CN113176170A - 浮石混凝土冻胀应力测试装置及方法、试件及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种浮石混凝土冻胀应力测试用试件，包括基体部、辅助杆、应变片、保护套，应变片设置于辅助杆上，保护套套装于辅助杆的外部并覆盖应变片，基体部环绕辅助杆和保护套设置，应变片连接有导线，导线远离应变片的一端由基体部中引出。本发明还提供一种浮石混凝土冻胀应力测试用试件的制作方法。本发明提供了一种浮石混凝土冻胀应力测试方法，包括制作试件，对试件进行饱水处理，采集试件内部的冻胀应变。本发明同时提供了一种浮石混凝土冻胀应力测试装置，用于对浮石混凝土冻胀应力进行测试。本发明操作简单便捷，能够直接测得浮石混凝土的冻胀应变，不需要再套入模型进行冻胀应力的推导，数据较为直接准确。
Description
技术领域
本发明涉及冻土区低温条件下浮石混凝土测试技术领域，特别是涉及一种浮石混凝土冻胀应力测试装置及方法、试件及制作方法。
背景技术
我国有将近20％的国土面积属于冻土区，温度常年在0℃以下。在常年低温的冻土条件下，浮石混凝土孔隙水冻结时未冻水迁移产生的静水压力比普通混凝土更小，同时它的多孔特性也意味着有更多的孔隙水冻结从而提供更高的强度增量。冻土区浮石混凝土冻胀力和冻胀变形产生的原因主要是冻土区往往具有较大的冻结深度，且冻土含水率较高，浸入混凝土后在低温条件下，混凝土内的孔隙水从液态变为固态，体积增大产生在试件内部产生冻胀力并产生冻胀变形。变为固态的孔隙水中断了毛细孔和集料孔的连续性，降低了潜在的脆弱区域和应力集中区，从而浮石混凝土的抗压强度得到显著提升。
我国浮石资源丰富，以浮石为骨料，制备满足工程需求的轻质高强浮石混凝土已广泛的应用在冻土区的工程项目中。在恶劣的冻土区环境中，若能直接的进行混凝土试件内部冻胀应力的测定，省去其数据转换的环节并尽可能减少测定装置结构的复杂度，则可保证测定浮石混凝土结构内部的冻胀力数据的准确度和便捷度，对浮石混凝土抗压强度的增长规律的研究工作以及减少相关试验的操作难度起着至关重要的作用。
目前对于冻胀力领域的测试装置大多应用于土工试验领域，公开号为CN209588972U的专利，公开了一种土体冻胀力测试；公开号为CN207215736U的专利，公开了一种土体冻胀量、融沉变形量与冻胀力联合测定装置，它们都是应用于冻土区土体横向或竖向冻胀力测试，但其对于低温下混凝土内部孔隙水的冻胀力测试的可操作性不强。科研人员也选择通过位移传感器测量冻胀量，公开号为CN111551638A的专利，公开了一种低温饱和岩石冻融波速与变形实时测量方法，再套入冻胀力转换模型，然而目前对于这种转换并没有统一的理论模型做支撑，其数据的准确性和可靠度都难以得到保证。除此之外，大部分测量冻胀力的传统装置结构较为复杂，有一定的操作难度。
因此，如何改变现有技术中，低温条件下浮石混凝土冻胀应力测试操作难度较大的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种浮石混凝土冻胀应力测试装置及方法、试件及制作方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高浮石混凝土冻胀应力检测便捷性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种浮石混凝土冻胀应力测试用试件，包括基体部、辅助杆、应变片、保护套，所述基体部由浮石混凝土制成，所述应变片设置于所述辅助杆上，所述保护套套装于所述辅助杆的外部并覆盖所述应变片，所述基体部环绕所述辅助杆和所述保护套设置，所述基体部浇筑制成，所述应变片连接有导线，所述导线远离所述应变片的一端由所述基体部中引出。
