拉应力与环境共同作用下混凝土多因素耐久性实验装置

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技术领域\n本发明涉及的是一种混凝土在拉应力与环境共同作用下多因素耐久性实验方法及装置，属于混凝土耐久性测试技术。主要用于建筑、桥梁、水利和交通等领域。\n背景技术\n半个世纪以来，混凝土结构由于耐久性不足而导致混凝土结构过早失效破坏、寿命缩短的事故却不断增多，尤其是大坝、道路、桥梁、港口等重大工程以及高层建筑物未达到设计年限就破坏的事故时有发生造成巨大经济损失和人员伤亡。中国工程院调研报告显示，在中国由于钢筋锈蚀引起混凝土结构的直接经济损失高达1000亿元/年。虽然有关混凝土耐久性的研究已有几十年，但研究工作多是考虑单一环境破坏因素作用下的耐久性；然而实事上，实际工程混凝土的耐久性应该是在应力与不同环境共同作用下运行的，单一因素作用下的耐久性研究难以真实地反映客观实际，混凝土的耐久性是多因素，至少是双因素共同作用的结果。另外，混凝土内部损伤劣化程度也决不是各破坏因素单独作用引起损伤的简单加和值，而是诸因素相互影响、交互叠加。通常多重破坏因素作用下混凝土的劣化程度大于各损伤因素单独作用下引起损伤的总和，即产生1+1＞2、1+2＞3的损伤叠加规律和超叠加效应，导致混凝土工程性能快速降低和寿命缩短。因此，根据工程实际中混凝土所处环境、气候和荷载情况，将影响耐久性的主要因素进行合理组合，系统开展双重或多重破坏因素作用下混凝土耐久性研究，量化因素与因素间的交互作用，是当前混凝土学科的重大科学技术与理论难题，目前已引起国际学术界广泛和高度重视，其研究成果将对混凝土结构耐久性设计及其寿命预测产生重大影响。\n研究混凝土在双重和多重破坏因素作用下的耐久性问题，首要任务就是要建立能够进行同时考虑2个或以上破坏因素的试验方法体系。考虑到在实际工程中，结构混凝土均是在承载状态下工作和运行的。因此，研究荷载与其它破坏因素共同作用下混凝土耐久性具有重要的理论研究意义和广泛的工程应用价值，特别是拉伸应力作用下混凝土的耐久性研究对于混凝土结构耐久性设计与施工非常关键。在建立考虑荷载的混凝土多因素耐久性试验方法时，有2个关键技术问题必须解决：第一，设计能够对混凝土试件施加准确荷载的试验加载系统；第二，建立能够对加载的混凝土试件进行连续、快速的无损试验方法和数据采集系统。\n国内外对应力作用下混凝土的耐久性研究较少，综合已有的文献资料不难发现，现有的加载装置均是施加弯曲应力，尚未有直接施加轴向拉伸应力的试验装置。其主要原因有两个：①施加拉伸应力的试验装置设计加工非常困难，较难保证在试验中受拉试样的轴线与拉伸荷载作用线重合，特别容易出现偏心现象，致使试验结果具有很大的离散性；②受拉试样与拉伸夹头在夹持处容易产生应力集中，导致试样在夹持处破坏，而不是在中间拉断。\n上述缺点严重限制了直接拉伸应力加载装置在混凝土多因素耐久性实验中广泛应用。因此，研制适用于混凝土试件，且能保持长期持荷过程中无应力松驰的简便小巧的拉伸应力实验装置在多因素耐久性研究中具有重要的应用价值，对于混凝土结构耐久性评价也提供了科学的实验仪器，前景十分广阔。\n发明内容\n技术问题：本发明的目的在于针对现有耐久性测试技术中存在的不足和缺陷，利用弹簧加载原理和传感器技术，通过球形拉杆连接方式，研制一种适用于哑铃型混凝土试件，且能保持长期拉伸过程中无应力松驰、简便小巧的拉应力与环境共同作用下混凝土多因素耐久性实验装置。\n技术方案：本发明的拉应力与环境共同作用下混凝土多因素耐久性实验装置包括：球面螺杆、螺帽、应力传感器、限位板、弹簧、锁紧螺母、上拉板、拉杆、拉伸夹头、哑铃型混凝土试件、恒力夹持仪、球面拉杆、下拉板、非金属超声测试仪；该装置中，拉杆的下部与下拉板连接，拉杆的上部穿过上拉板和限位板，上拉板穿在拉杆上通过锁紧螺母固定，螺帽将应力传感器通过球面螺杆压在限位板上，弹簧套在球面螺杆上并位于限位板与上拉板之间，在上拉板与下拉板之间设有上拉伸夹头、下拉伸夹头，上拉伸夹头与球面螺杆的球头部分连接，下拉伸夹头与球面拉杆的球头部分连接，哑铃型混凝土试件位于上拉伸夹头、下拉伸夹头之间，通过拉伸夹头夹持哑铃型混凝土试件，在哑铃型混凝土试件的两侧设有恒力夹持仪，恒力夹持仪与非金属超声测试仪相连接。