CN110907632A - 一种大体积混凝土开裂预警系统及方法 - Google Patents

一种大体积混凝土开裂预警系统及方法 Download PDF

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史晓婉
占羿箭
徐俊
王圣怡
朱然
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    • G01N33/38—Concrete; ceramics; glass; bricks
    • G01N33/383—Concrete, cement

Abstract

本发明属于混凝土技术领域，特别涉及一种大体积混凝土开裂预警系统及方法，目的在于提供一种可以直接测量混凝土温度应力的方法。具体包括制作与实际工程配合比相同的大体积混凝土大构件，在大体积混凝土表面以下的1/3处布置测温单元和温度应变组合模块，并通过绝热养护，测试该范围内的温度历程与各个龄期的弹性模量值；根据拟合的弹性模量与龄期的关系式，将计算出的等效龄期代入关系式中，计算出相应的弹性模量；得到实测与计算的弹性模量最小误差活化能EA值，并利用测温数据以及EA值，计算相应等效龄期下的弹性模量值，根据计算出的弹性模量与测得的应变值，计算出该位置的温度应力。

Description

一种大体积混凝土开裂预警系统及方法
技术领域
本发明属于混凝土技术领域，特别涉及一种大体积混凝土开裂预警系统及方法。
背景技术
随着经济的发展、城市的扩张，超高层、超大型结构越来越多，基础底板大体积混凝土呈现高强、超厚、超大体量的发展趋势，而目前，超大体积混凝土的浇筑，很多都采用一次浇筑的工艺，水化散热慢，导致混凝土水化温升过大，裂缝开展难以控制，轻者降低混凝土结构的耐久性，重者会严重影响混凝土结构的力学性能，甚至裂缝开展过大直接导致返工，造成巨大的经济损失。
目前常规的裂缝控制方法是基于有限元分析和传统测温，而混凝土开裂的直接原因是温度应力，而非温度，单一的温度数据虽然一定程度上能够反映出裂缝发展的一些规律，但无法实现实时诊断应力的发展。大体积混凝土中，由于温度场的存在，不同部位的混凝土的力学性能发展并不一致，尤其对于尺寸较大的混凝土，混凝土实体强度发展与标准养护条件下的强度发展存在显著的差异。混凝土抗拉强度是评判超大体积混凝土是否开裂的重要依据，而混凝土的力学性能存在时变效应，其时变性受到混凝土温度场的影响，即随着温度的升高或降低其力学性能参数也发生变化，其弹性模量也存在相同的规律，因此其应力的监测不能单纯的靠应变的数据而得；而大型有限元等软件分析对于现场的施工技术人员来讲，因为学历或者层次的高低，使用和计算起来有些困难。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当视为承认或以任何形式暗示该信息为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明提供了一种大体积混凝土开裂预警系统及方法，可以直接测得混凝土温度应力，通过建立大体积混凝土开裂预警系统，不仅可以实时监测应力的开展，且具有推广性，方法简单易操作。
为解决以上技术问题，本发明包括如下技术方案：
一种大体积混凝土开裂预警方法，包括：
步骤一、在标养条件下，测试混凝土试块在各个龄期的弹性模量，拟合出弹性模量龄期关系式；
步骤二、根据实际工程混凝土浇筑体的尺寸大小和热交换状态，选择绝热养护条件对混凝土试块进行养护，并测试养护试块的温度历程和各个龄期的实测弹性模量值；
步骤三、通过等效龄期关系式
Figure BDA0002339932820000021
代入步骤一的弹性模量龄期关系式，计算出相应龄期的弹性模量值，利用最小二乘法计算实测的弹性模量与计算值误差，回归分析得到实测弹性模量与计算弹性模量值误差最小时的活化能参数值EA；
步骤四、根据等效龄期的概念，CEB-FIP早期弹性模量的计算公式为：
Figure BDA0002339932820000022
其中，E28为混凝土28天弹性模量，s、n是跟材料相关的系数，te为等效龄期，t0为开始时间，672为28天的小时数总和；
步骤五、根据步骤三中确定的活化能参数值EA，在施工现场的大体积混凝土中埋设温度应变组合模块，通过无线传输系统采集温度数据和应变数据，并根据温度数据与步骤三中的活化能参数值EA，计算相应的等效龄期te；
