弯拉应力与环境耦合作用下混凝土多因素耐久性实验装置

1.一种弯拉应力与环境耦合作用下混凝土多因素耐久性实验装置，其特征在于该装置包括应力传感器(1)、拉板(2)、螺帽(3)、弹簧(4)、上压板(5)、拉杆(6)、垫棒(7)、混凝土试件(8)、下压板(9)、恒力夹持仪(10)、非金属超声测试仪(11)；其中拉杆(6)设有相同结构的四根，每一根拉杆(6)的下部与下压板(9)连接，拉杆(6)的上部穿过上压板(5)和拉板(2)由螺帽(3)将应力传感器(1)压在拉板(2)上，在拉板(2)与上压板(5)之间设有弹簧(4)，在上压板(5)与下压板(9)之间设有混凝土试件(8)，在各混凝土试件(8)之间以及混凝土试件(8)与上压板(5)或下压板(9)之间设有垫棒(7)，在混凝土试件(8)的两侧设有恒力夹持仪(10)，恒力夹持仪(10)与非金属超声测试仪(11)相连接。
2.根据权利要求1所述的弯拉应力与环境耦合作用下混凝土多因素耐久性实验装置，其特征在于恒力夹持仪(10)包括支架(12)、压簧(13)，支架(12)为U字形，压簧(13)有两个，分别位于U字形支架(12)内相对的两侧。

技术领域\n本发明涉及的是一种混凝土在弯拉应力与环境耦合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。主要用于建筑和交通领域。\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或非应力与不同环境(化学腐蚀和物理疲劳条件下)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；另一方面，损伤因素的交互作用既有正影响，也有负影响。如冻融和除冰盐，两者均会引起混凝土膨胀，有损伤负效应(即加快了损伤)，同时除冰盐又能降低水的冰点缓解冻融破坏，为损伤正效应。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，其研究成果必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。在建立考虑荷载的2个或以上破坏因素的试验方法体系时，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，其原因有两个：①施加拉伸应力的试验装置设计加工非常困难，很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在实际中，混凝土结构直接承受轴向受拉的情况很少，绝大部分是弯曲受拉，以弯曲受拉代替轴向受拉更具有实际意义。分析、研究已有的多重破坏因素作用下混凝土耐久性试验用加载装置(简称多因素加载装置)，可将其分为三类：1)杠杆原理设计的荷载构架；2)利用应力扳手控制的拉杆加载系统；3)根据虎克定律利用弹簧加载。对于杠杆加载装置的优点是原理简单，荷载可控性比较好，不受温度的影响；缺点是加载效率比较低，在加载40mm×40mm×160mm的试件的50％弯曲应力时，杠杆长度需要0.6米，这样占用了大量的试验空间，在同时进行加载-冻融、加载-碳化等多因素耐久性试验时，试验仪器的试验箱几乎无法容纳，如果杠杆臂长减小，则荷载精度下降。对于拉杆加载系统的优点操作简便，装置体积小巧，可与现有的标准碳化箱和冻融试验仪等耐久性装置适应，实现应力-环境(碳化、冻融等)耦合作用；缺点在于应力扳手的控制精度较低，而且容易受到螺拴锈蚀等的影响，使得荷载控制精度进一步下降；在长期持荷过程中应力将发生较大松驰。另外，这种方法不适用于冻融试验中的加载，因为温度变化时拉杆的热胀冷缩会造成很大的误差，即使拉杆采用热膨胀系数小的材料，混凝土本身的热胀冷缩、徐变、表面剥落引起的误差也不容忽视，而且用应力扳手旋紧的螺栓在冻融过程中有可能浸入水或溶液中，会引起螺栓摩擦系数的变化，摩擦系数微小的变化会造成很大的荷载变化，应力扳手无法消除由此引起的误差。对于弹簧加载装置，目前被国内外许多研究者采用，该装置由东南大学孙伟教授和慕儒博士等发明，其优点是原理简单、体积小，节省空间，可以实现冻融、干湿、碳化、化学腐蚀等多因素试验，而且一次可以实现对3个试块同时加载，大大提高了效率；缺点是：(1)适用的混凝土试件尺寸太小，仅为40×40×160mm，为非标准的小试件，不能充分反应实际工程中的混凝土材料原有的性质，降低了试验数据的均匀性及工程实际的符合性；(2)受拉杆和试件侧面之间的距离限制，不能直接对加载状态的混凝土试件(即不卸载)进行连续动弹和超声性能测试，对于达到一定龄期的混凝土试件，必须卸载后才能进行指标测试，试验完毕后再重新加载，这并不能充分反应加载状态下的损伤失效状态；(3)另外，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。\n上述诸多缺点严重限制了弯拉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，研制适用于较大尺寸混凝土试件，且能保持长期持荷过程中无应力松驰的简便小巧的弯拉应力实验装置具有重要的应用价值，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，研制一种适用于较大尺寸混凝土试件，且能保持长期持荷过程中无应力松驰、简便小巧的弯拉应力与环境耦合作用下混凝土多因素耐久性实验装置。