CN109632634A - 一种拉拔式评价混凝土早期受冻性能的方法 - Google Patents

一种拉拔式评价混凝土早期受冻性能的方法 Download PDF

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Abstract

一种拉拔式评价混凝土早期受冻性能的方法。冬期施工中混凝土因受低温的影响而力学性能下降，特别是负温受冻结冰，由于结冰给混凝土带来附加强度，难以准确掌握在冬期施工负温环境下混凝土的力学性能，导致冬期施工进度受到影响，施工质量控制难以保证，对现场混凝土强度发展不能及时准确反馈，导致工程质量存在隐患的几率大大增加。本发明是在混凝土工程中选取相邻的混凝土区域I和混凝土区域II，获取混凝土区域I至无冰状态的温升时间Δt，根据温升时间Δt对混凝土区域I进行加热，对加热后的混凝土区域I和未加热的混凝土区域II分别进行拉拔测试，通过拉拔力值对比，评价混凝土早期受冻性能。本发明用于评价混凝土的受冻性能。

Description

一种拉拔式评价混凝土早期受冻性能的方法
技术领域
本发明属于混凝土检测领域，具体涉及一种拉拔力评价混凝土早期受冻性能的方法。
背景技术
在我国，东北西北华北等大部分地区冬期漫长且严寒。冬期的低温天气会对混凝土工程造成一定的损伤，尤其是冬期施工的混凝土，水化速率减慢且极易受冻结冰。受冻结冰后的混凝土孔隙率增大，密实度降低，结冰压力破坏水化产物结构，混凝土力学性能显著下降。由于混凝土表面与负温环境直接接触，表层混凝土降温最快，混凝土温度由外层向内层逐渐降低，混凝土内部未水化的水分将由于向冷端迁移而易在表层聚集成冰，受冻结冰为混凝土带来的附加强度，虽然此时表层混凝土的受冻损伤甚于内部混凝土，但是难以检测冬期混凝土在负温下其表层受冻情况，难以准确评价混凝土的强度发展，对冬期施工中混凝土工程质量监测与评价存在着滞后和误差，使冬期施工进度受到影响，施工质量控制难以保证，导致工程质量存在隐患的几率大大增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种拉拔力评价混凝土早期受冻性能的方法，以解决由于冬期施工中混凝土结冰、表层混凝土的受冻损伤甚于内部混凝土，难以及时准确评价负温混凝土早期受冻损伤情况，导致冬期施工工程质量差的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种拉拔式评价混凝土早期受冻性能的方法，包括：
在混凝土工程中选取相邻的混凝土区域I和混凝土区域II，获取混凝土区域I至无冰状态的温升时间Δt，根据温升时间Δt对混凝土区域I进行加热，对加热后的混凝土区域I和未加热的混凝土区域II分别进行拉拔测试，通过拉拔力值对比，评价混凝土早期受冻性能。
作为优选方案：在混凝土工程浇筑时，在混凝土区域I内预埋多个第一锚杆，在混凝土区域II内预埋多个第二锚杆，在混凝土区域I和混凝土区域II以外的区域预埋温度传感器作为温度测点，温度传感器与温度记录仪相连接，记录混凝土内的温度 Ti和该温度下对应的时长为Δti。
作为优选方案：混凝土区域I中第一锚杆所在区域为被加热区域，确定被加热区域的面积，加热深度取60mm，从而获得混凝土区域Ⅰ中被加热混凝土的体积V。
作为优选方案：当获取混凝土区域I至无冰状态的温升时间Δt是通过公式推导计算得出时，计算过程为：
标准养护28天混凝土的水化程度为100％，以此为基准确定混凝土区域I的水化程度α，计算过程如下：
公式(1)中Ti为Δdi时间内的温度，d＝∑Δdi，d为混凝土进行测试时的龄期；根据混凝土区域I的水化程度α计算得到混凝土区域I的结冰量β，计算过程如下：
β＝WV(1-α) (2)
公式(2)中W为混凝土施工所用的配合比中每立方米混凝土的用水量，V为混凝土区域I中被加热混凝土的体积；
混凝土区域I的加热时间Δt是根据混凝土区域I的水化程度α及其结冰量β计算得出，恒定功率发热装置的功率为90W，将混凝土区域I中恒定功率发热装置对应的被加热区域从环境温度TS加热至温度+5℃所需要的时间为Δt，其计算公式为：
公式(3)中，加热前混凝土区域I的温度与环境温度均为TS，ρ混凝土区域I的密度，Z为混凝土工程在施工所用的配合比中每立方米混凝土的砂石总用量，c为第一锚杆的比热容，m为第一锚杆的质量，γ为校正系数，根据公式(1)～(3)，得到加热时间Δt。
作为优选方案：分别对混凝土区域I和混凝土区域II进行拉拔测试，将恒定功率发热装置设置在混凝土区域I处的被加热区域，将恒定功率发热装置的加热时间设置为温升时间Δt，启动恒定功率发热装置至Δt时停止加热，此时混凝土区域I中被加热区域处于无冰状态，撤去恒定功率发热装置，在第一锚杆上安装测力组件，测量第一锚杆被完全拔出时所受最大拉拔力，记录最大拉拔力值为第一拉拔力值，以此类推，拉拔混凝土区域II的第二锚杆，记录该第二锚杆的最大拉拔力值为第二拉拔力值，对比第一拉拔力值和第二拉拔力值，得出定量评价混凝土早期受冻性能的结果，第二拉拔力值与第一拉拔力值的比值越大，表示混凝土结冰带来的附加阻力越大，即混凝土工程受冻结冰情况越严重。
