CN113405911B - 同步测量混凝土受拉和受压徐变的实验装置及实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种同步测量混凝土受拉和受压徐变的实验装置及实验方法，该装置包括：实验组装置：用以对实验组试件的两个节段分别产生变形量相同的受拉和受压变形，并测量得到加载的压力以及受压或受拉节段的受力，以此判断受压徐变缩短量与受拉徐变伸长量之间的关系；对照组装置：用以在无加载条件下测量得到因试件发生收缩现象产生的应力，并将该应力的一半作为受压或受拉部分的受力的影响量。与现有技术相比，本发明具有消除误差、考虑收缩对混凝土徐变量测量的影响、简化计算等优点。

Description

同步测量混凝土受拉和受压徐变的实验装置及实验方法
技术领域
本发明涉及多种混凝土试件收缩徐变实验领域，尤其是涉及一种同步测量混凝土受拉和受压徐变的实验装置及实验方法。
背景技术
混凝土材料具有材料来源广泛、强度高、成本低、施工方便、耐久性强等特点，因而成为使用最为广泛的建筑材料。混凝土通常指将水泥、砂、石子按一定比列混合，加入水搅拌而成的建筑材料。经过几个世纪的长期发展，混凝土有了更广阔的的应用空间，在拌制混凝土时，可根据应用场景加入不同的添加剂以满足使用要求，如高效减水剂、减缩剂、防冻剂、微膨胀剂、缓凝剂及速凝剂等；也可通过改变混凝土材料或制造方式来增强混凝土的性能，如钢纤维混凝土、纤维增强混凝土、再生混凝土、轻集料混凝土以及加气混凝土等，这些混凝土通过特殊的添加物或工艺，大大改善了混凝土的性能，增加了材料的适用范围。
混凝土有着卓越的性能和性价比，但其缺陷也较为突出。首先混凝土抗拉性能较弱，约为抗压强度的7％～14％，在承受较低的拉应力时便会开裂破坏，严重影响结构的耐久性和安全性。其次，混凝土并不是一种理想的完全弹性材料，长期使用时，徐变和收缩问题较为突出。在超高层建筑中，由于混凝土收缩、徐变等非荷载效应，竖向构件会产生变形和应力重分配，这会降低结构的使用性能，引起一系列安全问题，如水平构件倾斜、楼板和墙体开裂、装饰层破坏、设备和管道损毁、电梯运行故障等，由于混凝土徐变和收缩是不可避免的，因此建立准确预测徐变和收缩的模型已成为当前研究的热点。
徐变是混凝土在持续荷载下的持续变形。当混凝土承受外荷载时，会产生一个瞬时弹性变形，随着加载时间的增加，虽然外荷载大小不变，但混凝土的变形量依然会缓慢增加，其中随时间增加的变形为混凝土的徐变变形。混凝土徐变测试方法包括压缩测试和拉伸测试。压缩测试实验较为简单，是研究混凝土压缩徐变最常用的方法，但拉伸测试由于加载困难、变形不易被测量等原因研究很少，且混凝土在徐变过程中还会持续产生收缩，造成测量误差，由于拉伸徐变研究很少，当前在计算混凝土拉伸徐变时普遍认为与压缩徐变具有相同的规律，这会带来显著误差。
为研究混凝土在承受压应力与拉应力时的徐变差异，必须同时对混凝土进行受压与受拉两种徐变实验，并且需要在实验过程中减小实验误差，方便对比混凝土受拉和受压的徐变差异。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种同步测量混凝土受拉和受压徐变的实验装置及实验方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种同步测量混凝土受拉和受压徐变的实验装置，该装置包括：
实验组装置：用以对实验组试件的两个节段分别产生变形量相同的受拉和受压变形，并测量得到加载的压力以及受压或受拉节段的受力，以此判断受压徐变缩短量与受拉徐变伸长量之间的关系；
对照组装置：用以在无加载条件下测量得到因试件发生收缩现象产生的应力，并将该应力的一半作为受压或受拉部分的受力的影响量。