恒力夹持仪包括支架、压簧，支架为U字形，压簧有两个，分别位于U字形支架内向对的两侧。\n本发明的特点如下：\n1、拉伸过程中偏心问题的解决\n拉伸实验时，夹具或传力杆件的定位不可能做到完全准确，此时连接件的上、下端连线不在同一直线上，存在着几何偏心。为了保证所施加的拉力为轴心拉伸荷载，本发明从以下三方面来减小或消除几何偏心：\n1)采用钢模，加工精细，确保试件成型几何尺寸准确；\n2)拉伸夹头与两个万向球铰(球形拉杆)相连；\n3)拉伸实验正式开始前对试件进行多次预拉。\n2、夹持处应力集中问题的解决\n受拉试样与拉伸夹头在夹持处容易产生应力集中，导致试样在夹持处破坏，而不是在中间拉断。为了消除应力集中导致试件中间拉断的现象的发生，本发明采用的混凝土试件为哑铃型，端部与中间部分通过弧形过渡，减少了应力集中，避免了试验从夹头处破坏的发生。\n3、拉伸加载装置在长期持荷过程中的应力松驰问题的解决\n尽管弹簧加载在一定程度上可通过自身的变形缓解部分应力松驰问题，但不能完全消除，特别是对于加载、冻融、腐蚀溶液复合作用下的双重和多重因素耐久性试验研究时，在后期由于混凝土试件内部损伤劣化比较严重，产生了大量裂纹，试件变形较大，导致较为严重的应力松驰，此时通过弹簧自身的变形缓解已不能解决。\n为解决长期持荷过程中的应力松驰问题，本项目专门设计和制作了环形应力传感器，通过球面螺杆安装在弹簧上面，其引线与计算机相连，可实时监测应力变化，在长期持荷过程中一旦应力损失超过5％，则拧紧螺帽使之恢复至原始应力值。\n4、超声探测仪和动弹仪的发射端和接受端与混凝土试件接触问题的解决\n对于多因素耐久性试验，超声参数和动弹模量的测试是研究混凝土试件损伤程度的重要指标。因此，对其正确测试具有重要意义。研究发现，当测试人员对发射端和接受端施加的外力不同时，造成发射端和接受端与混凝土试件接触紧密程度不同，导致对同一个试件的测试结果约有5％的不同。为了消除测试误差，专门加工了一个“恒力夹持仪”。该夹持仪中有两个刚度相同的弹簧，在测试时，通过超声弹簧的弹力压紧探测仪和动弹仪的发射端和接受端与混凝土试件紧密接触。由于每个试件的长度是相同的，因此每次测试时弹簧施加的弹力是相同的，这样就避免了人为测试误差。\n5、不卸载状态下损伤程度测试问题的解决\n本发明拉伸装置的拉伸夹头与试件端面之间还特别预留空间，用于放置超声探测仪和动弹仪的发射端和接受端，可以对加载状态的混凝土试件(即不卸载)进行直接、连续的动弹和超声性能测试，勿需卸载后测试，试验完毕后再重新加载的过程，从而保证了试验结果充分反应加载状态下的损伤失效状态。\n有益效果：\n1.加载装置占用体积小(长165mm×宽75mm×高560mm)，可利用现有碳化箱、冻融试验机、烘箱、化学腐蚀实验箱等进行多因素耐久性试验，并满足短期内大批量试验的要求。\n2.满足大试件(100mm×100mm×400mm)、高应力比(最高可达应力比0.8)的加载要求。\n3完全采用不锈钢设计，避免在试验过程中出现加载装置发生锈蚀而导致应力损失情况的出现。\n4.采用弹簧加载，方法简单，且使用应力传感器时实监控应力变化，可保证加载过程中无应力松弛。\n5.在拉伸夹头上采用球面杆连结，保证试验中受拉试样的轴线与拉伸荷载作用线重合。\n6.试样的端部做成哑铃型，且端部与中间部分通过弧形过渡，避免由于应力集中造成试样在夹持处破坏现象的发生。\n附图说明\n图1拉应力与环境共同作用下混凝土多因素耐久性实验装置。\n图2恒力夹持仪示意图。\n图3采用本发明装置实施的案例1的具体结果。A：质量变化，b：动弹模量变化，\n图4采用本发明装置实施的案例2的具体结果。