作为优选方案：测力组件包括转换接头、拉杆、液压油缸、垫片、螺母、送油管、泄压阀、手动泵和承压环，当利用恒定功率发热装置对混凝土区域I处的被加热区域加热至无冰状态时，撤去恒定功率发热装置，将转换接头拧紧在第一锚杆上，并将拉杆拧紧在转换接头上，将承压环穿过拉杆后平放在被加热区域上，液压油缸穿过拉杆放在承压环上，将垫片穿过拉杆并用螺母固定好，手动泵通过送油管与液压油缸相连接，顺时针旋转泄压阀并拧紧，打开手动泵上的智能压力数值显示器，进入力值测量状态后将仪表清零，匀速下压手动泵，使液压油缸升起直到把拉杆完全拔出时，记录最大拉拔力值为第一拉拔力值，测量完成，取出拉杆，逆时针旋转泄压阀，液压油缸复位，该第一锚杆的拉拔测试完成，重复上述过程，拉拔混凝土区域II的第二锚杆，记录该第二锚杆的最大拉拔力值为第二拉拔力值，对比第一拉拔力值和第二拉拔力值，得出定量评价混凝土早期受冻性能的结果，第二拉拔力值与第一拉拔力值的比值越大，表示混凝土结冰带来的附加阻力越大，即混凝土工程受冻结冰情况越严重，当第二拉拔力值与第一拉拔力值的比值为1时，表示混凝土工程无损伤。
作为优选方案：将第一拉拔力值与拉拔力和抗压强度关系曲线进行对比，给出现场混凝土早期抗压强度。
作为优选方案：在混凝土区域I内进行拉拔测试的测点个数为3～5个；在混凝土区域II内进行拉拔测试的测点个数为3～5个。
作为优选方案：混凝土区域I内进行拉拔测试的测试时间小于5min，第一锚杆与温度传感器之间水平距离的最小值为500mm，第二锚杆与温度传感器之间水平距离的最小值为500mm，温度传感器到混凝土工程表面之间的直线距离为60mm。
作为优选方案：当获取混凝土区域I至无冰状态的温升时间Δt是通过计算机模拟计算得出时，其计算过程为：根据混凝土工程在施工时的实际配合比，用MATLAB 建立骨料模型，即将混凝土区域I作为由粗骨料，水和砂浆投放生成的三维骨料模型，将温度传感器获取的环境温度TS输入ANSYS中进行三维骨料模型的温升模拟，得到利用有限元瞬态温度场分析建立加热条件下的混凝土温升曲线，从而获取混凝土区域I至无冰状态的温升时间Δt。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
1、本方法操作步骤科学合理且获取的评价数据可靠，能够及时评价混凝土受冻性能，对冬期施工的混凝土强度发展能够及时准确反馈，从而保证冬期混凝土施工质量。
2、本发明提出的混凝土加热时间的获取方法为公式推导计算或依靠计算机程序建模计算，两种计算方式科学合理且计算结果可靠，获取加热时间的方式灵活多种，根据实际情况进行选取即可，本发明的获取方法能够实现冬期施工现场混凝土的各个测点和不同龄期的混凝土升至正温所需加热时间的测算，为加热过程提供合理有效的操作准则，是能够有效评价混凝土早期受冻性能的重要步骤。
3、针对目前没有试验方法可以检测混凝土结冰时的强度发展，本发明可通过建立抗压强度和拉拔力的关系，绘制混凝土抗压强度和拉拔力的关系曲线图，可根据试验所测的拉拔力从图像中直接获得混凝土强度。
4、本方法不仅能够定量评价混凝土的损伤程度，还能够定量评价混凝土的抗压强度，通过获取的第一拉拔力值和第二拉拔力值对比得到损伤程度，从而实现受冻损伤程度的评价。通过第一拉拔力值与混凝土拉拔力与抗压强度关系曲线对比，得到混凝土的抗压强度值，从而实现现场混凝土抗压强度的预测。
5、本发明仅需一个温度传感器即可获得所有测点升温所需要的时间，节省成本，易于操作，安全可靠。
6、本发明通过计算确定混凝土从负温升至正温所需要的时间，避免了加热时间选取的盲目性。
7、本方法能够有效的判断混凝土内部的结冰状态，为混凝土的微破损检测技术。本发明操作方式简单，操作难度低。
8、本发明相对于现有采用大量同条件养护试件的测试方法而言，省时省力。且避免了同条件养护试件的试件尺寸、温度传递或其他相关因素对测试结果的影响。
9、本发明操作灵活，第一锚杆和第二锚杆预埋位置灵活，能够用于在混凝土工程的多个部位设置测点，以测试混凝土不同部位的受冻状态。
10、本发明可用拉拔法分别检测对比负温受冻混凝土在负温下和立即升温后的拉拔，从而分析该测点混凝土的结冰程度。本发明可在混凝土多个部位设置拉拔力测点，测试混凝土不同部位的受冻状态。
11、本发明适用于混凝土各个阶段的受冻测试，尤其适用于早期，因为早期混凝土水化程度低，混凝土抗冻害能力较差，结冰量较大，受冻前后拉拔力变化较大，易于分析比较。
12、本发明对测试的混凝土年限无限定，即便混凝土服役多年之后，用本方法依然能够获得混凝土的实际抗压强度，以鉴定混凝土的损伤，以监测冬期施工中混凝土不同位置处的受冻结冰情况，保障混凝土的施工质量。
附图说明
图1是本发明中第一锚杆、温度传感器和温度记录仪设置在混凝土工程中的主视结构示意图；
图2是混凝土区域I中被加热区域进行加热时的主视结构示意图；
图3是本发明进行拉拔测试时的工作状态示意图；
图4为混凝土内部温度-时间关系的曲线图；
上述图中涉及的部件名称及标号汇总如下：
1-混凝土工程；2-温度传感器；3-温度记录仪；4-第一锚杆；5-恒定功率发热装置；6-转换接头；7-拉杆；8-液压油缸；9-垫片；10-螺母；11-送油管；12-泄压阀； 13-手动泵；14-承压环。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
