CN108956297A - 一种测量不同约束度下混凝土强度损伤历程的方法与装备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种测量不同约束度下混凝土强度损伤历程的方法和该方法使用的装备，其方法增加了声发射测量，可以更加全面地评价混凝土的强度；该装备可以在不同约束度和不同温度过程下测量混凝土强度损伤历程，即混凝土试件中裂缝的产生、发展乃至于试件抗拉强度的方法中使用的装备，以达到能够对不同约束条件下的混凝土开裂风险精准评估，为混凝土结构温控优化设计提供参数基础。
Description
技术领域
本发明属于混凝土评价技术领域，具体地涉及混凝土的变约束单轴试验，提供一种混凝土长期强度测试方法，以及该方法中所使用的试验装置。
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。不同用途的混凝土结构，结构特点不同，在使用中强度表现也不相同。例如水工混凝土结构，例如大坝，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；再如功能构件，例如桥墩、桥梁、楼板、立柱等，一般截面较小，浇筑后散热较快，较快的干燥过程也会使得一些特殊结构部分形成裂纹，尤其是内部的隐形裂纹，给使用留下安全隐患；又如交通路面，散热性能也有其特殊性，在强度上也就有不同的特点。
混凝土的抗拉强度，一般需要借助实验室内的相关轴向加载设备获取，现有技术中，获得混凝土的强度试验数据，通常是用加载设备，包括劈拉装备，轴拉装备等，对混凝土试件施加荷载，直至试件被拉断，然后将拉断试件得出的荷载和变形数据再利用相应混凝土结构的公式，例如，对于水工混凝土结构，利用大体积混凝土结构数值仿真计算得出结果，为大坝建造的设计的决策提供参考数据。
上述评价混凝土强度的方法是存在缺陷的。实际应用中常常发现，混凝土构件承受的荷载小于强度值就失效了，由此，设计中，为了安全起见，会留出很大的安全系数。但实际上往往还会出现危险隐患。
混凝土实际抗拉强度低于试验的抗拉强度的主要原因是实际应用中混凝土浇筑后存在大量微裂纹，这些微裂纹既存在于水泥基体中，也密集分布在骨料与砂浆的交界面处。在混凝土结构承受荷载之时或之后，其中的微裂纹会有相应的变化，由于不同的加载方式会导致裂纹扩展具有差异性，而混凝土结构在实际运行中的开裂乃至于失效，与这些微裂纹有很大关系。微裂纹的产生来自于混凝土构件内部所产生的拉应力，而拉应力与混凝土的变形有关系，而变形的产生因素是多方面的，例如，混凝土结构在实际运行中，由于浇筑之后的水化反应，会产生自生体积变形；由于水化反应产生热量，会使得混凝土结构产生温度变形；由于水分散失，混凝土结构会产生干燥变形。这些变形在混凝土结构中，往往因为被约束而产生拉应力。现有技术中，实验室内对于混凝土试件的养护模式是采取恒温20℃的方式，仅在特定龄期进行加载获取混凝土的各项力学指标。这种传统的养护方式，与混凝土在实际应用中的情形相去甚远。另外，混凝土的开裂风险还是混凝土的弹模，线膨胀系数，温度历程多个因素耦合的结果，通过单一的温度环境和强度指标获取的混凝土材料参数无法精准预测混凝土工程在实际运行状态下的开裂风险。再有更重要的，现有的混凝土强度测试中，完全没有对试件内裂纹的测量，更没有对于试件内裂纹在不同的约束度下和不同的温度过程中产生、发展乃至于使得试件失效的历程进行测量。因此，现有技术中混凝土试件强度测试数据在实际应用中的参考价值就大打折扣，不能给混凝土结构的设计提供精准的试验数据支撑。
发明内容
本发明的目的在于改进现有混凝土抗拉强度的试验方法和设备的缺陷，提供一种可以在不同约束度和不同温度过程下测量混凝土强度损伤历程，即混凝土试件中裂缝的产生、发展乃至于试件抗拉强度的方法与装备，以达到能够对不同约束条件下的混凝土开裂风险精准评估，为混凝土结构温控优化设计提供参数基础。
本发明的技术解决方案是这样的：
本发明提供的测量不同约束度下混凝土强度损伤历程的方法中，强度测量，是属于单轴混凝土强度测试。
一种测量不同约束度下混凝土强度损伤历程的方法，在如下设备中进行，该设备包括一单轴混凝土强度和/或应力试验机中进行，该单轴混凝土强度和/或应力试验机为：
包括一模板系统、一温度控制系统、一机械加载系统、一位移测量系统、一声发射测量系统和一荷载测量系统；
所述模板系统包括上顶模板、下底模板以及两个侧模板，四个模板之间留有一个用于浇筑或容置试件的空间，至少两个该侧模板的一端通过固定一固定板而连为一体，形成试件的固定端，在两个该侧模板的另一端，两侧模板之间设置一块活动板，当其与试件连为一体时作为试件的活动端；
所述温度控制系统为在试件周围设置的一个盒体，该盒体连接温度调节装置，以给试件设定的温度或温度变化历程；所述盒体上和/或盒体内和/或容置试件的空间内部设置温度传感器；
