CN111912686A - 混凝土水热养护及其应力应变一体化测试装置与测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了混凝土水热养护及其应力应变一体化测试装置与测试方法，它涉及土木工程材料测试技术领域；所述一体化测试装置由循环水浴系统、模具系统、应变监测系统和应力应变分析计算程序等部分构成；实现了水热非稳态养护过程中混凝土内部应力应变的全程自动化精准采集与分析，将传统接触式环向应变的采集转换为非接触式径向长度变化的采集，解决了采用粘贴电阻式应变计产生的数据漂移、测试结果重复率低以及水热非稳态条件对测试设备与数据采集过程的干扰等难题，适用于在水热养护环境中实时解析并呈现混凝土内部应力应变演化规律监测，为混凝土水热养护条件调控和性能优化提供支持。

Description

混凝土水热养护及其应力应变一体化测试装置与测试方法

技术领域

本发明属于土木工程材料测试技术领域，具体涉及混凝土水热养护及其应力应变一体化测试装置与测试方法。

背景技术

我国当前正处于高速铁路建设的黄金期，蒸汽养护混凝土预制构件的使用，例如轨道板、枕轨和简支箱梁，大大加快了我国高铁建设的步伐，缩短了工程建设周期，具有显著的经济效益。

然而，通过近些年的研究发现，采取水热或蒸汽等加速养护过程会对混凝土(制品)产生热伤损效应，导致混凝土(制品)易出现肿胀变形、孔隙结构粗化和热脆化等质量缺陷，这对混凝土预制构件的结构稳定与耐久性将造成不利影响。因此，抑制蒸汽养护混凝土(制品)的肿胀变形等热伤损效应的形成，需要厘清在水热或蒸汽养护等非稳态湿热耦合环境作用下，混凝土初始结构体系内部应力发展变化情况，明晰混凝土内部湿热应力与整体变形之间的关系，找到抑制或减轻混凝土内部肿胀应力与残余应力的方法与途径。这关系着我国高速铁路高品质高性能蒸汽养护混凝土预制构件的生产与应用，也关系着这些制品在服役过程中的养护维修与更换以及列车高速行驶时的平顺性与人的舒适性，是我国高铁建设事业中非常重要的研究工作。

混凝土应力应变特征与内部微观结构的发展演变紧密相关，同时也对混凝土的宏观性能及其变形能力有着较大的影响。当前，混凝土应力应变曲线的常规测试主要针对足龄期(如在标准恒温恒湿养护室养护至28天及以后)的混凝土试件，显然采取常规测试方法无法满足高速铁路蒸汽养护混凝土(制品)研究的实际需求。对于早龄期混凝土应力应变研究，美国ASTM和AASHTO提出了双钢环约束试验，即在混凝土凝结硬化以后，拆除外钢环，在内钢环内侧通过粘贴电阻式应变计对钢环应变进行监测，最后反算出混凝土内部应力大小，通过这种方法，可以反映出早龄期混凝土的收缩情况。

采取美国上述两机构提供的测试方法并加以改进，在外钢环外侧与内钢环内侧粘贴多组电阻式应变计，并将双钢环试模及其底座与混凝土一并放入蒸汽养护箱中进行养护与应变监测。但在上述监测过程中发现，电阻式应变计通过强力胶水与环氧树脂紧贴在钢环上，在逐渐升温的湿热环境中，有松动的迹象，使得数据不能采用；同时，电阻式应变计随着钢环的膨胀而发生变形，但在钢环降温后，该应变计的变形却不能完全恢复到测试之前，以至于若仍采用上述原位应变计进行下一批同配伍的混凝土应力应变重复验证实验时，往往得不到相似的结果，甚至结果差异较大；若全部更换并重新粘贴电阻式应变计，这又带来了人为测点定位与新应变计本身的误差。此外，上述两种混凝土收缩应力测试方法，试模尺寸非常大、高径比大小不一，因此，也并不适用于蒸汽养护混凝土的肿胀与收缩应力研究。

