础。

附图说明

图1是本发明不同养护条件下混凝土松弛模量评价设备的结构示意图。

图2是本发明不同养护条件下混凝土松弛模量评价方法示意图。

图3是本发明计算的混凝土松弛模量历程曲线。

图4是基于本发明混凝土松弛模量评价方法计算的混凝土应力与实测应力对比图。

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养护条件下混凝土松弛模量评价设备，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。

该模板系统包括实验模板A和对照模板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，其中，在该实验模板A的浇筑空间内设有钢筋笼5。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。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。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直接埋入浇筑空间C，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。

该温度系统包括带水泵的水箱8，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的输入端与位移传感器7、该第一温度传感器和该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。

本发明还提供一种不同养护条件下混凝土松弛模量评价方法，利用所述的不同养护条件下混凝土松弛模量评价设备。

实验时，将搅拌完成的混凝土分别浇入该实验模板A和对照模板B的浇筑空间C内，分别形成实验混凝土试件和对照混凝土试件。盖上上模板1，预埋的第一温度传感器的导线从上模板1的预留孔穿出与采集系统相连。

计算机系统设定混凝土试件的预定温度，开始试验，通过控温装置使水箱里的水达到预定温度，并通过水泵使水在该控温通道内循环，对该上模板1、下模板2、侧模板3和端部模板4的温度进行调控，最终使实验混凝土试件和对照混凝土试件的温度达到预定温度T。通过该第一温度传感器、第二温度传感器测量温度数据。

混凝土初凝后，通过该位移传感器7测量变形数据，通过公式(3)计算混凝土的松弛模量：

式中，E_eff是混凝土的有效模量。ε_sh为对照混凝土试件变形数据，ε_s是钢筋变形。ε_c是实验混凝土试件中混凝土变形。E_s是钢筋的弹性模量变形。A_s和A_c分别是钢筋和混凝土的截面面积。

对于实验混凝土构件，如图2所示，变形过程中，混凝土和钢筋的变形满足以下关系：

ε_sh＝ε_s+ε_c (1)

ε_sE_sA_s＝(ε_sh ε_s)E_effA_c＝ε_cE_effA_c (2)

式中，ε_sh是对照混凝土试件的收缩变形；ε_s是钢筋变形；ε_c是实验混凝土中混凝土变形；E_s和E_c分别是钢筋和混凝土的弹性模量变形；A_s和A_c分别是钢筋和混凝土的截面面积；E_eff是混凝土的有效模量。

由于混凝土的收缩变形和弹性模量均随龄期t发生变化，因此，在满足内力平衡方程时，公式(2)中的混凝土弹性模量不能直接取为龄期t时刻的弹性模量E_c(t),可改为E_eff(t)。

公式(2)改写为

公式(3)表达的混凝土有效模量非任意龄期下的混凝土弹性模量，而是包含了徐变(松弛)行为：钢筋和混凝土相互作用时钢筋持续约束混凝土变形，对照混凝土试件和实验混凝土试件的变形中耦合了徐变特性，因此计算出的混凝土有效模量可看作是一种考虑了混凝土徐变的松弛模量。

下面采用龄期调整有效模量法(AAEM)进一步解释E_eff(t)。

基于龄期调整有效模量法(AAEM)，混凝土总变形可表达为

其中，(t,τ)是混凝土的徐变系数；χ(t,τ)是混凝土的老化系数；ε⁰(t,τ)是混凝土的收缩变形；σ₀(τ)是混凝土的初始应力；σ(t)是龄期t时刻混凝土的应力。

根据公式(4)，应变增量可表达为

根据变形协调和作用力平衡原理，可得

ΔN_s+ΔN_c＝0 (6)

ΔN_s＝ΔεE_sA_s (7)

将公式(6)和(7)带入公式(5)，整理得

其中，μ是钢筋对混凝土变形的影响系数，代表实验混凝土试件的变形与对照混凝土试件变形的比例关系。

将公式(8)带入公式(3)，可得

借助龄期调整有效模量法，我们可以更直观的看出，E_eff(t)的实质是一种耦合了徐变的模量。

这里需要说明的是传统的混凝土松弛模量是关于加载龄期τ和持荷龄期tτ的变量，而采用本发明方法得到的混凝土有效模量仅是关于混凝土龄期t的变量。

该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(2)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(3)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。

