CN110146687A - 用于各种环境温度下混凝土早期变形的检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
用于各种环境温度下混凝土早期变形的检测装置及方法。目前不同环境温度下混凝土早期变形监测难度大、效率低、准确度差而导致混凝土施工质量控制难以保证的问题。本发明中容器和弹性囊之间填充有冷冻液，薄壁刚性浮子设在管体内，薄壁刚性浮子的上端通过压力传感器与上盖固接，薄壁刚性浮子的下端插设在冷冻液中；本发明通过混凝土膨胀挤压冷冻液，使冷冻液被压进薄壁刚性浮子与管体之间间隙内，从而薄壁刚性浮子受到的浮力增大，根据压力传感器监测到薄壁刚性浮子受到的浮力变化，计算获得不同环境温度下混凝土的体积变化量，从而实现定量评价不同环境温度下混凝土的早期变形过程。本发明用于检测混凝土早期变形。
Description
技术领域
本发明属土木工程技术领域，具体涉及一种用于各种环境温度下混凝土早期变形的检测装置及方法。
背景技术
新拌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混凝土的性能受到温度影响较大。夏季混凝土表面易发生高温失水，产生塑性开裂，冬季混凝土最容易受到冻害。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风速过大引起快速干燥；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。研究早龄期混凝土在不同环境下下的体积变化特征，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造成显著影响，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,其中拌合水的用量为180Kg/m3，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2升混凝土结冰最大膨胀量为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、准确实时获得混凝土早期变形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用于各种环境温度下混凝土早期变形的检测装置及方法，以解决由于目前混凝土早期变形监测难度大、效率低、准确度差而导致混凝土施工质量控制难以保证的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
用于各种环境温度下混凝土早期变形的检测装置，它包括容器、顶盖、弹性囊、薄壁刚性浮子、压力传感器、管体和上盖，所述容器内设置有弹性囊，弹性囊内设置有混凝土，容器和弹性囊之间填充有冷冻液，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，管体竖直设置在顶盖上，管体的下端与容器的内部相连通，管体的上端可拆卸连接有上盖，薄壁刚性浮子设置在管体内且二者之间间隙配合，薄壁刚性浮子的上端通过压力传感器与上盖固定连接，薄壁刚性浮子的下端插设在冷冻液中。
作为优选方案：薄壁刚性浮子的上端粘结在压力传感器上，薄壁刚性浮子为HDPE或MDPE制成的空心管体，薄壁刚性浮子的下端为密封端，薄壁刚性浮子的壁厚为1mm。
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/和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：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：顶盖上加工有两个进出液口，每个进出液口处设置有一个阀门。
利用具体实施方式一、二、三、四或五所述的用于各种环境温度下混凝土早期变形的检测装置进行的方法，通过混凝土受温度影响膨胀挤压冷冻液，使冷冻液被压进薄壁刚性浮子与管体之间间隙内，从而薄壁刚性浮子受到的浮力增大，根据压力传感器监测到薄壁刚性浮子受到的浮力变化，计算获得混凝土的冻胀体积变化量，从而实现定量评价不同温度区间内混凝土的早期变形过程。
作为优选方案：当混凝土始终处于20℃恒温环境下，该方法包括如下步骤：
步骤一：混凝土的准备工作：在20℃的温度环境下，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；
步骤二：获取薄壁刚性浮子的初始浮力值：在20℃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，在顶盖上安装管体，从管体内继续注入冷冻液，将带有薄壁刚性浮子的上盖安装在管体上，将薄壁刚性浮子的下端插入冷冻液中后，旋拧上盖使其安装在管体上，利用进出液口处的阀门排液，从而调节薄壁刚性浮子和管体之间的冷冻液的初始高度，通过压力传感器记录薄壁刚性浮子受到的初始浮力值F0；
