CN103175721A - 制作混凝土试件自然裂缝的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制作混凝土试件自然裂缝的装置，旨在提供一种可以根据试验的要求精确控制混凝土裂缝宽度的装置。该制作混凝土试件自然裂缝的装置包括：混凝土试件预应力加载系统、混凝土裂缝扩展控制系统和测试系统。本发明可以稳定地在混凝土试件上模拟出裂缝开展的过程，且可以根据试验的需求精确地控制开裂混凝土试件的裂纹宽度，本发明装置简单，操作简便，价格低廉，维修方便，可以广泛用于制备开裂混凝土试件，为研究开裂混凝土的耐久性与服役性能提供试验基础。

Description

制作混凝土试件自然裂缝的装置

技术领域

本发明是关于制作混凝土试件自然裂缝的装置，特别涉及一种可以根据试验的要求精确控制混凝土裂缝宽度的装置。

背景技术

混凝土是现代建筑工程中最常用的建筑材料之一，改善混凝土材料的服役性能对提高建筑结构的使用寿命具有非常重要的意义。目前，对混凝土材料耐久性的理论与试验研究是土木工程研究的热点。但是，目前的研究大都针对完好的混凝土结构，对于开裂后的混凝土结构与材料的研究目前还比较少，而实际上，混凝土结构在施工阶段，就容易出现因温度、收缩等原因引起的非受力裂缝。在使用阶段，由于荷载作用等原因，还会出现受力裂缝，所以，大多数的混凝土结构实际上都是带裂缝工作的。因此，在混凝土材料试验研究中，通过预设裂缝的混凝土试件研究开裂状态下混凝土材料的力学性能和耐久性对预测混凝土结构的服役寿命具有非常重要的意义。

混凝土是由骨料、砂浆和界面组成的多相复合材料，并且硬化混凝土中还存在着一定量的孔隙缺陷。各种材料组分以及缺陷在混凝土中的随机分布也导致混凝土裂缝的开裂路径具有随机性，同时，在荷载作用下，混凝土裂缝尖端位置存在一个微裂纹区，并且混凝土中未开裂区域中都存在荷载作用。目前的理论研究表明，混凝土裂缝尖端微裂纹区、裂缝曲折度、裂缝壁面粗糙度与混凝土为开裂区域中的荷载作用对侵蚀性离子在开裂混凝土中的扩散具有重要影响。因此，要研究开裂混凝土材料的耐久性与服役性能，就必须首先制备出具有自然裂缝的混凝土试件，但由于混凝土是一种脆性材料，通过简单施加拉荷载的方法往往导致混凝土试件的脆性破坏，无法有效控制混凝土中裂缝的产生过程，也无法根据试验要求精确控制裂缝宽度。因此，目前的试验研究中通常采用在混凝土试件中预埋一定厚度的钢片的方法来仿制具有自然裂缝的混凝土试件，但通过这种方法制备的混凝土试件无法反映出自然开裂的混凝土的裂缝特征以及自然开裂混凝土内部的应力状态。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种新型并且简便的可以制作混凝土试件自然裂缝的装置。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种制作混凝土试件自然裂缝的装置，包括混凝土试件预应力加载系统、混凝土裂缝扩展控制系统和测试系统，所述混凝土试件预应力加载系统包括预应力加载钢板、加载螺帽、预应力加载螺杆、应变片和应变测试仪，两块预应力加载钢板通过预应力加载螺杆连接，且加载螺帽设在预应力加载钢板和预应力加载螺杆的连接处，应变片粘贴在预应力加载螺杆上，并通过导线与应变测试仪相连接；所述混凝土裂缝扩展控制系统包括埋设在混凝土试件底面的I类预埋螺栓、控制螺杆和控制螺帽，两个I类预埋螺栓通过控制螺杆连接，且控制螺帽设在I类预埋螺栓和控制螺杆的连接处；所述测试系统包括埋设在混凝土试件侧面的两个II类预埋螺栓、测试螺杆、固定螺帽和数字千分表，一个II类预埋螺栓上通过固定螺帽固定有测试螺杆，另一个II类预埋螺栓上通过固定螺帽固定有数字千分表；

