CN112816677B - 变约束作用下混凝土老化系数的测试方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测试变约束作用下混凝土老化系数的方法及设备，即在一恒温室内放置一个带有金属模板的模具和一个不带有金属模板的模具；将拌和的混凝土分别浇入到两个模具内；分别在带有金属模板的模具两侧壁顶面中心处粘贴应变片；在不带有金属模板的模具内浇筑的混凝土试件的表面中心处粘贴应变片；通过应变片测量不带金属模板的模具内浇筑的混凝土试件及带有金属模板的模具的变形；根据应变片测量出的不带金属模板的模具内浇筑的混凝土试件及带有金属模板的模具的变形，计算混凝土老化系数及混凝土的约束应力。本发明具有计算混凝土老化系数及约束应力涉及的参数少、参数获得简单、方便，特别适用于施工现场工程技术人员使用的优点。

Description

变约束作用下混凝土老化系数的测试方法和设备

技术领域

本发明涉及一种混凝土老化系数的测试方法及设备，具体地说，涉及一种变约束作用下混凝土老化系数的测试方法和设备。本发明属于大体积混凝土施工控制技术领域。

背景技术

大体积混凝土结构(例如混凝土大坝)在浇筑过程中，由于其截面较厚，其内部水化反应产生的热量无法及时散失，导致混凝土结构内部的温度升高较快。当混凝土结构内部温度与混凝土结构外部温度产生较大温差时，特别是当混凝土结构内部的温升达到峰值后，混凝土结构内部的温度下降过程开始缓慢，此时混凝土的弹性模量较初期更高，且徐变能力更弱，因此，导致混凝土结构在晚龄期阶段因约束产生的约束应力较大，一旦约束应力超过相应龄期的抗拉强度时，混凝土结构便会产生温度裂缝。混凝土结构产生温度裂缝将严重地影响混凝土结构的整体安全性，故，大体积混凝土结构温度抗裂研究一直是工程界和学术界关注的焦点！如何有效并准确的计算混凝土真实工况下的约束应力是持续推进的方向！

当前，数值仿真计算是计算混凝土结构约束应力并评价其开裂风险的标配。分析已有的约束应力计算方法，发现它们均存在以下共性问题：在计算混凝土结构约束应力时，涉及的参数较多，特别是在计算用于计算约束应力的混凝土老化系数时计算公式非常繁琐，不利于现场工程人员快速、确定、具体的计算出混凝土结构的约束应力。

目前较为常用的计算混凝土约束应力的理论和简便计算方法是基于龄期调整有效模量法的弹性徐变理论，该方法不需要进行较为复杂的数学建模，即可计算出混凝土的约束应力，但该方法需要提前确定出混凝土的老化系数χ(t,τ)，该系数反映了混凝土的徐变能力随时间减弱的特性。然而，传统的老化系数χ(t,τ)计算公式(1)为：

式中，E_c(τ)是混凝土加载龄期τ的弹性模量；

是混凝土在龄期τ加载，实际龄期t时刻的徐变系数；σ(t)和σ(t)分别是龄期τ和龄期t时刻的应力。

由公式(1)可以看出，混凝土老化系数χ(t,τ)的确定需提前获取混凝土的应力历程、变形性能等参数，再进行积分计算，十分繁琐、麻烦、不便，特别不利于施工现场工程人员快速、确定、具体的计算出混凝土老化系数，进而计算出混凝土结构的约束应力。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种测试变约束作用下混凝土老化系数的方法，进而能够快速具体的计算出混凝土老化系数，从而快速确定地计算出混凝土结构约束应力。

本发明的另一目的是提供一种测试变约束作用下混凝土老化系数的设备。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种测试变约束作用下混凝土老化系数的方法，其特征在于：它包括如下步骤：

S1、将带有金属模板的第一模具、不带有金属模板的第二模具均放置在恒温室内；

S2、将拌和的混凝土分别浇入到第一模具和第二模具内，形成两个同批次混凝土试件；

S3、待混凝土试件终凝后，在第一模具两侧壁顶面中心处以对称的方式分别粘贴有第一应变片和第二应变片；在第二模具内浇筑的混凝土试件的表面中心处粘贴有第三应变片；

S4、将第一应变片和/或第二应变片的数据输出端通过导线与应变采集仪的信号输入端相连；将第三应变片的数据输出端通过导线与应变采集仪的数据输入端相连；

S5、记录各应变片测量的第二模具内浇筑的混凝土试件及第一模具的变形；

对于浇筑在第二模具内的混凝土试件，第三应变片测量的其自由变形ε⁰为

ε⁰＝ε^混凝土 (2)