步骤三：测量和计算工作：在20℃的温度环境下，由于混凝土受到自身的组分以及化学外加剂的影响发生收缩或者膨胀，冷冻液液面随之发生升降的变化，压力传感器测量得到FT值随之变化，经过8～72小时后，当冷冻液液面停止运动处于静止状态时，即从压力传感器监测最大压力值ΔF，ΔF＝FT-F0，计算得到冷冻液液面的升降导致的薄壁刚性浮子排液体积变化量ΔVF，计算公式为：
ΔF＝ρg×ΔVF
计算获得冷冻液液面的体积变化量ΔVF，也是混凝土自身体积的变化量，最终计算得到混凝土早期体积变化率ΔVF/V0。
作为优选方案：当混凝土处于-30～+50℃不同温度条件下，该方法包括如下步骤：
步骤一：获取冷冻液温度体积变形系数α：选择冰点低于负温环境温度T1的冷冻液，将常温T0条件下冷冻液注满容器和管体，在管体上安装带有薄壁刚性浮子的上盖，通过旋拧上盖使薄壁刚性浮子和管体之间的冷冻液的高度上升至某一高度值，通过压力传感器记录薄壁刚性浮子受到的初始浮力值F0，记录加入冷冻液的重量GL0，根据冷冻液的密度即可计算加入冷冻液的初始体积VL0，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＝T1―T0减小，与薄壁刚性浮子固接的压力传感器的力值F1也随之变化，当温度为T1时，薄壁刚性浮子受到浮力的变化为ΔFL＝F1―F0，冷冻液温度体积变形系数计算公式α＝ΔFL/(ρg VL0×ΔT)；
步骤二：混凝土的准备工作：在20℃的温度环境下，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：获取薄壁刚性浮子的初始浮力值：在20℃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，在顶盖上安装管体，从管体内继续注入冷冻液，将带有薄壁刚性浮子的上盖安装在管体上，将薄壁刚性浮子插入冷冻液中并将上盖旋拧在管体上，调整上盖的位置通过薄壁刚性浮子给处于管体内的冷冻液施加初始压力，通过压力传感器记录薄壁刚性浮子所受的初始浮力的Fc0，Fc0＝ρ0g×Vlp0,薄壁刚性浮子初始排液体积为Vlp0＝Fc0/ρ0g，记录加入冷冻液的重量ML1，计算加入冷冻液的初始体积VL1；
步骤四：测量和计算工作：将检测装置置于-30～+50℃的温度环境中，随着温度的升降，混凝土依次经历热涨或者冷缩和结冰膨胀的过程，随着冷冻液液面升降的变化，压力传感器测量得到FT值随之变化，经过8～16小时后，当环境温度T恒定、冷冻液液面停止运动处于静止状态时，即从压力传感器监测最大压力值ΔF，ΔF＝FT-Fc0，计算薄壁刚性浮子排液的体积变化量，即得到冷冻液的体积变化量ΔVF，计算公式如下：
初始温度冷冻液的密度：ρ0＝ML1/VL1
温度T时冷冻液的体积：VLT＝VL1×(1+αΔT)
温度T时冷冻液的密度：ρT＝ML1/VLT
温度T时薄壁刚性浮子受到的浮力及排液的体积：
FT＝ρTg×VlpT
VlpT＝FT/ρTg温度T时薄壁刚性浮子排液体积的变化：ΔVF＝VlpT-Vlp0
温度T时冷冻液自身的体积的变化：ΔVLT＝VL1×αΔT
温度T时混凝土体积的变化ΔV＝ΔVF―ΔVLT
计算获得混凝土的体积变化量ΔV后，最终计算得到混凝土冻胀的体积变化率为ΔV/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。
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、本发明是利用薄壁刚性浮子在冷冻液中浮力的变化转为混凝土体积变化量的形式实现对各种环境中混凝土早期体积变化的定量检测，检测过程更加简单直接，获取结果更加准确可靠，为施工中混凝土的使用提供准确参考数据。
2、本发明采用压力传感器，实现自动采集和记录，方便、快捷获得高精度混凝土早期体积变形的连续监测数据。通过容器、顶盖、弹性囊、管体、压力传感器、薄壁刚性浮子和上盖之间连接关系的设置能够使压力传感器不受外界动态干扰的同时准确监测薄壁刚性浮子受到浮力的微小变化，测量精度达到0.001N。
3、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，同时本发明还能够实现全面监测混凝土在高温环境下的热胀过程，获得混凝土的最大膨胀量，定量评价不同温度区间内混凝土的变形的程度。
4、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。
图中，1-容器；2-顶盖；3-弹性囊；4-薄壁刚性浮子；5-压力传感器；6-管体；7-上盖；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。
