專利名稱：拉應(yīng)力與環(huán)境共同作用下混凝土多因素耐久性實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種混凝土在拉應(yīng)力與環(huán)境共同作用下多因素耐久性實驗 方法及裝置，屬于混凝土耐久性測試技術(shù)。主要用于建筑、橋梁、水利和交通等 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
半個世紀(jì)以來，混凝土結(jié)構(gòu)由于耐久性不足而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)過早失效破 壞、壽命縮短的事故卻不斷增多，尤其是大壩、道路、橋梁、港口等重大工程以 及高層建筑物未達(dá)到設(shè)計年限就破壞的事故時有發(fā)生造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員 傷亡。中國工程院調(diào)研報告顯示，在中國由于鋼筋銹蝕引起混凝土結(jié)構(gòu)的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1000億元/年。雖然有關(guān)混凝土耐久性的研究已有幾十年，但研究工 作多是考慮單一環(huán)境破壞因素作用下的耐久性；然而實事上，實際工程混凝土的 耐久性應(yīng)該是在應(yīng)力與不同環(huán)境共同作用下運行的，單一因素作用下的耐久性研 究難以真實地反映客觀實際，混凝土的耐久性是多因素，至少是雙因素共同作用 的結(jié)果。另外，混凝土內(nèi)部損傷劣化程度也決不是各破壞因素單獨作用引起損傷 的簡單加和值，而是諸因素相互影響、交互疊加。通常多重破壞因素作用下混凝 土的劣化程度大于各損傷因素單獨作用下引起損傷的總和，即產(chǎn)生1 + 1>2、 1 + 2>3的損傷疊加規(guī)律和超疊加效應(yīng)，導(dǎo)致混凝土工程性能快速降低和壽命縮短。 因此，根據(jù)工程實際中混凝土所處環(huán)境、氣候和荷載情況，將影響耐久性的主要 因素進(jìn)行合理組合，系統(tǒng)開展雙重或多重破壞因素作用下混凝土耐久性研究，量 化因素與因素間的交互作用，是當(dāng)前混凝土學(xué)科的重大科學(xué)技術(shù)與理論難題，目 前已引起國際學(xué)術(shù)界廣泛和高度重視，其研究成果將對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計及 其壽命預(yù)測產(chǎn)生重大影響。研究混凝土在雙重和多重破壞因素作用下的耐久性問題，首要任務(wù)就是要建 立能夠進(jìn)行同時考慮2個或以上破壞因素的試驗方法體系?？紤]到在實際工程中，結(jié)構(gòu)混凝土均是在承載狀態(tài)下工作和運行的。因此，研究荷載與其它破壞因 素共同作用下混凝土耐久性具有重要的理論研究意義和廣泛的工程應(yīng)用價值，特 別是拉伸應(yīng)力作用下混凝土的耐久性研究對于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工非 常關(guān)鍵。在建立考慮荷載的混凝土多因素耐久性試驗方法時，有2個關(guān)鍵技術(shù)問 題必須解決第一，設(shè)計能夠?qū)炷猎嚰┘訙?zhǔn)確荷載的試驗加載系統(tǒng)；第二， 建立能夠?qū)虞d的混凝土試件進(jìn)行連續(xù)、快速的無損試驗方法和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。國內(nèi)外對應(yīng)力作用下混凝土的耐久性研究較少，綜合已有的文獻(xiàn)資料不難發(fā) 現(xiàn)，現(xiàn)有的加載裝置均是施加彎曲應(yīng)力，尚未有直接施加軸向拉伸應(yīng)力的試驗裝 置。