优选地，所述辅助杆与所述基体部同轴设置，所述应变片与所述辅助杆的两径向端面之间的距离相等。
优选地，所述基体部为长方体结构，所述辅助杆为钢筋，所述保护套为PVC管。
优选地，所述保护套与所述辅助杆之间填充有保护层，所述保护层由环氧树脂材质制成。
本发明还提供一种浮石混凝土冻胀应力测试用试件的制作方法，在辅助杆上设置应变片，然后在所述辅助杆上套设保护套后组成应变测试单元；将所述应变测试单元安放于试件模具中，向所述试件模具内浇筑浮石混凝土，待完成所述浮石混凝土养护后拆除所述试件模具，形成试件；其中，所述保护套覆盖所述应变片并与所述辅助杆固定连接，所述应变片的连接导线引出至所述浮石混凝土的外部。
本发明还提供一种浮石混凝土冻胀应力测试方法，包括如下步骤：
步骤一、制作试件
在辅助杆上设置应变片，然后在所述辅助杆上套设保护套后组成应变测试单元；将所述应变测试单元安放于试件模具中，向所述试件模具内浇筑浮石混凝土，待完成所述浮石混凝土养护后拆除所述试件模具，形成所述试件；其中，所述保护套覆盖所述应变片并与所述辅助杆固定连接，所述应变片的连接导线引出至所述浮石混凝土的外部；
步骤二、对所述试件进行饱水处理；
步骤三、将所述导线与测试仪器相连，令所述试件处于低温环境中，采集所述试件内部的冻胀应变。
优选地，步骤二中，每三个所述试件为一组，设置三组所述试件进行平行试验，三组所述试件的吸水率分别为2％、4％、6％，利用保鲜膜对所述试件进行水下包裹。
优选地，步骤三中，将所述导线远离所述应变片的一端与应变测试仪相连，将所述试件放入高低温交变试验箱中，将所述高低温交变试验箱的温度范围设定为-30℃～20℃。
优选地，利用万用表与所述导线相连，检测所述应变片是否完好。
优选地，在进行步骤二之间，将所述试件放置在20±2℃、相对湿度大于95％的环境中养护28d。
本发明还提供一种浮石混凝土冻胀应力测试装置，包括试件模具和应变测试仪，所述试件模具能够成形测试用试件，由所述试件引出的导线能够与所述应变测试仪相连；所述试件模具包括底模、侧模、顶模，所述底模设置于所述侧模的底部，所述顶模设置于所述侧模的顶部，所述侧模为分体式结构。
优选地，所述底模的顶面具有与所述辅助杆相匹配的定位凹槽。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的浮石混凝土冻胀应力测试用试件，包括基体部、辅助杆、应变片、保护套，基体部由浮石混凝土制成，应变片设置于辅助杆上，保护套套装于辅助杆的外部并覆盖应变片，基体部环绕辅助杆和保护套设置，基体部浇筑制成，应变片连接有导线，导线远离应变片的一端由基体部中引出。本发明还提供一种浮石混凝土冻胀应力测试用试件的制作方法，利用本发明的试件，对浮石混凝土冻胀应力进行测试。本发明提供了一种浮石混凝土冻胀应力测试方法，包括制作试件，然后对试件进行饱水处理，将导线与测试仪器相连，令试件处于低温环境中，采集试件内部的冻胀应变。本发明同时提供了一种浮石混凝土冻胀应力测试装置，用于对浮石混凝土冻胀应力进行测试。
测试时，在低温环境下，吸水后的基体部的孔隙水冻结后膨胀，在混凝土内部产生冻胀应力，假设浮石混凝土中的孔隙是均匀分布的，因此孔隙水冻结产生的冻胀应力在混凝土内部任意一点也是均匀分布的。将贴有应变片的辅助杆埋设在基体部中，由于贴有应变片部分的辅助杆被保护套包裹住，不直接与浮石混凝土接触，当浮石混凝土发生低温冻胀时，通过应变片测得的辅助杆应变，与辅助杆的弹性模量相乘后即可求出浮石混凝土冻胀应力。本发明操作简单便捷，能够直接测得浮石混凝土的冻胀应变，不需要再套入模型进行冻胀应力的推导，数据较为直接准确，降低了浮石混凝土冻胀应力测试难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的浮石混凝土冻胀应力测试方法的工作示意图；
