一种测量早期混凝土松弛的试验方法与流程

本发明属于水利水电工程的
技术领域：
，特别是一种测量早期混凝土松弛的试验方法。
背景技术：
：大体积混凝土的裂缝问题一直是困扰国内外工程界的一个重要难题，混凝土裂缝的出现，不但影响着结构的外观质量，也严重影响着工程的使用寿命和安全，进而威胁到人民的生命财产。因此，如何避免裂缝的产生或者降低裂缝发生的可能就成为工程建设者所关心的问题，特别是大体积混凝土结构，温度裂缝是主要的裂缝形式。截止目前，对大体积混凝土的温度裂缝防止主要从如下三方面着手：(1)优化混凝土结构，改善受力特性；(2)材料方面改进，优化混凝土配合比，改善混凝土的材料性能，真实掌握混凝土热力学特性；(3)采取施工措施，降低混凝土温度，防止混凝土产生过大的温差。松弛是混凝土的主要材料参数之一，该参数的准确与否直接影响着对混凝土真实材料性能的掌控、温度应力的精确计算和施工措施的最终决策。通过松弛试验直接确定混凝土的松弛系数虽然可行，但比较费时费力；工程中一般也不做松弛试验，只进行徐变试验，依据松弛系数与徐变系数之间的关系，根据徐变试验资料来计算松弛系数；传统上，松弛试验方法也是混凝土恒温和绝湿条件，是在温度为20℃±2℃的恒温室进行，不能在混凝土本身温度变化条件下进行试验，不能体现混凝土的真实温度历程，不能进行混凝土的全过程试验，不能反映实际工程情况的温度变化。因此，一种测量早期混凝土松弛的试验方法以及采用该方法的试验装置就成为大体积混凝土温控防裂所需。在钢筋混凝土结构设计和大体积混凝土温度应力计算中，混凝土的应力松弛问题都很重要，应力松弛还影响混凝土的抗裂性及超静定结构因支座变位引起的应力重分布松弛系数是任意时间的应力与初始弹性应力之比：kp(t，τ)＝σ(t，τ)/σ(τ)松弛系数随加载龄期的增长而增加，还随持荷时间的增长而减小，因此，松弛系数是加荷龄期τ及持荷时间t-τ的函数。技术实现要素：本发明的目的是提供一种测量早期混凝土松弛的试验方法，其可以改进现有水工混凝土松弛试验方法的局限和不足，对混凝土在温度变化发展条件下的松弛进行试验，为掌握混凝土力学性能和防止混凝土裂缝产生提供可靠依据。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种测量早期混凝土松弛的试验方法，它利用一个试验装置，该试验装置包括一底座，该底座上设置有一用于隔绝外界环境的环境箱，该环境箱内设有混凝土试件容置装置；该混凝土试件容置装置包括固定夹头、活动夹头、两个侧模板，拼合构成一个上端敞口或者上下端均敞口的容置空间，该固定夹头固定设置在该环境箱一端，该活动夹头可沿该容置空间的长度方向的轴线移动地设置在该环境箱另一端，两个侧模板平行置于该固定夹头和活动夹头之间；该环境箱或者该环境箱和该容置空间设置温度传感器和湿度传感器；该环境箱和混凝土试件容置装置还设有温度调节装置和湿度调节装置；还包括一加载系统；该加载系统包括一反力框架、一传动装置和一带有减速机的伺服电机，该反力框架固定设置在该底座上，将该环境箱包围；该传动装置包括设于该反力框架上的主动丝杠，该主动丝杠末端连接约束轴，该约束轴穿过该环境箱且末端穿与该活动夹头连接，而使得该活动夹头位置固定或在该轴线方向移动；该伺服电机与该主动丝杠连接；该约束轴顶部设有测量顶，该测量顶与该环境箱之间设有位移传感器；该传动装置设有应力传感器；该温度传感器、湿度传感器、位移传感器、应力传感器连接至测量控制系统的输入端，该温度调节装置、湿度调节装置和该伺服电机均连接至测量控制系统的输出端。