混凝土通水冷却全过程试验装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水利水电工程技术领域，涉及一种基于真实环境的混凝土通水冷却全 过程仿真试验方法以及采用该方法的试验装置，更具体地，涉及大体积混凝土通水冷却的 全过程仿真试验的方法和装置。
【背景技术】
[0002] 长期以来，"无坝不裂"一直是未能解决的世界难题，裂缝的出现影响着大坝结构 的外观、性能和安全，最终影响到人民的生命财产。如何减小甚至防止裂缝的产生就成为工 程建设者必须考虑的问题。随着相关领域理论及技术研究的进步，大坝混凝土裂缝的研究 工作取得了较明显的进展，特别是大体积混凝土温控防裂工作，目前已形成了相对完善的 基础理论与方法体系。但鉴于水利水电工程的复杂性，特别是所在地区环境的恶劣性，大坝 混凝土裂缝问题仍然没有彻底解决。
[0003] 导致混凝土产生裂缝的因素很多，结构、材料和施工因素均有可能成为裂缝出现 的诱因，但是对于大坝而言，特别是在大温差高海拔地区修筑的大坝，周围气象环境逐渐成 为温控防裂控制的重点因素。大气环境不但把整个混凝土工程实时包围着，而且大气环境 的变化无常也对工程产生重要的影响，特别是周围环境的温度、湿度、降雨、风速和太阳辐 射等因素，严重影响着混凝土裂缝的产生，大气环境影响因素对混凝土裂缝产生的影响规 律如何，其影响程度又有多大，目前还没有定论。因此，研制基于真实环境的混凝土开裂全 过程试验装置和方法就成为大坝混凝土工程建设所需。
[0004] 从20世纪30年代水管冷却技术在美国胡佛坝成功应用以来，已在全世界的大坝 等大体积混凝土结构中应用，并成为一项重要的混凝土温控防裂措施。水管冷却的原理是 通过在混凝土内布置水管，利用水管中流动的冷却水把水化热量带走，达到混凝土降温的 效果。冷却水管既可以降低早期的最高温度，消减温度峰值，又可以降低内外温差和温度梯 度，削峰和减差效果显著。但是水管冷却对混凝土的影响规律如何，其对温度、应力、变形和 裂缝发展的影响规律如何、影响程度又有多大，目前也一直处于理论仿真方面，并没有直接 的试验验证。因此，一种混凝土通水冷却全过程仿真试验装置和方法就成为大体积混凝土 工程建设所需。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于改进现有混凝土温度应力模拟和裂缝研究中的局限和不足，提 供一种从试验角度出发，对混凝土的温度和应力等因素在多变环境条件和/或通水冷却下 的发展全过程进行试验的装置，并且还提供在该装置中进行试验的方法，为防止混凝土裂 缝产生提供依据。
[0006] 本发明的技术解决方案是：
[0007] 本发明提供的混凝土通水冷却全过程试验装置，包括一主试验机，其包括一底座， 在该底座上设置有：
[0008] -混凝土试件容置装置，其设置在该环境箱中，其包括固定夹头、活动夹头、试件 中部固定侧模板，三者拼合构成一个上端敞口或者上下端均敞口的混凝土试件容置空间， 所述固定夹头固定设置在该底座上，所述活动夹头可沿所述混凝土试件容置空间的长度方 向的轴线移动地设置；在该混凝土试件容置空间中设置通水冷却模拟系统，其包括一水管， 使该水管置于混凝土试件中，该水管上设进出水接管穿出该容置空间与供水装置连为回 路，在该回路上设置两个执行机构：冷却装置和循环动力装置；在所述回路中设置流量计 和水温传感器；
[0009] 在混凝土试件容置空间设置温度传感器；
[0010] -加载系统，包括一框架、一传动装置和一动力装置，所述框架设置在所述底座 上，该传动装置包括一直线运动机构，其中的从动件与所述活动夹头固定而使得该活动夹 头位置固定或在所述轴线方向移动，该直线运动机构中的主动件固定在该框架上；所述动 力装置设置在所述框架上，连接所述直线运动机构中的该主动件；该动力装置构成加载执 行机构；
[0011] 在所述活动夹头或与活动夹头连接的部件上设置位移/变形传感器感知混凝土 试件的变形；在所述直线运动机构上设置应力传感器感知试件承受的负荷；
[0012] 一计算机，该计算机通过数据线与一控制系统连接，该控制系统包括：控制主试验 机中通水冷却模拟系统中的冷却装置和循环动力装置中各执行机构动作的控制单元以及 主试验机中控制混凝土试件加载系统中动力装置动作的控制单元；
[0013] 所述计算机还通过数据线所述监测环境参数的温度传感器的信号输出端；
[0014] 所述监测混凝土试件的位移/变形的位移/变形传感器的信号输出端；
[0015] 所述监测试件应力的应力传感器的信号输出端相连；
