CN110187084A - 混凝土早龄期收缩变形特性测定方法 - Google Patents

Abstract

一种早龄期混凝土收缩变形特性测量方法，先将拌合好的混凝土放入到试模[6]中形成试样[4]，再用位移测量标靶[2]和位移测量装置每隔一定时间测量试样在一个方向上的长度变化，最后用获得的该长度变化以收缩率计算公式得到试样的早龄期收缩变形特性；所述试模是圆锥形刚性容器，试模以锥尖向下且圆锥轴线铅直放置，所述测量长度方向的长度变化是圆锥体试样的高度的变化，即测量试模中锥形试样的底面到锥尖之间的距离变化。与现有技术相比，本发明避免了现有技术存在的当试样变形时使试样与试模间的约束力发生改变而导致测量方向的变形特性发生改变的弊端。

Description

混凝土早龄期收缩变形特性测定方法

技术领域

本发明涉及的是一种混凝土早龄期收缩变形特性测定方法，本发明所指混凝土是指以水泥和各种粒度的沙、石加水的拌和而成的混合物，统称砼或混凝土，把混凝土去除粗粒径骨料的部分称为砂浆。

背景技术

混凝土加水拌合后，在其凝固与老化的过程中要发生收缩或膨胀变形，但总体是收缩变形。混凝土收缩变形特性特别是早龄期收缩变形特性是评估混凝土的抗裂性的重要技术指标，对混凝土工程防止混凝土构件产生早期裂缝具有实际意义，其中早龄期混凝土是指加水拌合后3天内的混凝土，其特点是在早龄期混凝土收缩变形特性的测定过程中是尚未完全凝固的。

目前对早龄期混凝土收缩变形特性的测定方法是先将拌合好的混凝土放入到一定形状的长条状试模中，再通过测量试样长度方向两端的距离变化来表征被测混凝土试样的早龄期收缩变形特性。如中华人民共和国国家标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)提出的一种测量混凝土早龄期收缩性能的方法是将混凝土拌合物放入到容积尺寸为长515mm×宽150mm×高150mm的六面体试模中，通过测量埋入在试模长方向两端的埋入式标靶之间的距离随混凝土龄期的变化关系来表征被测混凝土试样的收缩特性，主要步骤规定如下：

1)将标靶固定在试模两端预定的位置，将混凝土拌合物浇筑入试模中振动成型，在测量前撤除标靶与试模之间的固定。

2)至少应按每隔1小时或设定的时间间隔测定两侧标靶之间的距离的变化量读数。把初始时刻两只测量标靶之间的距离作为测量标距。

3)混凝土收缩率按公式：计算，式中：ε_st——测试期为i(h)的混凝土收缩率，从测定初始读数时算起；ΔL_i——测试期为i(h)的两测量标靶间相对于初始时刻的收缩位移量；L₀——测量标距，为初始时刻两测量标靶沿长度方向的间距。

4)以收缩率ε_st的时间函数表征混凝土早龄期收缩特性。

又如美国标准ASTM C1698-09是将砂浆灌入Φ29mm×430mm的塑料波纹管中两端密封，再将试样波纹管水平放置在限定其长度方向可伸缩的导轨上，测量波纹管两端之间的距离随混凝土龄期的变化关系，以收缩率的龄期变化函数来表征被测砂浆试样的收缩特性。

混凝土变形的本质是体积变化。一般认为混凝土的变形特性是各向同性的，因此测量混凝土变形特性的理想状态是要求被测混凝土处于各方向均无外力约束的状态下进行。当混凝土试样在某个方向存在外力约束限制其变形时，其体积变化导致形状发生改变，将会影响到自由方向的长度变形量，尤其是在被测混凝土在完全凝结固化之前。如GB/T50082-2009测量方法中混凝土试样在六面体试模中，当试样发生收缩/膨胀变形时，试样在四个侧面原有的限制力减小/增大，该受力变化因素将反作用于试样本身，在与重力的共同作用下，其体积变化效应将使试样产生“放大”垂直方向的变形量同时“缩小”水平方向的变形量的效果，导致水平方向测得的变形特性偏离无约束状态下的变形特性。又如ASTMC1698-09测量方法中砂浆试样在塑料波纹管中，当试样发生变形时，由于受到波纹管管壁的约束作用，试样的体积变形效应将会对波纹管长度方向的变形量产生“放大”效果。

