温度应力试验机与温度应力实验_林志海

2．温度应力实验研究简介
2.1 温度应力试验机
图 1 Springenschmid 提出的温度应力试验机原理图
图 2 温度应力试验机实物图
图 3 Kovler 研制的单轴收缩约束试验设备
图 4 Kovler 提出的评价早期徐变方法
图 5 温度应力模拟实验设备原理图
图 6 温度应力模拟实验设备实验结果
图 13 国内第一台温度应力试验机
图 14 实验结果示例
图 15 东京大学温度应力试验机设计图
图 16 东京大学温度应力试验机实物图
图 17 侧模和底模分离机构示意图
图 18 侧模和底模分离过程示意图
的实验结果。
2.7 国内第一台温度应力试验机
2002 年本文作者基于 Springenschumid 的设备原型研制出国内第一台温度应力试验 机，如图 13 所示。该设备基本上达到了原型的各项性能指标，实验结果较好，如图 14 所 示，可对混凝土的开裂敏感性进行评价
3．温度应力实验研究方法
图 19 100%约束程度的模拟以及约束应力的测量
图 20 自由变形的模拟与测量
3.1 约束应力的测量
混凝土试件的两端由两个钳状夹头夹紧，可以对试件实际发生的变形进行控制。通过 变形测量系统可以测量试件的实际变形。在整个实验过程中当这个变形达到 0.5 微米，计 算机控制系统根据设定使位移控制系统运行起来， 把这个变形减小并保持在 0.5 微米以内， 如图 17 所示。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。
温度应力试验机与温度应力实验
林志海，覃维祖 （万科企业股份有限公司，清华大学）
[摘要]： 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。 其他试验与仪器则都是把这两者分离的， 即要么是测试材料在实验室里处于新拌或硬化状态且变形不受约 束的性能， 要么是混凝土业已硬化的构件的力学与其他性能测试。 而事实上混凝土自半液半固的塑形状态 向弹塑性转化过程，其温度变化、变形以及所形成的内应力，对其后抵抗外荷载，以及各种收缩变形受约 束产生的应力积累、微裂缝延伸、扩展，很有可能导致混凝土的宏观开裂，都具有重要或决定性作用，在 很大程度上影响混凝土结构耐久性。 因此， 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混凝土结构相关的设计、研究、生产与应用部门的广泛重视。 [关键词]：温度应力试验机，约束应力，温度变形，温度应力，结构性能
21～24
。
2.8 东京大学的温度应力试验机
2004 年本文作者在东京大学研制出新的温度应力试验机，如图 15、图 16 所示。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。在下一节中将对如何使用温度应力试验机进行温度应力实验研究方法 进行介绍。
Springenschmid 于 20 世纪 80 年代提出了温度应力试验机 （TSTM， Temperature-stress testing machine）和温度应力试验方法，通过对混凝土试件的约束程度进行控制，研究各 种因素对约束应力的综合影响，来评价混凝土的开裂敏感性
13，14
。尽管之前也有人提出过
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2.4 Breugel 温度应力试验机
1999 年 Breugel 以 Springenschmid 的 TSTM 原型制造了第二台 TSTM ，如图 7 所示。 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理、轻骨料可有效减小自生收缩等。
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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 。 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
作者简介：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， 0755-25606666 转 81387。
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
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，单纯的升温膨胀比降温收缩要大，混凝土的
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2.5 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 ， 如图 9、图 10 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
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图 11 可变约束试验机
图 12 约束实验中徐变的评价方法
1．问题的提出
混凝土的开裂问题一直是难以解决的问题，混凝土结构物由于开裂的发生而导致内部 钢筋锈蚀也大大影响了其耐久性。如果要实现钢筋混凝土结构物可以耐久使用，必须要首 先克服开裂问题。 可是，到目前为止，还很难说在实际工程中通过采用材料或者工程上的技术去有把握 地避免混凝土开裂的发生。这是因为混凝土固有的材料特性所决定的，即混凝土从浇筑到 凝固的过程当中，各种收缩总要受到约束而产生内部拉应力，这种拉应力通常会大于抗拉 强度，因此开裂很容易发生。 从提高混凝土抗裂性能的角度去避免开裂，需要从控制拉应力入手，因为抗拉强度难 以大幅度提高。与提高抗拉强度相比，控制拉应力会相对容易一些。决定拉应力的因素包 括：约束程度、变形、弹性模量。约束程度是指混凝土自浇筑开始所发生的自由变形受到 限制的程度，即受限制的自由变形与自由变形的百分比。约束程度越大，拉应力也越大。 由于产生开裂的原因既有材料自身的原因，也有结构设计、施工工艺的原因。为了界定开 裂产生的责任，可以定义当约束程度为 100%时混凝土是否有较好的抗裂性能，为材料是否 合格的标准。工程现场混凝土结构物各个部位的约束程度有可能小于或者大于 100%。如果 是后者，则是在外力的作用下是混凝土发生了额外的变形，这种情况可以认为是设计或者 施工的原因。从材料自身属性以及收缩变形受到约束的角度来看可以认为，约束程度在 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
2.2 单轴收缩约束设备
以色列的 Kovler 在 1994 年提出了单轴收缩约束试验设备 ，如图 3 所示。该设备的 试件的尺寸为 40×40×1500 mm，仅能对水泥浆体或水泥砂浆进行实验。由于没有配备温 度控制系统，只能进行常温条件下的实验。因此，该设备不能用于评价混凝土开裂敏感性。 Kovler 的贡献在于他进行了评价混凝土早期徐变的尝试。 该尝试的方法是把在约束实验中 获得的试件复位变形累计起来，形成复位累计变形曲线，然后与自由变形实验获得的自由
大的轴向力；二是试件的截面尺寸增加到 76×76 mm，可对混凝土进行实验。在这台设备 上做了较多的早期徐变评价研究。 由于采用与 Kovler 一样的评价方法， 早期徐变的实验结 果并不准确。
2.6 可变约束试验机
2002 年 Maruyama 基于 Breugel 的 TSTM 研制出可变约会试验机， 原理图如图 11 所示。 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， 过程如图 12 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
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，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实验方法测量，例如混凝土硬化阶段的热膨胀系数由 于不能可靠分离出温度变形和自生收缩变形而难以测量出来；自生收缩由于温度活性的影 响也不能有效测量。因此，如何综合考虑混凝土各种影响因素与约束应力之间的联系，并 进一步可靠评价、 分析混凝土在实际工程中的开裂敏感性， 成为缓解开裂发生的关键问题。2.3 温度应力模 Nhomakorabea实验设备
1998 年 Mizobuchi 提出了温度应力模拟实验设备，用于混凝土开裂敏感性的评价 。 该设备的试件尺寸为 150×150×1000 mm。原理图如图 5 所示，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、中热水泥、膨胀剂、减 缩剂、高炉矿渣的混凝土进行了实验，结果如图 6 所示。成果是证明了低、中热水泥在降 低混凝土在工程中的开裂风险有较好的效果。