CN110146686B - 一种混凝土受冻变形检测装置实现的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种混凝土受冻变形检测装置实现的检测方法。目前混凝土冻胀变形监测难度大、效率低、准确度差而导致混凝土冬季施工质量控制难以保证的问题。本发明的装置中柔性波纹管设在套管内，柔性波纹管的上端固装在上盖上，柔性波纹管的下端设有金属盘，位移传感器穿过上盖设在柔性波纹管内，位移传感器的探头与金属盘间隙配合，容器内设置有弹性囊，弹性囊内设置有混凝土，容器内填充有冷冻液；本发明的方法是通过位移传感器测量金属盘的位移，从而得到柔性波纹管的长度变形量的过程，通过检测柔性波纹管的长度变形量得到混凝土的最大冻胀量，最终实现定量评价不同温度区间内混凝土的冻胀变形程度的过程。本发明用于检测混凝土受冻变形量。

Description

一种混凝土受冻变形检测装置实现的检测方法

技术领域

本发明属土木工程技术领域，具体涉及一种混凝土受冻变形检测装置实现的检测方法。

背景技术

由于混凝土内部组分和外部环境的变化，不同的混凝土会产生各自的体积变形。常温下，所有混凝土在塑性状态下都经历了一个微膨胀、沉降阶段，然后在硬化状态下经历了一个干燥收缩阶段。然而，混凝土是一种对温度敏感的材料，在浇筑后的最初几个小时或几天内最容易受到冻害。寒冷地区混凝土的冬季施工面临着两个相互矛盾的问题：一是保护混凝土表面不因冬季高蒸发速率而干燥；二是尽量确保水化快速反应，混凝土表面尽早干燥以免过多的水分暴露在寒冷的气候条件下导致混凝土结冰破坏。了解这些体积变化的性质和原因将有助于我们选用外加剂、改进配合比以及设计合理的养护措施。

目前，常温下混凝土早期变形的检测方法相对十分成熟，主要有埋入应变计、电容测微仪法、采用立式千分表和非接触位移传感器的阶段式自收缩测试方法、非接触式位移传感器测试法、环形约束试验法、板式约束试验法、体积法、浮力法，传感器的种类包括千分表、电涡流位移传感器、激光位移传感器、振弦计、应变片等。而负温下混凝土早期受冻变形的测试方法相对较少。专利“201711021515.X一种用于水泥混凝土早期冻胀变形的测试装置及方法”，利用混凝土冻结所产生的体积膨胀量导致浮力的变化，监测混凝土早期冻胀量，评价冻害损伤程度，实时监测混凝土受冻体积的变形。专利“201711021542.7一种用于不同温度下水泥混凝土冻胀变形的测试装置及方法”，利用混凝土冻胀而被挤压出的冷冻液质量，计算出任意时刻时混凝土因受冻而产生的体积膨胀率及最大膨胀量。上述两种方法都是利用置于冷冻液中的混凝土冻胀导致浮力的变化获得混凝土的冻胀变形，由于混凝土在负温下其冻胀量是较小的，少量的混凝土排出液体体积变化量及浮力的变化给上述测试方法的精度提出了很高的要求，如排出少量的液体会停留在导管内不能被计量，或者两个静滑轮上的静摩擦力都会抵消一部分浮力的变化，除非混凝土样品的初始体积很大，但是大的混凝土初始体积又会影响冷温度的传导，导致混凝土内部温度分布的不均匀性，影响试验精度。例如，普通混凝土的容重是2400Kg/m³，假定其中拌合水的用量为200Kg/m³，即水的用量占混凝土总体积的五分之一，假定2升混凝土在低温下冻结，因为水要用于润湿原材料的各组分，水泥水化反应消耗部分水，且只有毛细孔中的水才可能受冻结冰，尽管水结冰体积膨胀9％，由于混凝土粗细骨料均对冰的形成有明显的约束作用，因此根据已有研究可知两升混凝土全部结冰后最大膨胀量为2×0.4％＝0.008升＝8ml，实际上不同龄期的混凝土冻胀量还会明显低于该值，特别是当实时监测混凝土受冻体积的变形，监测精度上有较高要求。因此，需要快速、准确实时获得负温下早期混凝土冻胀量的监测装置和检测方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种混凝土受冻变形检测装置实现的检测方法，以解决由于目前混凝土冻胀变形监测难度大、效率低、准确度差而导致混凝土冬季施工质量控制难以保证，避免混凝土内部温度分布的不均匀性发生的同时难以高精准的获取混凝土在负温下其变形量的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种混凝土受冻变形检测装置，它包括容器、顶盖、弹性囊、套管、柔性波纹管、金属盘、上盖和位移传感器，所述容器的上端为敞口端，顶盖可拆卸连接在容器的敞口端处，套管设置在顶盖上，套管的下端与容器的内部相连通，套管的上端可拆卸连接有上盖，柔性波纹管设置在套管内，柔性波纹管的上端固定安装在上盖上，柔性波纹管的下端设置有金属盘，位移传感器穿过上盖设置在柔性波纹管内，位移传感器的探头与金属盘间隙配合，容器内设置有弹性囊，弹性囊内设置有混凝土，容器和弹性囊之间以及套管和柔性波纹管之间填充有冷冻液。

