專(zhuān)利名稱(chēng)：：混凝土開(kāi)裂敏感性測(cè)試裝置及抗裂能力評(píng)價(jià)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種混凝土開(kāi)裂敏感性的測(cè)試裝置及評(píng)價(jià)方法，主要用于控制現(xiàn)澆混凝土的開(kāi)裂敏感性，并評(píng)價(jià)混凝土配合比在配筋條件下的整體抗裂能力，提高混凝土工程開(kāi)裂預(yù)控能力；技術(shù)背景國(guó)內(nèi)外針對(duì)不同膠凝體系混凝土材料體積穩(wěn)定性的研究十分活躍，采用的研究方法主要為干燥收縮、自生體積變形、熱力學(xué)性能、徐變、約束開(kāi)裂試驗(yàn)等。根據(jù)設(shè)計(jì)模具尺寸的不同，測(cè)試的對(duì)象可在混凝土、砂漿及水泥漿體之間進(jìn)行相應(yīng)的變化，測(cè)試的技術(shù)手段主要為千分表法、傳感器法等，測(cè)試結(jié)果可通過(guò)位移、長(zhǎng)度、應(yīng)力、重量、應(yīng)變、熱量、開(kāi)裂時(shí)間等參數(shù)來(lái)表征。其測(cè)試的準(zhǔn)確度、精度以及可重復(fù)性與儀器設(shè)備參數(shù)、實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件、試驗(yàn)構(gòu)件的齡期等密切相關(guān)。在評(píng)價(jià)收縮、開(kāi)裂方法的進(jìn)展上,值得介紹的是德國(guó)幕尼黑技術(shù)大學(xué)R.Springenschmid教授早在1969年開(kāi)發(fā)的開(kāi)裂試驗(yàn)架裝置。這個(gè)裝置可以模擬混凝土在初齡期受約束條件下產(chǎn)生的應(yīng)力，混凝土從半液半固態(tài)的粘塑性體開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)檎硰椥泽w過(guò)程，彈性模量迅速增長(zhǎng)、徐變松弛作用減小都可以得到綜合的反映。由于混凝土變形很大程度上被剛性的構(gòu)架所阻止,因此可以定量測(cè)得混凝土的開(kāi)裂趨勢(shì)和水泥的開(kāi)裂敏感性,適用于為工程選擇抗裂性能較好、開(kāi)裂趨勢(shì)較小的原材料和配合比,也可以用于預(yù)測(cè)已知結(jié)構(gòu)參數(shù)、混凝土材料和澆注溫度等條件時(shí)開(kāi)裂的可能性,因此能夠采取必要的防范措施。國(guó)際上對(duì)混凝土抗裂性能常用的研究方法還有平板法，新平板法、橢圓法、圓環(huán)法和棱柱體法。在后幾種方法中常用的是圓環(huán)法，因?yàn)榇髨A環(huán)試驗(yàn)可以評(píng)價(jià)混凝土自收縮和干燥收縮產(chǎn)生的自應(yīng)力對(duì)混凝土的抗裂性能，雖然由于粗骨料的存在使混凝土環(huán)表面水份蒸發(fā)受到一定的阻礙，從而使混凝土外表面不能沿環(huán)均勻收縮，再加上粗骨料對(duì)裂縫限制分散作用，使混凝土表面產(chǎn)生微裂紋，從而釋放部分應(yīng)力，使測(cè)出可見(jiàn)裂縫的最大寬度降低，影響了評(píng)價(jià)效果，但總的來(lái)說(shuō)為混凝土提供了完全均勻的約束，體現(xiàn)了混凝土在約束條件下收縮和應(yīng)力松弛的綜合作用。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的小圓環(huán)法可以避開(kāi)粗細(xì)骨料的限制收縮影響，通過(guò)提供一個(gè)穩(wěn)定的等價(jià)內(nèi)環(huán)的約束條件，在徑向和切向應(yīng)力共同作用下，能夠直接評(píng)價(jià)不同膠凝材料組成的早期開(kāi)裂敏感性。目前在工程中用來(lái)評(píng)價(jià)混凝土抗裂性能的指標(biāo)有以下幾種，(1)抗拉強(qiáng)度、極限拉伸率等。(2)測(cè)定混凝土的干縮值，并以其評(píng)定混凝土開(kāi)裂的可能性。然而，研究發(fā)現(xiàn)，溫度收縮和自身收縮也是引起開(kāi)裂的主要原因，測(cè)定干縮值來(lái)評(píng)價(jià)混凝土開(kāi)裂的方法，對(duì)低水灰比混凝土就不適宜了。