\n技术方案；本发明的弯拉应力与环境耦合作用下混凝土多因素耐久性实验装置包括应力传感器、拉板、螺帽、弹簧、上压板、拉杆、垫棒、混凝土试件、下压板、恒力夹持仪、非金属超声测试仪；其中拉杆的下部与下压板连接，拉杆的上部穿过上压板和拉板由螺帽将应力传感器压在拉板上，在拉板与上压板之间设有弹簧，在上压板与下压板之间设有混凝土试件，在各混凝土试件之间以及混凝土试件与上压板或下压板之间设有垫棒，在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、适用混凝土试件尺寸太小问题的解决\n原有两拉杆弹簧加载装置的适用的混凝土试件为40mm×40mm×160mm，为小试件，不能充分反应实际工程中的混凝土材料原有的性质，同时也加大了试验数据的离散性；另外，当混凝土材料中粉煤灰、矿渣等矿物掺合料掺量较高时，加速碳化实验时小试件横截面将全部碳化。为使试验结果更接近工程实际，并保证试验数据可靠，需加大试件尺寸，然而加大试件尺寸后，若施加与小试件相同大小的弯曲应力水平，则要求弹簧产生荷载以与试件尺寸增加倍数近似成平方的关系增大。因此，混凝土试件尺寸又不能太大，否则弹簧尺寸将非常庞大，导致加工出来的加载装置无法适应现有快速冻融仪、碳化箱、烘箱和化学腐蚀箱的试验仓，无法实现应力与环境的共同耦合作用。经过理论计算和实验测试，该装置适用的混凝土试件为棱柱体、高宽比为4、最大尺寸100mm×100mm×400mm。\n为充分利用弹簧加载装置的独特优点，同时避免由于试件尺寸增大而引起弹簧尺寸过大的缺点，本项目将原有的两拉杆弹簧加载装置进行了重新设计和改进，将其设计成四拉杆弹簧加载装置。如此设计，可将由原来两个弹簧施加荷载改为由四个弹簧共同承担，这样不仅适于的试件尺寸可增加1倍，而且也可大大减少弹簧的尺寸；同时，四拉杆弹簧加载装置还可施加高应力水平，对于C35以下混凝土最高可以施加80％以上的弯曲应力水平，对于C60的混凝土最高可以施加50％以上的弯曲应力水平；另外，对于四拉杆弹簧加载装置，四个拉杆之间空出的空间正适于放置超声探测仪和动弹仪的发射端和接受端，因此，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。\n2、四拉杆弹簧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，安装在四拉杆弹簧加载装置的弹簧上面，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。\n3、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。前期研究发现，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，我们专门加工了一个“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。\n有益效果：\n1.加载装置占用体积小，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、高应力比(最高可达应力比0.8)的加载要求。\n3.施力方法简单，加载过程中无应力松弛\n4.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的应力变化情况的出现。\n5.采用不锈钢弹簧，避免由于弹簧锈蚀造成的引力松弛现象的产生。\n6.受力点等凹槽都进行了抛光和圆弧处理，是加载过程中受力均匀和准确。\n7.不受温度变化的影响(试验过程中的应力松弛、试件和仪器的热膨胀以及冻融循环温度变化等对试件受荷几乎没有影响)，加载精度高，试验结果准确可靠。\n附图说明\n图1是混凝土多因素耐久性实验装置主视图。\n图2是图1的左视图。\n图3恒力夹持仪示意图。\n图4采用本发明装置实施的案例1的具体结果。\n图5采用本发明装置实施的案例2的具体结果。\n图6采用本发明装置实施的案例3的具体结果。\n图7采用本发明装置实施的案例4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该装置包括应力传感器1、拉板2、螺帽3、弹簧4、上压板5、拉杆6、垫棒7、混凝土试件8、下压板9、恒力夹持仪10、非金属超声测试仪11；其中拉杆6的下部与下压板9连接，拉杆6的上部穿过上压板5和拉板2由螺帽3将应力传感器1压在拉板2上，在拉板2与上压板5之间设有弹簧4，在上压板5与下压板9之间设有混凝土试件8，在各混凝土试件8之间以及混凝土试件8与上压板5或下压板9之间设有垫棒7，在混凝土试件8的两侧设有恒力夹持仪10，恒力夹持仪10与非金属超声测试仪11相连接。恒力夹持仪(10)包括支架12、压簧13，支架12为U字形，压簧13有两个，分别位于U字形支架12内相对的两侧。