作为优选方案：冷冻液配合设置有第一温度传感器，第一温度传感器的探头穿过上盖或顶盖设置在冷冻液中，混凝土配合设置有第二温度传感器，第二温度传感器的探头穿过弹性囊设置在混凝土中。

作为优选方案：上盖与套管的上端螺纹连接。

作为优选方案：顶盖上设置有若干个销爪组件，顶盖通过若干个销爪组件与容器的外壁可拆卸连接。

作为优选方案：顶盖上加工有两个出液口，每个出液口处设置有一个阀门。

作为优选方案：位移传感器为电涡流位移传感器。

利用一种混凝土受冻变形检测装置进行的检测方法，该检测方法如下：

通过位移传感器测量金属盘的位移，得到柔性波纹管的长度变形量，通过检测柔性波纹管的长度变形量得到混凝土的最大冻胀量，最终实现定量评价不同温度区间内混凝土的冻胀变形程度的过程。

作为优选方案：该检测方法包括如下步骤：

步骤一：获取冷冻液温度体积变形系数α：根据混凝土变形试验要求的负温环境温度，选择冰点低于负温环境温度的冷冻液，将常温条件下冷冻液注满容器和套管，加入柔性波纹管和上盖构成的组合件，旋拧上盖通过柔性波纹管给处于套管内的冷冻液施加初始压力，初始压力的施加量为确保位移传感器相对于金属盘的初始距离处在位移传感器最大量程的中间位置处即可，记录加入冷却液的重量G_L0，根据冷却液的密度即可计算加入冷却液的初始体积V_L0，柔性波纹管的横截面积为S，将检测装置置于负温环境中，由于冷冻液的热胀冷缩性质，冷冻液体积随着降温ΔT减小，位移传感器相对于金属盘的距离ΔL_L不断下移，冷冻液温度体积变形系数计算公式α＝ΔL_LS/(V_L0×ΔT)；

步骤二：混凝土的准备工作：在15～30℃的温度环境下，模拟实际施工条件，将新拌的混凝土装入弹性囊中，确保混凝土与弹性囊的内壁相贴紧，称取装入弹性囊内混凝土的重量M₀，根据混凝土的容重计算出混凝土的初始体积V₀；

步骤三：分阶式填充冷冻液：在15～30℃的温度环境下，将装有混凝土的弹性囊放入容器中，在容器中注入冷冻液，注入高度为确保冷冻液包裹弹性囊的整个外壁为止，再加盖顶盖，在顶盖上安装套管，从套管内继续注入冷冻液，测量柔性波纹管处于自然状态下的长度L，计算柔性波纹管处于自然状态下的体积V_B，调整柔性波纹管自由状态下位移传感器的初始位置并设置为其最大量程，将带有柔性波纹管的上盖安装在套管上，将柔性波纹管插入并将上盖旋拧在套管上，以挤出多余的冷冻液，旋拧上盖通过柔性波纹管给处于套管内的冷冻液施加初始压力，初始压力的施加为确保位移传感器相对于金属盘的初始距离处在位移传感器最大量程的中间位置处，记录加入冷却液的重量G_L1，计算加入冷却液的初始体积V_L1；