因此單一的從某一個(gè)性能方面來(lái)評(píng)價(jià)混凝土材料配合比或者某種特種工程材料的應(yīng)用對(duì)混凝土抗裂能力的好與壞是不全面的，也是不科學(xué)的。有必要兼顧、綜合分析與裂縫產(chǎn)生過(guò)程有關(guān)的物理力學(xué)、變形等參數(shù)，可從定性角度評(píng)價(jià)其利弊、從定量角度分析其影響程度。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種混凝土開(kāi)裂敏感性測(cè)試裝置。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案一種混凝土開(kāi)裂敏感性測(cè)試裝置，其特征在于由一干燥收縮測(cè)試裝置，一自收縮測(cè)試裝置，及一約束收縮測(cè)試裝置組合而成，所述自動(dòng)收縮裝置，由一高精密數(shù)字位移計(jì)、一混凝土密封模具桶，及一用于測(cè)量混凝土溫度的測(cè)溫設(shè)備構(gòu)成。進(jìn)一步地，上述約束收縮裝置包括一圓柱體兩端留有孔口的鋼模具、一低彈模纖維筋、一差動(dòng)變壓數(shù)字位移測(cè)試系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，所述低彈模纖維筋軸向貫穿過(guò)模具，所述差動(dòng)變壓數(shù)字位移測(cè)試系統(tǒng)的位移計(jì)連接彈模纖維筋兩端，并通過(guò)數(shù)據(jù)電纜連接于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。本發(fā)明的目的還在于提供一種對(duì)混凝土抗裂能力的評(píng)價(jià)方法。本發(fā)明采用的混凝土抗裂能力評(píng)價(jià)方法，包括以下步驟-(1)測(cè)量并計(jì)算混凝土的極限拉伸率ep，徐變系數(shù)Vc，干燥收縮變形Sd,，自生體積變形&，溫差A(yù)T，線性膨脹系數(shù)ot及基礎(chǔ)約束系數(shù)R;(2)將上述測(cè)得的數(shù)值代入以下公式，計(jì)得抗裂因子Kac<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>"Ar"-&-s。，s式中ep——混凝土極限拉伸率；VC——徐變系數(shù)；￡d,s^~干燥收縮變形；&^自生體積變形；AT~~溫差；(X——線性膨脹系數(shù)；R——基礎(chǔ)約束系數(shù)；0SR51。(3)根據(jù)抗裂因子Kae的大小得知混凝土抗裂性能的強(qiáng)與弱。本發(fā)明的混凝土開(kāi)裂敏感性測(cè)試裝置及評(píng)價(jià)方法，主要用于控制現(xiàn)澆混凝土的開(kāi)裂敏感性，特別是控制混凝土中膠凝材料的開(kāi)裂趨勢(shì)，從而減少現(xiàn)澆混凝土的收縮應(yīng)力，降低混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。該測(cè)試裝置及開(kāi)裂評(píng)價(jià)方法充分利用混凝土的自由收縮、干燥收縮和溫度收縮以及約束條件下總收縮的相互關(guān)系和作用特點(diǎn)，集成先進(jìn)電子測(cè)試、傳感器技術(shù)、混凝土材料制備技術(shù)，可在線計(jì)算混凝土經(jīng)時(shí)彈性模量變化、計(jì)算混凝土收縮應(yīng)力，計(jì)算抗裂因子以評(píng)價(jià)混凝土配合比及在配筋條件下的整體抗裂能力。本發(fā)明采用的高精度位移傳感器法具有以下特點(diǎn):l)高精密數(shù)字位移計(jì)(傳感器)測(cè)量精度高，可達(dá)0.1pm量級(jí)，較千分表精度高出10倍，2)由于傳感器不是埋入式的，沒(méi)有和混凝土溫度變形不同步的問(wèn)題，所以測(cè)量不受混凝土彈性模量的影響，可以測(cè)量早期的自生體積變形；3)密封桶具有良好的密封性，保證試件的絕濕狀態(tài)；4)通過(guò)對(duì)溫度影響的修正，可消除溫度對(duì)自生體積變形以及傳感器的影響；5)傳感器可重復(fù)使用，長(zhǎng)期試驗(yàn)成本相對(duì)較低；6)密封桶內(nèi)襯以橡膠皮、黃油和塑料薄膜，降低了模具對(duì)混凝土的約束作用。圖1是高精度位移傳感器測(cè)試裝置示意圖。圖2是混凝土體積變形約束力測(cè)試裝置示意圖。