步骤六、将步骤五得到的等效龄期值te代入步骤四计算出弹性模量E(te)，并根据步骤五测得的应变数据，代入公式σ＝Eε，得出的该点的温度应力σ；
步骤七、温度应力σ值超过预设值，预警系统发出开裂预警信号，通知技术人员采取防开裂措施。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明提供了一种大体积混凝土开裂预警系统及方法，通过建立开裂预警系统，降低大体积混凝土的开裂风险。具体包括制作与实际工程配合比相同的大体积混凝土大构件，大体积混凝土温度裂缝主要集中在表面以下的1/3处，在该范围内布置测温单元，并通过绝热养护，测试该范围内的温度历程与各个龄期的弹性模量值。根据拟合的弹性模量与龄期的关系式，将计算出的等效龄期代入关系式中，计算出相应的弹性模量。利用最小二乘法分别计算出混凝土弹性模量实测值与计算值，回归分析计算误差最小时的活化能EA值。最后，施工现场在大体积混凝土表面以下1/3处布置温度应变组合模块，根据测温数据以及计算的EA值，计算相应等效龄期下的弹性模量值，根据计算出的弹性模量与测得的应变值，可以计算出该位置的温度应力。温度应力超过预警值，系统发出报警，通知技术人员采取相应的降温或者养护措施，防止大体积混凝土裂缝的产生。混凝土开裂的直接原因并不是温度，而是温度产生的应力导致，该系统可以直接得出测试点的温度应力，可直接判断是否开裂，比一般的温度预警更加准确。本方法计算实时弹性模量，同时考虑了温度和龄期两个变量的影响，计算更加接近工程实际情况，精度相对较高。而且，最主要的是，不需要现场工作人员进行庞大的有限元软件计算，降低了实验室和现场技术人员的操作难度，实用且有效。
进一步地，为了使得测量结果尽可能接近实际工程情况，在标养条件下，测试混凝土试块在各个龄期的弹性模量中，所述混凝土试块的配合比与实际工程将要采用的混凝土配合比相同。
进一步地，所述步骤二中，为了方便操作，高效快捷地获得检测试块，通过钻芯取样的方法测试养护试块在各个龄期的实测弹性模量值。
进一步地，考虑到大体积混凝土温度裂缝主要集中在表面以下的1/3处，因此，所述步骤五包括在大体积混凝土表面往下1/3厚度范围内埋设温度应变组合模块作为测温单元。
进一步地，当大体积混凝土开裂预警系统检测到温度应力超过预警值，并发出警报时，技术人员将采用所述步骤七中防开裂措施包括降温或者养护方法，以防止大体积混凝土裂缝的产生。
本发明还提供了一种大体积混凝土开裂预警系统，包括：
第一装置，用于在标养条件下，测试混凝土试块在各个龄期的弹性模量，拟合出弹性模量龄期关系式；
第二装置，用于根据实际工程混凝土浇筑体的尺寸大小和热交换状态，选择绝热养护条件对混凝土试块进行养护，并测试养护试块的温度历程和各个龄期的实测弹性模量值；
第三装置，用于通过等效龄期关系式，代入所述第一装置的弹性模量龄期关系式，计算出相应龄期的弹性模量值，利用最小二乘法计算实测的弹性模量与计算值误差，回归分析得到实测弹性模量与计算弹性模量值误差最小时的活化能参数值EA；
第四装置，用于根据等效龄期的概念，得到CEB-FIP早期弹性模量的计算公式；
第五装置，根据所述第三装置确定的活化能参数值EA，在施工现场的大体积混凝土中埋设温度应变组合模块，通过无线传输系统采集温度数据和应变数据，并根据温度数据与所述第三装置得到的活化能参数值EA，计算相应的等效龄期te；
第六装置、用于将所述第五装置得到的等效龄期值te代入所述第四装置计算出的弹性模量，并根据所述第五装置测得的应变数据，代入公式σ＝Eε，得出的该点的温度应力σ；
第七装置，用于判定温度应力σ值是否超过预设值，并发出开裂预警信号，通知技术人员采取防开裂措施。
进一步地，在标养条件下，测试混凝土试块在各个龄期的弹性模量中，所述混凝土试块的配合比与实际工程将要采用的混凝土配合比相同。
进一步地，所述第二装置中，通过钻芯取样的方法测试养护试块在各个龄期的实测弹性模量值。
进一步地，所述第五装置中包括在大体积混凝土表面往下1/3厚度范围内埋设温度应变组合模块。
附图说明
图1为本发明一实施例中大体积混凝土开裂预警方法的流程图；
图2为本发明一实施例中大体积混凝土开裂预警系统中温度应变组合模块的埋设部位示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的大体积混凝土开裂预警系统及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。为叙述方便，下文中所述的“上”、“下”与附图的上、下的方向一致，但这不能成为本发明技术方案的限制。
