超低温试验装置

1.一种超低温试验装置，包括加载试验机和超低温试验炉，加载试验机设有上承台和下承台，其特征在于：所述加载试验机的下承台处设有滑动轨道，滑动轨道上设置滑动小车，所述超低温试验炉固定在滑动小车上；
所述下承台上设有带有球铰和液压千斤顶的刚体块，刚体块置于滑动轨道内；
所述超低温试验炉的顶端和底端分别设有上压头和下压头，所述上、下压头外形均为“凸”字状，上、下压头均有一部分置于超低温试验炉内，一部分置于超低温试验炉外，所述置于超低温试验炉内的压头由不锈钢和树脂玻璃钢组合制成，所述置于超低温试验炉外的压头由树脂玻璃钢制成；
所述超低温试验炉为圆筒状结构，由内向外依次为试验工作室、制冷剂密闭舱、真空层和保温隔热层，所述超低温试验炉的试验工作室内设有量测杆，所述量测杆包括长量测杆和短量测杆；所述长量测杆的上端固定于上压头，下端穿透下压头；所述短量测杆固定于下压头。
2.根据权利要求1所述的超低温试验装置，其特征在于：所述超低温试验炉设有炉支架，炉支架和滑动小车固定连接。
3.根据权利要求1所述的超低温试验装置，其特征在于：所述超低温试验炉内还设有定位装置和安全保护装置，所述定位装置和安全保护装置通过螺孔分别固定安装在上、下压头上。
4.权利要求1-3任一项所述的超低温试验装置的应用，其特征在于：将其用于混凝土超低温受力性能试验。

超低温试验装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种超低温试验装置，特别是涉及一种用于混凝土超低温受力性能试验的试验装置。\n背景技术\n[0002] 液化天然气(LNG)接收站的大型储罐采用预应力混凝土结构，而天然气的液化温度大约为-165℃，在这样的低温作用下，混凝土的受力性能明显不同于常温，特别是其变形性能，随温度的不断降低，还将产生不同的变化规律。显然，LNG储罐的受力性能将受制于混凝土超低温受力性能的变化。\n[0003] 混凝土的低温受力性能一直受到研究者高度的重视，相关的研究也较多，不过大多基于遭受自然环境低温，也即作用的温度不低于-50℃的情况进行探讨。早在上世纪50年代，国外已有学者关注混凝土超低温的受力性能，并进行了这方面的一些研究。近年，随着大型LNG接收站的建造，相关的研究人员又开始关注超低温作用下混凝土的受力性能。\n[0004] 国内有关混凝土低温受力性能研究主要集中于自然环境低温，其温度值多不低于-30℃。已有的研究表明，在温度达到-30℃后，随温度继续降低，其受力性能还将有明显不同于此前的变化规律。显然，国内已有的这些研究成果只能作为参考，不能直接应用到这类储罐结构的设计中去，需专门给出在超低温作用下混凝土的受力性能参数。即使假定国外这方面的研究成果能满足要求，由于混凝土组成材料性能特性具有明显的地方性，不同地区材料浇筑的混凝土，其受力性能特别是其定量方面的特性将有所差异，而且其研究结果还取决于其它许多因素。因此，仅有的一些国外研究成果也只能作为相关研究或设计时参考，不能简单地直接套用。况且，我国目前尚未有涉及到超低温作用下混凝土方面的相关规范或标准，也需结合我国国情和相应的需求给出其研究成果和数据。\n[0005] 超低温试验不同于常规的试验，需要考虑其试验特点专门制作相应的试验装置。\n已有的一些超低温试验装置也多针对特定的或单一的试验内容，难以涵盖超低温混凝土受力性能的试验，且没有考虑或很好地反映和利用超低温下混凝土的受力特性。\n[0006] 目前已有的一些超低温试验装置大概可分两类。一类仅能冷冻试验试件；另一类则可进行降温和加载组合的各种试验工况。如Takashi的低温试验装置(Takashi Miur，The properties of concrete at very low temperatures，Materials and Structures/Materiaux et Constructions，1989，22，243-254)，它由绝热材料等制成的一个封闭箱型空间，试验试件放入其中，通过输入液氮进行降温。