CN117892658A - 基于气泡吸纳冻胀的早期受冻混凝土最短预养时间确定法 - Google Patents
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Abstract
基于气泡吸纳冻胀的早期受冻混凝土最短预养时间确定法。现有混凝土受冻临界强度的确定依赖经验定值,未有确定冬季施工混凝土的最短预养护时间的量化方法。本发明对于受冻温度和配比明确的混凝土,预设多个预养时间,通过测试分别获取待测浆体体积变形Vc和早期受冻混凝土含气量VA;通过分离总变形计算出混凝土温度变形VT、孔溶液冻结引起的相变膨胀变形VE、水泥水化自干燥导致的毛细气孔体积ΔV和气泡吸纳冻胀效率系数γ;根据VE-(VA+ΔV)γ=0这一冻胀作为被气泡吸纳临界条件,计算满足VE-(VA+ΔV)γ等于0条件下的γmax与预养时间的曲线;试验获得的γ曲线与γmax曲线的交点对应的横坐标即为最短预养护时间。
Description
技术领域:
本发明具体涉及一种基于气泡吸纳冻胀的早期受冻混凝土最短预养时间确定法。
背景技术:
保护混凝土免受冻害是寒冷天气混凝土施工中最重要的任务。由于水泥的水化程度低以及存在大量未水化的水,负温度会对混凝土造成冻害。当混凝土中的剩余水结冰时,会产生高达9%的体积膨胀,并伴随着巨大的膨胀应力。一旦这种应力超过孔隙壁的抗拉强度,就会出现裂缝,内部结构也会恶化。早期受冻的混凝土在后期通常会在机械强度以及混凝土与钢筋之间的粘结性能方面出现明显的退化。
大量研究表明,引气剂对混凝土抗冻性的改善效果明显。这归因于引气剂能引入大量均匀稳定的细小气泡,降低混凝土的饱和度,改善孔隙结构分布。在一定的受冻温度和引气剂用量条件下,通过调整预养时间可以防止混凝土受到冻害。预养时间越长,可冻结水量越少,混凝土抗冻害能力越强。但是,正温预养时间越长,意味着施工成本的增加。现行规范中对于混凝土受冻临界强度的规定依赖经验数据,为固定值,不能适应现有工程中复杂的混凝土配比和多变的环境条件,所以根据固定值推算的混凝土预养时间也是不准确且缺乏科学合理性的。因此,如何科学且可靠地确定混凝土的最短预养护时间成为冬季施工混凝土亟待解决的问题。
发明内容:
为解决上述背景技术中提及的问题,本发明的目的在于提供一种基于气泡吸纳冻胀的早期受冻混凝土最短预养时间确定法。
基于气泡吸纳冻胀的早期受冻混凝土最短预养时间确定法,所述早期受冻混凝土最短预养时间确定法为对于受冻温度和配比明确的混凝土,预设多个预养时间,通过测试获取待测浆体的体积变形Vc和早期受冻混凝土的含气量VA;通过分离总变形的方式计算出混凝土的温度变形VT、孔溶液冻结引起的相变膨胀变形VE、水泥水化自干燥导致的毛细气孔体积ΔV和气泡吸纳冻胀效率系数γ;在受冻温度和配合比确定的条件下,不同预养护时间时的VE和ΔV能够通过理论计算得到,只需测得含气量VA,就能通过混凝土中气孔结构吸收的冻胀等于可冻结水相变引起的体积变形这一临界条件,计算满足VE-(VA+ΔV)γ等于0条件下的γmax值,即获得不同预养时间下满足冻胀完全被气孔吸纳的γmax曲线;试验获得的γ曲线与γmax曲线的交点对应的横坐标即为最短预养护时间。
作为优选方案:所述早期受冻混凝土最短预养时间确定法通过温度—变形联合测试装置实现,所述温度—变形联合测试装置包括底座、立柱、底箱体、上盖和测试系统,所述底座水平设置,立柱竖直设置在底座上,底箱体设置在底座上,底箱体的顶端为敞口端,底箱体的敞口端内设置有倒置的锥形壳体,锥形壳体内填充有待测浆体,底箱体的敞口端处配合设置有上盖,上盖设置在立柱上,上盖沿立柱的长度方向往复滑动,测试系统包括位移传感器和变形传输器,变形传输器包括上接触片、直杆体、下盘体、多个定位爪头和一个温度感应爪,所述位移传感器与立柱相连接,位移传感器的探头设置在上接触片的上端面上,上接触片的下端面设置在直杆体的上端,直杆体的下端穿过上盖与下盘体相连接,下盘体的下端面布置有与待测浆体相配合的多个定位爪头和一个温度感应爪;
所述底箱体的内壁与锥形壳体外壁之间形成有第一环形内腔,底箱体的外壁上分别设置有第一注入管和第一排出管,底箱体的底部连通有第一注入管,底箱体的顶部连通有第一排出管;所述上盖为圆盘体,上盖内加工有第二环形内腔,上盖的外壁上分别设置有第二注入管和第二排出管,第二注入管和第二排出管分别与第二环形内腔相连通;
上盖沿其厚度方向加工有与直杆体相配合的中心孔;
上盖的下端面设置有空心圆台,空心圆台的内部与第二环形内腔相连通,空心圆台的外径与锥形壳体大口端口径相配合设置;
上盖通过支撑杆与立柱相连接,支撑杆的一端与上盖的上端面相连接,支撑杆的另一端加工有与立柱相配合的通孔,立柱穿过通孔,通孔内设置有与立柱相配合的阻尼套;
温度感应爪为无线测温传感器或有线测温传感器,温度感应爪的形状为柱体;
上接触片为圆片体,直杆体为圆柱形杆体,上接触片、直杆体和下盘体之间同轴设置,记录上接触片上表面到下盘体下表面的距离为H1。
