专利名称：水泥砂浆、混凝土收缩应力测试方法
技术领域：
本发明涉及一种测试方法，具体讲是一种水泥砂浆、混凝土收缩应力测试方法。适用于测试水泥砂浆或混凝土在规定的温湿度条件下，不受外力作用所产生的内部应力变化，包括膨胀产生的压应力和收缩产生的拉应力。
背景技术：
水泥砂浆与混凝土材料是建筑工程中应用最广、最成功的建筑材料之一，但其所具有的各向异性及材料的非均质性导致的拉压比低的特点也暴露了这种材料在使用中的局限性，因此解决它的收缩裂缝问题一直为混凝土科学的一个传统研究课题。特别是混凝土高强度和高性能化以来，此问题更为突出。以往的水泥砂浆与混凝土材料的收缩应力没有办法提前预测，通常是在工程完工后的使用期间，水泥砂浆或混凝土发生开裂，然后对其进行裂后分析，再对此施行维护或者重新施工；其费工费力，劳民伤财，严重者还会危及人民的生命安全。
发明内容
以上提出的问题，正是本发明要解决的问题，本发明的目的就是要提供一种用应力指标评价混凝土的收缩开裂，能够直观、有效解决实际问题的收缩应力测量方法，使今后混凝土的各种收缩试验像强度试验一样简单方便。
为了实现上述目的，本发明采用由本申请人申请并已授权，专利号为00261525.8的实用新型专利“水泥砂浆膨胀收缩测量仪”和申请号为03244493.1的实用新型专利“混凝土限制膨胀收缩装置”配合使用，对水泥砂浆及混凝土变形应力进行测量的一种水泥砂浆、混凝土收缩应力测试方法，包括以下步骤1)通过水泥砂浆或混凝土集料中的最大粒径确定其试体的大小；2)将水泥砂浆或混凝土集料装入混凝土限制膨胀收缩装置后形成试块，通过水泥砂浆膨胀收缩测量仪测量出所述试块的变形量，根据其变形量计算出其应力值；具体操作如下a)测量3小时前，将混凝土限制膨胀收缩装置、水泥砂浆膨胀收缩测量仪与一标准杆放入测量室内，用标准杆对水泥砂浆膨胀收缩测量仪进行校正；b)将混凝土限制膨胀收缩装置一面朝上放置，测量其混凝土限制膨胀收缩装置的初始长度，所述混凝土限制膨胀收缩装置在测量期内方向及位置固定不变；
c)将完成步骤b)的混凝土限制膨胀收缩装置置于一试模内，在试模内分次装入水泥砂浆或混凝土，将其插捣密实；在其表面铺覆一层防止水分蒸发的盖布；d)将步骤c)形成的试模送入养护；e)将步骤d)养护成型的试模脱模，按照规定的测量时间测量所述混凝土限制膨胀收缩装置的变形量；f)将所述混凝土限制膨胀收缩装置的横截面、所述限制钢筋的弹性模量及钢筋直径数值代入以下公式，求出所述试块的应力σσ=ϵ×E×πD24×(A-πD24)]]>其中E是“混凝土限制膨胀收缩装置”内设限制钢筋的弹性模量；D是“混凝土限制膨胀收缩装置”内设限制钢筋的钢筋直径；A是“混凝土限制膨胀收缩装置”的横截面面积；ε是在所述规定测量时间内“混凝土限制膨胀收缩装置”的变形量。
其中变形量ε由步骤b)测定的初始长度值与试块在所述规定测量时间内测得的长度值代入下述公式，可以求出所述混凝土限制收缩装置长度的变形量，所述公式如下ϵ=L2-L1L0×100%]]>其中L2为试块在试验期测得的长度读数；L1为混凝土限制收缩装置的初始长度；L0为试块基准长度，即混凝土限制膨胀收缩装置中灌入水泥、水泥砂浆或混凝土部分的长度；g)对不同龄期的试体在所述规定时间±1小时内测量。
步骤1)所述的水泥砂浆试体的截面尺寸(宽、高)为10mm～100mm，长度10mm～1000mm，混凝土试体的截面尺寸(宽、高)为50mm～400mm，长度50mm～2000mm。