混凝土在不同龄期阶段的收缩变形的快慢是不同的，甚至也可能有发生膨胀的，而不同龄期阶段混凝土试样的固化程度不同，其体积变化效应引起的对测量方向的长度变形的影响效果也是不同的。这个效应会带来测量结果的另一种不确定性是：变形过程的特性差异将引起测量结果的不同。即：理想状态下累计变形量相同的试样，在现有技术的测量方法下，由于变形过程特性的差异而导致测得的累计变形量不相同。

改进或解决上述存在问题对混凝土早龄期收缩变形特性的研究具有十分重要的意义，也是该领域长期追求的目标。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提出一种被测试样用圆锥体试模成型的早龄期混凝土收缩变形特性测量方法，该方法利用了圆锥体在各向同性的长度变形时其锥角的角度保持不变的几何特性，即圆锥体试样在发生体积变形过程中受到的外部约束力状态保持不变的特性，对试样取圆锥体形状以使测得的变形特性更准确、更接近无约束的理想状态。同时还降低了测量装置的制造成本，并使试验操作更加简单。

一种早龄期混凝土收缩变形特性测量方法，先将拌合好的混凝土放入到试模中形成试样，再用位移测量标靶和位移测量装置每隔一定时间测量试样在一个方向上的长度变化，最后用获得的该长度变化以收缩率计算公式得到试样的早龄期收缩变形特性；所述试模是圆锥形刚性容器，试模以锥尖向下且圆锥轴线铅直放置，所述测量长度方向的长度变化是圆锥体试样的高度的变化，即测量试模中锥形试样的底面到锥尖之间的距离变化；所述收缩率计算公式中的ε_st为从测定初始读数时算起的混凝土收缩率，ΔL_i为圆锥体试样的高度相对于初始时刻收缩变化量，L₀为初始时刻的圆锥体试样的高度。

本发明提供的早龄期混凝土收缩变形特性测量方法，将拌合后的混凝土在圆锥形试模中振捣成型，制成锥尖向下的圆锥体试样。当圆锥体试模中的试样在发生各向相同比例的长度变形时，由于圆锥体试样的锥角角度不变，因此试样与试模接触面之间的约束受力条件保持不变，仅表现为试样在试模中的圆锥体高度发生变化。与现有技术相比，本发明避免了现有技术存在的当试样变形时使试样与试模间的约束力发生改变而导致测量方向的变形特性发生改变的弊端。

所述圆锥体容器的锥角角度在40°到100°之间。

试模的容积大小根据混凝土的种类与试验要求而定。一般试模容积的最小限与混凝土中粗骨料的粒径大小的相关，粗骨料的粒径越大所要求的容积越大；筛去粗骨料后的砂浆试验则可以用更小容积的试模。实际应用中还会涉及更多因素的考量，如试验装置所选用的位移传感器的精度和量程、试验操作的方便性以及综合成本等，通常会选择适中或较小的容积。以锥角60°的试模为例；普通混凝土的骨料颗径≤40mm时圆锥底面直径可选为170mm；骨料颗径≤30mm圆锥底面直径可选为115mm；骨料颗径≤60mm时圆锥底面直径可选为225mm。

本发明提供的早龄期混凝土收缩变形特性测量方法，由于测量方向是垂直方向，需要考虑重力对试样的在垂直方向变形的影响因素。锥角角度越小，锥体的高宽比越大，重力因素的影响比例越大，因此锥角角度不宜过小。但锥角角度也不宜过大，在锥体高度相同的条件下，锥角角度越大，圆锥底面直径越大同时试样所用的混凝土体积量也越大，将对试验和试验装置的成本带来不利影响。一般情形，采用锥角角度为60°的试模，兼顾上述两方面的影响因素。

由于本发明方法的重力因素的影响作用机理简明，本发明提供的早龄期混凝土收缩变形特性测量方法，可更进一步对重力因素对测定结果的影响机理的研究，如采用一组不同锥角角度的试模通过对比试验测定重力因素的影响程度。如，采用锥角为45°、60°、90°的一组试模对相同的混凝土做早龄期混凝土收缩变形特性测量对比试验，以获得重力对该种类混凝土材料的变形特性的影响规律，用来补偿因重力影响引起的测量误差。

而对现有技术的水平方向的测量方法，重力因素影响的作用的方式与本发明完全不同，虽然都是由体积变形效应通过试模的边界制约条件影响到水平方向的，但现有技术方法的影响不仅与试模的边界形状相关，而且还与试样的凝结和变形的过程特性相关，作用机理非常复杂，因此难以用简明的数学模型来测算和补偿。

