一種混凝土抗裂能力數值化評價方法
2023-05-26 14:31:16 2
一種混凝土抗裂能力數值化評價方法
【專利摘要】本發明公開了一種混凝土抗裂能力數值化評價方法，其包括以下步驟：使用溫度應力試驗機測試混凝土試件的試驗數據；計算抗裂安全係數Kf並作為混凝土抗裂能力評價標準，其中Kf的計算中以測試得到的開裂應力和室溫應力代入計算，當Kf＞1.15時，表明被測試混凝土試件具有較好的抗裂性能。本發明的評價方法可以快速地得到測試結果，並以（開裂應力/室溫應力）的比值評價受約束混凝土的溫度敏感性及約束應力鬆弛性能，從而直觀地評價混凝土的抗裂性能。
【專利說明】一種混凝土抗裂能力數值化評價方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及使用溫度應力試驗評價混凝土抗裂性能的試驗方法，對受約束混凝土在特定的溫度歷程下進行養護並測試其熱力學性能，並測試混凝土入模至斷裂的一系列熱力學性能，最終測定各項性能參數並計算出抗裂性能指標，評價混凝土的開裂敏感性。
【背景技術】
[0002]長久以來，國內外學者採用了各種約束試驗方法來研究混凝土早期的開裂敏感性，但是由於影響混凝土抗裂性能的因素很多，除了混凝土的早期收縮變形，還主要有極限拉伸值、軸心抗拉強度、彈性模量、線膨脹係數、水化溫升、徐變等等因素。由於以上因素並不是互相獨立，而是相互關聯和制約的，但是傳統抗裂性能試驗方法大多只針對混凝土的某一種抗裂因素進行評價，並且只適用於特定的試驗條件，例如有關規範要求採用極限拉伸值、絕熱溫升值作為抗裂性能參數，這類評價方法往往只考慮到某一條件對抗裂性能的影響，很難客觀評價混凝土在多條件下的抗裂能力或開裂趨勢，更不利於標準化和相互比較。
[0003]目前國內大多使用平板法、圓環法對混凝土進行抗裂性能評價，其中平板法具有簡單易操作的特點，能迅速、有效地研究混凝土和砂漿的塑性幹縮性能。但是它只能部分地、不均勻地約束混凝土的收縮變形，且試驗結果對試件尺寸、材料特性、配筋情況、環境狀況等的依賴性很大，在裂縫的量化與後期處理方面存在不足，因裂縫產生的無規律性使得無法精確對混凝土開裂進行評價，而且平板試驗方法只能提供部分的不均勻的約束，不利於相互比較；而對於圓環法來說，由於在圓環周圍裂縫出現的機會均等，很難預測出初始裂縫出現的位置，且當所用鋼環的硬度不夠時，剛性更高的混凝土就不會出現可見裂縫，而是產生更多的不可見微裂縫，這對混凝土的耐久性產生了一些潛在的威脅，此外圓環法約束試驗裝置的約束程度普遍不高，這導致試樣的開裂敏感性較低，研究表明，ASTM C1581採用鋼製內圓環的約束程度最高約75%，而AASHT0PP圓環最高僅為60%。因此，傳統的混凝土開裂性能評價方法各有缺陷，且大多沒有考慮混凝土徐變和應力鬆弛的影響。
[0004]國家標準《大體積混凝土施工規範》(GB50496-2009)中規定的抗裂安全係數Kf可作為混凝土抗裂性能的評價標準，但是在實際中很少被應用，究其原因是因為其中的約束應力或抗拉強度標準值等參數均按表取值或通過計算值代入，理論計算與實際結果存在較大誤差，不符合客觀實際。