所述水泥砂浆膨胀收缩测量仪的使用精度值至少为0.001mm。
步骤b)所述的限制钢筋直径根据工程要求的钢筋直径选定。
在步骤e)、f)、g)中所述规定的测量时间是根据试验者的要求设定的，一般为1天、3天、7天、14天，以后按每间隔7天测量一次，也可以每天连续测量；最终时间可以是数天、一个月、数个月乃至若干年。
步骤d)的养护条件是在养护室的标准温度和湿度下进行的，所述标准温度为20℃±3℃，所述标准湿度为90％以上；步骤d)的养护也可以在恒温恒湿条件下进行的，所述恒温温度为20℃±2℃，所述恒湿相对湿度为60±5％。
步骤d)的养护条件还可以在自然温度及湿度条件下进行的。
所述混凝土限制膨胀收缩装置测头与所述水泥砂浆膨胀收缩测量仪测头接触，读数精确值大于0.001mm。
所述试块按组测试，每组成型三个试块，取其平均值作为长度变化值，其计算值精确至小数点后至少三位，特殊情况下还可以保留多位。
本发明由于采用以上方法，其具有以下优点1、采用水泥砂浆膨胀收缩测量仪与混凝土限制膨胀收缩装置配合使用，通过测量混凝土限制膨胀收缩装置长度变化，便可以通过公式推导计算，计算出混凝土内部应力，得到混凝土内的膨胀、收缩应力变化值，即可客观地评价混凝土开裂程度和抗裂能力，因此解决了长期以来一直无法解决的混凝土收缩应力预测问题。2、通过“水泥砂浆膨胀收缩测量仪”测得混凝土试体的纵向限制变形量，并采集到相关数据，输入至与其连接的计算机内，再根据“混凝土限制膨胀收缩装置”反映的变形量，同步计算出混凝土内部应力情况；比较不同配合比的混凝土之间的应力情况，可以判断混凝土抵抗收缩应力能力的大小，进而预测混凝土发生裂缝的时间和几率，将现在的裂后分析改为事前预防，具有直观、科学、有效及仿真性强的特点。3、所用装置及测量仪结构简单、易操作且测量精确度高，可以在混凝土施工前根据工程不同部位的配筋、约束情况，限制钢筋直径，选用相应的“混凝土限制膨胀收缩装置”为混凝土进行收缩应力设计奠定基础，为新材料的研发提供新平台。4、混凝土的早期收缩如塑性收缩、水化产生的化学减缩、低水胶比导致的早期自干燥收缩很难用现有的方法进行测量表述，原因在于现在的方法确定的初始长度是混凝土脱模后的长度，而混凝土浇筑至脱模这段时间内混凝土发生的长度变化无法测量。但是通过本方法可以将这些变形转换为应力进行分析，精确测量到这些收缩导致的应力变化。5、可以比较相同试验条件下不同配合比的混凝土之间的收缩应力差别，也可以对同一配合比的混凝土在不同试验条件下的收缩应力进行比较。
图1为本发明采用的混凝土限制膨胀收缩装置结构示意2为本发明采用的水泥膨胀收缩测量仪结构示意3为实施例一混凝土测量应力曲线4为实施例二膨胀混凝土测量应力曲线5为实施例三的测量应力曲线6为实施例四的测量应力曲线7为实施例五的测量应力曲线8为实施例六的测量应力曲线图具体实施方式
首先对本发明采用的“水泥砂浆膨胀收缩测量仪”与“混凝土限制膨胀收缩装置”进行详细介绍。