\n首先加工具有两个圆弧型凹槽的下压板，并在四个角部分别攻丝；然后在四个拉杆的端部加工出螺纹，并将其分别拧入下压板对应螺孔中；将两个垫棒放到下压板的凹槽中，接着将三个砼试件从低高到依次放在垫棒上；在上压板的四个角部分别加工四个圆孔，然后将其穿过四个拉杆；将四个弹簧接着穿过四个拉杆放到上压板上，并将四个角部具有圆孔的拉板穿过拉杆放在弹簧上；然后将四个环状应力传感器分别穿在四个拉杆上，应力传感器是将2个高精度应变片对称粘贴在铝质圆环的两测制成的；之后拧上螺帽。对于恒力夹持仪，先加工U字形支架；然在支架两测加工两个圆孔，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做为一组(可以在实验室成型或在现场结构中切取)，其中取三个进行四点弯曲实验，获得平均抗弯强度；然后利用图1所示的四拉杆弹簧加载装置对剩余的三个混凝土试件施加弯拉应力，其中试件的上半部分处于弯压应力状态，而下半部分处于弯拉应力状态，下底面中心跨距为试件长度的3/4，上表面支点跨距为1/4。应力施加时采用材料试验机以恒定速率缓慢地对上压板施加应力直至规定应力比，然后保持该压力不变，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，测试其质量的变化，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实施例1：\n混凝土配合比(kg/m3)：水泥-275，粉煤灰-183，砂-705，石子-1127，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，将新拌混凝土浇到尺寸为70mm×70mm×280mm的钢模中，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四点弯曲强度测试，实验时通过控制加载速率为0.01mm/s，四点弯曲实验时下底面中心跨距为210mm，上表面支点跨距为70mm。据测得弯曲强度，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(施加的弯拉应力/极限弯拉应力)。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试验仓内，进行应力-碳化耦合实验。碳化到3，7，14，28，90d时分别测试混凝土纯弯区的碳化深度。测得应力-碳化深度如图4所示。\n实施例2：\n混凝土配合比(kg/m3)：水泥-275，粉煤灰-183，砂-705，石子-1127，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，将新拌混凝土浇到尺寸为70mm×70mm×280mm的钢模中，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四点弯曲强度测试，实验时通过控制加载速率为0.01mm/s，四点弯曲实验时下底面中心跨距为210mm，上表面支点跨距为70mm。据测得弯曲强度，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(施加的弯拉应力/极限弯拉应力)。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5所示。\n实施例3：\n混凝土配合比(kg/m3)：水泥-275，粉煤灰-183，砂-705，石子-1127，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，将新拌混凝土浇到尺寸为70mm×70mm×280mm的钢模中，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四点弯曲强度测试，实验时通过控制加载速率为0.01mm/s，四点弯曲实验时下底面中心跨距为210mm，上表面支点跨距为70mm。据测得弯曲强度，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(施加的弯拉应力/极限弯拉应力)。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6所示。\n实施例4：\n混凝土配合比(kg/m3)：水泥-405，粉煤灰-108，硅灰-54，砂-642，石子-1134，水-151，聚羧酸高效减水剂-4.82\n按上述配比，采用强制搅拌机拌匀后，将新拌混凝土浇到尺寸为40mm×40mm×160mm的钢模中，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四点弯曲强度测试，实验时通过控制加载速率为0.01mm/s，四点弯曲实验时下底面中心跨距为120mm，上表面支点跨距为40mm。据测得弯曲强度，对混凝土试件施加0.35应力水平(施加的弯拉应力/极限弯拉应力)。加载完毕后将带有加载装置的混凝土试件置于盛有10％MgSO4+3.5％NaCl复合腐蚀溶液(质量百分数)的腐蚀箱中浸泡，分别进行应力-化学腐蚀实验和应力-干湿-化学腐蚀实验。其中干湿循环制度如下：在60℃烘箱中烘干24h，取出在空气中冷却3h，然后将其放在复合腐蚀溶液浸泡45h，此为一个循环。测得应力-环境耦合作用下混凝土的损伤失效过程如图7所示。