其主要原因有兩個①施加拉伸應(yīng)力的試驗裝置設(shè)計加工非常困難，較難保 證在試驗中受拉試樣的軸線與拉伸荷載作用線重合，特別容易出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，致 使試驗結(jié)果具有很大的離散性；②受拉試樣與拉伸夾頭在夾持處容易產(chǎn)生應(yīng)力集 中，導(dǎo)致試樣在夾持處破壞，而不是在中間拉斷。上述缺點嚴(yán)重限制了直接拉伸應(yīng)力加載裝置在混凝土多因素耐久性實驗中 廣泛應(yīng)用。因此，研制適用于混凝土試件，且能保持長期持荷過程中無應(yīng)力松馳 的簡便小巧的拉伸應(yīng)力實驗裝置在多因素耐久性研究中具有重要的應(yīng)用價值，對 于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評價也提供了科學(xué)的實驗儀器，前景十分廣闊。發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有耐久性測試技術(shù)中存在的不足和缺 陷，利用彈簧加載原理和傳感器技術(shù)，通過球形拉桿連接方式，研制一種適用于 啞鈴型混凝土試件，且能保持長期拉伸過程中無應(yīng)力松馳、簡便小巧的拉應(yīng)力與 環(huán)境共同作用下混凝土多因素耐久性實驗裝置。技術(shù)方案本發(fā)明的拉應(yīng)力與環(huán)境共同作用下混凝土多因素耐久性實驗裝置 包括球面螺桿、螺帽、應(yīng)力傳感器、限位板、彈簧、鎖緊螺母、上拉板、拉桿、 拉伸夾頭、觀鈴型混凝土試件、恒力夾持儀、球面拉桿、下拉板、非金屬超聲測 試儀；該裝置中，拉桿的下部與下拉板連接，拉桿的上部穿過上拉板和限位板， 上拉板穿在拉桿上通過鎖緊螺母固定，螺帽將應(yīng)力傳感器通過球面螺桿壓在限位 板上，彈簧套在球面螺桿上并位于限位板與上拉板之間，在上拉板與下拉板之間 設(shè)有上拉伸夾頭、下拉伸夾頭，上拉伸夾頭與球面螺桿的球頭部分連接，下拉伸 夾頭與球面拉桿的球頭部分連接，啞鈴型混凝土試件位于上拉伸夾頭、下拉伸夾頭之間，通過拉伸夾頭夾持啞鈴型混凝土試件，在啞鈴型混凝土試件的兩側(cè)設(shè)有 恒力夾持儀，恒力夾持儀與非金屬超聲測試儀相連接。恒力夾持儀包括支架、壓簧，支架為u字形，壓簧有兩個，分別位于u字形支架內(nèi)向?qū)Φ膬蓚?cè)。本發(fā)明的特點如下1、 拉伸過程中偏心問題的解決拉伸實驗時，夾具或傳力桿件的定位不可能做到完全準(zhǔn)確，此時連接件的 上、下端連線不在同一直線上，存在著幾何偏心。為了保證所施加的拉力為軸心 拉伸荷載，本發(fā)明從以下三方面來減小或消除幾何偏心1) 采用鋼模，加工精細(xì)，確保試件成型幾何尺寸準(zhǔn)確；2) 拉伸夾頭與兩個萬向球鉸(球形拉桿)相連；3) 拉伸實驗正式開始前對試件進(jìn)行多次預(yù)拉。2、 夾持處應(yīng)力集中問題的解決受拉試樣與拉伸夾頭在夾持處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致試樣在夾持處破壞， 而不是在中間拉斷。為了消除應(yīng)力集中導(dǎo)致試件中間拉斷的現(xiàn)象的發(fā)生，本發(fā)明 采用的混凝土試件為啞鈴型，端部與中間部分通過弧形過渡，減少了應(yīng)力集中， 避免了試驗從夾頭處破壞的發(fā)生。3、 拉伸加載裝置在長期持荷過程中的應(yīng)力松馳問題的解決盡管彈簧加載在一定程度上可通過自身的變形緩解部分應(yīng)力松馳問題，但不 能完全消除，特別是對于加載、凍融、腐蝕溶液復(fù)合作用下的雙重和多重因素耐 久性試驗研究時，在后期由于混凝土試件內(nèi)部損傷劣化比較嚴(yán)重，產(chǎn)生了大量裂 紋，試件變形較大，導(dǎo)致較為嚴(yán)重的應(yīng)力松馳，此時通過彈簧自身的變形緩解已 不能解決。