CN108776101A - 一种考虑劈拉应力的混凝土接触溶蚀试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑劈拉应力的混凝土接触溶蚀试验装置：电脑终端实时通过液压传感器和垫条对混凝土试件施加劈拉应力，避免了一次施加荷载后，混凝土试件徐变所带来的应力松弛；盐溶液浓度控制装置可以实时控制溶液箱内部盐溶液的浓度，并进行调节；横梁使得混凝土试件下表面悬空，保证盐溶液溶蚀过程中对各个方向的一致性；经过一定时间的劈拉应力和溶蚀耦合作用后，电脑终端可以操控应力加载装置实现对混凝土试件的耐久性力学性能指标的测量。应力加载装置采用横向加载，避免试件间重力所引起的应力，使得试验数据更加精确。

Description

一种考虑劈拉应力的混凝土接触溶蚀试验装置

技术领域

本发明涉及一种考虑劈拉应力的混凝土接触溶蚀试验装置，具体地说是涉及一种可用于对比研究劈拉应力作用下混凝土接触溶蚀后耐久性的试验装置。

背景技术

混凝土面板常作为防渗结构广泛应用于土石坝、砌石坝、碾压混凝土坝的防渗系统及其加固工程中，尤其是现代面板堆石坝大多利用混凝土面板作为防渗和护坡结构，溢洪道和隧洞也广泛采用混凝土作为衬砌结构进行防渗、防护加固。世界上已经建成了许多高混凝土面板坝，未来二十年，我国将在西部地区建造多座混凝土面板坝，这些大坝工作条件严苛，其面板裂缝将是影响大坝安全的关键问题。大坝水头高，面板承受高水力梯度、高应力、高温差变化，混凝土面板裂缝和溶蚀是影响混凝土耐久性乃至水工建筑物安全的关键问题。

我国幅员辽阔，硫酸盐广泛存在内陆盐湖、地下水和沿海区域中。硫酸盐腐蚀环境中的混凝土钙离子结晶析出严重，水化产物流失并失去胶凝性，产生劣化效应；由硫酸盐腐蚀导致水利工程、铁路、公路的混凝土结构劣化并失效的报道屡见不鲜。另一方面，混凝土应力状态与密实性和孔隙率息息相关，孔隙率决定内部孔隙液体积，影响钙离子结晶析出量。水力梯度影响孔隙液与外部溶液物质交换的能力，对溶蚀劣化速率有不可忽视的作用。

早在上个世纪，人们就发现实际工程中混凝土面板的破坏应力比其极限应力的低得多，传统的强度理论不能解释工程实际中的混凝土脆断现象。上世纪60年代以来，科学家开始将断裂力学的概念运用于混凝土领域，将混凝土的开裂破坏分为起裂、扩展和失稳三个阶段，混凝土脆断现象得到了很好的解释。根据徐世烺双K断裂模型，混凝土耐久性指标体现为起裂韧度和失稳韧度混凝土内部的初始微裂缝为起裂提供了可能，在荷载作用下应力强度因子K增长达到起裂韧度后开始起裂并稳定扩展，继续增长达失稳韧度后裂缝扩展失稳并最终破坏。

在断裂过程中，混凝土工作环境中的盐类侵蚀与所受应力决定了混凝土中初始微裂缝的多少。在硫酸盐环境中，混凝土内部的不密实性使得水化产物Ca(OH)₂与接触生成不溶于水的石膏CaSo₄晶体，CaSo₄又与水化产物在水中生成钙矾石，即水泥杆菌。这些CaSo₄晶体和钙矾石在混凝土初始裂缝中产生、彼此联结，进一步扩大了初始裂缝宽度，在荷载作用下产生应力集中，从而导致宏观裂缝的开裂。较之未受侵蚀的混凝土，其断裂指标起裂韧度和失稳韧度会发生相应的变化。

目前，断裂力学的相关理论已在解释混凝土断裂破坏上趋于成熟，但实际工程应用中，面板面对的多场耦合作用如何使混凝土耐久性能发生劣化，如何量化这一劣化程度成为了新的问题。要研究这一问题，在试验中实现多场耦合作用显得尤为重要。

本发明考虑到高应力和硫酸盐溶蚀的耦合作用使得混凝土面板内部细小微裂缝发育扩展，进而发展成为宏观可见的表面裂缝，从而引起混凝土面板的强度失效。为研究这类问题，本发明采用带有预制裂缝的标准混凝土试件，在平行于预制裂缝的混凝土试件上下面各放置一个截面面积为1cm²的垫条，利用应力加载装置施加一定的荷载，并使试件浸泡在一定浓度的硫酸盐溶液中，对带有预制裂缝混凝土试件单独施加应力至一定龄期。最终测量混凝土的起裂韧度和失稳韧度以表征在一定应力作用下、一定浓度盐溶液溶蚀下、一定作用时间后，混凝土试件耐久性指标的变化情况。

