一种在变温条件下测试混凝土自收缩的装置与方法

摘要

本发明公开了一种在变温条件下测试混凝土自收缩的装置及方法。本发明所述装置包括磁力吸盘、非接触式位移传感器、波纹管模具、测试支架、石英玻璃杆、波纹管封装端头、吊件、缓压气囊、塑料管和橡胶塞。本发明采用特制的波纹管模具和封装端头作为自收缩变形测试的成型模具，解决了模具与试件变形不协同的问题；设置了缓压气囊解决了波纹管内部气压对早期测试的影响；设置了吊件解决了模具与测试支架的摩擦问题，真正实现了试件与支架的零摩擦；设置了石英玻璃杆，解决了测试支架自身变形对测试的影响。本发明实现了在变温条件下混凝土自收缩变形的准确测试，测试方法稳定、科学、可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及混凝土测试技术领域，具体涉及一种在变温条件下测试混凝土自收缩的装置与方法。

背景技术

水泥净浆、砂浆、混凝土等水泥基材料由于自身特性的问题会产生自收缩变形，因此，自收缩变形成为了水泥基材料研究和应用中的重要参数，其测试装置和测试方法也多种多样，但目前被普遍认可的技术方法均为通过长度方向的变形表征整体变形的变形量或变形率。

随着混凝土科学技术的发展，尤其是针对实际应用研究的逐步深入，通常的试验室内20℃的测试结果对实际结构应用的指导意义不大，尤其对实体结构的应力场的模拟计算时，相同温度历程下混凝土的自收缩变形十分重要。因为在实体结构中，混凝土会产生温升和温降的历程，温度效应将会使混凝土产生热胀冷缩的体积变形，同时也会加速混凝土内胶凝材料的水化进程，因此，在实体结构中的混凝土的自收缩发展历程与实验室内标准的测试方法具有较大的差异性，在进行实体结构应力场计算时，需要在模拟实体结构温度历程的条件下对混凝土试件进行自收缩变形的测试，例如，本发明申请人在体积达到2.5m³的环境模拟试验箱内进行混凝土的自收缩变形测试，以求获得更为符合实际的工程模拟计算结构。

虽然自收缩变形测试的技术方法有许多，但在科研领域，通过可操作性和可实现性方面讲，波纹管法被广泛认可为一种较为合理的测试方法，本发明的发明人之一田倩曾在2009年与丹麦科技大学的JENSEN Ole Mejlhede在《硅酸盐学报》上发表了“采用波纹管测试水泥基材料早期自收缩方法”，论述了波纹管法测试的可靠性及理论依据，同年，该测试方法被美国标准ASTM C1698采用，田倩等也申报了专利“CN200610038892.X混凝土早期自身变形测试方法及装置”，该专利技术实现了混凝土凝缩和混凝土初凝之后的自干燥收缩的测试；本发明的发明人之一张建亮对波纹管法的测试装置做了进一步的改进，获得了专利“CN201420842970.1波纹管封装端头、及使用其的水泥基材料自收缩测定装置”，但仍存在早期变形，尤其是初凝至终凝时间段，测试重复性不佳、数据波动性大等问题，导致出现该问题的原因之一就是试件模具与支架的摩擦导致的，包括目前国家标准GB/T 50082-2009“普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准”中的混凝土收缩变形的非接触法亦存在类似问题，其时间模具对底部和四周均有约束，因此在学术界，该方法仍有一些争议。使用波纹管模具时，波纹管内部密封，当温度升高时，内部存在的部分气体产生膨胀，导致波纹管内的气压增加，而且当混凝土本身发生体积变形时，亦会导致内部压力的变化，从而导致早期测试结果偏离真实值。在变温条件下，测试支架本身也会产生热涨冷缩，而由此导致的误差，尤其是在温度跨度较大的情况下，对测试数据的影响较为严重。

综上可知，现有的技术方法均无法准确、可靠的测试混凝土在变温条件下的自收缩变形，因此，本发明提出了一种在变温条件下测试混凝土自收缩的装置及方法，很好地解决了这一系列问题。