实施例一
下面结合图1和图2，详细说明本发明的大体积混凝土开裂预警系统及方法。请参考图1和图2，一种大体积混凝土开裂预警方法，包括：
步骤一、在标养条件下，测试混凝土试块在各个龄期的弹性模量，拟合出弹性模量龄期关系式；
步骤二、根据实际工程混凝土浇筑体的尺寸大小和热交换状态，选择绝热养护条件对混凝土试块进行养护，并测试养护试块的温度历程和各个龄期的实测弹性模量值；
步骤三、通过等效龄期关系式
Figure BDA0002339932820000061
代入步骤一的弹性模量龄期关系式，计算出相应龄期的弹性模量值，利用最小二乘法计算实测的弹性模量与计算值误差，回归分析得到实测弹性模量与计算弹性模量值误差最小时的活化能参数值EA；
步骤四、根据等效龄期的概念，CEB-FIP早期弹性模量的计算公式为：
Figure BDA0002339932820000062
其中，E28为混凝土28天弹性模量，s、n是跟材料相关的系数，te为等效龄期，t0为开始时间，672＝28×24(28天的小时数)，即28天的小时数总和；
步骤五、根据步骤三中确定的活化能参数值EA，在施工现场的大体积混凝土中埋设温度应变组合模块，通过无线传输系统采集温度数据和应变数据，并根据温度数据与步骤三中的活化能参数值EA，计算相应的等效龄期te；
步骤六、将步骤五得到的等效龄期值te代入步骤四计算出弹性模量E(te)，并根据步骤五测得的应变数据，代入公式σ＝Eε，得出的该点的温度应力σ；
步骤七、温度应力σ值超过预设值，预警系统发出开裂预警信号，通知技术人员采取防开裂措施。
具体来说，本发明的大体积混凝土开裂预警系统及方法，具体包括：首先，制作与实际工程配合比相同的大体积混凝土大构件，在大体积混凝土表面以下的1/3处布置测温单元，并通过绝热养护，测试该范围内的温度历程与各个龄期的弹性模量值。其次，根据拟合的弹性模量与龄期的关系式，将计算出的等效龄期代入关系式中，计算出相应的弹性模量。然后，利用最小二乘法分别计算出混凝土弹性模量实测值与计算值，回归分析计算误差最小时的活化能EA值。最后，施工现场在大体积混凝土表面以下1/3处布置温度应变组合模块，根据测温数据以及计算的EA值，计算相应等效龄期下的弹性模量值，根据计算出的弹性模量与测得的应变值，可以计算出该位置的温度应力。温度应力超过预警值，系统发出报警，通知技术人员采取相应的降温或者养护措施，防止大体积混凝土裂缝的产生。该方法通过计算实时弹性模量，同时考虑了温度和龄期两个变量的影响，计算更加接近工程实际情况，精度相对较高，而且省略了传统监测方法中所需要的庞大的有限元软件计算，降低了实验室和现场技术人员的操作难度，提高了监测效率。
在本实施例中，更优选地，为了使得测量结果尽可能接近实际工程情况，在标养条件下，测试混凝土试块在各个龄期的弹性模量中，混凝土试块的配合比与实际工程将要采用的混凝土配合比相同。
在本实施例中，更优选地，所述步骤二中，为了方便操作，高效快捷地获得检测试块，通过钻芯取样的方法测试养护试块在各个龄期的实测弹性模量值。
在本实施例中，更优选地，考虑到大体积混凝土温度裂缝主要集中在表面以下的1/3处，因此，所述步骤五包括在大体积混凝土表面往下1/3厚度范围内埋设温度应变组合模块作为测温单元。
在本实施例中，更优选地，当大体积混凝土开裂预警系统检测到温度应力超过预警值，并发出警报时，技术人员将采用所述步骤七中防开裂措施包括降温或者养护方法，以防止大体积混凝土裂缝的产生。
请继续参考图1和图2，本发明还提供了一种大体积混凝土开裂预警系统，包括：
第一装置，用于在标养条件下，测试混凝土试块在各个龄期的弹性模量，拟合出弹性模量龄期关系式；
第二装置，用于根据实际工程混凝土浇筑体的尺寸大小和热交换状态，选择绝热养护条件对混凝土试块进行养护，并测试养护试块的温度历程和各个龄期的实测弹性模量值；
第三装置，用于通过等效龄期关系式，代入所述第一装置的弹性模量龄期关系式，计算出相应龄期的弹性模量值，利用最小二乘法计算实测的弹性模量与计算值误差，回归分析得到实测弹性模量与计算弹性模量值误差最小时的活化能参数值EA；
第四装置，用于根据等效龄期的概念，得到CEB-FIP早期弹性模量的计算公式；
第五装置，根据所述第三装置确定的活化能参数值EA，在施工现场的大体积混凝土中埋设温度应变组合模块，通过无线传输系统采集温度数据和应变数据，并根据温度数据与所述第三装置得到的活化能参数值EA，计算相应的等效龄期te；
