專利名稱：：混凝土開裂敏感性測試裝置及抗裂能力評價方法
技術領域：
：本發明涉及一種混凝土開裂敏感性的測試裝置及評價方法，主要用于控制現澆混凝土的開裂敏感性，并評價混凝土配合比在配筋條件下的整體抗裂能力，提高混凝土工程開裂預控能力；技術背景國內外針對不同膠凝體系混凝土材料體積穩定性的研究十分活躍，采用的研究方法主要為干燥收縮、自生體積變形、熱力學性能、徐變、約束開裂試驗等。根據設計模具尺寸的不同，測試的對象可在混凝土、砂漿及水泥漿體之間進行相應的變化，測試的技術手段主要為千分表法、傳感器法等，測試結果可通過位移、長度、應力、重量、應變、熱量、開裂時間等參數來表征。其測試的準確度、精度以及可重復性與儀器設備參數、實驗環境條件、試驗構件的齡期等密切相關。在評價收縮、開裂方法的進展上,值得介紹的是德國幕尼黑技術大學R.Springenschmid教授早在1969年開發的開裂試驗架裝置。這個裝置可以模擬混凝土在初齡期受約束條件下產生的應力，混凝土從半液半固態的粘塑性體開始轉變為粘彈性體過程，彈性模量迅速增長、徐變松弛作用減小都可以得到綜合的反映。由于混凝土變形很大程度上被剛性的構架所阻止,因此可以定量測得混凝土的開裂趨勢和水泥的開裂敏感性,適用于為工程選擇抗裂性能較好、開裂趨勢較小的原材料和配合比,也可以用于預測已知結構參數、混凝土材料和澆注溫度等條件時開裂的可能性,因此能夠采取必要的防范措施。國際上對混凝土抗裂性能常用的研究方法還有平板法，新平板法、橢圓法、圓環法和棱柱體法。在后幾種方法中常用的是圓環法，因為大圓環試驗可以評價混凝土自收縮和干燥收縮產生的自應力對混凝土的抗裂性能，雖然由于粗骨料的存在使混凝土環表面水份蒸發受到一定的阻礙，從而使混凝土外表面不能沿環均勻收縮，再加上粗骨料對裂縫限制分散作用，使混凝土表面產生微裂紋，從而釋放部分應力，使測出可見裂縫的最大寬度降低，影響了評價效果，但總的來說為混凝土提供了完全均勻的約束，體現了混凝土在約束條件下收縮和應力松弛的綜合作用。在此基礎上設計的小圓環法可以避開粗細骨料的限制收縮影響，通過提供一個穩定的等價內環的約束條件，在徑向和切向應力共同作用下，能夠直接評價不同膠凝材料組成的早期開裂敏感性。目前在工程中用來評價混凝土抗裂性能的指標有以下幾種，(1)抗拉強度、極限拉伸率等。(2)測定混凝土的干縮值，并以其評定混凝土開裂的可能性。然而，研究發現，溫度收縮和自身收縮也是引起開裂的主要原因，測定干縮值來評價混凝土開裂的方法，對低水灰比混凝土就不適宜了。因此單一的從某一個性能方面來評價混凝土材料配合比或者某種特種工程材料的應用對混凝土抗裂能力的好與壞是不全面的，也是不科學的。有必要兼顧、綜合分析與裂縫產生過程有關的物理力學、變形等參數，可從定性角度評價其利弊、從定量角度分析其影響程度。
發明內容本發明的目的在于彌補現有技術的不足，提供一種混凝土開裂敏感性測試裝置。為了實現上述發明目的，本發明采用了以下技術方案一種混凝土開裂敏感性測試裝置，其特征在于由一干燥收縮測試裝置，一自收縮測試裝置，及一約束收縮測試裝置組合而成，所述自動收縮裝置，由一高精密數字位移計、一混凝土密封模具桶，及一用于測量混凝土溫度的測溫設備構成。進一步地，上述約束收縮裝置包括一圓柱體兩端留有孔口的鋼模具、一低彈模纖維筋、一差動變壓數字位移測試系統及計算機系統，所述低彈模纖維筋軸向貫穿過模具，所述差動變壓數字位移測試系統的位移計連接彈模纖維筋兩端，并通過數據電纜連接于計算機系統。本發明的目的還在于提供一種對混凝土抗裂能力的評價方法。