所述机械加载系统包括一电机，该电机连接一直线运动机构，该直线运动机构的直线运动的从动件连接所述活动板，使得电机对试件施加轴向压力或拉力而对于试件的变形进行设定约束度的约束；
所述位移测量系统包括两个预埋件，使用中相距设定距离地设置在试件中，该预埋件上连接测杆，在至少一根测杆上设置位移传感器；
所述声发射测量系统包括若干个声发射探头，使用中设置在试件表面上；
所述荷载测量系统包括一荷载传感器，设置在所述活动板和所述从动件之间，以感知电机给试件施加的压力或拉力值；
还包括一控制和数据采集系统，其包括一控制装置以控制电机的启闭，还包括一控制单元，通过数据线连接各个所述传感器，以采集相应的信息，然后控制电机启闭和输出所采集的信息，并控制所述流体介质源的温度，使得所述流体的温度符合试验中对于温度历程的要求；
测量方法是：
步骤1：在模板系统中预置预埋件和测杆；并在相应处预置温度传感器；
步骤2：在模板系统的试件容置空间中浇筑混凝土，制成混凝土试件，让所述试件的一端与所述固定板固为一体，另一端与所述活动板固为一体；
步骤3：在试件固定成型后，在试件的表面上设置声发射探头；
步骤4：浇注的同时按照试验要求启动温度控制系统，对试件提供设定的温度或温度变化过程，构成设定的试验环境，并开始根据试验要求设定的约束度按照位移传感器的数据启动电机，对试件实施不同的约束度，采集荷载、应力和裂纹在内的至少一项信息，据此分析试件的强度损伤历程。
进一步地，在所述设备中，还包括辅助试验装置，该辅助试验装置可以是：
除了所述机械加载系统之外，具备所述单轴混凝土强度和/或应力试验机的全部系统，所述模板系统中的活动板置于一平台上，以使得试件能够自由变形，构成零约束状态；
在所述步骤1中，同时在辅助试验装置中的模板系统中同样预置预埋件和测杆；相应处设置温度传感器；
在所述步骤2中，同时在辅助试验装置中的模板系统中浇筑同样的混凝土试件-对比试件，也称为自由试件；
在所述步骤3中，同样在固定成型后的对比试件表面上设置声发射探头；
在所述步骤4中，构成同样的试验环境，通过位移传感器采集自由试件的变形量；
约束所述试件的荷载由安装在所述试件的活动端的所述荷载传感器测量，所述电机与所述荷载传感器和所述试件组成传力体系，所述试件产生变形量ε并达到预设变形限制时，所述电机接收控制单元的控制指令，带动所述从动件对所述试件的活动端施加拉/压力，使试件位移变化至预设目标；重复上述过程而获取设定试验环境中和设定约束度下所述试件的变形和约束应力变化数据；同时测量：
辅助试验装置中活动端的位移量Δlf，即自由试件的变形量；
记录所述声发射测量系统中各个探头的振铃数，并进行求和得到总振铃次数N；
约束所述试件的位移值ε(t)由设定的约束度和自由试件的位移值确定，如公式(1)所示：
ε(t)＝(1-γR)εsh (1)
式中，
γR是设定的约束度；
εsh是应变片也就是位移传感器测量的辅助试件即自由试件的变形。
εsh＝Δlf/l
Δlf是自由状态下的变形量；
l是标距，即两根测杆之间的原始距离；
所述试件在受约束状态下产生的变形量Δlr，则混凝土的约束度γR可用约束状态下产生的变形量和自由状态下的变形量Δlf，的比值来定义，即
式中，
Δlr为试件在约束状态下产生的变形量
Δlf为自由试件在自由状态下的变形量，
在所述方法中，对混凝土进行强度评价，
混凝土长期加载强度由公式(2)计算
式中，
是混凝土的无损强度，可由室内传统试验获取，即无损强度是在与本试验相同的温度或温度历程中测得的；
D是混凝土的强度损伤参数，为约束水平和损伤参数的函数；
D＝γR(aN+b) (3)
式中，N是混凝土加载过程中的振铃次数累计值；γR是混凝土的受约束程度；a和b是完全约束条件下获取的损伤常数，损伤常数是在与本试验相同的温度或温度历程中完全约束条件下获得的，a和b是通过试验结果的回归分析得到的。回归分析是现有常见的技术手段。
振铃次数是声发射设备在采集混凝土加载过程中收集的众多采集信号中的一种。这个参数对于表征混凝土的损伤历程较为有效。
根据公式(3)便可计算出任意约束条件下混凝土的损伤程度，带入公式(2)便可计算出混凝土的实际强度，并评价混凝土的开裂风险。
根据公式(2),我们得到不同温度历程和约束度条件下混凝土在真实受荷状态下自身强度的发展规律，这较传统室内试验方法更贴近工程实际，大大提高了混凝土结构的设计安全性。
混凝土28d后强度比较稳定，本试验进行28天，即可以认定为长期。因此，所述方法中，对所述试件做28天的连续试验，即可得到混凝土的长期强度。
在本方法中，对于试件，不单是在恒定温度下可以进行强度测试，还可以在温度控制系统的作用下，在多种设定的环境中进行强度测试，由此，可以模拟要构建混凝土结构之处的自然环境，由此得出的强度结果的精准度和可参考性都比现有技术大大提高。混凝土的失效还决定于其内部的裂缝，本方法中，增加了在强度测试的同时对于试件内部裂纹的产生和发展的测试，这样，就能够对混凝土在设定的环境下进行更加精确的强度评价。
