测量单轴压缩过程混凝土导热系数下降率的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种测量单轴压缩过程混凝土导热系数下降率的装置，属于混凝土 建筑技术领域。
【背景技术】
[0002] 在大体积混凝土工程领域，水泥的水化热、外界温度骤变和结构承受的外荷载均 有可能使混凝土发生开裂，裂纹的存在导致混凝土的导热系数下降，进而影响裂纹的扩展。 因此，了解混凝土开裂对导热系数的影响规律，对于热-力耦合分析，以及防止裂纹的进一 步扩展是极其重要的。然而，目前人们对损伤混凝土导热系数的变化规律并没有一个定量 的认识，没有用于研究开裂混凝土导热系数的实验装置。为此，结合混凝土力学实验规程与 混凝土导热系数测量规范要求，本发明旨在通过试验量测获得混凝土试件在单轴受压破裂 过程中导热系数的变化规律。
[0003] 物质导热系数的获取途径主要有实验测量、理论推算或数值模拟等方法，但由于 混凝土的非均质性，其导热系数离散性较大，目前虽有相关数值研究，但仍需实验测量加以 验证。根据导热系数的实验测量原理，其测量方法主要分为瞬态法和稳态法两类。
[0004] 瞬态法是指在试验过程中，通过测量混凝土试件内某点温度随时间变化的规律和 其他相关参数，以确定混凝土试件导热系数的方法。瞬态法虽具有高效、便捷等优点，但由 于混凝土在开裂过程中裂纹位置与数量均不确定，所以该方法并不适用于本发明。
[0005] 稳态法是最早应用的测量方法，该方法普遍适用于混凝土导热系数测量，具有可 靠性高、使用方便、测量成本低等优点。稳态法的基本原理是：在混凝土试件两平行表面上 建立均匀温度边界，平行面之间的温度差使得混凝土试件内部呈现无限大平板中的一维均 匀热流密度，即当混凝土试件内温度分布达到稳定后，通过测量流过混凝土试件的热量和 温度梯度等参数来确定混凝土试件的导热系数。稳态法测量导热系数原理可表示为
[0007] 其中，Q为加热功率，1为混凝土试件厚度（边长），A为加热面积，ΔΤ为准稳态下 混凝土试件两面温度差。该方法适用于本发明的原因在于：稳态法无需将温度传感器和热 源深埋在混凝土试件内，较好得保留混凝土试件的力学性能；能够体现混凝土试件内部的 复杂开裂过程对混凝土导热性能的影响。
【发明内容】
[0008] 目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种测量单轴压缩过程混凝 土导热系数下降率的装置，为了在混凝土试件压缩破坏过程中测量混凝土试件的导热系 数，装置满足《水工混凝土试验规程》DL/T5150-2001和《绝热材料稳态热阻及有关特性的 测定防护热板法》GB/T 10294-2008对混凝土力学实验和导热系数测量的要求。
[0009] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0010] 一种测量单轴压缩过程混凝土导热系数下降率的装置，其特征在于：包括支架、绝 热泡沫板、保温层、加热单元、导热硅胶、制冷单元、压板、弹簧压板、支架上框、弹簧；
[0011] 所述支架为用于容纳混凝土试件的框架结构，包括矩形底板和四角位置垂直设置 的支柱，所述支架上框与支架相配合形成完成的立方体框架；混凝土试件放置在支架的中 央，混凝土试件的上表面设置压板并通过支架上框固定，混凝土试件与底板、压板之间分别 垫设有保温层；混凝土试件的第一对平行面，其中的一面支柱间从内往外依次嵌入加热单 元和绝热泡沫板，另一面支柱间从内往外依次嵌入导热硅胶和制冷单元；混凝土试件的第 二对平行面的支柱间分别嵌入绝热泡沫板；相邻的支柱两两之间固定设置弹簧压板，所述 弹簧压板的两端分别固定在相邻的两个支柱的同一平面上，弹簧压板的内侧设置有弹簧， 用于保证混凝土试件表面与四周材料充分接触。
[0012] 所述导热硅胶和加热单元中分别内置热电偶。作为优选方案，热电偶选用PtlOO。
[0013] 作为优选方案，所述保温层为石棉布。
[0014] 所述的测量单轴压缩过程混凝土导热系数下降率的装置，其特征在于：所述支架 的支柱内侧棱边设有2mm倒角，以保证支架不会影响混凝土试件自由变形。
[0015] 所述的测量单轴压缩过程混凝土导热系数下降率的装置，其特征在于：所述支架 和压板的材质为钢。
[0016] 本发明还提供一种测量单轴压缩过程混凝土导热系数下降率的方法，采用上述的 测量单轴压缩过程混凝土导热系数下降率的装置，包括以下步骤：
[0017] 1)测定支架和压板钢材的弹性模量E，测量支架底板厚度I1以及压板厚度1 8;
[0018] 2)取已知导热系数混凝土试件，测定装置的修正系数B ;
[0019] 3)将混凝土试件置于装置中，将装置组装并置于试验机托台上；
[0020] 4)测量未开裂混凝土试件的导热系数λ &&;加热单元和制冷单元稳定工作，观 察热电偶读数，等待温差稳定，读取功率，功率Ilastl。与温差Δ !\lastl。；
[0021] 5)测量弹性状态混凝土试件的导热系数λ &&;启动万能试验机，对钢制压板施 加压缩荷载，力控制施加荷载，荷载值增加至试件标号强度的20%，保持荷载；观察热电偶 读数，等待温差稳定；记录此时的荷载F、W elastl。与Δ T elastl。；
