阅读说明：本技术 一种水泥基材料收缩应力检测装置及其全温度检测方法 (Cement-based material shrinkage stress detection device and full-temperature detection method thereof ) 是由 杨英姿 陈智韬 吕承博 王梦雪 于 2019-12-27 设计创作，主要内容包括：一种水泥基材料收缩应力检测装置及其全温度检测方法。由于混凝土变形产生收缩或膨胀应力检测精度要求高难度大、效率低、准确度差,导致了在施工前快速评定混凝土收缩或膨胀应力的试验装置和方法的匮乏,应用高性能水泥基材料的土木工程建设质量受到严重影响,急需得到快速解决。本发明的检测装置中套管可拆卸连接在模具内,模具的两端分别设置有第一连接件和第二连接件,第二连接件内设有测力传感器,圆盘式柱体的圆盘端与第一连接件可拆卸连接,圆盘式柱体的柱体端穿过套管与测力传感器的探测端相贴紧,圆盘式柱体的柱体端与套管间隙设置,套管和模具间填充有混凝土。本发明的检测方法为基于该检测装置实现。本发明用于水泥基材料收缩应力检测。(A cement-based material shrinkage stress detection device and a full-temperature detection method thereof. The testing device and the method for rapidly evaluating the shrinkage or expansion stress of the concrete before construction are lacked due to high detection precision requirement, high difficulty, low efficiency and poor accuracy of the shrinkage or expansion stress generated by the deformation of the concrete, so that the civil engineering construction quality of the high-performance cement-based material is seriously affected, and the rapid solution is urgently needed. The detection device is characterized in that a sleeve is detachably connected in a mold, a first connecting piece and a second connecting piece are respectively arranged at two ends of the mold, a force measuring sensor is arranged in the second connecting piece, a disc end of a disc type cylinder is detachably connected with the first connecting piece, the cylinder end of the disc type cylinder penetrates through the sleeve to be closely attached to a detection end of the force measuring sensor, the cylinder end of the disc type cylinder is arranged in a gap with the sleeve, and concrete is filled between the sleeve and the mold. The detection method is realized based on the detection device. The invention is used for detecting the shrinkage stress of the cement-based material.)

一种水泥基材料收缩应力检测装置及其全温度检测方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种水泥基材料收缩应力检测装置及其全温度检测方法。

背景技术

水泥基材料会发生体积变化，有自生的，也有外部因素如温度、湿度及荷载导致的。如混凝土强度发展过程中因水化反应的自干燥作用、水分蒸发等引起的体积变化称为混凝土收缩。它是一种与时间相关的变形性质，可在不受外力影响的情况下混凝土体积减少。体积变化是影响水泥基材料长期强度和耐久性的重要因素之一，自收缩是混凝土在与外界水分隔绝的条件下水泥水化反应引起毛细孔负压和内部相对湿度降低而导致的宏观体积的减小，而收缩应力的产生可以认为是体积收缩变形受到一定程度的限制所致。对于实际工程来说，当混凝土所受的收缩拉应力大于此时刻的抗拉强度，混凝土就会开裂。高性能混凝土早期收缩应力主要有自收缩应力、温度应力和干燥收缩应力，其中自收缩应力最为显著。因为高性能混凝土配合比的显著特点是低的水胶比、更多的胶结料以及掺加大量的超细矿物掺料等，快速的自干燥作用导致了高性能混凝土较普通混凝土有更大的体积变化，早期高性能混凝土受到约束包括内部约束和外部约束，约束的存在会导致混凝土内部产生自收缩应力，自收缩应力的大小除了与自收缩应变有关外，还受混凝土力学性能如抗拉强度的影响。

目前自收缩应力的实验评价方法有单轴约束试验、圆环法等，就约束形式而言，轴向约束试验可分为两种形式，一种是端部约束，一种是钢筋内部连续约束。钢筋内约束收缩实验用来模拟钢筋对混凝土收缩的限制，属于不完全约束。当试件长度远远大于横截面尺寸时，可近似地认为只发生轴向收缩，若受到限制,其横截面内将产生均匀分布的拉应力，即收缩应力，试件越细长，轴向约束实现起来越容易，裂缝开展比较充分，实验效果也越好。混凝土收缩应力测定仪中的一种就是基于细长的收缩后混凝土试件被拉力系统拉回到混凝土试件的初始位置，此时系统的拉应力即为混凝土的收缩应力，试验装置复杂，精度要求高。教学中采用轴向约束收缩实验是将成型埋入钢筋的混凝土试件和同样尺寸的自由收缩实验作对比，在钢筋上贴应变片监测约束变形，进而可间接测得约束应力，这种构件受力状态与实际结构相近，不需要特别的加载设备和控制系统，但它仅考虑引入钢筋的约束作用，钢筋的约束作用会提高混凝土试件的拉伸徐变，使测得收缩应力减小，该方法主要用于研究不同配筋率、钢筋直径、钢筋表面形状、粘结长度等对混凝土收缩限制的影响，可以得到不同配筋率和约束率之间的定量关系。

