CN104729930B - 混凝土抗折试验机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工程检测试验技术领域。一种混凝土抗折试验机，包括主体框架、设置在主体框架上的试件加载夹具、加载装置、试件变形测试夹具和自动控制采集系统，所述的立柱上滑动套设有上加载梁和下加载梁，上加载梁和下加载梁之间的立柱上套设有高强弹簧，上加载梁和下加载梁分别与上加载单元和下加载单元对应顶紧设置。本发明的混凝土抗折试验机设计合理、结构简单、控制方式灵活、操作方便、环保高效、可准确获得混凝土弯曲破坏的应力‑应变曲线，因而易于推广实施。

Description

混凝土抗折试验机

技术领域

本发明涉及工程检测试验技术领域，特别是涉及一种混凝土抗折试验机。

背景技术

弯曲(抗折)强度和变形是混凝土的重要材料属性，在道路和机场工程中，混凝土弯曲(抗折)强度还是结构设计和质量控制的重要指标。实际中，由于弯曲加载模式相对于直接拉伸更易于实现，弯曲(抗折)试验常常作为评价混凝土抗拉性能的替代方法，但由于目前尚无统一适用的弯曲强度测试设备和变形测试装置，即使对同种类型的混凝土材料，不同研究人员所得的试验结果往往存在一定差异，同时，现有的多种测试弯曲变形装置的部分组件由于不能重复利用，造成了资源浪费，有些装置还需要将变形测试组件粘贴于试件上，所需的速凝胶水极易污染环境，其挥发气体还会对操作人员的健康造成危害，而且操作不便、测试效率低。因此,有必要开发一种简单、适用的混凝土抗折试验机，为科学研究和工程质量检测提供可靠保障。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种设计合理、结构简单、环保高效、能精准测试混凝土抗弯折强度和抗弯折变形能力的混凝土抗折试验机。

为达到上述目的，所采取的技术方案是：

一种混凝土抗折试验机，包括主体框架、设置在主体框架上的试件加载夹具、加载装置、试件变形测试夹具和自动控制采集系统，所述的主体框架包括承台、主梁、设置在承台底部的框架底座、和设置在承台与主梁之间的立柱，所述的加载装置包括设置在主梁上的上加载单元和设置在承台上的下加载单元，所述的立柱上滑动套设有上加载梁和下加载梁，上加载梁和下加载梁之间的立柱上套设有高强弹簧，上加载梁和下加载梁分别与上加载单元和下加载单元对应顶紧设置，所述的试件加载夹具包括分别对应设置在上加载梁和下加载梁上的上试件夹具单元和下试件夹具单元，上试件夹具单元与上加载梁之间通过联结轴连接。

所述的上加载单元包括与主梁上开设的螺孔匹配的上加载杆和设置在上加载杆顶部的加载转盘，所述的下加载单元包括与承台上开设的螺孔匹配的下加载杆和驱动下加载杆的驱动电机，所述的下加载杆底部外侧套设有导向套，导向套固定设置在框架底座上，所述的驱动电机与下加载杆之间通过变向传动齿轮传动连接；所述的上加载杆和下加载杆顶端均为球面结构，其分别与上加载梁和下加载梁之间形成点接触。

所述的上试件夹具单元包括依次设置的载荷传感器、上压板、呈U型槽状的上支座、与上支座通过联结轴连接的加载小梁和设置在加载小梁底部的加载辊，所述的加载小梁底部设有弧形凹槽，所述的加载辊匹配设置在弧形凹槽内，且加载辊两端与加载小梁之间设置有拉接弹簧，所述的上压板底部开设有滑动导槽，所述的上支座通过螺栓匹配连接设置在滑动导槽内。

所述的下试件夹具单元包括开设在下加载梁上的滑动导槽、通过螺栓匹配连接设置在滑动导槽内的下支座、和设置在下支座顶部的加载辊，所述的下支座顶部设有弧形凹槽，所述的加载辊匹配设置在弧形凹槽内，且加载辊两端与下支座之间设置有拉接弹簧，所述的下支座外侧还固定设置有侧挡板。