如图1所示，混凝土限制膨胀收缩装置由一约束钢筋1、滑移套管2、约束端板3、锚固件4与球形测头5组成，约束钢筋1两端分别固接有约束端板3，约束端板3两端固定有球形测头5，锚固件4固定于约束端板3上，滑移套管2套设于约束钢筋1的中部。当混凝土浇灌于混凝土限制膨胀收缩装置内，混凝土凝固形成一与约束端板3大小相同，与约束钢筋1长短相同的约束区，在设有滑移套管2的约束钢筋1上，混凝土不直接与约束钢筋1接触，不受约束钢筋1的握裹力约束，导致设有滑移套管2长度范围内混凝土拉应力较大，易开裂，可以在滑移套管2的长度范围内观察到混凝土开裂；若在约束区中部相对于滑移套管2长度范围内将混凝土试块改变截面，使其截面变小，则更易于使应力集中产生，形成裂缝观察区，此处即为混凝土拉应力最大的区段，也就是混凝土最容易开裂的区段。二个球形测头5固定于约束端板3的外侧，当测量混凝土试块收缩时，与混凝土膨胀收缩测量仪的上下平面测头紧密接触，形成点面接触，使混凝土试块中轴线与仪器上下测头精确对中，提高了测量精度。在约束端板3的内侧垂直固定有若干个锚固件4，每一个锚固件4上均设有约束铆钉，增强了对混凝土的约束效果。约束钢筋1可采用螺纹钢筋，也可以采用光面钢筋，可以达到模拟实际工程中混凝土所受到的约束效果。
如图2所示，水泥砂浆膨胀收缩测量仪为本申请人申请并已授权的专利技术，该测量仪的测量精度为0.001mm，该仪器由千分表6、基座7、上测头8与下测头9组成。将混凝土限制膨胀收缩装置形成的试块放入图2所示基座7内，将测量仪两端的测头8、9与所述混凝土限制膨胀收缩装置两端的球形测头5对准，通过其测量仪上的千分表6即可读出测量数据，通过与测量仪连接的计算机实现其数据的自动输出记录在校正“水泥砂浆膨胀收缩测量仪”后对“混凝土限制膨胀收缩装置”进行初始长度测量，采集记录测量值；对浇筑完水泥砂浆或混凝土的“限制膨胀收缩装置”试块在脱模后进行测量，采集记录测量值；测量方法与测量初始长度的方法一致，首先在混凝土限制膨胀收缩装置试块的一面设置编号，将设有编号的一面朝上放置进行测量，其方向及位置同初始长度的位置与方向一致，且至始不变。限制膨胀收缩装置试块两段的球形测头与测量仪的上下两个平面测头紧密接触，形成点面接触，使试块中轴线与仪器上下测头精确对中。
本发明利用了上述两个仪器和装置配合，对水泥砂浆及混凝土应力进行测试，比较几组不同配合比混凝土的收缩应力，选出其收缩应力小，抗裂性能好的混凝土用于施工，极大的提高了混凝土的性能指标及使用寿命。
依据上述所公开的测量装置和仪器，由如下具体实施例对实现本发明测试方法作进一步说明实施例一如图1所示，被测试体为灌注有水泥或混凝土的“混凝土限制膨胀收缩装置”；在测量3小时前，将一面设有编号空置的混凝土限制膨胀收缩装置、水泥砂浆膨胀收缩测量仪与一标准杆同放入一测量室内，擦净上述装置及测量仪和测头，用标准杆对水泥砂浆膨胀收缩测量仪进行校正；测量初始长度将“混凝土限制膨胀收缩装置”设编号的一面朝上放置，在没有灌注水泥混凝土前测量初始长度；试块制作把测量完初始长度的“混凝土限制膨胀收缩装置”置于试模中，然后将试验混凝土分次灌入试模，用捣棒轻轻插实，在操作时不能触动限制钢筋，否则会导致钢筋变形，影响测量精度。然后刮去多余的混凝土并抹平。再把试块置于规定的养护条件下进行养护，试块表面用塑料布或湿布覆盖，防止水分蒸发。
试块尺寸根据混凝土中集料的最大粒径选定，一般试块的截面尺寸是集料最大粒径尺寸的4倍，试块的长度是截面宽度的3倍以上。本实施例中混凝土试块的截面尺寸为100mm×100mm，长度515mm，混凝土限制膨胀收缩装置的限制钢筋直径为28mm，混凝土试块的基准长度为485mm。
