CN110082223A - 一种用于混凝土耐久性试验的劈裂抗拉加载装置 - Google Patents

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宋鲁光
徐崭
王海
章嘉颖
吴浩
张浩浩
郜洁
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
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    • GPHYSICS
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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0058Kind of property studied
    • G01N2203/006Crack, flaws, fracture or rupture

Abstract

本发明公开了一种用于混凝土耐久性试验的劈裂抗拉加载装置,包括螺母、弹簧、上搁板、上底板、支架、下底板、混凝土试件,所述支架的下端固定于下底板上,上端依次从上底板和上搁板穿出后与螺母螺纹连接,所述上底板和上搁板之间设置有弹簧,所述上底板和下底板的对应位置固定有垫条,所述混凝土试件沿所述垫条左右对称设置于上底板和下底板之间,通过旋紧螺母压缩弹簧施加应力,并通过上底板和下底板上的垫条将应力传递至混凝土试件上,在混凝土试件中间竖向位置形成一个稳定的拉应力区域。该装置能够用于拉伸应力同环境因素共同作用下混凝土耐久性的试验,可以填补混凝土多因素耐久性研究的不足,具有重要的应用价值。

Description

一种用于混凝土耐久性试验的劈裂抗拉加载装置
技术领域
本发明涉及的是一种用于混凝土劈裂抗拉应力与环境因素协同作用下多因素耐久性试验加载装置,属于混凝土耐久性研究与测试技术领域,主要用于建筑、水利、桥梁和交通等领域。
背景技术
混凝土结构的耐久性问题一直以来都是土木建设工程领域的研究重点。由于耐久性不足而导致的混凝土结构过早失效的事件屡见不鲜,给国家带来巨大的经济损失。正因为此,国家对混凝土结构的服役寿命提出了相应的要求,特别是一些重要的战略性工程,比如跨海大桥、海底隧道等,都要求有至少一百年的服役寿命。因此,研究混凝土结构在服役环境下的损伤劣化机理,研究混凝土耐久性提升方法和评估混凝土结构服役寿命就成为近些年来结构混凝土领域的研究热点和难点。
进行混凝土结构在服役环境下的损伤劣化研究时,一种常用的方法是在实验室环境模拟实际工程环境条件下混凝土结构的损伤劣化。在进行实验室模拟时需要分析混凝土结构在实际服役环境下遭受哪些不利环境因素影响,哪些环境因素可能会对混凝土结构产生损伤劣化。同时,由于在实际工程中结构混凝土是在承受荷载的状态下运行的,在进行实际工程环境条件的模拟时,不但要对环境所处的温湿度、侵蚀性介质等进行模拟,还要对工程部位所承受的应力进行模拟。要求同时考虑工程部位所承受的应力及环境因素(温湿度、侵蚀性介质)对结构混凝土的共同作用。
结构混凝土在服役寿命期内承受的应力主要可以分为拉伸应力、弯曲应力、压缩应力以及疲劳荷载所带来的疲劳应力这几种作用形式。在目前考虑应力同环境因素共同作用对结构混凝土耐久性影响的研究,应力的作用形式主要有压缩应力、弯曲应力,相应的加载装置及方法如CN200820031924,CN201110268840和CN201420140819。但是拉伸应力同环境因素共同作用对结构混凝土耐久性的影响研究并不常见,究其原因在于混凝土是一种脆性材料,直接施加轴向拉伸荷载,极易由于某些位置产生应力集中现象,而发生脆断,导致试验失败,同时轴向拉伸加载装置设计加工比较困难,难以保证试验精度,试验结果也存在很大离散性。这些都导致研究拉伸应力同环境因素共同作用的耐久性研究比较滞后。在研究中,常用弯曲应力来近似替代拉伸应力研究应力同环境因素的共同作用。
发明内容
本发明的目的在于针对目前混凝土多因素耐久性测试技术中存在的不足和缺陷,利用混凝土劈裂抗拉试验可以间接测量混凝土抗拉强度的原理,以弹簧加载应力、设置拉杆及支撑稳定系统保持被加载试件长时间处于劈裂抗拉状态,同时以应力传感器长期监测试验过程中的应力水平,确保应力无松弛,且体积小巧便于移动的用于混凝土多因素耐久性测试的劈裂抗拉加载装置。