式中，ε^混凝土是混凝土试件因水化反应产生的自由变形；

对于内部浇筑有混凝土试件的第一的模具，其表面粘贴的第一应变片或第二应变片测量出的变形ε为：

ε＝ε^弹 (3)

式中，ε^弹是带有金属模板的第一模具受混凝土试件反力产生的弹性变形，即混凝土的实际变形；

S6、根据应变片测量出的第二模具内浇筑的混凝土试件及第一模具的变形，计算混凝土老化系数χ(t,τ)；

S6.1、混凝土的约束系数λ_R可采用混凝土被约束住的变形与其自由状态下的变形的比值来定义，则基于变形比得到的混凝土依时性约束系数λ_R为：

S6.2、基于刚度比得到的混凝土依时性约束系数λ_R为金属模板的刚度与金属模板刚度和混凝土刚度之和的比值，即混凝土依时性约束系数λ_R为：

式中，A_c和A_s分别为混凝土和第一模具的截面面积，E_c和E_s分别为混凝土和金属模板的弹性模量；

是考虑混凝土徐变性能的折减混凝土弹性模量，用于计算混凝土(被约束体)的刚度；

S6.3、基于变形比得到的混凝土依时性约束系数λ_R和基于刚度比得到的混凝土依时性约束系数λ_R是相同的，故，混凝土老化系数χ(t,τ)为：

在本发明较佳实施例中，所述恒温室的室温保持在20℃±2℃。

在本发明较佳实施例中，所述金属模板的厚度3cm或4cm或7cm。

本发明还提供了一种利用计算出的混凝土老化系数计算混凝土约束应力的方法，即：混凝土约束应力σ(t)为：

式中，i表示混凝土第i个时间段，i＝1,2,3……；

表示混凝土第i个时间段内的自由变形增量；E_c(τ_i)表示混凝土第i个时间段内的弹性模量；

表示混凝土从τ_i至t时间段内的徐变系数。

本发明还提供了一种测试变约束作用下混凝土老化系数的设备，它包括一带有金属模板的第一模具、一不带有金属模板的第二模具、若干个应变片和应变采集仪；

所述第一模具和第二模具内均浇筑同批次混凝土试件；内部浇筑有混凝土试件的第一模具和第二模具均放置在恒温室内；

在所述第一模具的顶面中心处粘贴有所述应变片；

在所述第二模具内浇筑的混凝土试件的表面中心处粘贴有所述应变片；

所述应变片的数据输出端通过导线与所述应变采集仪的信号输入端相连，实时获取混凝土试件不同龄期，所述第一模具和浇筑在所述第二模具内的混凝土试件的变形。

在本发明较佳实施例中，在所述第一模具两侧壁顶面中心处以对称的方式分别粘贴有第一应变片和第二应变片；所述第一应变片和/或第二应变片的数据输出端通过导线与所述应变采集仪的信号输入端相连。

在本发明较佳实施例中，所述恒温室的室温保持在20℃±2℃。

在本发明较佳实施例中，所述金属模板的厚度3cm或4cm或7cm。

附图说明

图1为本发明测试变约束作用下混凝土老化系数的设备结构示意图；

图2为粘贴在带有金属模板的第一模具上的应变片位置关系示意图；

图3为粘贴在不带有金属模板的第二模具内的混凝土试件上的应变片位置关系示意图；

图4为粘贴在第一模具上的应变片与应变采集仪连接关系示意图；

图5为粘贴在第二模具内的混凝土试件上的应变片与应变采集仪连接关系示意图；

图6为本发明具体实施例计算的混凝土老化系数历时曲线；

图7为本发明具体实施例计算出的混凝土约束应力历时曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的结构及特征进行详细说明。需要说明的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改，因此，说明书中公开的实施例不应该视为对本发明的限制，而仅是作为实施例的范例，其目的是使本发明的特征显而易见。

如图1-图3所示，本发明测试变约束作用下混凝土老化系数的设备包括一带有金属模板的第一模具1、一不带有金属模板的第二模具2、若干个应变片和应变采集仪；其中，在第一模具1和第二模具2内均浇筑同批次混凝土试件3；内部浇筑有混凝土试件的第一模具1和第二模具2均放置在设有温控设备4的恒温室5内。

将第一模具1和第二模具2放置在恒温室5内的目的是保证试验全过程中混凝土变形不包括温度变形，且保证采集设备不会因温度变化引入测量误差。在本发明较佳实施例中，恒温室5的温度控制在20℃±2℃(该温度数据参考我国国家标准——GB/T 50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准)。

