本发明涉及工程材料应用技术领域，尤其涉及一种用于水泥混凝土早期冻胀变形的测试装置及方法。
背景技术：
水泥混凝土是目前使用最为广泛的土木工程材料，力学强度与体积稳定性是影响这类材料工程应用的最重要性能指标。众所周知，混凝土之所以具有较高强度是由于其中的水泥颗粒与水发生水化反应，而水泥水化反应需要液态水的存在和较长时间养护才能达到设计强度要求；同时，低温环境条件下即便有液态水的存在，水泥水化反应速率也会显著降低，强度增长缓慢。因此，当新拌混凝土处于未经预养护、预养护时间不足、气温急剧下降等条件下受到低温环境作用时，由于水泥石结构尚未完全形成导致混凝土中存在大量可冻结的自由水，而且水泥石强度较低不足以抵抗自由水冻结产生的膨胀力，便会导致混凝土中微裂缝形成扩展而影响混凝土强度和长期性能发展。为了预防混凝土早期受冻破坏，大量研究与实际应用中主要通过掺入防冻剂降低水的冰点、掺早强剂加速水泥水化和强度发展、外部保温养护或额外提供热源以避免或延迟混凝土中自由水冻结等措施加以防范。即便如此，实际工程应用中也会常常出现混凝土早期受冻破坏的现象，因此预防早期冻害是严寒地区混凝土材料领域的重要研究课题。综合国家标准和相关文献，国内外目前普遍采用受冻后继续标准养护混凝土的抗压强度损失率、超声波传播速率和动弹性模量变化等测试方法与指标评价早期冻害对混凝土的不利影响。这些评价方法存在测试过程繁琐、实验工作量大、测试周期长、测试结果受实验操作者与实验环境条件影响大而精度较差等不足之处。同时，从混凝土早期冻害的机理分析，受冻害程度主要与混凝土受冻过程中的体积膨胀量直接相关，因而可以通过监测混凝土早期受冻体积膨胀率来评价冻害破坏程度，目前国内外尚未有关于这方面的测试方法。
技术实现要素：
本发明在于克服背景技术中存在的目前混凝土早期冻害损伤测试方法存在测试过程繁琐、测试结果受实验操作者与环境温度影响大而精度较差的问题，从而提供一种用于水泥混凝土早期冻胀变形的测试装置。该用于水泥混凝土早期冻胀变形的测试装置，可以用于实时监测混凝土受冻体积变形的测试，操作简单、快捷、精度高。本发明还提供一种用于水泥混凝土早期冻胀变形的测试方法。
本发明解决其问题可通过如下技术方案来达到：一种用于水泥混凝土早期冻胀变形的测试装置，包括容器，所述容器为带有空腔的双层容器，容器内装有冷冻液，冷冻液中置有橡胶密封袋，橡胶密封袋内装有测试的混凝土样品；容器外壁的上部和下部分别设有进口阀和出口阀，容器的顶部设有密封盖；密封盖的中心位置处设有圆形孔洞，孔洞内穿有缆绳，缆绳一端系于橡胶密封袋的上端口处；缆绳另一端通过滑轮a、滑轮b连接在容器b的上端；滑轮a、滑轮b分别通过两个连接杆水平平行固定在横杆下部，横杆的一端连接竖杆上端，竖杆下端固定在底板上，底板上置有容器c、容器a；容器b下部浸在容器c中的水面以下。
本发明还提供一种用于不同温度下水泥混凝土冻胀变形的测试方法，包括以下步骤：
1）将测试的混凝土样品装入柔性橡胶密封袋中，并反复摇晃保证混凝土与橡胶密封袋内壁充分接触而不形成空气层，测试的混凝土样品装满后将橡胶密封袋入口处用钢丝扎紧，使外界空气和溶液与混凝土样品完全隔绝；放置在恒温室中待用；
2）将容器a外壁上的进口阀和出口阀分别与负温恒温箱连接，使设定温度的流体介质在容器a的腔体中循环流动；在容器a的内筒中装入设定温度的冷冻液；
3）称量装有混凝土样品的柔性橡胶密封袋的质量，并将缆绳的一端固定在密封袋的上部，在容器b中装入一定质量的砂子，使砂子与容器b的质量总和相当于装有混凝土样品的柔性密封袋在冷冻液中的质量；