具体实施方式一：结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，在混凝土工程 1中选取相邻的混凝土区域I和混凝土区域II，获取混凝土区域I至无冰状态的温升时间Δt，根据温升时间Δt对混凝土区域I进行加热，对加热后的混凝土区域I和未加热的混凝土区域II分别进行拉拔测试，通过拉拔力值对比，评价混凝土早期受冻性能。
进一步的，在混凝土工程1浇筑时，在混凝土区域I内预埋多个第一锚杆4，在混凝土区域II内预埋多个第二锚杆，在混凝土区域I和混凝土区域II以外的区域预埋温度传感器2作为温度测点，温度传感器2与温度记录仪3相连接，记录混凝土内的温度Ti和该温度下对应的时长为Δdi。将第一锚杆4预埋在混凝土区域I中，第一锚杆4的锚头朝向混凝土区域I设置，第一锚杆4的锚杆体垂直混凝土区域I的表面，第一锚杆4的锚头到混凝土区域I表面之间的直线距离为50mm。
进一步的，混凝土区域I中第一锚杆4所在区域为被加热区域，确定被加热区域的面积，加热深度取60mm，从而获得混凝土区域Ⅰ中被加热混凝土的体积V。
进一步的，当获取混凝土区域I至无冰状态的温升时间Δt是通过公式推导计算得出时，计算过程为：
根据本领域公知常识可知，标准养护28天混凝土的水化程度为100％，以此为基准确定混凝土区域I的水化程度α，计算过程如下：
公式(1)中Ti为Δdi时间内的温度，d＝∑Δdi，d为混凝土进行测试时的龄期，单位为天；
根据混凝土区域I的水化程度α计算得到混凝土区域I的结冰量β，计算过程如下：
β＝VW(1-α) (2)
公式(2)中W为混凝土施工所用的配合比中每立方米混凝土的用水量，V为混凝土区域I中被加热混凝土的体积；
混凝土区域I的加热时间Δt是根据混凝土区域I的水化程度α及其结冰量β计算得出，恒定功率发热装置5的功率为90W，将混凝土区域I中恒定功率发热装置5 对应的被加热区域从环境温度TS加热至温度+5℃所需要的时间为Δt，其计算公式为：
公式(3)中，加热前混凝土区域I的温度与环境温度均为TS，ρ为混凝土的密度，Z为混凝土施工所用的配合比中每立方米混凝土的砂石总用量，c为第一锚杆4的比热容，m为第一锚杆4的质量，γ为校正系数，γ的取值范围为0.3～1,根据公式(1) ～(3)，得到温升时间Δt min。
进一步的，分别对混凝土区域I和混凝土区域II进行拉拔测试，将恒定功率发热装置5设置在混凝土区域I处的被加热区域，将恒定功率发热装置5的加热时间设置为温升时间Δt，启动恒定功率发热装置5至Δt时停止加热，此时混凝土区域I中被加热区域处于无冰状态，撤去恒定功率发热装置5，在第一锚杆4上安装测力组件，测量第一锚杆4被完全拔出时所受最大拉拔力，记录最大拉拔力值为第一拉拔力值，以此类推，拉拔混凝土区域II的第二锚杆，记录该第二锚杆的最大拉拔力值为第二拉拔力值，对比第一拉拔力值和第二拉拔力值，得出定量评价混凝土早期受冻性能的结果，第二拉拔力值与第一拉拔力值的比值越大，表示混凝土结冰带来的附加阻力越大，即混凝土工程1受冻结冰情况越严重。
进一步的，测力组件包括转换接头6、拉杆7、液压油缸8、垫片9、螺母10、送油管11、泄压阀12、手动泵13和承压环14，当利用恒定功率发热装置5对混凝土区域I处的被加热区域加热至无冰状态时，撤去恒定功率发热装置5，将转换接头 6拧紧在第一锚杆4上，并将拉杆7拧紧在转换接头6上，将承压环14穿过拉杆7 后平放在被加热区域上，液压油缸8穿过拉杆放在承压环14上，将垫片9穿过拉杆 7并用螺母10固定好，手动泵13通过送油管11与液压油缸8相连接，顺时针旋转泄压阀12并拧紧，打开手动泵13上的智能压力数值显示器，进入力值测量状态后将仪表清零，匀速下压手动泵13，使液压油缸8升起直到把拉杆7完全拔出时，记录最大拉拔力值为第一拉拔力值，测量完成，取出拉杆7，逆时针旋转泄压阀12，液压油缸8复位，该第一锚杆4的拉拔测试完成，重复上述过程，拉拔混凝土区域II的第二锚杆，记录该第二锚杆的最大拉拔力值为第二拉拔力值，对比第一拉拔力值和第二拉拔力值，得出定量评价混凝土早期受冻性能的结果，第二拉拔力值与第一拉拔力值的比值越大，表示混凝土结冰带来的附加阻力越大，即混凝土工程1受冻结冰情况越严重，当第二拉拔力值与第一拉拔力值的比值为1时，表示混凝土工程1没有遭受到损伤。
进一步的，将第一拉拔力值与拉拔力和抗压强度关系曲线进行对比，给出现场混凝土早期抗压强度。拉拔力和抗压强度关系曲线是根据文献或者预实验确定得出。做出拉拔力和抗压强度关系曲线后，根据所测得的拉拔力直接在关系曲线上查的对应的混凝土的抗压强度。
进一步的，在混凝土区域I内进行拉拔测试的测点个数为3～5个；在混凝土区域II内进行拉拔测试的测点个数为3～5个。
进一步的，混凝土区域I内进行拉拔测试的测试时间小于5min，第一锚杆4与温度传感器2之间水平距离的最小值为500mm，第二锚杆与温度传感器2之间水平距离的最小值为500mm，温度传感器2到混凝土工程1表面之间的直线距离为60mm。
本发明通过给定保守算法获得不同的温度变化下，待测点混凝土在各个龄期升至正温所需要的时间，并根据现场实际情况用校正系数γ进行校正，仅需一个温度传感器即可获得所有测点升温所需要的时间，节省成本，易于操作，缩短操作时间，且保守安全。