因此，研发适合我国蒸汽养护混凝土的养护及其应力应变一体化测试装置与测试方法尤为重要。

发明内容

为解决现有技术的缺陷和不足问题；本发明的目的在于提供一种结构简单，设计合理、使用方便的混凝土水热养护及其应力应变一体化测试装置与测试方法。

为实现上述目的，本发明采用的混凝土水热养护及其应力应变一体化测试装置，它包括由恒温水浴箱与循环水泵、蒸汽箱和蒸汽顶盖组成的循环水浴系统；由试模底座和测试钢环组成的模具系统；由应变采集仪、外钢环传感器支架、内钢环传感器悬架和电动升降导轨组成的应变监测系统；以及电子计算机和测试支架；所述的应变采集仪的上下端分别固定安装有电子计算机和恒温水浴箱与循环水泵，所述的恒温水浴箱与循环水泵的右端固定设置有测试支架，所述测试支架的上端中间固定安装有蒸汽箱，所述蒸汽箱顶面4边的中心位置上均固定安装有外钢环传感器支架，所述外钢环传感器支架上固定设置有用于电涡流传感器安装固定用的安装孔，所述蒸汽箱的上端安装有可拆卸式的试模底座，所述试模底座的上端安装有可拆卸式的测试钢环，所述蒸汽顶盖全覆盖在测试钢环内的测试样品上端，所述内钢环传感器悬架的下端穿过蒸汽顶盖并位于测试钢环的中心内腔中，所述蒸汽箱的左右两侧固定设置有电动升降导轨，且电动升降导轨固定安装在测试支架的上端，所述蒸汽顶盖和内钢环传感器悬架的左右两端均通过螺丝固定安装在电动升降导轨上。

作为优选，所述恒温水浴箱与循环水泵，水浴箱为容积20升的长方体，采用双层保温结构，材质为304不锈钢，箱内加热液体为自来水，控温范围在10～90℃，升温速率在0～20℃/h调节，控温精度为±0.8℃，所述恒温水浴箱与循环水泵，循环水泵数量为2个，固定安装在水浴箱左侧中部；循环水泵的进出水管均为内径14.3mm的PE塑料波纹管，进水管直接放在水浴箱底，2根出水管分别通入蒸汽箱和蒸汽顶盖的内部环绕三圈并绑扎固定好，剩余出水管插回水浴箱内；暴露在该一体化实现装置外的出水管用10mm厚的保温隔热棉紧密缠绕并绑扎好。

作为优选，所述蒸汽箱为边长500mm、高度100mm的长方体，材质为304不锈钢，4块侧板及底板厚度均为3mm，4块侧板均垂直焊接在底板顶面边缘上，左侧板中心距离底板12mm处开有宽30mm、高20mm的出水管方孔一，右侧板中心距离底板12mm处开有直径10mm的通孔一，通孔一外侧放置了一个塑料接水盒；蒸汽箱底板通过螺丝固定在测试支架顶面上；所述蒸汽箱底板顶面中心焊接了87mm高、外径和内径分别为160mm和175mm的2个圆环，材质为殷钢，热膨胀系数为1.5×10^-6/℃，弹性模量为145GPa；内外圆环厚度分别为10mm与20mm，形成95mm宽的环形加热内腔；腔体底部采用环氧树脂与防水胶密封并铺满一层10mm厚的保温隔热棉，腔体2内侧壁也粘贴满一层10mm厚的保温隔热棉，外圆环对应蒸汽箱2左侧板方孔位置开宽30mm、高20mm的出水管方孔一21，对应蒸汽箱2右侧板圆孔位置开有直径10mm的通孔一22，一根橡胶软管通过防水胶紧密粘接在外环圆孔内壁上并从蒸汽箱右侧板的通孔一伸出至塑料接水盒中；内圆环顶面粘贴一圈10mm宽、5mm厚的橡胶垫圈。

作为优选，所述蒸汽箱顶面，为1块边长为524mm、厚3mm的正方形304不锈钢板，板的4边向下垂直折边10mm并用螺丝固定在蒸汽箱的4块侧板外侧；在板的中心处开有直径450mm的圆孔，沿圆孔边垂直焊接一圈10mm高、3mm厚的304不锈钢长片，在长片底边再焊接了一块3mm厚、47mm宽的304不锈钢圆环，其表面粘贴一圈47mm宽、2mm厚的橡胶垫圈，该圆环刚好搭在蒸汽箱底板焊接的外圆环上。

作为优选，所述蒸汽顶盖，材质为304不锈钢，厚度为3mm，由截面半径为55mm的不锈钢半圆沿130mm平面半径逐步弯折而成，弯折后形成的外圈内径为185mm，内圈外径为75mm；外圈左侧距离底部10mm处开有宽30mm、高20mm的出水管方孔二，外圈两侧焊接有材质为304不锈钢、厚3mm的无底面板长方形盒，该不锈钢盒的长宽高分别为120mm、30mm和20mm，两侧通过螺丝固定在电动升降导轨上；外圈与内圈底边均通过防水胶粘贴有一圈3mm厚的U型橡胶圈，在蒸汽顶盖内侧形成两条接水槽。

作为优选，所述试模底座为直径440mm、厚度为8mm的304不锈钢圆板，在中心处刻有深度2mm、直径152mm的内钢环试模区；内钢环试模区外107mm范围为受热区，受热区按距离均匀钻通了4圈直径8mm的通孔二共计64个，同时布满一层1mm厚的塑料板；受热区外至圆板边为外钢环试模区，打磨2mm使该区域厚度为6mm，两侧边缘均焊接有304不锈钢扶手。

