CN108254538A - 一种不同养护条件下种混凝土徐变行为评价设备与方法 - Google Patents

Abstract

一种不同养护条件下种混凝土徐变行为评价设备及方法，该设备包括模板系统、温度系统、采集系统、荷载测量系统、控制系统和计算机系统；该模板系统包括约束模板和自由模板，二者均具有浇筑空间；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；该荷载测量系统包括驱动装置，该驱动装置与一传动轴连接，该传动轴的末端与该活动模板中心通过拉杆固定连接；该采集系统的输入端与该位移传感器、该第一温度传感器、该第二温度传感器和该荷载传感器连接，该控制系统的输出端与该驱动装置、该控温装置及该水泵连接。该采集系统和控制系统均与该计算机系统连接。

Description

一种不同养护条件下种混凝土徐变行为评价设备与方法

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种混凝土徐变行为评价设备与方法。

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。

混凝土的徐变特性能够降低混凝土的应力幅度，降低混凝土的开裂风险。准确把握混凝土的徐变性能对于评估混凝土的应力发展具有重要作用。混凝土的徐变行为受混凝土水灰比，龄期以及养护温度等因素的影响。混凝土的徐变变形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，混凝土的变形参数试验方法仍存在改进空间：

(1)采用圆环约束法，但受圆环本身尺寸的限制，多数试验仅限于细骨料混凝土试验；

(2)圆环试验时，混凝土受到的约束是一个变化值。随着混凝土力学性能的增长，金属环对混凝土的约束度逐步减弱，无法提供一个恒定约束；同时，混凝土环实际处于多向受力状态，而分析时常简化为单一受力状态；

(3)采用单轴约束法，受力清晰且约束度可调，但现有试验和分析方法没有考虑设备刚度对测量结果的影响，导致测量结果仅能与同台设备的测试结果横向比较，与其他实验室设备获取的试验数据不具有可比性；

(4)混凝土徐变行为受温度影响。现有规范在进行混凝土徐变测试时多基于恒温养护条件，与实际工程中混凝土所处温度状态不同，试验结果无法直接应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种不同养护条件下种混凝土徐变行为评价设备与方法，其可以对不同养护条件下的混凝土徐变参数进行精确测量，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种混凝土徐变行为评价设备，它包括模板系统、温度系统、采集系统、荷载测量系统、控制系统和计算机系统；

该模板系统包括约束模板和自由模板，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；该自由模板的侧模板两端分别设有具有控温通道的端部模板，该自由模板的上模板、下模板、侧模板和端部模板之间围构成密封的自由浇筑空间；该约束模板的侧模板两端分别设有固定模板和活动模板，该约束模板的上模板、下模板、侧模板、固定模板和活动模板之间围构成密封的约束浇筑空间；各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、固定模板、活动模板、自由浇筑空间以及该约束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、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、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；

该荷载测量系统包括驱动装置，该驱动装置与一传动轴连接，能够对该传动轴进行推拉；该传动轴的末端与该活动模板中心通过拉杆固定连接，该拉杆与该传动轴之间设有荷载传感器；

该采集系统的输入端与该位移传感器、该第一温度传感器、该第二温度传感器和该荷载传感器连接，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驱动装置、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。

进一步的，所述驱动装置为电机。

一种不同养护条件下种混凝土徐变行为评价方法，利用所述的不同养护条件下种混凝土徐变行为评价设备，它包括下列步骤：

将搅拌完成的混凝土分别浇入所述约束浇筑空间和自由浇筑空间内，分别形成约束混凝土试件和自由混凝土试件；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，最终使约束混凝土试件和自由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，将自由混凝土试件变形数据和约束混凝土试件累加次数值带入公式(1)计算出混凝土的徐变变形：

ε^cr＝ε^sh-nε⁰ (1)

式中ε^cr为混凝土的徐变变形；ε^sh为混凝土的收缩变形；ε⁰为约束混凝土试件发生膨胀或收缩变形到达一定阈值；n是约束混凝土试件的累积循环次数。

进一步的，利用所述公式(1)的过程如下：

位移传感器测量自由混凝土试件在任意温度历程下的收缩变形ε^sh；

约束混凝土试件发生膨胀或收缩变形到达一定阈值ε⁰后，约束混凝土试件端部的驱动装置启动对约束混凝土试件进行推拉动作，使其始终保持在原长；随后，保持约束混凝土试件所受荷载恒定；

约束混凝土试件再次变形到阈值ε⁰，驱动装置再次启动使约束混凝土试件恢复原长；随后，保持约束混凝土试件所受荷载恒定；

基于上述步骤的不断循环，消除试验机刚度对测量结果的影响，混凝土的徐变变形由所述公式(1)计算。

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(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。