所述试模是用单一材料制作的，且其形状是依圆锥体容器轴线为中心轴的旋转体。

试模本身也具有随温度变化发生变形的特性。对于现有技术的测试方法中的试模，当试验环境温度变化时试模尺寸的改变也会改变试样的边界制约条件进而影响到水平方向的变形量。为避免这一因素带来的测量误差，现有试验方法通常要求在恒温环境中测试，或选用温度变形尽量小的材料制作试模。本发明方法的试模是用单一材料制作的，且其形状是依圆锥体容器轴线为中心轴的旋转体。也即试模任一垂直于圆锥体容器轴线的截面的轮廓线是圆心在轴线上的同心圆。使得当制作试模的材料发生温度变形时其圆锥体容器的锥角角度保持不变，因而也不改变对试样的边界制约条件。一种简单的试模形状为壁厚相同的圆锥体容器，其垂直于圆锥体容器轴线的任一截面的轮廓线在容器段为圆心在轴线的2个等距同心圆；使用时再将试模搁在配套的支架上使试模保持锥尖向下且圆锥轴线铅直放置的状态。

通常位移测量系统的传感器座会架在试模之上以试模为测量标靶位置变化的参考点，因此当试模发生变形时，参考点位置的变化量将叠加到测量系统中导致影响测量结果。对于这一问题，可以通过预先测定参考点位置的温度变化特性，再在试验同时测量试模的温度来修正试模温度变形带来的误差；或者直接采用制作材料已知的温度变形特性加以计算修正。

所述试模内壁与试样之间有使混凝土凝结时不粘连试模内壁的防粘层，所述防粘层是试模内壁上的永久涂料层或测定前涂覆的疏水油脂涂层或铺垫薄质不透水的隔膜，所述薄质不透水的隔膜主要是轻薄的塑料薄膜、渗有油脂的纸张等。

伴随试样的变形过程，混凝土试样与试模的接触面之间会发生相对位移，该位移量与所处位置与锥尖之间的高度变化成正比。因此这一位移需要克服试样和试模壁之间的粘合力和摩擦力，如果粘合力或摩擦力过大，使该位移受到实质性的阻滞便会使测量误差超出要求，从而影响测定的准确性。通常来讲，可以通过技术手段排除粘合力并减小摩擦力，但主要是排除粘合力，而摩擦阻力远远小于试样体积变形的内力并且在采取排除粘合力措施后可以忽略不计。如GB/T 50082-2009测量方法中通过在试模中铺垫塑料膜片排除粘合力并减小摩擦力，而ASTM C1698-09测量方法则直接利用波纹管本身具有的长度方向的伸缩变形性而不受粘合力的影响并将塑料波纹管放置的光滑的导轨上以减小摩擦力。上述使混凝土凝结时不粘连试模内壁的防粘层，就是在试模内壁增加的不粘连涂料层，或在放入混凝土前涂抹在试模内壁不亲水油脂材料，如柴油等粘度较大的燃油、润滑油脂、凡士林等，或铺垫塑料薄膜其他薄质不透水的隔膜。

本发明提供的早龄期混凝土收缩变形特性测量方法，所述位移测量标靶放置在试样锥底表面的中心部位并与试样锥底表面之间的距离固定，所述位移测量装置有位移传感器，所述移传感器与测量标靶相配合构成圆锥体试样的高度变化的微位移测量系统。

标靶放在中心位置区能避免其在试验过程中发生水平位置的漂移，原因是当试样发生各向同性的变形时，试样轴线的水平位置不改变。标靶的形状一般为圆形，使放置操作时更容易目测判断其是否放在中心位置区。

标靶测量面的材料和大小要根据所采用的位移传感器要求和所做试验的技术目的而定。如位移测量装置采用电涡流位移传感器，标靶测量面的材料应具有良好的导电特性，且面积不能小于所用位移传感器所要求的最小面积。如所做试验的目的是绝湿状态的收缩特性，则要在试样表面覆盖塑料薄膜隔绝试样与空气的水汽交换，标靶的面积可以做得很大；若试验要求是湿交换条件下的收缩特性，则标靶的面积要尽量小以使试样表面与空气的湿交换面积尽量大。

所述标靶的整体密度小于拌合完成时试样的密度，可实现浮在试样之上的目的。所述整体密度是指标靶材料及其所包容的空间整体的平均密度。如标靶是测量面的材料是碳钢，密度大于混凝土材料，可以采取在测量面下方粘合一定厚度的硬质泡沫塑料，或者将它压制成边缘向上的盆状，便可使其整体密度小于试样的密度，以使试样振动成型后将标靶平板与试样锥底中心紧贴平浮在试样之上，以确保在试验过程中所测得的测量面高度的变化量就是试样表面的高度的变化量。

