测量单轴压缩过程混凝土导热系数下降率的装置及方法

摘要

本发明公开了一种测量单轴压缩过程混凝土导热系数下降率的装置及方法，混凝土试件置于支架内受压缩荷载，同时加热单元与制冷单元在混凝土试件两平面间建立温差；支架用于固定混凝土试件与加热单元、制冷单元、保温材料、导热硅胶的相对位置；混凝土试件受压后变形，挤压保温材料、导热硅胶、制冷单元和加热单元，使其向四周外移，支架的四周支柱用于确定四周材料的移动轨迹，支柱上的弹簧压板和弹簧提供一个不影响力学实验的适当围压，以保证制冷单元和加热单元与混凝土试件表面贴合，尽量减少接触热阻。在混凝土试件承受一定压缩荷载的情况下，混凝土试件内部混凝土试件热流密度达到稳态，温度在混凝土试件内呈一维稳定分布。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量单轴压缩过程混凝土导热系数下降率的装置,属于混凝土建筑 技术领域。

背景技术

在大体积混凝土工程领域，水泥的水化热、外界温度骤变和结构承受的外荷载均有 可能使混凝土发生开裂，裂纹的存在导致混凝土的导热系数下降，进而影响裂纹的扩展。 因此，了解混凝土开裂对导热系数的影响规律，对于热-力耦合分析，以及防止裂纹的 进一步扩展是极其重要的。然而，目前人们对损伤混凝土导热系数的变化规律并没有一 个定量的认识，没有用于研究开裂混凝土导热系数的实验装置。为此，结合混凝土力学 实验规程与混凝土导热系数测量规范要求，本发明旨在通过试验量测获得混凝土试件在 单轴受压破裂过程中导热系数的变化规律。

物质导热系数的获取途径主要有实验测量、理论推算或数值模拟等方法，但由于混 凝土的非均质性，其导热系数离散性较大，目前虽有相关数值研究，但仍需实验测量加 以验证。根据导热系数的实验测量原理，其测量方法主要分为瞬态法和稳态法两类。

瞬态法是指在试验过程中，通过测量混凝土试件内某点温度随时间变化的规律和其 他相关参数，以确定混凝土试件导热系数的方法。瞬态法虽具有高效、便捷等优点，但 由于混凝土在开裂过程中裂纹位置与数量均不确定，所以该方法并不适用于本发明。

稳态法是最早应用的测量方法，该方法普遍适用于混凝土导热系数测量，具有可靠 性高、使用方便、测量成本低等优点。稳态法的基本原理是：在混凝土试件两平行表面 上建立均匀温度边界，平行面之间的温度差使得混凝土试件内部呈现无限大平板中的一 维均匀热流密度，即当混凝土试件内温度分布达到稳定后，通过测量流过混凝土试件的 热量和温度梯度等参数来确定混凝土试件的导热系数。稳态法测量导热系数原理可表示 为

$\lambda =\frac{Ql}{A\Delta T}---\left(1\right)$

其中，Q为加热功率，l为混凝土试件厚度(边长)，A为加热面积，ΔT为准稳态 下混凝土试件两面温度差。该方法适用于本发明的原因在于：稳态法无需将温度传感器 和热源深埋在混凝土试件内，较好得保留混凝土试件的力学性能；能够体现混凝土试件 内部的复杂开裂过程对混凝土导热性能的影响。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种测量单轴压缩过程混凝土 导热系数下降率的装置，为了在混凝土试件压缩破坏过程中测量混凝土试件的导热系数， 装置满足《水工混凝土试验规程》DL/T5150-2001和《绝热材料稳态热阻及有关特性的 测定防护热板法》GB/T10294-2008对混凝土力学实验和导热系数测量的要求。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种测量单轴压缩过程混凝土导热系数下降率的装置，其特征在于：包括支架、绝 热泡沫板、保温层、加热单元、导热硅胶、制冷单元、压板、弹簧压板、支架上框、弹 簧；

所述支架为用于容纳混凝土试件的框架结构，包括矩形底板和四角位置垂直设置的 支柱，所述支架上框与支架相配合形成完成的立方体框架；混凝土试件放置在支架的中 央，混凝土试件的上表面设置压板并通过支架上框固定，混凝土试件与底板、压板之间 分别垫设有保温层；混凝土试件的第一对平行面，其中的一面支柱间从内往外依次嵌入 加热单元和绝热泡沫板，另一面支柱间从内往外依次嵌入导热硅胶和制冷单元；混凝土 试件的第二对平行面的支柱间分别嵌入绝热泡沫板；相邻的支柱两两之间固定设置弹簧 压板，所述弹簧压板的两端分别固定在相邻的两个支柱的同一平面上，弹簧压板的内侧 设置有弹簧，用于保证混凝土试件表面与四周材料充分接触。