作为优选，所述测试钢环由75mm高，外径分别为400mm和150mm的外钢环与内钢环组成，厚度均为15mm，材质也为殷钢；外钢环内侧壁与内钢环外侧壁均粘贴满一层0.1mm厚的聚四氟乙烯薄膜。

作为优选，所述应变采集仪为全自动数据采集系统，拥有4组共8通道，每个通道通过5孔航空插头数据线连接自带的电涡流传感器，采集频率为1次/s或1次/min。

作为优选，所述外钢环传感器支架为4块50mm高、5mm厚的304不锈钢片，分别垂直焊接在蒸汽箱顶面4边中心位置，且在距离蒸汽箱顶面35mm中心处开有直径为8mm的圆孔，2组共4只电涡流传感器通过螺母固定在该圆孔上。

作为优选，所述内钢环传感器悬架，为1块3mm厚、边长为20mm的正方形304不锈钢片，其4边均沿平面方向继续延申了50mm后向下垂直折边20mm，形成长度为80mm的十字形不锈钢片，并在向下弯折的20mm正方形区域中心处开有直径为8mm的通孔三；在十字形不锈钢片顶面中心处垂直焊接一根直径5mm、长130mm的304不锈钢棒，不锈钢棒另一端则焊接在一根5mm厚、长600mm的304不锈钢条的中心，该钢条两端通过螺丝固定在电动升降导轨上，2组共4只电涡流传感器通过螺母固定在不锈钢片通孔三上，电动升降导轨下降的最低位置刚好是电涡流传感器对应内钢环的中心位置。

作为优选，所述电动升降导轨，运动轨迹为垂直方向，运动量程为500mm，升降速率为3mm/s，双臂最大载重为15Kg，通过“抬高”和“降低”两个按钮同时控制蒸汽顶盖和内钢环传感器悬架所处的高度。

作为优选，所述电子计算机通过应力应变分析计算程序对应变采集仪采集的测试钢环应变数据进行实时处理与解析，根据公式

自动计算每个电涡流传感器测的钢环径向长度变化并转换为同时刻的环向应变，再将各环向应变带入公式

分别自动计算内、外钢环的环向应变平均值，再将环向应变处理结果自动带入公式

分别自动计算出混凝土对应内、外钢环的径向应力，最后将径向应力计算结果自动带入到公式

自动求出混凝土作用在内环外侧上的环向残余应力；该应力应变分析计算程序可实时反馈并呈现测试钢环的应变变化特征与混凝土内部应力变化特征。

本发明采用的混凝土水热养护及其应力应变一体化测试方法，其特征在于：具体流程如下：

一：安装模具系统与测试样品成型：按下电动升降导轨的“抬高”按钮，将蒸汽顶盖和内钢环传感器悬架同时抬高至顶部；取出试模底座和测试钢环，在试模底座的塑料板和测试钢环侧壁的聚四氟乙烯薄膜上均匀涂覆少量润滑油；将新拌混凝土分2次浇筑在测试钢环内，每浇筑一次后将模具系统放在混凝土振动台上振动30s，在振捣过程中用手扶住试模底座两端扶手并紧压测试钢环，保证试模不漏浆、不跳模，使整个混凝土试件均匀密实；振动完成后，将试模底座和测试钢环安装在蒸汽箱顶面焊接的不锈钢圆环上；按下电动升降导轨的“降低”按钮，同时降低蒸汽顶盖和内钢环传感器悬架的高度，待蒸汽顶盖的内、外圈粘贴的U型橡胶圈轻轻接触混凝土顶面外侧边缘和测试钢环时，松开电动升降导轨的“降低”按钮，此时内钢环传感器悬架上的电涡流传感器对应内钢环中心位置；

二：安装应变监测系统并校准传感器初始位置：打开应变采集仪和电子计算机的电源，启动应力应变分析计算程序，设置应变采集仪采集频率为1次/s，根据应力应变分析计算程序显示的测试钢环与对应的电涡流传感器的实时间距，通过螺母调节电涡流传感器的位置，保证该间距在1.2～1.5mm内；

三：安装循环水浴系统并设置温升参数：向水浴箱内加入足量的自来水，自来水需至少浸没循环水泵50mm，打开电源开关，开启循环水泵，水浴温度设置为20℃，升温速率设置为0℃/h，待系统初步稳定；

四：采用循环水浴系统营造水热养护环境并进行数据采集：调节循环水浴系统升温速率至试验所需的要求；设定恒温养护时间；将应变采集仪采集频率设置为1次/min，将自动连续地对测试钢环的应变数据进行采集；

