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CN105910891B - 环境腐蚀引起的损伤混凝土应力-应变全曲线测试装置 - Google Patents

环境腐蚀引起的损伤混凝土应力-应变全曲线测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环境腐蚀引起的损伤混凝土应力‑应变全曲线测试装置，包括刚性元件、上压板、下压板、高度调节装置、压力传感器、垫板、夹具和激光位移传感器。试验过程中，压力试验机对上压板施加载荷，刚性元件与混凝土试件共同受力以提高试验机的刚度，从而使试件下降段的变形能够稳定发展，不会发生脆性破坏，动态应变仪分别记录压力和激光位移传感器输出的试件荷载和变形信息，经计算机后处理可得到环境腐蚀引起的损伤混凝土应力‑应变全曲线。本发明能够准确地测量腐蚀损伤混凝土的应力‑应变全曲线，为研究混凝土在腐蚀环境下的性能退化规律提供技术支持。

Description

环境腐蚀引起的损伤混凝土应力-应变全曲线测试装置
技术领域
本发明属于土木工程测量设备，具体涉及一种环境腐蚀引起的损伤混凝土应力-应变全曲线测试装置。
背景技术
近年来，随着我国对沿海地区以及西部地区的开发，特别是长期处于恶劣环境下混凝土结构的安全性和耐久性问题已成为我国基础建设过程中亟需解决的应用基础理论研究课题之一。研究环境腐蚀引起的损伤混凝土应力-应变全曲线变化规律，对于混凝土结构耐久性设计及服役寿命评估具有重要意义。
目前的混凝土应力-应变全曲线测试方法主要通过增设弹簧、钢管、钢柱等刚性元件的方式来增加试验机的刚度，而环境腐蚀引起的损伤混凝土试件尺寸、刚度等力学性能参数随环境条件和腐蚀时间而变化，与混凝土标准试件存在较大差异，因此，直接采用测量混凝土标准试件的方法并不能满足实验要求。
现有的混凝土应力-应变测试装置大都是通过引伸计来测量混凝土变形，这种方法需要在混凝土上安装引伸计固定架，安装精度很大程度上决定了测量结果的准确性，而环境腐蚀引起的损伤混凝土试件表面产生了不同程度的溶出、剥落等腐蚀缺陷，不能满足测量精度要求，故无法用于环境腐蚀引起的损伤混凝土试件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种环境腐蚀引起的损伤混凝土应力-应变全曲线测试装置，解决了环境腐蚀引起的损伤混凝土的应力-应变全曲线无法测量的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种环境腐蚀引起的损伤混凝土应力-应变全曲线测试装置，包括刚性元件、上压板、下压板、高度调节装置、压力传感器、垫板、夹具和激光位移传感器，所述刚性元件设置在上压板和下压板间，下压板中心设有通孔，高度调节装置位于下压板的中心通孔内，压力传感器位于上压板下方，压力传感器与上压板之间设有垫板，夹具位于压力传感器和高度调节装置之间，损伤混凝土试件通过夹具固定，激光位移传感器固定于夹具的外侧壁上，所述上压板、下压板、高度调节装置、压力传感器、垫板、夹具和混凝土试件中心均处于同一轴线上。
所述刚性元件包括不锈钢套箍、若干根弹簧钢杆和若干根螺纹钢杆，不锈钢套箍为环形，其上均匀分布若干个通孔，若干根弹簧钢杆和若干根螺纹钢杆均匀分布在所述通孔内，且两者间隔布置。