本发明的有益效果是：本发明不同养护条件下种混凝土徐变行为评价设备与方法，其可以对不同养护条件下的混凝土徐变参数进行精确测量，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种混凝土徐变行为评价设备的结构示意图。

图2是本发明的混凝土徐变评价方法示意图。

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养护条件下种混凝土徐变行为评价设备，它包括模板系统、温度系统、采集系统、荷载测量系统、控制系统和计算机系统。

该模板系统包括约束模板A和自由模板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。该自由模板B的侧模板3两端分别设有具有控温通道的端部模板4，该自由模板B的上模板1、下模板2、侧模板3和端部模板4之间围构成密封的自由浇筑空间C。该约束模板A的侧模板3两端分别设有固定模板5和活动模板6，该约束模板A的上模板1、下模板2、侧模板3、固定模板5和活动模板6之间围构成密封的约束浇筑空间D。该上模板1、下模板2、侧模板3、端部模板4、固定模板5、活动模板6、自由浇筑空间C以及该约束浇筑空间D中心均设有第一温度传感器。该上模板为可拆卸式，该上模板、下模板、侧模板和端部模板外侧设有保温层。各上模板1穿设有两个石英棒7，两个石英棒7之间设有位移传感器8。本发明采用的位移控制方法为：将位移传感器8固定于石英棒7(其热膨胀系数较小，约为1μm/℃)的一端，采用预埋件将石英棒7直接埋入浇筑空间，使石英棒带动位移传感器与混凝土试件同步变形，保证位移传感器8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9，该水箱9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9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。

该荷载测量系统包括驱动装置10，例如电机，该驱动装置10与一传动轴11连接，能够对该传动轴11进行推拉。该传动轴11的末端与该活动模板6中心通过拉杆12固定连接，该拉杆12与该传动轴11之间设有荷载传感器13。电机接收计算机系统控制指令后，带动传动轴11对活动模板6端部施加拉/压力，保证位移测量数据满足试验要求，荷载传感器13直接反映约束混凝土试件的受力状态。

该采集系统14的输入端与该位移传感器8、该第一温度传感器、该第二温度传感器和该荷载传感器13连接，该采集系统14的输出端与该计算机系统15的输入端连接。

该控制系统16的输入端与该计算机系统15的输出端连接，该控制系统16的输出端与该驱动装置10、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种混凝土徐变行为评价方法，利用所述不同养护条件下种混凝土徐变行为评价设备，它包括下列步骤：

将搅拌完成的混凝土分别浇入该约束浇筑空间D和自由浇筑空间C内，分别形成约束混凝土试件和自由混凝土试件；盖上上模板1，预埋的第一温度传感器的导线从上模板的预留孔穿出与采集系统14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，最终使约束混凝土试件和自由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8测量变形数据，将自由混凝土试件变形数据和约束混凝土试件累加次数值带入公式(1)计算出混凝土的徐变变形：

ε^cr＝ε^sh-nε⁰ (1)

式中ε^cr为混凝土的徐变变形；ε^sh为混凝土的收缩变形；ε⁰为约束混凝土试件发生膨胀或收缩变形到达一定阈值；n是约束混凝土试件的累积循环次数。

混凝土长期持荷时，其弹性变形、徐变变形、收缩变形是耦合的，徐变变形部分需要从测量的总变形中分离。

混凝土的总变形可表示为

ε^tot＝ε^el+ε^cr+ε^sh (2)

式中，ε^el是混凝土的弹性变形；ε^cr是混凝土的徐变变形；ε^sh是混凝土的收缩变形。

混凝土徐变变形分离需要两个试件(自由混凝土试件和约束混凝土试件)同步进行约束试验。自由混凝土试件用于测量混凝土的收缩变形ε^sh，约束混凝土试件测量混凝土的徐变变形ε^cr和弹性变形ε^el的叠加值。

传统徐变变形分离方法：

位移传感器测量自由试件在任意养护条件下的收缩变形ε^sh；

约束试件发生膨胀或收缩变形到达一定阈值ε⁰后，约束试件端部的电机启动对试件进行推拉动作，使其始终保持在原长；随后，约束试件再次变形到阈值ε⁰，电机再次启动使试件恢复原长。由多个循环记录出的荷载累加值就是混凝土的约束应力发展过程，而混凝土的弹性变形ε^el则是通过记录约束试件的位移变形累加值得到。这样，公式(2)中的混凝土的徐变变形ε^cr作为唯一未知量便可计算出。