五：通过应力应变分析计算程序，对混凝土内部应力应变发展变化情况进行实时解析与呈现：应力应变分析计算程序

根据公式

(其中：环向应变ε_n，n为电涡流传感器编号，初始径向距离A₀，t时刻径向距离A_t，钢环外半径R_外)自动计算每个电涡流传感器测的钢环径向长度变化并转换为同时刻的环向应变，再将各环向应变带入公式

分别自动计算内、外钢环的环向应变平均值，再将环向应变处理结果自动带入公式

(其中：应变平均值ε，钢环弹性模量E，外钢环外径R_外外，外钢环内径R_外内，内钢环外径R_内外，内钢环内径R_内内)分别自动计算出混凝土对应内、外钢环的径向压应力与径向拉应力，最后将径向应力计算结果自动带入到公式

自动求出混凝土作用在内环外侧上的环向残余应力，并在电子计算机上实时反馈并呈现测试钢环的应变变化曲线与混凝土内部应力变化曲线。

本发明实现了对混凝土进行非稳态水热养护的同时，通过非接触式的技术手段对钢环应变数据的自动采集与处理，实时解析并反馈呈现混凝土内部应力的发展变化情况。

采用上述结构后，本发明有益效果为：本发明所述的混凝土水热养护及其应力应变一体化测试装置与测试方法，其循环水浴系统与模具系统的独特设计与应用，可连续地为上下加热腔体提供稳定热源，使得在对混凝土加热的同时，能有效避免对测试模具的热影响，从而进一步降低测试模具的变形，可避免应变采集的数据失真；其应变监测系统的应用，限定了传感器的监测位置，可避免人为测点定位不准的影响，将传统接触式环向应变的采集转换为非接触式径向长度变化的采集，可消除电阻式应变计产生的数据漂移与测试结果重复率低的问题，能使测试设备与测试模具在不接触的条件下，有效、连续且准确监测同一平面内测试模具的应变变化情况；其应力应变分析计算程序，通过内置编译的分析处理步骤，实现了在水热养护条件下实时自动化解析并呈现混凝土内部应力发展变化规律；上述各系统的综合应用，促成了混凝土水热养护及其应力应变测试的一体化效果，可在对混凝土采取水热养护的同时，获取其内部较为准确的应力变化数据，可通过测定的残余应力对水热或蒸汽养护制度以及混凝土配伍的优化提供技术支持；实现了水热非稳态养护过程中混凝土内部应力应变的全程自动化精准采集与分析并实时反馈测试结果，确保测试数据准确可靠可重复，实现连续测试与分析的自动化与智能化，本发明具有结构简单，操作简便，设置合理，制作成本低等优点。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中蒸汽箱的结构示意图；

图3为本发明中蒸汽箱内水管布置示意图；

图4为本发明中试模底座的结构示意图；

图5为本发明中测试钢环的结构示意图；

图6为本发明中蒸汽顶盖的结构示意图；

图7为本发明中蒸汽顶盖的结构示意图；

图8为本发明中蒸汽顶盖内水管布置示意图；

图9为本发明中内钢环传感器悬架的结构示意图；

图10为本发明的测试分析原理示意图；

图11为本发明的混凝土在水热养护环境中的测试结果。

图中：、恒温水浴箱与循环水泵1、蒸汽箱2、蒸汽顶盖3、试模底座4、测试钢环5、应变采集仪6、外钢环传感器支架7、内钢环传感器悬架8、电动升降导轨9、电子计算机10、测试支架11、出水管方孔一21、通孔一22、出水管方孔二31、通孔二41、通孔三81。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

如图1-图11所示，本具体实施方式的混凝土水热养护及其应力应变一体化测试装置，它包括由恒温水浴箱与循环水泵1、蒸汽箱2和蒸汽顶盖3组成的循环水浴系统；由试模底座4和测试钢环5组成的模具系统；由应变采集仪6、外钢环传感器支架7、内钢环传感器悬架8和电动升降导轨9组成的应变监测系统；以及电子计算机10和测试支架11；所述的应变采集仪6的上下端分别固定安装有电子计算机10和恒温水浴箱与循环水泵1，所述的恒温水浴箱与循环水泵1的右端固定设置有测试支架11，所述测试支架11的上端中间固定安装有蒸汽箱2，所述蒸汽箱2顶面4边的中心位置上均固定安装有外钢环传感器支架7，所述外钢环传感器支架7上固定设置有用于电涡流传感器安装固定用的安装孔，所述蒸汽箱2的上端安装有可拆卸式的试模底座4，所述试模底座4的上端安装有可拆卸式的测试钢环5，所述蒸汽顶盖3全覆盖在测试钢环5内的测试样品上端，所述内钢环传感器悬架8的下端穿过蒸汽顶盖3并位于测试钢环5的中心内腔中，所述蒸汽箱2的左右两侧固定设置有电动升降导轨9，且电动升降导轨9固定安装在测试支架11的上端，所述蒸汽顶盖3和内钢环传感器悬架8的左右两端均通过螺丝固定安装在电动升降导轨9上。