所述的试件变形测试夹具包括位移计主架、位移计副架和位移计，所述的位移计主架包括通过旋紧螺钉搭设固定在试件上的主架左肢、主架右肢、连接主架左肢和主架右肢并用来固定位移计的横杆，所述的横杆与主架右肢为一体结构，横杆与主架左肢对应处开设有条形槽，所述主架左肢上对应的旋紧螺钉穿过条形槽与试件顶紧固定；所述的位移计副架包括通过旋紧螺钉搭设固定在试件受弯变形区的副架本体、和设置在副架本体端部与位移计端部的顶珠对应匹配的顶板。

所述的试件变形测试夹具还包括有裂缝张开测量机构，所述的裂缝张开测量机构包括通过旋紧螺钉夹设固定在试件底部的加持卡具、顶板卡具、以及固定设置在加持卡具底部的变形传感器，所述的变形传感器端部顶设在顶板卡具下部伸出的测试挡板上。

所述的加持卡具和顶板卡具的加持点以试件中心左右对称布置。

所述的位移计为LVDT位移传感器。

采用上述技术方案，所取得的有益效果是：

(1)提供自动和手动两种加载方式，可适于于不同的测试目的和测试条件，如因断电电机无法工作，或者对控制条件更敏感的试验，如获得混凝土破坏应力-应变全曲线的下降段，使该仪器具有更强的适应性；

(2)荷载传感器上部联结轴和上支座联结轴的设置，使加载装置和试件的接触紧密，确保试件受力均匀，避免了因试件制作偏差对试验结果造成的不利影响；

(3)上支座和下支座的滑动调节结构可满足不同加载模式、不同试件尺寸的试验要求，扩展了试件加载夹具的适用性、灵活性；

(4)下支座试件定位挡板的设置便于快速装载和精准定位试件，提高试验效率和试验精度；

(5)试件变形测试夹具的设计使对试件和位移计的夹持更为方便、测试结果更精准、投入成本更低、操作更环保；

(6)试件纯弯段底部设置的裂缝张开测量机构可直接测试试件纯弯段裂缝的张开位移量，为对比分析提供了有价值的数据；

(7)本试验机采用LVDT位移计测定试件变形，避免因采用粘贴应变片方法带来的操作繁琐、成本较高的缺点；

(8)数据采集系统能实时记录试验过程中的数据并能对试验结果进行分析处理，给出合理的参数；

本发明的混凝土抗折试验机设计合理、结构简单、控制方式灵活、操作方便、环保高效、可准确获得混凝土弯曲破坏的应力-应变曲线，因而易于推广实施。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明试件变形测试夹具和加载装置的结构示意图之一。

图3为本发明试件变形测试夹具和加载装置的结构示意图之二。

图4为普通混凝土抗折破坏荷载-挠度全曲线图。

图5为钢纤维混凝土抗折破坏荷载-挠度全曲线图。

图中序号：图中：1为承台、2为主梁、3为框架底座、4为立柱、5为上加载梁、6为下加载梁、7为高强弹簧、8为联结轴、9为上加载杆、10为加载转盘、11为下加载杆、12为驱动电机、13为导向套、14为变向传动齿轮、15为载荷传感器、16为上压板、17为上支座、18为加载小梁、19为加载辊、20为拉接弹簧、21为滑动导槽、22为下支座、23为侧挡板、24为主架左肢、25为主架右肢、26为横杆、27为条形槽、28为旋紧螺钉、29为副架本体、30为顶板、31为加持卡具、32为顶板卡具、33为LVDT位移传感器、34为测试挡板、35为试件、36为计算机、37为控制器、38为调速变频器。

具体实施方式

以下结合附图对本的具体实施方式做详细说明。

实施例一：参见图1、图2，一种混凝土抗折试验机，包括主体框架、设置在主体框架上的试件加载夹具、加载装置、试件变形测试夹具和自动控制采集系统。

其中主机框架包括主梁2、承台1、左右两立柱4和框架底座3，所述的加载装置包括设置在主梁2上的上加载单元和设置在承台1上的下加载单元，所述的立柱4上滑动套设有上加载梁5和下加载梁6，上加载梁5和下加载梁6之间的立柱4上套设有高强弹簧7，上加载梁5和下加载梁6分别与上加载单元和下加载单元对应顶紧设置，所述的试件加载夹具包括分别对应设置在上加载梁和下加载梁上的上试件夹具单元和下试件夹具单元，上试件夹具单元与上加载梁之间通过联结轴8连接。