本发明的试验步骤如下：(1)在混凝土试件制作完成和相应设备准备完成条件下，启动测量控制系统，进行相关参数设置，开启真实环境模拟系统；(2)根据测量控制系统测得混凝土的温度、位移和变形，得出真实环境模拟条件下的混凝土自由变量，为混凝土多种变形(温度变形、自生体积变形和徐变等)进行分离做出准备；(3)通过测量控制系统、加载系统对试件可移动端的自由变形进行控制，根据自由变形和控制减小的变形，可测得真实环境模拟条件下各时刻不同约束程度情况下的混凝土温度应力，包括使位移减小为零时的应力，即全约束条件下的温度应力；(4)通过测量控制系统、加载系统对试件可移动端的自由变形进行一次控制，每隔一定的时间间隔，对位移/变形做一次改变，同时采集相应的应力变化，得出该时刻的弹性模量，如此反复，可得到真实环境模拟条件下混凝土在整个发展过程的弹性模量；(5)根据混凝土热膨胀系数和测量控制系统得到的温度变化，可以得出真实环境模拟条件下混凝土的纯温度变形，结合测得的自由变形，得出其他变形，主要包括自生体积变形和干缩变形；(6)根据测得的混凝土弹性模量和自由变形，计算出真实环境模拟条件下不受徐变影响时混凝土应力，启动测量控制系统、加载系数对混凝土变形进行控制，使其变形为零，这时测得应力和不受徐变影响时的应力之差则为真实环境模拟条件下徐变引起的应力；(7)启动数据处理系统，结合所有试验数据和数据曲线，当出现应力和位移曲线上出现突变时，表示混凝土开裂，这时刻的混凝土的相关温度、应力、位移和变形参数可以作为真实环境温度条件下的开裂指标，为混凝土抗裂性能评价提供试验参考。具体来说，各参数的测量和计算过程如下：1、弹性模量在该容置空间内浇筑混凝土，并形成试件，该试件整体呈哑铃状，两端分别被固定夹头和活动夹头夹紧；保持试件处于恒温20℃；浇筑完成后每隔5小时，对混凝土施加压力，数值按照下表格采用(假定混凝土1d和2d抗压强度分别为3mpa和10mpa,前两天施加荷载值取当时龄期抗压强度的1/2)。5小时10小时15小时20小时25小时30小时35小时5kn10kn15kn20kn30kn40kn60kn40小时45小时50小时55小时60小时65小时70小时70kn80kn100kn100kn100kn100kn100kn75小时80小时85小时90小时95小时100小时100kn100kn100kn100kn100kn100kn试验时，测量试件的应力和位移增量，利用公式(1)计算混凝土不同龄期的弹性模量。式中，δσ是加载试件的应力增量，mpa；δl是加载时间段内的位移增量，mm；l是试件的测量标距，mm。2、自由变形将该活动夹头不加荷载，通过控制系统、加载系统，使该活动夹头自由位移为δl，即为t时刻混凝土的自由变量，进而计算得到t时刻混凝土的自由变形δε(δε＝δl/l)，测量混凝土的自由变量目的是为混凝土各种变形进行分离。3、徐变应力根据测得的混凝土弹性模量e(t)和自由变形δε，计算出真实环境模拟条件下不受徐变影响时混凝土应力：式中，k(ti,t)是混凝土的松弛系数。通过控制系统、加载系统，对混凝土变形进行控制，使其变形为零，这时测得应力为σ0(t)，则真实环境模拟条件下徐变引起的应力降低为：δσ0(t)＝σc(t)-σ0(t)(3)通过δσ0(t)的大小可以得出混凝土徐变的影响程度，其中t为时间。为了正确评价混凝土早期徐变，本发明应用以下方法：用测得的自由变形和弹性模量计算出不存在徐变影响的理论应力σc(t)，然后与约束应力δσ0(t)进行比较，其差值即为徐变作用所消减的松弛应力，即通过松弛应力评价早期徐变的影响。进一步的，所述环境箱内还设有太阳辐射传感器、降雨传感器和风速传感器中的至少一种，分别连接至所述测量控制系统的输入端；所述环境箱内还对应设有太阳辐射调节装置、降雨调节装置和风速调节装置中的至少一种，分别连接至所述测量控制系统的输出端；在测量过程中，根据施工地光照、降雨和风力的实际变化情况，通过测量控制系统调节环境箱内的太阳辐射、降雨和风速。