基于气泡吸纳冻胀的早期受冻混凝土最短预养时间确定法

：本发明具体涉及一种基于气泡吸纳冻胀的早期受冻混凝土最短预养时间确定法。

背景技术

0、
背景技术：

1、保护混凝土免受冻害是寒冷天气混凝土施工中最重要的任务。由于水泥的水化程度低以及存在大量未水化的水，负温度会对混凝土造成冻害。当混凝土中的剩余水结冰时，会产生高达9％的体积膨胀，并伴随着巨大的膨胀应力。一旦这种应力超过孔隙壁的抗拉强度，就会出现裂缝，内部结构也会恶化。早期受冻的混凝土在后期通常会在机械强度以及混凝土与钢筋之间的粘结性能方面出现明显的退化。

2、大量研究表明，引气剂对混凝土抗冻性的改善效果明显。这归因于引气剂能引入大量均匀稳定的细小气泡，降低混凝土的饱和度，改善孔隙结构分布。在一定的受冻温度和引气剂用量条件下，通过调整预养时间可以防止混凝土受到冻害。预养时间越长，可冻结水量越少，混凝土抗冻害能力越强。但是，正温预养时间越长，意味着施工成本的增加。现行规范中对于混凝土受冻临界强度的规定依赖经验数据，为固定值，不能适应现有工程中复杂的混凝土配比和多变的环境条件，所以根据固定值推算的混凝土预养时间也是不准确且缺乏科学合理性的。因此，如何科学且可靠地确定混凝土的最短预养护时间成为冬季施工混凝土亟待解决的问题。

技术实现思路

0、
技术实现要素：

1、为解决上述背景技术中提及的问题，本发明的目的在于提供一种基于气泡吸纳冻胀的早期受冻混凝土最短预养时间确定法。

2、基于气泡吸纳冻胀的早期受冻混凝土最短预养时间确定法，所述早期受冻混凝土最短预养时间确定法为对于受冻温度和配比明确的混凝土，预设多个预养时间，通过测试获取待测浆体的体积变形vc和早期受冻混凝土的含气量va；通过分离总变形的方式计算出混凝土的温度变形vt、孔溶液冻结引起的相变膨胀变形ve、水泥水化自干燥导致的毛细气孔体积δv和气泡吸纳冻胀效率系数γ；在受冻温度和配合比确定的条件下，不同预养护时间时的ve和δv能够通过理论计算得到，只需测得含气量va，就能通过混凝土中气孔结构吸收的冻胀等于可冻结水相变引起的体积变形这一临界条件，计算满足ve－(va+δv)γ等于0条件下的γmax值，即获得不同预养时间下满足冻胀完全被气孔吸纳的γmax曲线；试验获得的γ曲线与γmax曲线的交点对应的横坐标即为最短预养护时间。

3、作为优选方案：所述早期受冻混凝土最短预养时间确定法通过温度—变形联合测试装置实现，所述温度—变形联合测试装置包括底座、立柱、底箱体、上盖和测试系统，所述底座水平设置，立柱竖直设置在底座上，底箱体设置在底座上，底箱体的顶端为敞口端，底箱体的敞口端内设置有倒置的锥形壳体，锥形壳体内填充有待测浆体，底箱体的敞口端处配合设置有上盖，上盖设置在立柱上，上盖沿立柱的长度方向往复滑动，测试系统包括位移传感器和变形传输器，变形传输器包括上接触片、直杆体、下盘体、多个定位爪头和一个温度感应爪，所述位移传感器与立柱相连接，位移传感器的探头设置在上接触片的上端面上，上接触片的下端面设置在直杆体的上端，直杆体的下端穿过上盖与下盘体相连接，下盘体的下端面布置有与待测浆体相配合的多个定位爪头和一个温度感应爪；

4、所述底箱体的内壁与锥形壳体外壁之间形成有第一环形内腔，底箱体的外壁上分别设置有第一注入管和第一排出管，底箱体的底部连通有第一注入管，底箱体的顶部连通有第一排出管；所述上盖为圆盘体，上盖内加工有第二环形内腔，上盖的外壁上分别设置有第二注入管和第二排出管，第二注入管和第二排出管分别与第二环形内腔相连通；