目前，越来越多的高性能混凝土、超高性能水泥基材料应用于实际工程中，它们水胶比低、胶凝材料用量大，其自收缩量是普通混凝土的2～4倍，由于收缩变形造成的开裂的风险大大提高了，为了快速简便确定上述材料的抗裂性能，因此，需要准确、可靠且快速的获取自收缩应力测试装置与方法。高温、常温或负温环境下的水泥基材料的收缩(冻胀)应力难以实现定量检测。总之，由于混凝土体积变形检测精度要求高、自收缩应力检测难度大、效率低、准确度差，导致了在施工前快速评定混凝土收缩应力的试验装置和方法的匮乏，应用高性能水泥基材料的土木工程建设质量受到严重影响，急需得到快速解决。

发明内容

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针对上述问题，本发明公开了一种水泥基材料收缩应力检测装置及其全温度检测方法。

本发明所采用的技术方案为：

一种水泥基材料收缩应力检测装置，包括模具、第一连接件、第二连接件、圆盘式柱体、套管、测力传感器和两组定位钉，所述套管可拆卸连接在模具内，模具的两端分别设置有第一连接件和第二连接件，第二连接件内设置有测力传感器，圆盘式柱体的圆盘端与第一连接件可拆卸连接，圆盘式柱体的柱体端穿过套管与测力传感器的探测端相贴紧，圆盘式柱体的柱体端与套管间隙设置，套管和模具之间填充有混凝土，两组定位钉均设置在混凝土内，两组定位钉中的一组定位钉通过圆盘式柱体***混凝土中，两组定位钉中的另一组定位钉通过模具***混凝土中。

作为优选方案：圆盘式柱体包括圆盘体和钢柱，钢柱的一端固定连接在圆盘体上，钢柱和圆盘体同轴设置。

作为优选方案：模具包括外筒体和底板，外筒体两端的外壁上分别加工有环形凸台，两个环形凸台中一个所述环形凸台与第一连接件可拆卸连接，外筒体的另一端处配合设置有底板，两个环形凸台中另一个所述环形凸台通过底板与第二连接件可拆卸连接，第一连接件为第一法兰，第二连接件为第二法兰。

作为优选方案：外筒体由两个半圆形弧片围合形成，两个半圆形弧片之间可拆卸连接。

作为优选方案：套管的一端通过第一密封圈与圆盘体的端面相贴紧，套管的另一端通过第二密封圈与模具底板的内壁相贴紧。

作为优选方案：测力传感器外套装有限位环。

作为优选方案：测力传感器为圆盘式压力传感器。

作为优选方案：第一连接件上设置有调整螺钉，调整螺钉设置在第一连接件的中心轴线处，调整螺钉外配合设置有摇杆。

一种利用水泥基材料收缩应力检测装置进行的测试方法，其特征在于：所述测试方法包括以下内容：

安装模具：在套管内***一个钢柱，手持钢柱的一端并推动钢柱，直至该钢柱的前端贴靠在第二法兰上时停止推动；

在模具内装入混凝土并插捣，振捣密实后，从套管中取出钢柱；

在第二法兰内设置限位环，限位环内设置有测力传感器，测力传感器通过限位环设置在第二法兰内，确保测力传感器中心轴线与第二法兰中心轴线重合，再将圆盘式柱体的柱体端***套管中直至圆盘式柱体的柱体端贴靠在测力传感器上时停止推动，再将第一法兰安装在模具上；

圆盘式柱体上设置一组定位钉以调整圆盘式柱体在混凝土中的初始位置，同时增强圆盘式柱体和混凝土的连接强度，记录测力传感器的初始读数；

记录不同龄期下测力传感器的读数，减去测力传感器的初始读数，即得到混凝土的常温或高温环境下的自收缩应力。

作为优选方案：将第一法兰和第二法兰从模具分别拆卸下来，依次取出圆盘式柱体、套管和混凝土后，将测力传感器从第二法兰上拆卸下来安装在第一法兰的调整螺钉处，将第二法兰重新安装在模具的一端上，将圆盘式柱体重新放置在模具，确保圆盘式柱体的柱体穿过底板顶紧在第二法兰上，在模具内装入混凝土并插捣，振捣密实后再将带有测力传感器安装在模具的另一端上；