发明内容

在变温条件下测试混凝土自收缩变形时，存在如下几个问题导致测试不准确：波纹管模具与支架摩擦使混凝土早期测试存在不可忽略的约束力，导致测试不准确；温度变化致使密闭的波纹管模具内部压力变化，促使波纹管模具内部体积发生变化，对混凝土早期变形产生影响；混凝土早期变形，尤其在初凝至终凝阶段的变形量较大，在密闭的波纹管模具中，混凝土变形致使波纹管模具的体积发生变化，密闭空间的体积变化必然带来压力变化，因此，波纹管模具在压力作用下对混凝土变形产生约束力；在变温过程中，由于测试支架本身热胀冷缩致使测试支架产生长度变化，导致混凝土变形的测试不准确。为了解决以上问题，本发明提供了一种在变温条件下测试混凝土自收缩的装置及方法，具体是这样实现的：

一种在变温条件下测试混凝土自收缩的装置，包括磁力吸盘、非接触式位移传感器、波纹管模具、测试支架、波纹管封装端头、吊件、缓压气囊、石英玻璃杆、玻璃杆支架塑料管和橡胶塞；

所述波纹管模具在自由状态下拉伸3mm和压缩3mm所用的力均不大于20mN；所述测试支架数量不少于2个，其材质为不锈钢；所述测试支架包括挂件杆、固定杆、左侧板和右侧板，挂件杆和固定杆为等长度不锈钢杆且平行固定于左侧板与右侧板之间，每个测试支架的挂件杆的数量为两个，两个挂件杆固定于左侧板和右侧板的上部且处于同一水平高度，固定杆固定于左侧板和右侧板下部；

所述左侧板设有磁力吸盘固定槽，右侧板设有非接触式位移传感器固定槽，左侧板的磁力吸盘固定槽可与磁力吸盘形成可自由装卸的配合，右侧板的非接触式位移传感器固定槽可与非接触式位移传感器形成可自由装卸的配合；所述磁力吸盘固定槽位于左侧板的中部，呈上下结构，所述非接触式位移传感器固定槽位于右侧板的中部，呈上下结构；

所述波纹管封装端头用于封装波纹管模具，左侧波纹管封装端头为固定端封装端头，右侧波纹管封装端头为测试端封装端头，所述固定端封装端头与磁力吸盘形成能够自由拆装的磁力连接，所述固定端封装端头设有通气孔，通气孔位于固定端封装端头圆面12点钟位置处，当波纹管封装端头与波纹管模具配合时，所述通气孔与波纹管模具内部连通；

所述吊件的材质为殷钢，吊件设有U形殷钢丝和2个挂钩，挂钩和U形殷钢丝为一体结构，2个挂钩位于U形殷钢丝的上部两侧，呈轴对称结构；

所述石英玻璃杆两端的圆面设有不可拆卸的殷钢片，殷钢片的厚度为0.5～2.0mm；所述殷钢片作用是：使磁力吸盘与石英玻璃杆的左端能够形成磁力配合，非接触式位移传感器能够测量石英玻璃杆右端的位移变化，即测试支架的长度变化；石英玻璃杆两端设置殷钢片的另一个优势为：殷钢的热膨胀系数仅为2.0×10^-6/℃，在变温条件下0.5～2.0mm厚的殷钢片引入的测试误差可以忽略不计；

所述非接触式位移传感器是电涡流位移传感器或激光位移传感器中的一种，所述石英玻璃杆右端设有不可拆卸的殷钢片，有利于非接触式位移传感器的信号反射；

所述测试支架的数量不少于2个，1个测试支架用于与石英玻璃杆装配，标定测试支架在变温测试中的长度变化，其余测试支架与盛装了混凝土的波纹管模具配合，用于测试混凝土试样的自收缩变形；与石英玻璃杆装配的测试支架中，所述固定杆与玻璃杆支架形成能够自由拆装的垂直配合，玻璃杆支架竖直向上，所述石英玻璃杆通过端部圆面的殷钢片与磁力吸盘形成能够自由拆装的磁力配合，玻璃杆支架将石英玻璃杆托住；与波纹管模具配合的测试支架中，所述吊件的挂钩挂在挂件杆上，挂钩与挂件杆形成能够自由取放的配合，5～30个相同规格的吊件与挂件杆配合，将波纹管模具吊起。

