一种超高性能混凝土抗裂性测试装置及方法与流程

本发明涉及水泥基材料抗裂性测试技术领域，具体涉及一种超高性能混凝土抗裂性测试装置。

背景技术：

随着社会经济发展和科学技术的进步，现代建筑工程朝着更高层、更大跨度、更重载荷的方向发展，强度低、断裂韧性低和功能单一的普通混凝土已无法满足迅猛发展的性能需求。在这样的背景下，具有超高强度、高韧性、高耐久性等优异性能的超高性能混凝土应运而生。超高性能混凝土通过剔除粗骨料、优化颗粒级配、掺入活性掺合料和钢纤维与使用高效减水剂，极大降低了水胶比，减小了混凝土的孔隙率，使内部更密实，极大提高了混凝土的强度和韧性。自二十世纪九十年代，首次提出了超高性能混凝土的概念以来，经过仅仅二十几年的飞速发展，对于其力学性能和微观结构有了基本掌握，施工性能研究日趋成熟，开始逐步应用在一些建筑桥梁上。超高性能混凝土虽然较普通混凝土具有更高强度、韧性和耐久性，但由于自身紧密堆积设计，使得具有水胶低、胶凝材料含量大和无粗骨料等特点，因此具有比普通混凝土更大的收缩开裂缺陷。工程实践中常常出现超高性能混凝土的早期开裂现象，制约了超高性能混凝土在大型工程中的推广应用。

混凝土开裂现象随处可见，其中体积变形引起的开裂，占工程实践的80％以上，成为世界性难题，给国家经济带来巨大损失，甚至危害人民安全。混凝土开裂的本质是内部最大拉应力大于自身的极限抗拉强度。产生内部应力的原因是各种体积变形，主要有：(1)水化放热与环境温度差产生的热变形；(2)混凝土未硬化前因表面失水产生的毛细管压力而导致的塑性收缩；(3)混凝土初凝后，在恒温恒湿环境下，与外界不发生物质交换的条件下，因为水泥的继续水化和辅助胶凝材料的二次水化而消耗基体内部水分，引起的自收缩；(4)在干燥环境中失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水而发生的干燥收缩。由于超高性能混凝土具有水胶比较低、胶凝材料含量大、活性矿物掺合料掺量高、粗骨料掺量低等特点，使得材料的水化热和自收缩变大，而早期强度未发展完全，导致产生比普通混凝土更大的早期开裂风险。超高性能混凝土的开裂严重影响了其耐久性，早期的体积变形会在内部产生裂缝，而裂缝的出现使得混凝土内部钢筋更易受有害物质侵蚀，也改变受力结构，影响了强度和韧性的发展，降低了建筑物使用寿命和安全。

影响混凝土开裂的因素有主要有极限拉伸值、轴心抗拉强度、弹性模量、热膨胀系数、水化温升、徐变、自收缩、干燥收缩等。由于影响因素众多，并且各个因素之间相互联系和制约，给混凝土开裂的理论分析和预测带来困难。目前，主要通过在约束条件下的试验方法评价混凝土抗裂性能，国内外尚无统一的评价标准，分别有平板约束法、圆环约束法和单轴约束试验法。然而，现有的这些评价测试方法自身均存在着不足。我国国家标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》推荐平板试验法，平板法简单易于操作，能快速测试混凝土因塑性收缩和干燥收缩引起的开裂，但传统的平板法只能提供部分的不均匀的约束，试验重复性差，裂缝观察易受主观因素影响，混凝土试件体积庞大，测试模具厚重，且应用平板法评价超高性能混凝土时，尽管提供严酷的外部试验环境，也不出现开裂现象(冯浩.超高性能混凝土早期塑性收缩开裂的研究[D].湖南大学,2014)。圆环法通过内外圆环提供约束，使混凝土产生环向的拉应力，贴应变片的圆环法可以测试收缩和内部应力发展，但也只能提供有限的约束，开裂敏感性较差、开裂出现时间长、位置随机，试验周期长，试验要进行28天，甚至有时很难观测到可见裂缝，并且只能定性判断抗裂能力。文献(王嘉.高吸水性树脂对超高性能混凝土性能的影响[D].湖南大学,2012.)用圆环评价超高性能混凝土抗裂性，发现基准组在3.8天才观测到应变宊减，加入高吸水性树脂在8.9天才开裂，而加入钢纤维的未开裂。因此，圆环法同样无法精确评价超高性能混凝土的开裂风险。单轴约束试验法又称温度应力试验机法、棱柱法，可以提供100％约束，并能给出混凝土早期变形开裂的各项参数，但设备体积庞大笨重，造价昂贵，操作复杂，对仪器敏感性要求较高，现场检测不便，目前较少使用。此外，由于超高性能混凝土的配置原理、材料组成和各项性能与普通混凝土存在巨大差异，使得超高性能混凝土的收缩开裂具有自己的特征，其早期收缩较普通混凝土大，而且占主要的是自收缩，干燥收缩较小。由于以上的差异，现有抗裂性测试技术不能很好适用于超高性能混凝土体系。