混凝土是一种多相材料，这是其与金属材料非常明显的区别。
混凝土内部裂纹的形态、分布及其扩展在不同约束度、不同温度历程下是不相同的。因此，本发明采用的设备中，混凝土应力试验机中结合了声发射系统，使得混凝土应力试验机增加了考察混凝土的裂纹产生和扩展情况，也就是混凝土损伤的过程。
还有一种测量方法，主要是用于三维定位混凝土的初始裂纹，以及裂纹扩展程度和轨迹，为定量评估混凝土损伤提供依据。
在所述测量方法的试验之前，进行如下前期试验：
在该前期试验的方法中，使用所述混凝土强度/应力试验机，
在同样的温度历程和进行同样的约束度下试验，执行所述的四个步骤，但是在前期试验中，在步骤1中，浇筑混凝土试件时，在试件直线段上设定深度预埋钢板，设定时间后取出，以在试件上预留裂缝；对于辅助试验机中的自由试件，也预留裂缝，以保证主、辅试件完全一致；
在步骤4中，对试件进行轴向拉伸，在拉伸过程中收集在步骤3中设置的声发射探头测得各个探头的振铃次数的信息，即损伤参数；
然后，根据采集到的信息，采用人工神经网络对裂纹的位置和发展轨迹做出判断：
判断1：构建预测模型：
将各个探头收集到的振铃次数即损伤测试信号带入式(4)
X＝{N1，N2，N3，……Ni} (4)
式中，Ni是归一后的损伤测试信号，就是第i个探头获取的损伤测试信号占总测试信号的比例；
Ti是实测的第i个探头获取的损伤测试信号，即振铃次数。
将公式(4)计算出的神经网络输入向量X带入神经网络模型，由此建立裂纹位置和发展的预测模型；
对实施了所述测量方法的试件，进行：
判断2：确定不同约束度和温度历程下混凝土的裂纹损伤历程
对无预留裂缝的试件进行所述步骤1至步骤4，
在步骤4中，设定相应的约束度和温度历程，对试件进行轴向加载试验，在此过程中收集混凝土试件各个测点的损伤参数，依然是振铃次数这个指标；
将各个探头收集到的混凝土振铃次数带入由判断1确定的损伤判断的神经网络模型中，由此获取混凝土试件在设定约束度和温度历程下裂缝的空间位置以及扩展轨迹。
神经网络模型是由多个公式组成的公式组，通过不断迭代计算出结果，我们将公式(1)的向量带入由步骤1～4得到的这个模型中便可获取裂纹的起始位置以及发展轨迹等。
神经网络模型是有多种，这里选取了一种：多层结构的前馈网络(MultilayerFeedforward Network)。
处理信号有多种方式，遗传算法，模糊数学等。
隐层可以理解为在输入向量X后，该模型在隐层内自动去寻找最优解，神经网络模型可以理解为是个“黑盒”操作。带入输入向量后，该模型会自动运行，不要人额外进行处理，最后输出结果。如果结果不合理，我们再去调整模型，比如增加层数或者迭代方式等。
输出层就是给出模型计算结果。
使用上述模型的优势在于可以根据期望输出向量自动完善神经网络模型的预测函数，完善的衡量指标即为模型的损伤预测结果与试验给定的预置裂缝一致。由此便建立了裂纹位置和发展的预测模型。试验样本和试验次数越多，模型的精准度越高。
进一步地，可以根据对于设置在试件不同位置上的所述探头对于试件裂纹的监测数据，得到在不同约束度和温度历程下混凝土的裂纹产生位置，以及发展轨迹。根据不同约束度和温度历程下混凝土的裂纹产生位置，以及发展轨迹，我们可以定量确定混凝土的薄弱位置，并做出有针对性的改进措施，以降低混凝土损伤的程度，同时避免混凝土在最不利位置产生裂纹，为提高混凝土工程的安全性给出基础数据。
进一步地，设置在所述流体通道中的温度传感器，优选设置在位于所述试件轴向的中间位置上。
进一步地，所述温度控制系统中的所述盒体，所述模板系统置于该盒体内，该盒体的侧壁为空腔结构，形成流体通道，该流体通道的进口和出口设置在盒体上，该进口和出口通过管路连接流体介质源引入设定的温度变化历程的流体，或者，在所述流体通道内设置加热装置和冷却装置对流体通道中的流体加热或降温，而以对模板系统中容置的混凝土试件提供设定的温度历程；在所述流体通道中设置温度传感器。
进一步地，在模板系统中的容置试件的空间中也可以设置温度传感器。
最好的情况是，盒体侧壁的空腔内和/或模板内部腔体以及试件内部均有传感器，同时监测温度。不影响传热。
所述位移测量系统中两个预埋件相距的设定距离主要考虑试件的有效长度范围，可以根据试件尺度自由确定。
进一步地，所述声发射测量系统中的所述声发射探头，最好能够在试件各裸露面根据试件长度等间距布置，这样可以从多个方向分析不同探头采集到的数据，并从空间上定位裂纹的产生位置，以及扩展模式等。
设置声发射探头的一个优选方案是：在每个表面优选放置5个探头。
具体地，在每个表面上，其中一个探头设置在所述试件轴向的中间位置，其余四个探头对称且等间距地设置在所述试件的轴线方向上。
所述声发射探头在试件表面上的间距在10mm以内。
本发明提供的可以在不同约束度下测量混凝土强度损伤历程的方法与装备具有如下有益效果：