所述玻璃杆支架的数量为1～3个。

所述测试支架的材质为不锈钢，可避免其在使用过程中锈蚀。

所述缓压气囊为在自由状态下具有60～80cm³体积空间的软质硅胶气囊，缓压气囊通过塑料管与橡胶塞连接，塑料管贯穿于橡胶塞，橡胶塞与固定端封装端头的通气孔形成可自由拆装的配合，使缓压气囊与波纹管内部连通。

所述固定杆的作用主要是与两个挂件杆形成三角固定，确保测试支架不会变形。

所述磁力吸盘固定槽位于左侧板的中部，呈上下结构，长为30～50mm，所述位移传感器固定槽位于右侧板的中部，呈上下结构，长为30～50mm。

所述磁力吸盘固定槽和位移传感器固定槽的上下结构的长槽型设计，可以使位移传感器和磁力吸盘能够上下自由调整高度，以便适应不同直径规格的波纹管模具。

所述石英玻璃杆较固定杆短20～40mm，石英玻璃杆与玻璃杆支架的为光滑接触。

普通钢材的线膨胀系数约为1.2×10^-5/℃，普通混凝土的线膨胀系数约为1.0×10^-5/℃，不同类型混凝土的线膨胀系数有所差异，但不会有跨越数量级的变化。在变温条件下，测试支架会随着温度的变化产生热涨冷缩，从而导致混凝土的变形测试不准确。石英玻璃的线膨胀系数极小，仅有5×10^-7/℃，且在混凝土变形测试研究的温度范围(-20～100℃)内比较稳定，因此，在较小温度变化范围的变温试验测试中，可以认为石英玻璃杆无变形。

因此，测试石英玻璃杆右端的位移，即为在变温条件下测试支架挂件杆和固定杆由于温度效应而产生的变形，将实际测试的混凝土变形值减去石英玻璃右端的位移值，即得到混凝土变形的真实值。

当变温测试的温度变化范围较大时，可利用石英玻璃的线膨胀系数进行进一步修正。

假设混凝土的微应变准确值为A，混凝土的微应变的测试值为A₀，石英玻璃杆右端的位移值为A₁，温度由T₀变为T₁，则可建立关系式：A＝A₀-A₁+0.5(T₁-T₀)。

如前所述，U形殷钢丝的材质为殷钢，殷钢的线膨胀系数为2.0×10^-6/℃，同样线膨胀系数较小，以其作为U形殷钢丝的材质，可确保在变温条件下波纹管模具在高度上的变化可被忽略。虽然殷钢的线膨胀系数是石英玻璃的4倍左右，但在本发明中U形殷钢丝的长度仅为挂件杆长度的1/5左右，因此在变温条件下，仍可认为波纹管模具在高度方向上没有变化。

当盛装了混凝土试样的波纹管模具置于吊件上时，磁力吸盘将固定端封装端头吸住，当混凝土产生变形时，U形殷钢丝不会对波纹管模具产生约束力，相当于波纹管模具被置于了一个绝对光滑的台面上，从而可以100％消除由于支架摩擦力而导致的测试误差。

除了支架摩擦力外，混凝土的早期变形和环境温度变化会对波纹管模具内部体积和气压发生变化，这种压力的变化会对波纹管模具的变形形成约束力，该约束力对具有较高强度的硬化混凝土的变形影响较小，但对混凝土早期变形，尤其是初凝至终凝阶段的影响较大。在以往的测试中，除了波纹管模具内部的压力变化导致波纹管模具对混凝土变形产生约束力外，还存在不同测试试件的波纹管模具的密封性具有差异的情况，因此，以往的测试中，早龄期的变形数据很难具有重复性。为了解决这个问题，本发明在固定端封装端头设置了通气孔，使通气孔直接与缓压气囊连通，从而解决了波纹管模具内部压力变化而导致数据测试不准确和重复性不好的问题。

根据本发明的设计方案，根据不同类型混凝土的变形量为0.1～4mm，不同规格的波纹管模具的体积变化范围为0.05～20cm³，波纹管模具体积变化产生的压力变化由缓压气囊的内部空间平衡，由于缓压气囊为软质硅胶气囊，其在压力下可自由变形，其再通过变形与大气压进行压力平衡，最终使波纹管模具内与大气压形成平衡，从而消除波纹管模具内部压力的影响。