作为优选方案:所述基于气泡吸纳冻胀的早期受冻混凝土最短预养时间确定法为:
根据早期受冻水泥基材料的体积变形理论计算模型计算得出不同预养时间下的气泡吸纳冻胀效率系数γ,计算过程为:
早期受冻水泥基材料的体积变形理论计算模型为:
VC=VT+VE-(VA++ΔV)γ
上式中VC为待测浆体的体积总变形,VC通过温度—变形联合测试装置测得;
VT为不考虑水的相变的温度变形,VT根据温度—变形联合测试装置测得数据计算;
VE为孔溶液冻结引起的相变膨胀变形,VE通过水泥水化动力学模型和热力学模拟软件计算;
VA为新拌砂浆的含气量,由搅拌裹入的气泡和引气剂引入的气泡组成,VA通过对新拌水泥基材料进行标准实验测得;
ΔV为水泥水化自干燥导致的毛细气孔体积;ΔV通过水泥水化动力学模型和热力学模拟软件计算;
γ为气泡吸纳冻胀效率系数,γ用于定量描述气孔吸纳冻胀变形的作用效果;
根据VE-(VA+ΔV)γ=0这一冻胀作为被气泡吸纳的临界条件,计算满足VE-(VA+ΔV)γ等于0条件下的γmax曲线;
试验获得的γ曲线与γmax曲线的交点对应的预养时间即为最短预养护时间。
作为优选方案:不考虑水的相变的温度变形VT的获取过程为:
根据温度数据的变化规律,利用温度—变形联合测试装置测试水泥基材料受冻过程,分为三个阶段:
阶段一:冷却收缩阶段,时间为0-t1,随着水泥基材料内部温度的降低,变形表现为收缩,在此阶段,由于温度尚未达到孔隙溶液的凝固点,因此属于温度变形阶段;
阶段二:受冻膨胀阶段,时间为t1-t2,由于开始发生相变,水泥基材料边缘的温度出现了一个明显的转折点,然后以较慢的速度继续下降,中心的温度以原来的速度下降,并在相变温度点稳定后,显示出明显的相变行为,然后继续下降,水泥基材料的变形表现为膨胀,这是由于水凝固后体积膨胀约9%造成的,这部分变形是水泥基材料内水相变膨胀和水泥基材料冷却收缩的综合结果;
阶段三:稳定阶段,时间为t2之后,水泥基材料的内部温度和体积趋于稳定,不再发生变化;
由此得到混凝土受冻过程中的两个变形特征值:t1时的体积变形Vt1以及体积总变形VC,根据温度—变形联合测试装置测得数据计算得出与水的相变无关的温度变形VT,计算公式为:
上式中,Vt1为t1时的体积变形;ΔT和ΔT1分别为整个冷冻过程和0-t1阶段混凝土内部平均温度的变化。
作为优选方案:孔溶液冻结引起的相变膨胀变形VE通过水泥水化动力学模型和热力学模拟软件计算,计算过程为:
上式中,MW是指非引气混凝土中孔隙溶液的体积分数,PW是指非引气净浆中孔隙溶液的体积分数,VWater、VCement和VAggregate分别是指搅拌时水、水泥和骨料的体积;
M′W=MW×(1-VA)
上式中,M′W是引气混凝土中孔溶液的体积分数
E=M′W×0.09
通过上面三个公式计算得出孔溶液冻结引起的相变膨胀变形VE。
作为优选方案:水泥自干燥引起的毛细空气体积ΔV通过水泥水化动力学模型和热力学模拟软件计算得出,计算公式为:
上式中,PC为非引气混凝土中化学收缩的体积分数;VWater、VCement和VAggregate分别是指搅拌时水、水泥和骨料的体积。
作为优选方案:待测浆体的体积总变形VC是通过温度—变形联合测试装置测得,待测浆体的体积总变形VC测试获取过程为:首先将底箱体放置在底座上,将位移传感器固定安装在立柱上后,记录位移传感器到锥形壳体底部顶点的距离为初始高度H0;然后将新拌待测浆体倒入锥形壳体,在待测浆体中心布置柔性测温传感器后振捣抹平,再将变形传输器中带有多个定位爪头和一个温度感应爪的下盘体放置在待测浆体的上表面,确保多个定位爪头和一个温度感应爪全部浸入待测浆体中,同时将直杆体的上端穿过上盖后,将上接触片与位移传感器的探头相连接;然后将底箱体与锥形壳体之间形成的第一环形内腔、上盖的第二环形内腔通入20℃的冷媒,使底箱体和锥形壳体之间、上盖处于内循环保温状态,通入冷媒的流量为10-13L/min;
然后在对应的预养时间下将第一环形内腔通入对应受冻温度的冷媒,使底箱体和锥形壳体之间处于内循环降温状态,通入冷媒的流量为10-13L/min,再将第二环形内腔中通入对应受冻温度的冷媒,使上盖处于内循环降温状态,通入冷媒的流量为10-13L/min;当位移传感器的探头所在位置与下盘体处于同一中心轴线上时,位移传感器开始记录,初始读数D0;随着待测浆体的降温,定时记录位移传感器的读数Di,温度感应爪采集的边缘温度值Ti以及柔性温度传感器采集的中心温度值Ti’,记录间隔为30~60秒;
根据位移传感器初始读数D0、位移传感器到锥形壳体底部顶点的距离H0、初始测试温度下上接触片上表面到下盘体下表面的距离H1、任意时刻位移传感器的读数Di,计算获得待测浆体的体积总变形Vc,计算过程为:
待测浆体原体积V0为:
任意时刻浆体体积Vi为:
其中H1’为任意温度下上接触片上表面到下盘体下表面的距离,它可由初始测试温度下上接触片上表面到下盘体下表面的距离H1与直杆体使用材料的热膨胀系数计算;