循环水浴系统，由恒温水浴箱与循环水泵1、加热液体、蒸汽箱2和蒸汽顶盖3构成：水浴箱为容积20升的长方体，采用双层保温结构，材质为304不锈钢，箱内加热液体为自来水，控温范围在10～90℃，升温速率在0～20℃/h调节，控温精度为±0.8℃；2个循环水泵固定安装在水浴箱左侧中部，循环水泵的进出水管均为内径14.3mm的PE塑料波纹管，进水管直接放在水浴箱底，2根出水管分别通入蒸汽箱2和蒸汽顶盖3的内部环绕三圈并绑扎固定好，剩余出水管插回水浴箱内，暴露在该一体化实现装置外的出水管用10mm厚的保温隔热棉紧密缠绕并绑扎好；蒸汽箱2为边长500mm、高度100mm的长方体，材质为304不锈钢，4块侧板及底板厚度均为3mm，4块侧板均垂直焊接在底板顶面边缘上，左侧板中心距离底板12mm处开有宽30mm、高20mm的出水管方孔一21，右侧板中心距离底板12mm处开有直径10mm的通孔一22，通孔一22外侧放置了一个塑料接水盒，蒸汽箱2底板通过螺丝固定在测试支架顶面上；蒸汽箱2底板顶面中心焊接了87mm高、外径和内径分别为160mm和175mm的2个圆环，材质为殷钢，热膨胀系数为1.5×10^-6/℃，弹性模量为145GPa；内外圆环厚度分别为10mm与20mm，形成95mm宽的环形加热内腔，腔体底部采用环氧树脂与防水胶密封并铺满一层10mm厚的保温隔热棉，腔体2内侧壁也粘贴满一层10mm厚的保温隔热棉，外圆环对应蒸汽箱2左侧板方孔位置开宽30mm、高20mm的出水管方孔一21，对应蒸汽箱2右侧板圆孔位置开有直径10mm的通孔一22，一根橡胶软管通过防水胶紧密粘接在外环圆孔内壁上并从蒸汽箱2右侧板的通孔一22伸出至塑料接水盒中，内圆环顶面粘贴一圈10mm宽、5mm厚的橡胶垫圈；蒸汽箱2顶面，为1块边长为524mm、厚3mm的正方形304不锈钢板，板的4边向下垂直折边10mm并用螺丝固定在蒸汽箱2的4块侧板外侧，在板的中心处开有直径450mm的圆孔，沿圆孔边垂直焊接一圈10mm高、3mm厚的304不锈钢长片，在长片底边再焊接了一块3mm厚、47mm宽的304不锈钢圆环，其表面粘贴一圈47mm宽、2mm厚的橡胶垫圈，该圆环刚好搭在蒸汽箱2底板焊接的外圆环上；蒸汽顶盖3，材质为304不锈钢，厚度为3mm，由截面半径为55mm的不锈钢半圆沿130mm平面半径逐步弯折而成，弯折后形成的外圈内径为185mm，内圈外径为75mm，外圈左侧距离底部10mm处开有宽30mm、高20mm的出水管方孔二31，外圈两侧焊接有材质为304不锈钢、厚3mm的无底面板长方形盒，该不锈钢盒的长宽高分别为120mm、30mm和20mm，两侧通过螺丝固定在电动升降导轨9上，外圈与内圈底边均通过防水胶粘贴有一圈3mm厚的U型橡胶圈，在蒸汽顶盖3内侧形成两条接水槽。

模具系统，由试模底座4和测试钢环5构成：试模底座4为直径440mm、厚度为8mm的304不锈钢圆板，在中心处刻有深度2mm、直径152mm的内钢环试模区，内钢环试模区外107mm范围为受热区，受热区按距离均匀钻通了4圈直径8mm的通孔二41共计64个，同时布满一层1mm厚的塑料板，受热区外至圆板边为外钢环试模区，打磨2mm使该区域厚度为6mm，两侧边缘均焊接有304不锈钢扶手；测试钢环5由75mm高，外径分别为400mm和150mm的外钢环与内钢环组成，厚度均为15mm，材质也为殷钢，外钢环内侧壁与内钢环外侧壁均粘贴满一层0.1mm厚的聚四氟乙烯薄膜。