为了测试支架搬动的便利性，在测试支架的左侧板和右侧板上端均设有一个把手。

综上技术所述，一种在变温条件下测试混凝土自收缩的方法，包括：

(1)准备相同规格的测试支架不少于2个，置于变温测试环境中，取其中1个测试支架与石英玻璃杆配合，所述石英玻璃杆通过端部圆面的殷钢片与磁力吸盘形成磁力配合，玻璃杆支架将石英玻璃杆托住，在非接触式位移传感器固定槽处安装非接触式位移传感器，调整非接触式位移传感器的位置，使其测试石英玻璃杆的位移变化；

(2)将其余测试支架与吊件配合，每个测试支架装配的吊件的数量为5～30个，并将吊件按照波纹管模具的波纹间距均匀分布，并确保测试支架的摆放位置牢固，不会发生摇晃和震动；

(3)将测试端封装端头与波纹管模具配合，波纹管模具开口朝上立起，将混凝土浆体装入波纹管模具中，在装料的过程中，将波纹管模具拉长20～40mm，当混凝土试样装料至波纹管模具剩余30～50mm高度时；将固定端封装端头与波纹管模具配合，缓缓将被拉长的波纹管模具放回至原长，在此过程中，波纹管模具中的空气通过所述通气孔排出，其内空气剩余10～20mm；用橡胶塞把通气孔堵住，缓压气囊与波纹管模具内部连通，将波纹管模具水平放置，且通气孔位于12点钟方向位置，轻轻震动，使波纹管模具内剩余气体移动至波纹管模具上部，使波纹管模具的波纹都通过上部的空气连通；

(4)将盛装了混凝土的波纹管模具置于吊件上，并确保通气孔位于12点钟方向位置；上下调整磁力吸盘，使磁力吸盘与固定端封装端头的中心形成磁力链接，固定磁力吸盘，再将非接触式位移传感器安装于所述非接触式位移传感器固定槽，并上下调整，使其刚好对准测试端封装端头的中心位置，并固定非接触式位移传感器，开始混凝土的变形测试；

(5)在变温环境的测试过程中，所述缓压气囊将会随温度变化、波纹管模具收缩或伸长而产生不同程度的体积变化，从而使波纹管模具内部气压始终等于测试环境气压；

(6)计算测试结果，假设混凝土的微应变准确值为A，混凝土的微应变的测试值为A₀，石英玻璃杆右端的位移值为A₁，温度由T₀变为T₁，则可建立关系式：A＝A₀-A₁+0.5(T₁-T₀)。

本发明的优异效果：

(1)本发明采用吊件将测试试件吊起，完全消除了波纹管模具与测试支架的摩擦，从而解决了由于波纹管模具与测试支架的摩擦而导致混凝土早期变形测试不准确的问题；

(2)采用较低刚度的波纹管模具，确保了混凝土在其自收缩变化范围内不受波纹管模具的约束；

(3)本发明采用缓压气囊和封装端头通气孔的设计，成功地消除了由于波纹管模具长度变化和环境温度变化而导致的内部压力变化，从而避免了波纹管模具对混凝土产生约束力而使测试结果不准确，使波纹管模具内部气压始终等于外界大气压；

(4)本发明通过石英玻璃杆的位移纠正，成功地解决了在变温过程中由于测试支架本身热胀冷缩导致混凝土变形的测试不准确的问题，且仅使用一根石英玻璃杆便可标定出多个相同规格测试支架在变温条件下的长度变形；