步骤四：测量和计算工作：将混凝土受冻变形检测装置置于0～-30℃的温度环境中，位移传感器记录其探头与金属盘之间的位移变化，随着温度的降低，混凝土依次经历冷缩和结冰膨胀的过程，通过位移传感器测量得到的金属盘升降的位移值，经过8～16小时后，当金属盘停止运动处于静止状态时，即从位移传感器监测到金属盘最大上移的位移值ΔL，通过计算得到柔性波纹管的体积变化量ΔV_B，计算公式为：

ΔV_B＝V_B×(ΔL/L)

计算获得柔性波纹管的体积变化量ΔV_B后，再加上冷却液的温度体积变形ΔV_L＝α×V_L1×ΔT，最终计算得到混凝土冻胀的体积变化量(ΔV_B+ΔV_L)/V₀。

作为优选方案：在混凝土的准备工作中，通过注射器从弹性囊中抽出多余空气，使混凝土与弹性囊的内壁之间形成全壁贴紧过程。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

1、本发明是利用柔性波纹管线位移转为体积变化量的形式实现对负温环境中混凝土冻胀变化的定量检测，检测结果准确可靠，为冬季施工中混凝土的使用提供准确参考数据。

2、位移传感器为电涡流位移传感器，实现自动采集和记录，方便、快捷获得高精度冻胀变形的连续监测数据。通过容器、顶盖、弹性囊、套管、柔性波纹管、金属盘和上盖之间连接关系的设置能够使位移传感器不受外界动态干扰的同时准确监测柔性波纹管的微小位移变化，测量精度达到微米级。

3、通过本发明的检测装置能够发现冷冻液和混凝土先缩后胀的微小变化，对检测的全过程实现准确的掌控，从而能够更加准确掌握出混凝土冻结变化的情况，有利于提高检测结果的准确性。

4、本发明对检测混凝土的体积要求合理，检测结果准确可靠，不但能够实现对小体积(1L～2L)的混凝土进行检测，即确保小体积混凝土的检测精度，避免混凝土检测用量的浪费问题，还避开了较大体积混凝土内温度不均匀不一致导致检测结果不准确的弊端。

5、本发明能够实现全面监测混凝土在负温环境下的受冻过程，获得混凝土的最大冻胀量，定量评价不同温度区间内混凝土的冻胀变形的程度。

6、本发明中的装置结构合理，制作成本低。本发明中的方法操作步骤简单，难度低，省时省力，获取数值准确，提高后续计算的可靠性。

附图说明

图1是本发明中检测装置的主视结构剖面示意图；

图2是本发明中混凝土冻结变化坐标图。

图中，1-容器；2-顶盖；3-弹性囊；4-套管；5-柔性波纹管；6-金属盘；7-上盖；8-位移传感器；9-1-第一温度传感器；9-2-第二温度传感器；10-混凝土；11-冷冻液；12-销爪组件；13-阀门；14-凸台。

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和图2说明本实施方式，本实施方式包括容器1、顶盖2、弹性囊3、套管4、柔性波纹管5、金属盘6、上盖7和位移传感器8，所述容器1的上端为敞口端，顶盖2可拆卸连接在容器1的敞口端处，套管4设置在顶盖2上，套管4的下端与容器1的内部相连通，套管4的上端可拆卸连接有上盖7，柔性波纹管5设置在套管4内，柔性波纹管5的上端固定安装在上盖7上，柔性波纹管5的下端固定连接有金属盘6，位移传感器8穿过上盖7设置在柔性波纹管5内，位移传感器8的探头与金属盘6间隙配合，容器1内设置有弹性囊3，弹性囊3内设置有混凝土10，容器1和弹性囊3之间以及套管4和柔性波纹管5之间填充有冷冻液11。