基于上述问题，目前急需根据超高性能混凝土自身配置原理和开裂特点，设计出一种有效的抗裂性测试装置，对不同配合比的超高性能混凝土抗裂性进行表征，进而优化配合比设计、改善工作施工性能，研究解决超高性能混凝土的开裂难题，显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种约束可调、测试结果准确且可定量分析不同配合比对抗裂的改善程度的超高性能混凝土抗裂性测试装置。

本发明采用的技术方案为：一种超高性能混凝土抗裂性测试装置，包括底板，以及围合于底板上的前侧板、后侧板、左侧板和右侧板；所述底板均匀间隔布置若干开裂诱导结构，开裂诱导结构的两端各设一个固定结构；所述开裂诱导结构为与底板上表面贴合的钢丝绳，钢丝绳的长度方向平行于左右侧板；所述钢丝绳的一端穿出前侧板，钢丝绳的另一端穿出后侧板。

按上述方案，所述固定结构为设于前后侧板外侧的用于固定拉紧钢丝绳的固定片，所述固定片包括弧形段及位于弧形段两侧的水平段；固定片的两个水平段与底板上表面贴合，并通过螺栓与底板连接压紧，固定片的弧形段与底板上表面之间留有间隙，钢丝绳自弧形段与底板之间的间隙穿过。

按上述方案，在前侧板和后侧板上开设若干槽口，每个槽口内对称安装两个端面贴合的弹性的夹紧片，钢丝绳从两个夹紧片之间穿出前侧板/后侧板，两个夹紧片与钢丝绳的外周面紧贴。

按上述方案，所述夹紧片采用橡胶材料制成。

按上述方案，在底板上的对应位置开设有分别与前侧板、后侧板、左侧板和右侧板相适配的凹槽，各侧板的下端边沿可插入凹槽内。

按上述方案，在左侧板/后侧板的外侧设置风扇。

按上述方案，钢丝绳的直径为待测试混凝土试件的最大骨料粒径的1.5～2.5倍。

按上述方案，钢丝绳的直径为0.5mm～10mm。

本发明还采用了一种超高性能混凝土抗裂性测试方法，包括以下步骤：

步骤一、根据混凝土试件的最大骨料确定混凝土试件的高度；

步骤二、提供与混凝土试件对应的如上所述测试装置各组件，并安装，前后左右侧板及底板围合成矩形的模具；

步骤三、在底板的上表面、各侧板的内表面及钢丝绳表面刷油；

步骤四、在模具中浇筑预拌好的混凝土，沿着各侧板边缘缓慢螺旋式向中心浇筑，并来回刮平混凝土表面，使混凝土充分覆盖模具的底板；当试验混凝土不能自流平时，将模具放在混凝土振动台振动一段时间，混凝土试件浇筑完成；

步骤五、将已浇筑有混凝土的模具放置在温度为(20±3)℃、湿度为(60±5)％的环境下养护；

步骤六、混凝土试件成型2h后，开启风扇，使混凝土试件中心的风速为2～4m/s；

步骤七、混凝土试件成型24h后，测量混凝土试件出现的每条裂缝长度和宽度并记录，要求裂缝长度精确到1mm，裂缝宽度精确到0.01mm；

步骤八、计算每条裂缝的平均开裂面积、单位面积的裂缝数目和单位面积的总开裂面积S，并绘制成图表。

本发明的原理为：超高性能混凝土浇筑成型后，由于受到水化热和环境导致的温度变化、塑性收缩、自收缩和干燥收缩的影响，会产生宏观体积变形。在无约束或约束不大状态下，混凝土的这种收缩变形不会导致开裂。钢丝绳能提供合适的约束，收缩产生的应力在钢丝绳周围集中，当最大拉应力大于混凝土极限抗拉强度时，混凝土就会产生开裂。超高性能混凝土细骨料粒径在1mm以下，本发明装置根据超高性能混凝土最大骨料粒径，合理确定试件浇筑厚度和钢丝绳直径，试件厚度应满足大于最大骨料粒径三倍的要求，极大减小了约束开裂试件厚度，提高了开裂敏感性，减小了测试的随机性，提高了结果的准确性，开裂位置相对固定。