图2为本发明的浮石混凝土冻胀应力测试用试件的部分结构示意图；
图3为本发明的浮石混凝土冻胀应力测试装置的结构示意图；
图4为本发明的浮石混凝土冻胀应力测试装置的底模的结构示意图；
其中，1为基体部，2为辅助杆，3为应变片，4为保护套，5为导线，6为保护层，7为底模，8为侧模，9为顶模，10为定位凹槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种浮石混凝土冻胀应力测试装置及方法、试件及制作方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高浮石混凝土冻胀应力检测便捷性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1-4，其中，为本发明的浮石混凝土冻胀应力测试方法的工作示意图，图2为本发明的浮石混凝土冻胀应力测试用试件的部分结构示意图，图3为本发明的浮石混凝土冻胀应力测试装置的结构示意图，图4为本发明的浮石混凝土冻胀应力测试装置的底模的结构示意图。
本发明提供一种浮石混凝土冻胀应力测试用试件，包括基体部1、辅助杆2、应变片3、保护套4，基体部1由浮石混凝土制成，应变片3设置于辅助杆2上，保护套4套装于辅助杆2的外部并覆盖应变片3，基体部1环绕辅助杆2和保护套4设置，基体部1浇筑制成，应变片3连接有导线5，导线5远离应变片3的一端由基体部1中引出。
利用本发明的浮石混凝土冻胀应力测试用试件，能够方便地测试浮石混凝土冻胀应力，从而降低浮石混凝土冻胀应力测试难度。
在本发明的其他具体实施方式中，辅助杆2与基体部1同轴设置，应变片3与辅助杆2的两径向端面之间的距离相等，将应变片3设置在基体部1和辅助杆2的中心部位，确保应变片3能够采集辅助杆2的冻胀应变。
在制作试件时，可选择将基体部1制作为长方体结构，辅助杆2为钢筋，保护套4为PVC管，在避免应变片3与浮石混凝土直接接触的同时，还能够起到防水的作用，保证应变片3顺利工作。此处需要强调的是，保护套4的长度以能够覆盖应变片3为准，防止应变片3遇水，但是保护套4的长度不宜过长，避免影响应变片3感应辅助杆2产生的应变；一般保护套4的长度较应变片3的长度稍长，在本具体实施方式中，保护套4的两端凸出应变片3的两端的长度均为1-2mm，在进行试验时可根据具体需要进行调整。
具体地，保护套4与辅助杆2之间填充有保护层6，固定应变片3，同时为应变片3提供多一重保护，避免应变片3遇水失灵，保护层6由环氧树脂材质制成。
本发明还提供一种浮石混凝土冻胀应力测试用试件的制作方法，在辅助杆2上设置应变片3，然后在辅助杆2上套设保护套4后组成应变测试单元；将应变测试单元安放于试件模具中，向试件模具内浇筑浮石混凝土，待完成浮石混凝土养护后拆除试件模具，形成试件；其中，保护套4覆盖应变片3并与辅助杆2固定连接，应变片3的连接导线5引出至浮石混凝土的外部。利用本发明的浮石混凝土冻胀应力测试用试件的制作方法制作测试用试件，为浮石混凝土冻胀应力测试提供便利。
与此同时，本发明提供一种浮石混凝土冻胀应力测试方法，包括如下步骤：
步骤一、制作试件
在辅助杆2上设置应变片3，然后在辅助杆2上套设保护套4后组成应变测试单元；将应变测试单元安放于试件模具中，向试件模具内浇筑浮石混凝土，待完成浮石混凝土养护后拆除试件模具，形成试件；其中，保护套4覆盖应变片3并与辅助杆2固定连接，应变片3的连接导线5引出至浮石混凝土的外部；检测应变片3是否完好；
步骤二、对试件进行饱水处理；
步骤三、将导线5与测试仪器相连，令试件处于低温环境中，采集试件内部的冻胀应变。