其中主机框架的承台1和框架底座3之间构成一箱体结构，并具有一定刚度，为下加载杆11、驱动电机12等传力组件的安装以及上部加载机构的安装提供牢固支撑，并为安装于其内部的各个组件提供防护。所述的左右立柱4分别固结在承台1左右两端的中心，所述的主梁2固结于左右立柱4顶部，构成了主机框架的加载结构，为荷载的施加提供反力。

所述的加载装置中的上加载单元为手动加载，下加载单元为自动加载。所述的上加载单元包括与主梁2上开设的螺孔匹配的上加载杆9和设置在上加载杆顶部的加载转盘10，加载转盘10与上加载杆9采用刚性连接，上加载杆9为螺杆，穿过主梁2中心设置的螺孔。加载转盘10顺时针旋转可使上加载杆9绕螺孔向下行进，顶紧上加载梁5。所述上加载杆9顶端为球面，与上加载梁5形成点接触，立柱4上套设的两个高强弹簧7的长度和弹性系数均相同，避免加载时上加载梁两端套孔与左右主柱产生弯矩。上加载梁5向下行进可带动连接在其下部中心的上试件夹具单元使试件受力，实现手动加载。所述的下加载单元的驱动电机12固定于框架底座3上，驱动电机12主轴连接变向传动齿轮14，变向传动齿轮14与下加载杆11中部设置的轮齿咬合，变向传动齿轮14的转动可带动下加载杆11做上升和下降行进运动，下加载杆11下部为光滑圆杆结构，套于导向套13中，保证下加载杆11的垂直稳定性。下加载杆11顶端也为球面结构，与下加载梁6形成点接触，下加载梁6与上加载梁5形成上下对称结构，当上加载梁5不动时，下加载梁5在电机推动下向上行进可带动连接在其上的下试件夹具单元使试件受力，实现由电机带动的自动加载。

所述的上试件夹具单元包括依次设置的载荷传感器15、上压板16、呈U型槽状的上支座17、与上支座17通过联结轴8连接的加载小梁18和设置在加载小梁18底部的加载辊19，上压板16底面中心左右方向设置滑动导槽21，上支座17通过滑动导槽21中的螺栓与上压板16连接，并可固定在上压板16的任意位置。加载小梁18采用联结轴8与上支座17进行联结，侧面上端呈圆锥型的加载小梁18可绕联结轴8转动，所述的加载小梁18底部设有弧形凹槽，所述的加载辊19匹配设置在弧形凹槽内，加载小梁18与加载辊19两端采用拉接弹簧20联结，这样可使上部加载组件与试件接触紧密，保证受力更为均匀。上压板16上端中心通过螺栓与荷载传感器15连接，荷载传感器15上端通过联结轴8联结在上加载梁5底面中心，所述联结轴8的设置可调整上加载板左右两侧加载辊轴与试件的接触程度，保证试件两侧受力均匀，从而获得更精准的试验数据。

所述的下试件夹具单元包括开设在下加载梁6上的滑动导槽21、通过螺栓匹配连接设置在滑动导槽内的下支座22和设置在下支座22顶部的加载辊19，下支座22通过螺栓和滑动导槽21与下加载梁6连接并固定，左边下支座22内外侧用螺钉固定一L型试件定位左侧挡板23，右边下支座22内侧固定一试件定位右侧挡板23。所述下支座22上设置加载辊19，所述的下支座22顶部设有弧形凹槽，所述的加载辊19匹配设置在弧形凹槽内，加载辊19通过两端的拉接弹簧20与下支座22联结，加载辊19转动灵活，保证加载的简支状态。

所述上压板16上的上支座17数量为左右两个，可根据试件加载段的长短进行滑动调整并固定在上压板上；当只用一个上支座时可实现三点加载的弯曲试验，使用两个上支座可实现三等分点加载的弯曲试验，所述下支座22的滑动调节可依据试件的大小调整跨距，上、下支座的滑动调节设计扩展了试件加载夹具的适用性、灵活性。所述试件的定位左侧挡板和试件定位右侧挡板的设置便于快速装载和精准定位试件，提高试验效率和试验精度。