待测浆体的体积变形Vc为:
再根据待测浆体的温度数据,在温度—时间曲线下降段的平台温度即为浆体的受冻相变温度点;
观察位移传感器采集的变形数据,当位移传感器在30分钟内变化幅度小于5微米时,说明待测浆体体积停止变化,此时的体积变形值即为待测浆体的体积变形Vc。
作为优选方案:在固定受冻温度和引气剂用量的条件下,当混凝土中气孔结构吸收的冻胀等于可冻结水相变引起的体积变形时,计算满足VE-(VA+ΔV)γ等于0条件下的γmax曲线即为不同预养时间下满足冻胀完全被气孔吸纳的γmax值,计算公式为:
作为优选方案:根据γmax曲线与试验获得的γ曲线确定最短预养护时间的过程为:γmax曲线与试验获得的γ曲线的交点对应的横坐标即为最短预养护时间。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
一、本发明考虑气泡对冻胀的吸纳作用建立了早龄期受冻水泥基材料体积变形理论计算模型,引入气泡吸纳冻胀效率系数γ定量描述气孔对于材料内部可冻水相变膨胀的吸纳作用。根据理论计算模型,基于冻胀变形全部被气孔吸纳这一临界条件实现各预养时间下气泡吸纳冻胀效率系数临界值γmax的计算。
二、本发明通过测试获取待测浆体的体积变形Vc和早期受冻混凝土的含气量VA,根据早期受冻水泥基材料的体积变形理论计算模型获取不同预养时间下的气泡吸纳冻胀效率系数γ,通过γ与γmax曲线的交点的横坐标确定去准确获取最短预养护时间的过程。是一种快捷且准确确定预养护时间,以早期受冻水泥基材料的体积变形理论计算模型为原理,并基于体积变形的最短预养护时间确定方法,确定结果准确且对后续实际研究具有准确的指导作用。有利于对混凝土早期受冻程度做出准确且全面的评价,利于为冬季施工方案提供指导数据。
附图说明:
为了易于说明,本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为本发明测试过程中使用的温度—变形联合测试装置的主视结构示意图;
图2为底箱体和锥形壳体之间连接关系的立体结构示意图;
图3为变形传输器的第一立体结构示意图;
图4为下盘体和多个温度感应爪之间连接关系的立体结构示意图;
图5为上盖的立体结构示意图;
图6为上盖的俯视结构示意图;
图7为测试距离Di、位移传感器到锥形壳体底部顶点的距离H0、上接触片上表面到下盘体下表面的距离H1的之间的位置关系示意图;
图8为不同类型的受冻砂浆的VE的走向对比图;
图9为净浆中中各组分含量随时间变化关系图;
图10为非引气砂浆的体积总变形和内部温度的三个阶段的关系示意图;
图11为本发明的工作原理的流程示意图;
图12为变形传输器的第二立体结构示意图。
图中,1-底座;2-立柱;3-底箱体;4-上盖;5-锥形壳体;6-1-位移传感器;6-2-上接触片;6-3-直杆体;6-4-下盘体;6-5-温度感应爪;7-第二环形内腔;8-第二注入管;9-第二排出管;10-中心孔;11-第一环形内腔;12-空心圆台;13-支撑杆;14-第一注入管;15-第一排出管;16-水平仪表;17-柔性温度传感器;18-待测浆体。
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根据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:如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11和图12所示,本具体实施方式采用以下技术方案:所述早期受冻混凝土最短预养时间确定法为对于受冻温度和配比明确的混凝土,预设一个预养时间,通过测试获取待测浆体18的体积变形Vc和早期受冻混凝土的含气量VA;通过分离总变形的方式计算出混凝土的温度变形VT、孔溶液冻结引起的相变膨胀变形VE、水泥水化自干燥导致的毛细气孔体积ΔV和气泡吸纳冻胀效率系数γ;在受冻温度和配合比确定的条件下,不同预养护时间时的VE和ΔV能够通过理论计算得到,只需测得含气量VA,就能通过混凝土中气孔结构吸收的冻胀等于可冻结水相变引起的体积变形这一临界条件,计算满足VE-(VA+ΔV)γ等于0条件下的γmax值,即获得不同预养时间下满足冻胀完全被气孔吸纳的γmax曲线;试验获得的γ曲线与γmax曲线的交点对应的横坐标即为最短预养护时间。
在最短预养时间确定方法进行过程中,涉及到温度—变形联合测试装置进行相关数据的测试获取,温度—变形联合测试装置包括底座1、立柱2、底箱体3、上盖4和测试系统,所述底座1水平设置,立柱2竖直设置在底座1上,底箱体3设置在底座1上,底箱体3的顶端为敞口端,底箱体3的敞口端内设置有倒置的锥形壳体5,锥形壳体5内填充有待测浆体18,底箱体3的敞口端处配合设置有上盖4,上盖4设置在立柱2上,上盖4沿立柱2的长度方向往复滑动,测试系统包括位移传感器6-1和变形传输器,变形传输器包括上接触片6-2、直杆体6-3、下盘体6-4、多个定位爪头6-6和一个温度感应爪6-5,所述位移传感器6-1与立柱2相连接,位移传感器6-1的探头设置在上接触片6-2的上端面上,上接触片6-2的下端面设置在直杆体6-3的上端,直杆体6-3的下端穿过上盖4与下盘体6-4相连接,下盘体6-4的下端面布置有与待测浆体18相配合的多个定位爪头6-6和一个温度感应爪6-5;
