CN102175524A

CN102175524A - 一种用于测试水泥基材料耐久性的加载装置及其测试方法

Info

Publication number: CN102175524A
Application number: CN 201110021769
Authority: CN
Inventors: 陈惠苏; 袁海峰; 刘琳; 孙伟; 李化建; 赵国堂; 谷永磊
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-01-19
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2011-09-07

Abstract

本发明公开了一种用于测试水泥基材料耐久性的加载装置，包括内圆环、外圆环和底座，内圆环和外圆环同轴设置在底座上。利用该加载装置进行水泥基材料耐久性的测试方法，包括以下步骤：第一步：制作水泥基材料浆体；第二步：将水泥基材料浆体浇筑在内圆环与外圆环之间，形成水泥基材料试件；第三步：将应变片贴在内圆环的内壁的中部，应变片与电阻应变仪连接；第四步：去除外圆环和底座，形成环境试验试件；第五步：对环境试验试件进行标准养护，通过电阻应变仪观察环向拉伸应力变化，直至内圆环内壁的应变稳定。该加载装置和测试方法适用范围广、操作简易，并且能够保证应力分布均匀，保证测试结果的可靠性。

Description

一种用于测试水泥基材料耐久性的加载装置及其测试方法

技术领域

本发明属于水泥基材料耐久性以及微观结构演化的测试领域，具体来说，涉及一种用于测试水泥基材料耐久性的加载装置及其测试方法。

背景技术

水泥基材料的耐久性与其微观结构的演化密切相关，虽然有关水泥基材料微观结构劣化以及耐久性的研究己有几十年，但研究工作多是考虑单一环境破坏因素作用下的微观结构演化与耐久性。目前国内外对环境因素耦合外应力下的水泥基材料微观结构演化研究较少，基本集中在压应力和弯曲应力，而在拉伸应力作用下的微观结构演化研究相对有限。已有的直接施加轴向拉伸应力的试验装置并未大范围得到应用，其主要原因有：（1）现有的直接施加轴向拉伸应力的试验装置结构复杂，设计加工难度高，成本较高，尤其不适用于对水泥基材料微观结构演化进行试验所用的小尺寸试件；（2）使用现有的直接施加轴向拉伸应力的试验装置对试件加载时操作难度较高，较难保证试验中受拉试样的轴线与拉伸荷载作用线重合，在试件中容易出现剪切应力，导致实验结果离散性较大和可信度不足；（3）现有的直接施加轴向拉伸应力的试验装置中，无论是对试件两端直接夹持还是使用预埋螺栓方法，受拉试样在拉伸端都容易产生应力集中，造成应力分布不均；（4）现有的直接施加轴向拉伸应力的试验装置均是利用弹簧对试件加载应力，在长期环境因素作用下，弹簧的弹性系数会发生改变，造成在严酷环境条件下的长期性能试验中，加载应力发生不可预期的变化；（5）现有的直接施加轴向拉伸应力的试验装置中，对试件尺寸要求特殊，需要配套相应的成型模具，成型的操作难度较大。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于测试水泥基材料耐久性的加载装置及其测试方法，该加载装置和测试方法适用范围广、操作简易，并且能够保证应力分布均匀，保证测试结果的可靠性，并且测试过程中使用的加载装置结构简单，成本低廉。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明的用于测试水泥基材料耐久性的加载装置，包括内圆环、外圆环和底座，内圆环、外圆环和底座均具有光滑的表面，内圆环和外圆环同轴设置在底座上。