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说明本实施方式，本实施方式包括容器1、顶盖2、弹性囊3、薄壁刚性浮子4、压力传感器5、管体6和上盖7，所述容器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之间填充有冷冻液11，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，管体6竖直设置在顶盖2上，管体6的下端与容器1的内部相连通，管体6的上端可拆卸连接有上盖7，薄壁刚性浮子4设置在管体6内且二者之间间隙配合，薄壁刚性浮子4的上端通过压力传感器5与上盖7固定连接，薄壁刚性浮子4的下端插设在冷冻液11中。
进一步的，薄壁刚性浮子4的上端粘结在压力传感器5上，如此连接增强检测的准确性，薄壁刚性浮子4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，薄壁刚性浮子4的下端为密封端，薄壁刚性浮子4的壁厚为1mm，薄壁刚性浮子4的外径为20mm，长度为180～240mm。
进一步的，管体6的顶部用螺纹与上盖7密封连接，管体6由轻质金属材料制成。
进一步的，顶盖2加工有内螺纹与管体6外螺纹相配合，旋拧时能够方便调整薄壁刚性浮子4的初始位置。
进一步的，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。
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～20cm，容器1的直径取值范围为12cm～20cm。
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，用于与管体6的下端螺纹连接，管体6的内径为23mm，外径为28mm，长度的取值范围为180～220mm，管体6所选用的材料为轻质高强的铝合金材料。
进一步的，压力传感器5固定连接在上盖7的下端面上，其直径为20mm，测量精度达到0.001N。
进一步的，冷冻液11选择为低冰点的液体，如盐溶液、乙二醇、硅油、氟油或其他低冰点的液体。
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。
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。
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，顶盖2与管体6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11一定的初始压力，使薄壁刚性浮子4和管体6之间形成环形间隙内的冷冻液11上升至一定高度，此时该高度为冷冻液11的初始位置，该初始位置对应压力传感器5测得的初始压力值F0。
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上加工有至少一个进出液口，每个进出液口处均设置有一个阀门13。进出液口用于注液或排液，进出液口排出冷冻液11可用于调整薄壁刚性浮子4和管体6的环形间隙内的冷冻液11的初始高度，进出液口的设置是试验完毕后为冷冻液11提供进一步的排出方式。
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。
进一步的，通过样品试验，压力传感器5的初始力值设定为0.1N为宜，通过旋拧上盖7调整薄壁刚性浮子4没入管体6内的冷冻液11深度即可获得压力传感器5测得的0.1N的初始值。
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，压力传感器5为现有产品。其工作原理与现有压力传感器5相同。压力传感器5为SGWF微型外置压力传感器。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式中所述的检测方法为通过混凝土10受冻膨胀、受热膨胀挤压冷冻液11，使冷冻液11被压进薄壁刚性浮子4与管体6之间间隙内，从而薄壁刚性浮子4受到的浮力增大，根据压力传感器5监测到薄壁刚性浮子4受到的浮力变化，计算获得混凝土10的冻胀、热胀体积变化量，从而实现定量评价不同温度区间内混凝土的冻胀、热胀变形过程。
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四个步骤：
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T1的冷冻液11，将常温条件T0下冷冻液11注满容器1和管体6，在管体6上安装带有薄壁刚性浮子4的上盖7，通过旋拧上盖7使薄壁刚性浮子4和管体6之间的冷冻液11的高度上升至某一高度值，通过压力传感器5记录薄壁刚性浮子4受到的初始浮力值F0，
记录加入冷冻液11的质量ML0，根据常温冷冻液11的密度即可计算加入冷冻液11的初始体积VL0，将检测装置置于负温环境T1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＝T1―T0减小，与薄壁刚性浮子4固接的压力传感器的力值F1也随之变化，当温度为T1时，浮力的变化为ΔFL＝F1―F0，，冷冻液11温度体积变形系数计算公式α＝ΔFL/(ρgVL0×ΔT)；