1.通过在原有传统试验设备上设置温度控制系统，可以模拟真实环境，使得测量出来混凝土强度更接近于实际应用中混凝土结构的真实情况；
2.通过增加声发射测量系统，增加了对于试件中裂纹的测量项目，可以更加全面地评价混凝土的强度；
3.通过本发明的方法和设备可以实现对于混凝土试件在长时间下进行模拟真实环境的强度测量，为尤其是大体积混凝土结构的设计和浇筑施工能够提供精准的评估和基础数据。
4.通过本发明的方法和设备可以实现对于混凝土试件在不同约束程度下进行模拟真实环境的强度测量，为尤其是大体积混凝土结构施工过程的安全性能够提供精准的评估和基础数据。
4.通过本发明的方法和设备可以实现对于混凝土试件进行模拟真实环境的裂纹损伤，为尤其是大体积混凝土结构在不同环境条件下优选混凝土原材料及配比提供基础数据。
下面通过附图和实施例对本发明做进一步说明。
附图说明
图1为本发明提供的单轴混凝土强度/应力试验机各个系统连接结构示意图，主要显示出模板系统和温度控制系统的结构。
图2为本发明提供的单轴混凝土应力试验机各个系统连接结构示意图，主要显示出机械加载系统、一位移测量系统和一荷载测量系统的结构。
图3为本发明提供的单轴混凝土应力试验机中声发射测量系统的结构示意图。
图4为使用本发明提供的单轴混凝土应力试验机得到振动铃声次数然后利用神经网络模型处理过程的系统示意图。
其中：
1.模板系统；11.侧模板；12.固定端板；13.活动端板；14.试件浇注容置空间；
2.温度调节系统；21.盒体；22.水箱；23.加热冷却装置；24.管路；25.温度传感器；
3.机械加载系统；31.电机；32.传力轴；
4.位移测量系统；41.预埋件；42.测杆；43.位移传感器；
5.荷载测量系统；51.荷载传感器；
6.声发射测量系统；61.探头；
7.控制系统；71.计算机；72.电机控制装置；73.温度控制装置；74.数据采集系统。
具体实施方式
本发明提供的单轴混凝土应力试验机包括一模板系统1、一温度调节系统2、一机械加载系统3、一位移测量系统4、一荷载测量系统5和一声发射测量系统6；
如图1所示，模板系统1包括两个侧模板11，还包括顶模板和底模板，两个侧模板11以及顶模板和底模板之间留有一个用于浇筑或容置试件的试件浇注容置空间14，两个侧模板11 的一端通过固定一固定端板12而连为一体，形成两侧模板11之间试件的固定端，在两个侧模板11的另一端，两侧模板之间设置一块活动端板13，当其与试件连为一体时作为试件的活动端。
模板系统中的两个侧模板具有足够的刚度，保证混凝土在成型过程中不发生较大的变形。模板在混凝土浇筑1d后拆除即可，便于后续检测探头的安装。
如图1所示，温度调节系统2包括一盒体21，模板系统1置于盒体21内，盒体21的侧壁为空腔结构，形成流体通道，该流体通道的进口和出口设置在盒体上，该进口和出口通过管路24连接流体介质源。
介质源例如可以是一个水箱22，在水箱22中设置加热装置和/或降温装置，使得水箱中的水达到设定的温度或形成设定的温度变化历程，设置输送泵装置，将水箱22中的水送入盒体21的空腔结构侧壁中。
也可以是，在盒体21的侧壁空腔结构中设置加热装置和/或降温装置，水箱中的水通过增压组件例如水泵打入盒体空腔结构中，被加热装置加热或冷却装置冷却，使得侧壁空腔结构中的水达到设定温度或形成设定的温度变化历程。
通过上述两种方式中的至少一种，对模板系统中容置的混凝土试件提供设定的温度历程；在所述流体通道中设置控制系统7中的温度传感器25；在模板系统中的容置试件的空间中也可以设置温度传感器25(如图1所示)。以此感知试件的温度历程。该温度一则作为信息被采集而输入控制系统7中的计算机71，另外，通过控制装置7中的温度控制装置73与设定的温度历程进行比对，继而调整所述加热装置或冷却装置的启闭和强弱，提供设定温度或设定温度历程的流体。
两个侧模板11也可以做成空腔结构，通过管路24与盒体21的空腔结构相连接，盒体侧壁空腔结构中的设定温度或设定温度历程的水进入侧模板11，对侧板之间的试件混凝土进行温度调节。
还可以用空腔结构的四个侧面的模板替代盒体。具体地，本发明的温度调节系统包括加热组件、冷却组件、增压组件，再结合控制系统7中的计算机71和温度控制装置73的控制组件。基于计算机控制系统，可依照设定的温度历程对加热和制冷装置进行温度闭环控制：将液体送入水箱22，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，将液体输入到温度模板中，使混凝土试件的温度按照预设曲线发展。
温度调节系统可以是共包含五个温度测点，各个测温点上设置温度传感器25：混凝土试件，上、下和两侧模板各安装一个温度传感器，混凝土试件中心点处预埋一个温度传感器。当拆除了模板系统之后，将设置在模板上的温度传感器设置在试件的四个侧面上。通过数据采集系统，计算机71上的温度控制软件上显示各温度传感器的实时温度数据，不同模板位置和试件中心处的温度数据均可直接显示，并可通过对各测点温度的调节满足不同试验条件的需求。
