CN115541857B - 一体式水泥基材料自修复性能检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一体式水泥基材料自修复性能检测装置，涉及水泥基材料性能检测技术领域。主要由主体结构、抗折夹具、加载装置、修复固定装置及温湿度控制箱五部分构成。所述主体结构提供稳定基座和加载反力梁结构；所述抗折夹具用于开展待测试件三点抗折试验，同时又具有实时观察待测试件底部裂纹发展的高精度相机；所述加载装置通过油阀和压杆控制油缸提供荷载；所述修复固定装置提供待测试件自修复过程的横向约束力；所述温湿度控制箱调节待测试件自修复过程的温湿度。本发明解决了水泥基材料自修复性能检测过程干扰因素多的问题，可实现连续、小扰动、高精度地检测水泥基材料的自修复性能。

Description

一体式水泥基材料自修复性能检测装置

技术领域

本发明涉及水泥基材料性能检测技术领域，特别涉及水泥基材料自修复性能检测技术领域，具体是一种一体式水泥基材料自修复性能检测装置。

背景技术

水泥基材料作为土木工程领域应用最为广泛的材料之一，具有原材料广、价格低廉、适用性强等优势。但是传统水泥基材料是一种典型脆性材料，其结构中微裂缝的形成和扩大严重危害整个工程结构的安全性和耐久性，一直是一项亟需解决的技术难题。在20世纪初期，研究人员发现水泥基材料开裂置于自然环境下多年后，其裂缝自然愈合并且强度恢复，由此提出水泥基材料自修复概念。水泥基材料自修复是指水泥基材料在外部或内部条件下，释放或生产新的物质自行封闭，愈合裂缝的现象。自修复机理与自修复技术的深入研究，对提高水泥基材料的稳定性和耐久性意义重大。

合适的自修复性能检测方法是水泥基材料自修复技术研究的基础。目前，水泥基材料自修复性能评价方法未能形成统一标准，较成熟的方法有：强度恢复评价法、裂缝分布评价法、水压评价法和气压评价法等。强度恢复评价法通过测试水泥基材料自修复前后的力学性能变化规律评价其自修复能力，裂缝分布评价法通过观察微裂缝愈合情况评价其自修复能力，水压与气压评价法通过向水泥基材料注入液体或气体，测试注入压力或电信号评价其自修复能力。上述方法，均涉及多种仪器设备，待测试样需经过多次装卸和转移，该过程对待测试样产生叠加扰动，严重影响自修复性能检测结果的准确性。

目前，水泥基材料自修复性能检测设备少，小扰动、一体化的水泥基材料自修复性能检测装置鲜有研究。如专利号为CN201921720921.X《一种自修复水泥基材料自修复性能测试装置》，通过预压模块、预弯曲模块和预扭模块使水泥基材料产生裂缝，经过养护后利用强度恢复率指标评价自修复水泥基材料的自修复性能，但该装置仅能用于水泥基材料预制裂缝，强度测试和试件养护仍需在其他仪器和环境下进行，对自修复能力测试准确性的干扰大；如专利号为CN202120861484.4《一种水泥基材料自修复剂修复性能的事前评价装置》，通过检测有渗流条件下的电信号计算得出裂缝渗水量，可事前评价水泥基材料自修复剂的修复性能，但该装置对自修复剂已掺入水泥拌和物，形成的三维整体自修复水泥基材料的自修复性能检测不适用；如专利号为CN201822227666.7《一种水泥基自修复材料修复性能的评价装置》，通过电子扫描显微镜和应力应变片实现高精度评价水泥基自修复材料修复性能检测，但该装置操作较为复杂，且组成部件的价格高，一定程度上限制了大规模推广使用。因此，研发一种操作简单、扰动小、精度高的一体式水泥基材料自修复性能检测装置十分必要，有助于推动水泥基材料自修复技术研究。