发明内容

本发明目的是克服现有技术中的不足，提供一种考虑劈拉应力的混凝土接触溶蚀试验装置，其可用于研究混凝土试件在硫酸盐溶蚀和集中应力的耦合作用下耐久性的变化。利用电脑终端实时控制集中应力施加大小和盐溶液浓度，有效解决在应力施加过程中由于混凝土试件徐变而引起的应力松弛，研究混凝土试件在应力、溶蚀耦合条件下造成的混凝土劣化问题。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：

一种考虑劈拉应力的混凝土接触溶蚀试验装置，包括应力加载装置、液压传感器、盐溶液浓度传感器和电脑终端；其中，应力加载装置包括盐溶液、盐溶液控制装置、溶液箱、止水装置、垫条、横梁、预制裂缝和电阻式应变片。

应力加载装置为横向加载试验机，一次横向加载三个混凝土试件；液压传感器置于应力加载装置内部，与电脑终端建立实时信号传输；盐溶液浓度传感器位于应力加载装置的溶液箱中，与电脑终端建立实时信号传输；盐溶液浓度将通过盐溶液浓度控制装置实现实时监测并调节。

三个混凝土试件水平放置在相邻的两横梁上，电脑终端控制液压传感器缓慢施加应力的同时，将垫条放入平行于混凝土试件的预制裂缝的水平方向，用来传导水平集中线应力。

进一步改进，所述止水装置采用橡胶材料制作。

进一步改进，所述应力加载装置中的混凝土试件均为带有预制裂缝的混凝土试件，液压传感器和垫条提供劈拉应力，且为横向加载；盐溶液对混凝土试件溶蚀。

进一步改进，所述横梁不与混凝土试件的接触。

进一步改进，电脑终端通过盐溶液浓度传感器控制盐溶液控制装置的自动化阀门的开启，往溶液箱内注入适量的硫酸盐溶液至浸没混凝土试件，进而关闭自动化阀门，盐溶液浓度传感器实时监测溶液箱内盐溶液浓度的变化并进行浓度调整。

应力加载装置通过液压传感器和浓度传感器与电脑终端相连，应力加载装置前期可以对带有预制裂缝的混凝土试件施加一定应力，应力通过垫条将应力加载装置的面分布应力转换成线分布力，由于垫条界面尺寸仅为1cmX1cm，相对于边长为150mm的标准混凝土立方体试件较小，因此我们将其近似为线分布的集中应力，施加方向垂直于混凝土试件外表面，并平行于预制裂缝扩展方向。在施加一定应力后，混凝土试件随时间会发生一定程度的徐变，此时应力松弛，电脑终端通过液压传感器感知应力变化和徐变，将此时的应力水平实时调节到设计水平，从而保持混凝土试件在整个受压过程中承受一定的应力。同时在电脑终端设定硫酸盐溶液浓度，可以通过盐溶液浓度控制装置和浓度传感器实现盐溶液在溶液箱中的自动配置和浓度调整以及溶液排出，保证整个施加应力过程中，混凝土试件一直处于稳定浓度的盐溶液的溶蚀环境中。横梁的两个端部直接焊接在溶液箱上，混凝土试件则架在相邻的两横梁之间，横梁的设置能够使得混凝土试件脱离溶液箱的下表面，进而使混凝土试件的各个表面都能最大程度受到理论上程度一致的盐溶液的溶蚀破坏。止水装置的设置使得溶液箱两侧不至于因为应力加载装置与溶液箱由于加工工艺或者加载时导致两者存在间隙而引起溶液出流。止水装置可采用橡胶材质，在应力加载装置施加应力的同时，处于应力加载装置和溶液箱间的止水装置被夹紧。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

电脑终端实时通过液压传感器和垫条对混凝土试件施加劈拉应力，避免了一次施加荷载后，混凝土试件徐变所带来的应力松弛；盐溶液浓度控制装置可以实时控制溶液箱内部盐溶液的浓度，并进行调节；横梁使得混凝土试件下表面悬空，保证盐溶液溶蚀过程中对各个方向的一致性；经过一定时间的劈拉应力和溶蚀耦合作用后，电脑终端可以操控应力加载装置实现对混凝土试件的耐久性力学性能指标的测量。应力加载装置采用横向加载，避免试件间重力所引起的应力，使得试验数据更加精确。

