一種基于圓環試驗的評價混凝土溫度斷裂的方法與流程

本發明涉及一種基于圓環試驗的評價混凝土溫度斷裂的方法，特別涉及評價混凝土早齡期在有內約束的條件下抵抗溫度斷裂的能力的方法。

背景技術：

在大壩混凝土的溫升期，混凝土最高溫度可能達到60℃以上，此時如果混凝土外表面氣溫發生變化，就會直接影響混凝土的溫度應力狀況。若遇到突然的寒潮或是較大的晝夜溫差，致使混凝土外表面氣溫驟降，則會在大體積混凝土內外產生很大的溫度梯度，在外表面處產生較大的溫度拉應力，當應力超過表面混凝土的抗拉強度時，混凝土就會開裂。

傳統的試驗手段多是使用直接加機械荷載的方式獲得混凝土的拉壓強度，并沒有使用直接利用溫度來使混凝土發生破壞的試驗手段，而這恰恰是實際工程中最多導致混凝土斷裂的荷載形式。考量混凝土抵抗斷裂的能力，不應當僅僅考慮其強度，還應同時考慮其彈性模量和松弛徐變等性能，而這是常規的拉壓試驗無法做到的。現有的圓環法是利用鋼環對混凝土產生的約束，來分析混凝土由自身收縮而引起的斷裂，是一種充分利用了混凝土自身性質的試驗手段。但這種方法試驗周期長，且產生的破壞現象不明顯，同時由于常用鋼材的線膨脹系數一般與混凝土差不多(都在1×10^-5℃^-1左右)，在溫度發生變化的時候鋼材會和混凝土共同發生較接近的變形，不利于產生足夠強的約束。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種基于圓環試驗的評價混凝土溫度斷裂的方法，以克服傳統試驗手段在考量混凝土開裂時僅僅考慮其強度，而沒有直接利用溫度來使混凝土發生斷裂時的主動因素。使該方法可直接利用溫度變化作為混凝土發生斷裂的主動因素，充分利用混凝土自身的材料性質，綜合評價混凝土在溫度突變的條件下抵抗溫度變形的能力。

本發明的目的是通過如下技術方案實現的，該方案包括如下步驟：

一種基于圓環試驗的評價混凝土溫度斷裂的方法，其特征在于該方法包括如下步驟：

1)首先制作多套鋼制圓環模具，以及能夠固定鋼制圓環模具的鋼制底板，將鋼制圓環模具安裝在鋼制底板上，保證二者中心對齊；

2)在鋼制底板的中心安裝可拆卸的銦鋼圓柱，其高度須與鋼制圓環模具的高度相等；

3)在上述多套模具中分別澆筑混凝土，制成多個同種或不同種混凝土試件，將混凝土試件在小型振動臺上振動密實成型，隨后在每個混凝土試件表面覆蓋保鮮膜防止水分蒸發；

4)混凝土試件終凝拆模后，將鋼制圓環模具和鋼制底板拆除，將混凝土試件連同銦鋼圓柱一起置入混凝土溫濕度養護箱內，設置養護箱的養護溫度在50℃以上，相對濕度在95％以上；

5)達到養護齡期后將混凝土試件取出，并立刻在混凝土試件上安裝聲發射探頭，用于試驗中對混凝土斷裂進行探測和定位；

6)聲發射探頭安裝完畢后，將混凝土試件立刻放置到冷水箱中進行冷卻，在水箱中放置溫度傳感器，用聲發射裝置對混凝土試件在某一溫度下的斷裂過程進行探測，并記錄混凝土試件在同一溫度下發生斷裂的時間t，用混凝土裂縫缺陷綜合測試儀測量混凝土試件的斷裂特征：裂縫長度s、寬度w和深度h；

7)在同種試驗條件下對比同種或不同種不同齡期的混凝土的斷裂特征，對混凝土的溫度斷裂特性進行對比評價：斷裂時間t越長，裂縫長度s、寬度w、深度h越小，則表征混凝土在該條件下抵抗溫度斷裂的特性越強；反之則越弱。

優選地，鋼制圓環模具的內半徑為140～160mm，高度為80～100mm，厚度為5～10mm；所述銦鋼圓柱的外半徑為90～100mm。

優選地，鋼制底板為正方形鋼制底板。

優選地，在混凝土試件上沿圓周均勻安裝8個聲發射探頭。

上述技術方案中，所述的養護齡期為7天、14天、28天或更長齡期。

本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果：

①直接利用溫度變化作為混凝土發生斷裂的主動因素，可以充分利用混凝土自身的材料性質，綜合評價混凝土在溫度突變的條件下抵抗溫度變形的能力；②使用銦鋼(Invar，因瓦合金，也音譯為銦鋼或殷鋼，是含有35％鎳的鐵合金，它因為具有很低的線膨脹系數，且剛度與普通鋼材相近，被稱為“金屬之王”或“無膨脹合金”)作為混凝土內約束的材料，充分利用銦鋼線膨脹系數很小而剛度很大的特性(平均線膨脹系數為0.87×10^-6℃^-1，平均彈模大于200GPa)，因而在溫度變化的條件下不會發生較大的變形，也不會因混凝土發生收縮擠壓而產生較大的變形，所以對混凝土的內約束性非常強；③使用聲發射裝置對混凝土的破壞過程進行探測，可以精準確定發生破壞的時刻，并對損傷進行定位，克服了傳統圓環法的相應缺點；④試驗原理簡單，試驗模具搭建簡易，操作方便。