进一步的，在浇筑所述试件之前，在所述固定夹头和活动夹头之间设置“工”字型的定位件，该定位件的两端分别和固定夹头和活动夹头通过定位销固定连接；并在浇筑试件后3小时拆除该定位件。进一步的，在所述方法中，对于真实环境的模拟，采用如下步骤中的至少一个：①环境温度针对当地的情况而定，即模拟真实环境的当地，将以上月平均气温资料拟合成一条余弦曲线，下式(1)为拟合后的计算公式：式中，ta为气温，tam为年平均气温，aa为气温年变幅，τ为时间(月)，τ0为气温最高的时间(月)。考虑气温日变化，采用下式(2)计算：式中，为日气温，ta为月平均气温，a为气温日变化幅度，t为1天中的时刻(时)根据不同地区的不同季节而定；②太阳辐射热混凝土建筑物经常是暴露在太阳辐射之下的，其对混凝土温度有重要影响。单位时间内在单位面积上太阳辐射来的热量是s，其中设被混凝土吸收的部分为r，剩余部分被反射掉，则：r＝αss(6)式中，αs为吸收系数，也称为黑度系数，混凝土表面一般取0.65。s＝s0(1kn)(7)式中，s0为晴天太阳辐射热，n为云量，k为系数，这三个数值可由当地气象站给出。日照的影响相当于周围空气的温度增高了δta，δta＝r/β(8)式中，β为混凝土表面放热系数，可根据表面粗糙程度和风速计算得出。③降水查询工程所在地气象部门的降水量，通过降水设备和降水量控制器来模拟降水；并通过公式(6)计算降水量，ps＝pt{1-exp[-(ta-tr)/(tr-ts)]2}+，tr≥tspr＝pt-ps(9)式中ps为降雪量，pr为降雨量，pt为总降水量，ta为日平均气温，tr为降雨临界气温，ts为降雪临界气温。④风速查询工程所在地的气象部门的风速，启动风速模拟装置，以根据风速得出混凝土表面散热系数。本发明的有益效果是：本发明测量早期混凝土松弛的试验方法，其可以改进现有水工混凝土松弛度试验方法的局限和不足，对混凝土在实际环境条件变化发展条件下的松弛度进行试验，为掌握混凝土力学性能和防止混凝土裂缝产生提供可靠依据。附图说明图1是本发明测量早期混凝土松弛的试验方法采用的实验装置的结构示意图。图2是图1中a处的放大示意图。图3是本发明测量早期混凝土松弛的试验方法采用的实验装置的定位件的结构示意图。图4是本发明测量早期混凝土松弛的试验方法测量松弛的曲线图。图5为本发明一个实施例的早龄期的混凝土松弛系数试验中不同龄期施加的荷载过程图。图6为本发明一个实施例的早龄期的混凝土松弛系数试验中不同龄期的松弛系数图。具体实施方式以下仅以实施例说明本发明可能的实施态样，然而并非用以限制本发明所欲保护的范畴，先予叙明。如图1、图2所示，本发明提供一种测量早期混凝土松弛的试验方法，它利用一个试验装置，该试验装置包括一底座1，该底座1上设置有一用于隔绝外界环境的环境箱2，该环境箱2内设有混凝土试件容置装置。该混凝土试件容置装置包括固定夹头3、活动夹头4、两个侧模板5，拼合构成一个上端敞口或者上下端均敞口的容置空间，该固定夹头3固定设置在该环境箱2一端，该活动夹头4可沿该容置空间的长度方向的轴线移动地设置在该环境箱2另一端，两个侧模板5平行置于该固定夹头3和活动夹头4之间。该环境箱2或者该环境箱2和该容置空间设置温度传感器和湿度传感器。该环境箱2和混凝土试件容置装置还设有温度调节装置和湿度调节装置。该实验装置还包括一加载系统。该加载系统包括一反力框架6、一传动装置和一带有减速机的伺服电机7，该反力框架6固定设置在该底座1上，将该环境箱2包围。该传动装置包括设于该反力框架6上的主动丝杠，该主动丝杠末端连接约束轴8，该约束轴8穿过该环境箱2且末端穿与该活动夹头4连接，而使得该活动夹头4位置固定或在该轴线方向移动。