所述底箱体3的内壁与锥形壳体5外壁之间形成有第一环形内腔11,底箱体3的外壁上分别设置有第一注入管14和第一排出管15,底箱体3的底部连通有第一注入管14,底箱体3的顶部连通有第一排出管15;所述上盖4为圆盘体,上盖4内加工有第二环形内腔7,上盖4的外壁上分别设置有第二注入管8和第二排出管9,第二注入管8和第二排出管9分别与第二环形内腔7相连通;
上盖4沿其厚度方向加工有与直杆体6-3相配合的中心孔10,中心孔10为用于直杆体6-3的穿过孔;
上盖4的下端面设置有空心圆台12,空心圆台12的内部与第二环形内腔7相连通,空心圆台12的外径与锥形壳体5大口端口径相配合设置;
上盖4通过支撑杆13与立柱2相连接,支撑杆13的一端与上盖4的上端面相连接,支撑杆13的另一端加工有与立柱2相配合的通孔,立柱2穿过通孔,通孔内设置有与立柱2相配合的阻尼套;
温度感应爪6-5为无线测温传感器或有线测温传感器,温度感应爪6-5的形状为柱体;
上接触片6-2为圆片体,直杆体6-3为圆柱形杆体,上接触片6-2、直杆体6-3和下盘体6-4之间同轴设置,如此设置能够确保变形传输器自身的同轴性能,从而为采集位移数据准确性提供有利条件,再记录上接触片6-2上表面到下盘体6-4下表面的距离为H1。
结合图4所示,温度感应爪6-5用于获取待测浆体18的边缘温度数据,其中,温度感应爪6-5布置在沿下盘体6-4的下端面的边缘处,温度感应爪6-5获取的待测浆体18的边缘温度值Ti,另外布置柔性温度传感器17用于测试待测浆体18的中心温度值Ti’。温度传感器为现有感温传感器,其工作原理与现有温度传感器的工作原理相同。
本实施方式中温度感应爪6-5为温度传感器,选择无线测温传感器或有线测温传感器即可。具体的,温度传感器为热电阻式温度传感器或热电偶式温度传感器,实现受冻浆体的温度-变形同时监测。
本实施方式中位移传感器6-1通过现有位移传感器专用夹具与立柱2相连接。
本实施方式中底座1上还设置有水平仪表16,用于实时监测底座1自身的水平稳定性。
本实施方式中底箱体3的底部连通有第一注入管14,底箱体3的顶部连通有第一排出管15。
本实施方式中上盖4的下端面设置有空心圆台12,空心圆台12的内部与第二环形内腔7相连通,空心圆台12的外径与锥形壳体5大口端口径相配合设置。
本实施方式中空心圆台12的设置是为了确保空心圆台12能够插入底箱体3中,使空心圆台12提供的冷却面与锥形壳体5内的待测浆体18上表面实现全面贴合式接触效果。
本实施方式中的温度—变形联合测试装置为既能够实现水泥基材料受冻过程中内部温度,还能够实现受冻变形测试,水泥基材料受冻过程中内部温度以及受冻变形测试可同步测试。
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,本实施方式中所述最短预养时间确定方法为:
根据早期受冻水泥基材料的体积变形理论计算模型计算得出气泡吸纳冻胀效率系数γ,计算过程为:
早期受冻水泥基材料的体积变形理论计算模型为:
VC=VT+VE-(VA+ΔV)γ
上式中VC为待测浆体18的体积总变形,VC通过温度—变形联合测试装置测得;
VT为不考虑水的相变的的温度变形,VT根据温度—变形联合测试装置测得数据计算;
VE为孔隙溶液冻结引起的相变膨胀变形,VE通过水泥水化动力学模型和热力学模拟软件计算;
VA为新拌砂浆的含气量,由搅拌裹入的气泡和引气剂引入的气泡组成,VA通过对新拌水泥基材料进行标准实验测得;
ΔV为水泥自干燥引起的毛细空气体积;ΔV通过水泥水化动力学模型和热力学模拟软件计算;
γ为气泡吸纳冻胀效率系数,γ用于定量描述气孔吸纳冻胀变形的作用效果;
根据VE-(VA+ΔV)γ=0这一冻胀作为被气泡吸纳的临界条件,计算满足VE-(VA+ΔV)γ等于0条件下的γmax与预养时间的曲线;
试验获得的γ曲线与γmax曲线的交点对应的横坐标即为最短预养护时间。
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,新拌砂浆的含气量VA的获取过程为:
砂浆的含气量根据JGJ/T70-2009标准测试,使用新拌砂浆含气量测定仪。具体操作如下:
1、将量钵水平放置,将搅拌好的砂浆均匀地分三次装入量钵内,每层由内向外插捣25次,并用木锤在周围敲几下,插捣上层时捣棒应插入下层10mm~20mm。
2、捣实后刮去多余砂浆,用抹刀抹平表面,使表面平整无气泡。
