专利名称：水泥基材料膨胀/收缩应力测试方法
技术领域：
本发明涉及一种水泥基材料膨胀/收缩应力测试方法，可以评价用于配制补偿收缩混凝土的膨胀剂膨胀效果，属于水泥基材料测试技术领域。
背景技术：
补偿收缩混凝土是指在混凝土中掺用膨胀剂或用膨胀水泥，在一定约束条件下，产生适度膨胀且产生一定的自应力的混凝土。主要用于结构自防水、填充性膨胀二期工程、延长建筑物伸缩缝或后浇带间距的连续浇筑的钢筋混凝土工程以及大体积混凝土工程。膨胀成分依靠本身的化学反应或与水泥其他成分反应，在混凝土硬化过程中产生一定的限制膨胀补偿或部分补偿混凝土硬化过程中的收缩。
补偿收缩混凝土配制的关键技术是掺用膨胀剂，产生膨胀，并在一定的约束条件下产生膨胀压应力，以补偿在干燥条件下由于收缩产生的拉应力，提高混凝土的抗裂性。在目前评价膨胀剂补偿收缩的效果上，主要还是采用在一定的配合比和养护条件下测试掺入膨胀剂的水泥净浆、砂浆、混凝土的膨胀/收缩变形量，来比较和评判不同膨胀剂的效果，如JC 476《混凝土膨胀剂》标准规定了通过测试掺入一定量的膨胀剂的限制胶砂试件，通过测试20℃水中养护7d的限制膨胀率和相对湿度65％的空气中的干缩变形，来评判和比较不同膨胀剂的优劣；专利00261525.8”水泥砂浆膨胀收缩测量仪”和专利0324493.1“混凝土限制膨胀收缩装置”提出了专门用于测试水泥砂浆和混凝土限制收缩的方法。这些测试装置和评价方法在一定程度上可以反映出不同膨胀剂膨胀效能的大小。但是，由于水泥混凝土的一种具有时变特征的弹塑性材料。其杨氏模量和徐变参数均会随着时间而演变，在水化硬化的早龄期，模量相对较小，而徐变松弛特征明显，膨胀效能由于应力松弛而消耗，因此大膨胀值不一定产生大的膨胀压应力；反之，当水泥的水化硬化达到一定的程度后，模量增长显著，徐变松弛行为减弱，约束条件下较小的膨胀值也可能产生大的膨胀压应力。因此，从评估开裂风险的角度，单纯测试膨胀/收缩值来评价膨胀剂的膨胀效能是不够的，更加科学的评价方法是测试出膨胀/收缩应力，以正确反映膨胀剂的膨胀效能。
作为一种弹塑性材料，约束条件下由于变形产生的应力本身并不能够直接测量，通常采用的方法大多是测量约束条件下的限制变形，并进一步通过力学分析来计算应力。约束条件不同，力学分析的模型不同，都有可能给计算结果的精度带来显著的影响。轴约束试验方法是通过约束混凝土条形试件的轴向变形和测量试件的应力来检测试件在不同条件下的开裂行为。如德国慕尼黑工业大学研制的开裂试验架和后来发展的温度应力试验机，通过对混凝土试件自成型开始的应变实时监测，并通过步进电机复位，从而提供近似100％的约束，相应的膨胀/收缩应力也可以通过安装在步进电机上面的力传感器同步测试出来。这种方法能够综合、全面地反映混凝土材料的应力应变特性，也可以用于科学评价膨胀剂的膨胀效能。但是，这种方法设备一次性投资很大，操作复杂，未能在工程实践中推广应用。专利200310117098.0公布了一种简易的水泥砂浆、混凝土收缩应力测试方法和装置，其中装置如图1所示，其中1为约束钢筋、2为滑移套管、3为约束端板、4为锚固件、5为球形测头、6为约束区、7为裂缝观察区。混凝土浇筑在钢筋骨架中，与钢筋骨架一起变形，通过测试两端钉头的变形来计算膨胀/收缩应力，应力σ的计算过程如下 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 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。
