一種模擬和監測混凝土膨脹開裂的裝置和方法
2023-11-10 05:21:57
專利名稱：一種模擬和監測混凝土膨脹開裂的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及土木工程中鋼筋混凝土耐久性監測領域，具體涉及一種模擬和監測混凝土膨脹開裂的裝置和方法。
背景技術：
鋼筋鏽蝕引起的混凝土膨脹開裂是導致鋼筋混凝土結構耐久性失效的主要因素， 由鋼筋鏽蝕引起的結構過早破壞已成為世界各國普遍關注的問題，多數學者採用自然暴露等試驗方法來觀察鋼筋鏽蝕的影響。但由於自然暴露等試驗方法的試驗周期較長，同時需要控制環境因素，該試驗方法較為複雜，部分學者開始轉向鋼筋鏽蝕的模擬試驗，模擬試驗能在較短時間內模擬鋼筋鏽蝕引起的混凝土膨脹和開裂。目前，主要有下列兩種模擬方法 一種方法是採用溫度膨脹環來代替鏽蝕產物，通過溫度膨脹模擬鏽蝕產物的體積膨脹作用，隨著膨脹環厚度的增大可以模擬鋼筋鏽蝕的發展過程；另一種方法是通過油壓、水壓等模擬鋼筋鏽脹力實驗，得到了當混凝土膨脹開裂各個過程所對應的壓力值。然而上述方法僅能得到壓力值和混凝土保護層間的關係，無法得到鋼筋鏽蝕引起的混凝土膨脹開裂的應變。專利號為ZL 200720055746. 8的實用新型專利公開了一種鋼筋鏽蝕監測裝置，通過把一根監測鋼筋固定於由碳纖維機敏材料澆築形成的柱體內，鋼筋外同軸套設有內外兩層鋼絲網電極圓筒，該兩層圓筒構成同軸圓筒電容器，鋼筋鏽蝕時會使碳纖維機敏材料膨脹，通過測量其電性能參數的變化來監測鋼筋的鏽蝕狀況。然而碳纖維具有疏水性，在水泥漿體中分散較為困難，澆築時碳纖維的分布不均會導致測量結果出現偏差。另外，混凝土具有一定的腐蝕性，對鋼絲網電容器勢必也將造成影響。授權公告號為CN 101122596B的發明專利公開了一種混凝土開裂敏感性測試裝置，由一乾燥收縮測試裝置，一自收縮測試裝置及一約束收縮測試裝置組合而成，所述自收縮測試裝置由一高精密數字位移計、一混凝土密封模具桶，及一用於測量混凝土溫度的測溫設備構成；所述約束收縮測試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低彈模纖維筋兩端，並通過數據電纜連接於計算機系統。雖然該裝置中的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，測量不受混凝土彈性模量的影響，但是混凝土密封模具桶對混凝土有約束作用，不能準確反映混凝土膨脹開裂，因此，無法準確地模擬和監測混凝土膨脹開裂。
發明內容
本發明提供了一種模擬和監測混凝土膨脹開裂的裝置，採用混凝土試件內部加壓的方式模擬鋼筋鏽脹力，並在混凝土試件內部布設應變傳感器，用以監測混凝土膨脹開裂引起的混凝土應變。一種模擬和監測鋼筋混凝土膨脹開裂的裝置，包括
設有沿軸向通孔的鋼棒，所述的鋼棒中部設有沿徑向的出液孔；套在所述的鋼棒上的熱縮管，所述的熱縮管通過喉箍固定在所述的鋼棒上；所述的鋼棒的兩端分別接有加壓注液設備和壓力表；設置在混凝土試件內部的應變傳感器、與所述的應變傳感器連接的應變採集儀器和設置在混凝土試件上的百分表。以下作為本發明優選的技術方案所述的鋼棒的通孔內壁帶有螺紋，該鋼棒的一端與加壓注液設備螺紋連接，該鋼棒的另一端與壓力表螺紋連接，採用螺紋連接，使得加壓注液設備和壓力表與鋼棒安裝和拆下都十分方便，方便本發明模擬和監測混凝土膨脹開裂的裝置的使用。設置出液孔後，使得混凝土試件承受一定的液壓，從而模擬鋼筋鏽蝕引起的混凝土膨脹開裂，一般混凝土試件的內徑與實際鋼筋的外徑一致。所述的出液孔為三個，該三個出液孔等弧度設置，使得混凝土試件受到的膨脹力與實際情況基本一致，進一步提高了模擬和監測準確程度，進一步優選，該三個出液孔在同一平面等弧度設置。