本发明的浮石混凝土冻胀应力测试方法，在低温环境下，吸水后的基体部1的孔隙水冻结后膨胀，在混凝土内部产生冻胀应力，假设浮石混凝土中的孔隙是均匀分布的，因此孔隙水冻结产生的冻胀应力在混凝土内部任意一点也是均匀分布的。将贴有应变片3的辅助杆2埋设在基体部1中，由于贴有应变片3部分的辅助杆2被保护套4包裹住，不直接与浮石混凝土接触，当浮石混凝土发生低温冻胀时，通过应变片3测得的辅助杆2的应变，与辅助杆2的弹性模量相乘后即可求出浮石混凝土冻胀应力。
本发明还提供一种浮石混凝土冻胀应力测试装置，包括试件模具和应变测试仪，试件模具能够成形测试用试件，由试件引出的导线能够与应变测试仪相连；试件模具包括底模7、侧模8、顶模9，底模7设置于侧模8的底部，顶模9设置于侧模8的顶部，侧模8为分体式结构。底模7、侧模8、顶模9围成的空腔能够用于固定辅助杆2和浇筑浮石混凝土，底模7和顶模9分别与侧模8可拆卸连接，便于制作试件，侧模8为分体式结构，方便开模取出试件。
在制作试件时，为了便于固定辅助杆2，底模7的顶面具有与辅助杆2相匹配的定位凹槽10，避免辅助杆2在浮石混凝土浇筑时辅助杆2错位。
下面通过具体的实施例，对本发明的浮石混凝土冻胀应力测试方法，进行进一步地解释说明。
制作试件。制备浮石混凝土前需要对骨料进行预湿处理，将骨料放入水中浸泡2h，进行充分的吸水。将搅拌好的浮石混凝土分三层注入到测试装置中。测试装置尺寸为150mm×150mm×300mm，包括底模7、侧模8、顶模9，测试装置中心位置预设一根φ8带肋钢筋，钢筋中间位置打磨平整，粘贴应变片3，以测量钢筋因基体部1发生冻胀现象所产生的应变，并用环氧树脂对其进行包裹，以达到防水的目的。将钢筋上贴有应变片3的部分套入直径为10mm长度为20mm的PVC管内，防止该部分钢筋与浮石混凝土直接接触，避免在试件发生冻胀现象下，因钢筋与浮石混凝土之间的咬合作所引起的摩擦力所带来的系统误差影响，以保证测得的应变数据的准确性，用环氧树脂填充PVC管壁与钢筋之间的孔隙，待其固化以固定PVC管。将导线5从保护层6中引出至测试装置外，然后分三层浇筑浮石混凝土，每层浇筑高度约为整体高度的三分之一左右，在浇筑完每层后放置振动台震动30s，以确保混凝土密实。浇筑完成后，使用万用表连接导线5，测量应变片3电阻，若万用表所测得的电阻读数正确，则表示应变片3完好；若万用表读数不正确，则表示应变片3损坏，不使用该试件。24h后待试件成型拆模，放置在20±2℃、相对湿度大于95％的环境中养护28d。
养护工作结束后，再次使用万用表检测应变片3是否正常工作。取满足要求的试件，每三个试件为一组，进行平行试验。将试件分为三组，使用真空饱水仪进行饱水，使三组试件分别达到2％、4％、6％的吸水率，然后使用保鲜膜对试件进行水下包裹，以免浮石混凝土中的水分流失。
使用静态应变测试仪测试浮石混凝土降温过程中的冻胀应变，将饱水后的试件的导线5与应变测试仪相连接，然后将试件放入高低温交变试验箱，将交变箱温度范围设定为-30℃至20℃，启动交变温度箱开始降温，同时开启应变仪，采集试件内部的冻胀应变。
进行反复测定，在试验过程中，若每组三个试件中出现应变片3损坏而导致静态应变测试仪不能采集到冻胀应变数据，则舍弃该试件的测试数据。通过调节冷冻装置内的温度以及控制试件的吸水率来获得试件在低温条件下冻胀力和冻胀变形的数据及其变化趋势。
测定结束后，将导线5整理至导线盒内，取出装置整体待其体表温度回升至正常室温后拆解，试验结束。
冻胀力的计算方法：
σ＝E×ε (1)
式中：σ—材料受到的应力，MPa；
E—材料的弹性模量，MPa；
ε—材料的应变；
上式应用于本具体实施方式中时，上述材料具体指钢筋。
通过预先试验得到该钢筋的弹性模量E为8.41819×105MPa。将钢筋预设至试件内部后，在低温条件下其受浮石混凝土冻胀影响而产生应变，通过测试装置获得试件内部钢筋的冻胀应变ε，如表1所示。
表1浮石混凝土冻胀应变
将E与ε带入公式(1)，所得即为不同吸水率下的浮石混凝土冻胀应力随温度的变化，如表2所示。
