CN109740252A - 一种利用瞬态温度场分析评价混凝土早期受冻性能方法 - Google Patents

Abstract

一种利用瞬态温度场分析评价混凝土早期受冻性能方法。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，难以快速且正确掌握在冬期施工负温环境下混凝土的力学性能，导致施工质量控制难以保证，使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，通过计算机模拟计算获取混凝土区域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分别进行贯入深度测试，通过贯入深度对比，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

一种利用瞬态温度场分析评价混凝土早期受冻性能方法

技术领域

本发明属于混凝土检测领域，具体涉及一种利用瞬态温度场分析评价混凝土早期受冻性能方法。

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，难以有效地确定混凝土的强度发展，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贯入深度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：

一种利用瞬态温度场分析评价混凝土早期受冻性能方法，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，通过计算机程序进行模拟计算，从而获取混凝土区域I至无冰状态的温升时间Δt，根据温升时间Δt和加热功率对混凝土区域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分别进行贯入深度测试，通过贯入深度对比，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Δt_i。

作为优选方案：确定混凝土区域I中被加热区域的面积，加热深度取40mm，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：通过计算机程序进行模拟计算，从而获取混凝土区域I至无冰状态的温升时间Δt的过程为：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T_S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。

作为优选方案：分别对混凝土区域I和混凝土区域II进行贯入深度测试，将恒定功率发热装置设置在混凝土区域I处，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处于无冰状态，撤去恒定功率发热装置，将贯入仪设置在被加热区域处进行贯入深度测试，记录第一贯入深度，再将贯入仪设置在混凝土区域II处进行贯入深度测试，记录第二贯入深度，对比第一贯入深度和第二贯入深度，得出定量评价混凝土早期受冻性能的结果，第一贯入深度与第二贯入深度的比值越大，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，当第一贯入深度与第二贯入深度的比值为1时，表示混凝土工程没有遭受到损伤。

作为优选方案：将第一贯入深度与混凝土贯入深度-抗压强度曲线图进行对比，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内进行贯入深度测试的测点个数为5～8个；在混凝土区域II内进行贯入深度测试的测点个数为5～8个。

作为优选方案：加热后混凝土区域I内进行贯入深度测试的测试时间小于5min，贯入仪的测点与温度传感器之间水平距离的最小值为500mm。

作为优选方案：温度传感器到混凝土工程表面之间的直线距离为40mm。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

1、本方法操作难度低，步骤简单，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温升时间为计算机程序建模计算获取，获取方式快捷且可靠，有效省去大量计算时间，建立快速评价体系，能够实现给施工现场快速反馈结果的过程，有利于混凝土工程根据评价结果及时采取应对措施。

3、本发明根据混凝土实际配合比建立混凝土三维骨料模型，根据现场环境温度对混凝土各相的参数进行定义，计算被加热混凝土内部冰融化所需时间。现场施工时无需进行预实验，方便快捷且贴合实际情况。

4、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低强度混凝土贯入深度的关系，绘制混凝土抗压强度和贯入深度的关系曲线图，可根据试验所测的贯入深度从图像中直接获得混凝土强度。

5、本发明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。

6、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，通过获取的第一贯入深度和第二贯入深度对比得到损伤程度，从而实现受冻损伤程度的评价。通过第一贯入深度与混凝土贯入深度-抗压强度曲线图对比，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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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，温度传递等因素对测试结果的影响。

11、本发明操作灵活，根据现场情况合理选择加热装置，此外本发明测点范围选取广泛，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。

12、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，受冻前后贯入深度变化较大，易于分析比较，此外早期混凝土较容易射入测钉，使本发明的操作过程易行，评价结果更加全面且准确。

13、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是恒定功率发热装置在混凝土工程上的加热状态示意图；