為解決長期持荷過程中的應(yīng)力松馳問題，本項目專門設(shè)計和制作了環(huán)形應(yīng)力 傳感器，通過球面螺桿安裝在彈簧上面，其引線與計算機(jī)相連，可實時監(jiān)測應(yīng)力 變化，在長期持荷過程中一旦應(yīng)力損失超過5%，則擰緊螺帽使之恢復(fù)至原始應(yīng)力值。4、 超聲探測儀和動彈儀的發(fā)射端和接受端與混凝土試件接觸問題的解決對于多因素耐久性試驗，超聲參數(shù)和動彈模量的測試是研究混凝土試件損傷 程度的重要指標(biāo)。因此，對其正確測試具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測試人員對發(fā)射端和接受端施加的外力不同時，造成發(fā)射端和接受端與混凝土試件接觸緊密 程度不同，導(dǎo)致對同一個試件的測試結(jié)果約有5%的不同。為了消除測試誤差， 專門加工了一個"恒力夾持儀"。該夾持儀中有兩個剛度相同的彈簧，在測試時， 通過超聲彈簧的彈力壓緊探測儀和動彈儀的發(fā)射端和接受端與混凝土試件緊密 接觸。由于每個試件的長度是相同的，因此每次測試時彈簧施加的彈力是相同的， 這樣就避免了人為測試誤差。
5、不卸載狀態(tài)下?lián)p傷程度測試問題的解決
本發(fā)明拉伸裝置的拉伸夾頭與試件端面之間還特別預(yù)留空間，用于放置超聲 探測儀和動彈儀的發(fā)射端和接受端，可以對加載狀態(tài)的混凝土試件(即不卸載)進(jìn) 行直接、連續(xù)的動彈和超聲性能測試，勿需卸載后測試，試驗完畢后再重新加載 的過程，從而保證了試驗結(jié)果充分反應(yīng)加載狀態(tài)下的損傷失效狀態(tài)。
有益效果
1. 加載裝置占用體積小(長165mmx寬75mmx高560mm)，可利用現(xiàn)有碳化 箱、凍融試驗機(jī)、烘箱、化學(xué)腐蝕實驗箱等進(jìn)行多因素耐久性試驗，并滿足短期 內(nèi)大批量試驗的要求。
2. 滿足大試件(100mmxi00mmx400mm)、高應(yīng)力比(最高可達(dá)應(yīng)力比0.8)的 加載要求。
3完全釆用不銹鋼設(shè)計，避免在試驗過程中出現(xiàn)加載裝置發(fā)生銹蝕而導(dǎo)致應(yīng) 力損失情況的出現(xiàn)。
4. 釆用彈簧加載，方法簡單，且使用應(yīng)力傳感器時實監(jiān)控應(yīng)力變化，可保 證加載過程中無應(yīng)力松弛。
5. 在拉伸夾頭上釆用球面桿連結(jié)，保證試驗中受拉試樣的軸線與拉伸荷載 作用線重合。
6. 試樣的端部做成啞鈴型，且端部與中間部分通過弧形過渡，避免由于應(yīng) 力集中造成試樣在夾持處破壞現(xiàn)象的發(fā)生。


圖1拉應(yīng)力與環(huán)境共同作用下混凝土多因素耐久性實驗裝置。 圖2恒力夾持儀示意圖。
圖3采用本發(fā)明裝置實施的案例l的具體結(jié)果。A:質(zhì)量變化，b:動彈模量變化，
圖4采用本發(fā)明裝置實施的案例2的具體結(jié)果。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明
該裝置包括球面螺桿l、螺帽2、應(yīng)力傳感器3、限位板4、彈簧5、鎖緊 螺母6、上拉板7、拉桿8、拉伸夾頭、啞鈴型混凝土試件IO、恒力夾持儀ll、 球面拉桿12、下拉板13、非金屬超聲測試儀14;該裝置中，拉桿8的下部與下 拉板13連接，拉桿8的上部穿過上拉板7和限位板4，上拉板7穿在拉桿8上 通過鎖緊螺母6固定，螺帽2將應(yīng)力傳感器3通過球面螺桿1壓在限位板4上， 彈簧5套在球面螺桿1上并位于限位板4與上拉板7之間，在上拉板7與下拉板 13之間設(shè)有上拉伸夾頭91、下拉伸夾頭92,上拉伸夾頭91與球面螺桿1的球 頭部分連接，下拉伸夾頭92與球面拉桿12的球頭部分連接，觀鈴型混凝土試件 10位于上拉伸夾頭91、下拉伸夾頭92之間，通過拉伸夾頭夾持啞鈴型混凝土試 件IO，在椏鈴型混凝土試件10的兩側(cè)設(shè)有恒力夾持儀11，恒力夾持儀ll與非 金屬超聲測試儀14相連接。恒力夾持儀11包括支架15、壓簧16，支架15為U 字形，壓簧16有兩個，分別位于U字形支架15內(nèi)向?qū)Φ膬蓚?cè)。