所述导热硅胶和加热单元中分别内置热电偶。作为优选方案，热电偶选用Pt100。

作为优选方案，所述保温层为石棉布。

所述的测量单轴压缩过程混凝土导热系数下降率的装置，其特征在于：所述支架的 支柱内侧棱边设有2mm倒角，以保证支架不会影响混凝土试件自由变形。

所述的测量单轴压缩过程混凝土导热系数下降率的装置，其特征在于：所述支架和 压板的材质为钢。

本发明还提供一种测量单轴压缩过程混凝土导热系数下降率的方法，采用上述的测 量单轴压缩过程混凝土导热系数下降率的装置，包括以下步骤：

1)测定支架和压板钢材的弹性模量E，测量支架底板厚度l₁以及压板厚度l₈；

2)取已知导热系数混凝土试件，测定装置的修正系数B；

3)将混凝土试件置于装置中，将装置组装并置于试验机托台上；

4)测量未开裂混凝土试件的导热系数λ_elastic；加热单元和制冷单元稳定工作，观察 热电偶读数，等待温差稳定，读取功率，功率W_elastic与温差ΔT_elastic；

5)测量弹性状态混凝土试件的导热系数λ_elastic；启动万能试验机，对钢制压板施加 压缩荷载，力控制施加荷载，荷载值增加至试件标号强度的20％，保持荷载；观察热电 偶读数，等待温差稳定；记录此时的荷载F、W_elastic与ΔT_elastic；

6)测量压缩开裂状态混凝土试件的导热系数λ_cracked，使用力控制荷载，以0.3MPa/s 的速度施加试件标号强度的20％的荷载，随后保持荷载；观察热电偶读数，等待温差稳 定；记录此时的荷载F、功率W_cracked与温差ΔT_cracked；反复本步操作，直至混凝土试件 失去承载能力；同时，万能试验机记录混凝土试件的单轴压缩荷载F与位移变形U的 曲线；

7)数据处理：由对应荷载下记录的荷载F、位移变形U可计算混凝土试件的应力- 应变关系

σ₁₁＝F/A(4)

ε₁₁＝[U-σ₁₁/E·(l₁+l₈)]/l(5)

式中，σ₁₁和ε₁₁分别为混凝土试件的压缩应力和应变；l为立方体混凝土试件边长； A为试件的受压面面积；

将记录的功率W、温差ΔT代入下式，则可得到混凝土试件在对应荷载下的导热系 数下降率η

$\eta =1-\frac{{\lambda }_{craked}}{{\lambda }_{intact}}=1-\frac{W_{craked}}{W_{\mathrm{int}act}}\frac{{\mathrm{\Delta T}}_{intact}}{{\mathrm{\Delta T}}_{cracked}}.$

有益效果：本发明提供的一种测量单轴压缩过程混凝土导热系数下降率的装置，混 凝土试件置于支架内受压缩荷载，同时加热单元与制冷单元在混凝土试件两平面间建立 温差。支架用于固定混凝土试件与加热单元、制冷单元、保温材料、导热硅胶的相对位 置。混凝土试件受压后变形，挤压保温材料、导热硅胶、制冷单元和加热单元，使其向 四周外移，支架的四周支柱用于确定四周材料的移动轨迹，支柱上的弹簧压板和弹簧提 供一个不影响力学实验的适当围压，以保证制冷单元(上的导热硅胶)和加热单元与混 凝土试件表面贴合，尽量减少接触热阻。使用石棉布分别将混凝土试件底部与支架内壁 面以及顶部与压块隔开，保证混凝土试件与支架隔热。在混凝土试件承受一定压缩荷载 的情况下，混凝土试件内部混凝土试件热流密度达到稳态，温度在混凝土试件内呈一维 稳定分布。此时读取预先埋置的热电偶显示的温度数值和加热单元的发热功率(耗电功 率)，即可计算得到压缩损伤混凝土试件的导热系数。导热硅胶和加热单元中分别内置 热电偶，如此则可保证混凝土试件完整性，保留其原有的力学性能。热电偶选用Pt100， 该型号在测温领域广泛使用，具有高稳定性、高精度、小尺寸、对温度响应速度快以及 不需要冷端补偿等优点。在不影响混凝土试件单轴压缩加载的情况下，测量混凝土试件 在不同应变状态下的导热系数。本发明装置的特点在于：