采用这种方法可以简便地计算出水泥混凝土在限制条件下的收缩和膨胀应力，但是由于约束主要由中间的钢筋提供，其约束程度主要由中部钢筋的尺寸决定，约束程度不够大，并且中部和两端均存在应力集中。此外，该方法在测试过程中需要搬动试件，很难重复定位，因此容易引起测量误差，影响计算结果，并且由于需要搬动试件，无法测量出早期的膨胀和收缩应力，并且对于初裂时间的判定，由于需要人为观测，因此无法准确判定。
发明内容
本发明提供一种水泥基材料膨胀/收缩应力测试方法，采用的装置结构简单，可实现从浇筑成型开始的应变、应力测量，操作简单可靠，力学模型清楚。
本发明提供一种水泥基材料膨胀/收缩应力测试方法，采用的装置结构简单，可实现从浇筑成型开始的应变、应力测量，操作简单可靠，力学模型清楚。
水泥基材料膨胀/收缩应力测试方法，采用水泥基材料膨胀/收缩应力测试装置，所述水泥基材料膨胀/收缩应力测试装置包括同轴设置且高度相同的内、外圆环、相互电连接的应变测试装置和数据采集装置，所述内、外圆环材质相同，所述应变测试装置包括多个测试应变片，所述测试应变片在外圆环外表面和内圆环内表面上沿周向均匀分布，每个测试应变片均与数据采集装置电连接，将水泥基材料浇筑在内、外圆环之间，测试内外圆环的应变，按下式计算水泥基材料内半径为r处的膨胀/收缩应力 式(I)中， R1、R2、R3、R4依次为内圆环的内、外半径、外圆环的内、外半径； P1和P2分别是作用在外环和内环上的应力， 其中， εI为实测内圆环应变； εO为实测外圆环应变； ES为圆环的弹性模量。
使用本发明时，水泥基材料(如净浆、砂浆或混凝土)浇筑在两个环之间。在膨胀过程中，内环和外环均提供约束，通过测试出内环和外环的应变，根据力学分析可以准确计算出膨胀应力。在膨胀结束之后，如果水泥基材料开始收缩，则早期的膨胀应力逐渐释放，而在收缩过程中，内环又可以进一步提供收缩约束，通过测量内环的应变，同样可以根据材料力学的分析计算出收缩应力，进一步结合抗拉强度、弹性模量等辅助测试手段，可以评估开裂风险。使用本发明进行测试具体包括以下步骤 ①确定圆环的高度h和两个环之间的厚度(所成型水泥基材料的厚度)t。一般浇筑成型的横截面为正方形，此时h＝t。对于水泥净浆或砂浆，h为25～40mm，为了与自由收缩试件相对应，宜取25×25mm或40×40mm的截面尺寸，即h＝t＝25mm或40mm；对于混凝土试件，h和t均宜取混凝土中集料最大粒径的3倍以上的值。
②确定内、外圆环的尺寸，确定的依据遵循以下原则 a)内圆环的外半径R2为50mm-200mm； b)外圆环的内半径R3为R2+t，其中t为所成型水泥基材料的厚度； c)内圆环内半径R1根据所需要约束度，由约束度的计算公式得到 其中ES圆环的弹性模量； EC’被测的水泥基材料的弹性模量，为简化计算，取经验值即可； vS圆环的泊松比； vC被测的水泥基材料的泊松比； 将已确定参数带入式(II)即可得到R1， d)外圆环壁厚(R4-R3)等于(R2-R1)～1.2×(R2-R1)。
③以线切割方式制作圆环，也可以买市售的合适尺寸的钢管加工。作为本发明的优选方案，所述内、外圆环的材质为钢，更优选为低碳钢或Invar钢。由于Invar钢的线膨胀系数仅为普通钢材的1/10左右，采用Invar钢材料可以更加有效地避免温度的影响。
④在不吸水的平板上安装上定位螺钉，平板表面放一层柔性的PVC塑料薄膜，将内圆环和外圆环放在平板上，定位螺钉可以确保内圆环和外圆环的圆心重合。
⑤可在外环外表面和内环的内表面沿周向均匀贴上多个测试应变片，所述的测试应变片可以通过市场上买到，常见的有电阻应变片。作为优选方案，外圆环外表面和内圆环内表面沿中心高度的周向上各贴3-4个测试应变片。作为改进，所述应变测试装置还包括温度补偿应变片和参考件，所述温度补偿应变片贴在参考件表面，所述参考件与内圆环和外圆环材质相同。将测试应变片和温度补偿应变片均与数据采集装置电连接。