所述的應變傳感器可選擇電阻應變片、光纖光柵、分布式光纖等中的一種，用於監測混凝土試件的膨脹開裂信息。所述的百分表用於測試某一方向的相對位移，即用於測試混凝土試件的某一方向的真實膨脹程度。所述的百分表可為四個，對稱地設置在混凝土試件的四周，從而可以測試混凝土試件各個方向的真實膨脹程度。所述的熱縮管和鋼棒固定在臺虎鉗上，方便套有熱縮管的鋼棒安裝和拆卸，同時也方便監測混凝土試件的膨脹開裂。本發明模擬和監測混凝土膨脹開裂的裝置還包括混凝土試件的澆築裝置，所述的混凝土試件的澆築裝置包括底板、固定在底板上的圓杆、鋼圈和設有與鋼圈配合的通孔的固定板，固定板用於固定鋼圈，並且當鋼圈固定在固定板上時，鋼圈的通孔貫穿於固定板。 圓杆一般與實際鋼筋的外徑一致，從而使得混凝土試件受到的膨脹力與由於鋼筋鏽蝕引起的混凝土膨脹開裂的實際情況基本一致，從而保證監測結果的有效性和可行性。所述的鋼圈由沿鋼圈軸向切分成的兩半組成，方便在混凝土試件的澆築裝置澆築完混凝土試件後對鋼圈脫模。本發明還提供了一種模擬和監測混凝土膨脹開裂的方法，模擬和監測簡便，並且監測的準確性較高。一種模擬和監測混凝土膨脹開裂的方法，包括以下步驟(a)將鋼圈固定在固定板上，得到兩組帶有鋼圈的固定板，先將第一組帶有鋼圈的固定板安裝到固定有圓杆的底板上，開始鋪設混凝土，當混凝土鋪滿第一組的鋼圈時，將應變傳感器放置在鋪好的混凝土上，再放上第二組帶有鋼圈的固定板，繼續在第二組的鋼圈中鋪設混凝土，振搗後凝固成型拆去混凝土試件的澆築裝置得到混凝土試件；(b)將熱縮管套在鋼棒上，對熱縮管加熱，待熱縮管收縮後緊密套在鋼棒上，將步驟(a)中的混凝土試件套在熱縮管上並對準鋼棒中部的出液孔，通過喉箍將熱縮管箍緊在鋼棒上；(C)利用加壓注液設備向鋼棒注入液體產生液壓，得到應變與混凝土試件的膨脹開裂程度的關係。
步驟(a)中，第一組的鋼圈與第二組的鋼圈的內徑或者軸向高度可以相同也可以不同，可根據實際需要設置。步驟(b)中，所述的熱縮管為聚酯熱縮管，如PET (聚對苯二甲酸乙二醇酯)熱縮管，具體可採用市售產品，對熱縮管加熱至95°C 105°C，具有較好的熱縮性能，並且熱縮管加熱至95°C 105°C，熱縮管還能夠保證較好的機械強度。步驟(C)中，所述的液體為水。相對於油等其他液體產生的液壓，一方面水壓對設備要求不高，提供水壓的設備可選擇較多；另一方面，水的比熱容較大，向鋼棒注入水壓，能使熱縮管的溫度回到合適溫度，避免了熱縮管的溫度對混凝土試件測試結果的影響。本發明具有的有益效果如下本發明模擬和監測鋼筋混凝土膨脹開裂的裝置將應變傳感器埋入混凝土內部後， 可以監測不同混凝土保護層厚度、不同直徑的鋼筋鏽蝕時混凝土膨脹特徵、開裂時間點以及開裂後的裂縫發展信息，快速有效地得到試驗結果，節約了大量的時間和財力的投入，並且通過該裝置可以找到適合不同直徑鋼筋的合適混凝土。本發明模擬和監測混凝土膨脹開裂的方法，模擬和監測簡便，通過簡單的步驟就可以得到混凝土試件的應變與混凝土試件的膨脹開裂程度的關係，來標定鋼筋鏽蝕引起混凝土的膨脹開裂，監測的準確性較高。
圖I是本發明模擬和監測混凝土膨脹開裂的裝置的結構示意圖；圖2是圖I中的壓力表、鋼棒和熱縮管的結構示意圖；圖3是混凝土試件的澆築裝置的結構示意圖；圖4是內部設有應變傳感器的混凝土試件的結構示意圖；圖5是內部設有應變傳感器的混凝土試件的膨脹開裂示意圖；圖6是本發明模擬和監測C30混凝土膨脹開裂的監測數據圖。