圖3是混凝土開(kāi)裂分析模型方框圖。實(shí)施例1混凝土自收縮測(cè)試裝置參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T5150-2001)自生體積變形試驗(yàn)方法，如圖1所示，設(shè)計(jì)的這套測(cè)定裝置包括固定于支架4上的高精密數(shù)字位移計(jì)(傳感器)1、混凝土密封模具桶2以及測(cè)溫設(shè)備3部分?；炷撩芊饽＞咄?的頂部水平放置有一平板玻璃，高精密數(shù)字位移計(jì)1的傳感器11置于該平板玻璃的表面，測(cè)溫設(shè)備3用于測(cè)量密封模具桶2內(nèi)外溫度。高精密數(shù)字位移計(jì)1的測(cè)量范圍為ilmm，分辨率為0.0001mm;差動(dòng)變壓器(LVDT)的溫度數(shù)-0.01%廠。-0.05%化，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。設(shè)計(jì)加工的專(zhuān)用支架可消除傳感器ll本身的松弛，適應(yīng)不同尺寸試件的測(cè)量需要?；炷撩芊饽＞咄?用鍍鋅鐵皮制作，用塑料布、黃油和2mm厚橡皮貼于鐵桶內(nèi)壁，減小側(cè)面變形約束?；炷羶?nèi)部測(cè)溫采用XJY-0162智能巡檢儀，外部測(cè)溫采用數(shù)字溫度計(jì)。試件成型后立即置于預(yù)先調(diào)好試驗(yàn)溫度的恒溫室中。測(cè)量試件的原始長(zhǎng)度LO，試件頂部放置玻璃板，傳感器的探頭和玻璃板保持垂直，以減少實(shí)驗(yàn)誤差。調(diào)零后讀取位移初始值aO，同時(shí)讀取混凝土內(nèi)部的溫度TOl、T02、T03，取3個(gè)數(shù)的平均值作為混凝土內(nèi)部的溫度初值TO，并用數(shù)字溫度儀記錄試件外部初始溫度TIO。3d內(nèi)每天讀45次數(shù)(ai,Til，Ti2，Ti3及Tli),以后每天讀3個(gè)數(shù)?；炷磷陨w積變形由下式計(jì)算:si=(ai-aO)/LO+C1(Ti-T0)+C2(Til-T10).式中:ei為混凝土的自生體積變形；Cl為混凝土的線膨脹系數(shù)；C2為L(zhǎng)VDT的線膨脹系數(shù)；Ti=(Til+Ti2+Ti3)/3;T0=(T01+T02+T03)/3;Tli為L(zhǎng)VDT所處的外部環(huán)境溫度。實(shí)施例2混凝土自收縮應(yīng)力測(cè)試裝置如圖2所示，體積變形約束自應(yīng)力測(cè)試裝置可分解為干燥收縮測(cè)試裝置20、自收縮測(cè)試裝置10及約束收縮測(cè)試裝置30三個(gè)部分。干燥收縮測(cè)試裝置20可參照有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行。自收縮測(cè)試裝置10按照實(shí)施例1進(jìn)行。約束收縮裝置30如圖所示，包括一圓柱形鋼模具5，模具兩端留有孔口，一低彈模纖維筋6軸向貫穿過(guò)模具5。差動(dòng)變壓數(shù)字位移測(cè)試系統(tǒng)的位移計(jì)7連接彈模纖維筋6兩端，該差動(dòng)變壓數(shù)字位移測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)電纜連接于計(jì)算機(jī)。計(jì)算原理Fc=i^......(公式l-l)(7cy4c=(T"s......(公式1-2)ctc;tt2=cts;z^一《c)......(公式l-3)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>混凝土收縮應(yīng)力；W昆凝土橫截面的半徑；AW為混凝土彈性模量；A鋼筋彈性模量；鋼筋變形率；鋼筋直徑；丄鋼筋埋入混凝土中的初始長(zhǎng)度；//(f)混凝土徐變系數(shù)；p(f)混凝土應(yīng)力松弛系數(shù)^混凝土約束收縮率；.，混凝土干燥收縮率；./混凝土自生體積變形率；(/混凝土溫度收縮率;通過(guò)測(cè)量上述各值計(jì)算得到。實(shí)施例3混凝土開(kāi)裂評(píng)價(jià)方法(物理模型+數(shù)學(xué)模型)從裂縫產(chǎn)生的過(guò)程可以知道混凝土的抗裂能力主要由混凝土抗拉強(qiáng)度、彈性模量、徐變、自身體積變形、線膨脹系數(shù)和水化溫升等因素綜合決定。