下面列举一个具体实施例，采用本发明对实验混凝土试件和对照混凝土试件进行了试验，以验证本发明混凝土松弛模量的评价方法和设备的有效性和合理性。

图3是基于公式(3)获取的混凝土有效模量。可以看出，混凝土的松弛模量发展近似为线性关系，线性拟合该曲线可得E_eff(t)约为10.5GPa(取＝200GPa)。

图4是基于本发明计算的混凝土简化有效模量计算的混凝土应力历程和试验的混凝土应力历程的比较。可以看出，采用对照混凝土试件和实验混凝土试件收缩试验确定的有效模量计算出的混凝土约束应力趋势与实测应力一致，二者最大相差约0.3MPa。

本发明优点如下：

1、采用本发明可以免去较为复杂的混凝土徐变试验和繁琐的约束应力叠加计算，能够帮助工程技术人员在常规的试验条件下估算混凝土的应力发展情况，可以基于素混凝土试件和钢筋混凝土试件的变形，直接获取混凝土松弛模量，为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混凝土温控技术要求，输入混凝土不同的温度边界，模拟多种混凝土养护条件。

3、本发明可以对不同养护条件下对照混凝土试件的变形进行试验。

4、本发明可以对不同养护条件下实验混凝土试件的变形进行试验。

5、本发明可以根据不同养护条件下素混凝土和钢筋混凝土变形试验得出混凝土松弛模量，对混凝土的开裂全过程进行分析评价，为混凝土的防裂设计提供参考。

6、本发明可以直接获取混凝土的松弛模量，并用于混凝土约束应力计算，解决了以往松弛模量需要复杂数值转化才能获取的缺点，便于工程技术人员现场评估混凝土结构开裂风险。

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)

1.一种不同养护条件下混凝土松弛模量评价设备，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；

该模板系统包括实验模板和对照模板，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；该实验模板的浇筑空间内设有钢筋笼；

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位移传感器、该第一温度传感器和该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所述的不同养护条件下混凝土松弛模量评价设备，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或2所述的不同养护条件下混凝土松弛模量评价设备，其特征在于：所述上模板为可拆卸式。

4.一种不同养护条件下混凝土松弛模量评价方法，其特征在于：利用权利要求1至3中任一项所述的不同养护条件下混凝土松弛模量评价设备，它包括下列步骤：

将搅拌完成的混凝土分别浇入所述实验模板和对照模板的浇筑空间内，分别形成实验混凝土试件和对照混凝土试件；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；

计算机系统设定混凝土试件的预定温度，开始试验，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，最终使实验混凝土试件和对照混凝土试件的温度达到预定温度T；通过所述第一温度传感器、第二温度传感器测量温度数据；

混凝土初凝后，通过所述位移传感器测量变形数据，通过下列公式(1)计算混凝土的松弛模量：

式中，E_ef是混凝土的有效模量；ε_sh为对照混凝土试件变形数据，ε_s是钢筋变形；ε_c是实验混凝土试件中混凝土变形；E_s是钢筋的弹性模量变形；A_s和A_c分别是钢筋和混凝土的截面面积。

5.根据权利要求4所述的不同养护条件下混凝土松弛模量评价方法，其特征在于：所述公式(1)的计算过程如下：

所述实验混凝土试件中，混凝土和钢筋的变形满足以下关系：

ε_sh＝ε_s+ε_c (2)

ε_sE_sA_s＝(ε_shε_s)E_efA_c＝ε_cE_efA_c (3)

式中，ε_sh是对照混凝土试件的收缩变形；ε_s是钢筋变形；ε_c是实验混凝土中混凝土变形；E_s和E_c分别是钢筋和混凝土的弹性模量变形；A_s和A_c分别是钢筋和混凝土的截面面积；E_ef是混凝土的有效模量。

由于混凝土的收缩变形和弹性模量均随龄期t发生变化，因此，在满足内力平衡方程时，公式(3)中的混凝土弹性模量不能直接取为龄期t时刻的弹性模量E_c(t),可改为E_ef(t)。

公式(3)改写为所述公式(1)：

6.根据权利要求4或5所述的不同养护条件下混凝土松弛模量评价方法，其特征在于：所述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(4)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(5)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。