将上述试块放入图2所示的水泥砂浆膨胀收缩测量仪的基座内，将测量仪两端的测头与所述混凝土限制膨胀收缩装置两端的球形测头对准，通过其测量仪上的千分表即可读出测量数据，通过与测量仪连接的计算机实现其数据的自动输出记录。
对脱模后的试体进行第一次测量，与初始长度值进行比较，通过计算就可以得到第1天的收缩应力。
然后将试体放于规定的养护条件下养护，其养护条件由试验者自行确定，也可以参考有关规范和标准确定，测量间隔时间(龄期)也由试验者自行确定。龄期的初始计算期从浇筑成型日算起。本实施例的试验温度为20℃±2℃，相对湿度为60±5％。测量龄期为1、2、3、4、5、9、12、16、19、21、23、26、29、33、35、40、42、46、49、51、52、53天，最终测量时间规定为53天。
本实施例中混凝土原料配方如表1中的编号1所列，将试块按前述试验方法在设定的龄期进行测量，在与“水泥砂浆膨胀收缩测量仪”相连的计算机上就可以得到其应力曲线。
如图3所示，由编号1配比的混凝土在龄期51天时，其收缩应力达到2.733MPa，此时混凝土的收缩应力达到其极限抗拉强度，混凝土开裂，而后发生应力松驰，产生裂缝时的应力(2.733MPa)和时间(龄期53天)均能由本发明测试方法较为准确的获得。
表1
根据混凝土限制膨胀收缩装置中限制钢筋本身的弹性模量，弹性模量一般取值为2.0×105MPa，限制钢筋所取的直径以及混凝土限制膨胀收缩装置的横截面面积；将设定与测量值代入下述公式，计算出该试块的应力值，应力值为正值，则表示膨胀压应力；应力值为负值，则表示收缩拉应力。
应力σ=ϵ×E×πD24×(A-πD24)]]>其中E是“混凝土限制膨胀收缩装置”内设限制钢筋的弹性模量；弹性模量取2.0×105MPa；D是上述限制钢筋的直径；A是“混凝土限制膨胀收缩装置”的横截面面积；ε是在规定测量时间测试的“混凝土限制膨胀收缩装置”的变形量。
上述混凝土限制膨胀收缩装置的变形量ε由下式计算ϵ=L2-L1L0×100%]]>其中L2——试块在试验期测得的长度读数；L1——试块长度的初始读数；L0——试块基准长度，“混凝土限制膨胀收缩装置”中灌注有水泥砂浆或混凝土部分的长度。
测试三个试块为一组数据，取其算术平均值作为长度变化值。计算要求精确至小数点后第三位。
表2是实施例一的运算结果。龄期0天时的“测量长度”是初始读数L1，以后各龄期则为L2，L0＝485mm，D＝28mm，E＝2.0×105MPa龄期1天为例计算三个试块的初始读数(L1)分别是0.064，0.053，0.009，1天后的读数(L2)是0.056，0.047，0.004，用1天的读数减去初始读数并除以L0，即(L2-L1)/L0，分别得到三个试块的变形量ε为-0.00165％，-0.00124％，-0.00103％，计算它们的算术平均值为0.00131％，将此值代入应力计算公式可以求得应力σ＝-0.171(MPa)。
表2测试数据计算
实施例二与实施例一不同之处在于，所述试块材料不同，其混凝土原料配方如表1中编号2所示；试块尺寸及测试方法均与实施例一相同。
编号2为加入有膨胀剂的膨胀混凝土，由于在水养护阶段贮存了较大的预压应力，进入干空收缩后，需要先抵消这部分预压应力，到龄期32天时，混凝土还处于受压状态。因此编号2掺膨胀剂的膨胀混凝土在相同条件下的收缩应力要小于编号1的普通混凝土。