4）待混凝土达到一定养护时间后，将装有混凝土的柔性橡胶密封袋缓缓放入到冷冻液中，并将缆绳穿过圆形孔洞，绕过滑轮a、滑轮b，将缆绳的另一端固结在装有一定量砂子的容器b的顶部，关闭密封盖；
5）继续向容器b中加入细砂，直至滑轮a和滑轮b下部连结的缆绳基本相等，也即容器b和橡胶密封袋的顶部处于相同高度，记录下此时容器c中水的液面高度为h0；
6）随着装有混凝土的密封袋在冷冻液中浸泡时间的延长，混凝土孔隙中的自由水逐渐开始冻结膨胀，引起柔性的橡胶密封袋的外观体积逐渐变大，导致橡胶密封袋所受浮力增大而上浮，因而缆绳向容器b一侧缓慢偏移；
7）当容器b在装有水的容器c中下沉时，其所受浮力也随之增大，当容器b下沉产生的浮力增加值与橡胶密封袋膨胀所产生的浮力增加值相等时，两个滑轮两侧又恢复到平衡状态；
8）通过监测容器c中的水刻度值h随时间变化，通过h-h0差值便可换算出混凝土冻结所产生的体积膨胀量为：△v=(h-h0)*a1*ρ水/ρ冷，其中a1为容器c的断面面积，ρ水、ρ冷分别为水和冷冻液的密度。
本发明与上述背景技术相比较可具有如下有益效果：采用本发明的用于水泥混凝土早期冻胀变形的测试装置及方法，能够精确而便捷地测定尚未凝结或具有一定机械强度的不同配合比混凝土在不同负温环境下受冻时的宏观体积变形过程及最终体积变化率。该测试过程中冷冻液温度可以任意设定、整个测试过程中混凝土均处于设定好的恒负温环境中而不受到扰动，可用于实验研究和模拟实际温度环境测试。该测试装置工作原理简单、测试精度高、操作方便、适用范围广。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1、容器a；2、冷冻液；3、密封盖；4、进口阀；5、出口阀；6、温度传感器；7、橡胶密封袋；8、待测混凝土样品；9、孔洞；10、底板；11、竖杆；12、横杆；13、滑轮a；14、滑轮b；15、缆绳；16、容器b；17、容器c；18、刻度线。
具体实施方式：
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种用于水泥混凝土早期冻胀变形的测试装置，包括容器a1，所述容器a1为带有空腔的双层容器，容器a1内装有冷冻液2，冷冻液2中置有橡胶密封袋7，橡胶密封袋7内装有测试的混凝土样品8；容器a1内壁上安装温度传感器6；容器a1外壁的上部和下部分别设有进口阀4和出口阀5，容器a1的顶部设有密封盖3，密封盖3的中心位置处设有圆形孔洞9，孔洞9内穿有缆绳15，缆绳15一端系于橡胶密封袋7的上端口处；缆绳15另一端通过滑轮a13、滑轮b14连接在容器b16的上端；滑轮a13、滑轮b14分别通过两个连接杆水平平行固定在横杆12下部，横杆12的一端连接竖杆11上端，竖杆11下端固定在底板10上，底板10上置有容器c17、容器a1；容器c17中装有一定高度的水，容器c17与容器a1平行放置；容器c17的侧面设有刻度线18，容器b16下部部分高度浸没在容器c17中的水面以下；所述容器a1的外壁为塑料材质，内壁为金属材质，缆绳15为高强细钢丝材质；测试的混凝土样品8为搅拌好的水泥混凝土拌和物。