温度控制系统还可以是，其中的盒体为一包裹于混凝土试件外侧的金属箱构成。该金属箱内部包含了温控组件和气体循环装置，由温控组件输出的气体控温介质通过放置于箱内多个位置的排风口排出，对混凝土进行精细控温，保证混凝土试件各个部位均匀温变。
机械加载系统3包括一电机31，该电机31连接一直线运动机构，该直线运动机构的直线运动的从动件即传力轴32连接活动端板13，使得电机31对试件施加轴向压力或拉力而对于试件的变形进行设定约束度的约束。
本设备采用的机械加载方法为：如图2所示，混凝土试件活动端板和固定端板的模板为实心金属材料。混凝土浇筑后，电机通过传力轴32对活动端板施加压/拉力，电机施加的外荷载由混凝土直接承担，荷载数据由置于活动夹头和电机间的荷载传感器51测量。
所述位移测量系统4包括两个预埋件41，使用中相距设定距离地设置在试件中，例如，将预埋件浇注在试件中，预埋件上连接测杆42，测杆42伸出在试件外面。在至少一根测杆上设置位移传感器43，测得试件的变形量。该变形量提供给控制系统7中的电机控制装置，启动电机31，根据设定的约束度对试件施加压力或拉力。
荷载测量系统5包括一荷载传感器51，设置在活动端板13和传力轴32之间，或者设置在传力轴32上，如图2所示，以感知电机31给试件施加的压力或拉力值；
约束试件的荷载由安装在试件端部的荷载传感器51测量。电机31与荷载传感器51和试件组成传力体系。混凝土试件产生变形量ε并达到预设变形限制时，电机31接收计算机71控制指令，带动传力轴32对试件端部施加拉/压力，使试件位移变化至预设目标；重复上述过程可获取任意条件下混凝土试件的变形和约束应力变化数据。约束试件的位移值ε(t)由设定的约束度和辅助试验机中能够自由变形的辅助试件的位移值确定，如公式(1)所示。
ε(t)＝(1-γR)εsh (1)
式中：γR是设定的约束度；εsh是应变片即位移传感器测量的自由变形的辅助试件变形。
公式(1)是用来标定某种约束度γR的，这个约束度是基于主、辅试件测量出的位移实时控制的，没有这个前提，是无法确定出约束度的。
试件的位移测量方式为：采用预埋于混凝土试件中部的位移传感器43测量，一套位移测量装置包括预埋件41、测杆42即石英玻璃管、位移传感器43以及相应的连接构件。位移传感器43安装于石英玻璃管端部，借助两根预埋件41与混凝土共同变形，其数据反映出的即为混凝土试件的真实变形。
声发射测量系统6包括若干个声发射探头61，使用中设置在试件表面上，如图3所示。
具体地，声发射探头61设置在试件直线段上，例如图3所示，在试件的表面上设置5个探头。间距尽量小，在本实施例中，间距在10mm，以保证收集到更多的试件无损信号；
混凝土受荷过程中的损伤由布置在混凝土试件中部的5个无损检测探头组成。混凝土持续受荷过程中，上述探头采集混凝土内部微裂纹扩展的表征参数，用于后续的强度损伤分析。
还包括一控制系统7，其包括一电机控制装置72以控制电机的启闭，包括一温度控制装置73，以控制试件的温度。还包括一控制单元，控制单元包括一采集系统74，通过数据线连接温度传感器25、位移传感器43和荷载传感器51，以采集相应的信息，然后传输到计算机 71中，控制单元通过数据线连接电机控制装置72和温度控制装置73，从而控制电机启闭和控制加热冷却装置。
在一个具体实施例中，还设置有一个辅助试验机，该辅助试验机除了机械加载系统3和荷载测量系统之外，其他部分均与上述单轴混凝土强度/应力试验机结构相同。
(1)用上述设备进行测量混凝土强度损伤历程的方法一个具体实施例如下：构成盒体21 的温度模板中心点处预先埋设温度传感器25，位移测量系统上的两端预埋件41和
测杆42采用定位工装固定于试件浇注容置空间即试件中部；
(2)将搅拌好的混凝土分别浇入试验机中的主模板系统和辅助试验机中辅模板系统中的试件浇注容置空间，盖上模板上盖，主、辅试验机的试件浇注容置空间中均预埋的温度传感器和应变片导线从上盖预留孔穿出与控制系统中的控制装置相连；
(3)计算机软件中设定混凝土试件温度历程，以及各试验参数，开始试验，同步测量各温度传感器的温度数据和位移传感器中的变形数据；
(4)1天后，将主、辅试验机中的模板系统中的侧面的侧模板拆除，在成型的试件中部安装5个声发射监测探头61，探头设置在试件裸露的上面和左右两个侧面上；设定约束度，开始试验；
(5)将试验获取的振铃次数累计值带入公式(3)计算混凝土的损伤因子。
混凝土长期加载强度由公式(2)计算
式中，是混凝土的无损强度，可由室内传统试验获取；传统试验是拉伸试验。试件的混凝土成分、形状和环境条件完全相同。也就是说，试验的时候，做一个一样的试件，用传统试验方法进行试验，D是混凝土的强度损伤参数，为约束水平和损伤参数的函数
D＝γR(aN+b) (3)