基于此，本发明提供了一种一体式水泥基材料自修复性能检测装置，解决了水泥基材料自修复性能检测过程干扰因素多的问题，可实现连续、快捷、小扰动、高精度地检测水泥基材料的自修复能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一体式水泥基材料自修复性能检测装置，解决目前水泥基材料自修复性能检测过程使用仪器设备多、试验过程复杂、检测过程干扰因素多的问题，实现连续、快捷、小扰动、高精度地检测水泥基材料的自修复能力。

为了实现上述目的，本发明提供了一种一体式水泥基材料自修复性能检测装置，主要包括所述主体结构、所述抗折夹具、所述加载装置、所述修复固定装置和所述温湿度控制箱五部分，具体包括以下结构。

所述主体结构包括所述主机箱、所述立柱、所述顶板、所述主轴螺杆和所述手轮；所述主机箱前端设有所述数据输出接口，所述立柱通过下端的螺纹结构与所述主机箱形成螺柱连接，所述立柱通过上端的螺纹结构配合所述立柱螺母和所述立柱螺帽夹持所述顶板形成螺栓连接，所述主轴螺杆与所述手轮为一体式结构，所述主轴螺杆通过自身螺纹贯穿所述顶板中心对应螺纹通孔。

进一步的，所述主机箱采用铸铁制成，铸铁材料耐腐蚀性好、承压能力强、自重大，用铸铁制成所述主机箱具有安置稳定、承受荷载不易变形、减震抗扰动能力强等优势。

进一步的，所述立柱、所述顶板和所述主轴螺杆采用高强度合金钢制成，由于本装置在使用过程中，所述立柱承受较大拉应力、所述顶板与所述主轴螺杆承受较大压应力，因此选择高强度合金钢材料加工制成，确保在长期使用过程中不发生变形和破坏；所述顶板四个拐角设有倒角，提高试验环境安全性。

进一步的，所述立柱螺母采用高强螺母，所述立柱螺帽采用高强螺帽；所述立柱采用四个，对称分布在所述顶板四个拐角，所述立柱垂直安装；所述立柱配合所述立柱螺母与所述立柱螺帽将所述顶板水平固定安装。本装置在加载时，荷载通过所述主轴螺杆传递到所述顶板，所述立柱螺母与所述立柱螺帽需固定所述顶板，防止所述顶板产生垂向滑移，因此采用高强螺母与高强螺帽；所述顶板安装固定后，在加荷时不产生结构变形和位移。

进一步的，所述立柱穿过所述顶板对应安装孔，形成所述立柱螺母和所述立柱螺帽夹紧所述顶板的结构，通过旋转调节所述立柱螺母与所述立柱螺帽位置，可实现所述顶板安装位置的水平调节并固定。

进一步的，旋转所述手轮，可实现所述主轴螺杆的垂向移动。

所述抗折夹具包括所述上夹具座、所述上压力板、所述下压力板和所述下夹具座；所述上夹具座与所述主轴螺杆形成螺柱连接，所述上夹具座与所述上压力板通过所述活动轴连接，所述上压力板底面中心槽安装所述上压辊，所述下压力板顶面两端槽安装所述下压辊，所述下压力板中部设有所述定位轴、所述光源、所述高精度相机和所述保护块，所述下压力板与所述下夹具座为一体式结构。

进一步的，所述上夹具座通过内螺纹结构与所述主轴螺杆下端形成螺柱连接，通过旋转所述手轮可带动所述上夹具座和所述上压力板垂向移动。

进一步的，所述上压力板能够通过所述活动轴任意水平转动，从而通过调节所述上压力板保证所述上压辊与所述下压辊平行。

进一步的，所述下压力板为凹型结构，所述下压力板凹型结构深度为30mm，将所述下压力板设计为凹型结构，为了便于安装更换所述光源与所述高精度相机。

进一步的，两个所述下压辊之间的水平轴距为100mm，所述上压辊位于两个所述下压辊上部中央，所述下压辊与所述上压辊的布设方式符合水泥基材料标准抗折试验要求。

进一步的，所述左挡板与所述下压辊轴心水平距离为30mm；所述定位轴高50mm，两个所述定位轴与所述下压力板横向中轴线的水平距离为20mm。水泥基标准抗折试验待测试件的尺寸是长为160mm、宽为40mm、高为40mm，因此将待测试件一个正方形侧面紧贴所述左挡板、一个长方形侧面紧贴所述定位轴，即可实现待测试件的准确安装。