所述的试件变形测试夹具包括位移计主架、位移计副架和位移计，所述的位移计主架包括通过旋紧螺钉搭设固定在试件35上的主架左肢24、主架右肢25和连接主架左肢24和主架右肢25并用来固定位移计的横杆26，所述的横杆26与主架右肢25为一体结构，横杆26与主架左肢24对应处开设有条形槽27，位移计主架右肢25和横杆26通过对应于右肢处的旋紧螺钉28将位移计主架固定在试件右端，主架左肢24通过旋紧螺钉28固定于试件35左端，左端的旋紧螺钉28穿入位移计主架左端相应于位移计主架左肢24处的条形槽27中，这种设计利于与试件的纵向变形协调。位移计主架左肢24和主架右肢25分别跨在试件35的左右两端，一方面对位移计起承托作用，另一方面通过位移计主架左肢24和主架右肢25上的旋紧螺钉正好固定于试件侧面纵向中心线与下支座垂直线交叉点，更便于对位移计主架进行定位和夹持。位移计主架的横杆26上设置位移计锁紧卡，通过锁紧卡将位移计固定在位移计主架上。所述的位移计副架包括通过旋紧螺钉搭设固定在试件受弯变形区的副架本体29、和设置在副架本体29端部与位移计端部的顶珠对应匹配的顶板30，位移计主架和副架随试件端部和中心位置的相对变化可由位移计进行记录。

所述的自动控制采集系统包括自动控制单元和数据采集单元，自动控制单元包括计算机36、控制器37、调速变频器38、电机12。自动控制单元的调速变频器38分别通过电缆与电机12和控制器37连接，控制器37通过电缆与计算机36连接。计算机控制软件发出的指令传输给控制器、控制器经过信号转换将控制信号传输给调速变频器，通过调速变频器实现对电机的转向和转速控制。

数据采集单元由荷载传感器15、LVDT位移传感器33、控制器37、计算机36、数据线和电缆等构成。数据采集系统的荷载传感器15和LVDT位移传感器33分别通过电缆与控制器37连接，并分别将模拟信号传递给控制器37，控制器将模拟信号转换成数字信号后通过电缆传递给计算机36，计算机通过软件记录并保存时时传来的数据。所述控制器集成了包括放大器、A/D转换器、微处理器(CPU)、存储器、通讯接口电路等组件。

实施例二：参见图1、图3，本实施例的结构与实施例一基本相同，相同之处不再重述，其不同之处在于：所述的试件底部设置有裂缝张开测量机构，所述的裂缝张开测量机构包括通过旋紧螺钉夹设固定在试件底部的加持卡具31、顶板卡具32、以及固定设置在加持卡具31底部的LVDT位移传感器33，所述的位移计端部顶设在顶板卡具32下部伸出的测试挡板34上，顶板卡具32和加持卡具31分别固定在小梁试件35三分点加载辊的垂直线上，以获取试件纯弯段裂缝的张开量。所述顶板卡具32和加持卡具31随试件变形增长发生相对移动，并带动LVDT位移传感器33直接测得试件纯弯段裂缝的张开位移量。

采用控制系统进行自动加载的弯曲试验时，计算机的控制软件发出指令，将控制信号传输给控制器，所述控制器经过信号转换后控制调速变频器按照设定的程序使电机运转带动加载机构动作，完成自动加载试验。数据采集系统的荷载传感器和LVDT位移传感器分别通过电缆与控制器连接，并分别将模拟信号传递给控制器，所述控制器将模拟信号转换成数字信号后通过电缆传递给计算机，所述计算机通过软件记录并保存时时传来的数据。

以下为本发明的试验验证，参见图4、图5：

采用本发明的混凝土抗折试验机测试了普通混凝土及钢纤维混凝土小梁试件的抗折性能。本实例中的试验概况及结果如下：

原材料为42.5级的普通硅酸盐水泥，Ⅱ级粉煤灰，粒径为5-20mm的石灰岩碎石，细度模数为3.0的中粗河砂，长度35mm、直径0.57mm的冷拉钢丝切断型钢纤维，聚羧酸高效减水剂，自来水。普通混凝土及钢纤维混凝土拌合物的单方配合比见表1。

表1：

混凝土单方配合比/kg

类型	粗骨料	细骨料	水泥	粉煤灰	水	钢纤维	减水剂
								普通混凝土	935.7	887.6	380.8	95.2	142.8	0.0	5.7
钢纤维混凝土	845.8	802.4	423.4	105.9	158.8	78.0	6.4

