測量單軸壓縮過程混凝土導(dǎo)熱系數(shù)下降率的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種測量單軸壓縮過程混凝土導(dǎo)熱系數(shù)下降率的裝置，屬于混凝土 建筑技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在大體積混凝土工程領(lǐng)域，水泥的水化熱、外界溫度驟變和結(jié)構(gòu)承受的外荷載均 有可能使混凝土發(fā)生開裂，裂紋的存在導(dǎo)致混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)下降，進(jìn)而影響裂紋的擴(kuò)展。 因此，了解混凝土開裂對導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律，對于熱-力耦合分析，以及防止裂紋的進(jìn)一 步擴(kuò)展是極其重要的。然而，目前人們對損傷混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律并沒有一個(gè)定量 的認(rèn)識，沒有用于研究開裂混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置。為此，結(jié)合混凝土力學(xué)實(shí)驗(yàn)規(guī)程與 混凝土導(dǎo)熱系數(shù)測量規(guī)范要求，本發(fā)明旨在通過試驗(yàn)量測獲得混凝土試件在單軸受壓破裂 過程中導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律。
[0003] 物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的獲取途徑主要有實(shí)驗(yàn)測量、理論推算或數(shù)值模擬等方法，但由于 混凝土的非均質(zhì)性，其導(dǎo)熱系數(shù)離散性較大，目前雖有相關(guān)數(shù)值研究，但仍需實(shí)驗(yàn)測量加以 驗(yàn)證。根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測量原理，其測量方法主要分為瞬態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法兩類。
[0004] 瞬態(tài)法是指在試驗(yàn)過程中，通過測量混凝土試件內(nèi)某點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律和 其他相關(guān)參數(shù)，以確定混凝土試件導(dǎo)熱系數(shù)的方法。瞬態(tài)法雖具有高效、便捷等優(yōu)點(diǎn)，但由 于混凝土在開裂過程中裂紋位置與數(shù)量均不確定，所以該方法并不適用于本發(fā)明。
[0005] 穩(wěn)態(tài)法是最早應(yīng)用的測量方法，該方法普遍適用于混凝土導(dǎo)熱系數(shù)測量，具有可 靠性高、使用方便、測量成本低等優(yōu)點(diǎn)。穩(wěn)態(tài)法的基本原理是：在混凝土試件兩平行表面上 建立均勻溫度邊界，平行面之間的溫度差使得混凝土試件內(nèi)部呈現(xiàn)無限大平板中的一維均 勻熱流密度，即當(dāng)混凝土試件內(nèi)溫度分布達(dá)到穩(wěn)定后，通過測量流過混凝土試件的熱量和 溫度梯度等參數(shù)來確定混凝土試件的導(dǎo)熱系數(shù)。穩(wěn)態(tài)法測量導(dǎo)熱系數(shù)原理可表示為
[0007] 其中，Q為加熱功率，1為混凝土試件厚度（邊長），A為加熱面積，ΔΤ為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下 混凝土試件兩面溫度差。該方法適用于本發(fā)明的原因在于：穩(wěn)態(tài)法無需將溫度傳感器和熱 源深埋在混凝土試件內(nèi)，較好得保留混凝土試件的力學(xué)性能；能夠體現(xiàn)混凝土試件內(nèi)部的 復(fù)雜開裂過程對混凝土導(dǎo)熱性能的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種測量單軸壓縮過程混凝 土導(dǎo)熱系數(shù)下降率的裝置，為了在混凝土試件壓縮破壞過程中測量混凝土試件的導(dǎo)熱系 數(shù)，裝置滿足《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》DL/T5150-2001和《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的 測定防護(hù)熱板法》GB/T 10294-2008對混凝土力學(xué)實(shí)驗(yàn)和導(dǎo)熱系數(shù)測量的要求。
