CN109238376B - 一种监测蒸养过程中水泥基材料变形与应力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种监测蒸养过程中水泥基材料变形与应力的装置及方法，属于土木工程材料测试技术领域；包括水浴控温加热系统、钢环约束系统、肿胀变形测试系统和应力测试系统；所述水浴控温加热系统由长方形双层保温箱体以及水温控制系统组成；所述肿胀变形测试系统由激光位移传感器和位移数据采集仪构成，激光位移传感器固定于支架上和试件正上方；所述内部应力测试系统由应变计和应变数据采集仪构成，应变计粘贴于钢环外侧中部，应变计与应变采集系统连接；本发明基于蒸养过程中蒸养混凝土的体积变形特点，通过外钢环对膨胀的蒸养水泥基材料进行约束，分别通过测试钢环的应变计算得到蒸养过程中混凝土的内部应力，测试竖向位移的变化得到竖向应变。

Description

一种监测蒸养过程中水泥基材料变形与应力的方法

技术领域

本发明涉及一种监测蒸养过程中水泥基材料变形与应力的装置及方法，属于土木工程材料测试技术领域。

背景技术

采用蒸汽养护工艺生产的预制构件在我国铁路、建筑业等行业中得到了广泛的应用。蒸汽养护工艺通常分为四个阶段，即静停阶段、升温阶段、恒温阶段以及降温阶段，具有加速模具周转效率、提高生产效率以及经济性好的特点。目前，所采用的蒸养制度中通常设置静停阶段为3h。新拌混凝土经过3h静停阶段之后仍处于塑性状态，混凝土结构还未完全建立，结构强度非常低。因此随着进入蒸养升温阶段处于塑性状态的混凝土在蒸汽升温作用之下，其各组分会产生体积膨胀，特别是该阶段内部的自由水以及水汽会发生较为显著的体积膨胀。经过已有实验研究表明，虽然在蒸养的恒温阶段混凝土会产生一定的体积收缩，但蒸养结束之后蒸养混凝土总体仍表现为膨胀。

在生成产物体积一定的情况下，混凝土体积变大，则孔隙增加，由此，蒸养升温阶段所导致的膨胀变形会对蒸养混凝土的力学强度及耐久性能均产生不利影响。另一方面，由于模板的约束作用，蒸养试件在膨胀过程中内部随之会形成膨胀应力，累积在试件内部而形成残余应力，导致混凝土成品发生开裂甚至脆裂。

为了提升蒸养混凝土性能，确保蒸养混凝土制品(预制构件)品质，有效测试评价和掌握蒸养过程中试件的肿胀变形性能和内部应力状态非常必要，对于优选混凝土组成与配比、高质量制备蒸养混凝土具有非常重要的意义。目前，测试评价混凝土的体积或线度变形(如收缩变形)，一般是采用千分表、比长仪、非接触式的电涡流传感器等方法测试其自由状态下的变形。但实际工程中的混凝土处在一定的约束条件下，因此也需要与约束变形试验配合进行。美国标准ASTM158-04中提出环式限制收缩开裂测试标准方法，其操作方便易于推广和标准化，并能定量评价砂浆和混凝土的抗裂性能。但标准中的环形收缩试验采用钢制内环对混凝土的收缩进行限制，对于产生体积膨胀的水泥基材料(如水泥基材料在蒸养升温阶段会产生体积膨胀)，这种标准方法并不适用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单，设计合理、操作方便的监测蒸养过程中水泥基材料变形与应力的装置及方法，操作简便，并可实时监测蒸汽养护过程中约束条件下水泥基材料内部应力的发展与肿胀变形过程，对于研究蒸养混凝土早期性能具有重要意义，可指导优选蒸养混凝土的组成与配比以及优化蒸汽养护制度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述监测蒸养过程中水泥基材料变形与应力的装置包括水浴控温加热系统、钢环约束系统、肿胀变形测试系统和内部应力测试系统；

所述水浴控温加热系统由长方形双层水浴箱以及水温控制系统组成；其中水温控制系统包括温度传感器、电加热管以及控温装置，水浴箱上设有预留开口的厚度为10mm的透明有机玻璃板；