\n具体实施方式\n下面结合附图对本发明作进一步说明：\n该装置包括：球面螺杆1、螺帽2、应力传感器3、限位板4、弹簧5、锁紧螺母6、上拉板7、拉杆8、拉伸夹头、哑铃型混凝土试件10、恒力夹持仪11、球面拉杆12、下拉板13、非金属超声测试仪14；该装置中，拉杆8的下部与下拉板13连接，拉杆8的上部穿过上拉板7和限位板4，上拉板7穿在拉杆8上通过锁紧螺母6固定，螺帽2将应力传感器3通过球面螺杆1压在限位板4上，弹簧5套在球面螺杆1上并位于限位板4与上拉板7之间，在上拉板7与下拉板13之间设有上拉伸夹头91、下拉伸夹头92，上拉伸夹头91与球面螺杆1的球头部分连接，下拉伸夹头92与球面拉杆12的球头部分连接，哑铃型混凝土试件10位于上拉伸夹头91、下拉伸夹头92之间，通过拉伸夹头夹持哑铃型混凝土试件10，在哑铃型混凝土试件10的两侧设有恒力夹持仪11，恒力夹持仪11与非金属超声测试仪14相连接。恒力夹持仪11包括支架15、压簧16，支架15为U字形，压簧16有两个，分别位于U字形支架15内向对的两侧。\n首先加工矩形下拉板，并在两端和中心部位分别攻丝；然后在两个拉杆的细端和粗端分别加工出螺纹，并将粗端拧入下拉板两端的螺孔中；将拉伸夹头通过球面拉杆固定在下拉板的中部，接着将哑铃型混凝土试件两端装卡在拉伸夹头上；在上拉板的两端和中心部位分别加工三个圆孔，然后将其穿过两个拉杆的细端，并用锁紧螺母将上拉板固定；将球面螺杆穿过上拉板的中心，放上弹簧，并将两个端部和中心具有圆孔的限位板穿过拉杆细端放在弹簧上；然后将环状应力传感器分别穿在球面螺杆上；之后拧上螺帽。对于恒力夹持仪，先加工U字形支架；然在支架两侧加工两个圆孔，用于穿过非金属超声测试仪的测试端头引线；然后将两个压簧分别焊接在支架两测，压簧中心与圆孔中心同心。\n进行应力-环境耦合实验时，首先取同配比的六个混凝土试件作为一组，其中取三个进行直接拉伸实验，获得平均抗拉强度；然后利用图1所示的拉伸加载装置对剩余的三个混凝土试件施加轴向拉伸应力。应力施加时采用材料试验机以恒定速率缓慢地对球面螺杆施加拉力直至规定应力比，然后保持该拉力不变，并迅速拧紧螺帽。应力传感器的引线与计算机相连实时监测应力的变化，一旦应力损失超过5％，则拧紧螺帽使之恢复至原始应力值。加载完毕后将带有加载装置的混凝土试件置于标准碳化箱、冻融试验仪、烘箱和化学腐蚀箱等耐久性装置的试验仓内，进行应力、碳化、冻融、干湿和化学腐蚀等双重或多重破坏因素的共同耦合作用。每隔一定的时间或循环，将带有加载装置的混凝土试件取出，在不卸载的情况下测试质量变化，然后利用恒力夹持仪和非金属超声测试仪测试混凝土的超声参数的变化。\n实验1：\n混凝土配合比(kg/m3)：水泥-280，粉煤灰-185，砂-705，石子-1117，水-160，聚羧酸高效减水剂-3.2\n按上述配比，采用强制搅拌机拌匀后，将新拌混凝土浇到为内模为哑铃型的钢模(端部为100mm×100mm×80mm哑铃，中间为70mm×70mm×210mm)中，振动台振动30s，在实验室静置24h后脱模，然后将混凝土试件放入标准养护室(温度(20±3℃、相对湿度90％以上)中养护到规定龄期然后取出。用MTS810实验机对养护好的混凝土试件进行抗拉强度测试，实验时通过控制加载速率为0.001mm/s。据测得抗拉强度，对混凝土试件分别施加0.35应力水平(施加的拉应力/极限抗拉应力)。加载完毕后将带有加载装置的混凝土试件置于快速冻融实验箱中，进行应力-冻融循环耦合耐久性实验。测得应力-冻融循环耦合作用下混凝土的损伤劣化过程如图3所示。\n实验2：\n混凝土配合比(kg/m3)：水泥-280，粉煤灰-185，砂-705，石子-1117，水-160，聚羧酸高效减水剂-3.2\n按上述配比，采用强制搅拌机拌匀后，将新拌混凝土浇到为内模为哑铃型的钢模(端部为100mm×100mm×80mm哑铃，中间为70mm×70mm×210mm)中，振动台振动30s，在实验室静置24h后脱模，然后将混凝土试件放入标准养护室(温度(20±3℃、相对湿度90％以上)中养护到规定龄期然后取出。用MTS810实验机对养护好的混凝土试件进行抗拉强度测试，实验时通过控制加载速率为0.001mm/s。据测得抗拉强度，对混凝土试件分别施加0.20、0.35、0.50、0.65、0.80六个应力水平(施加的拉应力/极限抗拉应力)。加载完毕后将带有加载装置的混凝土试件置于盛有NaCl＝3.5％(质量百分数)溶液的腐蚀箱中浸泡12个月，进行应力-氯盐腐蚀实验。测得应力-氯盐扩散规律如图4所示。