附圖說明

圖1為圓環模具水平剖面圖。

圖2為圓環模具豎直剖面圖。

圖3為試驗時安裝聲發射探頭示意圖。

圖4是混凝土圓環發生斷裂的宏觀裂縫。

圖5a、5b分別是用混凝土裂縫缺陷綜合測試儀測得的C30混凝土和C20混凝土開裂的最大裂縫寬度。

其中：1-混凝土試件；2-銦鋼圓柱；3-鋼制圓環模具；4-聲發射探頭。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例進一步說明本發明的實施方式：

本發明在現有技術的基礎上，進一步利用了溫濕度養護箱為混凝土提供較高的初始溫度場，使用銦鋼這一溫度變形極小而剛度很大的材料為混凝土試件提供內約束，同時結合聲發射裝置對混凝土的斷裂過程進行探測，其具體實施方式可按如下步驟進行：

1)首先制作多套鋼制圓環模具3，鋼制圓環模具的尺寸優選為：內半徑140～160mm，高度為80～100mm，厚度為5～10mm，配套制作正方形鋼制底板，在鋼制底板的中心開一螺孔，使用一長螺釘來安裝銦鋼圓柱(中心開孔用于固定)。如圖1、圖2所示；

2)在上述模具中澆筑混凝土試件1，保證混凝土試件的內側面與銦鋼圓柱2緊密接觸。可同時制作多個混凝土試件(可以是同種或不同種混凝土)，將混凝土試件在小型振動臺上振動密實成型，隨后在混凝土試件表面覆蓋保鮮膜防止水分蒸發；

3)混凝土試件終凝可拆模后(12～24h)，撕下覆蓋在混凝土試件表面的保鮮膜，并將試件的鋼制圓環模具和鋼制底板拆除；再將混凝土試件連同銦鋼圓柱一起放置入混凝土溫濕度養護箱內。設置養護箱的養護溫度在50℃以上，相對濕度在95％以上；

4)待混凝土試件在溫濕度養護箱內達到養護齡期后(7天、14天、28天或更長齡期)將混凝土試件取出，并立刻在混凝土試件上安裝聲發射探頭，用于試驗中對混凝土斷裂進行探測和定位，一般是在混凝土試件上沿圓周方向均勻安裝8個聲發射探頭(如圖3所示)，之所以要在這個位置安裝8個聲發射探頭，是因為這樣可以確保圓環試件上的任意一點都可以同時被3個探頭探測到，這就確保了任意一處發生斷裂，聲發射探頭可做到精確定時和定位。

5)然后將混凝土試件立刻放置到冷水箱中進行冷卻，使用制冷循環裝置對水箱中的水進行循環制冷，并在水箱中放置溫度傳感器，設置水箱的冷卻溫度值，當水箱溫度達到預設溫度時，保持水溫不變；同時啟動聲發射裝置開始采集信號，對混凝土的斷裂過程進行探測。觀測試驗現象，并記錄從混凝土試件放入冷水箱到發生斷裂的時間t，停止試驗并將混凝土試件取出，根據聲發射探頭測定的斷裂位置，用混凝土裂縫缺陷綜合測試儀測量混凝土的斷裂特征(裂縫長度s、寬度w和深度h)，并拍照記錄；

6)在同種試驗條件下對比不同種混凝土或同種不同齡期混凝土的斷裂特征，可以對混凝土的溫度斷裂特性進行對比評價：混凝土發生斷裂的時間t越長，產生的裂縫長度s、寬度w、深度h越小，則表征混凝土在該條件下抵抗溫度斷裂的能力越強；反之，若混凝土發生斷裂的時間t越短，產生的裂縫長度s、寬度w、深度h越大，則表征混凝土在該條件下抵抗溫度斷裂的能力越弱。

實施例

本實施例制作了內徑×高度為150×80mm的鋼制圓環模具，其厚度為10mm，配套鋼制底板尺寸為400×400mm。并在模具中心安裝半徑為100、高度為80mm的銦鋼圓柱，用螺絲將銦鋼圓柱固定到鋼制底板上。

具體的試驗過程：1)準備4套模具澆筑C30和C20的混凝土試件各2個，分別編號為1～4號，并在小型振動臺上振動密實，隨后在表面貼上保鮮膜防止水分散失；2)待混凝土試件終凝拆模，將試件連同銦鋼內核一起置入溫濕度環境箱，設置環境箱的養護溫度為60℃，濕度為98％；3)到達7天養護齡期后，將試件取出，立刻放置到冷水中使試件冷卻，觀測試驗現象；4)記錄發生斷裂的時刻，測量混凝土斷裂特征。試驗結果如下表所示，圖4是混凝土圓環發生斷裂的宏觀裂縫，可以看出裂縫是從混凝土與銦鋼內核的交接處向外發展的；圖5a是用混凝土裂縫缺陷綜合測試儀測得的C30混凝土開裂的最大裂縫寬度，圖5b是C20混凝土開裂的最大裂縫寬度。

實施例表1 C30和C20混凝土試驗結果

從以上的實施例可以看出本發明可以很好地利用圓環試驗的評價混凝土溫度斷裂，該方法可直接利用溫度變化作為混凝土發生斷裂的主動因素，充分利用了混凝土自身的材料性質，綜合評價混凝土在溫度突變的條件下抵抗溫度變形的能力。