本发明采用如下技术方案:
一种用于混凝土耐久性试验的劈裂抗拉加载装置,包括螺母、弹簧、上搁板、上底板、支架、下底板、混凝土试件,所述支架的下端固定于下底板上,上端依次从上底板和上搁板穿出后与螺母螺纹连接,所述上底板和上搁板之间设置有弹簧,所述上底板和下底板的对应位置固定有垫条,所述混凝土试件沿所述垫条左右对称设置于上底板和下底板之间,通过旋紧螺母压缩弹簧施加应力,并通过上底板和下底板上的垫条将应力传递至混凝土试件上,在混凝土试件中间竖向位置形成一个稳定的拉应力区域。
更进一步地,所述上底板和下底板的左右两侧分别设有L形限位板。
更进一步地,所述混凝土试件为立方体试件所述混凝土试件位于上底板、下底板和L形限位板所限定的空间中。
更进一步地,所述垫条为半圆柱形。
更进一步地,在所述混凝土试件的竖向中间位置粘贴有应变片。
更进一步地,所述上底板和下底板均为矩形,所述垫条的两端位于上底板和下底板的长边中点,所述垫条与上底板和下底板的长边相垂直。
本发明的有益效果如下:
1.加载装置以劈裂抗拉代替轴向拉伸,可避免轴向拉伸时出现的对中困难及由于应力集中及引起的混凝土脆断。提高试验成功率和准确性。通过支架和限位板限制混凝土试件在试验过程中的移动,以应力传感器或应变片监控试验应力的变化,实时调整,减少实验误差。
2.加载装置体积小,便于移动,可将试验装置放置于冻融循环试验机、碳化箱、腐蚀溶液浸泡池、干湿循环试验机或环境试验箱中进行耐久性试验。
3.加载装置采用不锈钢制作,可以保证实验过程中不会因腐蚀性介质对加载装置的腐蚀而带来的应力损失。
4.采用弹簧进行弹性加载,避免硬加载时试件的破坏,同时应力值可控,可进行高应力比的加载要求。
5.加载装置可根据被测试试样的尺寸、形状调整限位板位置,满足多种尺寸和形状试件的试验需求。
附图说明
图1是劈裂抗拉加载装置及组件。
图2是劈裂抗拉加载装置正视图。
图3是采用本发明装置实施案例的具体结果:加载前后自由氯离子浓度变化。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明用于混凝土耐久性试验的劈裂抗拉加载装置如图1和2所示,包括:螺母1、弹簧2、上搁板3、上底板4、支架5、下底板6、垫条7、限位板8、混凝土立方体试件9。该装置中,上底板4和下底板6中间位置固定半圆柱形垫条7,上底板4和下底板6左右两侧分别设有L形限位板8,上底板4、下底板6和上搁板3在四角相同位置处开有圆孔。支架5底部与下底板6相连接,支架5上部有螺纹。上底板4可穿过支架5与下底板6共同对混凝土试件9施加劈裂抗拉应力。弹簧2套在支架5上并位于上底板4和上搁板3之间,螺母1位于上搁板3上部,支架5上部通过螺母1固定。
装置加工时,加工相同尺寸的上下底板和上搁板,上下底板使用较厚的不锈钢制作,上搁板使用较薄的不锈钢制作,在上下底板和上搁板四角相同位置处加工四个圆孔,上底板同上搁板孔尺寸比下底板稍大。上下底板中间位置安装半圆柱形垫条,垫条两端位于上下底板长边中点,且与上下底板长边相垂直。在上下底板左右两侧安装可调整限位板,限位板位置可根据试件尺寸进行调整。制作四根支架,支架下部同下底板固定连接在一起,上部加工出螺纹。
将混凝土试件放置在下底板中间垫条上,并调整限位板限制其移动,将上底板插入支架中,并使垫条置于试件上部,同时调整限位板,使试件左右对称,并保持平行位置,固定限位板。将弹簧套入支架中,并在其上装入上搁板,拧紧螺母,根据要求对弹簧施加相应的应力。
该装置中,上底板和下底板中间位置固定半圆柱形垫条,上底板和下底板左右两侧分别设有L形限位板,上底板、下底板和上搁板在四角相同位置处开有圆孔。支架底部与下底板相连接,支架上部有螺纹。上底板可穿过支架与下底板共同对混凝土试件施加劈裂抗拉应力,同时限位板可限制混凝土试件移动。弹簧套在支架上并位于上底板和上搁板之间,螺母位于上搁板上部,螺母将应力传感器通过支架压在上搁板上,支架上部通过螺母固定。
在使用该装置进行多因素耐久性试验时,首先成型同配比混凝土立方体试件,取其中三块进行劈裂拉伸实验,确定其劈裂拉伸破坏应力和劈裂抗拉强度。利用本发明装置对其余立方体试件加载。施加应力时应采用试验机缓慢加载至指定应力水平,并保持应力水平不变,同时旋紧螺母。加载过程中使用应力传感器或在试件中间位置粘贴应变片,实时监控应力水平。加载完毕后将加载装置放于需要进行耐久性试验的实验设备(冻融循环试验机、碳化箱、腐蚀溶液浸泡池、干湿循环试验机或环境试验箱)中。待达到指定试验时间后取出,测量其耐久性指标的变化情况,以研究在应力和环境因素共同作用下混凝土的耐久性。