带有空腔的双层壁容器a1放置在装置的底板10上，容器a1的上部和下部分别设有进口阀4和出口阀5，通过分别与低温恒温箱外循环出口与进口连接，使设定温度的冷冻液在容器a1内外壁之间的空腔中循环流动，保证容器a1中盛装的冷冻液2温度恒定。双层壁容器a1的外壁为导热系数较低的塑料材质制成以减少循环冷液与外界周围环境之间的热量交换；内壁则为导致系数较高的金属材质，以保证冷冻液2与循环冷液之间快速达到热平衡。容器a1的顶部设有可打开、关闭的密封盖3，打开时便于放入混凝土样品，关闭时以保证冷冻液2的温度恒定；同时在密封盖3的中心位置处设有圆形孔洞9，便于缆绳15自由通过。测试的混凝土样品8密封在由柔性材质制备的橡胶密封袋7中，保证混凝土受冻后可以自由变形而不受外界约束作用，橡胶密封袋7的上端扎紧密封并与缆绳15的一端连接；缆绳15为高强细钢丝材质，缆绳15穿过圆形孔洞9、通过滑轮a13、滑轮b14，另一端连接在容器b16的上端；竖杆11下端固定在底板10上，上端与横杆12的一端连接；滑轮a13、滑轮b14分别通过两个连接杆固定在横杆12下部；容器c17中装有一定高度的水，并且与容器a1轴线对齐安置在底板10上，容器c17的侧面设有刻度线18，容器b16部分高度浸没在容器c17中的水面以下。
使用该用于水泥混凝土早期冻胀变形的测试装置的测试方法为：
1）将搅拌好的水泥混凝土拌和物装入柔性橡胶密封袋7中，并反复摇晃保证混凝土与橡胶密封袋内壁充分接触而不形成空气层，混凝土拌合物装满后将橡胶密封袋入口处用钢丝扎紧，使外界空气和溶液与混凝土样品完全隔绝；放置在恒温室中待用；
2）将容器a1外壁上的进口阀4和出口阀5分别与负温恒温箱连接，使设定温度的流体介质在容器a1的腔体中循环流动；在容器a1的内筒中装入设定温度的冷冻液2；
3）称量装有混凝土样品的柔性橡胶密封袋7的质量，并将缆绳15的一端固定在密封袋7的上部，在容器b16中装入一定质量的砂子，使砂子与容器b16的质量总和基本相当于装有混凝土样品的柔性密封袋7在冻冻液中的质量；
4）待混凝土达到一定养护时间后，将装有混凝土的柔性橡胶密封袋7缓缓放入到冷冻液2中，并将缆绳15穿过圆形孔洞9，绕过滑轮a13、滑轮b14，将缆绳的另一端固结在装有一定砂子的容器b16的顶部，关闭密封盖3；
5）继续向容器b16中加入细砂，直至滑轮a13和滑轮b14下部连结的缆绳基本相等，也即容器b16和橡胶密封袋7的顶部处于相同高度，记录下此时容器c17中水的液面高度为h0；
6）随着装有混凝土的密封袋在冷冻液中浸泡时间的延长，混凝土孔隙中的自由水逐渐开始冻结膨胀，引起柔性的橡胶密封袋7的外观体积逐渐变大，导致橡胶密封袋7所受浮力增大而上浮，因而缆绳向容器b16一侧缓慢偏移；
7）当容器b16在装有水的容器c17中下沉时，其所受浮力也随之增大，当容器b16下沉产生的浮力增加值与橡胶密封袋7膨胀所产生的浮力增加值相等时，两个滑轮两侧又恢复到平衡状态；
8）因此，通过监测容器c17中的水刻度值h随时间变化，通过h-h0差值便可换算出混凝土冻结所产生的体积膨胀量为：△v=(h-h0)*a1*ρ水/ρ冷，其中a1为容器c17的断面面积，ρ水、ρ冷分别为水和冷冻液的密度。
采用本发明的用于水泥混凝土早期冻胀变形的测试装置及方法，能够精确而便捷地测定尚未凝结或具有一定机械强度的不同配合比混凝土在不同负温环境下受冻时的宏观体积变形过程及最终体积变化率。该测试过程中冷冻液温度可以任意设定、整个测试过程中混凝土均处于设定好的恒负温环境中而不受到扰动，可用于实验研究和模拟实际温度环境测试。该测试装置工作原理简单、测试精度高、操作方便、适用范围广。