评价温度梯度导致混凝土开裂的试验装置及其方法与流程

本发明涉及一种试验方法和装置，具体涉及一种用于评价温度梯度作用下混凝土开裂趋势的试验方法，以及这种方法所使用的装置。

背景技术：

混凝土中水泥、粉煤灰等胶凝材料的水化反应是放热反应，而混凝土本身导热性能较差，因此在大体积混凝土中，经常出现混凝土内部温度高、表面温度低的现象，混凝土内外温差也称为温度梯度。在温度梯度的作用下，混凝土的表面常会形成拉应力，导致开裂。如何在试验室模拟温度梯度对混凝土的影响，并评估混凝土抵抗温度梯度致裂的能力，目前还没有试验方法和设备。

温度变化导致混凝土开裂的机理主要有以下几种：①温度梯度，即混凝土内外温度不一致，存在较大的差值，会导致混凝土开裂；②升温降温历程，由于水化放热，混凝土从室温逐渐升温，达到最高温度后再降回室温，在降温过程中会形成较大的拉应力，导致混凝土开裂；③极高温度，火灾爆炸等情况下，极端的高温导致混凝土开裂；④温度冲击，快速反复的升降温变化，导致混凝土开裂。目前研究升温降温历程导致混凝土开裂的设备主要是温度-应力试验机（陈波，丁建彤等，基于温度-应力试验机的水工混凝土抗裂性试验方法，混凝土，2009年第8期），该方法主要是对有约束的棱柱状混凝土试件施加不同的温度历程，混凝土试件整体升温到一定温度后转为降温，考察降温阶段混凝土内部的应力、应变发展规律以及开裂情况，该设备无法模拟内外温差作用下混凝土的应力应变特性，因此无法考察混凝土在温度梯度作用下的开裂情况。极高温度的研究主要是通过高温炉烘烤混凝土试件，然后测试其经历高温后的性能变化，该方法也不能模拟温度梯度的作用。温度冲击的试验设备需要实现高低温的快速转化，需要专门的设备反复施加温度荷载（公开号：CN103364297A，一种评估混凝土温度冲击裂缝的方法），但无法模拟温度梯度的影响。

国内已申请专利（申请号：20160450007.2）提出一种直接测试大体积混凝土温度应力的试验方法，成型4m×2m×2m的巨大混凝土块，在中心预留1m×0.5m×0.5m的空心层，空心层中加入预设温度的水，在混凝土中埋入温度和应力传感器，可以测试混凝土内外温差作用下内部应力的变化。该方法属于直接测试法，混凝土试件未设约束，且体型巨大，占地面积大，难以在试验室内操作。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种评价温度梯度导致混凝土开裂的试验方法，以及这种方法所述使用的装置。这种方法和装置能在混凝土两端施加温度梯度，具有试验效率高、设备体型较小、能耗小的特点。

本发明提供的技术方案是：

一种评价温度梯度导致混凝土开裂的试验装置，所述装置由约束钢环、第一矩形导热水管、第二矩形导热水管、第一保温板、第二保温板、第三保温板、第四保温板通过可拆卸装配而成，装置中间围成一个空腔用以放置混凝土试件，所述约束钢环安装在第一矩形导热水管上面，第一矩形导热水管与低温控温水箱相连 ；混凝土试件的四周分别用第一保温板、第二保温板、第三保温板、第四保温板包裹覆盖，顶部与第二矩形导热水管紧密相连；第二矩形导热水管与高温控温水箱相连；所述第一保温板或者第二保温板上预留测温孔，用以插入温度传感器。

约束钢环在与混凝土试件厚度方向接触的两个边上装有可拆卸的预埋插板，预埋插板上固定有锚固螺钉。预埋插板通过固定螺丝与约束钢环的主体紧密相连。

约束钢环与混凝土试件宽度方向接触的两个边上各装有一个力传感器，用以采集钢环内部的应力，从而得到混凝土内部的应力。

所述测温孔预留3个，分别对应混凝土试件顶部、中部、下部。

第一矩形导热水管表面贴有应变片，可以采集矩形导热水管与混凝土接触面的应变。

第一矩形导热水管设有预埋件，可以埋入混凝土内部对混凝土提供约束。预埋件是导热水管上有突起，可以埋在混凝土里面，保证导热水管和混凝土的变形是同步的，应变片是贴在表面采集变形的。

混凝土试件与相连的第二矩形导热水管之间铺设塑料膜。混凝土试件内部埋设温度传感器，采集不同位置的温度；板状混凝土上下及沿长度两端面均采用保温板包围。

所述第一矩形导热水管可以与鼓风机相连，将循环介质由水换成空气，用流动空气代替水流，形成对流散热。

采用所述试验装置评价温度梯度导致混凝土开裂的试验方法，步骤如下：

1）将混凝土直接浇筑在试验装置内部形成长方体混凝土板状试件，下部与约束钢环紧密相连，沿宽度的两个端面分别与第一矩形导热水管、第二矩形导热水管紧密接触；

2）调整低温控温水箱和高温控温水箱的温度，将控温水箱中的水分别供应至两个矩形导热水管，并各自形成循环；

3）监测埋置于混凝土板状试件内部不同部位的温度传感器，获得混凝土板状试件内部实时温度梯度；监测混凝土板状试件低温端约束钢环的应力、应变，获得混凝土内部的应力应变发展曲线；监测混凝土表面的开裂情况；