本发明的水泥基材料耐久性的测试方法，包括以下步骤：

第一步：制作水泥基材料浆体：按照试验要求，选择水泥基材料，利用搅拌机搅拌水泥基材料，形成水泥基材料浆体；

第二步：制作水泥基材料试件：将水泥基材料浆体浇筑在内圆环与外圆环之间的空隙中，水泥基材料浆体硬化后，形成水泥基材料试件；

第三步：连接应变测试装置：在水泥基材料浆体终凝后，将应变片贴在内圆环的内壁的中部，应变片与电阻应变仪连接；

第四步：形成环境试验试件：在水泥基材料浆体硬化至脱模强度后，去除外圆环和底座，内圆环与套在内圆环外侧的水泥基材料试件形成环境试验试件；

第五步：对环境试验试件进行标准养护：将环境试验试件放置在标准养护室，通过电阻应变仪观察环境试验试件的环向拉伸应力变化，直至内圆环内壁的应变稳定。

进一步，所述的水泥基材料耐久性的测试方法，还包括第六步：进行应力和环境因素耦合试验：将环境试验试件放置在环境箱中进行试验。

进一步，在进行第六步时，将应变片贴在内圆环的内壁中部，应变片与电阻应变仪连接，或者将光栅光纤贴在内圆环的内壁中部，光栅光纤与光栅光纤应变仪连接，实时监测环境试验试件在环境箱中的应变情况。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案的有益效果是：

1.加载装置结构简单，成本低廉。本技术方案中的加载装置，包括内圆环、外圆环和底座。整个加载装置的组成部件少，并且连接关系简单。各组成部件的结构简单，加工容易。在本技术方案的测试过程中，成型模具与加载装置一体，省去了专用模具，因此整个测试装置成本低廉。

2.在测试过程中，能够产生单纯的拉伸应力，并且拉伸应力分布均匀，不会产生应力集中的状态，保证测试结果的可靠性。在本技术方案中，水泥基材料试件嵌至在内圆环和外圆环之间，呈圆环形。由内圆环在整个环向对水泥基材料试件施加拉伸应力，因此，水泥基材料试件中各个方向的拉伸应力均匀分布，使试验结果更可靠。和普通轴向拉伸试验相比，本发明的圆环形的水泥基材料试件中不会出现几何偏心现象，保证所施加的拉伸应力为单纯的拉伸应力，而不会出现剪切应力。与常见的加载装置相比，如拉伸加载装置中常用的夹头，本技术方案中的水泥基材料试件没有不规则几何形状，消除了应力集中状况。

3.能够准确测试水泥基材料在环向拉伸应力与环境因素共同作用下，即双重或多重因素共同作用下的耐久性能。在实际工程中，水泥基材料应该是在应力与不同环境因素共同作用下工作的，单一因素作用下的耐久性研究难以真实地反映客观实际。另外，水泥基材料微观结构劣化也是诸因素相互影响、交互叠加的结果。通常多重破坏因素作用下水泥基材料的劣化程度大于各损伤因素单独作用下引起损伤的总和，导致材料性能快速降低和寿命缩短。本技术方案提供了能够在两个及以上的破坏因素同时作用的情况下，对水泥基材料的耐久性进行测试的方法。除了进行上文中提到的进行环向拉伸应力测试外，环境试验试件还可以放置在环境箱中，进行环境因素耦合试验。环境箱可以依照试验要求合理选择，并且不受尺寸限制。因此，相比单一的对水泥基材料进行环向拉伸应力试验，对水泥基材料进行环向拉伸应力和环境因素耦合试验，可以更准确的反应水泥基材料在实际工程中的耐久性能。

4.可以实现实时监测各种环境下环境试验试件内应力的变化。在本发明中，将应变片贴在内圆环的内壁中部，应变片与电阻应变仪连接，或者将光栅光纤贴在内圆环的内壁中部，光栅光纤与光栅光纤应变仪连接，实时监测环境试验试件在环境箱中的应变情况。这种监测在不影响环境试验试件与环境接触的前提下，对环境试验试件内部的应力发展状况作出实时监测。

5.可以根据试验要求灵活改变加载应力，并且整个试验过程简单，人为误差小，保证测试结果的准确性较高。本技术方案中，根据试验要求，通过改变水泥基材料试件内径与外径比值、内圆环内径与外径比值，可以实现不同加载应力比。现有的轴向拉伸应力的试验装置，需要借助弹簧和人力。本技术方案在测试过程中，不需使用弹簧，也不需要人力，从而消除了人为加载过程中的误差以及弹簧在长期试验中弹性系数变化带来的误差，保证了测试结果的准确性较高。