所述I类预埋螺栓包括金属杆和螺帽，所述螺帽焊接在金属杆的一端，螺帽的直径大于控制螺杆的直径；所述II类预埋螺栓包括金属杆A和金属帽，金属杆A的一端设有与金属杆A垂直方向的孔和沿金属杆A方向的螺孔，金属帽包括金属杆B和金属螺杆，金属杆B和金属螺杆焊接固定，金属杆B的直径大于金属螺杆的直径，金属螺杆的直径小于金属杆A上沿金属杆A方向的螺孔直径，金属螺杆的一段安装在金属杆A沿金属杆A方向的螺孔内。

作为进一步的改进，所述两个II类预埋螺栓的连线与混凝土试件底面平行。

作为进一步的改进，所述预应力加载螺帽用于通过调整加载螺帽在预应力加载螺杆上的位置控制预应力加载螺杆中的荷载大小。

作为进一步的改进，所述控制螺帽用于通过调整两个I类预埋螺栓之间的距离控制混凝土试件裂缝的宽度。

作为进一步的改进，所述金属杆A垂直方向的孔直径大于数字千分表与测试螺杆的直径。

作为进一步的改进，所述混凝土试件与混凝土试件预应力加载系统设置在加载试验机上，加载试验机用于对混凝土试件提供三点荷载作用。

本发明的工作原理为：

本发明通过调整预应力加载螺帽在预应力加载螺杆上的位置，控制预应力加载钢板之间的距离，对混凝土试件施加压荷载作用，使混凝土中产生初始压应力，通过应变片与应变测试仪监控混凝土中的荷载作用大小。

本发明将混凝土试件与混凝土试件预应力加载系统安置在加载试验机上，采用三点加载法对混凝土试件施加荷载作用。由于混凝土试件内部存在初始压应力，在三点加载作用下，试件底部的混凝土将由受压状态逐渐转变为受拉状态，直至开裂。由于混凝土中初始压应力的作用，混凝土裂缝的开裂与扩展过程都十分缓慢，有效避免了混凝土试件的脆性开裂破坏。在加载时，通过测试系统，可以精确控制混凝土裂缝的宽度以满足试验的要求。

本发明所设计的混凝土裂缝扩展控制系统，通过调整控制螺杆来控制裂缝的宽度，保证开裂混凝土裂缝的宽度可以满足试验的要求，并保证开裂混凝土试件内部的应力状态与真实开裂的混凝土试件内部的应力状态相同。采用控制螺帽将控制螺杆锁定，保持混凝土试件中的裂缝宽度与试件内部的应力状态不变。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可以稳定地在混凝土试件上模拟出裂缝开展的过程。采用本发明制备的开裂混凝土试件的裂缝与真实受力开裂的混凝土试件中的裂缝具有相同的外形与开裂路径，并且开裂混凝土试件中的应力状态与真实受力开裂的混凝土试件中的应力状态相同，且同时具有与真实受力开裂的混凝土试件相同的裂缝尖端微裂纹区、裂缝曲折度和裂缝壁面粗糙度。更重要的是，本发明可以根据试验的需求精确地控制开裂混凝土试件的裂纹宽度。本发明装置简单，操作简便，价格低廉，维修方便，可以广泛用于制备开裂混凝土试件，为研究开裂混凝土的耐久性与服役性能提供试验基础。

附图说明

图1为本发明的正立面示意图。

图2为本发明的侧立面示意图。

图3为利用本发明在混凝土试件上预制裂缝的正立面示意图。

图4为利用本发明在混凝土试件上预制裂缝的侧立面示意图。

图5为利用本发明在混凝土试件上固定裂缝的正立面示意图。

图6为利用本发明在混凝土试件上固定裂缝的侧立面示意图。

图7为本发明中的I类预埋螺栓俯视图。

图8为本发明中的I类预埋螺栓侧视图。

图9为本发明中的II类预埋螺栓金属杆A俯视图。

图10为本发明中的II类预埋螺栓金属杆A侧视图。

图11为本发明中的II类预埋螺栓金属帽示意图。

图12为本发明中的II类预埋螺栓金属帽示意图。

图13为本发明中的II类预埋螺栓示意图。

图中的附图标记为：1预应力加载钢板；2加载螺帽；3预应力加载螺杆；4 I类预埋螺栓；5控制螺杆；6控制螺帽；7测试螺杆；8 II类预埋螺栓；9固定螺帽；10数字千分表；11应变片；12应变测试仪；13试验机加载头；14支座；15混凝土试件；16混凝土裂缝。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