5、上盖沿其厚度方向加工有与直杆体相配合的中心孔；

6、上盖的下端面设置有空心圆台，空心圆台的内部与第二环形内腔相连通，空心圆台的外径与锥形壳体大口端口径相配合设置；

7、上盖通过支撑杆与立柱相连接，支撑杆的一端与上盖的上端面相连接，支撑杆的另一端加工有与立柱相配合的通孔，立柱穿过通孔，通孔内设置有与立柱相配合的阻尼套；

8、温度感应爪为无线测温传感器或有线测温传感器，温度感应爪的形状为柱体；

9、上接触片为圆片体，直杆体为圆柱形杆体，上接触片、直杆体和下盘体之间同轴设置，记录上接触片上表面到下盘体下表面的距离为h1。

10、作为优选方案：所述基于气泡吸纳冻胀的早期受冻混凝土最短预养时间确定法为：

11、根据早期受冻水泥基材料的体积变形理论计算模型计算得出不同预养时间下的气泡吸纳冻胀效率系数γ，计算过程为：

12、早期受冻水泥基材料的体积变形理论计算模型为：

13、vc＝vt+ve-(va++δv)γ

14、上式中vc为待测浆体的体积总变形，vc通过温度—变形联合测试装置测得；

15、vt为不考虑水的相变的温度变形，vt根据温度—变形联合测试装置测得数据计算；

16、ve为孔溶液冻结引起的相变膨胀变形，ve通过水泥水化动力学模型和热力学模拟软件计算；

17、va为新拌砂浆的含气量，由搅拌裹入的气泡和引气剂引入的气泡组成，va通过对新拌水泥基材料进行标准实验测得；

18、δv为水泥水化自干燥导致的毛细气孔体积；δv通过水泥水化动力学模型和热力学模拟软件计算；

19、γ为气泡吸纳冻胀效率系数，γ用于定量描述气孔吸纳冻胀变形的作用效果；

20、根据ve－(va+δv)γ＝0这一冻胀作为被气泡吸纳的临界条件，计算满足ve－(va+δv)γ等于0条件下的γmax曲线；

21、试验获得的γ曲线与γmax曲线的交点对应的预养时间即为最短预养护时间。

22、作为优选方案：不考虑水的相变的温度变形vt的获取过程为：

23、根据温度数据的变化规律，利用温度—变形联合测试装置测试水泥基材料受冻过程，分为三个阶段：

24、阶段一：冷却收缩阶段，时间为0-t1，随着水泥基材料内部温度的降低，变形表现为收缩，在此阶段，由于温度尚未达到孔隙溶液的凝固点，因此属于温度变形阶段；

25、阶段二：受冻膨胀阶段，时间为t1-t2，由于开始发生相变，水泥基材料边缘的温度出现了一个明显的转折点，然后以较慢的速度继续下降，中心的温度以原来的速度下降，并在相变温度点稳定后，显示出明显的相变行为，然后继续下降，水泥基材料的变形表现为膨胀，这是由于水凝固后体积膨胀约9％造成的，这部分变形是水泥基材料内水相变膨胀和水泥基材料冷却收缩的综合结果；

26、阶段三：稳定阶段，时间为t2之后，水泥基材料的内部温度和体积趋于稳定，不再发生变化；

27、由此得到混凝土受冻过程中的两个变形特征值：t1时的体积变形vt1以及体积总变形vc，根据温度—变形联合测试装置测得数据计算得出与水的相变无关的温度变形vt，计算公式为：

28、

29、上式中，vt1为t1时的体积变形；δt和δt1分别为整个冷冻过程和0-t1阶段混凝土内部平均温度的变化。

30、作为优选方案：孔溶液冻结引起的相变膨胀变形ve通过水泥水化动力学模型和热力学模拟软件计算，计算过程为：

31、

32、上式中，mw是指非引气混凝土中孔隙溶液的体积分数，pw是指非引气净浆中孔隙溶液的体积分数，vwater、vcement和vaggregate分别是指搅拌时水、水泥和骨料的体积；

33、m′w＝mw×(1-va)