附图说明

图1是本发明中的装置的俯视图。

图2是本发明中的装置的主视图。

图3是试验1中水泥净浆试件的环向拉应力随时间变化的趋势图。

图4是试验2中水泥净浆试件在冻融箱中，应变随温度的变化的趋势图。

图中有：1.内圆环，2.外圆环，3.底座。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的一种用于测试水泥基材料耐久性的加载装置，包括内圆环1、外圆环2和底座3。内圆环1、外圆环2和底座3均具有光滑的表面。内圆环1和外圆环2同轴设置在底座3上。为了保证水泥基材料浆体不会从内圆环1中流出，内圆环1的高度大于外圆环2的高度。内圆环1和外圆环2的材料可以有多种，但是考虑到该加载装置可能用于腐蚀环境中进行测试，所以内圆环1和外圆环2均由不锈钢材料制成，并且优选不锈钢材料中的因瓦合金，从而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的状况出现。

利用上述结构的加载装置对水泥基材料进行耐久性的测试方法，包括以下步骤：

第一步：制作水泥基材料浆体：按照试验要求，选择水泥基材料，利用搅拌机搅拌水泥基材，形成水泥基材料浆体。

在该步中，所述的水泥基材料可以是混凝土、砂浆、净浆中的一种。混凝土可以利用硅酸盐水泥，或者氯氧镁水泥，或者硫铝酸盐水泥等任意一种胶凝材料制备。水泥基材料的选择按照试验要求进行选择。

第二步：制作水泥基材料试件：将水泥基材料浆体浇筑在内圆环1与外圆环2之间的空隙中，形成水泥基材料试件。

在该步中，水泥基材料浆体浇筑在内圆环1与外圆环2之间，水泥基材料试件呈圆环形。在浇筑完成后，水泥基材料浆体最好是灌满内圆环1与外圆环2之间的空隙。在浇筑完成后，要保持水泥基材料浆体表面平整。

第三步：连接应变测试装置：在水泥基材料浆体终凝后，将应变片贴在内圆环1的内壁的中部，应变片与电阻应变仪连接。

在该步中，应变片不能倾斜的贴在内圆环1的内壁中部。应变片应该放正，并贴于内圆环1的内壁中部，便于准确测试。

第四步：形成环境试验试件：在水泥基材料浆体硬化至脱模强度后，去除外圆环2和底座3，内圆环1与套在内圆环1外侧的水泥基材料试件形成环境试验试件。

在该步中，水泥基材料试件在水化过程中伴随体积收缩，而内圆环2起限制水泥基材料试件收缩的作用，从而在水泥基材料试件中产生均布的环向拉伸应力。另外，该步中，必须在水泥基材料浆体硬化至脱模强度后，才能去除外圆环2和底座3。

第五步：对环境试验试件进行标准养护：将环境试验试件放置在标准养护室，通过电阻应变仪观察环境试验试件的环向拉伸应力变化，直至内圆环1内壁的应变稳定。

在该步中，将贴有应变片的内圆环1和套在内圆环1外侧的水泥基材料试件作为一个整体，放入标准养护室内养护，直至内圆环1内壁的应变趋于稳定。该步是对水泥基材料试件进行环向拉伸应力试验。根据水泥基材料水化过程中的收缩效应，利用内圆环1对水泥基材料试件的收缩进行限制，从而对水泥基材料试件施加均匀分布的拉伸应力。在养护过程中，通过贴在内圆环1内壁上的应变片测量内圆环1的应变随养护龄期增长的变化情况。当水泥基材料试件的水化程度变慢时，内圆环1的应变值趋于稳定，水泥基材料试件内部的环向拉伸应力也趋于稳定。

水泥基材料试件所承受的环向拉伸应力可由下面的公式计算得到。

式（1）

式（1）中：σ为水泥基材料试件内部产生的环向拉应力，ε表示应变片测得的内圆环内壁的平均应变，E _S表示内圆环所用材料的弹性模量，υ _RS表示内圆环外壁与内壁的半径比， υ _RC表示水泥基材料试件外壁与内壁的半径比。从上面的公式中可以看出：环向拉伸应力的大小可以通过改变υ _RC 和υ _RS 的数值进行调控。