所述的实验组装置由两个压力传感器、一个液压千斤顶、含有两个预埋件的实验组试件、一个钢垫块、三块垫板、三组螺杆和配套的螺母组成，具体包括由下至上依次设置的垫板C、垫板B和垫板A、固定在垫板A与垫板B之间的实验组试件、设置在垫板C上表面的液压千斤顶、安装在液压千斤顶与垫板B下表面之间用以测量加载压力的压力传感器B、设置在试件底面的钢垫块A以及设置在垫板B上表面与钢垫块A之间用测量受压或受拉部分受力的压力传感器A，所述的垫板A通过A组螺杆与垫板B固定连接，使得垫板A与垫板B之间的距离固定不变，所述的垫板A通过B组螺杆与试件上部的预埋件A固定连接，使得垫板A与预埋件A之间距离无法增加，所述的垫板C通过C组螺杆无接触地穿过垫板B后与试件中部的预埋件B固定连接，使得预埋件B与垫板C之间距离无法增加。
所述的垫板A、垫板B和垫板C结构相同，均呈方形，且在对应安装位置处开设固定螺杆的孔洞。
所述的预埋件A设置在实验组试件上部近顶面位置处，所述的预埋件B设置在实验组试件中部位置处，所述的预埋件A和预埋件B将实验组试件分为分别产生变形量相同的受拉和受压变形的两个节段，位于在预埋件A和预埋件B之间的实验组试件为受拉的节段A，位于预埋件B和钢垫块A之间的实验组试件为受压的节段B。
所述的预埋件A和预埋件B结构相同，均呈方形，且分别与长方体型的实验组试件错位浇筑一体成型，所述的预埋件A和预埋件B的四个角区分别设有固定螺杆的孔洞，并且中部设有多个方孔，用以在浇筑混凝土时增大预埋件与混凝土的接触面积，使预埋件与混凝土连接更稳固。
所述的对照组装置由一个压力传感器、含有两个预埋件的对照组试件、两个钢垫块、三块垫板、三组螺杆和配套的螺母组成，具体包括由下至上依次设置的垫板F、垫板E和垫板D、设置在垫板D与垫板E之间的对照组试件、设置在垫板F上表面的钢垫块B以及设置在钢垫块B上表面与垫板E下表面之间用以测量收缩现象产生应力的压力传感器C，所述的垫板D通过D组螺杆与垫板E固定连接，使得垫板D与垫板E之间距离固定不变，所述的垫板D通过E组螺杆与对照组试件上部的预埋件C固定连接，使得垫板D与预埋件C之间距离无法增加，所述的垫板F通过F组螺杆无接触地穿过垫板E后与对照组试件下部的预埋件D固定连接，使得预埋件D与垫板F之间距离无法增加，所述的对照组试件底面悬空。
所述的垫板D、垫板E和垫板F结构相同，均呈方形，且在对应安装位置处开设固定螺杆的孔洞。
所述的预埋件C设置在对照组试件上部近顶面位置处，所述的预埋件D设置在对照组试件近底面位置处，位于预埋件C与预埋件D之间的对照组试件为测量发生收缩现象的节段。
所述的预埋件C和预埋件D结构相同，均呈方形，且分别与长方体型的对照组试件错位浇筑一体成型，所述的预埋件C和预埋件D的四个角区分别设有固定螺杆的孔洞，并且中部设有多个方孔，用以在浇筑混凝土时增大预埋件与混凝土的接触面积，使预埋件与混凝土连接更稳固。
一种同步测量混凝土受拉和受压徐变的实验方法，包括以下步骤：
1)通过模具浇筑分别得到含有预埋件的实验组试件和对照组试件并进行养护；
2)分别组装实验组装置和对照组装置；
3)对于实验组装置，通过液压千斤顶加载，并通过压力传感器B读取液压千斤顶加载的压力，并且通过压力传感器A读取受压或受拉节段的受力；
4)对于对照组装置，通过压力传感器C读取试件发生收缩现象产生的应力；
5)结合压力传感器A的读数a、压力传感器B的读数b和压力传感器C的读数c判断受压徐变与受拉徐变的关系，具体为：
若
Figure GDA0003565273550000041
则表明节段B受压徐变导致的长度缩短量与节段A受拉徐变导致的长度伸长量相等；
若
Figure GDA0003565273550000042