[0016] 监测通水冷却模拟系统中循环水的水温传感器的信号输出端；
[0017] 所述控制系统的控制信号输出端与各执行机构的控制端相连。
[0018] 上述方案中，试件在混凝土试件容置空间中被通水冷却模拟系统而降温，在此状 态下进行各种试验，可获得在这种状态下的各种性能参数以及降温与各性能参数的关系。
[0019] 进一步地，在本试验装置中还可以包括：
[0020] -环境箱，至少具有四壁和上盖，形成一个封闭的空间，与周围环境隔开；所述混 凝土试件容置装置置于该环境箱中，所述直线运动机构中的从动件通过所述环境箱的侧壁 进入环境箱与所述活动夹头连接；
[0021] 还包括一真实环境模拟系统，其至少包括至少一个执行机构：其包括一温度调节 装置，其为加热和/或冷却装置，其设置在所述环境箱和混凝土试件容置装置上以提供至 少在温度上模拟设定的的真实环境；
[0022] 在所述环境箱中设置温度传感器；
[0023] 该控制系统还包括所述真实环境模拟系统中各种执行机构动作的控制单元；
[0024] 所述通水冷却模拟系统包括制冷设备、制冷水存储设备、增压设备和循环水存储 设备，该循环水存储设备上连接循环水管，该循环水管连接所述水管上的进出水接管构成 循环回路，在所述循环回路上设置所述增压设备、水温传感器以及流量计和通水换向装置， 所述制冷水存储设备上连接循环管，该循环管通过所述循环水存储设备以冷却所述循环 水，所述制冷设备与所述制冷水存储设备连接用于制冷水存储设备中的制冷水的降温；和 /或，
[0025] 在该混凝土试件容置空间中设置的所述水管沿所述容置空间的长度方向的轴线 设置；和/或，
[0026] 在本发明的具体实施例中，所述各执行机构的控制单元包括：真实环境模拟系统 中的温度控制单元、位移/变形控制单元和加载控制单元以及通水冷却模拟系统中的水温 控制单元、增压设备控制单元。
[0027] 温度控制单元接受计算机的指令，控制执行机构即加热/冷却装置工作，使得混 凝土试件容置空间也可以包括环境箱的温度符合设定的参数。
[0028] 位移/变形控制单元和加载控制单元一起控制执行机构即加载系统中的动力装 置。
[0029] 通水冷却模拟系统中的水温控制单元接受计算机的指令，控制增压设备的工作， 调节循环水的流量，以使得混凝土试件达到设定的温度。
[0030] 计算机中的数据处理系统计算出混凝土试件在所述模拟的真实环境中的包括约 束应力、自由变量、弹性模量、变形分离、徐变中至少一种结果并输出。
[0031] 所述容置空间的横截面形状为：两端是宽度较大长度较短的头部，中间是宽度较 小长度较长的中间段，所述头部和中间段通过锥段连接过渡；所述固定夹头和活动夹头与 试件中部固定侧模板之间的拼接缝位于该容置空间的中间段范围内。
[0032] 进一步地，所述试件容置固定装置还可以包括一个上模板，其封闭所述混凝土试 件容置空间的所述上端敞口。
[0033] 所述侧模板和所述活动夹头和/或固定夹头之间的接缝留有间隙，该间隙包括侧 模板的端头与所述活动夹头之间的间隙，以保证试件在压缩时侧模板与活动夹头不抵触， 还包括侧模板的侧面与固定夹头和活动夹头之间的间隙。
[0034] 所述侧模板可横向移动地设置在该环境箱中。
[0035] 在使用中，可以将混凝土直接浇注到所述混凝土试件容置空间中形成试件，也可 以将制成的与该试件容置空间形状匹配的试件置于所述混凝土试件容置空间中。
[0036] 设置在所述环境箱中的所述气温控制系统中的加热和/或冷却装置可以是设置 在所述环境箱的箱壁中或封闭的空间中，所述箱壁具有中空腔室，和/或，设置试件容置固 定装置中的所述固定夹头、活动夹头和侧模板至少其一具有中空腔室；
[0037] 各所述中空腔室设置进口和出口与所述加热或冷却装置的介质通道连通，所述执 行机构可以是在该加热冷却装置的介质通道上设置的电加热线圈或驱动加热或冷却的介 质流动的输送栗，用于在试验中根据需要提供热能或冷能。
[0038] 在本发明中，模拟真实环境系统中主要的气温控制系统，可以有两部分，一部分是 在环境箱体上设置，另一部分在试件容置固定装置上设置。在环境箱上设置，更多的是模拟 真实环境中的气温，而在试件容置固定装置上设置，能在短时间内模拟出真实环境中例如 混凝土大坝的温度。现有技术中的试验装置中都没有如此全面的气温控制系统。