进一步，所述的水泥基材料耐久性的测试方法，还包括第六步：进行应力和环境因素耦合试验：将环境试验试件放置在环境箱中进行试验。所述的环境箱是指冻融环境箱、干湿循环箱、碳化箱、烘箱、化学腐蚀箱中的一种，或者它们的任意组合。根据环境因素的要求，将内圆环1与水泥基材料试件作为环境试验试件，放置在冻融环境箱、碳化箱、干湿循环箱等环境模拟试验装置中，进行应力与冻融、碳化、干湿循环等多重破坏因素的共同耦合试验。例如，根据试验要求，每隔一段时间或者每隔几个循环，将环境试验试件从环境箱中取出，在不卸载内圆环1的情况下，对水泥基材料试件进行动弹性能测试、超声性能测试、X射线断层扫描测试、压汞测试中的一种测试，或者它们的任意组合。进行动弹性能测试时：将动弹仪的发射端和接收端分别放置在水泥基材料试件的顶面和底面中。进行超声性能测试时：将超声探测仪的发射端和接收端分别放置在水泥基材料试件的顶面和底面中。进行X射线断层扫描时，通过CT机扫描可以观察水泥基材料试件内部的微观形貌。在对水泥基材料试件进行动弹性能测试，或者微观形貌观察时，可以不卸载内圆环1，从而保证了试验结果能够充分反应加载状态下的损伤失效状态，且能够实现对材料的无损检测。进行压汞测试时，可以将水泥基材料试件从内圆环1上取下，利用压汞试验测试水泥基材料试件的微观结构演化。另外，根据试验要求，通过贴在内圆环1内壁的应变片，可以实时监测由于环境作用造成的水泥基材料试件内部应力发展。或者，采用光栅光纤贴在内圆环1的内壁中部，光栅光纤与光栅光纤应变仪连接。当然，如果不需要实时监测水泥基材料试件内部应力发展，那么内圆环1内壁中就不需要贴应变片或者光栅光纤。

下面通过试验数据证明发明的技术方案能够取得相应的技术效果。

试验1：

水泥净浆配合比：水：水泥=0.35:1 (质量比)。

按上述配比，采用行星式搅拌机拌匀后，将新拌水泥净浆浇筑在内膜为哑铃型的抗拉试件钢模内，振动台振动30s，在实验室静置24h后脱模，然后将水泥净浆试件放入标准养护室(温度20±3℃，相对湿度90% 以上)中养护。将相同的新拌水泥净浆浇筑在本发明的加载装置中的内圆环1与外圆环2之间。表1是本试验中所用加载装置的尺寸及编号。振动台振动30s，在实验室静置24h后将外圆环2和底座3脱模，然后将水泥净浆试件与内圆环1组成的施加环向拉应力体系放入标准养护室中养护直到内圆环1内壁的应变稳定，并同时监测环向拉伸应力发展。再将测试抗拉强度用的哑铃型水泥净浆试件取出，对其进行抗拉强度测试。据测得的抗拉强度以及用式(1)计算得到的加载装置施加的应力值，得到水泥净浆试件承受的拉伸应力水平。不同加载装置尺寸中的水泥净浆试件内产生的拉伸应力如图3所示。图3中，横坐标表示时间，单位小时；纵坐标表示水泥净浆试件中产生的环向拉伸应力，单位MPa。图3中上面的一条曲线是在编号为O70T10的加载装置中，水泥净浆试件的环向拉伸应力随时间的变化，中间的一条曲线是在编号为O66T05 的加载装置中，水泥净浆试件中环向拉伸应力随时间的变化，下面的一条曲线是在编号为O70T05的加载装置中，水泥净浆试件中环向拉伸应力随时间的变化。从图3中可以看出：随着时间增长，各个水泥净浆试件内部均产生的了稳定的环向拉应力，且使用不同尺寸的加载装置能够在水泥净浆试件中产生不同水平的环形拉伸应力。