所述钢环约束系统由殷钢制成，钢环底部有一厚度为5mm的底座板，放置于水浴箱中，钢环再置于底座板上。

所述肿胀变形测试系统由激光位移传感器和激光位移采集系统构成，激光位移传感器固定于支架上和试件正上方，激光位移传感器距底部试件表面距离在150mm～200mm。

所述内部应力测试系统由应变计和应变数据采集仪构成，应变计数量为四个，均匀布置，粘贴于钢环外侧中部，应变计与应变数据采集仪连接。

作为优选，所述水浴温控加热系统控温范围为20～100℃，控温精度为± 3℃，可调升温速度为(10～20)℃。

作为优选，所述钢环内径φ100～200mm、壁厚10mm、高100～200mm。

作为优选，所述激光位移传感器量程范围为18-22mm，测试精度为1μm。

所述监测蒸养过程中水泥基材料变形与应力的方法包括以下步骤：

1、将四个应变计贴于钢环上，贴合好之后，采用环氧树脂进行密封，将钢环放置于底座板上，钢环与底座板连接处采用玻璃胶进行密封，静置至环氧树脂和玻璃胶固化；

2、将水温控制系统固定于水浴箱内，按照升温制度设定升温控温程序；

3、将搅拌好的水泥基材料填装进钢环内，振捣密实之后将上表面抹平；

4、将填装好待测水泥基材料的钢环筒平稳放入水浴箱内，将水浴箱的水加至比钢环上表面低约10mm，盖上有机玻璃板，设置水温控制系统，按照蒸汽养护制度开始控制水浴温度；

5、安装支架，固定激光位移传感器于支架上；

6、连接应变数据采集仪与应变计、激光位移传感器与激光位移采集系统，同时开始采集蒸养过程中钢环应变与竖向位移数据；

7、通过采集得到的应变和位移，钢环内水泥基材料的径向压应力可用

计算得到(其中：采集的应变ε_S，钢环内径R_IS,外径R_OS，钢的弹性模量E_s),肿胀变形ε为竖向变形ΔL除以水泥基材料的总高度L。

本发明的原理：基于蒸养过程中水泥基材料的体积变形特点，通过外钢环对膨胀的水泥基材料进行约束，分别通过测试钢环的应变计算得到蒸养过程中水泥基材料的内部应力，测试竖向位移的变化得到竖向应变。

本发明提供一种监测蒸养过程中水泥基材料肿胀变形与内部应力的同步监测装置及方法，具有以下有益效果：

一、能够监测和计算获得在圆环约束条件下蒸养过程中混凝土的径向应力和竖向应变，从而得到蒸养过程中混凝土的变形特征；

二、对于研究蒸养混凝土早期裂缝的形成与开展具有重要意义；

三、可以从早期变形性能的角度出发，指导优选蒸养混凝土组成与配比以及蒸养制度，调控蒸养构件的品质。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构示意图；

图2是采用本发明装置及方法监测蒸养过程中水泥基材料肿胀变形实施例的具体结果；

图3采用本发明装置及方法监测蒸养过程中水泥基材料内部应力实施例的具体结果。

图中：1-水浴箱；2-水温控制系统；3-钢环约束装置；4-底座板；5-钢环； 6-应变计；7-应变数据采集仪；8-水泥基材料；9-激光位移传感器；10-激光位移采集系统；11-支架；12-有机玻璃盖板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1-图3所示，一种监测蒸养过程中水泥基材料变形与应力的装置，包括由水浴箱1、水温控制系统2以及有机玻璃盖板12组成的水浴控温加热系统，由底座板4和钢环5组成的钢环约束系统3，由应变计6和应变采集仪 7组成的内部应力测试系统，由激光位移传感器9、激光位移采集仪10及支架11组成的肿胀变形测试系统。

其中，水浴控温加热系统，水浴箱1形状为长方形，采用双层水浴箱，材质为不锈钢，水温控制系统2控温范围为20～100℃，控温精度为±3℃，可调升温速率为0～20℃，有机玻璃盖板12，预留开口，厚度为10mm；钢环约束系统3，钢环5与底座板4的材质为殷钢，其热膨胀系数为1.5×10^-6/℃，其弹性模量为145GPa；钢环内径100～200mm，壁厚8～15mm，高100～200mm，底座板厚度5mm；钢环5与底座板4采用玻璃胶进行固定和密封；水泥基材料 8装于钢环5内。所述水泥基材料8包括混凝土、砂浆及净浆。内部应力测试系统，应变计6为金属应变计，长度5mm，数量为4个，均匀布置，粘贴于钢环外侧中部，粘贴好之后采用环氧树脂进行密封，并设置温度补偿；应变采集仪，为全自动应变数据采集仪，数据记录频率为1Hz。所述温度补偿，为空白对照钢环，所述钢环材质和尺寸与试验组一致，应变计粘贴方式和位置一致，采用环氧树脂密封。肿胀变形测试系统，激光位移传感器9量程为20mm，精度为1μm；激光位移传采集仪10为全自动采集系统，数据记录频率为1Hz；支架11置于水浴箱外，材质为不锈钢，固定激光位移传感器9距离试件上表面150～200mm。