本发明的有益效果为：相比于现有开裂评价测试技术，本发明为超高性能混凝土提出了一种有效高效的抗裂评价手段，提高了超高性能混凝土的开裂敏感性，解决了传统混凝土平板约束法不能使超高性能混凝土开裂的难题，测试结果更准确可靠；本发明所述装置和方法可用于不同掺合料、外加剂和钢纤维的超高性能混凝土抗裂性测试评价；本发明所述测试装置体积更小，质量更轻，原料更省，有利于条件不便和现场情况下的测试；本发明所述测试装置各组件之间活动连接，便于拆卸组装，拆模清洗，简单易于操作，准确快速。

附图说明

图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。

图2为图1的主视图。

图3为图1的俯视图。

图4为前后侧板的结构示意图。

图5为钢丝绳固定座的结构示意图。

其中：1、底板；2、左侧板；3、右侧板；4、前侧板；5、后侧板；6、钢丝绳；7、固定片；8、风扇；9、夹紧片；10、螺栓。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

如图1～3所示的一种超高性能混凝土抗裂性测试装置，包括底板1，以及围合于底板1上的前侧板4、后侧板5、左侧板2和右侧板3；所述底板1均匀间隔布置若干开裂诱导结构，开裂诱导结构的两端各设一个固定结构。优选地，所述开裂诱导结构为与底板1上表面贴合的钢丝绳6，钢丝绳6的长度方向平行于左右侧板3；所述钢丝绳6的一端穿出前侧板4，钢丝绳6的另一端穿出后侧板5。

优选地，如图5所示，所述固定结构为设于前后侧板5外侧的用于固定拉紧钢丝绳6的固定片7，所述固定片7包括弧形段及位于弧形段两侧的水平段；固定片7的两个水平段与底板1上表面贴合，并通过螺栓10与底板1连接压紧(底板1上开设有与螺栓10适配的螺栓10孔)，固定片7的弧形段与底板1上表面之间留有间隙，钢丝绳6自弧形段与底板1之间的间隙穿过。

优选地，如图4所示，在前侧板4和后侧板5上开设若干槽口，每个槽口内对称安装两个端面贴合的弹性的夹紧片9，钢丝绳6从两个夹紧片9之间穿出前侧板4/后侧板5，两个夹紧片9与钢丝绳6的外周面紧贴。所述夹紧片9采用橡胶材料制成。钢丝绳6穿过两个夹紧片9之间，两个夹紧片9在自身弹力作用下回弹，二者端面与钢丝绳6外壁面贴合压紧，避免了混凝土试件浇筑时，浆料自钢丝绳6处流出。

优选地，为了便于安装，在底板1上的对应位置开设有分别与前侧板4、后侧板5、左侧板2和右侧板3相适配的凹槽，各侧板的下端边沿可插入凹槽内。

优选地，在左侧板2/后侧板5的外侧设置风扇8，风扇8距离前侧板4/后侧板5200～300mm。混凝土试件浇筑成型2小时候开启风扇8，保证混凝土试件中心的风速为2～4m/s。

本发明中，试验时根据测试的混凝土试件的最大骨料粒径选择钢丝绳6直径和混凝土试件高度，根据混凝土性能调节钢丝绳6密度，具体为：混凝土试件的高度为混凝土最大骨料粒径的3～5倍，钢丝绳6直径为最大骨料粒径1.5～2.5倍，优选直径范围为0.5mm～10mm。根据混凝土试件的高度及尺寸选择各侧板。