3、盖上测定仪量钵上盖部分,卡紧卡扣,保证不漏气。
4、打开两侧阀门并松开上部微调阀,用注水器通过注水阀门注水,直至水从排水阀流出,立即关紧两侧阀门。
5、关紧所有阀门,用气筒打气加压,再用微调阀调整指针为零。
6、按下按钮,刻度盘读数稳定后读数。
7、开启通气阀,压力仪示值回零,重复5~7的步骤,对容器内试样再测一次,最终确定VA。
试验结果:
1)如二次测值的相对误差小于0.2%,则取二次试验结果的算术平均值为砂浆的含气量,如二次的相对误差大于0.2%,试验结果无效。
2)所测含气量数值<5%时,测试结果精确到0.1%;所测含气量数值>5%时,测试结果精确到0.5%。
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,不考虑水相变的温度变形VT的获取过程为:
具体在用于砂浆受冻过程中时,本发明为基于气泡吸纳冻胀的最短预养护时间确定过程。以受冻温度为-20℃,预养时间为24小时的砂浆为例,配合比如表1所示:
表1砂浆的配合比和受冻变形特征值
其中,Vt1为t1时的体积变形;VC为体积总变形。
对于非引气砂浆M0,温度-变形测试结果如图9所示,根据温度数据的变化规律,可将砂浆的受冻过程分为三个阶段:
阶段一:冷却收缩阶段(0-t1)。随着砂浆内部温度的降低,变形表现为收缩,砂浆M0在t1时收缩率降至-0.08%。在此阶段,由于温度尚未达到孔隙溶液的凝固点,因此属于温度变形。
阶段二:受冻膨胀阶段(t1-t2)。砂浆的变形表现为膨胀,这是由于水凝固后体积膨胀约9%造成的。这部分变形是砂浆内水相变膨胀和砂浆冷却收缩的综合结果。
阶段三:稳定阶段(t2之后)。砂浆的内部温度和体积趋于稳定,不再发生变化。非引气砂浆M0最终的受冻体积变形是1.22%。
由此,可通过前文描述的温度—变形联合测试装置得到砂浆受冻过程中的两个变形特征值:t1时的体积变形Vt1以及体积总变形VC,并计算得出不考虑水的相变的温度变形VT,计算公式为:
上式中,Vt1为t1时的体积变形;ΔT和ΔT1分别为整个冷冻过程和0-t1阶段砂浆内部平均温度的变化。需要说明的是,本方法中VT是通过正温阶段的砂浆温度变形计算的完整受冻阶段的温度变形。一方面,负温阶段时材料的体积变形是温度变形、水相变膨胀和气孔吸纳冻胀三者的耦合,不能实现对于温度变形的单一测量。另一方面,准确来说,砂浆冻结后由于内部可冻水变为了冰,会导致材料整体的热膨胀系数降低。因此基于本方法的假设计算的温度变形会导致对负温阶段的温度变形绝对值的高估。冻结阶段的温度变形为负数,VT计算值会比实际值更低,相应满足材料受冻不破坏的条件更苛刻,因此这是一种会使计算结果更加安全的简化假设。
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,孔溶液冻结引起的相变膨胀变形VE通过水泥水化动力学模型和热力学模拟软件计算,根据下面三个公式进行计算,计算过程为:
上式中,MW是指非引气水泥基材料中孔隙溶液的体积分数,PW是指非引气净浆中孔隙溶液的体积分数,VWater、VCement和VAggregate分别是指搅拌时水、水泥和骨料的体积,单位为立方米;
M′W=MW×(1-VA)
上式中,M′W是引气水泥基材料中孔溶液的体积分数
VE=M′W×0.09
通过上面三个公式计算得出孔溶液冻结引起的相变膨胀变形VE。
具体实施方式六:本实施方式为具体实施方式一、二、三、四或五的进一步限定,水泥水化自干燥导致的毛细空气体积ΔV通过水泥水化动力学模型和热力学模拟软件计算得出,计算公式为:
上式中,PW和PC是通过水泥水化动力学模型(Parrot-Killoh模型)和热力学模拟软件(GEMS)计算的关于水化时间的函数,PC为非引气净浆中化学收缩的体积分数;VWater、VCement和VAggregate分别是指搅拌时水、水泥和骨料的体积,单位为立方米。
具体实施方式七:本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五或六的进一步限定,待测浆体18的体积总变形VC是通过温度—变形联合测试装置测得,待测浆体18的体积总变形VC测试获取过程为:首先将底箱体3放置在底座1上,将位移传感器6-1固定安装在立柱2上后,记录位移传感器6-1到锥形壳体5底部顶点的距离为初始高度H0;然后将新拌待测浆体18倒入锥形壳体5,在待测浆体18中心布置柔性测温传感器后振捣抹平,再将变形传输器中带有多个定位爪头6-6和一个温度感应爪6-5的下盘体6-4放置在待测浆体18上表面上,确保多个定位爪头6-6和一个温度感应爪6-5全部浸入待测浆体18中,同时将直杆体6-3的上端穿过上盖4后,将上接触片6-2与位移传感器6-1的探头相连接;然后将底箱体3与锥形壳体5之间形成的第一环形内腔11、上盖4的第二环形内腔7通入20℃的冷媒,使底箱体3和锥形壳体5之间、上盖4处于内循环保温状态,通入冷媒的流量为10-13L/min;