图2为恒定功率发热装置的主视结构示意图；

图3是测钉的主视结构示意图；

图4是紧钉器的主视结构剖面示意图；

图5是加力杆的立体结构示意图；

图6是贯入仪主机的主视结构示意图；

图7是贯入仪上膛以及加测钉的主视结构剖面示意图；

图8是贯入仪测试贯入深度的工作状态示意图；

图9是橡皮吹囊的主视结构示意图；

图10是数显深度测量尺的主视结构示意图；

图11是有限元模拟与试验温度变化对比示意图；

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-恒定功率发热装置；4-1-保温隔热棉罩；4-2-筒体；4-3-红外灯；5-测钉；6-紧钉器；7-扁头；8-测钉孔；9-扳机；10-把手；11-挂钩；12-加力杆；13-橡皮吹囊；14-数显深度测量尺。

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、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10说明本实施方式，在冬期混凝土工程1中的同一部位选取两处相邻的典型区域，分别命名为混凝土区域I和混凝土区域II，通过热量守恒计算获取混凝土区域I至正温无冰状态的温升时间Δt，根据计算的温升时间Δt对混凝土区域I进行加热，利用贯入阻力仪对加热后混凝土区域I和的未加热混凝土区域II分别进行贯入深度测试，通过贯入深度对比，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，记录混凝土区域I内的温度Ti和该温度下对应的时长为Δt_i。

进一步的，确定混凝土区域I中被加热区域的面积，在本发明中，加热方式以红外灯4-3为例，恒定功率发热装置4包括保温隔热棉罩4-1、筒体4-2和红外灯4-3，筒体4-2设置在保温隔热棉罩4-1内，筒体4-2的上口与保温隔热棉罩4-1的顶部内壁相连接，将红外灯4-3设置在筒体4-2内且其与保温隔热棉罩4-1的顶部内壁相连接，筒体4-2为铝制筒体，筒体4-2的内壁涂有高热反射涂料，筒体4-2为方形筒体或圆形筒体，当筒体4-2为方形筒体时，筒体4-2的下口的形状为正方形，下口对应的面积为为150mm×150mm，即为混凝土区域Ⅰ的加热面积。保温隔热棉罩4-1的设置是起到包裹筒体4-2和红外灯4-3的作用，防止热量损失。施工中也可以采取其他加热方式，计算方法与本发明同理。

进一步的，通过计算机程序进行模拟计算，从而获取混凝土区域I至无冰状态的温升时间Δt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T_S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。环境温度T_S是通过记录混凝土区域I内的温度Ti中获取的一个点值。

当设定混凝土区域I的加热深度为40mm时，即可获得距离混凝土表面40mm的位置从T_S上升至+5℃所需要的温升时间Δt。

进一步的，分别对混凝土区域I和II进行贯入深度测试，将恒定功率发热装置4设置在混凝土区域I处，将恒定功率发热装置4的加热时间设置为温升时间Δt min，启动恒定功率发热装置4至Δt时停止加热，此时混凝土区域I处于无冰状态，撤去恒定功率发热装置4，将贯入仪设置在加热区域处进行贯入深度测试，记录第一贯入深度，再将贯入仪设置在混凝土区域II处进行贯入深度测试，记录第二贯入深度，对比第一贯入深度和第二贯入深度，得出定量评价混凝土早期受冻性能的结果。第一贯入深度与第二贯入深度的比值越大，代表混凝土结冰带来的附加阻力越大，即混凝土受冻结冰情况越严重。当比值为1时，代表混凝土没有遭受到损伤。

进一步的，将第一贯入深度与混凝土贯入深度-抗压强度曲线图进行对比，获得现场混凝土无冰状态下的抗压强度。

进一步的，在混凝土区域I内进行贯入深度测试的测点个数为5～8个；在混凝土区域II内进行贯入深度测试的测点个数为5～8个。

进一步的，加热后混凝土区域I内进行贯入深度测试的测试时间小于5min。测试时间小于5min能够确保评价有效性和准确性，防止被加热区域再次结冰。

进一步的，贯入仪的测点与温度传感器2的水平距离不小于500mm，即贯入仪的测点与温度传感器2的水平距离的最小值为500mm，如此设置能够确保贯入深度测试使温度传感器2的使用性能不受影响，有效避免损坏温度传感器2。温度传感器2到混凝土工程1表面之间的直线距离为40mm。