[0005]近年來在德國、挪威、奧地利、日本等一些國家，溫度應力試驗已經成為混凝土開裂敏感性非常有效的定量評定方法。溫度應力試驗機能夠在混凝土澆注時開始測試和計算混凝土的各項特徵參數，不僅如此，溫度應力試驗機還能夠對混凝土試件的不同溫度歷程、不同約束度條件進行控制和模擬，能綜合多項因素並定量地評價混凝土早期開裂敏感性。此種試驗方法由單軸約束試驗發展而來，並在90年代引進到國內，在高強高性能混凝土的研究方面已取得一系列有價值的成果，但由於其試驗方法、試驗條件的不同，對試驗結果的影響非常大，例如丁建彤等研究了絕熱條件、恆溫條件和溫度控制條件下混凝土的抗裂性能，證實了在不同的溫度歷程下得到的抗裂性評價結果完全不同；再如張濤等研究了不同約束程度對混凝土抗裂性能的影響，並提出了採用全約束條件會過高地估計混凝土的開裂危險性，70%?80%的約束程度可能更符合實際。因此，利用溫度應力試驗並建立混凝土開裂能力數值化評價方法，有著較為重要的意義。國內外學者使用溫度應力試驗評價混凝土抗裂性能使用的評價標準主要為開裂應力和開裂溫度，其原因為開裂應力與開裂溫度可直觀地作為試驗結果得到，並表徵了混凝土試件在溫度應力下的開裂敏感性，如開裂溫度更低和開裂應力更大的試件，證明混凝土受溫度影響而開裂的難度較大，抗裂性能較好。
[0006]但是在實際工程中，高膠凝材料含量、高標號的混凝土材料往往具有較大的抗拉強度和絕熱溫升，導致開裂應力較大的同時開裂溫度較高，這對選擇何種指標綜合評價混凝土抗裂性能帶來了困難，且這兩個常用指標不利於不同種類混凝土抗裂性能的橫向比較。
[0007]因此，還需要有能夠客觀、準確評價混凝土抗裂性能的評價標準，既能方便、準確地評價某種混凝土的抗裂性能又方便不同種類混凝土之間的抗裂性能的橫向比較。
【發明內容】
[0008]本發明的目的在於提供一種混凝土抗裂能力數值化評價方法，其基於混凝土溫度應力試驗，對混凝土試件採用特定的溫度歷程和約束條件，測定其開裂敏感性並數值化定量評價其抗裂性能。
[0009]為了實現上述目的，要發明採用了以下技術方案:一種混凝土抗裂能力數值化評價方法，其包括以下步驟:
[0010]使用溫度應力試驗機，設定溫度試驗條件為:絕熱溫升模式；環境溫度範圍25±4°C ;保溫時間48h ;降溫速率2V /h ;步進單位0.8?1.3 μ m ;約束度100% ；
[0011]測試溫度應力試驗機中的混凝土試件的試驗數據，所述測試得到的試驗數據包括:室溫應力和開裂應力，室溫應力指在降溫階段混凝土試件溫度與環境溫度相同時的應力大小；開裂應力指混凝土試件斷裂時刻對應的應力值；
[0012]計算抗裂安全係數Kf並作為混凝土抗裂能力評價標準，
[0013]ftk(x)/o x=Kf(2-3)
[0014]式2_4 中
[0015]ftk(x)為混凝土抗拉強度標準值，在此以測試得到的開裂應力代入計算，
[0016]σ χ為實測混凝土試件的拉應力，在此以測試得到的室溫應力代入計算；
[0017]當Kf > 1.15時，表明被測試混凝土試件具有較好的抗裂性能。
[0018]具體地來說，溫度應力試驗機需調節混凝土試件的初始溫度至20±3°C範圍內。
[0019]使用溫度應力試驗機對混凝土試件的測試過程為:試驗開始後混凝土試件開始水化發熱，溫度升高，模板溫度與混凝土試件芯部溫度保持小於0.3°C，以達到近似絕熱狀態；當混凝土試件發生體積變形超過1.3μπι，此時試驗設備的步進電機啟動，將試件拉(或壓)回原位，以達到100%約束度；當混凝土試件達到溫峰，溫度將被保持48h，然後以2V /h的速率降溫，直至混凝土試件斷裂。
[0020]進一步地,本發明還包括以應力儲備作為混凝土抗裂能力評價標準，所述應力儲備=[(開裂應力-室溫應力)/開裂應力]*100%，當應力儲備> 13%時，混凝土具有較好的抗裂性能。
[0021]進一步地，所述測試得到的試驗數據還包括:最高溫度、第二零應力溫度、室溫應力、開裂溫度、開裂應力等等參數。
[0022]本發明還可以進一步包括以橫向指標作為評價標準，所述橫向指標包括:
[0023]開裂溫度:開裂溫度低的混凝土試件，其抗裂性能較好；
[0024]斷裂溫差:即「最高溫度-開裂溫度」的值，斷裂溫差越大，混凝土抗裂能力越強；
[0025]開裂應力:開裂應力越大，混凝土抗裂能力越強；
[0026]第二零應力溫度:第二零應力溫度越低，混凝土抗裂能力越強；
[0027]室溫應力:室溫應力越小，混凝土抗裂能力越強。
[0028]本發明的評價方法可以快速地得到測試結果，並以(開裂應力/室溫應力)的比值評價受約束混凝土的溫度敏感性及約束應力鬆弛性能，從而直觀地評價混凝土的抗裂性能。通過斷裂溫差、開裂應力、第二零應力溫度、室溫應力、應力儲備等指標可用於同類型混凝土抗裂性能優劣的橫向比較。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1是本發明混凝土抗裂能力數值化評價方法的邏輯關係圖。
[0030]圖2是絕熱溫升模式下的模板循環介質溫度和試件溫度曲線圖。
[0031]圖3是恆溫控制模式下的模板循環介質溫度和試件溫度曲線圖。
[0032]圖4是不同保溫時間的溫度應力試驗與施工中混凝土實際溫度曲線對比示意圖。
【具體實施方式】
[0033]本發明的混凝土抗裂能力數值化評價方法，包括如下步驟:
[0034](A)製作混凝土拌合物，澆築至溫度應力試驗機的模具中製得混凝土試件，並使用溫度應力試驗機調節混凝土試件的初始溫度至20±3°C範圍內。
[0035]本文使用的溫度應力試驗機為北京航源平洋科技發展有限公司的HYPY-1I型溫度應力試驗機，也可使用功能、參數相同的其他溫度應力試驗機。
[0036](B)設定溫度應力試驗條件
[0037]試驗模式:絕熱溫升模式；環境溫度範圍25±4°C ;保溫時間48h ;降溫速率2°C /h ;步進單位0.8?1.3 μ m ;約束度100%。
[0038]具體試驗過程為:試驗開始後混凝土開始水化發熱，溫度升高，模板溫度與混凝土芯部溫度保持小於0.3°C，以達到近似絕熱狀態；當混凝土發生體積變形超過1.3 μ m，此時試驗設備的步進電機啟動，將試件拉(或壓)回原位，以達到100%約束度；當混凝土試件達到溫峰，溫度將被保持48h，然後以2V /h的速率降溫，直至混凝土試件斷裂。
[0039]溫度應力試驗機自帶三種試驗模式，分別為:絕熱溫升模式、存檔數據匹配模式和恆溫控制模式。
[0040]其中絕熱溫升模式為試件溫度主動引導模板溫度進行試驗，存檔數據匹配模式與恆溫控制模式則為使用設置好的模板溫度歷程，進而引導混凝土試件溫度進行試驗。因此在存檔數據匹配模式與恆溫控制模式下，由於混凝土水化反應的影響，模板溫度和試件溫度可能不能較好匹配，易造成誤差。如圖2和圖3所示，分別是絕熱溫升模式下和恆溫控制模式下的循環介質溫度和試件溫度曲線圖，從圖中可以看到，在絕熱溫升模式下，混凝土溫度和循環介質溫度能夠較好的匹配，且介質溫度相對穩定，而在恆溫模式下，混凝土溫度與循環介質溫度匹配性較差，且循環介質溫度波動較大。
[0041]本發明中採用的保溫時間是48小時。不同保溫時間的溫度應力試驗與施工中混凝土實際溫度曲線對比如圖4所示，若保溫時間過短(如24h)，混凝土力學強度較低，塑性變形較大，水化反應較短，甚至有可能在實際溫度曲線尚未到達降溫階段就開始降溫，試驗易產生誤差，而此時實測開裂應力較低，計算的抗裂安全係數偏低，此溫度歷程對評價混凝土抗裂性來說敏感性過高(如表1所示);若保溫時間過長(如72h)混凝土抗拉強度、彈性模量等力學性能得到了增加，因此開裂應力相應增大，計算出的抗裂安全係數總體偏大，此溫度歷程對評價混凝土抗裂性來說敏感性過低(如表2所示)；對於保溫48h的試件，與實際混凝土溫度曲線相對較為匹配，混凝土成熟度與標準條件下養護9天左右的混凝土試件相當，而此時抗拉強度尚未到達至較為安全的程度，導致這個時間段混凝土更容易發生開裂。因此考慮減小試驗誤差、提高試驗效率等因素，保溫時間選擇為48h。