首先加工矩形下拉板，并在兩端和中心部位分別攻絲；然后在兩個拉桿的細(xì) 端和粗端分別加工出螺紋，并將粗端擰入下拉板兩端的螺孔中；將拉伸夾頭通過 球面拉桿固定在下拉板的中部，接著將啞鈴型混凝土試件兩端裝卡在拉伸夾頭 上；在上拉板的兩端和中心部位分別加工三個圓孔，然后將其穿過兩個拉桿的細(xì) 端，并用鎖緊螺母將上拉板固定；將球面螺桿穿過上拉板的中心，放上彈簧，并 將兩個端部和中心具有圓孔的限位板穿過拉桿細(xì)端放在彈簧上；然后將環(huán)狀應(yīng)力 傳感器分別穿在球面螺桿上；之后擰上螺帽。對于恒力夾持儀，先加工U字形 支架;然在支架兩側(cè)加工兩個圓孔,用于穿過非金屬超聲測試儀的測試端頭引線； 然后將兩個壓簧分別焊接在支架兩測，壓簧中心與圓孔中心同心。
進(jìn)行應(yīng)力-環(huán)境耦合實驗時，首先取同配比的六個混凝土試件作為一組，其 中取三個進(jìn)行直接拉伸實驗，獲得平均抗拉強(qiáng)度；然后利用圖l所示的拉伸加載 裝置對剩余的三個混凝土試件施加軸向拉伸應(yīng)力。應(yīng)力施加時采用材料試驗機(jī)以 恒定速率緩慢地對球面螺桿施加拉力直至規(guī)定應(yīng)力比，然后保持該拉力不變，并 迅速擰緊螺帽。應(yīng)力傳感器的引線與計算機(jī)相連實時監(jiān)測應(yīng)力的變化， 一旦應(yīng)力損失超過5%，則擰緊螺帽使之恢復(fù)至原始應(yīng)力值。加載完畢后將帶有加載裝置
的混凝土試件置于標(biāo)準(zhǔn)碳化箱、凍融試驗儀、烘箱和化學(xué)腐蝕箱等耐久性裝置的
試驗倉內(nèi)，進(jìn)行應(yīng)力、碳化、凍融、干濕和化學(xué)腐蝕等雙重或多重破壞因素的共
同耦合作用。每隔一定的時間或循環(huán)，將帶有加載裝置的混凝土試件取出，在不
卸載的情況下測試質(zhì)量變化，然后利用恒力夾持儀和非金屬超聲測試儀測試混凝
土的超聲參數(shù)的變化。
實驗l:
混凝土配合比(kg/m3):水泥-280，粉煤灰-185，砂-705，石子-1117,水-160， 聚羧酸高效減水劑-3.2
按上述配比，采用強(qiáng)制攪拌機(jī)拌勻后，將新拌混凝土澆到為內(nèi)模為啞鈴型的 鋼模(端部為100mmxl00mmx80mm啞鈴，中間為70mmx70mmx210mm)中，振 動臺振動30s，在實驗室靜置24h后脫模，然后將混凝土試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫 度(20土3'C、相對濕度90%以上)中養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期然后取出。用MTS810實驗機(jī) 對養(yǎng)護(hù)好的混凝土試件進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測試，實驗時通過控制加載速率為 0.001mm/s。據(jù)測得抗拉強(qiáng)度，對混凝土試件分別施加0.35應(yīng)力水平(施加的拉應(yīng) 力/極限抗拉應(yīng)力)。加載完畢后將帶有加載裝置的混凝土試件置于快速凍融實驗 箱中，進(jìn)行應(yīng)力-凍融循環(huán)耦合耐久性實驗。測得應(yīng)力-凍融循環(huán)耦合作用下混凝 土的損傷劣化過程如圖3所示。
實驗2:
混凝土配合比(kg/m3):水泥-280,粉煤灰-185，砂-705,石子-1117，水-160， 聚羧酸高效減水劑-3.2