图1、图2中的制作混凝土试件自然裂缝的装置包括混凝土试件预应力加载系统、混凝土裂缝扩展控制系统和测试系统。所述混凝土试件预应力加载系统包括预应力加载钢板1、加载螺帽2、预应力加载螺杆3、应变片11和应变测试仪12，两块预应力加载钢板1通过预应力加载螺杆3连接，且加载螺帽2设在预应力加载钢板1和预应力加载螺杆3的连接处，通过调整加载螺帽2在预应力加载螺杆3上的位置，对预应力加载钢板1之间的混凝土试件15施加预压荷载，从而可以调整混凝土试件15内部产生初始压应力大小。应变片11粘贴在预应力加载螺杆3上，并通过导线与应变测试仪12相连接。所述混凝土裂缝扩展控制系统包括埋设在混凝土试件15底面的I类预埋螺栓4、控制螺杆5和控制螺帽6，两个I类预埋螺栓4通过控制螺杆5连接，且控制螺帽6设在I类预埋螺栓4和控制螺杆5的连接处，通过控制螺帽6调整两个I类预埋螺栓4之间的距离，从而控制混凝土裂缝16宽度。所述测试系统包括埋设在混凝土试件15侧面的两个II类预埋螺栓8、测试螺杆7、固定螺帽9和数字千分表10，一个II类预埋螺栓8上通过固定螺帽9固定有测试螺杆7，另一个II类预埋螺栓8上通过固定螺帽9固定有数字千分表10，两个II类预埋螺栓8的连线与混凝土试件15底面平行。测试系统可以安置于混凝土试件15侧面不同高度位置处，从而可以根据试验要求测定混凝土试件15不同高度位置处的混凝土裂缝16宽度。

如图7、图8所示，I类预埋螺栓4包括金属杆和螺帽，螺帽焊接在金属杆的一端，螺帽的直径稍大于控制螺杆5的直径，与控制螺杆5的直径配套。如图9至图13所示，II类预埋螺栓8包括金属杆A和金属帽，金属杆A的一端设有与金属杆A垂直方向的孔和沿金属杆A方向的螺孔，金属杆A垂直方向的孔直径大于数字千分表10与测试螺杆7的直径，便于安装数字千分表10杆。金属帽包括金属杆B和金属螺杆，金属杆B和金属螺杆焊接固定，金属杆B的直径大于金属螺杆的直径，金属螺杆的直径稍小于金属杆A上沿金属杆A方向的螺孔直径，使金属螺杆直径与螺孔直径匹配，金属螺杆的一段安装在金属杆A沿金属杆A方向的螺孔内。

试制备时，应变片11采用黄岩测试仪器厂生产的6mm×4mm电阻应变片，应变测试仪12采用江苏东华测试技术股份有限公司的DN3815型电阻应变仪，数字千分表10采用广州市集益五金有限公司生产的川牌成量数显千分表，加载试验机采用上海华龙500kN的万能试验机。开裂混凝土试验要求采用的混凝土试件15尺寸为75mm×150mm×400mm，在混凝土试件15跨中附近预制宽度为0.80mm的混凝土裂缝16。开裂混凝土试件15的具体过程如下：

通过调整加载螺帽2在预应力加载螺杆3上的位置，控制预应力加载钢板1之间的距离，对混凝土试件15施加压荷载作用，使混凝土中产生初始压应力。采用应变片11与应变测试仪12监测施加预应力过程中预应力加载螺杆3的应变变形，通过事先测得的预应力加载螺杆3的应力应变关系计算预应力加载螺杆3内部的荷载作用大小。此次实施过程中，预应力加载螺杆3的应力与应变关系为：