将带有第一法兰、第二法兰、测力传感器和圆盘式柱体的模具放置在低温环境下进行检测，圆盘式柱体上设置一组定位钉以调整圆盘式柱体在混凝土中的初始位置，并增强圆盘式柱体和混凝土的连接强度，同时记录测力传感器的初始读数；

记录不同龄期下测力传感器的读数，减去测力传感器的初始读数，即得到混凝土的负温环境下的冻胀应力。

本发明的有益效果为：

一、本发明通过模具、第一连接件、第二连接件、圆盘式柱体、套管、测力传感器和两组定位钉之间相互配合实现水泥基材料自收缩应力的定量检测，获取方式简单直接，省去繁冗的计算过程，获取水泥基材料自收缩应力的数据更加准确，有利于对水泥基材料抗裂性能作出全面评价。

二、通过本发明的装置能够实现水泥基材料高温、常温或负温环境下的收缩(冻胀)应力检测，实现水泥基材料内部应力的全温度检测过程，有效实现一装置多用的检测效果，检测结果准确可靠。

三、本发明中检测方法具有效率高、操作步骤简单、操作难度低、省时省力的特点。

四、本发明能够适用于工程实验室检测使用，为混凝土配合比的设计提供基础数据。

五、本发明尤其适用于模拟施工现场混凝土的收缩应力检测，根据施工现场混凝土的实际温度，进行实验室的模拟试验，获得更加真实可靠的混凝土的收缩应力值，对预防混凝土的早期开裂、提升工程质量和服役寿命有重要的应用价值。

六、本发明结构设计简单，易组装，制作成本低，检测结构可靠，易于推广使用。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为本发明中测试装置处于水平设置时的主视结构剖面图，图中测试装置用于高温和常温环境下的混凝土收缩应力检测；

图2为本发明中测试装置处于竖直设置时的主视结构剖面图；

图3为本发明中测试装置处于水平设置时的主视结构剖面图，图中测试装置用于负温环境下的混凝土收缩应力检测；

图4为钢柱的主视结构示意图；

图5为本发明进行测试过程中常温混凝土的收缩应力变化的趋势图。

图中标注如下：

1-模具；1-1-外筒体；1-2-底板；1-3-环形凸台；2-第一连接件；3-第二连接件；4-圆盘式柱体；4-1-圆盘体；4-2-柱体；5-套管；6-测力传感器；7-定位钉；8-混凝土；9-第一密封圈；10-第二密封圈；11-钢柱；12-限位环；13-调整螺钉；14-摇杆。

具体实施方式

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为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括模具1、第一连接件2、第二连接件3、圆盘式柱体4、套管5、测力传感器6和两组定位钉7，所述圆盘式柱体4水平设置在模具1内，模具1的两端分别设置有第一连接件2和第二连接件3，第二连接件3内设置有测力传感器6，圆盘式柱体4的圆盘端与第一连接件2可拆卸连接，圆盘式柱体4的柱体端穿过套管5与测力传感器6的探测端相贴紧，圆盘式柱体4的柱体端与套管5间隙设置，套管5和模具1之间填充有混凝土8，两组定位钉7均设置在混凝土8内，两组定位钉7分别设置在圆盘式柱体4和模具1的底板1-2上。

进一步的，模具1为混凝土用的专用模具。

进一步的，模具1的设置位置为水平设置，其两端分别竖直设置有第一连接件2和第二连接件3。

进一步的，每组定位钉7包括多个锚钉。每组定位钉设计为4～6个锚钉，以角度间隔90°或60°均布设置，锚钉用于分别定位圆盘式柱体4和模具1。

进一步的，锚钉替换为螺钉。

进一步的，测力传感器6优选为压力传感器。

进一步的，当测力传感器6为压力传感器时，测力传感器6优选为圆盘式压力传感器。

进一步的，在第二法兰内设置一限位环12，该限位环12辅助将测力传感器6固定在第二法兰端部，使圆盘状的测力传感器6中心轴线与第二法兰端部中心轴线重合。

本实施方式中的检测装置的工作原理如下：

当混凝土8发生自收缩变形时，圆盘式柱体4和模具1就会发生相对位移，圆盘式柱体4沿套管5的长度方向朝向第二连接件3移动，圆盘式柱体4的柱体端与测力传感器6相配合，测力传感器6上显示的读数的变化即为混凝土8的自收缩应力。

具体实施方式二：本实施方式为具体实施方式一的进一步限定，圆盘式柱体4包括圆盘体4-1和柱体4-2，柱体4-2的一端固定连接在圆盘体4-1上，柱体4-2和圆盘体4-1同轴设置。圆盘体4-1外径是柱体4-2外径4～6倍，圆盘体4-1外径端部与模具1间隙配合。