所述弹簧钢杆包括弹簧钢钢柱和两个弹簧钢套筒，弹簧钢钢柱穿过不锈钢套箍的通孔，两个弹簧钢套筒分别设置在弹簧钢钢柱两端，通过两个弹簧钢套筒分别与上压板和下压板固连。
所述螺纹钢杆包括螺纹钢柱和螺母，螺母设置在螺纹钢柱上，螺纹钢柱穿过不锈钢套箍的通孔，通过螺母对不锈钢套箍定位，螺纹钢柱底部与下压板固连。
所述高度调节装置包括上盘、下盘和螺纹杆，上盘和下盘通过螺纹与螺纹杆固连，且能够通过转动上盘对高度进行微调。
所述夹具包括反射条、上垫板、下垫板、球铰、加载杆和固定框，固定框顶部设有通孔，上垫板、损伤混凝土试件和下垫板自上而下依次设置在固定框内，加载杆一端穿过所述通孔通过球铰压在上垫板顶部，另一端侧壁固定有反射条，激光位移传感器固连在固定框外壁，且位于反射条正下方。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)刚性元件采用热处理后的高强弹簧钢制作，具有很高的弹性变形能力，可获得更多腐蚀损伤混凝土应力应变曲线下降段的信息，同时，所述刚性元件的螺纹钢柱不仅起到固定不锈钢套箍的作用，其长度也是根据弹簧钢钢柱最大弹性变形确定，可保证弹簧钢钢柱处于弹性阶段，使本装置可重复使用。
(2)刚性元件刚度可调，可通过布置不同根数弹簧钢杆的方式调节刚性元件的刚度，以测量不同尺寸或腐蚀程度(刚度不同)的混凝土试件。
(3)夹具安装方便，自带的球铰可最大程度保证试件处于轴压状态且夹具上下垫板可涂油，以减小摩擦阻力。
(4)激光位移传感器为非接触式位移传感器，解决了损伤混凝土试件表面缺陷对测量结果的干扰问题，且所采用的激光位移传感器还具有测试精度高、采样频率可调以及操作简易的特点。
(5)高度调节装置可对损伤混凝土试件及其夹持、测量装置的总高度微调，使刚性元件与损伤混凝土试件能够同时受力，若高度过低，刚性元件过早受力，很可能产生塑性变形，若高度过高，损伤混凝土试件在刚性元件受力之前可能进入下降段。
(6)本发明在实验时，可直接安装到普通压力试验机上，制作简单，安装方便，可精确的测量出环境腐蚀引起的损伤混凝土应力-应变全曲线
附图说明
图1是本发明环境腐蚀引起的损伤混凝土应力-应变全曲线测试装置的整体结构示意图。
图2是本发明刚性元件示意图，其中图(a)为刚性元件俯视图，图(b)为图(a)中弹簧钢杆的A-A剖面图，图(c)为图(a)中螺纹钢杆的A-A剖面图。
图3是本发明下压板示意图，其中图(a)为下压板俯视图，图(b)为图(a)的B-B剖面图。
图4是本发明夹具示意图。
图5是本发明高度调节装置示意图。
图6是实施例1中软水侵蚀环境下钙溶蚀损伤混凝土试件的应力-应变全曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图5，一种环境腐蚀引起的损伤混凝土应力-应变全曲线测试装置，包括刚性元件1、上压板2、下压板3、高度调节装置4、压力传感器5、垫板6、夹具7和激光位移传感器8。所述刚性元件1设置在上压板2和下压板3间，用于增加整体结构的刚度。下压板3中心设有通孔，高度调节装置4位于下压板3的中心通孔内，且通孔直径大于高度调节装置4的底部直径。压力传感器5(市购)位于上压板2下方，压力传感器5与上压板2之间设有垫板6，夹具7位于压力传感器5和高度调节装置4之间，损伤混凝土试件9通过夹具7固定，激光位移传感器8固定于夹具7的外侧壁上，所述上压板2、下压板3、高度调节装置4、压力传感器5、垫板6、夹具7和混凝土试件9中心均处于同一轴线上。