步骤二：混凝土10的准备工作：在20℃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；上述过程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；
步骤三：获取薄壁刚性浮子4的初始浮力值Fc0：在20℃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上安装管体6，从管体6内继续注入冷冻液11，将带有薄壁刚性浮子4的上盖7安装在管体6上，将薄壁刚性浮子4的下端插入冷冻液11中后，旋拧上盖7使其安装在管体6上，通过旋拧上盖7使薄壁刚性浮子4和管体6之间的冷冻液11的高度上升，通过压力传感器5记录薄壁刚性浮子4受到的初始浮力值Fc0，根据F＝ρg×V液排，计算此时初始排液体积Vlp0，常温下20℃冷冻液11密度为ρ0；
步骤四：测量和计算工作：将检测装置置于-30～+50℃的温度环境中，随着温度的升降，混凝土10先经历热胀或冷缩后，负温环境的混凝土10会再经历结冰膨胀的变形，随着冷冻液11液面升降的变化，压力传感器5测量得到FT值随之变化，经过8～16小时后，当环境温度T恒定、冷冻液11液面停止运动处于静止状态时，即从压力传感器5监测最大压力值FT，冷冻液11密度为ρT，混凝土10体积变化量计算过程为：
20℃时冷冻液11的密度：ρ0＝ML1/VL1
20℃时压力传感器5记录的力值：Fc0＝ρ0g×Vlp0
20℃时薄壁刚性浮子4排液体积：Vlp0＝Fc0/ρ0g
温度T时冷冻液11的体积：VLT＝VL1×(1+αΔT)
温度T时冷冻液11的密度：ρT＝ML1/VLT
温度T时压力传感器5记录的力值：FT＝ρTg×VlpT
温度T时，薄壁刚性浮子4排液体积VlpT＝FT/ρTg
温度T时薄壁刚性浮子4排液体积的变化：ΔVF＝VlpT-Vlp0
温度T时冷冻液11的体积的变化：ΔVLT＝VL1×αΔT
温度T时混凝土10体积的变化ΔV＝ΔVF―ΔVLT
计算获得混凝土10的体积变化量ΔV后，最终计算得到混凝土10冻胀的体积变化率ΔV/V0。
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，初步搅拌两分钟后加水，继续搅拌三分钟，即可获得均匀的新拌混凝土10，检测其初始温度为20.5℃，本实施例中薄壁刚性浮子4的外径20mm，内径16mm，长度为200mm，管体6的内径为23mm，长度为210mm,容器1的内径150mm，高度为150mm。冷冻液11选用乙二醇，密度为1.15g/cm3，冰点为-12.9℃，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-10℃，冷冻液11选择冰点低于负温环境温度的乙二醇，将常温20℃条件下冷冻液11注满容器1和管体6，在管体6上安装带有薄壁刚性浮子4的上盖7，通过旋拧上盖7使薄壁刚性浮子4和管体6之间的冷冻液11的高度上升至某一高度值，通过压力传感器5记录薄壁刚性浮子4受到的初始浮力值F0＝0.1N，记录加入冷冻液11的质量ML0＝3059g，根据乙二醇的密度即可计算加入冷冻液11的初始体积VL0＝2660cm3，将检测装置置于0℃环境中，由于冷冻液11的热胀冷缩性质，冷冻液11体积随着降温而减小，当ΔT＝20℃时，与薄壁刚性浮子4固接的压力传感器的力值变化为ΔFL＝0.3597N，冷冻液11温度体积变形系数计算公式α＝ΔFL/(ρg VL0×ΔT)＝0.000599/℃；
步骤二：新拌混凝土10在常温20℃下将其装入带弹性、薄的橡胶袋内，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密封在橡胶袋内。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10的初始体积V0，V0＝M0/2400＝2L＝2000cm3；
步骤三：将压力传感器5与记录仪表连接，再将薄壁刚性浮子4和压力传感器构成的组合，插入管体6内。室温条件下，在容器11内放入装有混凝土的橡胶袋，注入常温20℃条件下放置的冷冻液11，扣紧上盖7，向管体6内继续注入冷冻液11。随后将薄壁刚性浮子4和压力传感器5构成的组合部件，慢慢放入管体6内，薄壁刚性浮子4的下部没入冷冻液11中，薄壁刚性浮子4所受到的浮力使压力传感器5显示其力值，记录加入冷冻液11的重量ML1＝759g，计算加入冷冻液11的初始体积VL1＝660cm3；
旋紧并调整上盖7，使压力传感器5处在一定受压状态，微动进出液口处的阀门13，调整压力传感器5的初始力值Fc0＝0.15N，根据F＝ρg×V液排，计算此时初始排液体积Vlp0＝13.31cm3；