该伺服电机7与该主动丝杠连接。该约束轴8顶部设有测量顶9，该测量顶9与该环境箱之间设有位移传感器10，该传动装置设有应力传感器11。该温度传感器、湿度传感器、位移传感器10、应力传感器11连接至测量控制系统的输入端，该温度调节装置、湿度调节装置和该伺服电机7均连接至测量控制系统的输出端。本发明的试验步骤如下：(1)在混凝土试件制作完成和相应设备准备完成条件下，启动测量控制系统，进行相关参数设置，开启真实环境模拟系统；(2)根据测量控制系统测得混凝土的温度、位移和变形，得出真实环境模拟条件下的混凝土自由变量，为混凝土多种变形(温度变形、自生体积变形和徐变等)进行分离做出准备；(3)通过测量控制系统、加载系统对试件可移动端的自由变形进行控制，根据自由变形和控制减小的变形，可测得真实环境模拟条件下各时刻不同约束程度情况下的混凝土温度应力，包括使位移减小为零时的应力，即全约束条件下的温度应力；(4)通过测量控制系统、加载系统对试件可移动端的自由变形进行一次控制，每隔一定的时间间隔，对位移/变形做一次改变，同时采集相应的应力变化，得出该时刻的弹性模量，如此反复，可得到真实环境模拟条件下混凝土在整个发展过程的弹性模量；(5)根据混凝土热膨胀系数和测量控制系统得到的温度变化，可以得出真实环境模拟条件下混凝土的纯温度变形，结合测得的自由变形，得出其他变形，主要包括自生体积变形和干缩变形；(6)根据测得的混凝土弹性模量和自由变形，计算出真实环境模拟条件下不受徐变影响时混凝土应力，启动测量控制系统、加载系数对混凝土变形进行控制，使其变形为零，这时测得应力和不受徐变影响时的应力之差则为真实环境模拟条件下徐变引起的应力；(7)启动数据处理系统，结合所有试验数据和数据曲线，当出现应力和位移曲线上出现突变时，表示混凝土开裂，这时刻的混凝土的相关温度、应力、位移和变形参数可以作为真实环境温度条件下的开裂指标，为混凝土抗裂性能评价提供试验参考。具体来说，各参数的测量和计算过程如下：1、弹性模量在该容置空间内浇筑混凝土，并形成试件，该试件整体呈哑铃状，两端分别被固定夹头和活动夹头夹紧；保持试件处于恒温20℃；为了保持试件一致，如图3所示，在浇筑该试件之前，在该固定夹头3和活动夹头4之间设置“工”字型的定位件12，该定位件的两端分别和固定夹头3和活动夹头4通过定位销固定连接。并在浇筑试件后3小时拆除该定位件12。浇筑完成后每隔5小时，对混凝土施加压力，数值按照下表格采用(假定混凝土1d和2d抗压强度分别为3mpa和10mpa,前两天施加荷载值取当时龄期抗压强度的1/2)。5小时10小时15小时20小时25小时30小时35小时5kn10kn15kn20kn30kn40kn60kn40小时45小时50小时55小时60小时65小时70小时70kn80kn100kn100kn100kn100kn100kn75小时80小时85小时90小时95小时100小时100kn100kn100kn100kn100kn100kn试验时，测量试件的应力和位移增量，利用公式(1)计算混凝土不同龄期的弹性模量。式中，δσ是加载试件的应力增量，mpa；δl是加载时间段内的位移增量，mm；l是试件的测量标距，mm。2、自由变形将该活动夹头不加荷载，通过控制系统、加载系统，使该活动夹头自由位移为δl，即为t时刻混凝土的自由变量，进而计算得到t时刻混凝土的自由变形δε(δε＝δl/l)，测量混凝土的自由变量目的是为混凝土各种变形进行分离。3、徐变应力根据测得的混凝土弹性模量e(t)和自由变形δε，计算出真实环境模拟条件下不受徐变影响时混凝土应力：式中，k(ti,t)是混凝土的松弛系数。