所述刚性元件1包括不锈钢套箍13、若干根弹簧钢杆和若干根螺纹钢杆，不锈钢套箍13为环形，其上均匀分布若干个通孔，若干根弹簧钢杆和若干根螺纹钢杆均匀分布在所述通孔内，且两者间隔布置。
所述弹簧钢杆包括弹簧钢钢柱12和两个弹簧钢套筒11，弹簧钢钢柱12穿过不锈钢套箍13的通孔，两个弹簧钢套筒11分别设置在弹簧钢钢柱12两端，通过两个弹簧钢套筒11分别与上压板2和下压板3固连。弹簧钢杆用于增加整体结构的刚度，可通过布置不同根数弹簧钢杆的方式调节刚性元件的刚度，以测量不同尺寸或腐蚀程度(刚度不同)的混凝土试件9。
所述螺纹钢杆包括螺纹钢柱14和螺母15，螺母15设置在螺纹钢柱14上，螺纹钢柱14穿过不锈钢套箍13的通孔，通过螺母15对不锈钢套箍13定位，螺纹钢柱14底部与下压板3固连。螺纹钢杆用于对不锈钢套箍13定位。
所述高度调节装置4包括上盘41、下盘42和螺纹杆43，上盘41和下盘通过螺纹与螺纹杆43固连，且可通过转动上盘41对高度进行微调。高度调节装置4可对损伤混凝土试件9及其夹持、测量装置的总高度微调，使刚性元件1与损伤混凝土试件9能够同时受力，若高度过低，刚性元件1过早受力，很可能产生塑性变形，若高度过高，损伤混凝土试件9在刚性元件1受力之前可能进入下降段。
所述夹具7包括反射条71、上垫板72、下垫板73、球铰74、加载杆75和固定框76，固定框76顶部设有通孔，上垫板72、损伤混凝土试件9和下垫板73自上而下依次设置在固定框76内，加载杆75一端穿过所述通孔通过球铰74压在上垫板72顶部，另一端侧壁固定有反射条71，激光位移传感器8固连在固定框76外壁，且位于反射条71正下方。夹具7安装方便，自带的球铰可最大程度保证试件处于轴压状态且夹具上下垫板可涂油，以减小摩擦阻力。
激光位移传感器8为非接触式位移传感器，解决了损伤混凝土试件9表面缺陷对测量结果的干扰问题。
实施例1
采用本发明所述的环境腐蚀引起的损伤混凝土应力-应变全曲线测试装置测量软水侵蚀环境下钙溶蚀损伤混凝土试件的应力-应变全曲线。
结合图1至图5，一种环境腐蚀引起的损伤混凝土应力-应变全曲线测试装置，包括刚性元件1、上压板2、下压板3、高度调节装置4、压力传感器5、垫板6、夹具7和激光位移传感器8。所述刚性元件1设置在上压板2和下压板3间，用于增加整体结构的刚度。下压板3中心设有通孔，高度调节装置4位于下压板3的中心通孔内，且通孔直径大于高度调节装置4的底部直径。压力传感器5(市购)位于上压板2下方，压力传感器5与上压板2之间设有垫板6，防止压力传感器5被损伤，夹具7位于压力传感器5和高度调节装置4之间，损伤混凝土试件9通过夹具7固定，激光位移传感器8固定于夹具7的外侧壁上，所述上压板2、下压板3、高度调节装置4、压力传感器5、垫板6、夹具7和混凝土试件9中心均处于同一轴线上。
所述刚性元件1包括不锈钢套箍13、三根弹簧钢杆和四根螺纹钢杆，不锈钢套箍13为环形，其上均匀分布十二个通孔，三根弹簧钢杆和四根螺纹钢杆均匀分布在所述通孔内，且两者间隔布置。