所述金属模板的厚度为3cm或4cm或7cm，在本发明较佳实施例中，所述金属模板的厚度为4cm。

为准确地测量混凝土试件3的变形，进而计算混凝土老化系数，如图2和图3所示，本发明至少在带有金属模板的第一模具1的顶面中心处粘贴一个应变片，至少在不带有金属模板的第二模具2内浇筑的混凝土试件3的表面中心处粘贴一个应变片。在本发明较佳实施例中，为保证准确率，本发明在第一模具1两侧壁顶面中心处以对称的方式分别粘贴有第一应变片6和第二应变片7；在第二模具2内浇筑的混凝土试件3的表面中心处粘贴有第三应变片8。

为准确地测量出在混凝土试件的影响下带有金属模板的模具1的变形，如图4所示，粘贴在第一模具1顶面中心处的第一应变片6和/或第二应变片7的数据输出端通过导线与应变采集仪的信号输入端相连(图中的固定电阻为应变采集仪自带装置)，实时获取混凝土试件不同龄期，带有金属模板的模具在混凝土试件的影响下的变形。同理，如图5所示，粘贴在第二模具2内浇筑的混凝土试件3表面中心处的第三应变片8的数据输出端通过导线与应变采集仪的数据输入端相连(图中的固定电阻为应变采集仪自带装置)，实时获取混凝土试件不同龄期的变形。

上述设备准备完毕，测试变约束作用下混凝土老化系数的方法为：

S1、将带有金属模板的第一模具1、不带有金属模板的第二模具2均放置在恒温室5内；将恒温室5的室温保持在20℃±2℃；

S2、将拌和的混凝土分别浇入到第一模具1和第二模具2内，形成两个同批次混凝土试件3；

S3、待混凝土试件3终凝后，在第一模具1两侧壁顶面中心处以对称的方式分别粘贴有第一应变片6和第二应变片7；在第二模具2内浇筑的混凝土试件3的表面中心处粘贴有第三应变片8；

S4、将第一应变片6和/或第二应变片7的数据输出端通过导线与应变采集仪的信号输入端相连；将第三应变片8的数据输出端通过导线与应变采集仪的数据输入端相连；

S5、记录各应变片测量的第二模具2内浇筑的混凝土试件3及第一模具1的变形；

对于浇筑在第二模具2内的混凝土试件3，第三应变片8测量的其自由变形ε⁰为

ε⁰＝ε^混凝土 (2)

式中，ε^混凝土是混凝土试件因水化反应产生的自由变形；

对于内部浇筑有混凝土试件的第一模具1，其表面粘贴的第一应变片6或第二应变片7测量出的变形ε为：

ε＝ε^弹 (3)

式中，ε^弹是带有金属模板的模具受混凝土试件反力产生的弹性变形，即混凝土的实际变形；

S6、根据应变片测量出的第二模具2内浇筑的混凝土试件3及第一模具1的变形，计算混凝土老化系数χ(t,τ)；

对于本领域技术人员来说可知，混凝土的约束系数λ_R可采用混凝土被约束住的变形与其自由状态下的变形的比值来定义，则基于变形比得到的混凝土依时性约束系数λ_R由下列公式计算：

另一方面，混凝土的约束系数λ_R还可采用刚度比(即弹性模量×截面面积)来定义，即金属模板的刚度(约束体)与金属模板刚度(约束体)和混凝土刚度(被约束体)之和的比值得到混凝土依时性约束系数λ_R，即混凝土依时性约束系数λ_R也可由下列公式(5)计算：

式中，A_c和A_s分别为混凝土和带有金属模板的模具的截面面积，E_c和E_s分别为混凝土和金属模板的弹性模量。

需要说明的是，

是考虑混凝土徐变性能的折减混凝土弹性模量，用于计算混凝土(被约束体)的刚度，具体表达式可参见相关文献(黄国兴、惠荣炎、王秀军编著.混凝土徐变与收缩.北京：中国电力出版社，2011)。

特别的，由于混凝土的弹性模量随龄期逐渐增长，因此混凝土的刚度逐渐增加，与此同时，金属模板的刚度不发生任何变化，因此，根据公式(5)可知，混凝土所受的约束度是逐渐减弱的，这也与实际浇筑混凝土的真实工作性态一致，因此，本发明采用的测试方法和设备可以实现混凝土在变约束条件下老化系数的测试。

基于变形比得到的混凝土依时性约束系数λ_R和基于刚度比得到的混凝土依时性约束系数λ_R是相同的，故，合并公式(4)和(5)，可得混凝土老化系数χ(t,τ)的表达式为：