步骤四：将该检测装置迅速置于-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，压力传感器5开始记录压力值变化。随着温度的降低，新拌混凝土10发生一定程度的冷缩，压力传感器5力值减小至0.016N，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，冷冻液11的液面上升，压力传感器5的力值不断增大，直至混凝土10冻胀量达到最大值，压力传感器5的力值保持不动，FT＝0.058N。
-10℃环境下，冷冻液11体积的变化量也就是混凝土10体积的变化量为ΔVF。
已知ML1＝759g，ρ0＝1.15g/cm3，α＝0.0006/℃，ΔT＝30℃，Fc0＝0.15N,Vlp0＝13.31cm3
ρ0＝ML1/VL1，VL1＝660cm3
VLT＝VL1×(1+αΔT)＝660×(1-0.0006×30)＝648.12cm3
ρT＝ML1/VLT＝759/648.12＝1.171g/cm3
FT＝0.058N,
VlpT＝5.054cm3
ΔVF＝VlpT-Vlp0＝5.054-13.31＝-8.256cm3
ΔVLT＝α×V L1×ΔT＝0.0006×660×30＝11.88cm3
ΔV＝ΔVF―ΔVLT＝-8.256-(-11.88)＝3.624cm3
ΔV/V0＝3.624/2000＝0.18％
ΔV/V0即为混凝土10冻胀的体积变化率。通过本发明获取混凝土10冻胀的体积变化率后，便于后续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在负温环境下的受冻过程，根据获得混凝土的最大冻胀量，实现定量评价不同温度区间内混凝土的冻胀变形的程度。
Claims (10)
1.一种用于各种环境温度下混凝土早期变形的检测装置，其特征在于：它包括容器(1)、顶盖(2)、弹性囊(3)、薄壁刚性浮子(4)、压力传感器(5)、管体(6)和上盖(7)，所述容器(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)之间填充有冷冻液(11)，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，管体(6)竖直设置在顶盖(2)上，管体(6)的下端与容器(1)的内部相连通，管体(6)的上端可拆卸连接有上盖(7)，薄壁刚性浮子(4)设置在管体(6)内且二者之间间隙配合，薄壁刚性浮子(4)的上端通过压力传感器(5)与上盖(7)固定连接，薄壁刚性浮子(4)的下端插设在冷冻液(11)中。
2.根据权利要求1所述的用于各种环境温度下混凝土早期变形的检测装置，其特征在于：薄壁刚性浮子(4)的上端粘结在压力传感器(5)上，薄壁刚性浮子(4)为HDPE或MDPE制成的空心管体，薄壁刚性浮子(4)的下端为密封端，薄壁刚性浮子(4)的壁厚为1mm。
3.根据权利要求1所述的用于各种环境温度下混凝土早期变形的检测装置，其特征在于：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/和顶盖(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。
4.根据权利要求1所述的用于各种环境温度下混凝土早期变形的检测装置，其特征在于：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。
5.根据权利要求4所述的用于各种环境温度下混凝土早期变形的检测装置，其特征在于：顶盖(2)上加工有两个进出液口，每个进出液口处设置有一个阀门(13)。
6.利用权利要求1至5中任一项所述的用于各种环境温度下混凝土早期变形的检测装置进行的方法，其特征在于：通过混凝土(10)受温度影响膨胀挤压冷冻液(11)，使冷冻液(11)被压进薄壁刚性浮子(4)与管体(6)之间间隙内，从而薄壁刚性浮子(4)受到的浮力增大，根据压力传感器(5)监测到薄壁刚性浮子(4)受到的浮力变化，计算获得混凝土(10)的冻胀体积变化量，从而实现定量评价不同温度区间内混凝土的早期变形过程。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：当混凝土(10)始终处于20℃恒温环境下，该方法包括如下步骤：
步骤一：混凝土(10)的准备工作：在20℃的温度环境下，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；
步骤二：获取薄壁刚性浮子(4)的初始浮力值：在20℃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)上安装管体(6)，从管体(6)内继续注入冷冻液(11)，将带有薄壁刚性浮子(4)的上盖(7)安装在管体(6)上，将薄壁刚性浮子(4)的下端插入冷冻液(11)中后，旋拧上盖(7)使其安装在管体(6)上，利用进出液口处的阀门(13)排液，从而调节薄壁刚性浮子(4)和管体(6)之间的冷冻液(11)的初始高度，通过压力传感器(5)记录薄壁刚性浮子(4)受到的初始浮力值F0；