[0009] 技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0010] 一種測量單軸壓縮過程混凝土導(dǎo)熱系數(shù)下降率的裝置，其特征在于：包括支架、絕 熱泡沫板、保溫層、加熱單元、導(dǎo)熱硅膠、制冷單元、壓板、彈簧壓板、支架上框、彈簧；
[0011] 所述支架為用于容納混凝土試件的框架結(jié)構(gòu)，包括矩形底板和四角位置垂直設(shè)置 的支柱，所述支架上框與支架相配合形成完成的立方體框架；混凝土試件放置在支架的中 央，混凝土試件的上表面設(shè)置壓板并通過支架上框固定，混凝土試件與底板、壓板之間分別 墊設(shè)有保溫層；混凝土試件的第一對平行面，其中的一面支柱間從內(nèi)往外依次嵌入加熱單 元和絕熱泡沫板，另一面支柱間從內(nèi)往外依次嵌入導(dǎo)熱硅膠和制冷單元；混凝土試件的第 二對平行面的支柱間分別嵌入絕熱泡沫板；相鄰的支柱兩兩之間固定設(shè)置彈簧壓板，所述 彈簧壓板的兩端分別固定在相鄰的兩個(gè)支柱的同一平面上，彈簧壓板的內(nèi)側(cè)設(shè)置有彈簧， 用于保證混凝土試件表面與四周材料充分接觸。
[0012] 所述導(dǎo)熱硅膠和加熱單元中分別內(nèi)置熱電偶。作為優(yōu)選方案，熱電偶選用PtlOO。
[0013] 作為優(yōu)選方案，所述保溫層為石棉布。
[0014] 所述的測量單軸壓縮過程混凝土導(dǎo)熱系數(shù)下降率的裝置，其特征在于：所述支架 的支柱內(nèi)側(cè)棱邊設(shè)有2mm倒角，以保證支架不會影響混凝土試件自由變形。
[0015] 所述的測量單軸壓縮過程混凝土導(dǎo)熱系數(shù)下降率的裝置，其特征在于：所述支架 和壓板的材質(zhì)為鋼。
[0016] 本發(fā)明還提供一種測量單軸壓縮過程混凝土導(dǎo)熱系數(shù)下降率的方法，采用上述的 測量單軸壓縮過程混凝土導(dǎo)熱系數(shù)下降率的裝置，包括以下步驟：
[0017] 1)測定支架和壓板鋼材的彈性模量E，測量支架底板厚度I1以及壓板厚度1 8;
[0018] 2)取已知導(dǎo)熱系數(shù)混凝土試件，測定裝置的修正系數(shù)B ;
[0019] 3)將混凝土試件置于裝置中，將裝置組裝并置于試驗(yàn)機(jī)托臺上；
[0020] 4)測量未開裂混凝土試件的導(dǎo)熱系數(shù)λ &&;加熱單元和制冷單元穩(wěn)定工作，觀 察熱電偶讀數(shù)，等待溫差穩(wěn)定，讀取功率，功率Ilastl。與溫差Δ !\lastl。；
[0021] 5)測量彈性狀態(tài)混凝土試件的導(dǎo)熱系數(shù)λ &&;啟動萬能試驗(yàn)機(jī)，對鋼制壓板施 加壓縮荷載，力控制施加荷載，荷載值增加至試件標(biāo)號強(qiáng)度的20%，保持荷載；觀察熱電偶 讀數(shù)，等待溫差穩(wěn)定；記錄此時(shí)的荷載F、W elastl。與Δ T elastl。；
[0022] 6)測量壓縮開裂狀態(tài)混凝土試件的導(dǎo)熱系數(shù)使用力控制荷載，以 0. 3MPa/s的速度施加試件標(biāo)號強(qiáng)度的20 %的荷載，隨后保持荷載；觀察熱電偶讀數(shù)，等待 溫差穩(wěn)定；記錄此時(shí)的荷載F、功率溫差反復(fù)本步操作，直至混凝土試件 失去承載能力；同時(shí)，萬能試驗(yàn)機(jī)記錄混凝土試件的單軸壓縮荷載F與位移變形U的曲線；
[0023] 7)數(shù)據(jù)處理：由對應(yīng)荷載下記錄的荷載F、位移變形U可計(jì)算混凝土試件的應(yīng) 力-應(yīng)變關(guān)系
[0024] Q11= F/A (4)
[0025] ε π= [U-σ η/Ε · (I^l8) ]/I (5)
[0026] 式中，σ η和ε η分別為混凝土試件的壓縮應(yīng)力和應(yīng)變；1為立方體混凝土試件邊 長；A為試件的受壓面面積；
[0027] 將記錄的功率W、溫差Δ T代入下式，則可得到混凝土試件在對應(yīng)荷載下的導(dǎo)熱系 數(shù)下降率η