如图4所示，在与计算机相连的测量仪上可以得到其应力曲线，编号2配比的混凝土在龄期32天时膨胀应力还达到0.07MPa，没有出现压应力，与编号1配合比相比，编号2具有好的抗裂能力。
利用实施例一的公式，可以计算出该混凝土所具备的膨胀压应力与收缩拉应力。
实施例三与实施例一不同点在于试块尺寸不同，根据混凝土中集料的最大粒径选定，混凝土试块的截面尺寸混凝土试体的截面尺寸一般为400mm×400mm，长度2000mm，混凝土限制膨胀收缩装置的限制钢筋直径为70mm，混凝土试块的截面尺寸基准长度1970mm，试验温度为21℃，相对湿度63％。其它测试方法及效果同实施例一。
如图5所示，在与计算机相连的测量仪上可以得到其应力曲线，从图中结果可以看出，该配比的混凝土早期收缩较小，2天以后收缩应力急剧增大，说明收缩加快，至15天时，收缩应力达到1.38MPa。
实施例四表1中编号3显示的是一个水泥砂浆的配合比。
水泥砂浆试体的截面尺寸为100mm×100mm，长度1000mm，限制钢筋的直径根据工程要求的钢筋直径为10mm。
取养护室的标准温度和湿度条件下进行养护，其标准养护室温度为20℃，先在相对湿度为90％以上的环境中养护7天，再转入相对湿度为60％的环境内养护。
水泥采用42.5MPa水泥。
其它测量方法同实施例一。实施效果如图6所示，由于在水养护阶段膨胀剂的膨胀作用，在试体内贮存了较大的预压应力，进入干空收缩后，需要先抵消这部分预压应力，到龄期19天时，试块还处于受压状态。因此编号3的水泥砂浆在相同条件下的抗裂能力要比一般砂浆好。
实施例五水泥净浆试体的截面尺寸一般为10mm×10mm，长度10mm，限制钢筋的直径根据工程要求的钢筋直径为2mm。
取恒温恒湿室条件养护，其恒温温度设为18℃，相对湿度为55％。
水泥采用42.5MPa水泥。
其它测量方法同实施例一。实施效果如图7所示，结果显示在本限制条件下，水泥浆体19天的收缩应力为0.7MPa。
实施例六与实施例一不同点在于试块尺寸不同，根据混凝土中集料的最大粒径选定，混凝土试块的截面尺寸混凝土试体的截面尺寸为50mm×50mm，长度200mm，混凝土限制膨胀收缩装置的限制钢筋直径为6mm，混凝土试块的截面尺寸基准长度170mm，试验温度为22℃，相对湿度65％。其它测试方法及效果同实施例一。
实施效果如图8所示，在本试验条件下，混凝土19天的收缩应力为0.49MPa。
权利要求
1.一种水泥砂浆、混凝土收缩应力测试方法，包括以下步骤1)通过水泥砂浆或混凝土集料中的最大粒径确定其试体的大小；2)将水泥砂浆或混凝土集料装入混凝土限制膨胀收缩装置后形成试块，通过水泥砂浆膨胀收缩测量仪测量出所述试块的变形量，根据其变形量计算出其应力值；具体操作如下a)测量3小时前，将混凝土限制膨胀收缩装置、水泥砂浆膨胀收缩测量仪与一标准杆放入测量室内，用标准杆对水泥砂浆膨胀收缩测量仪进行校正；b)将混凝土限制膨胀收缩装置一面朝上放置，测量其混凝土限制膨胀收缩装置的初始长度，所述混凝土限制膨胀收缩装置在测量期内方向及位置固定不变；c)将完成步骤b)的混凝土限制膨胀收缩装置置于一试模内，在试模内分次装入水泥砂浆或混凝土，将其插捣密实；在其表面铺覆一层防止水分蒸发的盖布；d)将步骤c)形成的试模送入养护；e)将步骤d)养护成型的试模