(5)玻璃杆支架可与任意一个测试支架配合，石英玻璃杆可自由取下或安装，操作较为简便，且实现了较好的技术效果；

(6)石英玻璃杆两端设有殷钢片，可以磁力吸盘形成磁力连接，封装端头为殷钢材质，也可以与吸力吸盘形成磁力连接，这种磁力连接的方式操作十分便捷、可靠；

(7)测试支架为不锈钢，在使用过程中，可避免锈蚀，影响测试支架的耐久使用。

综合技术效果，本发明成功地实现了混凝土自浇筑成型开始至终凝后24小时内变形的准确、可靠、稳定和可重复的测试。

附图说明

图1装置总体装配图示意图。

图2石英玻璃杆与测试支架配合示意图。

图3测试支架示意图之一。

图4测试支架示意图之二。

图5测试支架、吊件、磁力吸盘、非接触式位移传感器装配示意图。

图6波纹管模具与封装端头配合示意图。

图7吊件结构示意图。

图8固定端封装端头与缓压气囊装配示意图。

图9缓压气囊与塑料管、橡胶塞的一体化组合示意图。

图10波纹管封装端头示意图。

图11固定端封装端头示意图。

图12测试端封装端头示意图。

图13玻璃杆支架与测试支架装配示意图。

图14石英玻璃杆示意图。

图1～14的各标注为：1波纹管模具、2磁力吸盘、3非接触式位移传感器、4测试支架、41挂件杆、42固定杆、43左侧板、431磁力吸盘固定槽、44右侧板、441非接触式位移传感器固定槽、45把手、5缓压气囊、51塑料管、52橡胶塞、6波纹管封装端头、61固定端封装端头、611通气孔、62测试端封装端头、7吊件、71挂钩、72U形殷钢丝、8石英玻璃杆、81殷钢片、9玻璃杆支架。

具体实施方式

一种在变温条件下测试混凝土自收缩的装置，包括磁力吸盘2和非接触式位移传感器3，还包括波纹管模具1、测试支架4、波纹管封装端头6、吊件7、缓压气囊5、石英玻璃杆8和玻璃杆支架9；

所述波纹管模具1在自由状态下拉伸3mm和压缩3mm所用的力均不大于20mN；所述测试支架4数量为两个或两个以上，包括挂件杆41、固定杆42、左侧板43和右侧板44，挂件杆41和固定杆42为等长度不锈钢杆且平行固定于左侧板43与右侧板44之间，挂件杆41的数量为两个，两个挂件杆41固定于左侧板43和右侧板44的上部且处于同一水平高度，固定杆42固定于左侧板43和右侧板44下部；

所述左侧板43设有磁力吸盘固定槽431，右侧板44设有非接触式位移传感器固定槽441，左侧板43的磁力吸盘固定槽431可与磁力吸盘2形成可自由装卸的配合，右侧板44的非接触式位移传感器固定槽441可与非接触式位移传感器3形成可自由装卸的配合；所述磁力吸盘固定槽431位于左侧板43的中部，呈上下结构，所述非接触式位移传感器固定槽441位于右侧板44的中部，呈上下结构；

所述波纹管封装端头6与波纹管配合，左侧波纹管封装端头6为固定端封装端头61，右侧波纹管封装端头6为测试端封装端头62，所述固定端封装端头61与磁力吸盘2形成能够自由拆装的磁力连接，所述固定端封装端头61设有通气孔611，通气孔611位于固定端封装端头61圆面12点钟位置处，当波纹管封装端头6与波纹管模具1配合时，所述通气孔611与波纹管模具1内部连通；

所述吊件7的材质为殷钢，吊件7设有U形殷钢丝72和2个挂钩71，挂钩71和U形殷钢丝72为一体结构，2个挂钩71位于U形殷钢丝72的上部两侧，呈轴对称结构；所述石英玻璃杆8两端的圆面设有不可拆卸的殷钢片81；

所述测试支架4的材质为不锈钢，可避免其在使用过程中锈蚀。

所述测试支架4的数量不少于2个，1个测试支架4用于与石英玻璃杆8装配，标定测试支架4在变温测试中的长度变化，其余测试支架4与盛装了混凝土的波纹管模具1配合，用于测试混凝土试样的自收缩变形。

当测试支架4与石英玻璃杆8配合时：所述玻璃杆支架9与固定杆42形成能够自由拆装的垂直配合，玻璃杆支架9竖直向上，所述石英玻璃杆8通过端部圆面的殷钢片81与磁力吸盘2形成能够自由拆装的磁力配合，玻璃杆支架9将石英玻璃杆8托住；

当测试支架4与波纹管模具1配合时：吊件7的挂钩71挂在挂件杆41上，挂钩71与挂件杆41形成能够自由取放的配合，5～30个相同规格的吊件7与挂件杆41配合，将波纹管模具1吊起；

所述缓压气囊5为在自由状态下具有60cm³体积空间的软质硅胶气囊，缓压气囊5通过塑料管51与橡胶塞52连接，塑料管51贯穿于橡胶塞52，橡胶塞52与固定端封装端头61形成可自由拆装的配合，使缓压气囊5与波纹管内部连通。