进一步的，所述高精度相机精度为0.1mm，所述高精度相机用于拍摄和观察待测试件底部承受拉应力最大处的裂纹产生、发展和自修复情况，当所述高精度相机识别到裂纹时，立即停止加载。

进一步的，所述高精度相机通过所述数据输出接口，将实时检测的图像信息传输至外接设备，外接设备包括计算机及配套使用软件。

进一步的，两个所述光源对称分布在所述高精度相机横向两端，两个所述光源中心距为40mm，设置所述光源是为了提高所述高精度相机检测待测试件裂纹的能力，两个所述光源对称布置有利于提高检测效果。

进一步的，两个所述保护块对称分布在所述高精度相机纵向两端，两个所述保护块中心距为30mm，所述保护块长为30mm、宽为5mm、高为10mm，设置所述保护块是为了防止试验误操作导致待测试件突然断裂，损坏所述高精度相机和所述光源。

所述加载装置包括所述油缸、所述力传感器、所述压杆和所述油阀；所述力传感器位于所述下夹具座与所述油缸之间，所述压杆与所述油阀安装在所述主机箱上。

进一步的，所述油缸提供的最大压力为20kN，所述力传感器的最大量程为20kN、精度为0.1kN；所述油缸提供最大压力选择20kN，满足待测试件开裂需要，又便于精确控制加载速率；所述力传感器通过所述数据输出接口，将实时检测的荷载信息传输至外接设备。

进一步的，关闭所述油阀，扳动所述压杆，进而所述油缸提供荷载；依靠所述压杆的扳动幅度和速度可调节所述油缸提供荷载的大小和速率；打开所述油阀，可实现所述油缸回油卸载。

进一步的，所述主轴螺杆、所述上夹具座、所述上压力板、所述下压力板、所述下夹具座、所述力传感器和所述油缸均位于同一垂向中轴线。

所述修复固定装置包括所述左挡板、所述弱力传感器和所述右挡板；所述右挡板设有所述传动螺杆、所述传动板和所述橡胶垫板。

进一步的，所述弱力传感器安装在所述左挡板内侧，安装高度超出所述下压力板顶面20mm，该安装位置能够保证所述弱力传感器准确检测待测试件的轴向修复荷载大小。

进一步的，所述橡胶垫板用胶水粘接在所述传动板上，所述橡胶垫板与待测试件直接接触，起缓冲保护作用。

进一步的，旋转所述传动螺杆，可实现所述传动板和所述橡胶垫板的横向移动；当所述橡胶垫板与待测试件接触后，继续旋转所述传动螺杆，可给待测试件提供轴向修复荷载，并通过所述弱力传感器检测该轴向修复荷载大小。

进一步的，所述弱力传感器的最大量程为2kN、精度为0.01kN，所述弱力传感器通过所述数据输出接口，将实时检测的荷载信息传输至外接设备。

所述温湿度控制箱包括所述箱体和所述温湿度控制器，所述箱体安装在所述主机箱上部，所述温湿度控制器安装在所述箱体内部。

进一步的，所述温湿度控制器的控制范围是温度为-20摄氏度至120摄氏度、相对湿度为5%至95%。

本发明实施例带来了以下有益效果。

本发明可以连续、快捷、小扰动、高精度地检测水泥基材料自修复能力。

本发明无需额外操作，可直观、便捷地分析水泥基材料自修复性能。

本发明同时可以应用于温度、湿度和约束力对水泥基材料自修复性能的影响规律研究。

本发明同时可以应用于水泥基材料的抗折性能检测。

本发明结构简单，各部件功能单一，互不影响，某一构件损坏时易于维修和更换。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显。或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1为一体式水泥基材料自修复性能检测装置主要构成示意图；