脱模，按照规定的测量时间测量所述混凝土限制膨胀收缩装置的变形量；f)将所述混凝土限制膨胀收缩装置的横截面、所述限制钢筋的弹性模量及钢筋直径数值代入以下公式，求出所述试块的应力σσ=ϵ×E×πD24×(A-πD24)]]>其中E是“混凝土限制膨胀收缩装置”内设限制钢筋的弹性模量；D是“混凝土限制膨胀收缩装置”内设限制钢筋的钢筋直径；A是“混凝土限制膨胀收缩装置”的横截面面积；ε是在所述规定测量时间内“混凝土限制膨胀收缩装置”的变形量。其中变形量ε由步骤b)测定的初始长度值与试块在所述规定测量时间内测得的长度值代入下述公式，可以求出所述混凝土限制收缩装置长度的变形量，所述公式如下ϵ=L2-L1L0×100%]]>其中L2为试块在试验期测得的长度读数；L1为混凝土限制收缩装置的初始长度；L0为试块基准长度，即混凝土限制膨胀收缩装置中灌入水泥、水泥砂浆或混凝土部分的长度；g)对不同龄期的试体在所述规定时间±1小时内测量。
2.根据权利要求1所述的水泥砂浆、混凝土收缩应力测试方法，其特征在于所述步骤1)的水泥砂浆试体的截面尺寸(宽、高)为10mm～100mm，长度10mm～1000mm，混凝土试体的截面尺寸(宽、高)为50mm～400mm，长度50mm～2000mm。
3.根据权利要求1所述的水泥砂浆、混凝土收缩应力测试方法，其特征在于所述水泥砂浆膨胀收缩测量仪的使用精度值至少为0.001mm。
4.根据权利要求1所述的水泥砂浆、混凝土收缩应力测试方法，其特征在于步骤2是在养护室的标准温度和湿度下进行的，所述标准温度为20℃±3℃，所述标准湿度为90％以上；
5.根据权利要求1所述的水泥砂浆、混凝土收缩应力测试方法，其特征在于步骤2是在恒温恒湿条件下进行的，所述恒温温度为20℃±2℃，所述恒湿相对湿度为60±5％。
6.根据权利要求1所述的水泥砂浆、混凝土收缩应力测试方法，其特征在于步骤2是在自然温度及湿度条件下进行的。
7.根据权利要求1所述的水泥砂浆、混凝土收缩应力测试方法，其特征在于所述混凝土限制膨胀收缩装置测头与所述水泥砂浆膨胀收缩测量仪测头接触，读数精确值大于0.001mm。
8.根据权利要求1所述的水泥砂浆、混凝土收缩应力测试方法，其特征在于所述试块按组测试，每组成型三个试块，取其平均值作为长度变化值，其计算值精确至小数点后至少三位。
全文摘要
本发明公开了一种水泥砂浆、混凝土收缩应力测试方法，目的是提供一种直观、有效、简便的测量混凝土收缩应力的试验方法。其技术方案为一种水泥砂浆、混凝土收缩应力测试方法，包括以下步骤1)通过水泥砂浆或混凝土集料中的最大粒径确定其试体的大小；2)将水泥砂浆或混凝土集料装入混凝土限制膨胀收缩装置后形成试块，通过水泥砂浆膨胀收缩测量仪测量出所述试块的变形量，根据其变形量计算出其应力值；该方法将水泥砂浆膨胀收缩测量仪与混凝土限制膨胀收缩装置配合使用，解决了长期无法解决的混凝土收缩应力预测问题，其结构简单、易操作且测量精确度高，对客观评价膨胀混凝土的收缩开裂程度和抗裂能力具有积极的效果。
文档编号G01N19/00GK1547000SQ200310117098
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月9日 优先权日2003年12月9日
发明者赵顺增, 刘立, 姚燕 申请人:中国建筑材料科学研究院