进一步的，圆盘体4-1为轻质高强合金制成的圆盘体。

进一步的，柱体4-2为实心轻质高强合金制成的柱体。

具体实施方式三：本实施方式为具体实施方式一或二的进一步限定，模具1包括外筒体1-1和底板1-2，外筒体1-1两端的外壁上一体设置有两个环形凸台1-3，外筒体1-1两端的外壁上分别加工有环形凸台1-3，两个环形凸台1-3中一个所述环形凸台1-3与第一连接件2可拆卸连接，外筒体1-1的另一端处配合设置有底板1-2，两个环形凸台1-3中另一个所述环形凸台1-3通过底板1-2与第二连接件3可拆卸连接。第一连接件2为第一法兰，第二连接件3为第二法兰。

具体实施方式四：本实施方式为具体实施方式一、二或三的进一步限定，外筒体1-1由两个半圆形弧片围合形成，两个半圆形弧片之间可拆卸连接。本实施方式中外筒体1-1的可拆卸结构便于脱模，在具体操作过程中，由于外筒体1-1两端的外壁上一体设置有环形凸台1-3，所以半圆形弧片为钢制且带凸台的两个半圆弧形片，通过紧固螺钉将两个半圆形弧片组装成一个空心圆柱体，即为外筒体1-1。模具1一端为圆盘式柱体4的圆盘端，另一端为底板1-2，外筒体1-1与底板1-2可拆卸连接，如此设置，方便试验完毕后混凝土8的拆除。

具体实施方式五：本实施方式为具体实施方式一、二、三或四的进一步限定，套管5的一端通过第一密封圈9与圆盘体4-1的端面相贴紧，套管5的另一端通过第二密封圈10与模具1的底板1-2内壁相贴紧，第一密封圈9和第二密封圈10分别粘结在套管5的两端。

具体实施方式六：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四或五的进一步限定，测力传感器6外套装有限位环12。限位环12的设置用于限制测力传感器6的串动，确保测力传感器6的安装位置稳定。

具体实施方式七：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五或六的进一步限定，第一连接件2上设置有调整螺钉13，调整螺钉13设置在第一连接件2的中心轴线处，调整螺钉13外配合设置有摇杆14。调整螺钉13用于调整圆盘式柱体4的初始位置，调整螺钉13配合设置有摇杆14，用于调整螺钉13在第一法兰处的旋进和旋出位置。

具体实施方式八：结合图1、图2、图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式中所述测试方法包括以下内容：

安装模具1：将模具1竖直放置，在套管5内***一个钢柱11，手持钢柱11的一端并推动钢柱11，直至该钢柱11的前端贴靠在第二法兰上时停止推动；钢柱11起到预支作用，为有效填装混凝土8提供条件。钢柱11为圆盘式柱体4中的柱体4-2提供预设位置。

在模具1内装入混凝土8并插捣，振捣密实后，从套管5中取出钢柱11；

在第二法兰的限位环12内安装测力传感器6，再将圆盘式柱体4的柱体端***套管5中直至圆盘式柱体4的柱体端贴靠在测力传感器6上时停止推动，再将第一法兰安装在模具1上；

第一法兰上设置的螺钉12用以调整圆盘式柱体4在混凝土8中的初始位置，同时增强圆盘式柱体4和混凝土的连接强度；

将装有混凝土8的模具1水平放置，记录测力传感器6的初始读数；

记录不同龄期下测力传感器6的读数，减去测力传感器6的初始读数，除以混凝土8的横截面积即得到混凝土8的自收缩应力。

具体实施方式九：本实施方式为具体实施方式八的进一步限定，如图3所示，将第一法兰和第二法兰从模具1分别拆卸下来，取出圆盘式柱体4、套管5和混凝土8后，将测力传感器6从第二法兰上拆卸下来安装在第一法兰的调整螺钉13处，将第二法兰重新安装在模具1的一端上，将圆盘式柱体4重新放置在模具1，确保圆盘式柱体4的柱体4-2穿过底板1-2顶紧在第二法兰上，在模具1内装入混凝土8并插捣，振捣密实后再将带有测力传感器6安装在模具1的另一端上；

将带有第一法兰、第二法兰、测力传感器6和圆盘式柱体4的模具1放置在低温环境下进行检测，圆盘式柱体4上设置一组定位钉7以调整圆盘式柱体4在混凝土8中的初始位置，同时记录测力传感器6的初始读数；

