预防大面积长尺寸混凝土结构开裂的拆模时间设计方法与流程
1.本发明属于土工工程与计算机科学交叉领域，具体为一种预防大面积长尺寸混凝土结构开裂的拆模时间设计方法。
背景技术：
2.建筑结构与混凝土材料是提高城镇化率的基础，随着建筑行业持续发展，大面积长尺寸混凝土结构屡见不鲜，对带模养护时间的要求也随之变化。混凝土是一种强时间依赖性材料，其性能随时间发展而变化。模板拆除过早易引发温度裂缝、水分散失，降低结构耐久性；模板拆除过晚会阻碍模板周转，限制下步工序开展，大大提高工程成本。
3.目前，工地拆模时间多依靠工程经验，导致拆模时间过早或过晚。申请号为201320404671.5的中国专利介绍了一种用于混凝土模板拆除的温度时间检测装置，通过即时的温时数据判断模板的最佳拆除时间。一般随着温度降低，混凝土抗拉强度增加，温度应力降低，开裂风险减小。但是，混凝土温度裂缝的产生与否取决于同一时刻抗拉强度和温度应力的大小，采用预埋装置监测温度指标判断拆模时间存在准确度低、使用成本高的问题。
4.本技术采用理论与试验结合方法获得混凝土的抗拉强度和温度应力，且无需在现场布置设备，提升了混凝土拆模时间的计算效率和准确度，降低了成本。
技术实现要素：
5.发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种流程简单、参数易获取、计算简单、具有普适性、提高工程质量和经济效益的预防大面积长尺寸混凝土结构开裂的拆模时间设计方法。
6.技术方案：本发明所述的一种预防大面积长尺寸混凝土结构开裂的拆模时间设计方法，包括如下步骤：
7.(a)测定混凝试样土中胶凝材料的水化热，计算得到混凝土热源时变方程；
8.(b)测定混凝土试样的脉冲速度，计算弹性模量，拟合得到混凝土弹性模量时变方程；
9.(c)建立混凝土结构的有限元模型，并在有限元软件中输入相关参数值；
10.(d)计算不同龄期时混凝土结构的温度应力；
11.(e)测定混凝土试样不同龄期的劈裂抗拉强度；
12.(f)比较相同龄期时的抗拉强度和温度应力，当温度应力和抗拉强度的差值首次小于1，对应的龄期为拆模时间。
13.进一步地，步骤(a)中，混凝土热源时变方程为
[0014][0015]
其中，q
total
是单位体积混凝土单位时间的放热量，kj/(m3·
h)；ρ是混凝土密度，kg/m3；hr单位质量混凝土的放热量，j/g；α是水化反应程度，0≤α≤1；t是水化反应时间，h。
[0016]
混凝土水化程度随时间的变化关系为：
[0017][0018]
其中，a是化学亲和力，1/s；ea化学反应活化能，j/mol；r是大气常数，8.314j/(mol
·
k)；t是温度，k；α是水化反应程度，0≤α≤1；t是水化反应时间，h；n是与水泥相关的指数，通常取1～2.5。
[0019]
混凝土试样中胶凝材料的水化热通过等温量热仪测定。混凝土的水化热的计算公式为：
[0020]hr
＝q
cm
·
(m
cement
+m
flyash
+m
slag
+m
other
)/m
concrete
[0021]
其中，hr单位质量混凝土的水化热，j/g；q
cm
为混凝土中胶凝材料的放热总量，j/g；m
cement
单位体积混凝土的水泥质量，kg；m
flyash
单位体积混凝土中的粉煤灰质量，kg；m
slag
单位体积混凝土中的矿粉质量，kg；m
other
单位体积混凝土中的其他掺合料的质量；m
concrete
混凝土单位体积的质量，kg。
[0022]
由水化热的计算公式和单位体积混凝土单位时间的放热量的计算公式推导可以得到混凝土热源时变方程。
[0023]
进一步地，步骤(b)中，混凝土试样的脉冲速度通过超声波测量仪测定。混凝土弹性模量时变方程为
[0024][0025]
其中，v是脉冲速度，m/s；e是弹性模量，kn/mm2；μ是泊松比，取0.2；ρ是混凝土密度，kg/m3，取2400kg/m3。
[0026]
进一步地，步骤(c)中，有限元软件为comsol、abqus和ansys中的一种或多种。相关参数值为厚度、密度、弹性模量、导热系数、比热容、环境温度、混凝土入模温度、混凝土导热系数、比热容、热膨胀系数、泊松比中的一种或多种。劈裂抗拉强度按照gb/t50107-2010方法测得。
[0027]
进一步地，混凝土试样由水、水泥、粉煤灰、矿粉、粗骨料、细骨料和减水剂制得。混凝土试样与混凝土结构的组成、制备方法完全相同。
[0028]
