温度应力试验机与温度应力实验

时间:2017-7-8 9:41:00 来源:本网 添加人:admin

  1:林志海,男,1975年3月,资深专业经理,深圳市盐田区大梅沙环梅路33号,518083,100%时是最不利的情况。

  另外一个决定拉应力大小的因素是变形,通常混凝土的变形种类有温度变形、自生收缩、干燥收缩,在添加膨胀剂的情况下还有膨胀变形。由于混凝土的热膨胀系数在硬化阶段由一个较大的数值降到一个较小的数值IMi,单纯的升温膨胀比降温收缩要大,混凝土的整体温度变形是呈膨胀的。自生收缩是混凝土水化反应及内部自干燥所引起的固有收缩7.干燥收缩是混凝土内部未水化水分蒸发引起的毛细吸力所引起的体积收缩。这些收缩所叠加起来的变形受到约束时,就会产生应力,收缩越大,拉应力也越大。

  还有一个决定拉应力大小的因素是弹性模量。可以认为,当混凝土的弹性模量越大,引起的约束应力也越大。虽然前面所说到了升温膨胀会比降温收缩大,但是由于混凝土的弹性模量在硬化过程中从零发展到一定的数值,也就是在升温阶段的模量比降温阶段的模量要小很多,因此对应单纯的温度变形所产生的应力是拉应力。再叠加上自生收缩和干燥收缩的影响,混凝土在工程中表现出的材料特性呈现为容易开裂。

  需要指出的是,混凝土还有一个重要的材料性质是应力松弛作用8~,也就是所发生的自由变形中,有一部分的变形会由于徐变的作用而使应力发生松弛,这部分变形就是徐变变形,另一部分能产生应力的变形为弹性变形,当这部分变形受到约束,就会产生应力,并且与弹性模量成正比。

  为了克服开裂问题,就需要在最不利的约束程度条件下,对混凝土的变形、弹性模量和徐变等因素进行深入的研究,掌握这些因素对应力的影响规律,从而找出通过控制某个或某些因素来减小拉应力的方法来降低开裂的可能性。由于混凝土的约束应力是由上述众多因素所综合决定的,仅研究其中的单个因素并不能有效找到该因素与约束应力的直接关系。在工程当中,受环境温湿度条件的影响各种因素的变化是复杂的,根据各种因素从实验室试验中获得的在固定条件下出现的变化规律,并不能准确分析出混凝土结构物内应力的大小。另外,有一些因素是难以用。该设备的试件尺、为15(kimX150mmX 1500mm,n对使用常用大小粗骨料的混凝土进行试验。

  温度应力试验机实物图Springenschmid提出的温度应力试验机原理图Kovler研制的单轴收缩约束试验设备Kovler提出的评价早期徐变方法温度应力模拟。该设备的试件的尺寸为40mmX40mmX1500mm,仅能对水泥浆体或水泥砂浆进行。在后来的很多年里有不少科研人员采用了该方法用于毕期徐变研究。需要指出的是,Fll于复位累计变形曲线受设备的刚度的影响,在不同设备上获得的结果不能直接相互比较。

  2.3温度应力模拟,性能与Springschmid的温度应力试验机相似。Mizobuchi在该设备上对分别使用低热水泥、屮热水泥、膨胀剂、减缩剂、高炉矿渣的混凝土进行了。成果是证明了低、屮热水泥在降低混凝土在工程中的开裂风险有较好的效果。

  2.4Breuge丨温度应力试验机以Springenschmid的TSTM原型制造了第二台TSTM17,如所小。两者在设计上有一些区别,Breugel的TSTM采用了液压位移控制系统并取消了温度控制系统。采用液压位移控制系统可以提供更大的轴向力,可用于带有钢筋的试件的研究。取消温控系统是因为Breugel用数学模型的方式对温度活性的影响进行考虑。在该设备上产生了不少成果,如钢筋对混凝土开裂的抑制机现、轻骨料可有效减小自生收缩等。