则表明节段B受压徐变导致的长度缩短量小于节段A受拉徐变导致的长度伸长量；
若
Figure GDA0003565273550000043
则表明节段B受压徐变导致的长度缩短量大于节段A受拉徐变导致的长度伸长量。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过设置实验组装置和对照组装置，能够直接有效的判断混凝土受拉受压徐变的差异，消除不同试件导致的实验误差，并且通过对照组装置考虑了收缩对混凝土徐变量测量的影响，将受拉徐变和受压徐变量相等，简化了后续计算过程。
附图说明
图1为垫板的结构示意图。
图2为压力传感器的结构示意图。
图3为千斤顶的结构示意图。
图4为预埋件的结构示意图，其中，图(4a)为俯视图，图(4b)为轴视图。
图5a为实验组装置的结构主视图。
图5b为实验组装置的结构轴视图。
图6为对照组装置图的结构示意图，其中，图(6a)为主视图，图(6b)为轴视图。
图7为实验组试件的结构示意图，其中，图(7a)为主视图，图(7b)为轴视图。
图8为试件预埋件的结构示意图，其中，图(8a)为俯视图，图(8b)为轴视图。
图9为实验组试件模具的结构示意图，其中，图(9a)为侧视图，图(9b)为木模具的结构示意图，图(9c)为装配预埋件。
图10为对照组试件模具的结构示意图，其中，图(10a)为侧视图，图(10b)为木模具的结构示意图，图(10c)为装配预埋件。
图11为浇筑后的模具结构示意图，其中，图(11a)为实验组，图(11b)为对照组。
图12为混凝土试件的结构示意图，其中，图(12a)为实验组，图(12b)为对照组。
图13为实验组装置组装图一，其中，图(13a)为正视图，图(13b)为轴视图。
图14为实验组装置组装图二，其中，图(14a)为正视图，图(14b)为轴视图。
图15为实验组装置组装图三，其中，图(15a)为正视图，图(15b)为轴视图。
图16为实验组装置组装图四，其中，图(16a)为正视图，图(16b)为轴视图。
图17为实验组装置组装图五，其中，图(17a)为正视图，图(17b)为轴视图。
图18为实验组装置组装图六，其中，图(18a)为正视图，图(18b)为轴视图。
图19为实验组装置组装图七，其中，图(19a)为正视图，图(19b)为轴视图。
图20为实验组装置组装图八，其中，图(20a)为正视图，图(20b)为轴视图。
图21为对照组装置组装图一，其中，图(21a)为正视图，图(21b)为轴视图。
图22为对照组装置组装图二，其中，图(22a)为正视图，图(22b)为轴视图。
图23为对照组装置组装图三，其中，图(23a)为正视图，图(23b)为轴视图。
图24为对照组装置组装图四，其中，图(24a)为正视图，图(24b)为轴视图。
图25为对照组装置组装图五，其中，图(25a)为正视图，图(25b)为轴视图。
图26为对照组装置组装图六，其中，图(26a)为正视图，图(26b)为轴视图。
图27为对照组装置组装图七，其中，图(27a)为正视图，图(27b)为轴视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明提供一种同步测量混凝土受拉和受压徐变的实验装置和实验方法，使单一试件同时产生收缩徐变和拉伸徐变，能够根据试件不同部位受力变化分析受压徐变和受拉徐变的差异。
该实验装置的介绍如下：
1、实验配件
实验分为实验组和对照组两个分组：
1)实验组装置包括两个压力传感器、一个液压千斤顶、两个预埋件、一个钢垫块、三块垫板、三组螺杆和适量螺母。
2)对照组装置包括一个压力传感器、两个预埋件、两个钢垫块、三块垫板、三组螺杆和适量螺母。