进一步的，容器1为金属桶形容器，所选用的材料为轻质铝合金材料，容器1的高度取值范围为12cm～16cm，容器1的直径取值范围为12cm～16cm。

进一步的，与容器1紧密配合的有顶盖2，顶盖2沿其厚度方向加工有螺纹孔，用于与套管4的下端螺纹连接，套管4的直径为10cm。所选用的材料为轻质高强的铝合金材料。

进一步的，套管4的顶部用螺纹与上盖7密封连接，由轻质金属材料制成。

进一步的，柔性波纹管5固定连接在上盖7的下端面上，其平均直径为7cm，所选用的材料为轻质高强的高分子材料如HDPE、MDPE或其他柔性材料。

进一步的，柔性波纹管5的下端粘接一金属盘6，金属盘6沿柔性波纹管5的径向方向设置，金属盘6的优选直径值为8cm。

进一步的，弹性囊3为带弹性、薄的橡胶袋，其加工有开口，用于填入混凝土10，混凝土10填入袋内后，扎进开口，保证混凝土10密封在袋内。弹性囊3处于检测状态下的最佳容积为1L～2L，该容积值范围在目前现有的混凝土冻胀变形检测仪器中是无法实现精准检测的，通过容器1、顶盖2、套管4、柔性波纹管5、金属盘6、上盖7和位移传感器8相互配合能够实现精准检测的过程，检测数值准确可靠，避免了较大容积混凝土内温度不均匀不一致导致检测结果不准确的弊端。

进一步的，上盖7的上端面加工有凸台14，用于旋拧时操作方便，上盖7上加工有内螺纹的开孔，内螺纹的直径与位移传感器8外径相配合。位移传感器8的探头直径为18mm，优选量程为8mm。

具体实施方式二：本实施方式为具体实施方式一的进一步限定，冷冻液11配合设置有第一温度传感器9-1，第一温度传感器9-1的探头穿过上盖7或顶盖2设置在冷冻液11中，混凝土10配合设置有第二温度传感器9-2，第二温度传感器9-2的探头先穿过上盖7或顶盖2到达冷冻液11中后，再穿过弹性囊3设置在混凝土10中。第一温度传感器9-1和第二温度传感器9-2均为现有产品，工作过程与现有温度传感器相同。第一温度传感器9-1和第二温度传感器9-2用于分别监测冷冻液11和混凝土10中的温度变化情况。第一温度传感器9-1探头的最佳设置位置为混凝土10的中心处。

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，上盖7与套管4的上端螺纹连接。该连接方式是经过样品试验得到的最佳连接方式，连接快速、定位稳定，还能够实现给予冷冻液11逐步压紧的过程，从而有利于容器1和弹性囊3之间以及套管4和柔性波纹管5之间处于仅有冷冻液11的真空状态，有利于提高本发明的检测结果的准确性。

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，顶盖2上设置有若干个销爪组件12，顶盖2通过若干个销爪组件12与容器1的外壁可拆卸连接。销爪组件12为现有结构，实现顶盖2与容器1之间可拆卸连接，连接时密封效果稳定可靠。

进一步的，顶盖2上加工有2个排液口，每个排液口处设置有一个阀门13。排液口的设置是试验完毕后为冷冻液11提供进一步多渠道的排出方式，进一步从排液口注入冷冻液11便于挤出残留在容器1和顶盖2之间的空气，使冷冻液11体现混凝土10的冻结变化趋势更加准确。

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，位移传感器8为电涡流位移传感器。电涡流位移传感器为现有产品，其工作原理与现有的电涡流位移传感器的工作原理相同。

本发明的检测装置最突出的特点为通过柔性波纹管5的精确变形测量获得冷冻液11体积变化量，得到混凝土10体积变化。对于试验过程中混凝土10各个收缩和膨胀的变化过程能够间接且准确地通过柔性波纹管5体现。本发明符合为需要及时观察冻胀的整个过程中各个阶段的变化情况的试验要求，特别适用于这类试验中。