這幾種因素有的是獨(dú)立的，不受別的因素的影響(或影響很小)，如線膨脹系數(shù)；有的則是相互關(guān)聯(lián)和制約的，如抗拉強(qiáng)度與徐變，提高混凝土抗拉強(qiáng)度有利于混凝土抗裂，但其徐變相應(yīng)減小，不利于抗裂；同時(shí)提高混凝土抗拉強(qiáng)度，有可能增加混凝土的水泥用量，使混凝土水化溫升相應(yīng)增高，這也不利于混凝土抗裂。因而混凝土的抗裂能力綜合指標(biāo)必須全面、合理地反映混凝土抗裂能力的各個(gè)主要因素才有指導(dǎo)意義。眾所周知混凝土的破壞特性是多方面的，但就其結(jié)構(gòu)物的破壞條件而言，關(guān)鍵是變形性能。控制混凝土變形的目的就是防止混凝土產(chǎn)生裂縫，以保持結(jié)構(gòu)物的整體性及穩(wěn)定性。本發(fā)明建立了混凝土開(kāi)裂分析模型(見(jiàn)圖3)，并在分析模型的基礎(chǔ)上，考慮到混凝土的經(jīng)時(shí)變化，創(chuàng)立混凝土抗裂能力評(píng)價(jià)模型如公式1-8，1-9所示。(1-8)及*式中&c~~抗裂因子；Sp——混凝土極限拉伸率；Vc^—徐變系數(shù)；Sd，s——干燥收縮變形；Sa,s——自生體積變形；AT~~溫差；a-線性膨脹系數(shù)；r^基礎(chǔ)約束系數(shù)；0$r51，其精確數(shù)值由約束變形、自由變形之比確定，一般情況下，作為估算R取值如下輕微約束0.10.2，中等約束0.40.6，強(qiáng)約束0.81.0;由于裂縫的產(chǎn)生過(guò)程與混凝土的成熟度、經(jīng)時(shí)變化密切相關(guān)，結(jié)合有關(guān)物理力學(xué)性能相關(guān)性公式、收縮預(yù)測(cè)模型公式等，可把公式1-8變換如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>^天干燥變形)(1-9)式中當(dāng)n為3d，k取22.5;當(dāng)n為7d,k取1.52;當(dāng)n在714d期間，k取L21.4;——混凝土28天立方體抗壓強(qiáng)度，MPa;t~~混凝土結(jié)構(gòu)齡期，；Cu^混凝土最終徐變系數(shù)；d^鋼筋直徑，mm;W—單方中混凝土膠凝材料用量，kg/m3;Q一單位質(zhì)量膠凝材料的放熱量，kJ/kg;C——混凝土比熱，kJ/(kg,c)，無(wú)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可取0.96;y^混凝土容重，kg/m3;|xp~~鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的配筋率，％;R~~基礎(chǔ)約束系數(shù)，同上；考慮到混凝土的自收縮變形比較快，可用干燥收縮變形量的l/4表示自生體積變形量，^。需要說(shuō)明的是公式l-9是結(jié)合了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)約束度參數(shù)在內(nèi)的評(píng)價(jià)體系，可以用于混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂能力分析，類(lèi)似于王鐵夢(mèng)的"結(jié)構(gòu)物抗裂度因子"方法，如果僅考慮混凝土材料配合比抗裂度，則可以配筋率，而把約束程度作為完全約束(R=l)，可直接計(jì)算不同齡期的混凝土的抗裂能力大小，類(lèi)似于李光偉的抗裂變形指數(shù)法。從公式1-9中可以分析出抗裂因子越大，說(shuō)明混凝土的抗裂性能越高；細(xì)密配筋，降低約束系數(shù)可以提高抗裂因子，降低絕熱溫升和線性膨脹系數(shù)可以提高混凝土的抗裂能力，增強(qiáng)徐變，提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，降低混凝土的干燥收縮及自生收縮變形可以提高混凝土的抗裂性倉(cāng)l具體實(shí)施方式(某試驗(yàn)研究實(shí)例)不考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、并假設(shè)把基礎(chǔ)約束度作為完全約束，發(fā)明人根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)資料計(jì)算了28天齡期的抗裂因子大小，見(jiàn)表1所示。