应变监测系统，由应变采集仪6、外钢环传感器支架7、内钢环传感器悬架8和电动升降导轨9构成：应变采集仪6为全自动数据采集系统，拥有4组共8通道，每个通道通过5孔航空插头数据线连接自带的电涡流传感器，采集频率为1次/s或1次/min；外钢环传感器支架7为4块50mm高、5mm厚的304不锈钢片，分别垂直焊接在蒸汽箱2顶面4边中心位置，且在距离蒸汽2箱顶面35mm中心处开有直径为8mm的圆孔，2组共4只电涡流传感器通过螺母固定在该圆孔上；内钢环传感器悬架8为1块3mm厚、边长为20mm的正方形304不锈钢片，其4边均沿平面方向继续延申了50mm后向下垂直折边20mm，形成长度为80mm的十字形不锈钢片，并在向下弯折的20mm正方形区域中心处开有直径为8mm的通孔三81，在十字形不锈钢片顶面中心处垂直焊接一根直径5mm、长130mm的304不锈钢棒，不锈钢棒另一端则焊接在一根5mm厚、长600mm的304不锈钢条的中心，该钢条两端通过螺丝固定在电动升降导轨9上，2组共4只电涡流传感器通过螺母固定在不锈钢片通孔三81上，电动升降导轨9下降的最低位置刚好是电涡流传感器对应内钢环的中心位置；电动升降导轨9，运动轨迹为垂直方向，运动量程为500mm，升降速率为3mm/s，双臂最大载重为15Kg，通过“抬高”和“降低”两个按钮同时控制蒸汽顶盖3和内钢环传感器悬架8所处的高度。

应力应变分析计算程序：安装在电子计算机10内，对应变采集仪6采集的测试钢环5应变数据进行实时处理与解析，根据公式

自动计算每个电涡流传感器测的钢环径向长度变化并转换为同时刻的环向应变，再将各环向应变带入公式

分别自动计算内、外钢环的环向应变平均值，再将环向应变处理结果自动带入公式

分别自动计算出混凝土对应内、外钢环的径向应力，最后将径向应力计算结果自动带入到公式

自动求出混凝土作用在内环外侧上的环向残余应力；该应力应变分析计算程序可实时反馈并呈现测试钢环的应变变化特征与混凝土内部应力变化特征。

混凝土水热养护及其应力应变一体化测试方法，其特征在于：具体流程如下：

一：安装模具系统与测试样品成型：按下电动升降导轨的“抬高”按钮，将蒸汽顶盖3和内钢环传感器悬架8同时抬高至顶部；取出试模底座4和测试钢环5，在试模底座4的塑料板和测试钢环5侧壁的聚四氟乙烯薄膜上均匀涂覆少量润滑油；将称取好的砂、石加入到混凝土强制式搅拌机中，干拌60s后继续加入称取好的水泥、矿物掺合料等到混凝土强制式搅拌机中，继续干拌60s后向混凝土强制式搅拌机中倒入称取好的水、减水剂，继续湿拌120s后停止搅拌，得到混凝土测试样品；将新拌混凝土分2次浇筑在测试钢环5内，每浇筑一次后将模具系统放在混凝土振动台上振动30s，在振捣过程中用手扶住试模底座4两端扶手并紧压测试钢环5，保证试模不漏浆、不跳模，使整个混凝土试件均匀密实；振动完成后，将试模底座4和测试钢环5安装在蒸汽箱2顶面焊接的不锈钢圆环上；按下电动升降导轨9的“降低”按钮，同时降低蒸汽顶盖3和内钢环传感器悬架8的高度，待蒸汽顶盖3的内、外圈粘贴的U型橡胶圈轻轻接触混凝土顶面外侧边缘和测试钢环5时，松开电动升降导轨9的“降低”按钮，此时内钢环传感器悬架8上的电涡流传感器对应内钢环中心位置；

二：安装应变监测系统并校准传感器初始位置：打开应变采集仪6和电子计算机10的电源，启动应力应变分析计算程序，设置应变采集仪6采集频率为1次/s，根据应力应变分析计算程序显示的测试钢环5与对应的电涡流传感器的实时间距，通过螺母调节电涡流传感器的位置，保证该间距在1.2～1.5mm内；

三：设置循环水浴系统试验参数：打开恒温水浴箱与循环水泵1电源，向水浴箱内加入足量的自来水，自来水需至少浸没循环水泵50mm，开启循环水泵，水浴温度设置为20℃，升温速率设置为0℃/h，待系统初步稳定；

四：温升控制与数据采集：在该实施例中，水热养护环境最高恒温温度设置为60℃，升温时间为2h，恒温时间为8h；调节循环水浴系统参数，设置升温速率为20℃/h，同时设置待水浴箱内自来水温度达到60℃时，保持8h恒温状态；将应变采集仪6采集频率设置为1次/min，将自动连续地对测试钢环5的应变数据进行采集；

五：通过应力应变分析计算程序，对混凝土内部应力应变发展变化情况进行实时解析与呈现：应力应变分析计算程序根据公式

(其中：环向应变ε_n，n为电涡流传感器编号，初始径向距离A₀，t时刻径向距离A_t，钢环外半径R_外)自动计算每个电涡流传感器测的钢环径向长度变化率并转换为同时刻的环向应变，再将各环向应变带入公式