计算出混凝土老化系数后，可以根据混凝土老化系数直接快速、具体地计算出混凝土约束应力，计算方法为：

式中，i表示混凝土第i个时间段，i＝1,2,3……；

表示混凝土第i个时间段内的自由变形增量；E_c(τ_i)表示混凝土第i个时间段内的弹性模量；

表示混凝土从τ_i至t时间段内的徐变系数。

图6为在本发明具体实施例中，根据公式(6)计算出的混凝土老化系数历时曲线；图7为在本发明具体实施例中，根据公式(7)计算出的混凝土约束应力历时曲线。

在本发明具体实施例中，混凝土试件3长50cm，宽10cm，高30cm；金属模板的壁厚为4cm；第一模具1的长度为混凝土试件长度+2倍金属模板壁厚，宽度为混凝土试件宽度+2倍金属模板壁厚，高30cm；第二模具2的长度为混凝土试件长度，宽度为混凝土试件宽度，高30cm。

本发明的优点：计算混凝土老化系数及约束应力涉及的参数少、参数获得简单、方便，从而可以快速、确定地计算出混凝土约束应力，特别适用于施工现场工程技术人员使用。

从计算混凝土老化系数的公式(6)可知，公式中的混凝土和金属模板的弹模和截面面积是确定的，金属模板和混凝土的变形可直接根据应变片测量，混凝土的徐变系数

根据传统的混凝土徐变试验就可以确定，因此，根据公式(6)可以非常简便的获取在龄期τ加载，实际龄期t时刻混凝土老化系数χ(t,τ)，进而公式(7)计算出混凝土的实际约束应力。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种测试变约束作用下混凝土老化系数的方法，其特征在于：它包括如下步骤：

S1、将带有金属模板的第一模具、不带有金属模板的第二模具均放置在恒温室内；

S2、将拌和的混凝土分别浇入到第一模具和第二模具内，形成两个同批次混凝土试件；

S3、待混凝土试件终凝后，在第一模具两侧壁顶面中心处以对称的方式分别粘贴有第一应变片和第二应变片；在第二模具内浇筑的混凝土试件的表面中心处粘贴有第三应变片；

S4、将第一应变片和/或第二应变片的数据输出端通过导线与应变采集仪的信号输入端相连；将第三应变片的数据输出端通过导线与应变采集仪的数据输入端相连；

S5、记录各应变片测量的第二模具内浇筑的混凝土试件及第一模具的变形；

对于浇筑在第二模具内的混凝土试件，第三应变片测量的其自由变形ε⁰为

ε⁰＝ε^混凝土

式中，ε^混凝土是混凝土试件因水化反应产生的自由变形；

对于内部浇筑有混凝土试件的第一模具，其表面粘贴的第一应变片或第二应变片测量出的变形ε为：

ε＝ε^弹

式中，ε^弹是带有金属模板的第一模具受混凝土试件反力产生的弹性变形，即混凝土的实际变形；

S6、根据应变片测量出的第二模具内浇筑的混凝土试件及第一模具的变形，计算混凝土老化系数χ(t,τ)；

S6.1、混凝土的约束系数λ_R可采用混凝土被约束住的变形与其自由状态下的变形的比值来定义，则基于变形比得到的混凝土依时性约束系数λ_R为：

S6.2、基于刚度比得到的混凝土依时性约束系数λ_R为金属模板的刚度与金属模板刚度和混凝土刚度之和的比值，即混凝土依时性约束系数λ_R为：

式中，A_c和A_s分别为混凝土和第一模具的截面面积，E_c和E_s分别为混凝土和金属模板的弹性模量；

是考虑混凝土徐变性能的折减混凝土弹性模量，用于计算混凝土的刚度；

表示混凝土从龄期τ至龄期t时间段内的徐变系数，χ(t,τ)表示混凝土从龄期τ至龄期t时刻的老化系数，其中，τ和t均表示混凝土的龄期；

S6.3、基于变形比得到的混凝土依时性约束系数λ_R和基于刚度比得到的混凝土依时性约束系数λ_R是相同的，故，混凝土老化系数χ(t,τ)为：

2.根据权利要求1所述的测试变约束作用下混凝土老化系数的方法，其特征在于：所述恒温室的室温保持在20℃±2℃。

3.根据权利要求2所述的测试变约束作用下混凝土老化系数的方法，其特征在于：所述金属模板的厚度3cm或4cm或7cm。

4.利用权利要求1所述的方法计算出的混凝土老化系数计算混凝土约束应力的方法，其特征在于：混凝土约束应力σ(t)为：

式中，i表示混凝土第i个时间段，i＝1,2,3……；

表示混凝土第i个时间段内的自由变形增量；E_c(τ_i)表示混凝土第i个时间段内的弹性模量；

表示混凝土从τ_i至t时间段内的徐变系数。

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