本发明所述监测蒸养过程中水泥基材料变形与应力的方法包括以下几个简要步骤：

01、安装好水浴控温系统与钢环约束系统，将待测水泥基材料装于钢环之内，将表面抹平；

02、安装肿胀变形测试系统与内部应力测试系统，连接传感器与采集系统，采用水浴控温系统开始模拟蒸养升温，同时开始数据采集；

03、通过采集的位移与应变数据，分别进行肿胀变形与内部应力分析，从而得到蒸汽养护过程中水泥基材料的肿胀变形与应力的演化特征。

本具体实施方式用于蒸养过程中水泥基材料肿胀变形与内部应力的方法，包括以下具体步骤：

1、将四个应变计6贴于钢环5上，贴合好之后，采用环氧树脂进行密封，将钢环5放置于底座板4上，钢环5与底座板4连接处采用玻璃胶进行密封，静置至环氧树脂和玻璃胶固化。

2、将水温控制系统2固定于水浴箱1内，按照升温制度设定升温控温程序。

3、将搅拌好的水泥基材料8填装进钢环5内，振捣密实之后将上表面抹平。

4、将填装好待测水泥基材料8的钢环筒5平稳放入水浴箱1内，将水浴箱1的水加至比钢环5上表面低约10mm，盖上有机玻璃板，设置水温控制系统2，按照蒸汽养护制度开始控制水浴温度。

5、安装支架11，固定激光位移传感器9于支架11上。

6、连接应变数据采集仪7与应变计6、激光位移传感器9与激光位移采集系统10，同时开始采集蒸养过程中钢环应变与竖向位移数据。

7、通过采集得到的应变和位移，钢环5内水泥基材料8的径向压应力可用

计算得到(其中：采集的应变ε_S，钢环5内径R_IS,外径 R_OS，钢的弹性模量E_s),肿胀变形ε为竖向变形ΔL除以水泥基材料的总高度 L。

实施例：

参看图1-图3，本实施例的一种用于同步监测热养护过程中水泥基材料肿胀变形与内部应力的试验装置，包括由水浴箱1、水温控制系统2以及有机玻璃盖板12组成的水浴控温加热系统，由底座板4和钢环5组成的钢环约束系统3，由应变计6和应变采集仪7组成的内部应力测试系统，由激光位移传感器9、激光位移采集仪10及支架11组成的肿胀变形测试系统。水浴控温加热系统，水浴箱1形状为长方形，采用双层水浴箱，材质为不锈钢，水温控制系统2控温范围为60℃左右，控温精度为±3℃，可调升温速率为0～20℃，有机玻璃盖板12，预留开口，厚度为10mm。钢环约束系统3，钢环5与底座板4的材质为殷钢，其热膨胀系数为1.5×10^-6/℃，其弹性模量，145GPa；钢环内径1150mm，壁厚12mm，高150mm，底座板厚度5mm；钢环5与底座板4采用玻璃胶进行固定和密封；水泥基材料8装于钢环5内。水泥基材料8包括混凝土、砂浆及净浆。内部应力测试系统，应变计6为金属应变计，长度5mm，数量为四个，均匀布置，粘贴于钢环外侧中部，粘贴好之后采用环氧树脂进行密封，并设置温度补偿；应变采集仪，为全自动应变数据采集仪，数据记录频率为1Hz。所述温度补偿，为空白对照钢环，所述钢环材质和尺寸与试验组一致，应变计粘贴方式和位置一致，采用环氧树脂密封。肿胀变形测试系统，激光位移传感器9量程为20mm，精度为1μm；激光位移传采集仪10为全自动采集系统，数据记录频率为1Hz；支架11置于水浴箱外，材质为不锈钢，固定激光位移传感器9距离试件上表面165mm左右。

应用该用于蒸养过程中水泥基材料肿胀变形与内部应力的方法，包括以下步骤：

1、将四个应变计6贴于钢环5(内径148mm，外径168mm)上，贴合好之后，采用环氧树脂进行密封，将钢环5放置于底座板4上，钢环5与底座板4 连接处采用玻璃胶进行密封，静置至环氧树脂和玻璃胶固化。