具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中所述的检测方法如下：

通过位移传感器8测量金属盘6的位移，从而得到柔性波纹管5的长度变形量的过程，将检测柔性波纹管5的长度变形量经过相关公式计算得到混凝土10的最大冻胀量，最终实现定量评价不同温度区间内混凝土10的冻胀变形程度的过程。

具体实施方式七：本实施方式为具体实施方式六的进一步限定，该检测方法包括以下具体三个步骤：

步骤一：获取冷冻液11的温度体积变形系数α：根据混凝土变形试验要求的负温环境温度，选择冰点低于负温环境温度的冷冻液11，将常温条件下冷冻液11注满容器1和套管4，加入柔性波纹管5和上盖7构成的组合件，旋拧上盖7通过柔性波纹管5给处于套管4内的冷冻液11施加初始压力，初始压力的施加为确保位移传感器8相对于金属盘6的初始距离处在位移传感器8最大量程的中间位置处，记录加入冷却液的重量G_L0，根据冷却液的密度即可计算加入冷却液的初始体积V_L0，柔性波纹管5的横截面积为S，将检测装置置于负温环境中，由于冷冻液11的热胀冷缩性质，冷冻液11体积随着降温ΔT减小，位移传感器8相对于金属盘6的距离ΔL_L不断下移，冷冻液11温度体积变形系数计算公式α＝ΔL_LS/(V_L0×ΔT)；

步骤二：混凝土10的准备工作：在15～30℃的温度环境下，模拟实际施工条件，将新拌的混凝土10装入弹性囊3中，确保混凝土10与弹性囊3的内壁相贴紧，称取装入弹性囊3内混凝土10的重量M₀，根据混凝土10的容重计算出混凝土10的初始体积V₀；

步骤三：分阶式填充冷冻液11：在15～30℃的温度环境下，将装有混凝土10的弹性囊3放入容器1中，在容器1中注入冷冻液11，注入高度为确保冷冻液11包裹弹性囊3的整个外壁为止，再加盖顶盖2，在顶盖2上安装套管4，从套管4内继续注入冷冻液11，测量柔性波纹管5处于自然状态下的长度L，计算柔性波纹管5处于自然状态下的体积V_B，调整波纹管自由状态下位移传感器8的初始位置并设置为其最大量程，将带有柔性波纹管5的上盖7安装在套管4上，将柔性波纹管5插入并将上盖7旋拧在套管4上，以挤出多余的冷冻液11，使上盖7通过柔性波纹管5给处于套管4内的冷冻液11施加初始压力，初始压力的施加为确保位移传感器8相对于金属盘6的初始距离处在位移传感器8最大量程的中间位置处，记录加入冷却液的重量G_L1，计算加入冷却液的初始体积V_L1；

步骤四：测量和计算工作：将混凝土冻结变形检测装置置于0～-30℃的温度环境中，位移传感器8记录其探头与金属盘6之间的位移变化，随着温度的降低，混凝土10依次经历冷缩和结冰膨胀的过程，通过位移传感器8测量得到的金属盘6升降的位移值，经过8～16小时后，当金属盘6停止运动处于静止状态时，即获取位移传感器8监测到金属盘6最大上移的位移值ΔL，通过计算得到柔性波纹管5的体积变化量ΔV_B，计算公式为：

ΔV_B＝V_B×ΔL/L

计算获得柔性波纹管5的体积变化量ΔV_B后，再加上冷却液的温度体积变形ΔV_L＝α×V_L1×ΔT，最终计算得到混凝土10冻胀的体积变化量(ΔV_B+ΔV_L)/V₀。

进一步的，在混凝土10的准备工作中，通过注射器从弹性囊3中抽出多余空气，使混凝土10与弹性囊3的内壁之间形成全壁贴紧过程。弹性囊3处于检测状态下的最佳容积为1L～2L，也就是对应容纳混凝土的体积为1L～2L，该容积值范围在目前公开的混凝土冻胀变形检测仪器中因检测量少而难以实现精准检测，通过本发明中容器1、顶盖2、套管4、柔性波纹管5、金属盘6、上盖7和位移传感器8相互配合能够实现检测方法能够对1L～2L的小体积的检测量实现精准检测，直接避免了较大容积混凝土内温度不均匀不一致导致检测结果不准确的弊端。