按上述配比，采用強(qiáng)制攪拌機(jī)拌勾后，將新拌混凝土澆到為內(nèi)模為啞鈴型的 鋼模(端部為100mmxi00mmx80mm啞鈴，中間為70mmx70mmx210mm)中，振 動臺振動30s，在實驗室靜置24h后脫模，然后將混凝土試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫 度(20i3'C、相對濕度90%以上)中養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期然后取出。用MTS810實驗機(jī) 對養(yǎng)護(hù)好的混凝土試件進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測試，實驗時通過控制加載速率為 0.001mm/s。據(jù)測得抗拉強(qiáng)度，對混凝土試件分別施加0.20、 0.35、 0.50、 0.65、 0.80六個應(yīng)力水平(施加的拉應(yīng)力/極限抗拉應(yīng)力)。加載完畢后將帶有加載裝置的 混凝土試件置于盛有NaCl-3.5。/。(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))溶液的腐蝕箱中浸泡12個月，進(jìn) 行應(yīng)力-氯鹽腐蝕實驗。測得應(yīng)力-氯鹽擴(kuò)散規(guī)律如圖4所示。
權(quán)利要求
1、一種拉應(yīng)力與環(huán)境共同作用下混凝土多因素耐久性實驗裝置，其特征在于該裝置中，拉桿(8)的下部與下拉板(13)連接，拉桿(8)的上部穿過上拉板(7)和限位板(4)，上拉板(7)穿在拉桿(8)上通過鎖緊螺母(6)固定，螺帽(2)將應(yīng)力傳感器(3)通過球面螺桿(1)壓在限位板(4)上，彈簧(5)套在球面螺桿(1)上并位于限位板(4)與上拉板(7)之間，在上拉板(7)與下拉板(13)之間設(shè)有上拉伸夾頭(91)、下拉伸夾頭(92)，上拉伸夾頭(91)與球面螺桿(1)的球頭部分連接，下拉伸夾頭(92)與球面拉桿(12)的球頭部分連接，啞鈴型混凝土試件(10)位于上拉伸夾頭(91)、下拉伸夾頭(92)之間，通過拉伸夾頭夾持啞鈴型混凝土試件(10)，在啞鈴型混凝土試件(10)的兩側(cè)設(shè)有恒力夾持儀(11)，恒力夾持儀(11)與非金屬超聲測試儀(14)相連接。
2、 權(quán)利要求1所述的拉應(yīng)力與環(huán)境共同作用下混凝土多因素耐久性實驗裝 置，其特征在于恒力夾持儀(ll)包括支架(15)、壓簧(16)，支架(15)為U字 形，壓簧(16)有兩個，分別位于U字形支架(15)內(nèi)向?qū)Φ膬蓚?cè)。
全文摘要
拉應(yīng)力與環(huán)境共同作用下混凝土多因素耐久性實驗裝置中，拉桿(8)的下部與下拉板(13)連接，拉桿(8)的上部穿過上拉板(7)和限位板(4)，上拉板(7)穿在拉桿(8)上通過鎖緊螺母(6)固定，螺帽(2)將應(yīng)力傳感器(3)通過球面螺桿(1)壓在限位板上，彈簧(5)套在球面螺桿(1)上并位于限位板與上拉板之間，在上拉板與下拉板(13)之間設(shè)有上拉伸夾頭(91)、下拉伸夾頭(92)，上拉伸夾頭(91)與球面螺桿(1)的球頭部分連接，下拉伸夾頭(92)與球面拉桿(12)的球頭部分連接，啞鈴型混凝土試件(10)位于上拉伸夾頭(91)、下拉伸夾頭(92)之間，通過拉伸夾頭夾持啞鈴型混凝土試件，在啞鈴型混凝土試件(10)的兩側(cè)設(shè)有恒力夾持儀(11)，恒力夾持儀與非金屬超聲測試儀(14)相連接。
文檔編號G01N3/00GK101271103SQ200810100749
公開日2008年9月24日 申請日期2008年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月16日
發(fā)明者偉 孫, 宋魯光, 左曉寶, 張云升 申請人:東南大學(xué)