本发明所用恒定功率发热装置5，表面带有隔热保温棉，避免热能向空气中散失，节省能量，缩短混凝土加热时间，提高计算精度。
本发明建立恒定功率发热装置5的加热功率和混凝土升至正温所需时间的关系，通过控制升温时间Δt来合理的选择加热功率，无需进行预试验。
混凝土工程1中测点的获取位置仅为在实际施工的混凝土工程1的表面上获取，混凝土试块上测点的设定位置多样，在混凝土试块的上端面、下端面或四周侧面上确定并获取。
具体实施方式二：结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，恒定功率发热装置5的加热功率为90W。由于在实际操作过程中，混凝土无法完全吸收恒定功率加热装置5提供的能量，且考虑到被加热区域向四周的传热过程，需根据被加热时的混凝土温度对加热功率用校正系数进行校正。校正系数的获取需通过预实验进行得到。
对负温温度进行区间分段，对每个温度区间分别取校正系数，根据混凝土工程1所在地的多年冬期最低温度数据，合理确定预实验所需的温度区间的个数。从0℃开始每降温-5℃作为一个温度区间，保险起见取每个温度区间内最低的温度所对应的校正系数作为该温度区间内的校正系数。
混凝土配合比以及水化程度，冰的存在对加热时间的影响将在对混凝土区域Ⅰ的加热时间计算中考虑，此处校正系数的计算只考虑负温温度的影响。将一块成熟混凝土块放入某温度区间的最低温度Ta℃中，用相同恒定功率发热装置5进行加热，功率为90W，距离混凝土块表面60mm的位置处预埋温度传感器2并连接温度记录仪3。混凝土的比热容为970J/(kg·℃)，密度为ρkg/m3，被加热区域面积与混凝土区域Ⅰ的加热面积相同，均为S，S的单位为m2，则被加热区域的质量为0.06ρS kg。加热至温度传感器2的温度显示为+5℃时即停止试验，记录加热时间D'min。虽然，在加热过程中从混凝土表面至60mm范围内，温度是连续变化的，由于混凝土层厚度较小，为了简便计算，取+5℃作为该混凝土区域内的平均温度，混凝土区域I的加热时间计算的终点温度也取+5℃。当恒定功率发热装置5所散发的热量全部被混凝土吸收时，混凝土的加热时间理论上应为D min，则应有等式：
5400·D＝970·0.06ρS(5-Ta)＝58.2ρS(5-Ta)
但是由于被加热区域中混凝土向四周的传热以及混凝土本身吸收能量的速度，被加热区域混凝土实际的加热功率并不等于恒定功率发热装置5的功率，导致混凝土实际升温时间为D'min，则混凝土实际的加热功率为：
则校正系数的计算方法为：
进一步的，根据本领域技术常识可知，标准养护28天后混凝土的水化程度可认定达到100％，以此为基准确定混凝土区域I的水化程度α，计算过程如下：
标准养护28天混凝土的水化程度为100％，以此为基准确定混凝土区域I的水化程度α，计算过程如下：
公式(1)中Ti为Δdi时间内的温度，d＝∑Δdi，d为混凝土进行测试时的龄期，单位为天；
根据目标混凝土区域的水化程度α计算得到目标混凝土区域的结冰量β，单位为kg，计算过如下：
β＝WV(1-α) (2)
公式(2)中W为混凝土施工所用的配合比中每立方米混凝土的用水量，单位为 kg/m3，V为目标混凝土区域中加热混凝土的体积，单位为m3；
混凝土区域I的温升时间Δt是根据混凝土区域I的水化程度α和结冰量βkg计算得出。恒定功率发热装置5的功率为90W，将混凝土区域I中恒定功率发热装置5 对应的加热区域从环境温度TS加热至温度+5℃所需要的时间为Δtmin，其计算方法为：
公式(3)中，加热前混凝土区域I的温度与环境温度均为TS，ρ混凝土区域I的密度，Z为混凝土工程1施工所用的配合比中每立方米混凝土的砂石总用量，c为第一锚杆4的比热容，m为第一锚杆4的质量，γ为校正系数，γ的取值范围为0.3～1，根据公式(1)～(3)，得到温升时间Δt min。
本实施方式中恒定功率发热装置5为现有设备，加热功率为90W，本发明所用恒定功率发热装置5的表面带有隔热保温棉，避免热能向空气中散失，节省能量，缩短混凝土加热时间，并根据现场加热保温情况用校正系数γ进行校正，提高计算精度，并且可以降低混凝土加热过程中的水化作用对试验结果造成的影响。本实施方式中未提及的结构及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式为具体实施方式一或二的进一步限定，混凝土工程1浇筑时，在混凝土区域I和混凝土区域II以外的区域预埋温度传感器2作为温度测点，温度传感器2与温度记录仪3相连接，记录混凝土的温度Ti和该温度下对应的时长为Δdi。温度Ti和该温度下对应的时长为Δdi是根据评价混凝土工程1的龄期要求决定，例如评价7天内混凝土工程1的受冻性能，即可在7天内测量并获取温度 Ti和该温度下对应的时长为Δdi。
具体实施方式四：结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式本实施方式包括以下三个步骤，温度传感器2及锚栓4的预埋，计算混凝土温升时间以及拉拔力的测定。
所述方法步骤如下：
步骤一：温度传感器2的预埋及锚杆4。