具體實施例方式如圖I、圖2所示，本發明模擬和監測混凝土膨脹開裂的裝置，包括鋼棒7、熱縮管 12、加壓注液設備9、壓力表10、應變傳感器2、應變採集儀器16以及百分表14 ;鋼棒7設有沿軸向設置且內壁帶螺紋的通孔，鋼棒7中部設有沿徑向的出液孔8 ;出液孔8為三個，三個出液孔8在同一平面等弧度設置，從出液孔8中流出的液體為混凝土試件I提供液壓從而提供膨脹力，鋼棒7上套有熱縮管12，鋼棒7的外徑為23mm，熱縮管12的內徑為25mm， 熱縮管12通過喉箍13固定在鋼棒7上，鋼棒7的一端與加壓注液設備9螺紋連接，鋼棒7 的另一端與壓力表10螺紋連接，壓力表10的量程為20MPa。應變傳感器2沿環向設置在混凝土試件I內部，應變採集儀器16與應變傳感器2連接。百分表14為四個，對稱地設置在混凝土試件I的四周，即混凝土試件I上下左右四個方向，最好呈均勻分布，套有熱縮管12 的鋼棒7固定在臺虎鉗11上。如圖3所示，混凝土試件I的澆築裝置，包括底板3、固定在底板3上的圓杆6、鋼圈5和設有與鋼圈5配合的通孔的固定板4。底板3採用Imm厚的200mmX 200mm的鐵板, 用於混凝土振搗時與振動臺固定，底板3中間有設有一個M5的螺孔，用以固定放置圓杆6。固定板4採用200mmX 200mm的招板，固定板4用於固定鋼圈5,並且當鋼圈5固定在固定板 4上時，鋼圈5的通孔貫穿於固定板4，兩個鋼圈5分別固定在兩塊固定板4上，得到兩組帶有鋼圈5的固定板4，作為混凝土澆築的模具，兩組帶有鋼圈5的固定板4的連接處用於埋設應變傳感器2。在澆築混凝土試件I時，圓杆6的直徑不同可以模擬實際中不同直徑的鋼筋，根據圓杆6的直徑和鋼圈5的尺寸不同，可以澆築得到不同規格的混凝土試件I，混凝土試件I澆築好後中間留有與圓杆6直徑一致的孔洞，以便在混凝土試件I中放入加壓裝置。 另外，為方便混凝土試件I的脫模，防止混凝土試件I由於膨脹導致混凝土和鋼圈5緊密粘結，不利於脫模，在不同規格的鋼圈5製作好後採用線切割技術將鋼圈5沿軸向切為對稱的兩部分。如圖4所示，為混凝土試件I和應變傳感器2，應變傳感器2沿環向布設混凝土試件I內部。一種模擬和監測混凝土膨脹開裂的方法，相關部件參考圖I、圖2、圖3和圖4，包括以下步驟(a)將鋼圈5固定在固定板4上，得到兩組帶有鋼圈5的固定板4，先將第一組帶有鋼圈5的固定板4安裝到固定有圓杆6的底板3上，開始鋪設C30混凝土(配合的質量比為水水泥砂石子=O. 38 I I. 11 2. 72)，當C30混凝土鋪滿第一組的鋼圈 5時，將應變傳感器2沿環向布設在鋪好的C30混凝土上，應變傳感器2具體選用分布式光纖傳感器，再放上第二組帶有鋼圈5的固定板4，繼續在第二組的鋼圈5中鋪設C30混凝土， 振搗後，2天凝固成型，脫模取下模型並且放在水中養護28天，得到C30混凝土試件；(b)將熱縮管12套在鋼棒7上，對熱縮管12加熱，熱縮管12為PET熱縮管，對熱縮管12加熱至100°C，待熱縮管12收縮後緊密套在鋼棒7上，將步驟(a)中的混凝土試件
I套在熱縮管12上並對準鋼棒7中部的出液孔8，通過喉箍13將熱縮管12箍緊在鋼棒7 上；(c)利用加壓注液設備9向鋼棒7注入水產生水壓，加壓時開啟加壓注液設備9的閥門，每隔IMPa應變採集儀器16採集三次分布式光纖傳感器的監測數據並讀取百分表的示數，出現裂縫15後，如圖5所示，繼續加壓，直至混凝土試件I失去承載能力破壞，在此過程中需要密切關注裂縫的開展信息。應變採集儀器16具體選用布裡淵光時域分析儀16 (BOTDA)，應變測量過程中是通過測量光纖布裡淵頻移量來推測光纖應變，該值同時和溫度有關，如下式(I)所示
權利要求