垫板的结构如图1所示，垫板尺寸为300mm×300mm×30mm的钢板，垫板按照设计要求在指定位置预留直径为26mm的两组孔洞，以便连接螺杆使用。
压力传感器的结构如图2所示，用小圆柱表示。
千斤顶的结构如图3，用圆柱表示。
预埋件的结构如图4所示。
2、实验组装置
实验组装置如图5所示，A组螺杆上端固定于垫板A，下端固定于垫板B，用以保证垫板A与垫板B之间距离固定不变，B组螺杆上端连接垫板A，下端连接预埋件A，用以保证垫板A与预埋件A之间距离无法增加，C组螺杆上端连接预埋件B，下端连接垫板C，用以保证预埋件B与垫板C之间距离无法增加，C组螺杆中间穿过垫板B，且与垫板B之间无接触。
当千斤顶加压时，垫板B将产生一个向上的位移，此时由于垫板A、B之间距离不变，垫板A也会产生一个向上的位移，预埋件A与垫板A之间距离不变，同时预埋件A也会产生一个向上的位移，由于C组螺杆的作用，预埋件B与垫板C之间距离不会增加，导致预埋件B位置不变，所以预埋件A、B之间的试件节段受拉。在此同时，垫板B向上位移，预埋件B位置不变，所以钢垫块A与预埋件B之间的试件长度缩短，导致预埋件B与钢垫块A之间的试件节段受压。
总的来说，千斤顶加压时，预埋件B和垫板C位置不变，刚垫块A与预埋件A产生向上的相同位移，导致试件上半节段受拉，下半节段受压，且应力大小相同。压力传感器B读数为千斤顶施压荷载，压力传感器A读数为受压段承受荷载，其读数为压力传感器B读数的一半。
3、对照组装置
对照组装置如图6所示，D组螺杆上端固定于垫板D，下端固定于垫板E，用以保证垫板D与垫板E之间距离固定不变，E组螺杆上端连接垫板D，下端连接预埋件C，用以保证垫板D与预埋件C之间距离无法增加，F组螺杆上端连接预埋件D，下端连接垫板F，用以保证预埋件D与垫板C之间距离无法增加，F组螺杆中间穿过垫板E，且与垫板E之间无接触。
当试件收缩时，预埋件C与预埋件D之间距离将会有一个缩短的趋势，由于预埋件D位置不会改变，所以预埋件C会产生向下位移的趋势，此时垫板D垫板E会也会存在向下位移的趋势，压力传感器会产生读数，读数为试件收缩产生的力。
4、实验原理
对于实验组试件而言，开始加载时，试件受压部分受到的力等于试件受拉部分受到的力，所以压力传感器B读数等于压力传感器A读数的两倍，实验组试件如图7所示，试件节段A产生受拉徐变，试件节段B产生受压徐变，控制千斤顶使压力传感器B读数稳定不变，此时节段B长度缩短，节段A长度伸长，且缩短量等于伸长量。
随后混凝土试件由于徐变会产生新的变形。
若受压徐变等于受拉徐变，则节段B徐变导致的长度缩短量仍然等于节段A徐变导致的长度伸长量，压力传感器B读数等于压力传感器A读数的两倍。
若受压徐变小于受拉徐变，则节段B徐变导致的长度缩短量小于节段A徐变导致的长度伸长量，压力传感器B读数小于压力传感器A读数的两倍。
若受压徐变大于受拉徐变，则节段B徐变导致的长度缩短量大于节段A徐变导致的长度伸长量，压力传感器B读数大于压力传感器A读数的两倍。
在试件产生徐变时，还将产生收缩，会对实验组的数据读数造成影响。
此时设计对照组，试件收缩会使实验组节段A伸长量降低，节段B缩短量增加，即节段A的拉应力增加，节段B的压应力降低，且节段A拉应力增加量等于节段B压应力降低量，实验对照组中，在没有加载时，压力传感器读数为0，当试件发生收缩时，压力传感器C读数会逐渐增加，压力传感器C读数的二分之一即为试件收缩对实验组压力传感器A读数的影响量。
5、实验流程
首先制作浇筑混凝土试件使用的模具，本方案采用木模具，混凝土试件尺寸为100mm×100mm×500mm，混凝土内部含有两个预埋件，一次实验需要两个试件，分别为实验组试件和对照组试件。