分别自动计算内、外钢环的环向应变平均值，再将环向应变处理结果自动带入公式

(其中：应变平均值ε，钢环弹性模量E，外钢环外径R_外外，外钢环内径R_外内，内钢环外径R_内外，内钢环内径R_内内)分别自动计算出混凝土对应内、外钢环的径向压应力与径向拉应力，最后将径向应力计算结果自动带入到公式

自动求出混凝土作用在内环外侧上的环向残余应力，并在电子计算机上实时反馈并呈现测试钢环5的应变变化曲线与混凝土内部应力变化曲线。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.混凝土水热养护及其应力应变一体化测试装置，其特征在于：它包含由恒温水浴箱与循环水泵(1)、蒸汽箱(2)和蒸汽顶盖(3)组成的循环水浴系统；由试模底座(4)和测试钢环(5)组成的模具系统；由应变采集仪(6)、外钢环传感器支架(7)、内钢环传感器悬架(8)和电动升降导轨(9)组成的应变监测系统；以及电子计算机(10)和测试支架(11)；所述的应变采集仪(6)的上下端分别固定安装有电子计算机(10)和恒温水浴箱与循环水泵(1)，所述的恒温水浴箱与循环水泵(1)的右端固定设置有测试支架(11)，所述测试支架(11)的上端中间固定安装有蒸汽箱(2)，所述蒸汽箱(2)顶面4边的中心位置上均固定安装有外钢环传感器支架(7)，所述外钢环传感器支架(7)上固定设置有用于电涡流传感器安装固定用的安装孔，所述蒸汽箱(2)的上端安装有可拆卸式的试模底座(4)，所述试模底座(4)的上端安装有可拆卸式的测试钢环(5)，所述蒸汽顶盖(3)全覆盖在测试钢环(5)内的测试样品上端，所述内钢环传感器悬架(8)的下端穿过蒸汽顶盖(3)并位于测试钢环(5)的中心内腔中，所述蒸汽箱(2)的左右两侧固定设置有电动升降导轨(9)，且电动升降导轨(9)固定安装在测试支架(11)的上端，所述蒸汽顶盖(3)和内钢环传感器悬架(8)的左右两端均通过螺丝固定安装在电动升降导轨(9)上。

2.根据权利要求1所述的混凝土水热养护及其应力应变一体化测试装置，其特征在于：所述的恒温水浴箱与循环水泵(1)为长方体双层保温结构，箱内加热液体为自来水，控温范围在10～90℃，升温速率在0～20℃/h调节，控温精度为±0.8℃；所述恒温水浴箱与循环水泵(1)内循环水泵数量为2个，固定安装在水浴箱左侧中部；进水管直接放在水浴箱底，2根出水管分别通入蒸汽箱(2)和蒸汽顶盖(3)的内部环绕三圈并绑扎固定好，剩余出水管插回水浴箱内；暴露在该一体化实现装置外的出水管用保温隔热棉紧密缠绕并绑扎好。

3.根据权利要求1所述的混凝土水热养护及其应力应变一体化测试装置，其特征在于：所述的蒸汽箱(2)为长方体结构，所述蒸汽箱(2)的左侧固定设置有出水管方孔一(21)，所述蒸汽箱(2)的右侧固定设置有通孔一(22)，所述通孔一(22)的外侧固定设置有接水盒，所述蒸汽箱(2)右侧的通孔一(22)通过软管与接水盒保持内部连通，所述蒸汽箱(2)的底板通过螺丝固定在测试支架(11)顶面上，所述蒸汽箱(2)底板顶面中心固定设置有内圆环和外圆环，所述内圆环和外圆环固定形成环形加热内腔，所述环形加热内腔底部固定设置有保温隔热棉，所述内圆环顶面固定设置有橡胶垫圈。

4.根据权利要求1所述的混凝土水热养护及其应力应变一体化测试装置，其特征在于：所述的蒸汽顶盖(3)的外圈左侧固定设置有出水管方孔二(31)，所述蒸汽顶盖(3)的外圈两侧均固定安装有无底面板长方形盒，所述无底面板长方形盒通过螺丝固定安装在电动升降导轨(9)上，所述蒸汽顶盖(3)内外圈的底边上均固定设置有U型橡胶圈，在蒸汽顶盖(3)内侧形成两条接水槽。

5.根据权利要求1所述的混凝土水热养护及其应力应变一体化测试装置，其特征在于：所述的试模底座(4)为圆板形结构，所述试模底座(4)从中心到外圈依次被划分成内钢环试模区、受热区和外钢环试模区，所述受热区上固定设置有数个通孔二(41)，所述受热区上固定设置有一层塑料板，所述外钢环试模区的左右两侧固定设置有扶手。