进一步的，位移传感器8与上盖7是螺纹连接的，保持柔性波纹管5处于自由状态，调整位移传感器8的初始位置使其与金属盘6的间距达到最大量程。柔性波纹管5与上盖7组合后装入套管4内。柔性波纹管5受压，通过旋拧上盖2，调整位移传感器8的初始位置使其与金属盘6的间距处在其量程的中间位置处，此时柔性波纹管5处在一定受压状态，也就是容器1内的冷冻液11受到一定初始压力的作用。

结合本发明的有益效果说明以下实施例：

实施例一：

本实施例的混凝土10配合比为普通混凝土，容重为2400Kg/m³,拌合水的用量为200Kg/m³，细骨料的用量720Kg/m³，粗骨料的用量1080Kg/m³，水灰比为0.5。在实验室常温条件下，将粗、细骨料、水泥称重，投入搅拌机内，初步搅拌2分钟后加水，继续搅拌3分钟，即可获得均匀的新拌混凝土10，混凝土初始温度为20.0℃，检测其在-10℃环境温度下混凝土的早期变形。容器1的内径150mm，高度为150mm，套管的内径为100mm，高度为220mm，柔性波纹管5的内径60mm，外径80mm，长度为200mm，波纹管的横截面积为S为3846.5mm²，柔性波纹管5的自由伸长时体积V_B＝769300mm³，压缩4mm时柔性波纹管5的体积V_B＝753914mm³。利用该检测装置进行检测时的具体操作过程如下：

步骤一：获取冷冻液11的温度体积变形系数α：选择冰点为-12.9℃的乙二醇作为冷冻液11，其密度为1.15g/cm³，将常温19.5℃条件下冷冻液11注满容器1和套管4，加入柔性波纹管5和上盖7构成的组合件，旋拧上盖7通过柔性波纹管5给处于套管4内的冷冻液11施加初始压力，初始压力的施加为确保位移传感器8相对于金属盘6的初始距离处在位移传感器8最小量程的位置0.01mm处，记录加入冷却液11的重量G_L0＝4003g，根据冷却液11的密度即可计算加入冷却液11的初始体积V_L0＝3480cm³，将检测装置置于负温环境中，冷冻液11体积随着降温ΔT减小，ΔT＝5℃时位移传感器8相对于金属盘6的距离ΔL_L为2.71mm，冷冻液11温度体积变形系数计算公式α＝ΔL_LS/(V_L0×ΔT)＝0.0006/℃；

步骤二：新拌混凝土10在常温下将其装入弹性囊3内，弹性囊3为带弹性、薄的橡胶袋，在袋口处，通过注射器设法抽出多余空气，使橡胶袋与混凝土10保持良好的接触，扎进袋口，保证混凝土10密封在袋内；

称取装入橡胶袋内混凝土10的重量M₀＝4.8Kg；

根据混凝土10的容重计算出混凝土的初始体积V₀，V₀＝M₀/2400＝2L＝2000cm³；

步骤三：将电涡流位移传感器与记录仪表连接，再将柔性波纹管5和电涡流位移传感器构成的组合，调整电涡流位移传感器的初始位置并设置为其最大量程8mm，此时柔性波纹管5处于初始自由伸长状态。室温条件下，在容器11内放入装有混凝土10的橡胶袋，注入室温条件下的冷冻液11，扣紧上盖7，向套管4内继续注入冷冻液11，随后将柔性波纹管5和电涡流位移传感器构成的组合部件，慢慢放入套管4内，部分冷冻液11排出，记录加入冷却液11的重量G_L1＝1684.75g，计算加入冷却液11的初始体积V_L1＝1465cm³；