对处于相同的养护环境的同一混凝土工程1，即使对不同龄期的混凝土区域进行测试，也可仅选一个点作为温度测点，在混凝土工程1浇筑时，于混凝土区域I和混凝土区域II以外区域处埋置温度传感器2，温度传感器2的预埋深度为从混凝土表面 60mm深度处，并用将温度传感器2连接至温度记录仪3，实时记录混凝土1的温度变化。
在混凝土工程1浇筑时将第一锚杆4埋入，应锚头在下，锚杆体在上，锚杆体垂直混凝土区域I的表面，第一锚杆4埋入混凝土的深度为50mm，第一锚杆4的埋设位置与温度传感器2的埋设点位置的距离在混凝土表面的投影至少为500mm，以免对第一锚杆4周围混凝土进行加热时影响对温度测点造成影响，还能够避免第一锚杆 4拔出时对混凝土的温度测点造成损伤。同理于第二锚杆的设置过程。
步骤二：计算混凝土温升时间：
恒定功率发热装置5的加热功率为90W，由于在实际操作过程中，混凝土无法完全吸收恒定功率加热装置提供的能量，且考虑到被加热区域中混凝土向四周的传热过程，需根据被加热时的混凝土温度对加热功率用校正系数进行校正。校正系数的获取需通过预实验进行得到。
对负温温度进行区间分段，对每个温度区间分别取校正系数，根据混凝土工程1所在地的多年冬期最低温度数据，合理确定预实验所需的温度区间的个数。从0℃开始每降温-5℃作为一个温度区间，保险起见取每个温度区间内最低的温度所对应的校正系数作为该温度区间内的校正系数。
混凝土配合比以及水化程度，冰的存在对加热时间的影响将在对混凝土区域Ⅰ的加热时间计算中考虑，此处校正系数的计算只考虑负温温度的影响。将一块成熟混凝土块放入某温度区间的最低温度Ta℃中，用相同恒定功率发热装置5进行加热，功率为90W。距离混凝土块表面60mm的位置处预埋温度传感器2并连接温度记录仪3。混凝土的比热容为970J/(kg·℃)，密度为ρkg/m3，被加热区域面积与混凝土区域Ⅰ的加热面积相同，均为S，S的单位为m2，则被加热区域的质量为0.06ρS kg。加热至温度传感器2的温度显示为+5℃时即停止试验，记录加热时间D'min。当恒定功率发热装置5所散发的热量全部被混凝土吸收时，混凝土的加热时间理论上应为D min，则应有等式：
5400·D＝970·0.06ρS(5-Ta)＝58.2ρS(5-Ta)
但是由于被加热区域中混凝土向四周的传热以及混凝土本身吸收能量的速度，被加热区域混凝土实际的加热功率并不等于恒定功率发热装置5的功率，导致混凝土实际升温时间为D'min，则混凝土实际的加热功率为：
则校正系数的计算方法为：
混凝土含冰量的计算，认为混凝土工程1中当混凝土在温度为20℃的环境中养护28天时水化完全，则当混凝土工程1的龄期为d天时，混凝土工程1的水化程度α为：
其中，Ti为Δdi时间内的温度，Ti的单位为℃
d＝∑Δdi
混凝土工程1用水量为Wkg/m3，所需要加热区域中混凝土工程1的体积为Vm3，保险起见，认为负温受冻时混凝土区域内部所有的未水化水均受冻结冰，则此时该加热区域的结冰量为βkg：
β＝WV(1-α)
根据上述关系式得出：
负温环境下，该加热区域共由冰、水化产物、未水化水泥颗粒、砂石以及第一锚杆4组成。则认为该加热区域由环境温度升温至指定正温所需要的能量为冰、水化产物、未水化水泥颗粒、砂石以及第一锚杆4吸收能量的总和，冰的比热容为 2.1×103J/(kg·℃)，冰转换成水所发生的相变吸收的潜热为3.35×105J/kg，水的比热容为4.2×103J/(kg·℃)，该配合比的混凝土的密度为ρ，单位为kg/m3，水化产物和未水化水泥颗粒的比热容相近，在0℃时约为720J/(kg·℃)。砂石的比热容为920J/(kg·℃)，从配合比可知砂石总用量为Z，单位为kg/m3。第一锚杆4比热容为cJ/(kg·℃)，第一锚杆4的质量为m，单位为kg。开始加热前混凝土工程1的温度与环境温度相同，均为TS，忽略被加热区域混凝土向其余部位混凝土的传热，则将混凝土工程1加热至指定温度Te(Te＝+5℃)所需要吸收的能量Q1为：
Q1＝2.1×103·β·(-Ts)+3.35×105·β+4.2×103·β·Ts
+720×(Vρ-β-ZV)×(Te-Ts)+920×ZV×(Te-Ts)
＝-2.1×103·β·Ts+3.56×105·β+720×(Vρ-β-ZV)×(5-Ts)+920×ZV×(5-Ts)
当选择恒定功率发热装置5的功率为90W时，将负温混凝土工程1从环境温度 Ts加热至指定正温温度Te℃所需要的时间为Δtmin，恒定功率发热装置5选择纯电阻电路，电功率完全转化为热功率。则在时间Δtmin内恒定功率发热装置5所释放的热量为：
Q2＝90×60Δt＝5400Δt
从而得到，
Q1＝Q2
由于在实际操作过程中，混凝土无法完全吸收恒定功率加热装置提供的能量，且考虑到被加热区域的混凝土向四周的传热过程，需根据被加热时的混凝土温度对加热功率用校正系数进行校正，校正系数为γ，校正系数为γ的取值范围为0.3～1，进一步得到恒定功率发热装置5对应的加热区域的加热时间为：
由此等式可见，混凝土区域I中的温升时间与混凝土工程1配合比、环境温度、龄期和锚杆条件均有关系。
步骤三：拉拔力的测定：