该试验装置只能对试验试件进行超低温作用处理，不能满足超低温混凝土等材料受力性能各种试验要求。还有如Naik的低温试验装置(T.R.Naik，Temperature Effects on Concrete，A symposium sponsored by ASTM Committee C-9 on Concrete and Concrete Aggregates，Kansas City，MO，21 June 1983)，该试验装置采用液氮作为冷却剂，由空心钢瓶和内衬绝热材料制成低温容器，由嵌入在冷却室中的热电偶控制温度。冷却装置直接安装于低温容器内壁附近，试件的加载位置在冷却室的顶部和底部。冷却剂液态氮通过冷却装置处多个铜管喷射到炉腔内。该试验装置虽能满足对试验试件进行降温和加载功能要求，但在实施相关的试验工况中存在不少致命缺陷，主要有：(1)冷却剂不是在一个密闭空间里，采用多喷头喷液氮试图使炉腔内温度均匀，喷头易被混凝土试件破坏过程中形成的碎细渣堵住，且试件剧烈的爆裂式破坏也使喷头易毁。可见，这种施加低温方式难以使炉腔内温度均匀(炉腔内温度均匀是试验最为基本的要求)，且这种试验炉难以进行重现和保持反复多次试验(混凝土等材料低温试验需进行大量且重复性的试验，试验条件的可重复性和能经受超低温试验多次冲击作用是其试验装置的必备条件)，不能很好地满足超低温混凝土受力性能试验要求。(2)超低温混凝土强度较高、刚度大，而绝热材料虽可寻找出具有较高强度性能的，但其刚度和硬度都较差，在试验过程中不能始终对试件提供较为均匀的应力作用，特别是混凝土试件即将破坏时由其影响更明显。压头采用钢材，其传热快，不仅消耗低温能源，还使试验试件端部温度明显低于其它处、稍长时间在超低温试验炉口处将起霜结冰，同时还将出现锈蚀现象。这些都将严重地影响试验试件超低温受力性能试验结果，甚至使有些超低温试验工况无法实施。(3)由于超低温试验炉的炉腔内要放置下压头、试件与下压头间的绝热块、上压头和试件与上压头间的绝热块，其试验试件定位必然存在问题、且难以定位，并且不可避免地存在试验试件偏心问题。这将改变试验试件的受力条件，严重影响其试验结果，甚至改变试验试件的破坏形态，显然这种处理方法不妥。(4)该试验装置的试验试件轴向变形通过量测上下压头间的变形获得，这显然不可取。它的量测结果还要包括下压头、试件与下压头间绝热块、上压头和试件与上压头间绝热块的变形以及它们间缝隙密实引起的变形。而这些变形多不能可靠地给出，如上下压头的变形，因沿其竖向的温度分布不均匀、且难以测定，准确地给出其变形基本上不可能。同时这些变形多与超低温混凝土试件的竖向变形量级相当，不能忽略。\n因此，这种试验试件超低温变形量测方法给出的变形值不能反映超低温混凝土受力情况。\n发明内容\n[0007] 本发明要解决的技术问题是，提供一种能方便地将超低温试验炉移进或移出加载试验机，并且能准确且可重复性地进行超低温状态下混凝土受力性能试验的试验装置。\n[0008] 为达上述目的，本发明一种超低温试验装置，包括加载试验机和超低温试验炉，加载试验机设有上承台和下承台，所述加载试验机的下承台处设有滑动轨道，滑动轨道上设置滑动小车，所述超低温试验炉固定在滑动小车上，便于所述超低温试验炉就位于加载试验机指定位置和沿滑动轨道移出加载试验机进行各种试验操作。\n[0009] 本发明的超低温试验装置，其中所述下承台上设有带有球铰和液压千斤顶的刚体块，该刚体块提供一个均匀受压的加载面，球铰是为了对试件施加一个轴心受压荷载。刚体块置于滑动轨道内、可与滑动小车面接触或分离，便于试验人员进行各种操作。\n[0010] 本发明超低温试验装置，其中所述超低温试验炉的顶端和底端分别设有上压头和下压头，所述上、下压头外形均为“凸”字状，上、下压头一部分置于超低温试验炉内，一部分置于超低温试验炉外。