所述标靶与试样表面相贴的一面的几何中心设有一个与标靶刚性连接的短针，放置时向下伸入试样表面，使标靶钉定在试样表面的中轴。

标靶的水平漂移可能会产生测量误差，不同类型的位移传感器对标靶的水平漂移量有不同的要求。由于混凝土材料可能存在局部不均匀变形，采取短针钉定措施能更好地保障标靶不产生水平位置的漂移。

另一种情形，对于某些流动性很弱的混凝土材料，试样成型需要人工捣实，此情形下标靶要在试样捣实之后才放置，短针插入操作可以在此情形下起到使标靶与试样表面紧密贴实的作用。

本发明提供的早龄期混凝土收缩变形特性测量方法，所用位移传感器通常是非接触式的，如电涡流位移传感器、电容式位移传感器或光电位移传感器等。也可采用接触力足够小的接触式位移传感器，如微应变位移传感器等，只要测量接触力的变化值导致标靶与试样表面之间相对位置的变化值小于试验要求的最大允许误差即可。测量标靶是平放在试样表面，或者说是浮于试样表面的，当采用接触式位移传感器时，只要其接触面积足够大，便可使测量接触力作用于试样表面的压强很小，使其产生的偏差小于最大可允许的程度。而接触式位移传感器在GB/T 50082-2009测量方法中是极难实现的，因为该方法采用的是埋入式标靶，测量点的接触力会对标靶产生测量方向的力矩，而该力矩的作用会使标靶与试样结合部位产生很大的作用力使标靶与试样之间发生微位移而对测量构成足够大误差。

此外，本发明提供的早龄期混凝土收缩变形特性测量方法，每个试模只需用一个位移传感器，是现有技术GB/T 50082-2009测量方法的一半数量，由于微位移传感器在试验装置的成本占比很大，因此可显著降低试验装置的成本。

本发明提供的早龄期混凝土收缩变形特性测量方法应用电涡流非接触式位移传感器，所述标靶具有与试样锥底平面平行的测量面，所述移传感器的探测头位于测量面的上方；所述标靶的测量面是刚性平板的平面。标靶的刚性平面特征保证了标靶自身在整个试验过程中不变形，从而避免标靶自身变形的原因而产生测量误差。

附图说明

图1为本发明方法所用装置一实施例的结构示意图，图中：1-传感器探测头，2-标靶，3-探测头支架，4-试样，5-防粘层，6-试模，7-试模支架。

具体实施方式

本发明提供的早龄期混凝土收缩变形特性测量方法，其操作步骤如下：

一、试模准备

如图1所示，以钢板制成锥角60°锥高210mm的圆锥形壳体为试模，并将试模以锥尖向下搁置在同样以钢板制成的试模支架7上，试模圆锥轴线与试模支架底面垂直。试模支架是底板及其上支撑板构成的，支撑板斜面与试模锥形容器外壁相合。试模上沿(锥底)上经定位台阶扣有传感器探测头支架3，支架上固定安装传感器探测头1使探测头在圆锥轴线上对准锥尖，在试模内壁铺设塑料薄膜为防粘层5。

如上试模准备三件为一组平行试验试模，其内壁防粘层可以是在试模制成后在内壁上涂覆特弗龙，或在测试前铺设渗油纸，或涂柴油、机油、润滑脂等。

试模也可以工程塑料、铝合金等刚性材料制作，其锥角则在40°到100°之间选择。

二、标靶及位移传感器配置

采用电涡流位移传感器，标靶为圆碳钢片，标靶下表面粘结一层刚性塑料泡沫，使其整体密度小于试样能够定浮在试样表面，同时圆碳钢片下表面的加圆心处有一与钢片垂直的短钢针穿过塑料泡沫层。

标靶是与位移传感器相配套的，传感器通常除采用电涡流位移传感器外还采用电容式位移传感器或光电位移传感器等非接触式位移传感器，方便标靶设计。与电容式位移传感器配套的传感器只要在标靶上表面形成一个导体层即可，而光电位移传感器则只要在标靶上表面是光滑平面即可，此两者标靶本体可以采用密度较低的材料。