⑥试验原材料与试验装置应在试验温度条件下下存放至少1天。
⑦将搅拌好的净浆、砂浆或混凝土拌合物分两层浇入两个钢环之间，插捣密实。根据试验需要，确定所需要的养护条件进行养护，每组成型试件不少于3个。
⑧在浇筑成型完以后，可以立即采用数据采集装置进行测试，所述的数据采集装置可以通过市场上买到，如应变计。数据采集仪应具有至少0.000001m/m分辨率，数据采集间隔应设定在30分钟之内。通过应变计测量内外钢环的应变，可以根据式(I)计算出水泥净浆、砂浆或混凝土内的膨胀应力或收缩应力。当r＝R2时应力最大为σMAX。
⑨同步成型试件进行劈拉强度测量，并评定或预测开裂风险，具体包括以下内容 a)初裂时间TC确定通过内环应变突变确定每一个试件的初裂时间，精度不小于0.25天。如果在测试时间内没有开裂，则记录为‘没有开裂’，并同时记录试验结束时试验龄期。
b)应力发展速率在开裂时或试验结束时(没有开裂的试件)，应力平均每天发展的速率。
c)应力系数试件收缩时试件收缩应力的最大值σMAX与劈拉强度的比值。
d)开裂风险的预测可根据下表进行，开裂风险根据表1中任意一个指标达到规定范围进行判定。
表1开裂风险预测
采用本发明不仅可以通过测试约束钢环内、外表面的应变，定量计算掺不同膨胀剂混凝土/砂浆、净浆的膨胀应力及收缩应力，而且通过判定初裂时间、应力发展速率和安全系数来综合判定、预测约束条件下水泥净浆、砂浆或混凝土的开裂风险，与已有的方法相比较，本发明的主要优点如下 a.试验装置简单，具有多功能性，操作简便，在一定范围内，试件尺寸、边界情况对实验结果影响不大，易于推广及标准化，便于对试验结果的分析和比较； b.由于圆环的轴对称性，试件处于环向均匀拉伸应力状态，不会产生应力集中，几何和边界条件清晰，约束应力均匀，可以有效地克服轴向试件施加端部约束的困难和易产生偏心等缺点； c.约束钢环可以对混凝土收缩提供足够的约束限制，约束度可以大于90％； d.用测得的钢环应变计算混凝土环的实际残余应力(即收缩或膨胀应力)，用自由收缩、圆环变形和混凝土弹模计算理论弹性应力，比较残余应力和理论弹性应力，提供了材料中应力松弛的信息，能够反映材料的膨胀、干缩、自收缩、徐变、极限拉伸和弹性性质等在抗裂性方面的综合作用，充分表征了水泥净浆/砂浆/混凝土这种弹塑性材料的膨胀和收缩行为； e.可以实现自加水成型开始的测试，测试过程无需人为搬动试件，可以实现测试的连续、自动化，既可以有效测试早龄期的有效避免了测试过程中的人为误差，又可以精确地判定初裂时间。
图1是专利200310117098.0的应力测试装置； 图2是本发明所用水泥基材料膨胀/收缩应力测试装置的结构示意图； 图3是图2中中内、外圆环的俯视剖视图； 图4是实施例1中基准试件测试的圆环应变； 图5是实施例1中掺膨胀剂试件测试的圆环应变； 图6是实施例1中基准试件与掺膨胀剂试件的应力发展曲线； 图7是实施例2中基准试件测试的圆环应变； 图8是实施例2中掺膨胀剂试件测试的圆环应变； 图9是实施例2中基准试件与掺膨胀剂试件的应力发展曲线。
具体实施例方式 如图2、3所示，水泥基材料膨胀/收缩应力测试装置包括同轴设置且高度相同的内、外圆环1、2、相互电连接的应变测试装置和数据采集装置4，所述应变测试装置包括多个测试应变片3、温度补偿应变片5和参考件6，在外圆环2外表面和内圆环1内表面上各沿中心高度周向均匀分布4个所述测试应变片3，所述温度补偿应变片5贴在参考件6表面，所述参考件6与内圆环1和外圆环2材质相同。将每个测试应变片3和温度补偿应变片5均与数据采集装置4电连接。所述测试应变片3为电阻应变片，所述数据采集装置4为应变仪。测试应变片3和温度补偿应变片5、数据采集装置4均商购。测试时，先将拌合好的水泥基材料7浇筑在内、外圆环1、2之间，然后进行测试。