所述置于超低温试验炉内的压头由不锈钢和树脂玻璃钢组合制成，即置于超低温试验炉内的压头有两层结构组成，靠近炉内筒的部分由不锈钢制成，另一层由树脂玻璃钢制成；所述置于超低温试验炉外的压头完全由树脂玻璃钢制成，树脂玻璃钢为一种玻璃纤维与树脂的复合材料，如环氧树脂玻璃钢、聚酯树脂玻璃钢、酚醛树脂玻璃钢等，具有质量轻、强度高、近于绝热的特点，市场有售，可根据上下压头对其性能要求任选一种。即，上下压头是这样的结构，其外形为“凸”字状，由两层不同材料组合制成，靠近试验炉内筒部分的一层由不锈钢制成，另一层完全由树脂玻璃钢制成，不锈钢层和树脂玻璃钢层之间优选用树脂加螺栓连接，不锈钢层和部分树脂玻璃钢层置于超低温试验炉内，其余部分置于超低温试验炉外。\n[0011] 本发明超低温试验装置，其中所述超低温试验炉为圆筒状结构，由内向外依次为试验工作室(内筒部分)、制冷剂密闭舱、真空层和保温隔热层，将具有常规形状的混凝土试件(如立方体、棱柱体、圆柱体或圆筒体等)置于试验工作室内上、下压头间进行受力性能试验。\n[0012] 本发明超低温试验装置，其中所述超低温试验炉的试验工作室内设有量测杆，所述量测杆包括长量测杆和短量测杆，其中长量测杆的上端固定于上压头，下端穿透下压头；\n短量测杆位于长量测杆的旁侧，并固定于下压头，其形状和长量测杆在下压头处的形状一致。超低温环境下试验试件的变形通过量测杆从下压头处引出炉外由常规仪表进行量测，所述长量测杆、短量测杆以及外连的仪表组成变形量测装置，量测杆和仪表为本领域现有设备。\n[0013] 本发明超低温试验装置，其中所述超低温试验炉内还设有定位装置和安全保护装置，所述定位装置和安全保护装置通过螺孔分别固定安装在上、下压头上，所述定位装置，属于本领域现有设备。超低温混凝土等材料试验时都会出现爆裂式破坏，且会施加百吨以上的荷载，破坏时将积蓄较大的能量，因此为了试验的安全，必须对试验装置设置安全保护装置，该安全保护装置是一种厚壁紫铜筒，附着在制冷剂密闭仓内侧，具有耐冲击、耐腐蚀和导热快的特性，也是本领域现有设备。\n[0014] 本发明超低温试验装置，其中所述超低温试验炉还设有炉支架，炉支架和滑动小车固定连接。\n[0015] 本发明超低温试验装置，其中所述的加载试验机为本领域现有设备，其设有螺纹丝杠、上承台、下承台，上承台直接与上压头接触，下承台则通过滑动小车对下压头施加荷载。\n[0016] 本发明超低温试验装置，优选制冷剂为液氮，液氮的温度约为-196℃，可满足混凝土结构目前可能遭受的最低温度。液氮制冷剂贮存于具有自动升压防爆等功能贮存罐(现有设备)内，由真空管连于超低温试验炉的制冷剂密闭仓，通过具有智能编程功能的控制装置(本领域现有设备)，控制制冷剂输入的量和速度，从而达到试验所需要的各种超低温变化情况。\n[0017] 本发明上述超低温试验装置的应用，将其用于混凝土超低温受力性能试验中，对混凝土超低温状态(如低于天然气的液化温度-165℃，该试验装置的温度范围可从常温至-196℃，该最低温度值一般取决于制冷剂，如采用液氮做制冷剂，则可达-196℃。此外，该最低温度值还取决于试验炉和上下压头等设备的设定参数)的受力性能进行试验。所述受力性能取决于不同实际工程结构对混凝土低温性能要求，如：正常情况下各种低温值对应的强度，不同降温速率下的强度，各种反复降温(冻融)的强度；各种低温下的膨胀变形、弹性模量、应力应变关系，以及给定低温和应力各途径下的受力性能等。\n[0018] 本发明与现有技术相比具有如下优点：\n[0019] (1)本发明将超低温试验炉非固定于加载试验机上，即加载试验机的下承台处设有滑动轨道，能方便地将超低温试验炉移进或移出加载试验机，并且准确地就位于试验机加载位置，降低了操作过程中的不确定性，提高了试验测试结果的准确性。\n[0020] (2)本试验装置的压头和以往单一材料制成的压头不同，其设有两部分结构，置于超低温试验炉内的压头由不锈钢和树脂玻璃钢组合制成，置于超低温试验炉外的压头则完全由树脂玻璃钢制成。它满足超低温下材料尤其是混凝土等强度和刚度较大的材料受力性能试验要求压头必须具备的特点：①强度和刚度要远大于试验试件。