第六装置、用于将所述第五装置得到的等效龄期值te代入所述第四装置计算出的弹性模量，并根据所述第五装置测得的应变数据，代入公式σ＝Eε，得出的该点的温度应力σ；
第七装置，用于判定温度应力σ值是否超过预设值，并发出开裂预警信号，通知技术人员采取防开裂措施。
上述实例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受以上实例的限制。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种大体积混凝土开裂预警方法，其特征在于，包括：
步骤一、在标养条件下，测试混凝土试块在各个龄期的弹性模量，拟合出弹性模量龄期关系式；
步骤二、根据实际工程混凝土浇筑体的尺寸大小和热交换状态，选择绝热养护条件对混凝土试块进行养护，并测试养护试块的温度历程和各个龄期的实测弹性模量值；
步骤三、通过等效龄期关系式
Figure FDA0002339932810000011
代入步骤一的弹性模量龄期关系式，计算出相应龄期的弹性模量值，利用最小二乘法计算实测的弹性模量与计算值误差，回归分析得到实测弹性模量与计算弹性模量值误差最小时的活化能参数值EA；
步骤四、根据等效龄期的概念，CEB-FIP早期弹性模量的计算公式为：
Figure FDA0002339932810000012
其中，E28为混凝土28天弹性模量，s、n是跟材料相关的系数，te为等效龄期，t0为开始时间，672为28天的小时数总和；
步骤五、根据步骤三中确定的活化能参数值EA，在施工现场的大体积混凝土中埋设温度应变组合模块，通过无线传输系统采集温度数据和应变数据，并根据温度数据与步骤三中的活化能参数值EA，计算相应的等效龄期te；
步骤六、将步骤五得到的等效龄期值te代入步骤四计算出弹性模量E(te)，并根据步骤五测得的应变数据，代入公式σ＝Eε，得出的该点的温度应力σ；
步骤七、温度应力σ值超过预设值，预警系统发出开裂预警信号，通知技术人员采取防开裂措施。
2.如权利要求1所述的大体积混凝土开裂预警方法，其特征在于，在标养条件下，测试混凝土试块在各个龄期的弹性模量中，所述混凝土试块的配合比与实际工程将要采用的混凝土配合比相同。
3.如权利要求1所述的大体积混凝土开裂预警方法，其特征在于，所述步骤二中，通过钻芯取样的方法测试养护试块在各个龄期的实测弹性模量值。
4.如权利要求1所述的大体积混凝土开裂预警方法，其特征在于，所述步骤五包括在大体积混凝土表面往下1/3厚度范围内埋设温度应变组合模块。
5.如权利要求1所述的大体积混凝土开裂预警方法，其特征在于，所述步骤七中防开裂措施包括降温或者养护方法。
6.一种大体积混凝土开裂预警系统，其特征在于，包括：
第一装置，用于在标养条件下，测试混凝土试块在各个龄期的弹性模量，拟合出弹性模量龄期关系式；
第二装置，用于根据实际工程混凝土浇筑体的尺寸大小和热交换状态，选择绝热养护条件对混凝土试块进行养护，并测试养护试块的温度历程和各个龄期的实测弹性模量值；
第三装置，用于通过等效龄期关系式，代入所述第一装置的弹性模量龄期关系式，计算出相应龄期的弹性模量值，利用最小二乘法计算实测的弹性模量与计算值误差，回归分析得到实测弹性模量与计算弹性模量值误差最小时的活化能参数值EA；
第四装置，用于根据等效龄期的概念，得到CEB-FIP早期弹性模量的计算公式；
第五装置，根据所述第三装置确定的活化能参数值EA，在施工现场的大体积混凝土中埋设温度应变组合模块，通过无线传输系统采集温度数据和应变数据，并根据温度数据与所述第三装置得到的活化能参数值EA，计算相应的等效龄期te；
第六装置、用于将所述第五装置得到的等效龄期值te代入所述第四装置计算出的弹性模量，并根据所述第五装置测得的应变数据，代入公式σ＝Eε，得出的该点的温度应力σ；
第七装置，用于判定温度应力σ值是否超过预设值，并发出开裂预警信号，通知技术人员采取防开裂措施。
7.如权利要求6所述的大体积混凝土开裂预警系统，其特征在于，在标养条件下，测试混凝土试块在各个龄期的弹性模量中，所述混凝土试块的配合比与实际工程将要采用的混凝土配合比相同。
8.如权利要求6所述的大体积混凝土开裂预警系统，其特征在于，所述第二装置中，通过钻芯取样的方法测试养护试块在各个龄期的实测弹性模量值。
9.如权利要求6所述的大体积混凝土开裂预警系统，其特征在于，所述第五装置中包括在大体积混凝土表面往下1/3厚度范围内埋设温度应变组合模块。
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