1、支架以及上框、压板、弹簧压板与弹簧等部件为混凝土试件在单轴压缩过程 中提供导热系数测量的热学环境，其尺寸特征在于：依据水工混凝土实验规程，混凝土 试件尺寸为150×150×150mm³立方体，万能试验机托盘为250×250mm²正方形，由此确 定了支架外观尺寸。由于混凝土试件在受力过程中会向四周膨胀变形，支架的支柱内侧 棱边设计有2mm倒角，以保证支架不会影响混凝土试件自由变形。支柱外侧制有弹簧 压板以保证制冷单元、加热单元与混凝土试件表面充分接触，在不影响混凝土试件变形 的情况下尽量减少接触热阻。在工作中由于支架底板受力，四周支柱将向内倾斜，利用 支架上框可消除支柱的扰度。

2、加热单元为导热系数测量提供均匀稳定的热源，其特征于：使用导热性能较 好的绝缘硅胶片包裹热热丝，与低压恒定电源和功率采集表串联。依据混凝土导热系数 测量规范，混凝土试件冷热面温差选择20K，则加热板功率设计为20W。柔软的硅胶使 得混凝土试件变形后的不规则表面仍能够充分受热。热单元硅胶夹层内预先埋置热电偶。

3、冷却单元为混凝土试件的冷面提供稳定的温度，其特征于：制冷方案为水冷， 使用铝材，制冷功率大于20W，工作时通以冷却水。与混凝土试件接触的冷却单元一面 粘有4mm厚的导热硅胶片，柔软的硅胶可较好得贴服变形的混凝土试件表面，同时保 护冷却单元。导热硅胶片内置热电偶。

附图说明

图1为本发明装置的爆炸图；

图2为本发明装置的横向剖视图；

图3为本发明装置的工作示意图；

图4为本发明装置的热学工作示意图；

图5为四次测量整理结果；

图中：1、支架；2、绝热泡沫板；3、石棉布；4、混凝土试件；5、加热单元；6、导热 硅胶；7、制冷单元；8、压板；9、弹簧压板；10、支架上框；11、螺丝；12、弹簧。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1和图2所示，一种测量单轴压缩过程混凝土导热系数下降率的装置，包括 支架1、绝热泡沫板2、石棉布3、加热单元5、导热硅胶6、制冷单元7、压板8、弹簧 压板9、支架上框10、螺丝11、弹簧12；

支架1放置于试验机托台上，混凝土试件4放在支架1的中央，混凝土试件4底部 与支架1接触面垫石棉布3；选择混凝土试件4的一对平行面，在一侧支柱间嵌入加热 单元5和绝热泡沫板2，另一面嵌入导热硅胶6和制冷单元7，在另一对平行面的支柱 间分别嵌入绝热泡沫板2。利用螺丝11将弹簧压板9和弹簧12固定于支架上，将四周 材料压实，保证混凝土试件表面与四周材料充分接触。然后将支架上框10固定以消除 支架1受压后支柱的扰度。在混凝土试件上依次放入石棉布3和压板8；接着，加热单 元5与电源接通，制冷单元7通以冷却水，如此装置安装完成。

支架1外观尺寸为250×250×220mm³长方体，可放置于万能试验机托台上。内部留 有150×150×150mm³的立方体空间，可放置标准尺寸混凝土试件4。四周支柱内侧棱边 设有R＝2mm倒角，防止混凝土试件受压膨胀变形时与支架接触。压板8正对混凝土试 件4放置，避免装置其他部位与万能试验机加载面直接接触，起到保护作用，其尺寸为 150×150×30mm³长方体。由于支架1和压板8与混凝土试件4一同承受外力荷载，本装 置选材为45号钢，其弹性模量为210GPa，屈服强度大于335MPa，在混凝土极限荷载 下仍为弹性。为了减少热量的流失，应对支架1的支柱内侧棱倒角面、压板8靠近加热 单元的侧面做绝热处理，建议使用绝热胶覆盖。

使用石棉布3将混凝土试件4底部与支架1接触面以及混凝土试件4顶部与压板8 接触面隔开，起到隔热保温作用。经测试，石棉布压实后(10MPa)石棉布的厚度变形 可忽略，且在高应力状态(50MPa)下不发生破裂，仍具有较好的保温性能。本装置选 用耐高温的隔热石棉布，尺寸为152×150mm²的长方形，厚度为2mm，其在常温下导热 系数为0.03W/(K·m)。

加热单元5尺寸为150×150mm²的正方形，厚度为2mm，采用电加热法。一侧使用 普通绝缘硅胶，另一侧使用绝缘导热硅胶，包裹0.2mm厚的铜片电热回路制成。导热 硅胶一侧与混凝土试件面贴服，另一面与绝热泡沫板2接触，一同嵌入支架内。本装置 的导热硅胶导热系数为6W/(K·m)；绝热泡沫材料选用厚度为25mm的XPS挤塑板，其 导热系数小于0.03W/(K·m)。