[0029] 有益效果：本發(fā)明提供的一種測量單軸壓縮過程混凝土導(dǎo)熱系數(shù)下降率的裝置， 混凝土試件置于支架內(nèi)受壓縮荷載，同時(shí)加熱單元與制冷單元在混凝土試件兩平面間建立 溫差。支架用于固定混凝土試件與加熱單元、制冷單元、保溫材料、導(dǎo)熱硅膠的相對位置。 混凝土試件受壓后變形，擠壓保溫材料、導(dǎo)熱硅膠、制冷單元和加熱單元，使其向四周外移， 支架的四周支柱用于確定四周材料的移動軌跡，支柱上的彈簧壓板和彈簧提供一個(gè)不影響 力學(xué)實(shí)驗(yàn)的適當(dāng)圍壓，以保證制冷單元（上的導(dǎo)熱硅膠）和加熱單元與混凝土試件表面貼 合，盡量減少接觸熱阻。使用石棉布分別將混凝土試件底部與支架內(nèi)壁面以及頂部與壓塊 隔開，保證混凝土試件與支架隔熱。在混凝土試件承受一定壓縮荷載的情況下，混凝土試件 內(nèi)部混凝土試件熱流密度達(dá)到穩(wěn)態(tài)，溫度在混凝土試件內(nèi)呈一維穩(wěn)定分布。此時(shí)讀取預(yù)先 埋置的熱電偶顯示的溫度數(shù)值和加熱單元的發(fā)熱功率（耗電功率），即可計(jì)算得到壓縮損 傷混凝土試件的導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱硅膠和加熱單元中分別內(nèi)置熱電偶，如此則可保證混凝土 試件完整性，保留其原有的力學(xué)性能。熱電偶選用Ptioo,該型號在測溫領(lǐng)域廣泛使用，具有 高穩(wěn)定性、高精度、小尺寸、對溫度響應(yīng)速度快以及不需要冷端補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。在不影響混凝 土試件單軸壓縮加載的情況下，測量混凝土試件在不同應(yīng)變狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)。本發(fā)明裝 置的特點(diǎn)在于：
[0030] 1、支架以及上框、壓板、彈簧壓板與彈簧等部件為混凝土試件在單軸壓縮過程中 提供導(dǎo)熱系數(shù)測量的熱學(xué)環(huán)境，其尺寸特征在于：依據(jù)水工混凝土實(shí)驗(yàn)規(guī)程，混凝土試件尺 寸為150 X 150 X 150mm3立方體，萬能試驗(yàn)機(jī)托盤為250 X 250mm2正方形，由此確定了支架外 觀尺寸。由于混凝土試件在受力過程中會向四周膨脹變形，支架的支柱內(nèi)側(cè)棱邊設(shè)計(jì)有2_ 倒角，以保證支架不會影響混凝土試件自由變形。支柱外側(cè)制有彈簧壓板以保證制冷單元、 加熱單元與混凝土試件表面充分接觸，在不影響混凝土試件變形的情況下盡量減少接觸熱 阻。在工作中由于支架底板受力，四周支柱將向內(nèi)傾斜，利用支架上框可消除支柱的擾度。
[0031] 2、加熱單元為導(dǎo)熱系數(shù)測量提供均勻穩(wěn)定的熱源，其特征于：使用導(dǎo)熱性能較好 的絕緣硅膠片包裹熱熱絲，與低壓恒定電源和功率采集表串聯(lián)。依據(jù)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)測量 規(guī)范，混凝土試件冷熱面溫差選擇20K，則加熱板功率設(shè)計(jì)為20W。柔軟的硅膠使得混凝土 試件變形后的不規(guī)則表面仍能夠充分受熱。熱單元硅膠夾層內(nèi)預(yù)先埋置熱電偶。
[0032] 3、冷卻單元為混凝土試件的冷面提供穩(wěn)定的溫度，其特征于：制冷方案為水冷，使 用鋁材，制冷功率大于20W，工作時(shí)通以冷卻水。與混凝土試件接觸的冷卻單元一面粘有 4_厚的導(dǎo)熱硅膠片，柔軟的硅膠可較好得貼服變形的混凝土試件表面，同時(shí)保護(hù)冷卻單 元。導(dǎo)熱硅膠片內(nèi)置熱電偶。
【附圖說明】
[0033] 圖1為本發(fā)明裝置的爆炸圖；
[0034] 圖2為本發(fā)明裝置的橫向剖視圖；
[0035] 圖3為本發(fā)明裝置的工作示意圖；
[0036] 圖4為本發(fā)明裝置的熱學(xué)工作示意圖；
[0037] 圖5為四次測量整理結(jié)果；
[0038] 圖中：1、支架；2、絕熱泡沫板；3、石棉布；4、混凝土試件；5、加熱單元；6、導(dǎo)熱硅 膠；7、制冷單元；8、壓板；9、彈簧壓板；10、支架上框；11、螺絲；12、彈簧。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0040] 如圖1和圖2所示，一種測量單軸壓縮過程混凝土導(dǎo)熱系數(shù)下降率的裝置，包括支 架1、絕熱泡沫板2、石棉布3、加熱單元5、導(dǎo)熱硅膠6、制冷單元7、壓板8、彈簧壓板9、支架 上框10、螺絲11、彈簧12 ;
[0041] 支架1放置于試驗(yàn)機(jī)托臺上，混凝土試件4放在支架1的中央，混凝土試件4底部 與支架1接觸面墊石棉布3 ;選擇混凝土試件4的一對平行面，在一側(cè)支柱間嵌入加熱單元 5和絕熱泡沫板2,另一面嵌入導(dǎo)熱硅膠6和制冷單元7,在另一對平行面的支柱間分別嵌入 絕熱泡沫板2。利用螺絲11將彈簧壓板9和彈簧12固定于支架上，將四周材料壓實(shí)，保證 混凝土試件表面與四周材料充分接觸。然后將支架上框10固定以消除支架1受壓后支柱 的擾度。在混凝土試件上依次放入石棉布3和壓板8 ;接著，加熱單元5與電源接通，