一种全级配大骨料混凝土硬化阶段热膨胀系数预测模型的构建方法

摘要

本发明公开了一种全级配大骨料混凝土硬化阶段热膨胀系数预测模型的构建方法，本发明对全级配大骨料混凝土硬化阶段热膨胀系数与其组成材料进行研究，全级配大骨料混凝土可以看成孔隙、砂浆和粗骨料的集合，根据各组分的热膨胀系数及其体积率预测全级配大骨料混凝土硬化阶段热膨胀系数，建立全级配大骨料混凝土硬化阶段热膨胀系数的预测模型：具体方法是，建立热膨胀系数的串联模型，建立热膨胀系数的并联模型，在上述串联模型和并联模型的基础上建立热膨胀系数模型。此预测模型能够较好地表征全级配大骨料混凝土热膨胀系数与其组成材料热膨胀系数的关系规律。

说明书

技术领域

本发明涉及一种全级配大骨料混凝土硬化阶段热膨胀系数的构建方法，属于混凝土建筑领域。

背景技术

混凝土自问世以来，已成为不可替代的建筑材料，其开裂也成为影响现代工程结构使用条件和服役寿命的重要因素之一。对于全级配大骨料混凝土，庞大的体积使得水化过程中内部的水化热无法及时散出，工程中因裂缝引起的结构失效和耐久性问题日益突出，由于温度变形是混凝土裂缝开展的重要原因，热膨胀系数作为表征该性能的重要参数已越来越被业界学者所重视。

目前，关于全级配大骨料混凝土硬化阶段热膨胀系数，国内外学者研究的均比较少。混凝土热膨胀系数的构建方法，现行《水工混凝土土结构设计规范（SL/T 191-2008）》仅根据粗骨料热膨胀系数来估算混凝土的热膨胀系数，这种模型太过粗糙，也没有考虑混凝土龄期的影响。目前的混凝土热膨胀系数构建方法均是针对于普通混凝土。全级配大骨料混凝土，由于骨料和试件体积较大，现有的技术和设备难以测量其热膨胀系数，对其的研究模型尚未提出。本专利对全级配大骨料混凝土硬化阶段热膨胀系数研究中的难点进行简化，考虑到全级配混凝土和普通混凝土的共性，从普通混凝土开始研究，由混凝土组成材料入手，首先研究普通混凝土硬化阶段热膨胀系数与其组成材料热膨胀系数的关系，然后考虑从骨料粒径的尺寸因素，从而逐步过渡到全级配大骨料混凝土硬化阶段热膨胀系数构建方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种对混凝土中不同组成成分的热膨胀系数进行研究，根据各工况下混凝土热膨胀系数规律，建立全级配大骨料混凝土硬化阶段热膨胀系数预测模型，为预防和控制混凝土开裂提供可靠的参数。

为解决上述技术问题，本发明模型构建方法步骤按照以下过程进行：

第一步、建立热膨胀系数的串联模型：

设有两层不同材料薄板相互叠在一起，薄板截面积相同，厚度分别为ΔX₁和ΔX₂，形变长度分别为ΔL₁和ΔL₂，总形变长度为ΔL，温度变化值为ΔT, 热膨胀系数分别为α₁和α₂，组合板的热膨胀系数为α，

对于两层薄板，分别有：

（1）（2）

将式（1）和式（2）相加，得：

（3）

设（ΔX₁+ΔX₂）为薄板总厚度，

设、分别为第一和第二层薄板的体积率，

则组合板的热膨胀系数α为：

（4）

推广到多层板串联的情况，其热膨胀系数等于每层板的热膨胀系数与体积率的乘积的代数和，即：

（5）

即串联时，材料的热膨胀系数等于各组分热膨胀系数与其体积率的乘积的代数和；

第二步、建立热膨胀系数的并联模型：

设有两层不同材料薄板相互叠在一起，薄板截面积相同，厚度分别为ΔX₁和ΔX₂，形变长度分别为ΔL₁和ΔL₂，总形变长度为ΔL，温度变化值为ΔT, 热膨胀系数分别为α₁和α₂，组合板的热膨胀系数为α，对于两侧薄板，分别有：