本發明采用的混凝土抗裂能力評價方法，包括以下步驟-(1)測量并計算混凝土的極限拉伸率ep，徐變系數Vc，干燥收縮變形Sd,，自生體積變形&，溫差AT，線性膨脹系數ot及基礎約束系數R;(2)將上述測得的數值代入以下公式，計得抗裂因子Kac<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>"Ar"-&-s。，s式中ep——混凝土極限拉伸率；VC——徐變系數；￡d,s^~干燥收縮變形；&^自生體積變形；AT~~溫差；(X——線性膨脹系數；R——基礎約束系數；0SR51。(3)根據抗裂因子Kae的大小得知混凝土抗裂性能的強與弱。本發明的混凝土開裂敏感性測試裝置及評價方法，主要用于控制現澆混凝土的開裂敏感性，特別是控制混凝土中膠凝材料的開裂趨勢，從而減少現澆混凝土的收縮應力，降低混凝土開裂風險。該測試裝置及開裂評價方法充分利用混凝土的自由收縮、干燥收縮和溫度收縮以及約束條件下總收縮的相互關系和作用特點，集成先進電子測試、傳感器技術、混凝土材料制備技術，可在線計算混凝土經時彈性模量變化、計算混凝土收縮應力，計算抗裂因子以評價混凝土配合比及在配筋條件下的整體抗裂能力。本發明采用的高精度位移傳感器法具有以下特點:l)高精密數字位移計(傳感器)測量精度高，可達0.1pm量級，較千分表精度高出10倍，2)由于傳感器不是埋入式的，沒有和混凝土溫度變形不同步的問題，所以測量不受混凝土彈性模量的影響，可以測量早期的自生體積變形；3)密封桶具有良好的密封性，保證試件的絕濕狀態；4)通過對溫度影響的修正，可消除溫度對自生體積變形以及傳感器的影響；5)傳感器可重復使用，長期試驗成本相對較低；6)密封桶內襯以橡膠皮、黃油和塑料薄膜，降低了模具對混凝土的約束作用。圖1是高精度位移傳感器測試裝置示意圖。圖2是混凝土體積變形約束力測試裝置示意圖。圖3是混凝土開裂分析模型方框圖。實施例1混凝土自收縮測試裝置參照《水工混凝土試驗規程》(DL/T5150-2001)自生體積變形試驗方法，如圖1所示，設計的這套測定裝置包括固定于支架4上的高精密數字位移計(傳感器)1、混凝土密封模具桶2以及測溫設備3部分。混凝土密封模具桶2的頂部水平放置有一平板玻璃，高精密數字位移計1的傳感器11置于該平板玻璃的表面，測溫設備3用于測量密封模具桶2內外溫度。高精密數字位移計1的測量范圍為ilmm，分辨率為0.0001mm;差動變壓器(LVDT)的溫度數-0.01%廠。-0.05%化，具有較強的抗干擾能力。設計加工的專用支架可消除傳感器ll本身的松弛，適應不同尺寸試件的測量需要。混凝土密封模具桶2用鍍鋅鐵皮制作，用塑料布、黃油和2mm厚橡皮貼于鐵桶內壁，減小側面變形約束。混凝土內部測溫采用XJY-0162智能巡檢儀，外部測溫采用數字溫度計。試件成型后立即置于預先調好試驗溫度的恒溫室中。測量試件的原始長度LO，試件頂部放置玻璃板，傳感器的探頭和玻璃板保持垂直，以減少實驗誤差。調零后讀取位移初始值aO，同時讀取混凝土內部的溫度TOl、T02、T03，取3個數的平均值作為混凝土內部的溫度初值TO，并用數字溫度儀記錄試件外部初始溫度TIO。3d內每天讀45次數(ai,Til，Ti2，Ti3及Tli),以后每天讀3個數。混凝土自生體積變形由下式計算:si=(ai-aO)/LO+C1(Ti-T0)+C2(Til-T10).式中:ei為混凝土的自生體積變形；Cl為混凝土的線膨脹系數；C2為LVDT的線膨脹系數；Ti=(Til+Ti2+Ti3)/3;T0=(T01+T02+T03)/3;Tli為LVDT所處的外部環境溫度。