进一步的，混凝土工程1中测点的获取位置仅为实际施工的混凝土工程1的表面上获取。

具体实施方式二：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10说明本实施方式，本实施方式包括在混凝土工程1中选取混凝土区域I与混凝土区域II，获取混凝土区域II至无冰状态的温升时间Δt，根据温升时间Δt对混凝土区域II进行加热，对混凝土区域I和加热后的混凝土区域II分别进行贯入深度测试，通过贯入深度对比，评价混凝土早期受冻性能。混凝土工程1指的是处于冬季施工的混凝土工程1，混凝土区域I为负温状态下混凝土，混凝土区域II为需加热的混凝土。

进一步的，在混凝土工程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，记录混凝土区域Ⅰ和混凝土区域II以外区域的温度Ti和该温度下对应的时长为Δt_i。温度Ti和该温度下对应的时长为Δt_i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Δt_i。

进一步的，确定混凝土区域Ⅰ中被加热区域的面积，加热深度取40mm，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，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，利用有限元瞬态温度场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机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用折减系数修订，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有限元软件中定义外界温度，进行随机骨料模型的温升模拟，获得距离混凝土表面40mm的位置从负温上升至+5℃所需要的温升时间。

进一步的，恒定功率发热装置4的功率是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4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4的影响，成型一块尺寸为150mm×150mm×150mm的混凝土，在距离表面40mm的混凝土内部预埋温度传感器2，置于-15℃冰箱中。用恒定功率发热装置4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接近时，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4的有效热流密度。

进一步的，分别对混凝土区域I与混凝土区域Ⅱ进行贯入深度测试，将恒定功率发热装置4设置在混凝土区域I处，将恒定功率发热装置4的加热时间设置为温升时间Δt，启动恒定功率发热装置4至Δt时停止加热，此时加热区域处于无冰状态，撤去恒定功率发热装置4，将贯入仪设置在加热区域处进行贯入深度测试，记录第一贯入深度，再将贯入仪设置在结冰混凝土处进行贯入深度测试，记录第二贯入深度，对比第一贯入深度和第二贯入深度，得出定量评价混凝土早期受冻性能的结果。第一贯入深度与第二贯入深度的比值越大，代表混凝土结冰带来的附加阻力越大，即混凝土受冻结冰情况越严重。当比值为1时，代表混凝土没有遭受到损伤。

进一步的，将第一贯入深度与混凝土贯入深度-抗压强度曲线图进行对比，获得现场混凝土无冰状态下的抗压强度。

进一步的，在混凝土区域I内进行贯入深度测试的测点个数为5～8个；在混凝土区域Ⅱ内进行贯入深度测试的测点个数为5～8个。

进一步的，加热后混凝土区域Ⅰ内进行贯入深度测试的测试时间小于5min。

进一步的，贯入仪的测点与温度传感器2的水平距离不小于500mm。温度传感器2到混凝土工程1表面之间的直线距离为40mm。

本实施方式中恒定功率发热装置4为现有设备，加热功率根据混凝土区域Ⅰ的温升时间的模拟结果进行合理选择，本发明所用恒定功率发热装置4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，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。

具体实施方式三：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10说明本实施方式，本实施方式包括以下三个步骤，温度传感器2的预埋，计算混凝土区域I中被加热混凝土的温升时间以及贯入深度的测定：

步骤一：温度传感器2的预埋；

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工程1进行测试，也可仅选一个点作为温度测点，在混凝土浇筑时，于混凝土工程1表面40mm深度处埋置温度传感器2，并用将其连接至温度记录仪3，实时记录混凝土工程1的温度变化。当混凝土成型至一定龄期需要进行检测混凝土受冻损伤和混凝土本身水化程度时，提前建立抗压强度-贯入深度关系曲线。