[0022] 6)测量压缩开裂状态混凝土试件的导热系数使用力控制荷载，以 0. 3MPa/s的速度施加试件标号强度的20 %的荷载，随后保持荷载；观察热电偶读数，等待 温差稳定；记录此时的荷载F、功率温差反复本步操作，直至混凝土试件 失去承载能力；同时，万能试验机记录混凝土试件的单轴压缩荷载F与位移变形U的曲线；
[0023] 7)数据处理：由对应荷载下记录的荷载F、位移变形U可计算混凝土试件的应 力-应变关系
[0024] Q11= F/A (4)
[0025] ε π= [U-σ η/Ε · (I^l8) ]/I (5)
[0026] 式中，σ η和ε η分别为混凝土试件的压缩应力和应变；1为立方体混凝土试件边 长；A为试件的受压面面积；
[0027] 将记录的功率W、温差Δ T代入下式，则可得到混凝土试件在对应荷载下的导热系 数下降率η
[0029] 有益效果：本发明提供的一种测量单轴压缩过程混凝土导热系数下降率的装置， 混凝土试件置于支架内受压缩荷载，同时加热单元与制冷单元在混凝土试件两平面间建立 温差。支架用于固定混凝土试件与加热单元、制冷单元、保温材料、导热硅胶的相对位置。 混凝土试件受压后变形，挤压保温材料、导热硅胶、制冷单元和加热单元，使其向四周外移， 支架的四周支柱用于确定四周材料的移动轨迹，支柱上的弹簧压板和弹簧提供一个不影响 力学实验的适当围压，以保证制冷单元（上的导热硅胶）和加热单元与混凝土试件表面贴 合，尽量减少接触热阻。使用石棉布分别将混凝土试件底部与支架内壁面以及顶部与压块 隔开，保证混凝土试件与支架隔热。在混凝土试件承受一定压缩荷载的情况下，混凝土试件 内部混凝土试件热流密度达到稳态，温度在混凝土试件内呈一维稳定分布。此时读取预先 埋置的热电偶显示的温度数值和加热单元的发热功率（耗电功率），即可计算得到压缩损 伤混凝土试件的导热系数。导热硅胶和加热单元中分别内置热电偶，如此则可保证混凝土 试件完整性，保留其原有的力学性能。热电偶选用Ptioo,该型号在测温领域广泛使用，具有 高稳定性、高精度、小尺寸、对温度响应速度快以及不需要冷端补偿等优点。在不影响混凝 土试件单轴压缩加载的情况下，测量混凝土试件在不同应变状态下的导热系数。本发明装 置的特点在于：
[0030] 1、支架以及上框、压板、弹簧压板与弹簧等部件为混凝土试件在单轴压缩过程中 提供导热系数测量的热学环境，其尺寸特征在于：依据水工混凝土实验规程，混凝土试件尺 寸为150 X 150 X 150mm3立方体，万能试验机托盘为250 X 250mm2正方形，由此确定了支架外 观尺寸。由于混凝土试件在受力过程中会向四周膨胀变形，支架的支柱内侧棱边设计有2_ 倒角，以保证支架不会影响混凝土试件自由变形。支柱外侧制有弹簧压板以保证制冷单元、 加热单元与混凝土试件表面充分接触，在不影响混凝土试件变形的情况下尽量减少接触热 阻。在工作中由于支架底板受力，四周支柱将向内倾斜，利用支架上框可消除支柱的扰度。
[0031] 2、加热单元为导热系数测量提供均匀稳定的热源，其特征于：使用导热性能较好 的绝缘硅胶片包裹热热丝，与低压恒定电源和功率采集表串联。依据混凝土导热系数测量 规范，混凝土试件冷热面温差选择20K，则加热板功率设计为20W。柔软的硅胶使得混凝土 试件变形后的不规则表面仍能够充分受热。热单元硅胶夹层内预先埋置热电偶。
[0032] 3、冷却单元为混凝土试件的冷面提供稳定的温度，其特征于：制冷方案为水冷，使 用铝材，制冷功率大于20W，工作时通以冷却水。与混凝土试件接触的冷却单元一面粘有 4_厚的导热硅胶片，柔软的硅胶可较好得贴服变形的混凝土试件表面，同时保护冷却单 元。导热硅胶片内置热电偶。
【附图说明】
[0033] 图1为本发明装置的爆炸图；
[0034] 图2为本发明装置的横向剖视图；
[0035] 图3为本发明装置的工作示意图；
[0036] 图4为本发明装置的热学工作示意图；
[0037] 图5为四次测量整理结果；
[0038] 图中：1、支架；2、绝热泡沫板；3、石棉布；4、混凝土试件；5、加热单元；6、导热硅 胶；7、制冷单元；8、压板；9、弹簧压板；10、支架上框；11、螺丝；12、弹簧。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
[0040] 如图1和图2所示，一种测量单轴压缩过程混凝土导热系数下降率的装置，包括支 架1、绝热泡沫板2、石棉布3、加热单元5、导热硅胶6、制冷单元7、压板8、弹簧压板9、支架 上框10、螺丝11、弹簧12 ;
[0041] 支架1放置于试验机托台上，混凝土试件4放在支架1的中央，混凝土试件4底部 与支架1接触面垫石棉布3 ;选择混凝土试件4的一对平行面，在一侧支柱间嵌入加热单元 5和绝热泡沫板2,另一面嵌入导热硅胶6和制冷单元7,在另一对平行面的支柱间分别嵌入 绝热泡沫板2。利用螺丝11将弹簧压板9和弹簧12固定于支架上，将四周材料压实，保证 混凝土试件表面与四周材料充分接触。然后将支架上框10固定以消除支架1受压后支柱 的扰度。在混凝土试件上依次放入石棉布3和压板8 ;接着，加热单元5与电源接通，