上述试验方法的缺陷在于：约束试件的位移变形累加值的大小是由试验机的框架刚度和试件本身刚度决定的。在试件刚度一定的条件下，框架刚度越大，约束试件的位移变形累加值就越小，基于公式(2)计算出的混凝土徐变变形就会越大。因此，不同试验机获取的混凝土粘弹性行为无法直接比较，大大限制了试验数据的通用性。

而本发明利用该公式(1)的过程如下：

位移传感器测量自由混凝土试件在任意温度历程下的收缩变形ε^sh；

约束混凝土试件发生膨胀或收缩变形到达一定阈值ε⁰(可任意取值)后，约束混凝土试件端部的驱动装置启动对约束混凝土试件进行推拉动作，使其始终保持在原长；随后，保持约束混凝土试件所受荷载恒定；

约束混凝土试件再次变形到阈值ε⁰，驱动装置10再次启动使约束混凝土试件恢复原长；随后，保持约束混凝土试件所受荷载恒定；

基于上述步骤的不断循环，消除试验机刚度对测量结果的影响，混凝土的徐变变形由该公式(1)计算。

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。

本发明优点如下：

1、本发明可以模拟不同养护条件下混凝土的自由变形和约束条件下的应力发展历程。通过变形分离，获取不依赖于试验机本身参数的混凝土粘弹性参数，使试验结果具有通用性，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混凝土的自由变形进行试验。

4、本发明可以对不同养护条件下混凝土进行约束应力试验。

5、本发明可以对不同养护条件下混凝土的各种变形进行测量并有效分离。

6、本发明可以获取不依赖于试验机本身参数的混凝土徐变参数。

7、本发明可以根据不同养护条件下试验得出的混凝土变形和应力等数据，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。

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 (7)

1.一种不同养护条件下种混凝土徐变行为评价设备，其特征在于，它包括模板系统、温度系统、采集系统、荷载测量系统、控制系统和计算机系统；

该模板系统包括约束模板和自由模板，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；该自由模板的侧模板两端分别设有具有控温通道的端部模板，该自由模板的上模板、下模板、侧模板和端部模板之间围构成密封的自由浇筑空间；该约束模板的侧模板两端分别设有固定模板和活动模板，该约束模板的上模板、下模板、侧模板、固定模板和活动模板之间围构成密封的约束浇筑空间；各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、固定模板、活动模板、自由浇筑空间以及该约束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、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、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；

该荷载测量系统包括驱动装置，该驱动装置与一传动轴连接，能够对该传动轴进行推拉；该传动轴的末端与该活动模板中心通过拉杆固定连接，该拉杆与该传动轴之间设有荷载传感器；

该采集系统的输入端与该位移传感器、该第一温度传感器、该第二温度传感器和该荷载传感器连接，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驱动装置、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种混凝土徐变行为评价设备，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所述的不同养护条件下种混凝土徐变行为评价设备，其特征在于：所述上模板为可拆卸式。

4.根据权利要求1所述的不同养护条件下种混凝土徐变行为评价设备，其特征在于：所述驱动装置为电机。

5.一种不同养护条件下种混凝土徐变行为评价方法，其特征在于：利用权利要求1至4中任一项所述的不同养护条件下种混凝土徐变行为评价设备，它包括下列步骤：

将搅拌完成的混凝土分别浇入所述约束浇筑空间和自由浇筑空间内，分别形成约束混凝土试件和自由混凝土试件；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，最终使约束混凝土试件和自由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，将自由混凝土试件变形数据和约束混凝土试件累加次数值带入公式(1)计算出混凝土的徐变变形：

ε^cr＝ε^sh-nε⁰ (1)

式中ε^cr为混凝土的徐变变形；ε^sh为混凝土的收缩变形；ε⁰为约束混凝土试件发生膨胀或收缩变形到达一定阈值；n是约束混凝土试件的累积循环次数。

6.根据权利要求5所述的不同养护条件下种混凝土徐变行为评价方法，其特征在于：利用所述公式(1)的过程如下：

位移传感器测量自由混凝土试件在任意温度历程下的收缩变形ε^sh；

约束混凝土试件发生膨胀或收缩变形到达一定阈值ε⁰后，约束混凝土试件端部的驱动装置启动对约束混凝土试件进行推拉动作，使其始终保持在原长；随后，保持约束混凝土试件所受荷载恒定；

约束混凝土试件再次变形到阈值ε⁰，驱动装置再次启动使约束混凝土试件恢复原长；随后，保持约束混凝土试件所受荷载恒定；

基于上述步骤的不断循环，消除试验机刚度对测量结果的影响，混凝土的徐变变形由所述公式(1)计算。

7.根据权利要求5所述的不同养护条件下种混凝土徐变行为评价方法，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(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。