表1具有代表性混凝土組分28天抗裂能力分析<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以分析出粉煤灰、礦渣能夠提高混凝土的抗裂因子，而硅灰則降低了混凝土的抗裂因子，因此可認(rèn)為摻加硅灰的混凝土組分抗裂性能有所降低。摻加纖維、減縮劑、以及減縮劑和膨脹劑復(fù)合使用能夠提高混凝土的抗裂性能，特別是減縮劑和膨脹劑復(fù)合使用能夠大幅度提高抗裂因子，和各種約束開(kāi)裂試驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性。而使用膨脹劑在早期養(yǎng)護(hù)不充分的前提下，有降低抗裂因子的趨勢(shì);抗裂因子是考慮混凝土的抗裂性能、而大小圓環(huán)約束開(kāi)裂試驗(yàn)、平板試驗(yàn)分別是針對(duì)砂槳、漿體的早期干燥與自收縮作用、混凝土早期的塑性收縮作用，因此和抗裂因子的大小關(guān)系有一定的出入；當(dāng)抗裂因子顯著高于基準(zhǔn)時(shí)，各種約束試驗(yàn)的結(jié)果基本上是一致的，這再次反應(yīng)了混凝土配合比中膠凝材料組成的重要性。權(quán)利要求1、一種混凝土開(kāi)裂敏感性測(cè)試裝置，其特征在于由一干燥收縮測(cè)試裝置，一自收縮測(cè)試裝置，及一約束收縮測(cè)試裝置組合而成，所述自動(dòng)收縮裝置，由一高精密數(shù)字位移計(jì)、一混凝土密封模具桶，及一用于測(cè)量混凝土溫度的測(cè)溫設(shè)備構(gòu)成。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的混凝土開(kāi)裂敏感性測(cè)試裝置，其特征在于所述約束收縮裝置包括一圓柱體兩端留有孔口的鋼模具、一低彈模纖維筋、一差動(dòng)變壓數(shù)字位移測(cè)試系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，所述低彈模纖維筋軸向貫穿過(guò)模具，所述差動(dòng)變壓數(shù)字位移測(cè)試系統(tǒng)的位移計(jì)連接彈模纖維筋兩端，并通過(guò)數(shù)據(jù)電纜連接于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。3、一種混凝土抗裂能力評(píng)價(jià)方法，其特征在于包括以下步驟(1)應(yīng)用權(quán)利要求1或2所述的裝置測(cè)量并計(jì)算混凝土的極限拉伸率sp，徐變系數(shù)Vc，干燥收縮變形Sd，，自生體積變形^，溫差A(yù)T，線性膨脹系數(shù)oi及基礎(chǔ)約束系數(shù)R;(2)將上述測(cè)得的數(shù)值代入以下公式，計(jì)得抗裂因子Kae。c一i卞r"、—&式中Sp~~混凝土極限拉伸率；Vc^^變系數(shù)；ed,s~~干燥收縮變形；ea,s~—自生體積變形；AT~~溫差；(X^線性膨脹系數(shù)；R——基礎(chǔ)約束系數(shù)；0^1。(3)根據(jù)抗裂因子Kac的大小得知混凝土抗裂性能的強(qiáng)與弱。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種混凝土開(kāi)裂敏感性測(cè)試裝置，由一干燥收縮測(cè)試裝置，一自收縮測(cè)試裝置，及一約束收縮測(cè)試裝置組合而成。本發(fā)明的混凝土開(kāi)裂敏感性測(cè)試裝置及評(píng)價(jià)方法，可在線計(jì)算混凝土經(jīng)時(shí)彈性模量變化、混凝土收縮應(yīng)力、抗裂因子以評(píng)價(jià)混凝土配合比及在配筋條件下的整體抗裂能力，主要用于控制現(xiàn)澆混凝土的開(kāi)裂敏感性，特別是控制膠凝材料的開(kāi)裂趨勢(shì)，從而減少現(xiàn)澆混凝土的收縮應(yīng)力，降低混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。文檔編號(hào)G06F19/00GK101122596SQ20071003005公開(kāi)日2008年2月13日申請(qǐng)日期2007年9月4日優(yōu)先權(quán)日2007年9月4日發(fā)明者王勝年,王迎飛,黃雁飛申請(qǐng)人:中交四航工程研究院有限公司