图2为主体结构示意图；

图3为立柱安装示意图；

图4为抗折夹具结构示意图；

图5为油缸与传感器安装示意图；

图6为修复固定装置示意图；

图7为右挡板构成示意图；

图8为温湿度控制箱示意图；

图9为温湿度控制箱安装示意图。

图中：1-主机箱，2-立柱，3-立柱螺母，4-立柱螺帽，5-顶板，6-主轴螺杆，7-手轮，8-下夹具座，9-下压力板，10-下压辊，11-定位轴，12-光源，13-高精度相机，14-保护块，15-上压力板，16-上压辊，17-活动轴，18-上夹具座，19-油缸，20-力传感器，21-压杆，22-油阀，23-左挡板，24-弱力传感器，25-右挡板，26-传动螺杆，27-传动板，28-橡胶垫板，29-数据输出接口，30-箱体，31-温湿度控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”以及它的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

如图1至图9，一体式水泥基材料自修复性能检测装置，主要由所述主体结构、所述抗折夹具、所述加载装置、所述修复固定装置和所述温湿度控制箱五部分构成，具体包括：1-主机箱，2-立柱，3-立柱螺母，4-立柱螺帽，5-顶板，6-主轴螺杆，7-手轮，8-下夹具座，9-下压力板，10-下压辊，11-定位轴，12-光源，13-高精度相机，14-保护块，15-上压力板，16-上压辊，17-活动轴，18-上夹具座，19-油缸，20-力传感器，21-压杆，22-油阀，23-左挡板，24-弱力传感器，25-右挡板，26-传动螺杆，27-传动板，28-橡胶垫板，29-数据输出接口，30-箱体，31-温湿度控制器。

如图2，所述主体结构包括：所述主机箱1，所述立柱2连接所述主机箱1与所述顶板5，所述主轴螺杆6通过自身螺纹贯穿所述顶板5中心对应螺纹通孔，所述手轮7与所述主轴螺杆6为一体式结构，通过旋转所述手轮7可以实现所述主轴螺杆6的垂向移动。

如图3，所述立柱2安装时，首先所述立柱2依靠下端螺纹结构与所述主机箱1形成螺柱连接，然后所述立柱螺母3旋转安装在所述立柱2上端螺纹结构上，接着所述立柱2通过所述顶板5的对应安装孔，所述立柱螺帽4安装在所述顶板5顶面露出的所述立柱2上端螺纹结构处，形成所述立柱螺母3和所述立柱螺帽4夹持所述顶板5的螺栓连接结构，最后，通过调节所述立柱螺母3和所述立柱螺帽4的安装位置，至所述顶板5水平，旋紧所述立柱螺母3与所述立柱螺帽4，实现所述顶板5的水平固定安装。

如图4，所述抗折夹具包括：所述上夹具座18上端与所述主轴螺杆6形成螺柱连接，所述上夹具座18下端通过所述活动轴17与所述上压力板15连接，所述上压力板15可以通过所述活动轴17实现水平方向的任意转动，所述上压力板15底面中心槽安装所述上压辊16；所述下夹具座8与所述下压力板9为一体式结构，所述下压力板9为凹型结构，所述下压力板9顶面两端安装槽安装所述下压辊10，所述下压力板9中部依次设有所述定位轴11、所述光源12、所述高精度相机13和所述保护块14；所述抗折夹具各部件尺寸根据水泥基材料抗折性能测试标准试件尺寸：长160mm、宽40mm、高40mm来设计。

如图1和图5，所述加载装置包括：所述油缸19置于所述下夹具座8正下方，所述油缸19与所述下夹具座8之间安装所述力传感器20，所述力传感器20检测数据为竖向荷载值；所述压杆21与所述油阀22安装在所述主机箱1上，关闭所述油阀22，扳动所述压杆21，进而所述油缸19开始提供竖向荷载；加载完成后，打开所述油阀22，即可完成卸载。