记录不同龄期下测力传感器6的读数，减去测力传感器6的初始读数，除以混凝土8的横截面积即得到混凝土8的负温环境下的冻胀应力。

具体实施方式十：结合图1、图2、图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式中套管5为硬质管体，表面光洁，内外侧刷涂脱模剂减小其与混凝土8的摩擦力，所选用的材料为轻质光面铝合金材料，根据混凝土8的性质、套管5的长度、直径进行调整。

进一步的，套管5长度的取值范围为30～60cm，该长度范围内能够确保检测稳定顺利进行，还能够避免材料的浪费。

进一步的，套管5外径的取值范围为4～5cm。

进一步的，测力传感器6固定安装在第二法兰的内壁上，第二法兰设置有电源的引线出口。

进一步的，第一密封圈9和第二密封圈10分别设置在套管5的两端，第一密封圈9和第二密封圈10均为由弹性高分子材料制成的圈体，优选为橡胶材质制成的密封圈，即为第一橡胶密封圈和第二橡胶密封圈。第一密封圈9和第二密封圈10均起到密封定位的作用。

进一步的，定位钉7固定连接在底板1-2上，定位钉7固定连接在圆盘体4-1上。

进一步的，柱体4-2***在套管5内，二者之间为间隙配合。

进一步的，模具1为圆柱体，便于混凝土8的插捣、填装，内刷涂脱模剂减小其与混凝土8的摩擦力。

进一步的，模具1中外筒体1-1的优选外形为圆筒形，外筒体1-1外径的取值范围为10～20cm，长度为40～80cm。外筒体1-1所选用的材料为轻质高强的铝合金材料。

具体实施方式十一：结合图2说明本实施方式，当检测装置处于竖直状态时，检测时振捣混凝土8的操作更加容易，同时竖直设置的方式还能够减小混凝土8收缩与模具1的摩擦力，更加有利于确保检测装置获取数据的准确性。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

结合本发明中检测装置的有益效果说明以下实施例：

实施例一：

本实施例的混凝土8配合比为C50，水泥用量为380kg/m³、粉煤灰为70kg/m³、砂为712kg/m³、粗骨料1112kg/m³、用水量为166kg/m³，坍落度为180mm，模具1中外筒体1-1的内径为100mm，外径为110mm，套管5的外径为50mm，内径为40mm，底板1-1和圆盘体4-1的厚度为10mm，锚钉的长度为80mm，圆盘体4-1以及底板1-1上分别均匀布置4个锚钉。柱体4-2为钢柱，柱体4-2的外径为35mm，长度为375mm，第一密封圈9和第二密封圈10的外径为50mm，内径为35mm，高度为12.5mm，混凝土8的高度为400mm，混凝土8的断面横截面积为5887.5mm²，体积为235500mm³，重量为5.6kg；

利用本检测装置进行检测方法如下：

步骤一：安装混凝土成型模具：将第一法兰取下，在第二法兰内未预装压力传感器情况下，在套管5内***一柱体4-2，将柱体4-2放在第二法兰内并让柱体4-2底部与第二法兰的上表面接触，起到定位的作用；

步骤二：装入混凝土8，插捣；振捣密实后，取出柱体4-2；在第二法兰内装上压力传感器；

步骤三：在套管5内***圆盘式柱体4，将圆盘式柱体4上的定位钉7***混凝土内，使混凝土的上表面与圆盘式柱体4中的圆盘体4-1紧密结合；装上第一法兰，用调整螺钉13调整圆盘式柱体4的初始位置；

步骤四：记录下压力传感器的初始读数N₀＝8.2kg；

步骤五：混凝土8在11个小时龄期后发生终凝，混凝土8自收缩开始，压力传感器示数开始增加，记录不同龄期下压力传感器的读数N，减去压力传感器的初始读数，除以混凝土的横截面积即为混凝土8的自收缩应力，72小时后，压力传感器的读数趋于最大值166kg，后期增幅不大。混凝土8自收缩产生的力为ΔN＝166-8.2＝157.8kg，除以混凝土8的横截面积即为混凝土8自收缩产生的应力σ＝ΔN/S＝0.26MPa。

因为混凝土8收缩应力越大，实际工程中约束条件下的混凝土8越容易发生开裂。最后对比不同配合比混凝土8的收缩应力的大小，能够在实验室快速简便获取混凝土8的抗裂性能，同时，由于该检测装置可以实时监测混凝土8自收缩应力，即可获知不同混凝土自收缩应力达到最大值的时间，这对实际工程中避免干燥收缩引起开裂，优化养护方案的设计提拱了基础数据。上述过程能够绘制图像更加清晰表达混凝土自收缩应力的演化过程。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。