步骤三：旋紧并调整上盖7，使柔性波纹管5处在一定受压状态，也就是容器1内的冷冻液11受到一定初始压力的作用，保证电涡流位移传感器与金属盘6的初始距离处在其量程的中间位置处4mm；

步骤四：将该检测装置置于-10℃负温环境中，第一温度传感器9-1和第二温度传感器9-2分别开始监测冷冻液11和混凝土10内部的温度，电涡流位移传感器开始记录其探头与金属盘6之间的位移变化。随着温度的降低，冷冻液11和新拌混凝土10发生一定程度的冷缩，柔性波纹管5带动金属盘6一起下移，该过程中电涡流位移传感器记录的位移值就逐渐增大。随后混凝土10内部自由水开始结冰膨胀，混凝土10冻胀变形产生，柔性波纹管5受到挤压，金属盘6逐渐上移，直至混凝土10冻胀量达到最大值，金属盘6才停止运动。

柔性波纹管5具有特殊的特性，柔性波纹管5沿轴向方向的刚度与径向方向的刚度相比忽略不计时，柔性波纹管5体积的变化ΔV_B转换以长度变化的形式来表示，即测量出来的柔性波纹管5的长度变形ΔL就是柔性波纹管5内流体本身的体积变化有如下关系，ΔV_B/V_B＝ΔL/L。在-10℃环境下，电涡流位移传感器监测到金属盘6最大上移的位移ΔL为0.421mm，经初始压缩后柔性波纹管5的初始长度196mm，ΔV_B＝V_B×(ΔL/L)＝1619.4mm³，再加上冷却11的温度体积变形ΔV_L＝α×V_L1×ΔT，ΔV_L＝0.0006×1465×30＝2637mm³，柔性波纹管5的体积变化量即为混凝土10冻胀的体积变化量，ΔV＝ΔV_B+ΔV_L，计算ΔV/V₀＝4256.4mm³/2000000mm³＝0.21％,建立混凝土温度与该温度时刻对应的混凝土10体积冻胀变化量的关系，能够全面监测混凝土10在负温环境下的受冻过程，获得混凝土10的最大冻胀量，定量评价不同温度区间内混凝土10的冻胀变形的程度。

Claims (2)

1.一种混凝土受冻变形检测装置实现的检测方法，混凝土受冻变形检测装置包括容器(1)、顶盖(2)、弹性囊(3)、套管(4)、柔性波纹管(5)、金属盘(6)、上盖(7)和位移传感器(8)，所述容器(1)的上端为敞口端，顶盖(2)可拆卸连接在容器(1)的敞口端处，套管(4)设置在顶盖(2)上，套管(4)的下端与容器(1)的内部相连通，套管(4)的上端可拆卸连接有上盖(7)，柔性波纹管(5)设置在套管(4)内，柔性波纹管(5)的上端固定安装在上盖(7)上，柔性波纹管(5)的下端设置有金属盘(6)，位移传感器(8)穿过上盖(7)设置在柔性波纹管(5)内，位移传感器(8)的探头与金属盘(6)间隙配合，容器(1)内设置有弹性囊(3)，弹性囊(3)内设置有混凝土(10)，容器(1)和弹性囊(3)之间以及套管(4)和柔性波纹管(5)之间填充有冷冻液(11)；

冷冻液(11)配合设置有第一温度传感器(9-1)，第一温度传感器(9-1)的探头穿过上盖(7)或顶盖(2)设置在冷冻液(11)中，混凝土(10)配合设置有第二温度传感器(9-2)，第二温度传感器(9-2)的探头穿过弹性囊(3)设置在混凝土(10)中；

上盖(7)与套管(4)的上端螺纹连接；

顶盖(2)上设置有若干个销爪组件(12)，顶盖(2)通过若干个销爪组件(12)与容器(1)的外壁可拆卸连接；

顶盖(2)上加工有两个出液口，每个出液口处设置有一个阀门(13)；

其特征在于：该检测方法中位移传感器(8)为电涡流位移传感器，通过位移传感器(8)测量金属盘(6)的位移，得到柔性波纹管(5)的长度变形量，通过检测柔性波纹管(5)的长度变形量得到混凝土(10)的最大冻胀量，最终实现定量评价不同温度区间内混凝土(10)的冻胀变形程度的过程；