1.一種模擬和監測混凝土膨脹開裂的裝置，其特徵在於，包括設有沿軸向通孔的鋼棒(7)，所述的鋼棒(7)中部設有沿徑向的出液孔⑶；套在所述的鋼棒(7)上的熱縮管(12)，所述的熱縮管(12)通過喉箍(13)固定在所述的鋼棒(7)上；所述的鋼棒(7)的兩端分別接有加壓注液設備(9)和壓力表(10)；設置在混凝土試件(I)內部的應變傳感器(2)、與所述的應變傳感器(2)連接的應變採集儀器(16)和設置在混凝土試件(I)上的百分表(14)。
2.根據權利要求I所述的模擬和監測混凝土膨脹開裂的裝置，其特徵在於，所述的鋼棒(7)的通孔內壁帶有螺紋，該鋼棒(7)的一端與加壓注液設備(9)螺紋連接，該鋼棒(7) 的另一端與壓力表(10)螺紋連接。
3.根據權利要求I所述的模擬和監測混凝土膨脹開裂的裝置，其特徵在於，所述的出液孔(8)為三個，該三個出液孔(8)等弧度設置。
4.根據權利要求I所述的模擬和監測混凝土膨脹開裂的裝置，其特徵在於，所述的百分表(14)為四個，對稱地設置在混凝土試件(I)的四周。
5.根據權利要求I所述的模擬和監測混凝土膨脹開裂的裝置，其特徵在於，所述的熱縮管(12)和鋼棒(7)固定在臺虎鉗(11)上。
6.根據權利要求I所述的模擬和監測混凝土膨脹開裂的裝置，其特徵在於，還包括混凝土試件(I)的澆築裝置，所述的混凝土試件(I)的澆築裝置包括底板(3)、固定在底板 ⑶上的圓杆(6)、鋼圈(5)和設有與鋼圈(5)配合的通孔的固定板(4)。
7.根據權利要求6所述的模擬和監測混凝土膨脹開裂的裝置，其特徵在於，所述的鋼圈(5)由沿鋼圈(5)軸向切分成的兩半組成。
8.一種模擬和監測混凝土膨脹開裂的方法，包括以下步驟(a)將鋼圈(5)固定在固定板(4)上，得到兩組帶有鋼圈(5)的固定板(4)，先將第一組帶有鋼圈(5)的固定板(4)安裝到固定有圓杆(6)的底板(3)上，開始鋪設混凝土，當混凝土鋪滿第一組的鋼圈(5)時，將應變傳感器(2)放置在鋪好的混凝土上，再放上第二組帶有鋼圈(5)的固定板(4)，繼續在第二組的鋼圈(5)中鋪設混凝土，振搗後凝固成型拆去混凝土試件(I)的澆築裝置得到混凝土試件(I)；(b)將熱縮管(12)套在鋼棒(7)上，對熱縮管(12)加熱，待熱縮管(12)收縮後緊密套在鋼棒(7)上，將步驟(a)中的混凝土試件(I)套在熱縮管(12)上並對準鋼棒(7)中部的出液孔(8)，通過喉箍(13)將熱縮管(12)箍緊在鋼棒(7)上；(c)利用加壓注液設備(9)向鋼棒(7)注入液體產生液壓，得到應變與混凝土試件⑴ 的膨脹開裂程度的關係。
9.根據權利要求8所述的模擬和監測混凝土膨脹開裂的方法，其特徵在於，步驟(b) 中，所述的熱縮管(12)為聚酯熱縮管，對熱縮管(12)加熱至80°C 105°C。
10.根據權利要求8所述的模擬和監測混凝土膨脹開裂的方法，其特徵在於，步驟(C) 中，所述的液體為水。
全文摘要
本發明公開了一種模擬和監測混凝土膨脹開裂的裝置，包括設有沿軸向通孔的鋼棒，鋼棒中部設有沿徑向的出液孔；鋼棒上套有熱縮管，熱縮管通過喉箍固定在鋼棒上；鋼棒的兩端分別接有加壓注液設備和壓力表；設置在混凝土試件內部的應變傳感器、與應變傳感器連接的應變採集儀器和設置在混凝土試件上的百分表。採用混凝土試件內部加壓的方式模擬鋼筋鏽脹力，並布設應變傳感器，用以監測混凝土膨脹開裂引起的混凝土應變。本發明還公開了一種模擬和監測混凝土膨脹開裂的方法，模擬和監測簡便，通過簡單的步驟就可以得到混凝土試件的應變與混凝土試件的膨脹開裂程度的關係，來標定鋼筋鏽蝕引起混凝土的膨脹開裂，監測的準確性較高。
文檔編號G01N33/38GK102608296SQ20121003704
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月17日 優先權日2012年2月17日
發明者何勇, 姜帥, 毛江鴻, 金偉良 申請人:浙江大學