式中，γR是混凝土的受约束程度；N是混凝土加载过程中的振铃次数累计值；a和b是完全约束条件下获取的损伤常数。
混凝土的约束度γR为：
式中，
Δlr为试件在约束状态下产生的变形量
Δlf为自由试件在自由状态下的变形量，
根据完全约束下得到的混凝土强度，与传统试验获取的相同养护条件下的混凝土强度相比，可确定D，N是完全约束下获取的振铃次数，根据公式(3)拟合回归后确定a和b。
根据公式(3)便可计算出，任意约束条件下混凝土的损伤程度，带入公式(2)便可计算出混凝土的实际强度，并评价混凝土的开裂风险。
公式(1)是用来标定某种约束度γR的，这个约束度是基于主、辅试件测量出的位移实时控制的，没有这个前提，是无法确定出约束度的。
下面是一个测量混凝土损伤的实施例：
所使用的设备如前所述。
步骤一：构建训练样本。
(1)在模板系统中预置预埋件和测杆，并预置温度传感器；
(2)在模板系统的试件容置空间中浇筑混凝土，制成混凝土试件，让所述试件的一端与所述固定板固为一体，另一端与所述活动板固为一体；浇筑混凝土应力试验机的混凝土试件时，在试件直线段任意处预埋钢板，钢板深入试件1/2截面高度即可，3小时后取出，目的是使混凝土在此处预留有裂纹，保证试件在此位置开裂，保证模型收敛度更高，获取更为准确的基础数据；
(3)混凝土凝固后，在混凝土的上表面和两个测表面粘贴声发射探头，间距尽量小，例如为6mm，以保证收集到更多的试件无损信号；
(4)对试件进行轴向拉伸，加载速率可以保持在0.01MPa/s，在此过程中收集混凝土各个测点的损伤参数，主要是振铃次数这个指标。
(4)将上述损伤参数带入下式：
X＝{N1，N2，N3，……Ni} (4)
式中，Ni是归一后的损伤测试信号；
Ti是实测的第i个探头获取的损伤测试信号。
将公式(1)计算出的神经网络输入向量带入神经网络模型，该模型的基本框架如图4所示。
该模型的优势在于可以根据期望输出向量自动完善神经网络模型的预测函数，完善的衡量指标即为模型的损伤预测结果与试验给定的预置裂缝一致。由此便建立了裂纹位置和发展的预测模型。试验样本次数越多，模型的精准度越高。
步骤二：确定不同约束度和温度历程下混凝土的裂纹损伤历程。
(1)在混凝土应力试验机内浇筑混凝土试件；
(2)混凝土凝固后，在混凝土的上表面和两个测表面粘贴声发射探头，间距尽量小，以保证收集到更多的试件无损信号；
(3)设定相应的约束度和温度历程，对试件进行轴向加载试验，在此过程中收集混凝土各个测点的损伤参数，依然是振铃次数这个指标。
(4)将各个探头收集到的混凝土振铃次数带入由步骤一确定的损伤判断的神经网络模型中，由此便可以获取混凝土在不同约束度和温度历程下裂缝的空间位置以及扩展轨迹。
根据不同约束度和温度历程下混凝土的裂纹产生位置，以及发展轨迹，我们可以定量确定混凝土的薄弱位置，并做出有针对性的改进措施，以降低混凝土损伤的程度，同时避免混凝土在最不利位置产生裂纹，为提高混凝土工程的安全性给出基础数据。
在本试验中，制作一个有预留裂纹的试件进行试验，然后，在相同的约束度和温度历程中对于没有预留裂纹的试件进行同样的试验，通过神经网络模型获取裂纹的空间位置和扩张轨迹。在后面对于没有预留裂纹的试件进行试验时，可以将前一个试件的试验中的数据作参考，判断试验结果的合理性。
根据对于设置在试件不同位置上的所述探头对于试件裂纹的监测数据，得到在不同约束度和温度历程下混凝土的裂纹产生位置，以及发展轨迹。
具体试验中，由于探头分布在试件的各个表面上，且在试件上较密集地排布，采集数据时，对于每个探头的数据分别采集，这样，就可以发现试件上最早和/或最多产生裂纹的位置，或者在什么约束情况下，什么温度或温度变化情况下出现裂纹最多或最少。这些就可以作为混凝土工程中进行设计的基础数据。
在本试验中，制作一个有预留裂纹的试件进行试验，通过神经网络模型获取裂纹的空间位置和扩张轨迹，并优化神经网络模型。
然后，在相同的约束度和温度历程中对于没有预留裂纹的试件进行同样的试验，通过基于前次试验已优化的神经网络模型获取裂纹的空间位置和扩张轨迹，判断试验结果的合理性。
根据对于设置在试件不同位置上的所述探头对于试件裂纹的监测数据，得到在不同约束度和温度历程下混凝土的裂纹产生位置，以及发展轨迹。
具体试验中，由于探头分布在试件的各个表面上，且在试件上较密集地排布，采集数据时，对于每个探头的数据分别采集，这样，就可以发现试件上最早和/或最多产生裂纹的位置，或者在什么约束情况下，什么温度或温度变化情况下出现裂纹最多或最少。这些就可以作为混凝土工程中进行设计的基础数据。
Claims (10)
1.一种测量不同约束度下混凝土强度损伤历程的方法，在如下设备中进行，该设备包括一单轴混凝土强度和/或应力试验机中进行，该单轴混凝土强度和/或应力试验机为：
包括一模板系统、一温度控制系统、一机械加载系统、一位移测量系统、一声发射测量系统和一荷载测量系统；