步骤二：温升时间和加热功率的计算：

选择合适加热功率，通过模拟计算负温受冻混凝土升温至+5℃所需时间，此时认为混凝土内部已经无冰存在，根据计算所得时间对混凝土进行加热，用贯入仪对混凝土进行贯入深度测试，在抗压强度-贯入深度曲线上找到相应贯入深度对应的抗压强度，即为负温受冻混凝土本身的抗压强度。此时若对未加热的仍处于负温环境下混凝土进行贯入深度测试，即可通过正温和负温下混凝土的贯入深度的对比判定混凝土结冰受冻的情况，贯入深度差值百分比越大结冰越严重。

进一步的，在施工时即进行温度传感器的预埋。温度传感器预埋一个即可，距离混凝土表面深度4cm，温度传感器与温度记录仪相连。

进一步的，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骨料模型，将粗骨料和水看做颗粒，随机投放入混凝土计算区域内，其余部分均看做砂浆。对混凝土各相赋予热工参数并进行计算。利用有限元瞬态温度场分析建立加热条件下混凝土的温升曲线。

在利用计算程序机模拟计算过程中，随机投放的操作指的是投放一些点，以这些点为中心，生成不同粒径的骨料，骨料颗粒之间不重叠、不搭接且不能出边界。

进一步的，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，将混凝土骨料看作球形颗粒，则可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，可得到该计算区域内各粒径范围的骨料颗粒数目。

进一步的，建模过程中，水的体积取极限状态，认为加入混凝土中的水全以自由水的形式存在。为了简化计算，认为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。

进一步的，加热时间主要与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。

进一步的，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。

进一步的，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。

进一步的，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。

进一步的，划分网格结束后要对随机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。

进一步的，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用折减系数修订，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。

进一步的，有效热流密度与恒定功率发热装置4有关，其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4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4的影响。成型一块尺寸为150mm×150mm×150mm的混凝土，在距离表面40mm的混凝土内部预埋温度传感器2，置于-15℃冰箱中。用该恒定功率发热装置4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接近时，该模拟结果对应的有限热流密度即为该恒定功率发热装4的有效热流密度，此时的恒定功率发热装置4功率参数可用于工程现场的混凝土加热功率的确定。

进一步的，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40mm的位置从负温上升至+5℃所需要的温升时间。

进一步的，选择该功率的加热装置对混凝土进行加热直至计算时间，对混凝土进行贯入深度测试。根据提前建立的抗压强度-贯入深度的曲线，获得混凝土本身的抗压强度，即可知混凝土内部的水化程度。

进一步的，对加热区域的混凝土进行贯入深度测试时，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间过长再次受冻结冰影响测试。

步骤三：贯入深度的测定：

贯入仪为现有装置，其工作过程与现有技术相同，当利用贯入仪对混凝土区域II进行贯入深度测试时，测点应远离温度传感器2，距离温度传感器2的水平距离不小于500mm，以免由于测钉5射入引起的裂缝损伤对温度传感器2造成影响。

如图6所示，用加力杆12挂住贯入仪后方的挂钩11，将测钉5放入测钉孔8，用紧钉器6拧紧测钉5，围绕挂钩11旋转加力杆12将测钉5上膛。将贯入仪的扁头7放于测点表面，贯入仪应正对加热区域的表面，握紧贯入仪的把手10，扣动扳机9将测钉5贯入混凝土工程1之中，该测点贯入完毕。