实施例1 1试验基本参数 圆环材料选用低碳钢，弹性模量为206GPa，泊松比0.3. 圆环尺寸为R1＝52mm，R2＝60mm，R3＝85mm，R4＝95mm，h＝t＝25mm。
试验配比(净浆)如下表 表2试验配合比(kg/m3)
表2中KB为基准试件(弹性模量20GPa、泊松比0.2)，PZJ为掺膨胀剂的试件(弹性模量18GPa、泊松比0.2)，试验环境条件为20℃，60％相对湿度。
2试验结果及分析 图4为C50-KB组钢环应变。对于净浆KB外环不受外力，基本为0，内环受压因此为负应变。在4.2天时候内环应变突变，表征了试件的初裂时间。
图5为掺膨胀剂的试件的钢环应变，试件在前1.5天处于膨胀状态，外环向外胀呈现正应变，内环受压向内缩呈现负应变。之后开始收缩，直到5.5天恢复到初长，内环外环应变变为0，之后试件开始净收缩，外环基本不受力无应变，内环受压为负应变。
图6为根据测试结果采用式(I)计算后试件应力的最大值σMAX发展图。正应力为拉应力，负应力为压应力。不掺膨胀剂的试件收缩拉应力基本为线性增长，在4.6天发展到4MPa左右开裂，并保有一定的残余应力，这是由于开裂并没有完全释放内部收缩应力造成的。掺膨胀剂PZJ一开始膨胀预压应力快速增长，在不到一天时间内即增长到3MPa，之后膨胀应力缓慢释放，在大约5.5天时变为0.之后由于收缩作用，缓慢产生收缩拉应力。在测试结束时约为1.2MPa，并未开裂。
表3开裂风险评定
根据上述试验结果与分析可以看出膨胀剂的掺入产生了膨胀应力，补偿了收缩，推迟了初裂时间，大大降低了水泥净浆的开裂风险，改善了水泥净浆的抗裂性。
实施例2 1试验基本参数 圆环材料选用Invar钢，弹性模量为160GPa，泊松比0.3。
圆环尺寸为R1＝100mm，R2＝115mm，R3＝145mm，R4＝160mm，h＝t＝75mm。
混凝土试验配比如下表(集料粒径5mm-10mm) 表4实施例2混凝土配合比(kg/m3)
表4中KB为基准混凝土试件(弹性模量30GPa、泊松比0.2)，PZJ为掺膨胀剂的混凝土试件(弹性模量28GPa、泊松比0.2)，试验环境条件为20℃，35％相对湿度，表面覆盖乙烯塑料薄膜绝湿养护2.5天后放在35％相对湿度下干燥。
图7为混凝土KB组钢环应变。在2.5天内内环外环应变基本为0，即混凝土在绝湿养护条件下并未明显变形。2.5天后开始干燥，内环受压，到测试结束时并未开裂。
图8为掺膨胀剂混凝土的钢环应变。对于混凝土PZJ在前2.5天绝湿条件下处于膨胀状态。之后干燥开始收缩，直到7.5天恢复到初长，内环外环应变基本变为0.之后试件开始净收缩，外环基本不受力无应变，内环受压为负应变。
图9为根据测试结果采用式(I)计算后试件应力的最大值σMAX发展图。KB组在2.5天前基本无应力，在开始干燥后收缩应力开始近似直线发展。在试验结束龄期14天发展到2MPa左右，但并未开裂。混凝土PZJ在2.5天内未膨胀应力发展期。在2.5天开始干燥后膨胀应力开始减小，到大约7.5天时膨膨胀应力减小为0，之后开始转为收缩应力。最后14天龄期发展到1MPa左右，并未开裂，尽管都没有开裂，但试验结果同样证明膨胀剂的掺入部分补偿了混凝土的收缩，降低了收缩应力的发展速度，提高了混凝土的抗裂能力。
权利要求