②耐久性好。在经常性超低温至常温循环作用下，其受力性能变化很小，由此对试验结果的影响忽略不计，且其表面不因低温作用而锈蚀。③近似于绝热体，能阻断热源的传递，使试验炉内试验工作室和上下压头外部的环境易于实现预定的试验要求。④便于与各种试验装置如试验安全保护装置、变形量测装置和试件自动定位装置等牢靠地连接。⑤质量轻，便于试验操作和试验人员的操作安全，由于试验人员接触压头为其树脂玻璃钢部分，因其低温绝热性能，确保了试验人员避免遭受可能的超低温灼伤事件发生。\n[0021] (3)采取密闭制冷剂仓可较好地确保试验炉内试件处于均匀的预定低温环境中，且能对试验炉内试验工作室低温工况进行预设，克服试验过程中试验炉内试验工作室直接充制冷剂导致的温度不能较为精确控制问题。\n[0022] (4)超低温试验炉内还设有定位装置、安全保护装置和变形量测装置，方便地确定试验试件在上下压头间的位置，保护超低温试验炉及其炉内装置免受试验试件爆裂式破坏损坏，方便准确地测量试件变形量，使试验可以重复进行，保证量测结果的准确。\n[0023] 下面结合附图对本发明的超低温试验装置作进一步说明。\n附图说明\n[0024] 图1为本发明超低温试验装置，非试验状态下的结构示意图；\n[0025] 图2为本发明超低温试验装置，下承台处结构示意图；\n[0026] 图3为本发明超低温试验装置中超低温试验炉的结构示意图；\n[0027] 图4为超低温试验炉中上压头或下压头的结构示意图；\n[0028] 图5为超低温试验炉中上压头或下压头各螺孔位置分布示意图；\n[0029] 图6为不同低温下混凝土应力应变关系曲线图。\n[0030] 附图标记说明：1-加载试验机；2-超低温试验炉；3-上压头；4-下压头；5-试验工作室；6-制冷剂密封舱；7-真空层；8-保温隔热层；9-不锈钢；10-树脂玻璃钢；11-把手；12滑动轨道；13-试验试件；14-滑动小车；15-上承台；16-丝杠；17-长量测杆；18-液压千斤顶；19-炉支架；20-螺栓；22-定位装置连接螺孔；23-安全保护装置连接螺孔；\n24-量测杆连接螺孔；25-下承台；26-刚体块。\n具体实施方式\n[0031] 以下结合附图和实施例，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。\n[0032] 如图1至图3所示，本发明超低温试验装置，包括加载试验机1和超低温试验炉2，加载试验机1设有上承台15和下承台25，下承台25上设有带球铰和液压千斤顶18的刚体块26，下承台25处设有滑动轨道12，刚体块26置于滑动轨道12内，刚体块26可与滑动小车14面接触或分离，滑动轨道12上设置有滑动小车14，超低温试验炉2通过炉支架19固定在滑动小车14上，同时炉支架还为量测仪表提供安置空间。\n[0033] 如图3和图4所示，超低温试验炉2为圆筒状结构，其顶端和底端分别设有外形为“凸”字形的上压头3和下压头4，上、下压头3、4一部分置于超低温试验炉2内，一部分置于超低温试验炉2外，其中置于超低温试验炉内的压头由不锈钢9和树脂玻璃钢10组合制成，置于超低温试验炉外的压头则完全由树脂玻璃钢10制成。该超低温试验炉2由内向外依次为试验工作室5、制冷剂密闭舱6、真空层7和保温隔热层8，其中试验工作室由传热性能很好、且具有较强的抗试件破坏产生的冲击力作用的紫铜材料制成；制冷剂密闭仓为圆筒状，厚50mm，由不锈钢制成，仓内填充液氮；真空层环绕制冷剂密闭仓，厚20mm，也由不锈钢制成；保温隔热层环绕真空层，厚40mm，由普通的绝热材料填充。试验工作室5内设有量测杆和试验试件13，量测杆包括长量测杆17和短量测杆，如图3所示，其中长量测杆17的上端固定于上压头3，下端穿透下压头4，短量测杆位于长量测杆17的后侧(图中未标出)，短量测杆固定于下压头4，其形状和长量测杆在下压头处的形状一致。上压头3上还设有把手11，方便上压头3试验开始前放入和结束后取出。