当测量混凝土区域I的贯入深度时，即测量第一贯入深度时，为了保证测钉5造成的混凝土损伤不对温度传感器2造成破坏以及恒定功率发热装置4的存在不影响温度传感器2的测温数据，测点亦应远离温度传感器2，恒定功率发热装置4的功率和温升时间通过计算机程序计算得出，通过计算得出的功率选定恒定功率发热装置4，再将恒定功率发热装置4设置于被加入混凝土表面，通电至温升时间Δt时停止加热，此时混凝土区域I中被加热混凝土体积内部的冰已经融化。将恒定功率发热装置4去掉，然后按照混凝土区域II贯入深度的测试方法对该测点迅速进行贯入试验。

对加热后的混凝土区域I与未加热的混凝土区域II进行贯入试验之后，测量两个混凝土区域的贯入深度。将数显深度测量尺14开机并清零，用橡皮吹囊13将测点中的粉末清理干净，将数显深度测量尺14放入孔中，实际测量值为20mm减去仪器显示值，记录实际测量值，即为第一贯入深度和第二贯入深度。

将加热后的混凝土区域I与未加热的混凝土区域II的两个贯入深度值进行对比，第一贯入深度和第二贯入深度的差值百分数越大，表明该养护条件下混凝土的受冻结冰情况越严重，表示混凝土的损伤程度越大，形成对冬期施工中混凝土的定量评价。

步骤四：抗压强度的推定：

标准养护条件下混凝土贯入深度-抗压强度的关系是对不同强度等级混凝土进行贯入深度测量的同时，进行抗压强度的测试，建立的贯入深度和抗压强度的关系曲线图。

根据已建立正温标准养护混凝土贯入深度与抗压强度的关系曲线，由第一贯入深度在该曲线上即可直接确定混凝土抗压强度，从而实现对冬期施工中的混凝土的抗压强度的评价。

具体实施方式四：本实施方式为具体实施方式一、二或三的进一步限定，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5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，为保证测钉5垂直射入混凝土工程1中，测试时测点表面应平整。

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，每次测试前均应检查测钉5磨损情况，磨损严重的测钉5不可使用。

具体实施方式七：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五或六的进一步限定，加热深度不应少于测钉5射入的最大深度，加热深度为最佳加热深度40mm，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。

具体实施方式八：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五、六或七的进一步限定，当恒定功率发热装置4的功率越大时，加热所用的时间越少，即温升时间Δt越小，但是应避免功率选择的过大，使得恒定功率发热装置4的温度过高，造成安全隐患。且混凝土的传热效率有限，过高的加热功率会使得计算误差偏大。应尽量选择合理的加热功率使得混凝土的温升时间控制在半个小时至1个小时之间。

具体实施方式九：本实施方式为具体实施方式一、二或三的进一步限定，对混凝土进行贯入深度测试时，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。

具体实施方式十：本实施方式为具体实施方式一、二或三的进一步限定，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贯入深度，以及在加热之后不含冰状态下的贯入深度，贯入深度的差值百分数越大，代表负温下混凝土实际结冰量越多，受冻越严重。

具体实施方式十一：本实施方式为具体实施方式一、二或三的进一步限定，本发明不仅可以对负温混凝土早期强度进行监测，当混凝土服役多年之后，依然可进行贯入深度的测定，可根据现有的贯入深度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。

本发明能够根据贯入深度来判断负温混凝土的受冻情况以及抗压强度。具体实施例如下：

实施例一：根据图10说明本实施例，通过对C20混凝土进行局部升温加热计算并进行实验验证，为验证模拟计算的正确性，在混凝土内部距离表面40mm的深度埋置热电偶。混凝土尺寸为500mm×500mm×200mm。计算区域体积为150mm×150mm×150mm，混凝土正温养护24h后立即转入-15℃冷库内冻结，36h后对混凝土进行加热温升试验。根据预实验结果，本恒定功率发热装置的有效热流密度为1300W/m²。根据计算结果选择功率为200W的红外加热灯对混凝土进行加热。有限元算法得到的温升曲线和试验所得到的温升曲线见图10。

从图中可以看到，模拟计算的温升曲线和试验实测结果的发展趋势极为接近，在-15℃下，模拟计算所得的混凝土升温所需时间为38min，而试验所得的混凝土升温时间为36min，说明了本模拟计算方法的可靠性。