试验依据国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T500081-2002及《纤维混凝土试验方法标准》CECS 13-2009规定的方法进行。小梁试件尺寸为100mm×100mm×400mm，试件制备时将满足工作性要求的拌合物浇入试模，然后静置室内24小时拆模编号，放入标准养护室养护28天后进行抗折性能的试验，每组3个试件。所测两种类型混凝土抗弯折性能指标见表2，抗弯折破坏荷载-挠度全曲线见图4和图5。

表2：

由表2及图4和图5的试验结果可以看出，利用本发明的混凝土抗折试验机对两种类型混凝土小梁试件进行的抗折性能试验，所测得的强度值和变形值离散性均在10％以内，测试精度较高，通过数据采集系统可方便获得试件破坏的荷载-挠度全曲线。

Claims (6)

1.一种混凝土抗折试验机，其特征在于，包括主体框架、设置在主体框架上的试件加载夹具、加载装置、试件变形测试夹具和自动控制采集系统，所述的主体框架包括承台、主梁、设置在承台底部的框架底座、和设置在承台与主梁之间的立柱，所述的加载装置包括设置在主梁上的上加载单元和设置在承台上的下加载单元，所述的立柱上滑动套设有上加载梁和下加载梁，上加载梁和下加载梁之间的立柱上套设有高强弹簧，上加载梁和下加载梁分别与上加载单元和下加载单元对应顶紧设置，所述的试件加载夹具包括分别对应设置在上加载梁和下加载梁上的上试件夹具单元和下试件夹具单元，上试件夹具单元与上加载梁之间通过联结轴连接；所述的上试件夹具单元包括依次设置的载荷传感器、上压板、呈U型槽状的上支座、与上支座通过联结轴连接的加载小梁和设置在加载小梁底部的加载辊，所述的加载小梁底部设有弧形凹槽，所述的加载辊匹配设置在弧形凹槽内，且加载辊两端与加载小梁之间设置有拉接弹簧，所述的上压板底部开设有滑动导槽，所述的上支座通过螺栓匹配连接设置在滑动导槽内；所述的下试件夹具单元包括开设在下加载梁上的滑动导槽、通过螺栓匹配连接设置在滑动导槽内的下支座、和设置在下支座顶部的加载辊，所述的下支座顶部设有弧形凹槽，所述的加载辊匹配设置在弧形凹槽内，且加载辊两端与下支座之间设置有拉接弹簧，所述的下支座外侧还固定设置有侧挡板。

2.根据权利要求1所述的混凝土抗折试验机，其特征在于，所述的上加载单元包括与主梁上开设的螺孔匹配的上加载杆和设置在上加载杆顶部的加载转盘，所述的下加载单元包括与承台上开设的螺孔匹配的下加载杆和驱动下加载杆的驱动电机，所述的下加载杆底部外侧套设有导向套，导向套固定设置在框架底座上，所述的驱动电机与下加载杆之间通过变向传动齿轮传动连接；所述的上加载杆和下加载杆顶端均为球面结构，其分别与上加载梁和下加载梁之间形成点接触。

3.根据权利要求1所述的混凝土抗折试验机，其特征在于，所述的试件变形测试夹具包括位移计主架、位移计副架和位移计，所述的位移计主架包括通过旋紧螺钉搭设固定在试件上的主架左肢、主架右肢、和连接主架左肢和主架右肢并用来固定位移计的横杆，所述的横杆与主架右肢为一体结构，横杆与主架左肢对应处开设有条形槽，所述主架左肢上对应的旋紧螺钉穿过条形槽与试件顶紧固定；所述的位移计副架包括通过旋紧螺钉搭设固定在试件受弯变形区的副架本体、和设置在副架本体端部与位移计端部的顶珠对应匹配的顶板。

4.根据权利要求1所述的混凝土抗折试验机，其特征在于，所述的试件变形测试夹具包括有裂缝张开测量机构，所述的裂缝张开测量机构包括通过旋紧螺钉夹设固定在试件底部的加持卡具、顶板卡具、以及固定设置在加持卡具底部的位移计，所述的位移计端部顶设在顶板卡具下部伸出的测试挡板上。

5.根据权利要求4所述的混凝土抗折试验机，其特征在于，所述的加持卡具和顶板卡具的加持点以试件中心左右对称布置。

6.根据权利要求3或4所述的混凝土抗折试验机，其特征在于，所述的位移计为LVDT位移传感器。