表2浮石混凝土冻胀应力/MPa
采集结束后，关闭应变采集仪和高低温交变箱。将试件从高低温交变箱中取出，待其表面温度恢复至室温后拆解，将导线5整理至导线盒，试验结束。
利用本发明的浮石混凝土冻胀应力测试装置，操作简单便捷，直接测得浮石混凝土内部预埋钢筋的冻胀应变，不需要再套入模型进行冻胀应力的推导，数据较为直接准确。在混凝土冻胀应力计算领域有着较大的应用空间，可为低温下混凝土冻胀应力提升混凝土抗压强度机理研究奠定基础，可推广应用于冻土环境下的混凝土力学性能的研究工作。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种浮石混凝土冻胀应力测试用试件，其特征在于：包括基体部、辅助杆、应变片、保护套，所述基体部由浮石混凝土制成所述应变片设置于所述辅助杆上，所述保护套套装于所述辅助杆的外部并覆盖所述应变片，所述基体部环绕所述辅助杆和所述保护套设置，所述基体部浇筑制成，所述应变片连接有导线，所述导线远离所述应变片的一端由所述基体部中引出。
2.根据权利要求1所述的浮石混凝土冻胀应力测试用试件，其特征在于：所述辅助杆与所述基体部同轴设置，所述应变片与所述辅助杆的两径向端面之间的距离相等。
3.根据权利要求1所述的浮石混凝土冻胀应力测试用试件，其特征在于：所述基体部为长方体结构，所述辅助杆为钢筋，所述保护套为PVC管。
4.根据权利要求1所述的浮石混凝土冻胀应力测试用试件，其特征在于：所述保护套与所述辅助杆之间填充有保护层，所述保护层由环氧树脂材质制成。
5.一种浮石混凝土冻胀应力测试用试件的制作方法，其特征在于：在辅助杆上设置应变片，然后在所述辅助杆上套设保护套后组成应变测试单元；将所述应变测试单元安放于试件模具中，向所述试件模具内浇筑浮石混凝土，待完成所述浮石混凝土养护后拆除所述试件模具，形成试件；其中，所述保护套覆盖所述应变片并与所述辅助杆固定连接，所述应变片的连接导线引出至所述浮石混凝土的外部。
6.一种浮石混凝土冻胀应力测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、制作试件
在辅助杆上设置应变片，然后在所述辅助杆上套设保护套后组成应变测试单元；将所述应变测试单元安放于试件模具中，向所述试件模具内浇筑浮石混凝土，待完成所述浮石混凝土养护后拆除所述试件模具，形成所述试件；其中，所述保护套覆盖所述应变片并与所述辅助杆固定连接，所述应变片的连接导线引出至所述浮石混凝土的外部；
步骤二、对所述试件进行饱水处理；
步骤三、将所述导线与测试仪器相连，令所述试件处于低温环境中，采集所述试件内部的冻胀应变。
7.根据权利要求6所述的浮石混凝土冻胀应力测试方法，其特征在于：步骤二中，每三个所述试件为一组，设置三组所述试件进行平行试验，三组所述试件的吸水率分别为2％、4％、6％，利用保鲜膜对所述试件进行水下包裹。
8.根据权利要求6所述的浮石混凝土冻胀应力测试方法，其特征在于：步骤三中，将所述导线远离所述应变片的一端与应变测试仪相连，将所述试件放入高低温交变试验箱中，将所述高低温交变试验箱的温度范围设定为-30℃～20℃。
9.根据权利要求6所述的浮石混凝土冻胀应力测试方法，其特征在于：在进行步骤二之前，将所述试件放置在20±2℃、相对湿度大于95％的环境中养护28d。
10.一种浮石混凝土冻胀应力测试装置，其特征在于：包括试件模具和应变测试仪，所述试件模具能够成形测试用试件，由所述试件引出的导线能够与所述应变测试仪相连；所述试件模具包括底模、侧模、顶模，所述底模设置于所述侧模的底部，所述顶模设置于所述侧模的顶部，所述侧模为分体式结构。
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