實施例2混凝土自收縮應力測試裝置如圖2所示，體積變形約束自應力測試裝置可分解為干燥收縮測試裝置20、自收縮測試裝置10及約束收縮測試裝置30三個部分。干燥收縮測試裝置20可參照有關國家標準方法進行。自收縮測試裝置10按照實施例1進行。約束收縮裝置30如圖所示，包括一圓柱形鋼模具5，模具兩端留有孔口，一低彈模纖維筋6軸向貫穿過模具5。差動變壓數字位移測試系統的位移計7連接彈模纖維筋6兩端，該差動變壓數字位移測試系統通過數據電纜連接于計算機。計算原理Fc=i^......(公式l-l)(7cy4c=(T"s......(公式1-2)ctc;tt2=cts;z^一《c)......(公式l-3)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>混凝土收縮應力；W昆凝土橫截面的半徑；AW為混凝土彈性模量；A鋼筋彈性模量；鋼筋變形率；鋼筋直徑；丄鋼筋埋入混凝土中的初始長度；//(f)混凝土徐變系數；p(f)混凝土應力松弛系數^混凝土約束收縮率；.，混凝土干燥收縮率；./混凝土自生體積變形率；(/混凝土溫度收縮率;通過測量上述各值計算得到。實施例3混凝土開裂評價方法(物理模型+數學模型)從裂縫產生的過程可以知道混凝土的抗裂能力主要由混凝土抗拉強度、彈性模量、徐變、自身體積變形、線膨脹系數和水化溫升等因素綜合決定。這幾種因素有的是獨立的，不受別的因素的影響(或影響很小)，如線膨脹系數；有的則是相互關聯和制約的，如抗拉強度與徐變，提高混凝土抗拉強度有利于混凝土抗裂，但其徐變相應減小，不利于抗裂；同時提高混凝土抗拉強度，有可能增加混凝土的水泥用量，使混凝土水化溫升相應增高，這也不利于混凝土抗裂。因而混凝土的抗裂能力綜合指標必須全面、合理地反映混凝土抗裂能力的各個主要因素才有指導意義。眾所周知混凝土的破壞特性是多方面的，但就其結構物的破壞條件而言，關鍵是變形性能。控制混凝土變形的目的就是防止混凝土產生裂縫，以保持結構物的整體性及穩定性。本發明建立了混凝土開裂分析模型(見圖3)，并在分析模型的基礎上，考慮到混凝土的經時變化，創立混凝土抗裂能力評價模型如公式1-8，1-9所示。(1-8)及*式中&c~~抗裂因子；Sp——混凝土極限拉伸率；Vc^—徐變系數；Sd，s——干燥收縮變形；Sa,s——自生體積變形；AT~~溫差；a-線性膨脹系數；r^基礎約束系數；0$r51，其精確數值由約束變形、自由變形之比確定，一般情況下，作為估算R取值如下輕微約束0.10.2，中等約束0.40.6，強約束0.81.0;由于裂縫的產生過程與混凝土的成熟度、經時變化密切相關，結合有關物理力學性能相關性公式、收縮預測模型公式等，可把公式1-8變換如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>^天干燥變形)(1-9)式中當n為3d，k取22.5;當n為7d,k取1.52;當n在714d期間，k取L21.4;——混凝土28天立方體抗壓強度，MPa;t~~混凝土結構齡期，；Cu^混凝土最終徐變系數；d^鋼筋直徑，mm;W—單方中混凝土膠凝材料用量，kg/m3;Q一單位質量膠凝材料的放熱量，kJ/kg;C——混凝土比熱，kJ/(kg,c)，無試驗數據可取0.96;y^混凝土容重，kg/m3;|xp~~鋼筋混凝土結構中的配筋率，％;R~~基礎約束系數，同上；考慮到混凝土的自收縮變形比較快，可用干燥收縮變形量的l/4表示自生體積變形量，^。