对比混凝土负温状态下的贯入深度和冰融化时的贯入深度，-15℃混凝土受冻状态下，贯入深度平均值为8.34mm，而当混凝土加热至+5℃状态时，贯入深度平均值为14.73mm。可以发现，当混凝土受冻时，冰的存在使得贯入深度明显降低为混凝土本身贯入深度的56.6％，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贯入深度高达14.73mm，对应的抗压强度为2.3MPa。当建立混凝土抗压强度和贯入深度的关系后，可以从抗压强度-贯入深度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，提供模拟计算方法根据混凝土配合比及外部环境选择某一功率加热装置进行加热一定时间，测定混凝土本身贯入深度，获得其抗压强度。

本发明利用贯入深度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贯入深度变化即可探知混凝土内部的结冰情况，依据建立混凝土贯入深度和抗压强度的关系曲线，通过负温混凝土加热后的贯入深度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 (9)

1.一种利用瞬态温度场分析评价混凝土早期受冻性能方法，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，通过计算机程序进行模拟计算，从而获取混凝土区域I至无冰状态的温升时间Δt，根据温升时间Δt和加热功率对混凝土区域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分别进行贯入深度测试，通过贯入深度对比，评价混凝土早期受冻性能。

2.根据权利要求1所述的一种利用瞬态温度场分析评价混凝土早期受冻性能方法，其特征在于：在混凝土工程(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，记录混凝土内的温度Ti和该温度下对应的时长为Δt_i。

3.根据权利要求2所述的一种利用瞬态温度场分析评价混凝土早期受冻性能方法，其特征在于：确定混凝土区域I中被加热区域的面积，加热深度取40mm，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所述的一种利用瞬态温度场分析评价混凝土早期受冻性能方法，其特征在于：通过计算机程序进行模拟计算，从而获取混凝土区域I至无冰状态的温升时间Δt的过程为：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T_S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。

5.根据权利要求4所述的一种利用瞬态温度场分析评价混凝土早期受冻性能方法，其特征在于：分别对混凝土区域I和混凝土区域II进行贯入深度测试，将恒定功率发热装置(4)设置在混凝土区域I处，将恒定功率发热装置(4)的加热时间设置为温升时间Δt，启动恒定功率发热装置(4)至Δt时停止加热，此时混凝土区域I处于无冰状态，撤去恒定功率发热装置(4)，将贯入仪设置在被加热区域处进行贯入深度测试，记录第一贯入深度，再将贯入仪设置在混凝土区域II处进行贯入深度测试，记录第二贯入深度，对比第一贯入深度和第二贯入深度，得出定量评价混凝土早期受冻性能的结果，第一贯入深度与第二贯入深度的比值越大，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，当第一贯入深度与第二贯入深度的比值为1时，表示混凝土工程(1)没有遭受到损伤。

6.根据权利要求5所述的一种利用瞬态温度场分析评价混凝土早期受冻性能方法，其特征在于：将第一贯入深度与混凝土贯入深度-抗压强度曲线图进行对比，给出现场混凝土早期抗压强度。

7.根据权利要求5所述的一种利用瞬态温度场分析评价混凝土早期受冻性能方法，其特征在于：在混凝土区域I内进行贯入深度测试的测点个数为5～8个；在混凝土区域II内进行贯入深度测试的测点个数为5～8个。

8.根据权利要求5、6或7所述的一种利用瞬态温度场分析评价混凝土早期受冻性能方法，其特征在于：加热后混凝土区域I内进行贯入深度测试的测试时间小于5min，贯入仪的测点与温度传感器(2)之间水平距离的最小值为500mm。

9.根据权利要求2至7中任一项所述的一种利用瞬态温度场分析评价混凝土早期受冻性能方法，其特征在于：温度传感器(2)到混凝土工程(1)表面之间的直线距离为40mm。