一种超高性能混凝土抗裂性测试方法，包括以下步骤：

步骤一、根据混凝土试件的最大骨料确定混凝土试件的高度；

步骤二、提供与混凝土试件对应的所述测试装置各组件，并安装，具体安装方法为：在底板1上平行间隔布置若干钢丝绳6，并采用固定片7将钢丝绳6两端固定拉紧，使钢丝绳6紧贴底板1；在底板1的凹槽中安装前侧板4和后侧板5，保证前后侧板5槽口内的两个夹紧片9夹紧钢丝绳6；在底板1的凹槽中安装左侧板2和右侧板3，前后左右侧板3围合成矩形的模具；

步骤三、在底板1的上表面、各侧板的内表面及钢丝绳6表面刷油，以保证混凝土试件试验时只受到钢丝绳6的约束，消除底板1和各侧板对超高性能混凝土收缩变形的影响，保证试验准确可重复性；

步骤四、计算要浇筑的混凝土体积，利用量筒精确测量后将新鲜浇筑的混凝土浆料倒入模具；在模具中浇筑预拌好的混凝土，沿着各侧板边缘缓慢螺旋式向中心浇筑，用抹子或铲刀来回刮平混凝土表面，使混凝土充分覆盖模具的底板1，表面平整；当试验混凝土流动性较差，不能自流平时，可将装置放置在混凝土振动台上，振动60s，试件浇筑完成后，记录时间；

步骤五、将已浇筑有混凝土的所述测试装置放置在温度为(20±3)℃、湿度为(60±5)％的环境下养护，所述测试装置放置的平台应平整；

步骤六、混凝土试件成型2h后，开启风扇8；调节风扇8高度及风速，使风向平行吹向混凝土试件，保证混凝土试件中心的风速应达2～4m/s；

步骤七、混凝土试件成型24h后，用直尺和裂缝宽度测量仪测量混凝土试件出现的每条裂缝长度和宽度并记录，裂缝长度精确到1mm，裂缝宽度精确到0.01mm；

步骤八、计算每条裂缝的平均开裂面积、单位面积的裂缝数目和单位面积的总开裂面积S，并绘制成图表，进行数据处理分析。

本发明所述方法可用于研究不同掺量的混凝土膨胀剂和不同掺量钢纤维对超高性能混凝土抗裂性的影响，同时展现本发明所述装置的有效性和可操作性。设计基准组和试验组两种混凝土试件，其中基准组的混凝土试件与试验组的混凝土试件相比，不含混凝土膨胀剂和钢纤维等影响超高混凝土抗裂性能的配料或结构。可选择开裂指数α作为评价指标，抗裂性指数α的计算公式为：

式中，S0为基准组混凝土试件的总开裂面积，S1为试验组混凝土试件的总开裂面积。

实施例待试验的混凝土试件规格为50mm×75mm；装置前后侧板5高20mm，左右侧板3高50mm；底板1上对称间隔设8根钢丝绳6。基准组和试验组的混凝土试件其配比分别如表1所示；根据最大骨料粒径，两种混凝土试件的浇筑高度均为4mm，钢丝绳6直径为2mm，钢丝绳6数目为8根。测试装置及方法均如上所述。

表1基准组及试验组各混凝土试件的原料及配比(单位g)

根据本发明所述方法进行测试，记录每个混凝土试件的裂缝宽度和长度，计算每条裂缝的平均开裂面积、单位面积的裂缝数目和单位面积的总开裂面积，绘制成表2，如下所示。

表2各混凝土试件的裂缝数量、面积及抗裂指数

与基准组A0相比，不同钢纤维掺量的B1和B2组，裂缝数目和最大裂缝宽度都有明显降低，其中钢纤维掺量为1％的B1组，开裂总面积下降了55.89％；钢纤维掺量提高到2％，开裂总面积下降了87.74％，说明纤维能提高超高性能混凝土抗裂性，随着纤维掺量增加，超高性能混凝土抗裂性提高。

与基准组A0相比，不同氧化镁膨胀剂掺量的C1和C2组，裂缝数目和最大裂缝宽度都有明显降低，其中膨胀剂掺量为3％的C1组，开裂总面积下降了25.74％；膨胀剂掺量提高到8％，开裂总面积下降了40.71％，说明MgO膨胀剂能明显提高超高性能混凝土抗裂性。

通过上述试验可以看出，本发明所述装置对超高性能混凝土有很好的诱导开裂作用，且位置相对固定，一般位于钢丝绳6上端，解决了传统平板法测试超高性能混凝土不开裂的问题。

最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。