设计原理：混凝土是一种高抗压强度而低抗拉强度的复合材料，其裂缝的产生多为服役过程中抗拉强度小于外界应力。混凝土浇筑后，随着水化的进行温度升高或降低，从而产生温度应力。为减少模板拆除时产生的温度裂缝的几率，可通过计算温度应力和抗拉强度的差值来研判拆模时间。一般认为，当抗拉强度与温度应力的差值小于1时，混凝土的拆模后不开裂的几率大于95％，因此采用该标准研判拆模时间具有最大经济效益。
[0029]
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
[0030]
1、能够实现材料参数和结构设计的耦合，定量计算拆模时间，避免了过早与过晚拆模带来的危害，显著提高工程质量和经济效益；
[0031]
2、设计流程简单，参数易获取，计算简单，具有普适性，可根据工程需要，针对性计算特定结构的拆模时间；
[0032]
3、能够通过改变参数进行大量计算，形成数据库，从而根据现场需要快速选择，极
大节省人力物理，有效提高效率，可用于工程进度规划。
附图说明
[0033]
图1是本发明的流程图；
[0034]
图2是本发明混凝土试样中胶凝材料的水化热的时间发展曲线；
[0035]
图3是本发明混凝土试样的弹性模量测量装置示意图；
[0036]
图4是本发明混凝土试样的弹性模量的时间发展曲线；
[0037]
图5是本发明大面积长尺寸混凝土结构的三维模型图；
[0038]
图6是本发明温度应力与时间的曲线图，其中，a为冬季钢模板，b为夏季钢模板，c为冬季木模板，d为夏季木模板；
[0039]
图7是本发明不同时间的劈裂抗压强度图；
[0040]
图8是本发明不同拆模时间温度应力于抗拉强度的差值。
具体实施方式
[0041]
实施例
[0042]
以南京地区为例，按此设计方法计算，不同类型模板的拆模时间为：采用钢模板时，建议夏季的拆模时间为7d，冬季的拆模时间为9d；采用木模板时，建议夏季的拆模时间为10d，冬季的拆模时间为12d。
[0043]
某工程大面积长尺寸的混凝土长24000mm，高5800mm，厚度800mm，混凝土配合比如下表1所示。
[0044]
表1混凝土配合比(kg/m3)
[0045]
水水泥粉煤灰矿粉粗骨料细骨料减水剂165265557510137775.5
[0046]
在标准条件下(温度：20℃，相对湿度：95％)养护。
[0047]
如图1，一种预防大面积长尺寸混凝土结构开裂的拆模时间设计方法，包括如下步骤：
[0048]
a、通过等温量热仪测定混凝土试样中胶凝材料的水化热，进而计算出混凝土试样在303k和283k时的放热总量q
cm
分别为383j/g和324j/g，如图2所示。将q
cm
值代入公式(1)，计算出hr。其中公式(1)中的其它参数可通过表1获取。
[0049]hr
＝q
cm
·
(m
cement
+m
flyash
+m
slag
+m
other
)/m
concrete
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0050]
其中，hr单位质量混凝土的水化热，j/g；q
cm
混凝土中胶凝材料的放热总量，j/g；m
cement
单位体积混凝土的水泥质量，kg；m
flyash
单位体积混凝土中的粉煤灰质量，kg；m
slag
单位体积混凝土中的矿粉质量，kg；m
other
单位体积混凝土中的其他掺合料的质量；m
concrete
混凝土单位体积的质量，kg。
[0051]
将hr值代入公式(2)，计算出q
total
。
[0052][0053]
其中，q
total
是单位体积混凝土单位时间的放热量，kj/(m3·
h)；ρ是混凝土密度，kg/m3；hr单位质量混凝土的放热量，j/g；α是水化反应程度，0≤α≤1；t是水化反应时间，h。
[0054]
公式(2)中的水化反应程度α随时间的变化可通过公式(3)计算得到。
[0055][0056]
其中，a是化学亲和力，1/s；ea化学反应活化能，j/mol；r是大气常数，8.314j/(mol
·
k)；t是温度，k；α是水化反应程度，0≤α≤1；t是水化反应时间，h；n是与水泥相关的指数，通常取1～2.5。
[0057]
混凝土热源时变方程即为公式(3)。
[0058]
b、使用超声波弹性模量测量仪，利用图3的实验装置可得到混凝土试样的脉冲速度v，依据公式(4)计算出混凝土弹性模量e，得到如图4所示的混凝土试样的弹性模量的时间发展曲线。
[0059][0060]