该检测方法包括如下步骤：

步骤一：获取冷冻液(11)温度体积变形系数α：根据混凝土变形试验要求的负温环境温度，选择冰点低于负温环境温度的冷冻液(11)，将常温条件下冷冻液(11)注满容器(1)和套管(4)，加入柔性波纹管(5)和上盖(7)构成的组合件，旋拧上盖(7)通过柔性波纹管(5)给处于套管(4)内的冷冻液(11)施加初始压力，初始压力的施加量为确保位移传感器(8)相对于金属盘(6)的初始距离处在位移传感器(8)最大量程的中间位置处即可，记录加入冷冻 液(11)的重量G_L0，根据冷冻 液(11)的密度即可计算加入冷冻 液(11)的初始体积V_L0，柔性波纹管(5)的横截面积为S，将检测装置置于负温环境中，由于冷冻液(11)的热胀冷缩性质，冷冻液(11)体积随着降温ΔT减小，位移传感器(8)相对于金属盘(6)的距离ΔL_L不断下移，冷冻液(11)温度体积变形系数计算公式α＝ΔL_LS/(V_L0×ΔT)；

步骤二：混凝土(10)的准备工作：在15～30℃的温度环境下，模拟实际施工条件，将新拌的混凝土(10)装入弹性囊(3)中，确保混凝土(10)与弹性囊(3)的内壁相贴紧，称取装入弹性囊(3)内混凝土(10)的重量M₀，根据混凝土(10)的容重计算出混凝土(10)的初始体积V₀；

步骤三：分阶式填充冷冻液(11)：在15～30℃的温度环境下，将装有混凝土(10)的弹性囊(3)放入容器(1)中，在容器(1)中注入冷冻液(11)，注入高度为确保冷冻液(11)包裹弹性囊(3)的整个外壁为止，再加盖顶盖(2)，在顶盖(2)上安装套管(4)，从套管(4)内继续注入冷冻液(11)，测量柔性波纹管(5)处于自然状态下的长度L，计算柔性波纹管(5)处于自然状态下的体积V_B，调整柔性波纹管(5)自由状态下位移传感器(8)的初始位置并设置为其最大量程，将带有柔性波纹管(5)的上盖(7)安装在套管(4)上，将柔性波纹管(5)插入并将上盖(7)旋拧在套管(4)上，以挤出多余的冷冻液(11)，旋拧上盖(7)通过柔性波纹管(5)给处于套管(4)内的冷冻液(11)施加初始压力，初始压力的施加为确保位移传感器(8)相对于金属盘(6)的初始距离处在位移传感器(8)最大量程的中间位置处，记录加入冷冻 液(11)的重量G_L1，计算加入冷冻 液(11)的初始体积V_L1；

步骤四：测量和计算工作：将混凝土受冻变形检测装置置于0～-30℃的温度环境中，位移传感器(8)记录其探头与金属盘(6)之间的位移变化，随着温度的降低，混凝土(10)依次经历冷缩和结冰膨胀的过程，通过位移传感器(8)测量得到的金属盘(6)升降的位移值，经过8～16小时后，当金属盘(6)停止运动处于静止状态时，即从位移传感器(8)监测到金属盘(6)最大上移的位移值ΔL，通过计算得到柔性波纹管(5)的体积变化量ΔV_B，计算公式为：

ΔV_B＝V_B×(ΔL/L)

计算获得柔性波纹管(5)的体积变化量ΔV_B后，再加上冷冻 液(11)的温度体积变形ΔV_L＝α×V_L1×ΔT，最终计算得到混凝土(10)冻胀的体积变化量(ΔV_B+ΔV_L)/V₀。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：在混凝土(10)的准备工作中，通过注射器从弹性囊(3)中抽出多余空气，使混凝土(10)与弹性囊(3)的内壁之间形成全壁贴紧过程。

Images