混凝土试件中设计有预埋件，与混凝土试件浇筑在一起，预埋件尺寸如图8所示，材料为不锈钢304，厚度为30mm。预埋件四个角区中预留4个半径为10mm的孔洞，可穿过10mm螺杆。预埋件中部有16个24×24mm的方孔，在浇筑混凝土时，增大预埋件与混凝土的接触面积，使预埋件与混凝土连接更稳固，连接处刚度更大，受力时预埋件不会与试件产生相对位移。
实验组试件模具如图9和图10所示，其中，木板厚度为10mm，为了将金属预埋件固定在设计位置，需在木模具中开口。
试件浇筑后如图11所示，3天后拆除模具，拆除模具后试件如图12所示，将试件放在养护箱中进行养护等待加载。
试件装配流程如下：
1)实验组
首先装配实验装置，首先将垫板A、B使用A组的螺杆进行连接，使用螺母固定螺杆，垫板A、B之间不会产生相对位移，如图13所示。
随后在垫板C上放置千斤顶和压力传感器A，并对中，将A、B垫板已装好部分放置于压力传感器A上，在垫板A上放置压力传感器B，并对中，如图14所示。
随后在压力传感器A上放置钢垫块A并进行对中，如图15所示。
然后将实验组试件放在刚垫块A上并对中，如图16所示。
将B组螺杆组装到实验装置上，如图17所示。
拧紧B组螺杆，如图18所示。
组装C组螺杆，如图19所示。
拧紧C组螺杆的螺母，使压力传感器A刚好有读数，如图20所示。
实验组装置组装完毕。
2)对照组实验
首先装配实验设备，首先将垫板D、E使用A组螺杆连接起来，使用螺母固定螺杆，如图21所示。
随后在垫板F上放置钢垫块B和压力传感器C，并对中，将D、E垫板已装好部分放置于压力传感器C上，如图22所示。
在垫块E上放置临时垫块C，并对中，如图23所示。
将对照组试件放置在临时垫块C上，并对中，如图24所示。
将E组螺杆组装到实验装置上，如图25所示。
取下临时垫块C，如图26所示。
组装上F组螺杆，使压力传感器C刚好有读数，如图27所示。
对照组实验装置组装完毕。随后对实验组千斤顶加压，开始实验。
本发明的一种同步测量混凝土拉伸徐变和受压徐变的实验方法包括以下内容：
(1)实验组试件分为两个节段，其中一个节段为受拉状态，另一个节段为受压状态；
(2)实验组试件可同时产生受拉和受压变形，且变形量相同；
(3)可判断混凝土受拉受压徐变的区别；
(4)考虑收缩对混凝土徐变量测量的影响；
(5)消除不同试件导致的实验误差；
(6)可通过试件受力改变量对受拉受压徐变之间的差异进行量化分析。

Claims (6)

1.一种同步测量混凝土受拉和受压徐变的实验装置，其特征在于，该装置包括：
实验组装置：用以对实验组试件的两个节段分别产生变形量相同的受拉和受压变形，并测量得到加载的压力以及受压或受拉节段的受力，以此判断受压徐变缩短量与受拉徐变伸长量之间的关系，所述的实验组装置由两个压力传感器、一个液压千斤顶、含有两个预埋件的实验组试件、一个钢垫块、三块垫板、三组螺杆和配套的螺母组成，具体包括由下至上依次设置的垫板C、垫板B和垫板A、固定在垫板A与垫板B之间的实验组试件、设置在垫板C上表面的液压千斤顶、安装在液压千斤顶与垫板B下表面之间用以测量加载压力的压力传感器B、设置在试件底面的钢垫块A以及设置在垫板B上表面与钢垫块A之间用测量受压或受拉部分受力的压力传感器A，所述的垫板A通过A组螺杆与垫板B固定连接，使得垫板A与垫板B之间的距离固定不变，所述的垫板A通过B组螺杆与试件上部的预埋件A固定连接，使得垫板A与预埋件A之间距离无法增加，所述的垫板C通过C组螺杆无接触地穿过垫板B后与试件中部的预埋件B固定连接，使得预埋件B与垫板C之间距离无法增加，所述的预埋件A设置在实验组试件上部近顶面位置处，所述的预埋件B设置在实验组试件中部位置处，所述的预埋件A和预埋件B将实验组试件分为分别产生变形量相同的受拉和受压变形的两个节段，位于在预埋件A和预埋件B之间的实验组试件为受拉的节段A，位于预埋件B和钢垫块A之间的实验组试件为受压的节段B；