[0042]表1同一組混凝土在不同保溫時間的溫度應力試驗下的Kf值
[0043]
【權利要求】
1.一種混凝土抗裂能力數值化評價方法，其特徵在於包括以下步驟: 使用溫度應力試驗機，設定溫度試驗條件為:絕熱溫升模式；環境溫度範圍25±4°C ；保溫時間48h ;降溫速率2V /h ;步進單位0.8?1.3 μ m ;約束度100% ； 測試溫度應力試驗機中的混凝土試件的試驗數據，所述測試得到的試驗數據包括:室溫應力和開裂應力，室溫應力指在降溫階段混凝土試件溫度與環境溫度相同時的應力大小；開裂應力指混凝土試件斷裂時刻對應的應力值； 計算抗裂安全係數Kf並作為混凝土抗裂能力評價標準， ftk(x)/Ox=Kf (2-1) 式2_2中 ftk(x)為混凝土抗拉強度標準值，在此以測試得到的開裂應力代入計算， σ x為實測混凝土試件的拉應力，在此以測試得到的室溫應力代入計算； 當Kf > 1.15時，表明被測試混凝土試件具有較好的抗裂性能。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:溫度應力試驗機需調節混凝土試件的初始溫度至20±3°C範圍內。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:使用溫度應力試驗機對混凝土試件的測試過程為:試驗開始後混凝土試件開始水化發熱，溫度升高，模板溫度與混凝土試件芯部溫度保持小於0.3°C，以達到近似絕熱狀態；當混凝土試件發生體積變形超過1.3 μ m，此時試驗設備的步進電機啟動，將試件拉(或壓)回原位，以達到100%約束度；當混凝土試件達到溫峰，溫度將被保持48h，然後以2V /h的速率降溫，直至混凝土試件斷裂。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:還包括以應力儲備作為混凝土抗裂能力評價標準，所述應力儲備=[(開裂應力-室溫應力)/開裂應力]*100%，當應力儲備> 13%時，混凝土具有較好的抗裂性能。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述測試得到的試驗數據還包括:最高溫度、第二零應力溫度、室溫應力、開裂溫度、開裂應力等等參數。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於:還包括以橫向指標作為評價標準，所述橫向指標包括: 開裂溫度:開裂溫度低的混凝土試件，其抗裂性能較好； 斷裂溫差:即「最高溫度-開裂溫度」的值，斷裂溫差越大，混凝土抗裂能力越強； 開裂應力:開裂應力越大，混凝土抗裂能力越強； 第二零應力溫度:第二零應力溫度越低，混凝土抗裂能力越強； 室溫應力:室溫應力越小，混凝土抗裂能力越強。
【文檔編號】G01N3/18GK103852384SQ201410088111
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月11日 優先權日:2014年3月11日
【發明者】宋雪峰, 李超, 王勝年, 範志宏, 徐兆全 申請人:中交四航工程研究院有限公司, 廣州四航材料科技有限公司, 中交四航巖土工程有限公司, 廣州港灣工程質量檢測有限公司