\n[0034] 如图4和图5所示，上、下压头3、4的不锈钢9和树脂玻璃钢10之间用树脂粘结后再用螺栓20固定，如图5所示，上、下压头3、4直接与试件接触面部分设有多个螺孔，分别为安装定位装置的定位装置连接螺孔22、安装保护装置的保护装置连接螺孔23、安装量测杆的量测杆连接螺孔24。即，超低温试验炉2内还设有自动定位装置和安全保护装置(图中未标出)，上述装置为本领域现有设备，如可由清华大学土木工程系高低温混凝土受力性能研究组提供，安装调试后即可使用。\n[0035] 试验时，首先将超低温试验炉2通过滑动小车14移出加载试验机1。先在试验炉\n2的底端安装下压头，再将棱柱体状的试验试件13(其形状也可为圆柱体或圆筒体，其尺寸可根据试验要求改变，但最大截面尺寸不得大于超低温试验炉2的试验工作室5相应的尺寸)由超低温试验炉2上口放入炉内。将定位装置、变形量测杆和安全保护装置通过相应的螺孔安装在上压头3上，将该上压头3固定安装在超低温试验炉2的顶端，此时试验试件\n13将由定位装置导向自动对中，使其处于试验炉内下压头的轴心受力位置。\n[0036] 将超低温试验炉2推至加载试验机1内，使下承台25上的刚体块26和滑动小车\n14上超低温试验炉2的下压头4对应，此时试验试件13将正好位于加载位置，不需要专门地进行对中，即滑动轨道12的长度、下承台25、刚体块26的位置等的设计，使试验试件13正好位于加载试验机1的加载位置。安装超低温试验炉外仪表，该仪表市场有售(一般变形量测生产公司均有，如金坛市先飞电子工程仪器厂、丹阳市龙宇土木工程仪器厂、长沙翔昊电子科技有限公司、深圳市米朗科技有限公司等)，仪表和量测杆连接，并和具有采集软件计算机的智能数据采集板(如可购自湖南五舟检测科技有限公司、英国输力强仪器公司、陕西西安达泰电子有限责任公司等)连接，同时开启制冷剂贮存罐(如可购自上海隆拓仪器设备有限公司、四川亚西低温设备公司、深圳超杰实验仪器有限公司、君方科仪科技发展有限公司等)闸门，启动具有智能编程功能的控制装置(如可购自北京东胜亚电气技术有限公司、洛阳西菱自动化设备有限公司、深圳市川本斯特制冷设备有限公司等)，并根据试验要求进行相应的设置，进行试验装置各部分预检无问题后，根据试验要求的工况进行降温和加载，并通过计算机实时地采集、显示、监控和存储数据。\n[0037] 混凝土试件降温和加载试验结束后，关闭制冷剂贮存罐闸门和具有智能编程功能的控制装置，将试验炉通过滑动小车移出加载试验机，拆除量测仪表，取出上压头，对试验试件破坏状态进行拍照，然后用专用的低温防护手套从超低温试验炉中取出破坏试件。\n[0038] 试验例：混凝土低温应力应变关系试验\n[0039] 试验 试件 材 料为 混凝 土，强度 等级C60，其 形状 为棱 柱 体，尺 寸\n100mm×100mm×300mm。首先将试验试件放入试验炉中，再安置上压头，此时试验试件自动就位于试验炉上下压头指定位置，然后推试验炉至加载试验机中。接着安装仪表、连于智能数据采集板和计算机，并将试验炉用输液氮真空管连于贮液氮罐，检查试验装置各设备或部件，之后先后开启输液氮阀和其智能编程控制装置。当试验试件达到指定降温值(如-40℃、-80℃、-120℃和-180℃等)、并保持该温度值48小时后对试验试件进行加载至试件破坏，同时采集整个加载过程中的加载值和试件变形的变化值。图6为试验过程中记录的各低温工况下C60混凝土的应力应变关系曲线，可看出，尽管常温受力性能均相同的试验试件，不同的低温作用工况下的应力应变关系曲线也是不同的；本发明试验装置能够准确且可重复在低温状态下对混凝土进行受力性能试验。对试验试件破坏状态进行拍照，温度较低时试验试件破坏均具有剧烈的爆裂声、且呈碎状，但试件上下受压端仍呈锥体状，这表明试件对中较好，可知试验试件为轴心受压。试验试件残渣置于室温20分钟后，由于试件残渣内部低温外泄使其表面起较厚的霜。\n[0040] 以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。