制冷单元7尺寸为150×150mm²的正方形，厚度为25mm，采用水冷法。一侧通冷 却水，另一侧与导热硅胶片6贴合。导热硅胶片6与混凝土试件4直接接触，其尺寸为 150×150mm²的正方形，厚度为4mm，导热系数为6W/(K·m)。

参照图3工作示意图，压板8工作时将压力传递给混凝土试件4，而制冷单元、加 热单元及保温材料不受压力荷载。因此，安装时压板8切勿压到加热单元5和导热硅胶 6，而且石棉布3应充分覆盖加热单元5，防止热量流失。

考虑到各部件表面间的接触热阻、热电偶误差、装置设计导致的热量流失以及仍具 有一定导热能力的保温材料造成的热量流失等因素是不可避免的，因此在装置制作完成 之后需要进行校准，即确定修正参数。取已知导热系数材料，λ∈[1,2]W/(K·m)为宜， 尺寸为150×150×150mm³立方体。将该混凝土试件按照上文方法装配于装置中，使加热 和制冷单元稳定工作，观察热电偶读数，温差ΔT稳定(变化值在±0.2K内时)后，读 取功率W。混凝土试件导热系数计算公式为

$\lambda =B\frac{Ql}{2A\Delta T}---\left(2\right)$

其中，混凝土试件的热流量Q即为加热单元的功率W；混凝土试件尺寸已知，则l＝0.15m， A＝0.0225m²；导热系数λ已知；B为修正系数。将测量参数代入即可获得修正参数B， 通常该值大于0，小于1。分别测量不同应力状态下的参数，即可在不确定B的情况下 计算得到导热系数的下降率

$\eta =1-\frac{{\lambda }_{craked}}{{\lambda }_{intact}}=1-\frac{W_{craked}}{W_{\mathrm{int}act}}\frac{{\mathrm{\Delta T}}_{intact}}{{\mathrm{\Delta T}}_{cracked}}---\left(3\right)$

其中，“cracked”表示开裂，“intact”表示未开裂。

参照图3工作示意图和图4热学工作示意图，本发明的测量方法步骤为：

1.测定支架和压板钢材的弹性模量E，测量支架底板厚度l₁以及压板厚度l₈。

2.取已知导热系数混凝土试件，测定装置的修正系数B。(可略)

3.按照上文说明要求，将装置组装并置于试验机托台上。

4.测量未开裂混凝土试件的导热系数λ_intact；加热单元和制冷单元稳定工作，观察 热电偶读数，等待温差稳定(变化值在±0.2K内)，读取功率，记录功率W_intact与温差ΔT_intact；

5.测量弹性状态混凝土试件的导热系数λ_elastic；启动万能试验机，对钢制压板8 施加压缩荷载；首先使用力控制施加荷载，使荷载值增加至112.5kN(5MPa)， 保持荷载。观察热电偶读数，等待温差稳定。记录此时的荷载F、W_elastic与ΔT_elastic； λ_elastic与λ_intact应该相等。“elastic”表示弹性状态。

6.测量压缩开裂状态混凝土试件的导热系数λ_cracked，使用力控制荷载，以0.3MPa/s 的速度施加荷载；加载112.5kN后保持，观察热电偶读数，等待温差稳定；记 录此时的荷载F、功率W_cracked与温差ΔT_cracked；反复本步操作，直至混凝土试 件失去承载能力；与此同时，万能试验机记录混凝土试件的单轴压缩荷载F与 位移变形U的曲线。

7.数据处理。由对应荷载下记录的荷载F、位移变形U可计算混凝土试件的应力- 应变关系

σ₁₁＝F/A(4)

ε₁₁＝[U-σ₁₁/E·(l₁+l₈)]/l(5)

式中，σ₁₁和ε₁₁分别为混凝土试件的压缩应力和应变，l为立方体试件边长；A 为试件的受压面面积；。将记录的功率W、温差ΔT代入上文公式(3)，则可得 到混凝土试件在对应荷载下的导热系数下降率。

8.建立单轴压缩应变与导热系数下降率的关系，推荐使用Logistic函数拟合。由于 混凝土材料本身性能的离散性较大，建议将多个混凝土试件的测量结果一同拟 合。

9.以C25为例，混凝土试件的配合比参照表1。图5中显示了四个混凝土试件的 实验结果，曲线为单轴压缩应力-应变曲线，散点为本专利量测的四个混凝土试 件的导热系数下降率，拟合结果如图5所示。

表1试验所用混凝土配合比

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。