2、将水温控制系统2固定于水浴箱1内，按照升温制度设定升温控温程序。

3、将搅拌好的水泥基材料8(按照水泥：水：砂：石子：减水剂＝450： 135：640：1215：0.025的比例)填装进钢环5内，振捣密实之后将上表面抹平。

4、将底座板4与填装好待测水泥基材料8的钢环筒5平稳放入水浴箱1 内，将水浴箱1的水加至比钢环5上表面低约10mm，盖上有机玻璃板，设置水温控制系统2，按照蒸汽养护制度开始控制水浴温度。

5、安装支架11，固定激光位移传感器9于支架11上。

6、连接应变数据采集仪7与应变计6、激光位移传感器9与激光位移采集系统10，同时开始采集蒸养过程中钢环应变与竖向位移数据。

7、通过采集得到的应变和位移，钢环5内水泥基材料8的径向压应力可用

计算得到(其中：采集的应变ε_S，钢环5内径R_IS,外径 R_OS，钢的弹性模量E_s),肿胀变形ε为竖向变形ΔL除以水泥基材料的总高度L, 分析测试结果如图2所示。

本发明基于蒸养过程中水泥基材料的体积变形特点，通过外钢环对膨胀的水泥基材料进行约束，分别通过测试钢环的应变计算得到蒸养过程中水泥基材料的内部应力，测试竖向位移的变化得到竖向应变。可用于表征和研究蒸养过程中混凝土的变形特征。监测蒸养混凝土的早期应变与应力，有利于分析研究蒸养混凝土早期裂缝的形成原因和理解其脆裂本质。同时，可以从早期变形性能出发，便于指导优选蒸养混凝土组成与配比以及蒸养制度，调控蒸养构件的品质。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种监测蒸养过程中水泥基材料变形与应力的方法，其特征在于：监测蒸养过程中水泥基材料变形与应力的装置包括水浴控温加热系统、钢环约束系统、肿胀变形测试系统和内部应力测试系统；

所述水浴控温加热系统由长方形双层水浴箱以及水温控制系统组成；其中水温控制系统包括温度传感器、电加热管以及控温装置，水浴箱上设有预留开口的厚度为10mm的透明有机玻璃板；

所述钢环约束系统由殷钢制成，钢环底部有一厚度为5mm的底座钢板；

所述肿胀变形测试系统由激光位移传感器和激光位移采集系统构成，激光位移传感器固定于支架上和试件正上方，激光位移传感器距底部试件表面距离在150mm～200mm；

所述内部应力测试系统由应变计和应变数据采集仪构成，应变计数量为四个，均匀布置，粘贴于钢环外侧中部，应变计与应变数据采集仪连接；

所述监测蒸养过程中水泥基材料变形与应力的方法包括以下步骤：

(1)、将四个应变计贴于钢环上，贴合好之后，采用环氧树脂进行密封，将钢环放置于底座钢板上，钢环与底座钢板连接处采用玻璃胶进行密封，静置至环氧树脂和玻璃胶固化；

(2)、将水温控制系统固定于水浴箱内，按照升温制度设定升温控温程序；

(3)、将搅拌好的水泥基材料填装进钢环内，振捣密实之后将上表面抹平；

(4)、将填装好待测水泥基材料的钢环筒平稳放入水浴箱内，将水浴箱的水加至比钢环上表面低10mm，盖上有机玻璃板，设置水温控制系统，按照蒸汽养护制度开始控制水浴温度；

(5)、安装支架，固定激光位移传感器于支架上；

(6)、连接应变数据采集仪与应变计、激光位移传感器与激光位移采集系统，同时开始采集蒸养过程中钢环应变与竖向位移数据；

(7)、通过采集得到的位移，钢环内水泥基材料的径向压应力可用

计算得到,肿胀变形ε为竖向变形ΔL除以水泥基材料的总高度L；其中：钢环内径R_IS,外径R_OS，钢的弹性模量E_s。

2.根据权利要求1所述的一种监测蒸养过程中水泥基材料变形与应力的方法，其特征在于：所述水浴控温加热系统控温范围为20～100℃，控温精度为±3℃，可调升温速度为(10～20)℃。

3.根据权利要求1所述的一种监测蒸养过程中水泥基材料变形与应力的方法，其特征在于：所述钢环内径100～200mm；壁厚10mm、高100～200mm。

4.根据权利要求1所述的一种监测蒸养过程中水泥基材料变形与应力的方法，其特征在于：所述激光位移传感器量程范围为18-22mm，测试精度为1μm。

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