ε = 48.51 f – 409.23；

式中：ε为预应力加载螺杆应变，单位10^-6；f为预应力加载螺杆3中的荷载，单位kN。

通过分析预应力加载螺杆3中的荷载控制混凝土试件15中的预压应力为3MPa，保证混凝土试件15中的压应力不超过本次实施中混凝土的弹性极限值20MPa。

如图3、图4所示，将混凝土试件15与混凝土试件预应力加载系统安置在加载试验机上，在混凝土试件15侧面上安装测试系统。采用三点加载法对混凝土试件15施加荷载作用，并控制荷载的加载速度，保证混凝土试件15底面裂缝的产生与扩展过程都非常缓慢，有效避免混凝土试件15的脆性开裂破坏。通过测试系统监测混凝土裂缝16宽度，当裂缝宽度达到试验设计裂缝宽度目标值0.80mm时，加载试验机停止加载并卸载。将混凝土试件15与混凝土试件预应力加载系统从加载试验机上取下。

如图5、图6所示，将混凝土试件预应力加载系统从混凝土试件15上拆除。在混凝土试件15底部安装好控制螺杆5，采用控制螺帽6固定住控制螺杆5左端，通过调整控制螺杆5右端的控制螺帽6控制两个预埋螺栓之间的距离，使混凝土试件15上的裂缝重新张开。通过测试系统监测混凝土试件15的裂缝宽度，当裂缝宽度达到试验设计裂缝宽度目标值0.80mm时停止旋转控制螺杆5。采用控制螺帽6固定住控制螺杆5右端，从而保持混凝土裂缝16的宽度不再发生改变。此时，开裂混凝土试件15的裂缝宽度满足试验设计裂缝宽度目标值0.80mm，同时开裂混凝土试件15内部的应力状态与加载试验机加载时混凝土试件15真实开裂时内部的应力状态相同。一个具有自然裂缝的混凝土试件15制备完成。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种制作混凝土试件自然裂缝的装置，包括混凝土试件预应力加载系统、混凝土裂缝扩展控制系统和测试系统，其特征在于，所述混凝土试件预应力加载系统包括预应力加载钢板、加载螺帽、预应力加载螺杆、应变片和应变测试仪，两块预应力加载钢板通过预应力加载螺杆连接，且加载螺帽设在预应力加载钢板和预应力加载螺杆的连接处，应变片粘贴在预应力加载螺杆上，并通过导线与应变测试仪相连接；所述混凝土裂缝扩展控制系统包括埋设在混凝土试件底面的I类预埋螺栓、控制螺杆和控制螺帽，两个I类预埋螺栓通过控制螺杆连接，且控制螺帽设在I类预埋螺栓和控制螺杆的连接处；所述测试系统包括埋设在混凝土试件侧面的两个II类预埋螺栓、测试螺杆、固定螺帽和数字千分表，一个II类预埋螺栓上通过固定螺帽固定有测试螺杆，另一个II类预埋螺栓上通过固定螺帽固定有数字千分表；

所述I类预埋螺栓包括金属杆和螺帽，所述螺帽焊接在金属杆的一端，螺帽的直径大于控制螺杆的直径；所述II类预埋螺栓包括金属杆A和金属帽，金属杆A的一端设有与金属杆A垂直方向的孔和沿金属杆A方向的螺孔，金属帽包括金属杆B和金属螺杆，金属杆B和金属螺杆焊接固定，金属杆B的直径大于金属螺杆的直径，金属螺杆的直径小于金属杆A上沿金属杆A方向的螺孔直径，金属螺杆的一段安装在金属杆A沿金属杆A方向的螺孔内。

2.根据权利要求1所述的制作混凝土试件自然裂缝的装置，其特征在于，所述两个II类预埋螺栓的连线与混凝土试件底面平行。

3.根据权利要求1所述的制作混凝土试件自然裂缝的装置，其特征在于，所述预应力加载螺帽用于通过调整加载螺帽在预应力加载螺杆上的位置控制预应力加载螺杆中的荷载大小。

4.根据权利要求1所述的制作混凝土试件自然裂缝的装置，其特征在于，所述控制螺帽用于通过调整两个I类预埋螺栓之间的距离控制混凝土试件裂缝的宽度。

5.根据权利要求1所述的制作混凝土试件自然裂缝的装置，其特征在于，所述金属杆A垂直方向的孔直径大于数字千分表与测试螺杆的直径。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的制作混凝土试件自然裂缝的装置，其特征在于，所述混凝土试件与混凝土试件预应力加载系统设置在加载试验机上，加载试验机用于对混凝土试件提供三点荷载作用。

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