恒定功率发热装置5的功率为90W。根据测试时现场的温度选择合适的校正系数γ，计算升温所需的加热时间Δt。将该功率的恒定功率发热装置5设置于被加入混凝土表面，通电至Δt时停止加热，此时锚杆4附近的混凝土1内部的冰已经融化。将恒定功率发热装置5去掉，迅速将转换接头6拧紧在锚杆4上，并将拉杆7拧紧在转换接头6上，将承压环14穿过拉杆7后平放在被加热区域上，液压油缸8穿过拉杆放在承压环14上，将垫片9穿过拉杆7并用螺母10固定好。用送油管11将手动泵13和液压油缸8连接起来，顺时针旋转泄压阀12并拧紧，打开手动泵13上的智能压力数值显示器。进入峰值测量状态后将仪表清零，匀速下压手动泵13慢慢使液压油缸8升起直到把拉杆7完全拔出。记录峰值。测量完成，取出拉杆7，逆时针旋转泄压阀12，液压油缸8复位，该点试验完成。其他未提及的内容与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式为具体实施方式一、二、三或四的进一步限定，为防止测量结果的偶然性，混凝土区域I与混凝土区域II每次测试时测点均不应少于3 个，并且结果去掉最大值与最小值后取平均值。
具体实施方式六：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四或五的进一步限定，加热深度不应少于第一锚杆4所在深度，加热深度为最佳加热深度60mm，通过加热深度与加热区域的面积得到混凝土区域I中加热混凝土的体积V。
具体实施方式七：本实施方式为具体实施方式一、二或三的进一步限定，对混凝土进行拉拔测试时，应在5min之内完成，以避免该加热至正温区域混凝土暴露在负温环境下时再次受冻结冰影响测试。
具体实施方式八：本实施方式为具体实施方式四的进一步限定，步骤二中含冰量的计算是假定所有的未反应水全都冻结，对比负温混凝土在结冰状态下的拉拔力，以及在加热之后不含冰状态下的拉拔力，第二拉拔力值和第一拉拔力值的比值越大，代表负温下混凝土实际结冰量越多，受冻越严重。
具体实施方式九：本实施方式为具体实施方式一、二、三或四的进一步限定，本发明不仅可以对负温混凝土早期水化强度进行监测，当混凝土服役多年之后，依然可进行拉拔力的测定，可根据现有的拉拔力与抗压强度的关系得到混凝土实际的抗压强度，鉴定混凝土损伤。
具体实施方式十：本实施方式为具体实施方式一、二、三或四的进一步限定，为保证第一锚杆4附近的混凝土内部的冰都融化，被加热区域边缘距离第一锚杆4的距离在混凝土表面上的投影至少为50mm。被加热区域混凝土的深度应比第一锚杆4埋设位置的底部深10mm。
具体实施方式十一：本实施方式为具体实施方式一、二或三的进一步限定，计算温升时间Δt的另一种获取方式为通过计算机模拟计算得出，此时恒定功率发热装置 4的功率需要通过计算确定，计算过程为：根据温度传感器2获取的环境温度TS，利用计算机中MATLAB建立骨料模型，模拟计算混凝土区域I中恒定功率发热装置5 对应的被加热区域从环境温度TS加热至温度+5℃所需时间，建立模型时，根据混凝土工程1在施工时的实际配合比，用MATLAB建立混凝土区域I的随机骨料模型，将混凝土区域I作为由粗骨料，水和砂浆三维模型，在ANSYS有限元软件中确定外界温度，进行骨料模型的温升模拟，获得距离混凝土表面60mm的位置从TS上升至 +5℃所需要的温升时间Δt。
进行模拟计算时，根据混凝土施工的实际配合比，用MATLAB建立骨料、水及砂浆随机分布的混凝土三维随机模型，利用有限元瞬态分析建立加热条件下混凝土的温升曲线。被加热混凝土的计算区域选择为150mm×150mm×150mm。根据混凝土配合比和骨料级配计算该计算区域内混凝土内部的各粒径范围内粗骨料的体积，将混凝土骨料看做球形颗粒，则根据其粒径计算单颗骨料体积。用该粒径范围内骨料总体积除以单颗骨料体积，得到该计算区域内各粒径范围的骨料颗粒数目。建模过程中，水的体积取极限状态，认定加入混凝土中的水全以自由水的形式存在。为了简化计算，认定混凝土中水的形态以球形水颗粒的形态存在，粒径可自定义，即可求得单颗球形水颗粒的体积。根据混凝土配合比可计算该计算区域内混凝土中水的总体积。用该计算区域内水的总体积除以单颗球形水颗粒的体积可得到球形水颗粒数目。加热时间主要与的组成混凝土各部分热工性能有关，暂不考虑其力学性能，界面过渡区，即包裹骨料的水泥砂浆的热工性能与普通水泥砂浆并无区别，因此界面区后续随机骨料模拟中将界面区简化，不予生成。将骨料颗粒和水颗粒分别投放到混凝土计算区域中，后生成的颗粒不可与已生成的颗粒发生重合，颗粒不可超过混凝土试块的边界，投放的过程需遵循粒径依次从大到小的顺序。计算区域中，除了骨料颗粒和水颗粒外，其余部分均视为砂浆。用投影网格法，将随机骨料模型划分为平均的大小一致的网格，基于随机生成的骨料中心坐标和相应的级配，将骨料位置在网格上进行投射，根据对各个单元与骨料相对位置关系进行相应的判断，依据判断的结果对单元性质进行定义。划分网格结束后要对随即骨料模型热物理参数设置，本模型中由于冰的升温过程涉及到相变，相变分析必须将材料的潜热定义到材料的热焓中，在ANSYS有限元软件中，将焓作为水的属性定义，并且通过温度来区分相，水的比热容和导热系数在0℃时水和冰的状态下数值相差很大，在定义时，将0℃下冰的温度调为无限接近0℃但是不等于0℃的数值，砂浆和骨料的热工参数不随温度增加而变化。对流传热系数根据公式h＝5.46v+6计算，混凝土的底面看作绝热面，由于加热过程中存在很多影响因素导致热量损失，混凝土表面真正吸收的热量需要折减系数的修订，利用有限元进行试算以及预实验结果，确定混凝土表面的有效热流密度。在ANSYS中定义外界温度，进行随机骨料模型的温升模拟，获得距离混凝土表面60mm的位置从负温上升至+5℃所需要的时间以及加热装置的功率。