1.一种水泥基材料膨胀/收缩应力测试方法，其特征在于，采用水泥基材料膨胀/收缩应力测试装置，所述水泥基材料膨胀/收缩应力测试装置包括同轴设置且高度相同的内、外圆环、相互电连接的应变测试装置和数据采集装置，所述内、外圆环材质相同，所述应变测试装置包括多个测试应变片，所述测试应变片在外圆环外表面和内圆环内表面上沿周向均匀分布，每个测试应变片均与数据采集装置电连接，将水泥基材料浇筑在内、外圆环之间，测试内外圆环的应变，按下式计算水泥基材料内半径为r处的膨胀/收缩应力
式(I)中，
R1、R2、R3、R4依次为内圆环的内、外半径、外圆环的内、外半径；
P1和P2分别是作用在外环和内环上的应力，
其中，
εI为实测内圆环应变；
εO为实测外圆环应变；
ES为圆环的弹性模量。
2.如权利要求1所述的水泥基材料膨胀/收缩应力测试方法，其特征在于，内、外圆环的尺寸确定方法如下
a)内圆环的外半径R2为50mm-200mm；
b)外圆环的内半径R3为R2+t，其中t为所成型水泥基材料的厚度；
c)内圆环内半径R1根据所需要约束度，由约束度ψ的计算公式推算得到
其中ES圆环的弹性模量；
EC’被测的水泥基材料的弹性模量；
vS圆环的泊松比；
vC被测的水泥基材料的泊松比；
将已确定参数带入式(II)即可得到R1，
d)外圆环壁厚(R4-R3)等于(R2-R1)～1.2×(R2-R1)。
3.如权利要求1所述的水泥基材料膨胀/收缩应力测试方法，其特征在于，所述水泥基材料为水泥净浆或砂浆时，所述内圆环的高度h为25～40mm，所述水泥基材料为混凝土时，所述内圆环的高度h为混凝土中集料最大粒径的3倍以上。
4.如权利要求2或3所述的水泥基材料膨胀/收缩应力测试方法，其特征在于，h＝t。
5.如权利要求1-3中任一项所述的水泥基材料膨胀/收缩应力测试方法，其特征在于，所述应变测试装置还包括温度补偿应变片和参考件，所述温度补偿应变片贴在参考件表面，并与数据采集装置电连接，所述参考件与内圆环和外圆环材质相同。
6.如权利要求1-3中任一项所述的水泥基材料膨胀/收缩应力测试方法，其特征在于，所述内、外圆环的材质为钢。
7.如权利要求6所述的水泥基材料膨胀/收缩应力测试方法，其特征在于，所述内、外圆环的材质为低碳钢或Invar钢。
8.如权利要求1-3中任一项所述的水泥基材料膨胀/收缩应力测试方法，其特征在于，外圆环外表面和内圆环内表面沿中心高度的周向上各贴3-4个测试应变片。
9.如权利要求1-3中任一项所述的水泥基材料膨胀/收缩应力测试方法，其特征在于，所述数据采集装置具有至少0.000001m/m分辨率，数据采集间隔不大于30min。
全文摘要
本发明涉及水泥基材料膨胀/收缩应力测试方法，采用水泥基材料膨胀/收缩应力测试装置，所述水泥基材料膨胀/收缩应力测试装置包括同轴设置且高度相同的内、外圆环、相互电连接的应变测试装置和数据采集装置，所述内、外圆环材质相同，所述应变测试装置包括多个测试应变片，所述测试应变片在外圆环外表面和内圆环内表面上沿周向均匀分布，每个测试应变片均与数据采集装置电连接，将水泥基材料浇筑在内、外圆环之间，测试内外圆环的应变，按式(I)计算水泥基材料内半径为r处的膨胀/收缩应力。本发明的主要优点如下a.试验装置简单，操作简便，b.约束应力均匀，c.可实现自加水成型开始的测试，测试过程无需搬动试件，可以实现测试的连续、自动化。
文档编号G01N33/38GK101769916SQ201010100449
公开日2010年7月7日 申请日期2010年1月25日 优先权日2010年1月25日
发明者田倩, 缪昌文, 刘加平, 张建业, 姚婷, 郭飞, 王育江 申请人:江苏博特新材料有限公司, 江苏省建筑科学研究院有限公司, 南京道鹭建设材料厂