附图说明

图1是本发明一种考虑劈拉应力的混凝土接触溶蚀试验装置原理示意图；

图2是本发明一种考虑劈拉应力的混凝土接触溶蚀试验装置应力加载装置示意图；

图3是本发明一种考虑劈拉应力的混凝土接触溶蚀试验装置应力加载装置侧面示意图；

图4是本发明一种考虑劈拉应力的混凝土接触溶蚀试验装置带有预制裂缝的混凝土试件应变片粘贴位置示意图。

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：

参见图1，一种考虑劈拉应力的混凝土接触溶蚀试验装置，包括应力加载装置1、液压传感器9、盐溶液浓度传感器10和电脑终端11。

应力加载装置1为横向加载试验机，一次横向加载3个试件，保证一组试件受力相同，同时横向加载相比于传统万能试验机竖向加载，可以避免上部的混凝土试件2重力对下部试件造成的应力，使得应力控制更加准确。液压传感器9置于应力加载装置内部，与电脑终端建立实时信号传输，可以实时显示、控制荷载施加大小，并转化成应力值。盐溶液浓度传感器位于应力加载装置1的溶液箱5中，与电脑终端建立实时信号传输，保证整个溶蚀过程中，盐溶液浓度不变。

如图2、图3中的应力加载装置1具体构成如下：

应力加载装置1包括盐溶液3、盐溶液控制装置4、溶液箱5、止水装置6、垫条7和横梁8，劈拉应力施加大小可由电脑终端11实现自动化控制，盐溶液3浓度将通过盐溶液浓度控制装置4实现实时监测并调节；止水装置6采用橡胶材料，变形能力大，能够随应力施加大小变形，有效防止了盐溶液3出流而引起的浓度降低。通过盐溶液控制装置4和止水装置6的相互结合，能够保证盐溶液浓度稳定。

图2中3个混凝土试件2同时受压和盐溶液3溶蚀，3个混凝土试件2水平放置在相邻的两横梁8上，电脑终端11控制液压传感器9缓慢施加应力的同时，将垫条7放入平行于混凝土试件2的预制裂缝12的水平方向，用来传导水平集中线应力。电脑终端11通过盐溶液浓度传感器10控制盐溶液控制装置4的自动化阀门的开启，往溶液箱6内注入适量的硫酸盐溶液至浸没混凝土试件2，进而关闭自动化阀门，盐溶液浓度传感器10实时监测溶液箱内盐溶液浓度的变化并进行浓度调整。

图4是经过一定时间高应力加载和一定浓度盐溶液3溶蚀后的带有预制裂缝的混凝土试件2。混凝土试件在浇筑时在其中心部位预制了50mmX4mm的裂缝，在裂缝两端粘贴有电阻式应变片。加载、溶蚀完毕后，将两个混凝土试件2取出，对剩余的试件持续加载，测量其在持续加载过程中的应变过程，破坏后，先后放入另两个试件进行持续加载。通过加载过程中的起裂荷载、极限荷载和对应的应变值，可以计算得到起裂韧度和断裂韧度等指标，以表征混凝土试件2在高应力溶蚀耦合作用下的劣化程度。

本发明中涉及的未说明部份与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种考虑劈拉应力的混凝土接触溶蚀试验装置，其特征在于，包括应力加载装置、液压传感器、盐溶液浓度传感器和电脑终端；其中，应力加载装置包括盐溶液、盐溶液控制装置、溶液箱、止水装置、垫条、横梁、预制裂缝和电阻式应变片；

应力加载装置为横向加载试验机，一次横向加载三个混凝土试件；液压传感器置于应力加载装置内部，与电脑终端建立实时信号传输；盐溶液浓度传感器位于应力加载装置的溶液箱中，与电脑终端建立实时信号传输；盐溶液浓度将通过盐溶液浓度控制装置实现实时监测并调节；

三个混凝土试件水平放置在相邻的两横梁上，电脑终端控制液压传感器缓慢施加应力的同时，将垫条放入平行于混凝土试件的预制裂缝的水平方向，用来传导水平集中线应力。

2.根据权利要求1所述的一种考虑劈拉应力的混凝土接触溶蚀试验装置，其特征是：所述止水装置采用橡胶材料制作。

3.根据权利要求1所述的一种考虑劈拉应力的混凝土接触溶蚀试验装置，其特征是：所述应力加载装置中的混凝土试件均为带有预制裂缝的混凝土试件，液压传感器和垫条提供劈拉应力，且为横向加载；盐溶液对混凝土试件溶蚀。

4.根据权利要求1所述的一种考虑劈拉应力的混凝土接触溶蚀试验装置，其特征是：所述横梁不与混凝土试件的接触。

5.根据权利要求1所述的一种考虑劈拉应力的混凝土接触溶蚀试验装置，其特征是：电脑终端通过盐溶液浓度传感器控制盐溶液控制装置的自动化阀门的开启，往溶液箱内注入适量的硫酸盐溶液至浸没混凝土试件，进而关闭自动化阀门，盐溶液浓度传感器实时监测溶液箱内盐溶液浓度的变化并进行浓度调整。