所述弹簧钢杆包括弹簧钢钢柱12和两个弹簧钢套筒11，弹簧钢钢柱12穿过不锈钢套箍13的通孔，两个弹簧钢套筒11分别套在弹簧钢钢柱12两端，通过两个弹簧钢套筒11分别与上压板2和下压板3固连。弹簧钢杆用于增加整体结构的刚度，可通过布置不同根数弹簧钢杆的方式调节刚性元件的刚度，以测量不同尺寸或腐蚀程度(刚度不同)的混凝土试件9。
所述螺纹钢杆包括螺纹钢柱14和螺母15，螺母15设置在螺纹钢柱14上，螺纹钢柱14穿过不锈钢套箍13的通孔，通过螺母15对不锈钢套箍13定位，螺纹钢柱14底部与下压板3固连。螺纹钢杆用于对不锈钢套箍13定位。
其中刚性元件1的制作方法，包括以下几个步骤：
(a1)将弹簧钢热处理之后，按1:2的径高比切割压缩试验标准试件，采用贴应变片的方法，测量弹簧钢的弹性模量E、比例极限σp和弹性应变εp。
(a2)按上述弹簧钢的直径D弹性模量E及刚度K要求，确定弹簧钢钢柱12的长度
(a3)根据弹簧钢钢柱12的直径及最大设计载荷确定弹簧钢套筒11的尺寸，采用先切割、钻孔后热处理的方式加工。
(a4)按压杆理论计算的弹簧钢钢柱12柔度所以弹簧钢钢柱12在达到最大设计载荷前会发生失稳破坏，本装置采用增加刚性元件1约束的方式来确保刚性元件1在弹性阶段不发生失稳破坏，即将不锈钢套箍13利用螺纹钢柱14和螺母15定位，且位于弹簧钢钢柱12中间段。
所述高度调节装置4包括上盘41、下盘42和螺纹杆43，上盘41和下盘通过螺纹与螺纹杆43固连，且可通过转动上盘41对高度进行微调，使垫板6与上压板2完全接触，保证二者共同受力。高度调节装置4可对损伤混凝土试件9及其夹持、测量装置的总高度微调，使刚性元件1与损伤混凝土试件9能够同时受力，若高度过低，刚性元件1过早受力，很可能产生塑性变形，若高度过高，损伤混凝土试件9在刚性元件1受力之前可能进入下降段。
下压板3上设有十二个卡槽31，用于固定弹簧钢套筒11螺纹钢柱14。
所述夹具7包括反射条71、上垫板72、下垫板73、球铰74、加载杆75和固定框76，固定框76顶部设有通孔，任意两个平行的侧面无挡板，上垫板72、损伤混凝土试件9和下垫板73自上而下依次设置在固定框76内，加载杆75一端穿过所述通孔通过球铰74压在上垫板72顶部，另一端侧壁固定有反射条71，激光位移传感器8固连在固定框76外壁，且位于反射条71正下方。反射条71用于激光位移传感器8测量损伤混凝土试件9的变形，上垫板72和下垫板73表面涂油，以减小摩擦阻力，而球铰74可最大程度保证试件9处于轴压状态。
采用本发明所述的环境腐蚀引起的损伤混凝土应力-应变全曲线测试装置测量软水侵蚀环境下钙溶蚀损伤混凝土试件9的测试步骤及数据处理方式如下：
1)用游标卡尺测量损伤混凝土试件9的直径d及高度h。
2)将损伤混凝土试件9置于夹具7正中，并在夹具7上安装固定好激光位移传感器8。
3)将刚性元件1固定于下压板3的卡槽内，然后把高度调节装置4、夹具7、压力传感器5和垫板6依次固定于下压板3正中，最后把上压板2置于刚性元件1及垫板6上，通过微调高度调节装置4的上盘41使垫板6与上压板2完全贴合。
4)将压力传感器5和激光位移传感器8分别与动态应变仪相连，然后将压力试验机与电脑联机，在相应程序中设置加载速度、加载方式等条件，然后开始试验，压力试验机对上压板2施加载荷，刚性元件1与损伤混凝土试件9共同受力以提高试验机的刚度，从而使损伤混凝土试件9下降段的变形能够稳定发展，不会发生脆性破坏，至试验结束。