4）通过比较混凝土开裂时的温度梯度、开裂应力，得到混凝土抵抗温度梯度致裂的能力。

步骤(2)中调整控温水箱温度的方法为：使一个控温水箱中保持较低温度，另一个控温水箱保持较高温度或者变化的温度曲线。

本发明评价温度梯度导致混凝土开裂试验装置中，混凝土试件沿宽度的两个端面分别与第一矩形导热水管、第二矩形导热水管紧密接触，导热水管分别与控温水箱相连；与混凝土低温端面相连的矩形导热水管设有预埋件，可以埋入混凝土内部对混凝土提供约束；板状混凝土试件内部埋设温度传感器，采集不同位置的温度；板状混凝土上下及沿长度两端面均采用保温板包围。

有益效果：本发明与已有技术相比，具有以下优点：

1、设备结构合理，体型较小。本发明所述设备占地面积小，节省空间，混凝土试件为50cm×60cm×15cm，体型小，用料少，试验方便。

2、能够得到混凝土在温度梯度作用下的表面应力发展曲线，观测开裂时间。本发明所述设备包含应力传感器和温度传感器，可以得到温度梯度下混凝土内部应力、温度的变化过程，还可以观察到开裂的时间，试验指标参数全面。

附图说明

图1是本发明的结构布置图；

图2是约束钢环结构示意图；

图3 本发明的装置结构图；

图4混凝土高温侧温度历程控制曲线；

图5是实施例所测温度场及应力曲线图。

其中：1-混凝土试件，2-约束钢环，3-低温控温水箱 ，4-第一矩形导热水管，5-第二矩形导热水管，6-第一保温板，7-第二保温板，8-第三保温板，9-第四保温板，10-高温控温水箱，11-预埋插板，12-锚固螺钉，13-固定螺丝，14-力传感器，15-约束钢环的主体，16-测温孔。

具体实施方式

下面结合附图给出实施例并对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据上述本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，本实施例给出的被测试件1为长方体试件，高度50cm，宽度60cm，厚度15cm。混凝土试件1是直接浇筑在本发明提供的装置内部的，其下部与约束钢环2紧密相连。约束钢环2上装有左右对称的两个力传感器14。混凝土试件1与约束钢环2一起座在第一矩形导热水管4上面，第一矩形导热水管4与低温控温水箱3相连。混凝土试件1的四周用15cm厚的第一保温板6、第二保温板7、第三保温板8、第四保温板9包裹覆盖，顶部与第二矩形导热水管5紧密相连。第二矩形导热水管5与高温控温水箱10相连。第一保温板6上有3个预留的测温孔16，分别对应混凝土试件顶部、中部、下部，可以插入温度传感器。

约束钢环2的详细结构见图2，在与混凝土试件1厚度方向接触的两个边上装有可拆卸的预埋插板11，预埋插板上固定有锚固螺钉12，混凝土试件浇筑时，锚固螺钉会埋入混凝土内部，预埋插板11通过固定螺丝13与约束钢环的主体15紧密相连；约束钢环2与混凝土试件1宽度方向接触的两个边上各装有一个力传感器14，可以采集钢环内部的应力，从而得到混凝土内部的应力。

图3是各部分拼装起来后的结构图。除混凝土试件1以外，约束钢环2、第一矩形导热水管4、第二矩形导热水管5、第一保温板6、第二保温板7、第三保温板8、第四保温板9、低温控温水箱3、高温控温水箱10为装配好的整体设备，中间围成一个空腔，各部件可拆装。

本发明的工作步骤如下：

从设备上部打开第二矩形导热水管5，在设备中间预留的空腔内壁用黄油贴上塑料薄膜；将拌制好的混凝土浇筑入空腔内，将铜管通过第一保温板6上的预留测温孔16插入混凝土中；将第二矩形导热水管5重新装回设备。打开低温控温水箱，控制水温为20℃恒温；打开高温控温水箱，控制水温使混凝土试件1上部温度按照图3既定温度历程进行。

采用本实施例测试得到的混凝土内部温度梯度、应力见图5，混凝土表面开裂时间为24h。所浇筑的混凝土为C50混凝土，是某隧道抗冲磨混凝土。图4是实测的混凝土内部温度历程曲线，隧洞内的温度设为20℃恒温。将高温控温箱10的温度历程设置成图3曲线所示历程，低温控制箱3的温度设置成恒温20℃。开始试验后，高温控制箱10内的水温开始逐渐沿着图4曲线升高，在24小时达到温度峰值，同时低温控制箱3内始终为恒温20℃的水，混凝土试件1的上下两侧逐渐形成一定的温差，最大温差52℃，由于温度梯度的存在，混凝土内部逐渐形成温度应力，当拉应力达到2.8MPa时，混凝土表面出现裂缝。

本发明可以模拟混凝土内部温度不均匀形成的温度梯度，并测试温度梯度导致的混凝土内部应力，可用于比较不同的混凝土在同样温度梯度下内部应力的差异、开裂时间的差异，可以为优选抗裂材料、设计温控措施提供基础数据。