然后在对应的预养时间下将第一环形内腔11通入对应受冻温度的冷媒,使底箱体3和锥形壳体5之间处于内循环降温状态,通入冷媒的流量为10-13L/min,再将第二环形内腔7中通入对应受冻温度的冷媒,使上盖4处于内循环降温状态,通入冷媒的流量为10-13L/min;当位移传感器6-1的探头所在位置与下盘体6-4处于同一中心轴线上时,位移传感器6-1开始记录,初始读数D0;随着待测浆体18的降温,定时记录位移传感器的读数Di,温度感应爪6-5采集的平均温度值Ti以及柔性温度传感器17采集的中心温度值Ti’,记录间隔为30~60秒;
根据位移传感器6-1初始读数D0、位移传感器6-1到锥形壳体5底部顶点的距离H0、初始测试温度下上接触片6-2上表面到下盘体6-4下表面的距离H1、任意时刻位移传感器的读数Di,计算获得待测浆体18的体积总变形Vc,计算过程为:
待测浆体18原体积V0为:
任意时刻浆体体积Vi为:
其中H1’为任意温度下上接触片6-2上表面到下盘体6-4下表面的距离,H1’由初始测试温度下上接触片6-2上表面到下盘体6-4下表面的距离H1与直杆体6-3使用材料的热膨胀系数计算,H1’由初始测试温度下上接触片6-2上表面到下盘体6-4下表面的距离H1与直杆体6-3使用材料的热膨胀系数计算过程为利用现有公式和现有算理计算得出;
待测浆体18的体积变形Vc为:
再根据待测浆体18的温度数据,在温度—时间曲线下降段的平台温度即为浆体的受冻相变温度点;
观察位移传感器6-1采集的变形数据,当其30分钟内变化幅度小于5微米时,说明待测浆体18体积停止变化,此时的体积变形值即为待测浆体18的体积变形Vc。
具体的,测量结果结合图10所示,待测浆体18的相变温度点是-3℃,受冻变形是体积膨胀1.74%。
本实施方式中位移传感器6-1为电涡流式位移传感器、激光位移传感器或其他非接触式位移传感器,使待测浆体18不受约束。
本实施方式中待测浆体18为新拌混凝土,将新拌混凝土倒入底箱体3内部抹平,待测材料也可以替换为其他水泥基材料;
本实施方式中在底箱体3上方盖上同样内部可循环冷媒的上盖4,上盖4与底箱体3连接方式为螺纹或套接,上盖4厚度至少为10毫米,最大厚度为30毫米;
本实施方式中锥形壳体5为倒置的空心圆锥体,锥形壳体5的形状、设置位置和方向能够使待测浆体18自由变形,不受约束。
本实施方式中底箱体3和上盖4内需要不断循环冷媒控制测试温度稳定,设置的流速值是经过样品多次测试得出的最佳流速数据。
具体实施方式八:本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五、六或七的进一步限定,在固定受冻温度和配合比的条件下,设置不同的预养护时间,分别计算VE和ΔV,同时测得含气量VA,当混凝土中气孔结构吸收的冻胀等于可冻结水相变引起的体积变形时,计算满足VE-(VA+ΔV)γ等于0条件下的γmax值,即获得不同预养时间下满足冻胀完全被气孔吸纳的γmax曲线,计算公式为:
γmax曲线与试验获得的γ曲线的交点对应的横坐标即为最短预养护时间。
具体实施方式九:结合图12所示,本实施方式中当位移传感器6-1使用非接触式传感器时,变形传输器包括上接触片6-2、下盘体6-4、多个定位爪头6-6和一个温度感应爪6-5,所述位移传感器6-1与立柱2相连接,位移传感器6-1的探头设置在上接触片6-2的上端面上,上接触片6-2的下端面与下盘体6-4相连接,下盘体6-4的下端面布置有与待测浆体18相配合的多个定位爪头6-6和一个温度感应爪6-5。体积变形计算方法不变。
进一步的,温度感应爪6-5的结构形式与定位爪头6-6相同。
进一步的,结合图4所示,温度感应爪6-5的结构形式与定位爪头6-6不同,温度感应爪6-5为圆锥形爪体,外形更利于感温。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.基于气泡吸纳冻胀的早期受冻混凝土最短预养时间确定法,其特征在于:所述早期受冻混凝土最短预养时间确定法为对于受冻温度和配比明确的混凝土,预设多个预养时间,通过测试获取待测浆体(18)的体积变形Vc和早期受冻混凝土的含气量VA;通过分离总变形的方式计算出混凝土的温度变形VT、孔溶液冻结引起的相变膨胀变形VE、水泥水化自干燥导致的毛细气孔体积ΔV和气泡吸纳冻胀效率系数γ;根据VE-(VA+ΔV)γ=0这一冻胀作为被气泡吸纳的临界条件,计算满足VE-(VA+ΔV)γ等于0条件下的γmax与预养时间的曲线;试验获得的γ曲线与γmax曲线的交点对应的横坐标即为最短预养护时间。