6.根据权利要求1所述的混凝土水热养护及其应力应变一体化测试装置，其特征在于：所述的测试钢环(5)固定由外钢环和内钢环组成；所述外钢环和内钢环的侧壁上固定设置有聚四氟乙烯薄膜。

7.根据权利要求1所述的混凝土水热养护及其应力应变一体化测试装置，其特征在于：所述的应变采集仪(6)为全自动数据采集系统，拥有4组共8通道，每个通道通过5孔航空插头数据线连接自带的电涡流传感器，采集频率为1次/s或1次/min。

8.根据权利要求1所述的混凝土水热养护及其应力应变一体化测试装置，其特征在于：所述的内钢环传感器悬架(8)的上端为T型结构，所述内钢环传感器悬架(8)的底端为十字形结构，所述十字形的四边边缘处均固定设置有向下的弯折板，所述弯折板上固定设置有通孔三(81)，所述电涡流传感器通过螺母固定在通孔三(81)上，所述内钢环传感器悬架(8)的上端两侧通过螺丝固定安装在电动升降导轨(9)上。

9.根据权利要求1所述的混凝土水热养护及其应力应变一体化测试装置，其特征在于：所述的电子计算机(10)通过应力应变分析计算程序对应变采集仪(6)采集的测试钢环(5)应变数据进行实时处理与解析，根据公式

自动计算每个电涡流传感器测的钢环径向长度变化并转换为同时刻的环向应变，再将各环向应变带入公式

分别自动计算内、外钢环的环向应变平均值，再将环向应变处理结果自动带入公式

分别自动计算出混凝土对应内、外钢环的径向应力，最后将径向应力计算结果自动带入公式

自动求出混凝土作用在内环外侧上的环向残余应力；该应力应变分析计算程序可实时反馈并呈现测试钢环(5)的应变变化特征与混凝土内部应力变化特征。

10.混凝土水热养护及其应力应变一体化测试方法，其特征在于：具体流程如下：

一：安装模具系统与测试样品成型：按下电动升降导轨(9)的“抬高”按钮，将蒸汽顶盖(3)和内钢环传感器悬架(8)同时抬高至顶部；取出试模底座(4)和测试钢环(5)，在试模底座(4)的塑料板和测试钢环(5)侧壁的聚四氟乙烯薄膜上均匀涂覆少量润滑油；将新拌混凝土分2次浇筑在测试钢环(5)内，每浇筑一次后将模具系统放在混凝土振动台上振动30s，在振捣过程中用手扶住试模底座(4)两端扶手并紧压测试钢环(5)，保证试模不漏浆、不跳模，使整个混凝土试件均匀密实；振动完成后，将试模底座(4)和测试钢环(5)安装在蒸汽箱(2)顶面焊接的不锈钢圆环上；按下电动升降导轨(9)的“降低”按钮，同时降低蒸汽顶盖(3)和内钢环传感器悬架(8)的高度，待蒸汽顶盖(3)的内、外圈粘贴的U型橡胶圈轻轻接触混凝土顶面外侧边缘和测试钢环(5)时，松开电动升降导轨(9)的“降低”按钮，此时内钢环传感器悬架(8)上的电涡流传感器对应内钢环中心位置；

二：安装应变监测系统并校准传感器初始位置：打开应变采集仪(6)和电子计算机(10)的电源，启动应力应变分析计算程序，设置应变采集仪(6)采集频率为1次/s，根据应力应变分析计算程序显示的测试钢环(5)与对应的电涡流传感器的实时间距，通过螺母调节电涡流传感器的位置，保证该间距在1.2～1.5mm内；

三：安装循环水浴系统并设置温升参数：向水浴箱内加入足量的自来水，自来水需至少浸没循环水泵50mm，打开电源开关，开启循环水泵，水浴温度设置为20℃，升温速率设置为0℃/h，待系统初步稳定；

四：采用循环水浴系统营造水热养护环境并进行数据采集：调节循环水浴系统升温速率至试验所需的要求；设定恒温养护时间；将应变采集仪(6)采集频率设置为1次/min，将自动连续地对测试钢环(5)的应变数据进行采集；

五：通过应力应变分析计算程序，对混凝土内部应力应变发展变化情况进行实时解析与呈现：应力应变分析计算程序根据公式

自动计算每个电涡流传感器测的钢环径向长度变化并转换为同时刻的环向应变，再将各环向应变带入公式

分别自动计算内、外钢环的环向应变平均值，再将环向应变处理结果自动带入公式

分别自动计算出混凝土对应内、外钢环的径向压应力与径向拉应力，最后将径向应力计算结果自动带入到公式

自动求出混凝土作用在内环外侧上的环向残余应力，并在电子计算机(10)上实时反馈并呈现测试钢环(5)的应变变化曲线与混凝土内部应力变化曲线。

Images