三、试样准备

1.将拌合好的混凝土定量分放到一组试模的每件试模中振捣成型；

2.在试样振捣成型时或在成型后，将测量标靶放置在试样表面的中心位置，注意标靶最终位置和姿态即其测量面是水平的并在试样中心位置；

3.将安装有位移传感器探测头的探测头支架安放在试模上，接通线路；调试准确。

四、测试

1.调整好初始标靶初始距离读数为d₀；

2.测量试样初凝时刻的圆锥体试样的高度，或称试样的测量标距L₀，测量标距也可在以试验完成后测定得到的试样表面与到试模沿口的高度与试模高度的差再加上整个测量过程的总位移量获得，但通常这个总位移量很小，因此可以直接以试验完成后测定得到的试样表面与到试模沿口的高度与试模高度的差来代表；

3.每隔一个小时测定一次标靶距离读数d_t，直到完成试验；4.计算混凝土收缩率，计算公式：计算，式中：ε_st—测试期为i(h)的混凝土收缩率，从测定初始读数时算起；ΔL_i—测试期为i(h)的相对于初始时刻的试样高度收缩位移量，ΔL_i＝d_t-d₀为当前测量时间所测得的位移值；L₀—测量标距；测定计时从混凝土拌和加水开始计时，每个小时用上述测定获得的计数计算一个混凝土收缩率，即测试期为i(h)的混凝土收缩率。测定也可以每隔半小时、一刻钟等时间间隔进行。

分别用三个试样在同一测量时刻的收缩率的平均值作为该龄期的土收缩率

5.制作时间-收缩率曲线表征混凝土早龄期收缩特性。

当试验环境温度有改变的试验条件下且需要对试模的温度变形影响进行订正时，试验装置还有测量环境温度的温度传感器，同步记录测量时刻的环境温度，以该时次相对于试验开始时的温度变化值和已知试模的温度变形特性计算出位移传感器参考点的变化量对收缩位移量ΔL_i进行修正。

Claims (9)

1.一种早龄期混凝土收缩变形特性测量方法，先将拌合好的混凝土放入到试模中形成试样，再用位移测量标靶和位移测量装置每隔一定时间测量试样在一个方向上的长度变化，最后用获得的该长度变化以收缩率计算公式得到试样的早龄期收缩变形特性；其特征是所述试模是圆锥形刚性容器，试模以锥尖向下且圆锥轴线铅直放置，所述测量长度方向的长度变化是圆锥体试样的高度的变化，即测量试模中锥形试样的底面到锥尖之间的距离变化；所述收缩率计算公式中的ε_st为从测定初始读数时算起的混凝土收缩率，ΔL_i为圆锥体试样的高度相对于初始时刻变化量，L₀为初始时刻的圆锥体试样的高度。

2.如权利要求1所述的早龄期混凝土收缩变形特性测量方法，其特征是所述圆锥形容器的锥角角度在40°到100°之间。

3.如权利要求2所述的早龄期混凝土收缩变形特性测量方法，其特征是所述试模内壁与试样之间有使混凝土凝结时不粘连试模内壁的防粘层，所述防粘层是试模内壁上的永久涂料层或测定前涂覆的疏水油脂涂层或铺垫薄质不透水的隔膜。

4.如权利要求1所述的早龄期混凝土收缩变形特性测量方法，其特征是所述试模是用单一材料制作的，且其形状是依圆锥体容器轴线为中心轴的旋转体。

5.如权利要求1或2或3或4所述的早龄期混凝土收缩变形特性测量方法，其特征是所述位移测量标靶放置在试样锥底表面的中心部位并与试样锥底表面之间的距离固定，所述位移测量装置有位移传感器，所述移传感器与测量标靶相配合构成圆锥体试样的高度变化的微位移测量系统。

6.如权利要求5所述的早龄期混凝土收缩变形特性测量方法，其特征是所述标靶的整体密度小于试样拌合完成时的试样密度。

7.如权利要求6所述的早龄期混凝土收缩变形特性测量方法，其特征是所述标靶与试样表面相贴的一面的几何中心设有一个与标靶刚性连接的短针，放置时向下伸入试样表面，将标靶钉定在试样表面的中轴。

8.如权利要求1或2或3或4所述的早龄期混凝土收缩变形特性测量方法，其特征是应用电涡流非接触式位移传感器，所述标靶具有与试样锥底平面平行的测量面，所述移传感器的探测头位于测量面的上方；所述标靶的测量面是刚性平板的平面。

9.如权利要求5所述的早龄期混凝土收缩变形特性测量方法，其特征是应用电涡流非接触式位移传感器，所述标靶具有与试样锥底平面平行的测量面，所述移传感器的探测头位于测量面的上方；所述标靶的测量面是刚性平板的平面。