5)根据动态应变仪记录的荷载F及混凝土试件9的变形量S信息，按式计算混凝土试件9的应力σ；按式计算混凝土试件9的应变ε。其中A为受力面积，d为混凝土试件9的直径，h为混凝土试件9的高度。
6)利用绘图软件绘制软水侵蚀环境下钙溶蚀损伤混凝土试件9的应力-应变全曲线，如图6所示。
综上所述，本发明在实验时，可直接安装到普通压力试验机上，制作简单，安装方便，可精确的测量出环境腐蚀引起的损伤混凝土的应力-应变全曲线。

Claims (4)

1.一种环境腐蚀引起的损伤混凝土应力-应变全曲线测试装置，其特征在于：包括刚性元件（1）、上压板（2）、下压板（3）、高度调节装置（4）、压力传感器（5）、垫板（6）、夹具（7）和激光位移传感器（8），所述刚性元件（1）设置在上压板（2）和下压板（3）间，下压板（3）中心设有通孔，高度调节装置（4）位于下压板（3）的中心通孔内，压力传感器（5）位于上压板（2）下方，压力传感器（5）与上压板（2）之间设有垫板（6），夹具（7）位于压力传感器（5）和高度调节装置（4）之间，损伤混凝土试件（9）通过夹具（7）固定，激光位移传感器（8）固定于夹具（7）的外侧壁上，所述上压板（2）、下压板（3）、高度调节装置（4）、压力传感器（5）、垫板（6）、夹具（7）和混凝土试件（9）中心均处于同一轴线上；所述刚性元件（1）包括不锈钢套箍（13）、若干根弹簧钢杆和若干根螺纹钢杆，不锈钢套箍（13）为环形，其上均匀分布若干个通孔，若干根弹簧钢杆和若干根螺纹钢杆均匀分布在所述通孔内，且两者间隔布置；所述弹簧钢杆包括弹簧钢钢柱（12）和两个弹簧钢套筒（11），弹簧钢钢柱（12）穿过不锈钢套箍（13）的通孔，两个弹簧钢套筒（11）分别设置在弹簧钢钢柱（12）两端，通过两个弹簧钢套筒（11）分别与上压板（2）和下压板（3）固连；所述弹簧钢钢柱（12）与所述混凝土试件（9）并联设置；所述螺纹钢杆长度能够保证所述弹簧钢钢柱处于弹性阶段。
2.根据权利要求 1所述的环境腐蚀引起的损伤混凝土应力 -应变全曲线测试装置，其特征在于：所述螺纹钢杆包括螺纹钢柱（14）和螺母（15），螺母（15）设置在螺纹钢柱（14）上，螺纹钢柱（14）穿过不锈钢套箍（13）的通孔，通过螺母（15）对不锈钢套箍（13）定位，螺纹钢柱（14）底部与下压板（3）固连。
3.根据权利要求1所述的环境腐蚀引起的损伤混凝土应力 -应变全曲线测试装置，其特征在于：所述高度调节装置（4）包括上盘（41）、下盘（42）和螺纹杆（43），上盘（41）和下盘通过螺纹与螺纹杆（43）固连，且能够通过转动上盘（41）对高度进行微调。
4.根据权利要求1所述的环境腐蚀引起的损伤混凝土应力 -应变全曲线测试装置，其特征在于：所述夹具（7）包括反射条（71）、上垫板（72）、下垫板（73）、球铰（74）、加载杆（75）和固定框（76），固定框（76）顶部设有通孔，上垫板（72）、损伤混凝土试件（9）和下垫板（73）自上而下依次设置在固定框（76）内，加载杆（75）一端穿过所述通孔通过球铰（74）压在上垫板（72）顶部，另一端侧壁固定有反射条（71），激光位移传感器（8）固连在固定框（76）外壁，且位于反射条（71）正下方。
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