所述测试支架4的各部分组成结构均为同一种金属材质。

所述玻璃杆支架9的数量为1～3个。

为了测试支架搬动的便利性，在测试支架的左侧板和右侧板上端均设有一个把手45。

一种在变温条件下测试混凝土自收缩的方法，包括：

(1)准备相同规格的测试支架4共3个，至于变温测试环境中，取其中1个测试支架4与石英玻璃杆8配合，所述石英玻璃杆8通过端部圆面的殷钢片81与磁力吸盘2形成磁力配合，玻璃杆支架9将石英玻璃杆8托住，在非接触式位移传感器固定槽441处安装非接触式位移传感器3，调整非接触式位移传感器3的位置，使其测试石英玻璃杆8的位移变化；

(2)将另外2个测试支架4与吊件7配合，每个测试支架4装配的吊件7的数量为12个，并将吊件7按照波纹管模具1的波纹间距均匀分布，并确保测试支架4的摆放位置牢固，不会发生摇晃和震动；

(3)将测试端封装端头62与波纹管模具1配合，波纹管模具1开口朝上立起，将混凝土浆体装入波纹管模具1中，在装料的过程中，将波纹管模具1拉长40mm，当混凝土试样装料至波纹管模具1剩余30mm高度时，将固定端封装端头61与波纹管模具1配合，缓缓将被拉长的波纹管模具1放回至原长，在此过程中，波纹管模具1中的空气通过所述通气孔611排出，其内空气剩余10mm，用橡胶塞52把通气孔611堵住，缓压气囊5与波纹管模具1内部连通，将波纹管模具1水平放置，且通气孔611位于12点钟方向位置，轻轻震动，使波纹管模具1内剩余气体移动至波纹管模具1上部，使波纹管模具1的波纹都通过上部的空气连通；

(4)将盛装了混凝土的波纹管模具1置于吊件7上，并确保通气孔611位于12点钟方向位置，上下调整磁力吸盘2，使磁力吸盘2与固定端封装端头61的中心形成磁力链接，固定磁力吸盘2，再将非接触式位移传感器3安装于所述非接触式位移传感器固定槽441，并上下调整，使其刚好对准测试端封装端头62的中心位置，并固定非接触式位移传感器3，开始混凝土的变形测试；

(5)在变温环境的测试过程中，所述缓压气囊5将会随温度变化、波纹管模具1收缩或伸长而产生不同程度的体积变化，从而使波纹管模具1内部气压始终等于测试环境气压；

(6)计算测试结果，假设混凝土的微应变准确值为A，混凝土的微应变的测试值为A₀，石英玻璃杆8右端的位移值为A₁，温度由T₀变为T₁，则可建立关系式：A＝A₀-A₁+0.5(T₁-T₀)。

实施例

模拟测试某C50混凝土在变温条件下的自收缩变形，用于结构混凝土应力场的模拟计算，变温历程按照实际工程结构中的测试结果进行设置，设定混凝土入模温度为32.0℃，第10小时起开始进入升温阶段，第34小时达到温峰79.6℃，第352小时混凝土混凝土降至32.0℃。试验所用波纹管模具的内径为58.5mm，外径为80mm，使用3个混凝土试件作为测试对象。

按照具体实施方式的技术方法，使用12个吊件与支架挂件杆配合，将混凝土装入波纹管模具中，使用在自由状态下具有80cm³内部空间的软质硅胶气囊作为缓压气囊，使波纹管模具内部与缓压气囊连通，调试好测试状态。

测试结果显示，测试0～3小时，混凝土试件无体积变化；从第3小时开始混凝土开始产生体积变化，呈收缩趋势，由于混凝土本身的均匀性等问题，不同试件之间的测试值略有差异，三个试件的测试值的差值在-20～20μm之间，测试变化规律和趋势完全一致；到第10小时，温升开始上升，混凝土变形逐渐产生膨胀，以此时为零点，三个混凝土试件的变形数据基本一致，具有良好的测试稳定性；到第34小时，混凝土达到温峰，混凝土的膨胀变形已达到最大值，而后随着混凝土的降温逐渐产生温降收缩，在此过程中，三个混凝土试件的测试数据亦基本一致，三组数据的偏差不大于1％，实现了良好的测试技术效果。