所述模板系统包括上顶模板、下底模板以及两个侧模板，四个模板之间留有一个用于浇筑或容置试件的空间，至少两个该侧模板的一端通过固定一固定板而连为一体，形成试件的固定端，在两个该侧模板的另一端，两侧模板之间设置一块活动板，当其与试件连为一体时作为试件的活动端；
所述温度控制系统为在试件周围设置的一个盒体，该盒体连接温度调节装置，以给试件设定的温度或温度变化历程；所述盒体上和盒体内即试件内部设置温度传感器；
所述机械加载系统包括一电机，该电机连接一直线运动机构，该直线运动机构的直线运动的从动件连接所述活动板，使得电机对试件施加轴向压力或拉力而对于试件的变形进行设定约束度的约束；
所述位移测量系统包括两个预埋件，使用中相距设定距离地设置在试件中，该预埋件上连接测杆，在至少一根测杆上设置位移传感器；
所述声发射测量系统包括若干个声发射探头，使用中设置在试件表面上；
所述荷载测量系统包括一荷载传感器，设置在所述活动板和所述从动件之间，以感知电机给试件施加的压力或拉力值；
还包括一控制和数据采集系统，其包括一控制装置以控制电机的启闭，并控制对所述流体介质源进行加热和/或冷却装置的启闭强弱调节，使得所述流体的温度符合试验中对于温度历程的要求；还包括一控制单元，通过数据线连接各个所述传感器，以采集相应的信息，据此控制所述控制装置而控制电机和加热和/或冷却装置和输出所采集的信息；
测量方法是：
步骤1：在模板系统中预置预埋件和测杆，并在相应处预置温度传感器；
步骤2：在模板系统的试件容置空间中浇筑混凝土，制成混凝土试件，让所述试件的一端与所述固定板固为一体，另一端与所述活动板固为一体；
步骤3：在试件固定成型后，在试件的表面上设置声发射探头；
步骤4：浇注的同时按照试验要求启动温度控制系统，对试件提供设定的温度或温度变化过程，构成设定的试验环境，并开始根据试验要求设定的约束度按照位移传感器的数据启动电机，对试件实施不同的约束度，采集荷载、应力和裂纹在内的至少一项信息，据此分析试件的强度损伤历程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述设备中，还包括辅助试验装置，该辅助试验装置是：
除了所述机械加载系统之外，具备所述单轴混凝土强度和/或应力试验机的全部系统，所述模板系统中的活动板置于一平台上，以使得试件能够自由变形，构成零约束状态；
在所述步骤1中，同时在辅助试验装置中的模板系统中同样预置预埋件和测杆，相应处设置温度传感器；
在所述步骤2中，同时在辅助试验装置中的模板系统中浇筑同样的混凝土试件-对比试件，也称为自由试件；
在所述步骤3中，同样在固定成型后的对比试件表面上设置声发射探头；
在所述步骤4中，构成同样的试验环境，通过位移传感器采集自由试件的变形量；
约束所述试件的荷载由安装在所述试件的活动端的所述荷载传感器测量，所述电机与所述荷载传感器和所述试件组成传力体系，所述试件产生变形量ε并达到预设变形限制时，所述电机接收控制单元的控制指令，带动所述从动件对所述试件的活动端施加拉/压力，使试件位移变化至预设目标；重复上述过程而获取设定试验环境中和设定约束度下所述试件的变形和约束应力变化数据；同时测量：
辅助试验装置中活动端的位移量Δlf，即自由试件的变形量；
记录所述声发射测量系统中各个探头的振铃数，并进行求和得到总振铃次数N；
约束所述试件的位移值ε(t)由设定的约束度和自由试件的位移值确定，如公式(1)所示：
ε(t)＝(1-γR)εsh (1)
式中，
γR是设定的约束度；
εsh是位移传感器测量的辅助试件即自由试件的与变形相关的参数，
εsh＝Δlf/l
Δlf是自由试件自由状态下的变形量；
l是标距，即两根测杆之间的原始距离；
混凝土的约束度γR为：
式中，
Δlr为试件在约束状态下产生的变形量
Δlf为自由试件在自由状态下的变形量，
在所述方法中，对混凝土进行强度评价，
混凝土长期加载强度由公式(2)计算
式中，
是混凝土的无损强度，由室内传统试验获取，即相同混凝土成分、试件形状和环境条件下进行试验；
D是混凝土的强度损伤参数，为约束水平和损伤参数的函数；
D＝γR(aN+b) (3)
式中，
N是混凝土加载过程中的振铃次数累计值；γR是混凝土的受约束程度；a和b是完全约束条件下获取的损伤常数，损伤常数是在与本试验相同的温度或温度历程中完全约束条件下获得的，a和b是通过试验结果的回归分析得到的；
公式(3)计算出任意约束条件下混凝土的损伤程度，带入公式(2)计算出混凝土的实际强度，并评价混凝土的开裂风险。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：试验进行28天，得到混凝土的长期强度。
4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于：在所述测量方法的试验之前，进行如下前期试验：
在该前期试验的方法中，使用所述混凝土强度/应力试验机，