34、上式中，m′w是引气混凝土中孔溶液的体积分数

35、e＝m′w×0.09

36、通过上面三个公式计算得出孔溶液冻结引起的相变膨胀变形ve。

37、作为优选方案：水泥自干燥引起的毛细空气体积δv通过水泥水化动力学模型和热力学模拟软件计算得出，计算公式为：

38、

39、上式中，pc为非引气混凝土中化学收缩的体积分数；vwater、vcement和vaggregate分别是指搅拌时水、水泥和骨料的体积。

40、作为优选方案：待测浆体的体积总变形vc是通过温度—变形联合测试装置测得，待测浆体的体积总变形vc测试获取过程为：首先将底箱体放置在底座上，将位移传感器固定安装在立柱上后，记录位移传感器到锥形壳体底部顶点的距离为初始高度h0；然后将新拌待测浆体倒入锥形壳体，在待测浆体中心布置柔性测温传感器后振捣抹平，再将变形传输器中带有多个定位爪头和一个温度感应爪的下盘体放置在待测浆体的上表面，确保多个定位爪头和一个温度感应爪全部浸入待测浆体中，同时将直杆体的上端穿过上盖后，将上接触片与位移传感器的探头相连接；然后将底箱体与锥形壳体之间形成的第一环形内腔、上盖的第二环形内腔通入20℃的冷媒，使底箱体和锥形壳体之间、上盖处于内循环保温状态，通入冷媒的流量为10-13l/min；

41、然后在对应的预养时间下将第一环形内腔通入对应受冻温度的冷媒，使底箱体和锥形壳体之间处于内循环降温状态，通入冷媒的流量为10-13l/min，再将第二环形内腔中通入对应受冻温度的冷媒，使上盖处于内循环降温状态，通入冷媒的流量为10-13l/min；当位移传感器的探头所在位置与下盘体处于同一中心轴线上时，位移传感器开始记录，初始读数d0；随着待测浆体的降温，定时记录位移传感器的读数di，温度感应爪采集的边缘温度值ti以及柔性温度传感器采集的中心温度值ti’，记录间隔为30～60秒；

42、根据位移传感器初始读数d0、位移传感器到锥形壳体底部顶点的距离h0、初始测试温度下上接触片上表面到下盘体下表面的距离h1、任意时刻位移传感器的读数di，计算获得待测浆体的体积总变形vc，计算过程为：

43、待测浆体原体积v0为：

44、

45、任意时刻浆体体积vi为：

46、

47、其中h1’为任意温度下上接触片上表面到下盘体下表面的距离，它可由初始测试温度下上接触片上表面到下盘体下表面的距离h1与直杆体使用材料的热膨胀系数计算；

48、待测浆体的体积变形vc为：

49、

50、再根据待测浆体的温度数据，在温度—时间曲线下降段的平台温度即为浆体的受冻相变温度点；

51、观察位移传感器采集的变形数据，当位移传感器在30分钟内变化幅度小于5微米时，说明待测浆体体积停止变化，此时的体积变形值即为待测浆体的体积变形vc。

52、作为优选方案：在固定受冻温度和引气剂用量的条件下，当混凝土中气孔结构吸收的冻胀等于可冻结水相变引起的体积变形时，计算满足ve－(va+δv)γ等于0条件下的γmax曲线即为不同预养时间下满足冻胀完全被气孔吸纳的γmax值，计算公式为：

53、

54、作为优选方案：根据γmax曲线与试验获得的γ曲线确定最短预养护时间的过程为：γmax曲线与试验获得的γ曲线的交点对应的横坐标即为最短预养护时间。

55、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

56、一、本发明考虑气泡对冻胀的吸纳作用建立了早龄期受冻水泥基材料体积变形理论计算模型，引入气泡吸纳冻胀效率系数γ定量描述气孔对于材料内部可冻水相变膨胀的吸纳作用。根据理论计算模型，基于冻胀变形全部被气孔吸纳这一临界条件实现各预养时间下气泡吸纳冻胀效率系数临界值γmax的计算。

57、二、本发明通过测试获取待测浆体的体积变形vc和早期受冻混凝土的含气量va，根据早期受冻水泥基材料的体积变形理论计算模型获取不同预养时间下的气泡吸纳冻胀效率系数γ，通过γ与γmax曲线的交点的横坐标确定去准确获取最短预养护时间的过程。是一种快捷且准确确定预养护时间，以早期受冻水泥基材料的体积变形理论计算模型为原理，并基于体积变形的最短预养护时间确定方法，确定结果准确且对后续实际研究具有准确的指导作用。有利于对混凝土早期受冻程度做出准确且全面的评价，利于为冬季施工方案提供指导数据。