如图6和图7，所述修复固定装置包括：所述左挡板23，所述弱力传感器24安装在所述左挡板23内侧，所述弱力传感器24测得的数据为待测试件自修复过程中实际的轴向修复荷载；所述右挡板25上安装所述传动螺杆26，所述传动螺杆26安装高度与所述弱力传感器24一致，所述右挡板25内部设有所述传动板27和所述橡胶垫板28，所述橡胶垫板28通过胶水粘接在所述传动板27上，所述传动螺杆26顶推所述传动板27，可实现所述传动板27的横向移动。

如图8和图9，所述温湿度控制箱包括所述箱体30和所述温湿度控制器31，所述箱体30安装在所述主机箱1上部，所述温湿度控制器31安装在所述箱体30内部。

具体的实施过程如下所述。

测试前准备工作：首先，检查所述一体式水泥基材料自修复性能检测装置的各部件安装位置正确，并经过调试能够正常工作；其次，利用数据传输线将所述数据输出接口29与外接设备串联，轻轻按压所述弱力传感器24和所述下压力板9，外接设备能检测到所述弱力传感器24和力传感器20反馈的数据，同时打开所述高精度相机13，外接设备能显示所述高精度相机13采集的图像信息，表明本装置各部件使用功能正常；最后，将待测试件表面缺陷较少的一个长边侧面用白乳漆均匀涂刷覆盖，作为抗折试验底部裂纹开展面，涂刷白乳漆便于所述高精度相机13观察待测试件的裂纹信息。

待测试件放置：如图1、图4和图6，首先，旋转所述手轮7，令所述上夹具座18抬升至所述上压力板15与所述下压力板9之间具有足够空间放置待测试件；然后，将待测试件底部裂纹开展面朝下，一侧抵住所述定位轴11、一侧抵住所述左挡板23，将待测试件垂直平稳安装到所述下压辊10上；接着，反向旋转所述手轮7，令所述上夹具座18下降至所述上压辊16与待测试件即将接触，此时通过所述活动轴17调整所述上压力板15，至所述上压辊16与所述下压辊10平行；最后，关闭所述油阀22，扳动所述压杆21，令所述油缸19工作，带动所述下夹具座8与所述下压力板9向上运动，至所述上压辊16与待测试件接触、外接设备显示所述力传感器20检测数据，记录此数据，完成待测试件放置步骤。

加载阶段：如图1，来回扳动所述压杆21，对待测试件进行分级加载；各级加载后，观察所述高精度相机13采集的图像有无裂纹产生，条件允许情况下，可结合图像信息处理技术识别裂纹；若无裂纹产生，则继续下一级加载，若观察到裂纹产生，则立即终止加载，记录该级加载下所述力传感器20测定的数据，并保存所述高精度相机13采集的高分辨率图像；终止加载的操作步骤是：缓慢打开所述油阀22，令所述油缸19回油，从而逐渐卸载，防止突然卸载对试件造成扰动，卸载完成后，旋转所述手轮7至所述上压辊16离开待测试件表面。

修复固定阶段：如图6和图7，旋转所述传动螺杆26，推动所述传动板27和所述橡胶垫板28向待测试件移动，至待测试件两端被夹持、所述弱力传感器24检测出轴向荷载，继续旋转所述传动螺杆26，至所述弱力传感器24达到预设轴向修复荷载；调节所述温湿度控制器31至预设自修复温湿度；自修复完成前，定时观察并保存所述高精度相机13采集的高分辨率图像。