其中，v是脉冲速度，m/s；e是弹性模量，kn/mm2；μ是泊松比，取0.2；ρ是混凝土密度，kg/m3，取2400kg/m3。
[0061]
c、建立如图5所示的大面积长尺寸混凝土结构的有限元模型，向comsol软件中输入相关参数值，具体模拟计算相关参数如下表2。
[0062]
表2模拟计算相关参数
[0063]
[0064][0065]
d、采用comsol软件计算出混凝土结构不同外界温度、不同时刻、不同模板类型的温度应力p2，如图6所示。由图6可以看出，混凝土的外界温度、模板类型均会影响温度应力的发展。
[0066]
e、按照gb/t50107-2010方法测定混凝土试样不同龄期的劈裂抗拉强度p1，得到图7的柱状图。
[0067]
f、如图8，比较相同龄期时的抗拉强度p1和温度应力p2，当抗拉强度和温度应力的差值首次小于1，即
△
p＝p
2-p1＜1，对应的龄期为拆模时间。
[0068]
本实施例中的有限元软件可以替换为comsol、abqus和ansys中的一种或多种。
技术特征：
1.一种预防大面积长尺寸混凝土结构开裂的拆模时间设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(a)测定混凝土试样中胶凝材料的水化热，计算得到混凝土热源时变方程；(b)测定混凝土试样的脉冲速度，计算弹性模量，拟合得到混凝土弹性模量时变方程；(c)建立混凝土结构的有限元模型，并在有限元软件中输入相关参数值；(d)计算不同龄期时混凝土结构的温度应力；(e)测定混凝土试样不同龄期的劈裂抗拉强度；(f)比较相同龄期时的抗拉强度和温度应力，当温度应力和抗拉强度的差值首次小于1，对应的龄期为拆模时间。2.根据权利要求1所述的一种预防大面积长尺寸混凝土结构开裂的拆模时间设计方法，其特征在于：所述步骤(a)中，混凝土热源时变方程为q
total
是单位体积混凝土单位时间的放热量,kj/(m3·
h)；ρ是混凝土密度，kg/m3；h
r
单位质量混凝土的放热量，j/g；α是水化反应程度，0≤α≤1；t是水化反应时间t。3.根据权利要求1所述的一种预防大面积长尺寸混凝土结构开裂的拆模时间设计方法，其特征在于：所述步骤(a)中，混凝土中胶凝材料的水化热通过等温量热仪测定。4.根据权利要求1所述的一种预防大面积长尺寸混凝土结构开裂的拆模时间设计方法，其特征在于：所述步骤(b)中，混凝土试样的脉冲速度通过超声波测量仪测定。5.根据权利要求1所述的一种预防大面积长尺寸混凝土结构开裂的拆模时间设计方法，其特征在于：所述步骤(b)中，混凝土弹性模量时变方程为其中，v是脉冲速度，m/s；e是弹性模量，kn/mm2；μ是泊松比，取0.2；ρ是混凝土密度，kg/m3，取2400kg/m3。6.根据权利要求1所述的一种预防大面积长尺寸混凝土结构开裂的拆模时间设计方法，其特征在于：所述步骤(c)中，有限元软件为comsol、abqus或ansys中的一种或多种。7.根据权利要求1所述的一种预防大面积长尺寸混凝土结构开裂的拆模时间设计方法，其特征在于：所述步骤(c)中，相关参数值为厚度、密度、弹性模量、导热系数、比热容、环境温度、混凝土入模温度、混凝土导热系数、比热容、热膨胀系数、泊松比中的一种或多种。8.根据权利要求1所述的一种预防大面积长尺寸混凝土结构开裂的拆模时间设计方法，其特征在于：所述步骤(e)中，劈裂抗拉强度按照gb/t50107-2010方法测得。9.根据权利要求1所述的一种预防大面积长尺寸混凝土结构开裂的拆模时间设计方法，其特征在于：所述混凝土试样由水、水泥、粉煤灰、矿粉、粗骨料、细骨料和减水剂制得。10.根据权利要求1所述的一种预防大面积长尺寸混凝土结构开裂的拆模时间设计方法，其特征在于：所述混凝土试样与混凝土结构的组成、制备方法完全相同。
技术总结
本发明公开了一种预防大面积长尺寸混凝土结构开裂的拆模时间设计方法，包括如下步骤：(a)测定混凝土试样中胶凝材料的水化热，计算得到混凝土热源时变方程；(b)测定混凝土试样的脉冲速度，计算弹性模量，拟合得到混凝土弹性模量时变方程；(c)建立混凝土结构的有限元模型，并在有限元软件中输入相关参数值；(d)计算不同龄期时混凝土结构的温度应力；(e)测定混凝土试样不同龄期的劈裂抗拉强度；(f)比较相同龄期时的抗拉强度和温度应力，当抗拉强度和温度应力的差值首次小于1，对应的龄期为拆模时间。本发明能够实现材料参数和结构设计的耦合，定量计算拆模时间，避免了过早与过晚拆模带来的危害，显著提高工程质量和经济效益。益。益。