通过控制系统、加载系统，对混凝土变形进行控制，使其变形为零，这时测得应力为σ0(t)，则真实环境模拟条件下徐变引起的应力降低为：δσ0(t)＝σc(t)-σ0(t)(3)通过δσ0(t)的大小可以得出混凝土徐变的影响程度，其中t为时间。为了正确评价混凝土早期徐变，本发明应用以下方法：用测得的自由变形和弹性模量计算出不存在徐变影响的理论应力σc(t)，然后与约束应力δσ0(t)进行比较，其差值即为徐变作用所消减的松弛应力，即通过松弛应力评价早期徐变的影响。如图4所示，可以看出，当混凝土达到最大压力后，在温度保持不变的条件下，混凝土的应力值随持荷时间的增长逐渐降低，呈现出典型的混凝土松弛特性。为了更加准确地模拟施工环境，该环境箱2内还设有太阳辐射传感器、降雨传感器和风速传感器中的至少一种，分别连接至该测量控制系统的输入端。该环境箱2内还对应设有太阳辐射调节装置、降雨调节装置和风速调节装置中的至少一种，分别连接至该测量控制系统的输出端。在测量过程中，根据施工地光照、降雨和风力的实际变化情况，通过测量控制系统调节环境箱2内的太阳辐射、降雨和风速。进一步的，在所述方法中，对于真实环境的模拟，采用如下步骤中的至少一个：①环境温度针对当地的情况而定，即模拟真实环境的当地，将以上月平均气温资料拟合成一条余弦曲线，下式(4)为拟合后的计算公式：式中，ta为气温，tam为年平均气温，aa为气温年变幅，τ为时间(月)，τ0为气温最高的时间(月)。考虑气温日变化，采用下式(5)计算：式中，为日气温，ta为月平均气温，a为气温日变化幅度，t为1天中的时刻(时)根据不同地区的不同季节而定；②太阳辐射热混凝土建筑物经常是暴露在太阳辐射之下的，其对混凝土温度有重要影响。单位时间内在单位面积上太阳辐射来的热量是s，其中设被混凝土吸收的部分为r，剩余部分被反射掉，则：r＝αss(6)式中，αs为吸收系数，也称为黑度系数，混凝土表面一般取0.65。s＝s0(1kn)(7)式中，s0为晴天太阳辐射热，n为云量，k为系数，这三个数值可由当地气象站给出。日照的影响相当于周围空气的温度增高了δta，δta＝r/β(8)式中，β为混凝土表面放热系数，可根据表面粗糙程度和风速计算得出。③降水查询工程所在地气象部门的降水量，通过降水设备和降水量控制器来模拟降水；并通过公式(9)计算降水量，ps＝pt{1-exp[-(ta-tr)/(tr-ts)]2}+，tr≥tspr＝pt-ps(9)式中ps为降雪量，pr为降雨量，pt为总降水量，ta为日平均气温，tr为降雨临界气温，ts为降雪临界气温。④风速查询工程所在地的气象部门的风速，启动风速模拟装置，以根据风速得出混凝土表面散热系数。以下列举一个具体实施例，来说明利用本发明的试验方法进行的松弛试验效果。按照预设混凝土配合比浇筑混凝土试件；保持试件处于恒温20℃；在混凝土分别浇筑1、2、3天后，对混凝土施加荷载(数值为20kn)，然后进行约束试验(变形阈值为4微米)，记录混凝土荷载变化曲线。图5和图6为早龄期的混凝土松弛系数试验结果，从图上可以看出，试验结果数值合理、规律正确。本发明与现有技术相比，具有下列优点：1：与传统只能恒温绝湿试验的方法不同，本发明的装置和方法可以模拟混凝土的温度发展历程或者说温度的发展变化过程，对温度变化的混凝土进行松弛度试验，更加接近工程实际；2：本发明装置和方法还可以模拟混凝土的其他环境(降雨、光照、风力)发展历程或者其发展变化过程，对环境变化的混凝土进行松弛度试验，更加接近工程实际。本发明是以所述的权利要求所限定的。但基于此，本领域的普通技术人员可以做出种种显然的变化或改动，都应在本发明的主要精神和保护范围之内。当前第1页12