在同样的温度历程和进行同样的约束度下试验，执行所述的四个步骤，但是在前期试验中，在步骤1中，浇筑混凝土试件时，在试件直线段上设定深度预埋钢板，设定时间后取出，以在试件上预留裂缝；对于辅助试验机中的自由试件，也预留裂缝，以保证主、辅试件完全一致；
在步骤4中，对试件进行轴向拉伸，在拉伸过程中收集在步骤3中设置的声发射探头测得各个探头的振铃次数的信息，即损伤参数；
然后，根据采集到的信息，采用人工神经网络对裂纹的位置和发展轨迹做出判断：
判断1：构建预测模型：
将各个探头收集到的振铃次数即损伤测试信号带入式(4)
X＝{N1，N2，N3，……Ni} (4)
式中，Ni是归一后的损伤测试信号，就是第i个探头获取的损伤测试信号占总测试信号的比例；
Ti是实测的第i个探头获取的损伤测试信号，即振铃次数；
将公式(4)计算出的神经网络输入向量X带入神经网络模型，由此建立裂纹位置和发展的预测模型；
对实施了所述测量方法的试件，进行：
判断2：确定不同约束度和温度历程下混凝土的裂纹损伤历程
对无预留裂缝的试件进行所述步骤1至步骤4，
在步骤4中，设定相应的约束度和温度历程，对试件进行轴向加载试验，在此过程中收集混凝土各个测点的损伤参数，依然是振铃次数这个指标；
将各个探头收集到的混凝土振铃次数带入由判断1确定的损伤判断的神经网络模型中，由此获取混凝土在设定约束度和温度历程下裂缝的空间位置以及扩展轨迹。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
根据对于设置在试件不同位置上的所述探头对于试件裂纹的监测数据，得到在不同约束度和温度历程下混凝土的裂纹产生位置，以及发展轨迹。
6.一种测量不同约束度下混凝土强度损伤历程的装备，其特征在于：包括一单轴混凝土强度和/或应力试验机，该单轴混凝土强度和/或应力试验机为：
包括一模板系统、一温度控制系统、一机械加载系统、一位移测量系统、一声发射测量系统和一荷载测量系统；
所述模板系统包括上顶模板、下底模板以及两个侧模板，四个模板之间留有一个用于浇筑或容置试件的空间，至少两个该侧模板的一端通过固定一固定板而连为一体，形成试件的固定端，在两个该侧模板的另一端，两侧模板之间设置一块活动板，当其与试件连为一体时作为试件的活动端；
所述温度控制系统为在试件周围设置的一个盒体，该盒体连接温度调节装置，以给试件设定的温度或温度变化历程；所述盒体上和/或盒体内和/或容置试件的空间内部设置温度传感器；
所述机械加载系统包括一电机，该电机连接一直线运动机构，该直线运动机构的直线运动的从动件连接所述活动板，使得电机对试件施加轴向压力或拉力而对于试件的变形进行设定约束度的约束；
所述位移测量系统包括两个预埋件，使用中相距设定距离地设置在试件中，该预埋件上连接测杆，在至少一根测杆上设置位移传感器；
所述声发射测量系统包括若干个声发射探头，使用中设置在试件表面上；
所述荷载测量系统包括一荷载传感器，设置在所述活动板和所述从动件之间，以感知电机给试件施加的压力或拉力值；
还包括一控制和数据采集系统，其包括一控制装置以控制电机的启闭，，并控制对所述流体介质源进行加热和/或冷却装置的启闭强弱调节，使得所述流体的温度符合试验中对于温度历程的要求；还包括一控制单元，通过数据线连接各个所述传感器，以采集相应的信息，据此控制所述控制装置而控制电机和加热和/或冷却装置和输出所采集的信息。
7.根据权利要求6所述的测量不同约束度下混凝土强度损伤历程的装备，其特征在于：设置在所述流体通道中的温度传感器，设置在位于所述试件轴向的中间位置上；和/或，
所述声发射测量系统中的所述声发射探头，在试件各侧面的裸露面根据试件长度等间距布置；
和/或，
在试件的每个侧面的表面上放置5个探头，其中一个探头设置在所述试件轴向的中间位置，其余四个探头对称且等间距地设置在所述试件的轴线方向上。
8.根据权利要求6所示的测量不同约束度下混凝土强度损伤历程的装备，其特征在于：
所述温度控制系统中的所述盒体，所述模板系统置于该盒体内，该盒体的侧壁为空腔结构，形成流体通道，该流体通道的进口和出口设置在盒体上，该进口和出口通过管路连接流体介质源引入设定的温度变化历程的流体，或者，在所述流体通道内设置加热装置和冷却装置对流体通道中的流体加热或降温，而以对模板系统中容置的混凝土试件提供设定的温度历程；在所述流体通道中设置温度传感器。
9.根据权利要求6所示的测量不同约束度下混凝土强度损伤历程的装备，其特征在于：
在每个表面上，其中一个探头设置在所述试件轴向的中间位置，其余四个探头对称且等间距地设置在所述试件的轴线方向上；和/或，
所述声发射探头在试件表面上的间距在10mm以内。
10.根据权利要求6或8所述的测量不同约束度下混凝土强度损伤历程的装备，在模板系统中的容置试件的空间中也设置温度传感器。
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