自修复性能评价阶段：修复固定阶段完成后，首先观察并记录所述高精度相机13反馈的待测试件裂纹处自修复情况；然后反向旋转所述传动螺杆26，至所述弱力传感器24检测数据归零，重复加载阶段步骤至修复固定阶段完成后的待测试件产生新的裂纹，记录此时所述力传感器20和所述高精度相机13反馈的信息；通过对比自修复前后两次加载阶段，所述力传感器20测定的开裂荷载大小，及所述高精度相机13反馈的裂纹图像特征，综合评价水泥基材料的自修复性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一体式水泥基材料自修复性能检测装置，其特征在于，主要由主体结构、抗折夹具、加载装置、修复固定装置及温湿度控制箱五部分构成；所述主体结构包括主机箱、立柱、顶板、主轴螺杆和手轮，所述主机箱前端设有数据输出接口，所述立柱通过下端的螺纹结构与所述主机箱形成螺柱连接，所述立柱通过上端的螺纹结构配合立柱螺母和立柱螺帽夹持所述顶板形成螺栓连接，所述主轴螺杆与所述手轮为一体式结构，所述主轴螺杆通过自身螺纹贯穿所述顶板中心对应螺纹通孔；所述抗折夹具包括上夹具座、上压力板、下压力板和下夹具座，所述上夹具座与所述主轴螺杆形成螺柱连接，所述上夹具座与所述上压力板通过活动轴连接，所述上压力板底面中心槽安装上压辊，所述下压力板顶面两端槽安装下压辊，所述下压力板中部设有定位轴、光源、高精度相机和保护块，所述下压力板与所述下夹具座为一体式结构；所述加载装置包括油缸、力传感器、压杆和油阀；所述力传感器位于所述下夹具座与所述油缸之间，所述压杆与所述油阀安装在所述主机箱上；所述修复固定装置包括左挡板、弱力传感器和右挡板；所述右挡板设有传动螺杆、传动板和橡胶垫板；所述温湿度控制箱包括箱体和温湿度控制器，所述箱体安装在所述主机箱上部，所述温湿度控制器安装在所述箱体内部；所述高精度相机、所述力传感器与所述弱力传感器将实时检测数据通过所述数据输出接口传输到外接设备。

2.根据权利要求1所述的一体式水泥基材料自修复性能检测装置，其特征在于，所述主机箱采用铸铁制成，所述立柱、所述顶板和所述主轴螺杆采用高强度合金钢制成，所述顶板四个拐角设有倒角。

3.根据权利要求1所述的一体式水泥基材料自修复性能检测装置，其特征在于，所述立柱螺母采用高强螺母，所述立柱螺帽采用高强螺帽；所述立柱采用四个，对称分布在所述顶板四个拐角，所述立柱垂直安装；所述立柱配合所述立柱螺母与所述立柱螺帽将所述顶板水平固定安装。

4.根据权利要求1所述的一体式水泥基材料自修复性能检测装置，其特征在于，所述上压力板通过所述活动轴水平转动，所述下压力板为凹型结构，所述下压力板凹型结构深度为30mm。

5.根据权利要求1所述的一体式水泥基材料自修复性能检测装置，其特征在于，所述主轴螺杆、所述上夹具座、所述上压力板、所述下压力板、所述下夹具座、所述力传感器与所述油缸位于同一垂向中轴线。

6.根据权利要求1所述的一体式水泥基材料自修复性能检测装置，其特征在于，两个所述下压辊之间的水平轴距为100mm，所述上压辊位于两个所述下压辊上部中央；所述左挡板与所述下压辊轴心水平距离为30mm；所述定位轴高50mm，两个所述定位轴与所述下压力板横向中轴线的水平距离为20mm。

7.根据权利要求1所述的一体式水泥基材料自修复性能检测装置，其特征在于，所述高精度相机精度为0.1mm，两个所述光源对称分布在所述高精度相机横向两端，两个所述保护块对称分布在所述高精度相机纵向两端，所述保护块长为30mm、宽为5mm、高为20mm。

8.根据权利要求1所述的一体式水泥基材料自修复性能检测装置，其特征在于所述油缸提供的最大压力为20kN，所述力传感器的最大量程为20kN、精度为0.1kN；所述弱力传感器的最大量程为2kN、精度为0.01kN。

9.根据权利要求1所述的一体式水泥基材料自修复性能检测装置，其特征在于，所述温湿度控制器的控制范围是温度为-20摄氏度至120摄氏度、相对湿度为5%至95%。

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