对照组装置：用以在无加载条件下测量得到因试件发生收缩现象产生的应力，并将该应力的一半作为受压或受拉部分的受力的影响量，所述的对照组装置由一个压力传感器、含有两个预埋件的对照组试件、两个钢垫块、三块垫板、三组螺杆和配套的螺母组成，具体包括由下至上依次设置的垫板F、垫板E和垫板D、设置在垫板D与垫板E之间的对照组试件、设置在垫板F上表面的钢垫块B以及设置在钢垫块B上表面与垫板E下表面之间用以测量收缩现象产生应力的压力传感器C，所述的垫板D通过D组螺杆与垫板E固定连接，使得垫板D与垫板E之间距离固定不变，所述的垫板D通过E组螺杆与对照组试件上部的预埋件C固定连接，使得垫板D与预埋件C之间距离无法增加，所述的垫板F通过F组螺杆无接触地穿过垫板E后与对照组试件下部的预埋件D固定连接，使得预埋件D与垫板F之间距离无法增加，所述的对照组试件底面悬空，所述的预埋件C设置在对照组试件上部近顶面位置处，所述的预埋件D设置在对照组试件近底面位置处，位于预埋件C与预埋件D之间的对照组试件为测量发生收缩现象的节段。
2.根据权利要求1所述的一种同步测量混凝土受拉和受压徐变的实验装置，其特征在于，所述的垫板A、垫板B和垫板C结构相同，均呈方形，且在对应安装位置处开设固定螺杆的孔洞。
3.根据权利要求1所述的一种同步测量混凝土受拉和受压徐变的实验装置，其特征在于，所述的预埋件A和预埋件B结构相同，均呈方形，且分别与长方体型的实验组试件错位浇筑一体成型，所述的预埋件A和预埋件B的四个角区分别设有固定螺杆的孔洞，并且中部设有多个方孔，用以在浇筑混凝土时增大预埋件与混凝土的接触面积，使预埋件与混凝土连接更稳固。
4.根据权利要求1所述的一种同步测量混凝土受拉和受压徐变的实验装置，其特征在于，所述的垫板D、垫板E和垫板F结构相同，均呈方形，且在对应安装位置处开设固定螺杆的孔洞。
5.根据权利要求1所述的一种同步测量混凝土受拉和受压徐变的实验装置，其特征在于，所述的预埋件C和预埋件D结构相同，均呈方形，且分别与长方体型的对照组试件错位浇筑一体成型，所述的预埋件C和预埋件D的四个角区分别设有固定螺杆的孔洞，并且中部设有多个方孔，用以在浇筑混凝土时增大预埋件与混凝土的接触面积，使预埋件与混凝土连接更稳固。
6.一种应用如权利要求1所述同步测量混凝土受拉和受压徐变的实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过模具浇筑分别得到含有预埋件的实验组试件和对照组试件并进行养护；
2)分别组装实验组装置和对照组装置；
3)对于实验组装置，通过液压千斤顶加载，并通过压力传感器B读取液压千斤顶加载的压力，并且通过压力传感器A读取受压或受拉节段的受力；
4)对于对照组装置，通过压力传感器C读取试件发生收缩现象产生的应力；
5)结合压力传感器A的读数a、压力传感器B的读数b和压力传感器C的读数c判断受压徐变与受拉徐变的关系，具体为：
若
Figure FDA0003565273540000031
则表明节段B受压徐变导致的长度缩短量与节段A受拉徐变导致的长度伸长量相等；
若
Figure FDA0003565273540000032
则表明节段B受压徐变导致的长度缩短量小于节段A受拉徐变导致的长度伸长量；
若
Figure FDA0003565273540000033
则表明节段B受压徐变导致的长度缩短量大于节段A受拉徐变导致的长度伸长量。
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