  Lange单轴收缩约束设备2001年Altoubat和Lange基于Kovler的设备原型设计了第二台单轴收缩约束设备'如、0所示。这台设备上有两个改进,一是采用了液压位移控制系统,可以提供更大的轴14力;二是试件的截面尺、增加到76画X76mm,可对混凝土进行。

  在该设备上的研究主要集中在高强混凝土、膨胀混凝土和早期徐变评价。在这台设备上早期徐变的评价方法源于Kovler的方法,但是有很大的不同。其方法是:在每次试件的变形达到复位限值以前,轴向约束力保持恒定,然后直接测量在恒定荷载下试件的徐变变形,把这些两次复位变形之间的细小徐变变形累计起来,即为早期徐变变形,过程如2所示。

  可是,由于受传感器精度的限制,对细小徐变的测量的误差很大,因此未能得出较为精确的。在以往的约束设备中,试件与底模或者侧模都是接触的,因此在混凝土硬化阶段早期,模板的摩擦力的影响较大,不利于约束应力的测量。在这台温度应力试验机上,侧模和底模可以通过机械机构与试件脱离。另外,为了避免试件与底模脱离后在自重的影响下出现挠曲,在试件的底部均匀分布三个滑动支点。在有效消除模板对试件的摩擦力后,使测量试件的弹性模量成为可能。在下一节屮将对如何使用温度应力试验机进行温度应力。可以认为,在这种状态下试件的约束程度为100%.与此同时所测量出的应力即为约束应力。

  3.2自由变形的测量与上述。这样一直保持试件的约束应力为一个很小的值,就可以把自由变形的发展全过程测量出来。这种方法可以克服用应变片测量试件变形时必须从具有一定硬度之后才能开始的弊端。

  3.3弹性模量的测量温度应力试验机在测量约束应力或自由变形的过程3中,可以测量弹性模量。其原理是每间隔一个固定的时间如1小时,在很短的时间内如数分钟内11计算机控制系统驱使位移控制系统作用改变试件的变形约20微米,记录相应的应力变化后调整试件的变形回复原来的数值,如1、22所示。根据变形与应力的变化值即可计算该时点的弹性模量。如此在整个。

  3弹性模量的测量与数学描述结果3.4热膨胀系数的确定热膨胀系数虽然不能准确测量,但是根椐过去的研究结果,还是可以看到热膨胀系数的大致发展过程。可以认为,混凝土在硬化过程屮热膨胀系数发生了质的变化,因为混凝土在硬化以前呈现液态,在硬化以后呈现固态。I于水的热膨胀系数较大,因此混凝土的热膨胀系数在液态时较大,而在固态时则较小。在这个研究屮,可以通过三个步骤确定热膨胀系数的数学描述。首先,通过以下公式计算混凝土在液态时的热膨胀系数:K中,是混凝土液态热膨胀系数,60是水的热膨胀系数,是水泥浆的体积比率,是骨料热膨胀系数,G是骨料的体积比率。

  然后,测量混凝土硬化后的热膨胀系数;最后,根据弹性模量的发展过程描述热膨胀系数的发展过程。热弹性模量的数学描述结果如4所示。

  3.5各种变形的分离在确定热膨胀系数后,可以计算温度变形。用温度变形和自ih变形做比较,K差值即为非温度变形,包括自生收缩和干燥收缩。如果在实验屮采取措施防止试件内部水分的蒸发,非温度变形即为自生收缩。把混凝土的变形进行分离的目的在于研究在温度下降阶段温度收缩是否可以被有效补偿。变形分离的示例如5、26所似乎。

  5普通混凝土在低温升条件下的各种变形6普通混凝土在高温升条件下的各种变形3.6徐变的评价尽管Kolver提出了评价混凝土早期徐变的方法,但是这个方法是存在缺陷的。因为累计复位变形是受设备刚度影响的,设备刚度越大,这个变形就越小,评价出的徐变就越大。

  为了正确评价混凝土早去徐变,可以应用以下方法。用测得的自(tl变形和弹性模量计算出不存在徐变影响的理论应力,然后与约束应力进行比较,其差值即为徐变作用所消减的松弛应力,既通过松弛应力评价早期徐变的影响。7、28是轻骨料膨胀混凝土在低、高温升条件下的早期徐变评价结果。