[0039] 在本发明中，能够直接将混凝土直接浇注在试件容置固定装置的混凝土试件容置 空间中，这样，就可以在模拟的真实环境中测试混凝土从稀态到凝固再到硬化完整过程的 膨胀变形和应力的变化，这样，对于例如大坝从浇筑、凝固到硬化过程的应力、应变在不同 环境条件下都可以进行测试，获得全面的数据，为大坝的设计、施工提供宝贵的信息。现有 技术中的试验装置都没有想到也做不到这种完整过程的测试。当然，本发明提供的试验装 置中的试件容置固定装置也可以对已经制成的混凝土试件进行测试。
[0040] 本发明提供的计算机控制系统基本上为现有技术，在其中实现如下功能：当由于 试件在模拟的真实环境中变形而推抵所述活动夹头时，应力传感器采集到应力，通过数据 处理系统和数据输出系统的信号输出端与动力装置连接而启动动力装置驱动活动夹头移 动直到应力传感器上感测的应力降低到零，所述动力装置停止。
[0041] 这样的结构可以使得本试验装置实现自由变量等试验。
[0042] 还有就是在自由变量之后，启动动力装置驱动活动夹头移动而缩小变形量，由所 述位移传感器获得位移量，由所述应力传感器获得相应的应力值。
[0043] 所述真实环境模拟系统除了所述的气温调节装置之外，还可以包括设置所述环境 箱中的如下传感器中的至少一种：湿度传感器、太阳辐射传感器、降雨传感器和风速传感 器，其与所述计算机连接，所述控制系统连接的所述执行机构，还连接如下执行机构中的全 部或部分：湿度调节装置、太阳辐射调节装置、降雨调节装置、风速调节装置。
[0044] 具体地，可以在所述环境箱的箱壁上设孔，连接管路，该管路连接送气、送汽、送风 和喷水装置中的至少一种，相应地构成湿度调节装置、降雨调节装置和风速调节装置；和/ 或，所述环境箱的箱壁上设孔，在孔中设置模拟太阳照射的灯具构成太阳辐射调节装置。
[0045] 各个执行机构与所述控制系统关联使得模拟出设定的真实环境。
[0046] 各个所述调节装置还可以是自成体系，例如温度调节装置，包括加热控制器、温控 仪，其连接加热元件和温度传感器而实现加热功能。这样，可以简化控制系统的结构。
[0047] 进一步地，所述框架为包括两个横梁和两个立柱构成的矩形的框架，一个固定横 梁固定在所述固定夹头一侧的所述底座上，两个所述立柱平行地固连所述固定横梁位于所 述环境箱两侧，一个微动横梁设置在所述活动夹头一侧的所述底座上，与所述立柱连接，所 述动力装置设置在该微动横梁上，由此形成反力框架，所述直线运动机构穿过该微动横梁 与活动夹头连接，所述位移/变形传感器和所述应力传感器的支撑部分直接或间接地固定 在所述底座上。
[0048] 本发明提供的框架，两个横梁一个固定在所述底座上形成固定横梁，另一个只是 设置在所述底座上与该底座没有固定结构形成微动横梁，且加载系统设置在微动横梁上。
[0049] 这样，当加载系统向试件施力时，框架会承受很大的应力且可能会有很小的变形， 但这种力和变形不会传给底座。因此，位移传感器和力传感器的测量精度不受框架变形的 影响，保证很好的测量精度。
[0050] 所述立柱的材料和截面尺寸为：保证其刚度为承受混凝土最大的强度应力的 5-20倍的力而不变形，或者刚度K大于等于2MN/mm;和/或，保证其温度稳定性为在试验的 温度范围（例如-20-80°C)内时其温差变形小于10微米。
[0051] 本发明提供的所述框架，采用立柱横梁式，结构稳定，加之其中的立柱具有足够的 刚度和温差变形稳定性，可以很好地保证试验的精度。
[0052] 进一步地，所述环境箱的所述箱盖上设置视窗，使得试验过程可视化。
[0053] 所述动力装置优选伺服电机，连接蜗轮减速机传动机构。这样的动力装置使控制 精度、反馈速度、效率大提高。
[0054] 所述直线运动的传动机构采用螺旋传动机构。
[0055] 在所述底座还设置一提升机构，在所述试件容置固定装置中设置一个底板用于放 置试件或在其上浇注试件，该底板连接该提升机构，通过运行该提升机构，能够将试件从混 凝土试件容置空间中移入或移出。
[0056] 本发明提供的试验装置中还可以包括一辅助试验机，该辅助试验机包括一个试件 容置腔用于放置与所述主试验机中试验的试件相同的试件，该试件容置腔中设置所述温度 调节装置，或者设置所述温度调节装置以及如下调节装置中的至少一种：湿度调节装置、太 阳辐射调节装置、降雨调节装置和风速调节装置；该试件容置腔中设置温度传感器，还设置 如下传感器中的至少一种：湿度传感器、太阳辐射传感器、降雨传感器和风速传感器，各个 所述传感器与所述计算机连接，该控制系统连接所述调节装置而调节所述试件容置腔内环 境参数与所述主试验环境箱相同；该试件容置腔中还设置位移/变形传感器以感知试件的 变形。
[0057] 所述控制系统还包括控制所述辅助试验机中真实环境模拟系统各种所述执行机 构动作的控制单元。