需要說明的是公式l-9是結合了結構設計、基礎約束度參數在內的評價體系，可以用于混凝土結構的抗裂能力分析，類似于王鐵夢的"結構物抗裂度因子"方法，如果僅考慮混凝土材料配合比抗裂度，則可以配筋率，而把約束程度作為完全約束(R=l)，可直接計算不同齡期的混凝土的抗裂能力大小，類似于李光偉的抗裂變形指數法。從公式1-9中可以分析出抗裂因子越大，說明混凝土的抗裂性能越高；細密配筋，降低約束系數可以提高抗裂因子，降低絕熱溫升和線性膨脹系數可以提高混凝土的抗裂能力，增強徐變，提高混凝土的抗拉強度，降低混凝土的干燥收縮及自生收縮變形可以提高混凝土的抗裂性倉l具體實施方式(某試驗研究實例)不考慮結構設計、并假設把基礎約束度作為完全約束，發明人根據有關試驗資料計算了28天齡期的抗裂因子大小，見表1所示。表1具有代表性混凝土組分28天抗裂能力分析<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>通過計算結果可以分析出粉煤灰、礦渣能夠提高混凝土的抗裂因子，而硅灰則降低了混凝土的抗裂因子，因此可認為摻加硅灰的混凝土組分抗裂性能有所降低。摻加纖維、減縮劑、以及減縮劑和膨脹劑復合使用能夠提高混凝土的抗裂性能，特別是減縮劑和膨脹劑復合使用能夠大幅度提高抗裂因子，和各種約束開裂試驗結果具有很好的一致性。而使用膨脹劑在早期養護不充分的前提下，有降低抗裂因子的趨勢;抗裂因子是考慮混凝土的抗裂性能、而大小圓環約束開裂試驗、平板試驗分別是針對砂槳、漿體的早期干燥與自收縮作用、混凝土早期的塑性收縮作用，因此和抗裂因子的大小關系有一定的出入；當抗裂因子顯著高于基準時，各種約束試驗的結果基本上是一致的，這再次反應了混凝土配合比中膠凝材料組成的重要性。權利要求1、一種混凝土開裂敏感性測試裝置，其特征在于由一干燥收縮測試裝置，一自收縮測試裝置，及一約束收縮測試裝置組合而成，所述自動收縮裝置，由一高精密數字位移計、一混凝土密封模具桶，及一用于測量混凝土溫度的測溫設備構成。2、根據權利要求1所述的混凝土開裂敏感性測試裝置，其特征在于所述約束收縮裝置包括一圓柱體兩端留有孔口的鋼模具、一低彈模纖維筋、一差動變壓數字位移測試系統及計算機系統，所述低彈模纖維筋軸向貫穿過模具，所述差動變壓數字位移測試系統的位移計連接彈模纖維筋兩端，并通過數據電纜連接于計算機系統。3、一種混凝土抗裂能力評價方法，其特征在于包括以下步驟(1)應用權利要求1或2所述的裝置測量并計算混凝土的極限拉伸率sp，徐變系數Vc，干燥收縮變形Sd，，自生體積變形^，溫差AT，線性膨脹系數oi及基礎約束系數R;(2)將上述測得的數值代入以下公式，計得抗裂因子Kae。c一i卞r"、—&式中Sp~~混凝土極限拉伸率；Vc^^變系數；ed,s~~干燥收縮變形；ea,s~—自生體積變形；AT~~溫差；(X^線性膨脹系數；R——基礎約束系數；0^1。(3)根據抗裂因子Kac的大小得知混凝土抗裂性能的強與弱。全文摘要本發明公開了一種混凝土開裂敏感性測試裝置，由一干燥收縮測試裝置，一自收縮測試裝置，及一約束收縮測試裝置組合而成。本發明的混凝土開裂敏感性測試裝置及評價方法，可在線計算混凝土經時彈性模量變化、混凝土收縮應力、抗裂因子以評價混凝土配合比及在配筋條件下的整體抗裂能力，主要用于控制現澆混凝土的開裂敏感性，特別是控制膠凝材料的開裂趨勢，從而減少現澆混凝土的收縮應力，降低混凝土開裂風險。文檔編號G06F19/00GK101122596SQ20071003005公開日2008年2月13日申請日期2007年9月4日優先權日2007年9月4日發明者王勝年,王迎飛,黃雁飛申請人:中交四航工程研究院有限公司