（6）（7）

由于是并列摆放，两块薄板的热膨胀系数总形变ΔL取决于两块薄板ΔL₁和ΔL₂中的较大值，

设ΔL₁＞ΔL₂，则有：

（8）

那么组合板的热膨胀系数α即为：

（9）

推广到多层板并联的情况，其总形变值等于各层薄板形变的最大值，设该最大值所在层数为第i层，则多层板的热膨胀系数等于第i层薄板的形变值除以该层板厚，即：

（10）

第三步、建立全级配混凝土热膨胀系数模型：

对于混凝土热膨胀系数，取其中一个单元，在热流作用下，混凝土单元可以看成是粗骨料、砂浆和孔隙先串联再并联，

由多层板热膨胀系数的串联公式可得混凝土单元的热膨胀系数为：

（11）

孔隙、砂浆和粗骨料组合的形变值必定大于其中各组分的形变值，也大于其中两两组合的形变值，所以该全级配大骨料混凝土硬化阶段热膨胀系数值α_c为：

（12）

本发明的创新之处在于：

开创了一种全级配大骨料混凝土硬化阶段热膨胀系数的构建方法，将难以测量的大体积混凝土热膨胀系数分解为孔隙、砂浆和粗骨料的热膨胀系数值，大大简化了测量难度。将试验的混凝土硬化阶段热膨胀系数值与采用本构建方法得到的数值进行比较，试验数据较好的吻合了预测值。通过该方法，可以很方便的得出全级配大骨料混凝土硬化阶段热膨胀系数的热膨胀系数，而不需要对其直接测量。

附图说明

图1是串联薄板热膨胀系数计算示意图。

图2并联薄板热膨胀系数计算示意图。

图3混凝土单元热传导示意图。

图4混凝土单元热传导简化模型。

具体实施方式

以下结合说明书对发明进行进一步说明，但本发明所要求的保护范围并不局限于实施例描述的范围。

本发明模型构建方法步骤按照以下过程进行：

1、建立热膨胀系数的串联模型：

设有两层不同材料薄板1和薄板2相互叠在一起，薄板截面积相同，如图1所示。厚度分别为ΔX₁和ΔX₂，形变长度分别为ΔL₁和ΔL₂，总形变长度为ΔL，温度变化值为ΔT, 热膨胀系数分别为α₁和α₂，组合板的热膨胀系数为α。

对于薄板1和薄板2，我们分别有：

（13）（14）

将式（13）和式（14）相加，得：

（15）

设（ΔX₁+ΔX₂）为薄板总厚度，

设、分别为第一和第二层薄板的体积率，

则组合板的热膨胀系数α为：

（16）

推广到多层板串联的情况，其热膨胀系数等于每层板的热膨胀系数与体积率的乘积的代数和，即：

（17）

即串联时，材料的热膨胀系数等于各组分热膨胀系数与其体积率的乘积的代数和。

2、建立热膨胀系数的并联模型

设两块不同材料的薄板并列放置，如图2所示，各参数意义与串联模型中相同。

则对于薄板1和薄板2，分别有：

（18）（19）

由于是并列摆放，两块薄板的热膨胀系数总形变ΔL取决于两块薄板ΔL₁和ΔL₂中的较大值。

设ΔL₁＞ΔL₂，则有：

（20）

那么组合板的热膨胀系数α即为：

（21）

推广到多层板并联的情况，其总形变值等于各层薄板形变的最大值，设该最大值所在层数为第i层，则多层板的热膨胀系数等于第i层薄板的形变值除以该层板厚，即：

（22）

3、一种全级配大骨料混凝土硬化阶段热膨胀系数构建方法

对于混凝土热膨胀系数，取其中一个单元，在热流作用下，混凝土单元可以看成是粗骨料、砂浆和孔隙先串联再并联，热传导情况如图3和图4所示。

 

由多层板热膨胀系数的串联公式可得混凝土单元的热膨胀系数为：

（23）

孔隙、砂浆和粗骨料组合的形变值必定大于其中各组分的形变值，也大于其中两两组合的形变值，所以该全级配大骨料混凝土硬化阶段热膨胀系数值α_c为：

（24）

试验水泥采用海螺牌P.O42.5全级配硅酸盐水泥，细骨料采用细度模数为2.3且颗粒级配良好的河砂，粗骨料为石灰石。

试验装置采用本课题组开发的装置，详见专利CN201247042。试件尺寸100mm×100mm×500mm，混凝土配合比如表1所示，浇筑完毕后迅速将试件搬入标准养护室内进行养护至28天，然后测量其热膨胀系数值。

表1 混凝土配合比

砂浆和石灰石的热膨胀系数可通过试验测得，分别为13.7×10^-6/℃和6.1×10^-6/℃。空气的热膨胀系数可由下推得：

运用理想气体状态方程：

（25）

常温下空气一般等压膨胀，即P₁=P₂,此时则有：

（26）

设T₂-T₁=1℃，那么：

（27）

试验在20℃的环境中进行，那么空气的热膨胀系数即为3411×10^-6/℃。孔隙的质量难以测定，而体积则较方便确定，为试件总体积与另外两类组分体积和的差。混凝土各组分热膨胀系数计算表如表2所示：

表2 各组分热膨胀系数计算表

由以上试验分析可知，本方法适用于混凝土硬化阶段热膨胀系数的预测估算，且对于进一步的理论假设提供了证明，本发明所建模型可用于预测全级配大骨料混凝土硬化阶段热膨胀系数。