实验1:
混凝土配合比(kg/m3):水泥-184,矿渣-276,细骨料-722,粗骨料-1129,水-,减水剂-2.5
根据上述配比,拌制混凝土并浇筑边长为100mm的立方体试件,在实验室静置24h后拆模并放入标准养护室养护至指定龄期后取出。使用压力试验机测试其劈裂抗拉强度。根据其劈裂抗拉破坏应力及劈裂抗拉强度,确定施加应力水平为0.5时的加荷应力。将立方体试件安装至加载装置中后放置于压力试验机上,加载确定的加荷应力,旋紧螺母。在此过程中使用应力传感器或应变片监控其应力水平变化。后将加载装置放置于氯离子腐蚀溶液中浸泡6个月,钻孔取样测定其纯拉伸区域氯离子浓度随深度变化。测得的氯离子浓度变化规律如图3所示。
本发明的装置的特点如下:
1.以劈裂抗拉代替轴向拉伸间接测试混凝土试件在拉伸应力作用下的耐久性
根据劈裂抗拉试验间接测试混凝土抗拉强度的原理,设计以劈裂抗拉代替轴向拉伸间接施加拉应力,并可以稳定保持被加载试件长时间处于劈裂抗拉状态的加载装置。该装置以旋紧螺母压缩弹簧的方式施加应力,并通过上下底板中间垫条将应力传递至混凝土试件上,在试件中间竖向位置形成一个稳定的拉应力区域。
2.劈裂抗拉加载的稳定问题
试验装置通过连接在下底板上的支架将上底板、弹簧、上搁板和螺母串联在一起,同时上下底板设置可以调节的L形限位板,可以根据加载试件尺寸进行调整,限制加载试件在试验过程中的移动,提高加载装置的稳定性。
3.弹簧加载装置在长期持荷过程中的应力松弛
可通过应力传感器实时监测加载装置的应力变化,当发现出现应力损失时,即通过旋紧螺母使之恢复原始应力。同时可在试件竖向中间位置粘贴应变片,监测试件表面拉应力变化情况。
4.与耐久性试验相结合问题
试验装置体积小巧便于移动,使用不锈钢制作,可将试验装置放置于冻融循环试验机、碳化箱、腐蚀溶液浸泡池、干湿循环试验机或环境试验箱中,研究拉伸应力同环境因素共同作用下混凝土的耐久性。
综上所述,本发明利用混凝土劈裂抗拉试验可以间接测量其抗拉强度的原理,设计一种可以用于混凝土耐久性试验的长时间持荷的劈裂抗拉加载装置。该装置可实现在混凝土特定区域产生持续稳定的拉伸应力。该装置能够用于拉伸应力同环境因素共同作用下混凝土耐久性的试验,可以填补混凝土多因素耐久性研究的不足,具有重要的应用价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于混凝土耐久性试验的劈裂抗拉加载装置,其特征在于:包括螺母(1)、弹簧(2)、上搁板(3)、上底板(4)、支架(5)、下底板(6)、混凝土试件(9),所述支架(5)的下端固定于下底板(6)上,上端依次从上底板(4)和上搁板(3)穿出后与螺母(1)螺纹连接,所述上底板(4)和上搁板(3)之间设置有弹簧(2),所述上底板(4)和下底板(6)的对应位置固定有垫条(7),所述混凝土试件(9)沿所述垫条(7)左右对称设置于上底板(4)和下底板(6)之间,通过旋紧螺母(1)压缩弹簧(2)施加应力,并通过上底板(4)和下底板(6)上的垫条(7)将应力传递至混凝土试件(9)上,在混凝土试件(9)中间竖向位置形成一个稳定的拉应力区域。
2.根据权利要求1所述的一种用于混凝土耐久性试验的劈裂抗拉加载装置,其特征在于:所述上底板(4)和下底板(6)的左右两侧分别设有L形限位板(8)。
3.根据权利要求2所述的一种用于混凝土耐久性试验的劈裂抗拉加载装置,其特征在于:所述混凝土试件(9)为立方体试件,所述混凝土试件(9)位于上底板(4)、下底板(6)和L形限位板(8)所限定的空间中。
4.根据权利要求1所述的一种用于混凝土耐久性试验的劈裂抗拉加载装置,其特征在于:所述垫条(7)为半圆柱形。
5.根据权利要求1所述的一种用于混凝土耐久性试验的劈裂抗拉加载装置,其特征在于:在所述混凝土试件(9)的竖向中间位置粘贴有应变片。
6.根据权利要求1所述的一种用于混凝土耐久性试验的劈裂抗拉加载装置,其特征在于:所述上底板(4)和下底板(6)均为矩形,所述垫条(7)的两端位于上底板(4)和下底板(6)的长边中点,所述垫条(7)与上底板(4)和下底板(6)的长边相垂直。
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