步骤三：测量和计算工作：在20℃的温度环境下，由于混凝土(10)受到自身的组分以及化学外加剂的影响发生收缩或者膨胀，冷冻液(11)液面随之发生升降的变化，压力传感器(5)测量得到FT值随之变化，经过8～72小时后，当冷冻液(11)液面停止运动处于静止状态时，即从压力传感器(5)监测最大压力值ΔF，ΔF＝FT-F0，计算得到冷冻液(11)液面的升降导致的薄壁刚性浮子排液体积变化量ΔVF，计算公式为：
ΔF＝ρg×ΔVF
计算获得冷冻液(11)液面的体积变化量ΔVF，也是混凝土(10)自身体积的变化量，最终计算得到混凝土(10)早期体积变化率ΔVF/V0。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：当混凝土(10)处于-30～+50℃不同温度条件下，该方法包括如下步骤：
步骤一：获取冷冻液(11)温度体积变形系数α：选择冰点低于负温环境温度T1的冷冻液(11)，将常温T0条件下冷冻液(11)注满容器(1)和管体(6)，在管体(6)上安装带有薄壁刚性浮子(4)的上盖(7)，通过旋拧上盖(7)使薄壁刚性浮子(4)和管体(6)之间的冷冻液(11)的高度上升至某一高度值，通过压力传感器(5)记录薄壁刚性浮子(4)受到的初始浮力值F0，记录加入冷冻液(11)的重量GL0，根据冷冻液(11)的密度即可计算加入冷冻液(11)的初始体积VL0，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＝T1―T0减小，与薄壁刚性浮子(4)固接的压力传感器(5)的力值F1也随之变化，当温度为T1时，薄壁刚性浮子(4)受到浮力的变化为ΔFL＝F1―F0，冷冻液(11)温度体积变形系数计算公式α＝ΔFL/(ρg VL0×ΔT)；
步骤二：混凝土(10)的准备工作：在20℃的温度环境下，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：获取薄壁刚性浮子(4)的初始浮力值：在20℃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)上安装管体(6)，从管体(6)内继续注入冷冻液(11)，将带有薄壁刚性浮子(4)的上盖(7)安装在管体(6)上，将薄壁刚性浮子(4)插入冷冻液(11)中并将上盖(7)旋拧在管体(6)上，调整上盖(7)的位置通过薄壁刚性浮子(4)给处于管体(6)内的冷冻液(11)施加初始压力，通过压力传感器(5)记录薄壁刚性浮子(4)所受的初始浮力的Fc0，Fc0＝ρ0g×Vlp0,薄壁刚性浮子(4)初始排液体积为Vlp0＝Fc0/ρ0g，记录加入冷冻液(11)的重量ML1，计算加入冷冻液(11)的初始体积VL1；
步骤四：测量和计算工作：将检测装置置于-30～+50℃的温度环境中，随着温度的升降，混凝土(10)依次经历热涨或者冷缩和结冰膨胀的过程，随着冷冻液(11)液面升降的变化，压力传感器(5)测量得到FT值随之变化，经过8～16小时后，当环境温度T恒定、冷冻液(11)液面停止运动处于静止状态时，即从压力传感器(5)监测最大压力值ΔF，ΔF＝FT-Fc0，计算薄壁刚性浮子(4)排液的体积变化量，即得到冷冻液(11)的体积变化量ΔVF，计算公式如下：
初始温度冷冻液(11)的密度：ρ0＝ML1/VL1
温度T时冷冻液(11)的体积：VLT＝VL1×(1+αΔT)
温度T时冷冻液(11)的密度：ρT＝ML1/VLT
温度T时薄壁刚性浮子(4)受到的浮力及排液的体积：
FT＝ρTg×VlpT
VlpT＝FT/ρTg温度T时薄壁刚性浮子(4)排液体积的变化：ΔVF＝VlpT-Vlp0
温度T时冷冻液(11)自身的体积的变化：ΔVLT＝VL1×αΔT
温度T时混凝土(10)体积的变化ΔV＝ΔVF―ΔVLT
计算获得混凝土(10)的体积变化量ΔV后，最终计算得到混凝土(10)冻胀的体积变化率为ΔV/V0。
9.根据权利要求7所述的方法，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。
10.根据权利要求8所述的方法，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。
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| CN111238360A (zh) * | 2020-01-23 | 2020-06-05 | 天津大学 | 一种干湿循环作用下水泥基材料的变形测定仪 |
| CN111238360B (zh) * | 2020-01-23 | 2021-04-27 | 天津大学 | 一种干湿循环作用下水泥基材料的变形测定仪 |
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