2.根据权利要求1所述的基于气泡吸纳冻胀的早期受冻混凝土最短预养时间确定法,其特征在于:所述早期受冻混凝土最短预养时间确定法通过温度—变形联合测试装置实现,所述温度—变形联合测试装置包括底座(1)、立柱(2)、底箱体(3)、上盖(4)和测试系统,所述底座(1)水平设置,立柱(2)竖直设置在底座(1)上,底箱体(3)设置在底座(1)上,底箱体(3)的顶端为敞口端,底箱体(3)的敞口端内设置有倒置的锥形壳体(5),锥形壳体(5)内填充有待测浆体(18),底箱体(3)的敞口端处配合设置有上盖(4),上盖(4)设置在立柱(2)上,上盖(4)沿立柱(2)的长度方向往复滑动,测试系统包括位移传感器(6-1)和变形传输器,变形传输器包括上接触片(6-2)、直杆体(6-3)、下盘体(6-4)、多个定位爪头(6-6)和一个温度感应爪(6-5),所述位移传感器(6-1)与立柱(2)相连接,位移传感器(6-1)的探头设置在上接触片(6-2)的上端面上,上接触片(6-2)的下端面设置在直杆体(6-3)的上端,直杆体(6-3)的下端穿过上盖(4)与下盘体(6-4)相连接,下盘体(6-4)的下端面布置有与待测浆体(18)相配合的多个定位爪头(6-6)和一个温度感应爪(6-5);
所述底箱体(3)的内壁与锥形壳体(5)外壁之间形成有第一环形内腔(11),底箱体(3)的外壁上分别设置有第一注入管(14)和第一排出管(15),底箱体(3)的底部连通有第一注入管(14),底箱体(3)的顶部连通有第一排出管(15);所述上盖(4)为圆盘体,上盖(4)内加工有第二环形内腔(7),上盖(4)的外壁上分别设置有第二注入管(8)和第二排出管(9),第二注入管(8)和第二排出管(9)分别与第二环形内腔(7)相连通;
上盖(4)沿其厚度方向加工有与直杆体(6-3)相配合的中心孔(10);
上盖(4)的下端面设置有空心圆台(12),空心圆台(12)的内部与第二环形内腔(7)相连通,空心圆台(12)的外径与锥形壳体(5)大口端口径相配合设置;
上盖(4)通过支撑杆(13)与立柱(2)相连接,支撑杆(13)的一端与上盖(4)的上端面相连接,支撑杆(13)的另一端加工有与立柱(2)相配合的通孔,立柱(2)穿过通孔,通孔内设置有与立柱(2)相配合的阻尼套;
温度感应爪(6-5)为无线测温传感器或有线测温传感器,温度感应爪(6-5)的形状为柱体;
上接触片(6-2)为圆片体,直杆体(6-3)为圆柱形杆体,上接触片(6-2)、直杆体(6-3)和下盘体(6-4)之间同轴设置,记录上接触片(6-2)上表面到下盘体(6-4)下表面的距离为H1。
3.根据权利要求1或2所述的基于气泡吸纳冻胀的早期受冻混凝土最短预养时间确定法,其特征在于:所述基于气泡吸纳冻胀的早期受冻混凝土最短预养时间确定法为:
根据早期受冻水泥基材料的体积变形理论计算模型计算得出不同预养时间下的气泡吸纳冻胀效率系数γ,计算过程为:
早期受冻水泥基材料的体积变形理论计算模型为:
VC=VT+VE-(VA+ΔV)γ
上式中VC为待测浆体(18)的体积总变形,VC通过温度—变形联合测试装置测得;
VT为不考虑水的相变的温度变形,VT根据温度—变形联合测试装置测得数据计算;
VE为孔溶液冻结引起的相变膨胀变形,VE通过水泥水化动力学模型和热力学模拟软件计算;
VA为新拌水泥基材料的含气量,由搅拌裹入的气泡和引气剂引入的气泡组成,VA通过对新拌水泥基材料进行标准实验测得;
ΔV为水泥水化自干燥导致的毛细气孔体积;ΔV通过水泥水化动力学模型和热力学模拟软件计算;
γ为气泡吸纳冻胀效率系数,γ用于定量描述气孔吸纳冻胀变形的作用效果;
在受冻温度和配合比确定的条件下,不同预养护时间时的VE和ΔV能够通过理论计算得到,只需测得含气量VA,就能通过混凝土中气孔结构吸收的冻胀等于可冻结水相变引起的体积变形这一临界条件,计算满足VE-(VA+ΔV)γ等于0条件下的γmax值,即获得不同预养时间下满足冻胀完全被气孔吸纳的γmax曲线;
试验获得的γ曲线与γmax曲线的交点对应的预养时间即为最短预养护时间。
4.根据权利要求2或3所述的基于气泡吸纳冻胀的早期受冻混凝土最短预养时间确定法,其特征在于:不考虑水的相变的温度变形VT的获取过程为:
根据温度数据的变化规律,利用温度—变形联合测试装置测试水泥基材料受冻过程,分为三个阶段:
阶段一:冷却收缩阶段,时间为0-t1,随着水泥基材料内部温度的降低,变形表现为收缩,在此阶段,由于温度尚未达到孔隙溶液的凝固点,因此属于温度变形阶段;
阶段二:受冻膨胀阶段,时间为t1-t2,由于开始发生相变,水泥基材料边缘的温度出现了一个明显的转折点,然后以较慢的速度继续下降,中心的温度以原来的速度下降,并在相变温度点稳定后,显示出明显的相变行为,然后继续下降,水泥基材料的变形表现为膨胀,这是由于水凝固后体积膨胀约9%造成的,这部分变形是水泥基材料内水相变膨胀和水泥基材料冷却收缩的综合结果;
阶段三:稳定阶段,时间为t2之后,水泥基材料的内部温度和体积趋于稳定,不再发生变化;
由此得到混凝土受冻过程中的两个变形特征值:t1时的体积变形Vt1以及体积总变形VC,根据温度—变形联合测试装置测得数据计算得出与水的相变无关的温度变形VT,计算公式为:
上式中,Vt1为t1时的体积变形;ΔT和ΔT1分别为整个冷冻过程和0-t1阶段混凝土内部平均温度的变化。
5.根据权利要求4所述的基于气泡吸纳冻胀的早期受冻混凝土最短预养时间确定法,其特征在于:孔溶液冻结引起的相变膨胀变形VE通过水泥水化动力学模型和热力学模拟软件计算,计算过程为:
上式中,MW是指非引气混凝土中孔隙溶液的体积分数,PW是指非引气净浆中孔隙溶液的体积分数,VWater、VCement和VAggregate分别是指搅拌时水、水泥和骨料的体积;
M′W=MW×(1-VA)
上式中,M′W是引气混凝土中孔溶液的体积分数
VE=M'W×0.09
通过上面三个公式计算得出孔溶液冻结引起的相变膨胀变形VE。
6.根据权利要求5所述的基于气泡吸纳冻胀的早期受冻混凝土最短预养时间确定法,其特征在于:水泥自干燥引起的毛细空气体积ΔV通过水泥水化动力学模型和热力学模拟软件计算得出,计算公式为:
上式中,PC为非引气混凝土中化学收缩的体积分数;VWater、VCement和VAggregate分别是指搅拌时水、水泥和骨料的体积。
7.根据权利要求6所述的基于气泡吸纳冻胀的早期受冻混凝土最短预养时间确定法,其特征在于:待测浆体(18)的体积总变形VC是通过温度—变形联合测试装置测得,待测浆体(18)的体积总变形VC测试获取过程为:首先将底箱体(3)放置在底座(1)上,将位移传感器(6-1)固定安装在立柱(2)上后,记录位移传感器(6-1)到锥形壳体(5)底部顶点的距离为初始高度H0;然后将新拌待测浆体(18)倒入锥形壳体(5),在待测浆体(18)中心布置柔性测温传感器后振捣抹平,再将变形传输器中带有多个定位爪头(6-6)和一个温度感应爪(6-5)的下盘体(6-4)放置在待测浆体(18)上表面,确保多个定位爪头(6-6)和一个温度感应爪(6-5)全部浸入待测浆体(18)中,同时将直杆体(6-3)的上端穿过上盖(4)后,将上接触片(6-2)与位移传感器(6-1)的探头相连接;然后将底箱体(3)与锥形壳体(5)之间形成的第一环形内腔(11)、上盖(4)的第二环形内腔(7)通入20℃的冷媒,使底箱体(3)和锥形壳体(5)之间、上盖(4)处于内循环保温状态,通入冷媒的流量为10-13L/min;
然后在对应的预养时间下将第一环形内腔(11)通入对应受冻温度的冷媒,使底箱体(3)和锥形壳体(5)之间处于内循环降温状态,通入冷媒的流量为10-13L/min,再将第二环形内腔(7)中通入对应受冻温度的冷媒,使上盖(4)处于内循环降温状态,通入冷媒的流量为10-13L/min;当位移传感器(6-1)的探头所在位置与下盘体(6-4)处于同一中心轴线上时,位移传感器(6-1)开始记录,初始读数D0;随着待测浆体(18)的降温,定时记录位移传感器(6-1)的读数Di,温度感应爪(6-5)采集的边缘温度值Ti以及柔性温度传感器(17)采集的中心温度值Ti’,记录间隔为30~60秒;
根据位移传感器(6-1)初始读数D0、位移传感器(6-1)到锥形壳体(5)底部顶点的距离H0、初始测试温度下上接触片(6-2)上表面到下盘体(6-4)下表面的距离H1、任意时刻位移传感器(6-1)的读数Di,计算获得待测浆体(18)的体积总变形Vc,计算过程为:
待测浆体(18)原体积V0为:
任意时刻浆体体积Vi为:
其中H1’为任意温度下上接触片(6-2)上表面到下盘体(6-4)下表面的距离,它可由初始测试温度下上接触片(6-2)上表面到下盘体(6-4)下表面的距离H1与直杆体(6-3)使用材料的热膨胀系数计算;
待测浆体(18)的体积变形Vc为:
再根据待测浆体(18)的温度数据,在温度—时间曲线下降段的平台温度即为浆体的受冻相变温度点;
观察位移传感器(6-1)采集的变形数据,当位移传感器(6-1)在30分钟内变化幅度小于5微米时,说明待测浆体(18)体积停止变化,此时的体积变形值即为待测浆体(18)的体积变形Vc。
8.根据权利要求7所述的基于气泡吸纳冻胀的早期受冻混凝土最短预养时间确定法,其特征在于:在固定受冻温度和配合比的条件下,设置不同的预养护时间,分别计算VE和ΔV,同时测得含气量VA,当混凝土中气孔结构吸收的冻胀等于可冻结水相变引起的体积变形时,计算满足VE-(VA+ΔV)γ等于0条件下的γmax值,即获得不同预养时间下满足冻胀完全被气孔吸纳的γmax曲线,计算公式为:
9.根据权利要求8所述的基于气泡吸纳冻胀的早期受冻混凝土最短预养时间确定法,其特征在于:根据γmax曲线与试验获得的γ曲线确定最短预养护时间的过程为:γmax曲线与试验获得的γ曲线的交点对应的横坐标即为最短预养护时间。
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Legal Events
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PB01 | Publication |