恒定功率发热装置5的功率通过有效热流密度确定的，有效热流密度的获取需要通过预实验获得，用和实际工程中完全一样的恒定功率发热装置进行预实验。由于混凝土的配合比，含冰量、受冻温度等因素已经在模型建立时考虑到，这里仅考虑恒定功率发热装置的影响。成型三块尺寸为200mm混凝土立方体，在距离表面60mm的混凝土内部预埋温度传感器，置于-15℃冰箱中。用该恒定功率发热装置进行加热，获得混凝土的温升曲线和温升时间。用有限元软件进行混凝土-15℃受冻试算，当模拟结果与试验结果相似时，该模拟结果对应的有限热流密度即为该恒定功率发热装置下的有效热流密度，该恒定功率也为工程现场混凝土加热所采用的功率值。
本发明能够根据拉拔力来判断负温混凝土的受冻情况以及抗压强度。
实施例一：为使得试验结果更加明显且具有说明性，该实施例混凝土选择较大水灰比，养护时间较短且负温受冻温度较低。选用C30混凝土，配合比为水泥300kg/m3，粉煤灰80kg/m3，中砂720kg/m3，粗骨料1080kg/m3，水190kg/m3，减水剂0.5％。混凝土的密度为2370kg/m3。锚杆的质量为107g，材质为不锈钢，比热容为500J//(kg·℃)。为验证公式(3)的正确性，在需要加热的混凝土内埋置温度传感器2，温度传感器2 距离混凝土表层的距离为60mm，同时在4个混凝土试块内分别埋入四个锚杆，分别标记为一号锚杆、二号锚杆、三号锚杆以及四号锚杆。为验证公式(3)的正确性，将温度传感器2分别埋置入三号锚杆和四号锚杆的正下方10mm处，即温度传感器2 距离混凝土表层的距离为60mm。将该混凝土成型后置于标准养护室，在+20℃养护 12h后将混凝土置于-15℃冷库中继续养护12h。负温-15℃条件下对一号锚杆和二号锚杆进行拉拔力测试，然后对三号锚杆和四号锚杆进行加热，混凝土加热面积为 150mm×150mm，经多次试验测定，本试验温度条件下的γ值为0.35，根据公式(3)，当恒定功率发热装置5的功率为90W时，混凝土的升温时间应为72min。对混凝土进行加热，实时记录混凝土温度，当温度显示为+5℃时即停止加热，拆除恒定功率发热装置5立即进行拉拔测试。混凝土内部温升曲线见图4，图中混凝土内部温升曲线上的A点表示混凝土加热时间为67min时，混凝土内部的温度为-2.5℃。
从图4中可见，在该加热功率下，混凝土加热至正温的所需时间为67min，与计算所得结果72min相近。
由以上结果证明，本发明提出的混凝土温升时间计算方法中的公式(3)是合理可靠的。
对比混凝土负温状态下的拉拔力和冰融化时的拉拔力，-15℃混凝土受冻状态下，拉拔力平均值为40.529KN，而当混凝土加热至+5℃状态时，拉拔力平均值降为 15.136KN，混凝土在负温受冻时的拉拔力与加热后正温下的拉拔力比值为2.67，由此可知，当混凝土受冻时，冰的存在使得拉拔力明显提高为2.67倍，说明此时混凝土内部受冻很严重。
该实施例中混凝土本身的拉拔力仅为15.136KN，对应的抗压强度为2.6MPa。当建立混凝土拉拔力和抗压强度关系曲线后，能够从拉拔力和抗压强度关系曲线上直接查得此值。
本实施例证明，该发明可以提供可靠的方法来检测混凝土受冻状态，提供计算方法根据混凝土配合比，养护制度以及龄期选择某一功率加热装置进行加热一定时间，测定混凝土本身拉拔力，获得其抗压强度。本发明利用拉拔力作为评价混凝土受冻时结冰情况的微破损检测指标，通过给定算法合理的选择加热功率，使得混凝土在一定时间内即可上升至正温，既保证了冰的消融又不会因升温时间过长而发生大量的水化影响强度测试，使用唯一的温度传感器2有效避免在各个测点下均设置温度传感器2，仅需通过混凝土的实际养护温度以及混凝土配合比即可获得各龄期下加热混凝土所需要的时间。利用负温受冻混凝土在加热前后的拉拔力比值即可探知混凝土内部的结冰情况，依据建立混凝土拉拔力和抗压强度关系曲线，通过负温混凝土加热后的拉拔力直接获知混凝土的抗压强度。本发明对冬期施工中混凝土的冻害防治具有指导意义，适合用于混凝土受冻结冰的微破损检测。

Claims (10)

1.一种拉拔式评价混凝土早期受冻性能的方法，其特征在于：包括：
在混凝土工程(1)中选取相邻的混凝土区域I和混凝土区域II，获取混凝土区域I至无冰状态的温升时间Δt，根据温升时间Δt对混凝土区域I进行加热，对加热后的混凝土区域I和未加热的混凝土区域II分别进行拉拔测试，通过拉拔力值对比，评价混凝土早期受冻性能。
2.根据权利要求1所述的一种拉拔式评价混凝土早期受冻性能的方法，其特征在于：在混凝土工程(1)浇筑时，在混凝土区域I内预埋多个第一锚杆(4)，在混凝土区域II内预埋多个第二锚杆，在混凝土区域I和混凝土区域II以外的区域预埋温度传感器(2)作为温度测点，温度传感器(2)与温度记录仪(3)相连接，记录混凝土内的温度Ti和该温度下对应的时长为Δti。
3.根据权利要求2所述的一种拉拔式评价混凝土早期受冻性能的方法，其特征在于：混凝土区域I中第一锚杆(4)所在区域为被加热区域，确定被加热区域的面积，加热深度取60mm，从而获得混凝土区域Ⅰ中被加热混凝土的体积V。