试验2：

水泥净浆配合比：水：水泥=0.35:1 (质量比)。

按上述配比，采用行星式搅拌机拌匀后，将新拌水泥净浆浇筑在本发明加载装置中的内圆环1与外圆环2之间。本试验中采用试验1中编号为O70T10的加载装置。振动台振动30s，在实验室静置24h后将外圆环2和底座3脱模，然后将水泥净浆试件与内圆环1组成的施加环向拉应力体系放入标准养护室中养护，直到内圆环1内壁的应变稳定。在试验1中，水泥净浆试件的极限拉伸强度为2MPa,根据试验1的结果可知，编号为O70T10的水泥净浆试件内部的环向拉应力水平为0.6。将内圆环1和水泥净浆试件置于环境试验箱中进行应力-冻融耦合试验。测得应力-冻融作用耦合作用下水泥净浆试件的应变过程如图4所示。图4中，横坐标表示温度，单位℃；纵坐标表示应变值，单位με。图4中，CT1表示内圆环1和水泥净浆试件在冻融箱中，第一个冻融循环时的应变随温度的变化情况，CT2表示内圆环1和水泥净浆试件在冻融箱中，第二个冻融循环时的应变随温度的变化情况；CF1表示没有加载环向拉应力的自由水泥净浆试件在冻融箱中，第一个循环时的应变随温度的变化情况；CF2表示没有加载环向拉应力的自由水泥净浆试件在冻融箱中第二个循环时的应变随温度的变化情况。从图4中，我们可以发现带有内圆环1的水泥净浆试件与自由水泥净浆试件在冻融环境下应变随温度变化会出现不同的变化。

Claims

1.一种用于测试水泥基材料耐久性的加载装置，其特征在于，该加载装置包括内圆环（1）、外圆环（2）和底座（3），内圆环（1）、外圆环（2）和底座（3）均具有光滑的表面，内圆环（1）和外圆环（2）同轴设置在底座（3）上。

2. 按照权利要求1所述的用于测试水泥基材料耐久性的加载装置，其特征在于，所述的内圆环（1）的高度大于外圆环（2）的高度。

3.按照权利要求1所述的用于测试水泥基材料耐久性的加载装置，其特征在于，所述的内圆环（1）和外圆环（2）均由不锈钢材料制成。

4.按照权利要求3所述的用于测试水泥基材料耐久性的加载装置，其特征在于，所述的内圆环（1）和外圆环（2）均由因瓦合金制成。

5.一种利用权利要求1所述的加载装置进行水泥基材料耐久性的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

第二步：制作水泥基材料试件：将水泥基材料浆体浇筑在内圆环（1）与外圆环（2）之间的空隙中，水泥基材料浆体硬化后，形成水泥基材料试件；

第三步：连接应变测试装置：在水泥基材料浆体终凝后，将应变片贴在内圆环（1）的内壁的中部，应变片与电阻应变仪连接；

第四步：形成环境试验试件：在水泥基材料浆体硬化至脱模强度后，去除外圆环（2）和底座（3），内圆环（1）与套在内圆环（1）外侧的水泥基材料试件形成环境试验试件；

第五步：对环境试验试件进行标准养护：将环境试验试件放置在标准养护室，通过电阻应变仪观察环境试验试件的环向拉伸应力变化，直至内圆环（1）内壁的应变稳定。

6.按照权利要求5所述的水泥基材料耐久性的测试方法，其特征在于，还包括第六步：进行应力和环境因素耦合试验：将环境试验试件放置在环境箱中进行试验。

7.按照权利要求6所述的水泥基材料耐久性的测试方法，其特征在于，所述的环境箱是指冻融环境箱、干湿循环箱、碳化箱、烘箱、化学腐蚀箱中的一种，或者它们的任意组合。

8.按照权利要求5或6所述的水泥基材料耐久性的测试方法，其特征在于，所述的水泥基材料是混凝土、砂浆、净浆中的一种。

9.按照权利要求6所述的水泥基材料耐久性的测试方法，其特征在于，在进行第六步时，按照试验要求的时间间隔，将环境试验试件从环境箱中取出，进行动弹性能测试、超声性能测试、X射线断层扫描测试、压汞测试中的一种测试，或者它们的任意组合。

10.按照权利要求6所述的水泥基材料耐久性的测试方法，其特征在于，在进行第六步时，将应变片贴在内圆环（1）的内壁中部，应变片与电阻应变仪连接，或者将光栅光纤贴在内圆环（1）的内壁中部，光栅光纤与光栅光纤应变仪连接，实时监测环境试验试件在环境箱中的应变情况。