  7轻骨料膨胀混凝土在低温升条件下8轻骨料膨胀混凝土在高温升条件下的早期徐变的早期徐变4讨论与总结目前结构分析屮经常应用有限元分析技术,在计算前需要输入混凝土材料的许多M性参数,如热膨胀系数、弹性模量、徐变系数等。通常这些参数都是以常量的形式输入,在受力计算及抗震分析屮基本上以达到要求,比如在最不利地震、风荷载作用下计算出结构物内部的应力与应变分布,检查其最大应力与应变是否超出设计的允许应力与应变要求。

  但是在极用有限儿分析技术进行混凝土结构物的耐久性分析,也就是常见的开裂敏感性分析屮,这些参数以常量的形式则显得过于粗糙,无法真实反映混凝土材料与结构行为表现的有机结合,也即无法准确分析出开裂的风险。

  结构分析与开裂分析的区别主要在于,前者处理的材料M性为钢筋混凝土的整体表现,其拉Hi应力的特性都远远不同于素混凝土,后者处邱的材料M性主要表现为局部素混凝土的内部拉应力与抗拉强度。这种区别决定了两种分析1丨1有限兀单元的划分尺度的不N,在结构分析屮,单元的尺度要足够的大,使单元内混凝土与钢筋两种不同材料可以视为合成一种材料来处理;而在裂分析中,单儿的尺度要足够的小,即单元要小于素混凝土与钢筋,要把两种材料分开处理。因此,在应用有限元技术进行开裂分析时,必须对混凝土的材料性质有足够的了解,把可以精确描述热膨胀系数、弹性模量、徐变等因素的数学表达,输入计算模型屮,可以给出任一时刻、任一条件下的可靠参数,才能获得有用的结果。

  如果开裂分析可以可靠地完成,那么结合结构分析的结果,钢筋混凝土结构物才能在结构性能以及耐久性能上可以满足让业主、设计人员以及施工人员的要求。

  一直以来,在实验室里对混凝土材料的研究基木上都是针对单个因素进行,很少考虑各种因素的相互影响以及对结构物耐久性能的综合影响。在材料角度,首先以选择水泥为例,目前以水化热高低作为评价指标的方法,是并不合适的,因为混凝土水化温升大小其实更取决于发热速率;况且水化热试验是20度恒温下测试7天得到结果,而受混凝土温升影响,在较高温度下,中热水泥的水化热就未必低于普通水泥了。用温度应力试验机可以综合许多参数的影响评价出使混凝土开裂温度较低的水泥,使其开裂敏感性显著减小。

  可以认为,到目前为止在开裂敏感度评价上最为有效的实验设备和研究方法是温度应力试验机和温度应力实验方法。这种研究方法可以考虑各种因素对约束应力的综合影响,并同时分析各种因素影响过程中所起到的作用以及相互影响。首先,这种研究方法可以通过约束应力、开裂温度等参数直接评价混凝土的抗裂性能或开裂敏感性;其次,这种研究方法可以对弹性模量、热膨胀系数、徐变等以测量与数学分析相结合的方法进行准确的数学描述,从而使可靠的有限元开裂分析成为可能。在可靠的开裂分析实现之后,才能在材料设计、结构设计、施工上采取各种各样的方法进行改良与优化,在经开裂分析确认后,可使开裂敏感性降低;还有,这种研究方法通过实验直接检验膨胀剂、轻骨料、减缩剂、纤维等材料对开裂敏感性的影响,可以为混凝土抗裂性能的提高提供一种可靠的检测工具。

  温度应力实验研究方法通过以上三个途径使缓解甚至解决工程现场的开裂问题成为可能。

  可以说,温度应力试验机是将混凝土材料与其在结构表现相互桥接、联系起来的现今唯一的试验设备。温度应力试验机以及相关实验方法把混凝土材料与结构行为的表现联系起来的这种效能应该引起我们的广泛重视。

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