4.根据权利要求3所述的一种拉拔式评价混凝土早期受冻性能的方法，其特征在于：当获取混凝土区域I至无冰状态的温升时间Δt是通过公式推导计算得出时，计算过程为：
标准养护28天混凝土的水化程度为100％，以此为基准确定混凝土区域I的水化程度α，计算过程如下：
公式(1)中Ti为Δdi时间内的温度，d＝∑Δdi，d为混凝土进行测试时的龄期；根据混凝土区域I的水化程度α计算得到混凝土区域I的结冰量β，计算过程如下：
β＝WV(1-α) (2)
公式(2)中W为混凝土施工所用的配合比中每立方米混凝土的用水量，V为混凝土区域I中被加热混凝土的体积；
混凝土区域I的加热时间Δt是根据混凝土区域I的水化程度α及其结冰量β计算得出，恒定功率发热装置(5)的功率为90W，将混凝土区域I中恒定功率发热装置(5)对应的被加热区域从环境温度TS加热至温度+5℃所需要的时间为Δt，其计算公式为：
公式(3)中，加热前混凝土区域I的温度与环境温度均为TS，ρ混凝土区域I的密度，Z为混凝土工程(1)在施工所用的配合比中每立方米混凝土的砂石总用量，c为第一锚杆(4)的比热容，m为第一锚杆(4)的质量，γ为校正系数，根据公式(1)～(3)，得到加热时间Δt。
5.根据权利要求4所述的一种拉拔式评价混凝土早期受冻性能的方法，其特征在于：分别对混凝土区域I和混凝土区域II进行拉拔测试，将恒定功率发热装置(5)设置在混凝土区域I处的被加热区域，将恒定功率发热装置(5)的加热时间设置为温升时间Δt，启动恒定功率发热装置(5)至Δt时停止加热，此时混凝土区域I中被加热区域处于无冰状态，撤去恒定功率发热装置(5)，在第一锚杆(4)上安装测力组件，测量第一锚杆(4)被完全拔出时所受最大拉拔力，记录最大拉拔力值为第一拉拔力值，以此类推，拉拔混凝土区域II的第二锚杆，记录该第二锚杆的最大拉拔力值为第二拉拔力值，对比第一拉拔力值和第二拉拔力值，得出定量评价混凝土早期受冻性能的结果，第二拉拔力值与第一拉拔力值的比值越大，表示混凝土结冰带来的附加阻力越大，即混凝土工程(1)受冻结冰情况越严重。
6.根据权利要求5所述的一种拉拔式评价混凝土早期受冻性能的方法，其特征在于：测力组件包括转换接头(6)、拉杆(7)、液压油缸(8)、垫片(9)、螺母(10)、送油管(11)、泄压阀(12)、手动泵(13)和承压环(14)，当利用恒定功率发热装置(5)对混凝土区域I处的被加热区域加热至无冰状态时，撤去恒定功率发热装置(5)，将转换接头(6)拧紧在第一锚杆(4)上，并将拉杆(7)拧紧在转换接头(6)上，将承压环(14)穿过拉杆(7)后平放在被加热区域上，液压油缸(8)穿过拉杆放在承压环(14)上，将垫片(9)穿过拉杆(7)并用螺母(10)固定好，手动泵(13)通过送油管(11)与液压油缸(8)相连接，顺时针旋转泄压阀(12)并拧紧，打开手动泵(13)上的智能压力数值显示器，进入力值测量状态后将仪表清零，匀速下压手动泵(13)，使液压油缸(8)升起直到把拉杆(7)完全拔出时，记录最大拉拔力值为第一拉拔力值，测量完成，取出拉杆(7)，逆时针旋转泄压阀(12)，液压油缸(8)复位，该第一锚杆(4)的拉拔测试完成，重复上述过程，拉拔混凝土区域II的第二锚杆，记录该第二锚杆的最大拉拔力值为第二拉拔力值，对比第一拉拔力值和第二拉拔力值，得出定量评价混凝土早期受冻性能的结果，第二拉拔力值与第一拉拔力值的比值越大，表示混凝土结冰带来的附加阻力越大，即混凝土工程(1)受冻结冰情况越严重，当第二拉拔力值与第一拉拔力值的比值为1时，表示混凝土工程(1)无损伤。
7.根据权利要求5或6所述的一种拉拔式评价混凝土早期受冻性能的方法，其特征在于：将第一拉拔力值与拉拔力和抗压强度关系曲线进行对比，给出现场混凝土早期抗压强度。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的一种拉拔式评价混凝土早期受冻性能的方法，其特征在于：在混凝土区域I内进行拉拔测试的测点个数为3～5个；在混凝土区域II内进行拉拔测试的测点个数为3～5个。
9.根据权利要求2至6中任一项所述的一种拉拔式评价混凝土早期受冻性能的方法，其特征在于：混凝土区域I内进行拉拔测试的测试时间小于5min，第一锚杆(4)与温度传感器(2)之间水平距离的最小值为500mm，第二锚杆与温度传感器(2)之间水平距离的最小值为500mm，温度传感器(2)到混凝土工程(1)表面之间的直线距离为60mm。
10.根据权利要求3所述的一种拉拔式评价混凝土早期受冻性能的方法，其特征在于：当获取混凝土区域I至无冰状态的温升时间Δt是通过计算机模拟计算得出时，其计算过程为：根据混凝土工程(1)在施工时的实际配合比，用MATLAB建立骨料模型，即将混凝土区域I作为由粗骨料，水和砂浆投放生成的三维骨料模型，将温度传感器(2)获取的环境温度TS输入ANSYS中进行三维骨料模型的温升模拟，得到利用有限元瞬态温度场分析建立加热条件下的混凝土温升曲线，从而获取混凝土区域I至无冰状态的温升时间Δt。
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