CN117554166A - 一种水泥基复合材料徐变预测方法与专用设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水泥基材料的徐变预测方法，包括：利用恒载对水泥基复合材料施加荷载7d；自所述施加荷载开始测量试件的应变变化值，以1s的间隔记录，并绘画应变曲线图，记录当应变曲线图平稳时的时间；达到所述的施加荷载时间后，撤离荷载，测量在撤离荷载过程中的应变变化值，并以0.5s的间隔记录；根据所测的撤离荷载过程中的应变变化值来预测水泥基复合材料的长期徐变。本发明的方法可以通过短时间试验预测水泥基复合材料的长期徐变，测试方法操作简单、检测效率高。

Description

一种水泥基复合材料徐变预测方法与专用设备

技术领域

本发明涉及一种水泥基复合材料的徐变预测的方法、设备及应用，属于水泥基复合材料领域。

背景技术

水泥基复合材料的徐变是指水泥基复合材料在长期恒定荷载下，变形随时间增长的现象。目前，水泥基复合材料结构是工程中应用最广泛的结构之一，但随着服役时间的增长，水泥基复合材料的徐变导致结构力学性能下降，变形显著增大，往往达不到预期设计使用寿命，所以准确的预测水泥基复合材料徐变变形是解决混凝土结构长期性能的关键。

水泥基材料的力学性能在很大程度上取决于材料在微纳米尺度上的结构，为了更好地理解和提高水泥基复合材料的宏观力学性能，有必要在微观和纳米尺度上研究水泥基复合材料的力学性能。纳米压痕试验是微纳米结构和力学性能中应用最广泛的试验技术，通过纳米压痕可以在被测材料的纳米投影区域测量其力学性能(如弹性模量、硬度、断裂韧性等)。它的基本思想是：将一个非常锋利的尖端推入材料表面，并从尖端的响应来研究材料的力学行为。通过微压痕试验可以测出材料的压痕模量，通过压痕模量可以推出接触徐变柔度，可以反算出接触徐变随时间-压痕深度、最大载荷等信息。最初，它被用于研究均质材料，但现在它也被广泛用于研究非均质材料(如水泥基材料)。

使用微压痕技术，可以在很短的时间内评估水泥基复合材料长期徐变速率，通过微压痕测量的对数徐变率与几种混凝土在约几十年的压缩载荷下的对数徐变率具有相当好的相关性。通过研究发现，在使用微压痕技术时可以不考虑观测尺度，因此混凝土长达数年的宏观徐变试验可以被水泥浆短期的微压痕取代。但是目前常规使用的微压痕试验装置存在一定局限性，包括：不能研究温度对徐变的影响、不能研究浸泡溶剂对徐变的影响、仪器设备结构复杂、操作要求高、整体成本高昂。

除了上述微压痕技术外，现有技术中还可通过宏观层面的压缩徐变试验来评价水泥基材料的性能。这种宏观层面的压缩徐变试验往往需要进行长期加压，试验周期往往长达数年。可用于所述压缩徐变试验的加载装置一般分为四种：杠杆式、弹簧式、弹簧杠杆式与液压式。弹簧式压缩徐变机构因其占地面积小、体积小、加荷方便以及工作可靠等优势成为应用最多的加荷装置；但它的不足之处在于：加荷吨位的不足与恒压手段的笨重复杂使得同时大量使用弹簧式压缩徐变仪进行试验受到限制。总之，上述装置进行的宏观层面的压缩徐变试验存在测试时间长、浪费资金、加载不便、移动复杂、占用保存空间大等弊端，难以在产业中推广应用。

综上，现有技术中针对水泥基材料进行的徐变预测方法各有诸多局限性。周期短、准确性高的微压痕测试方法及其设备往往成本过高；而宏观层面的徐变测试方法其周期太长、且设备的使用和运输都极为不便。

发明内容

本发明针对上述问题提出一种水泥基复合材料徐变预测方法与设备，目的是突破对水泥基材料徐变的测试只能通过昂贵精密的微压痕测量仪器或常规的用于宏观徐变试验的笨重装置来完成的局限性，能够在较短时间内、极低成本下、利用简单便捷的设备完成对水泥基复合材料微纳米尺度上的徐变测试，并能够准确预测其长期徐变。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面：本发明提供了一种水泥基复合材料徐变预测方法，包括：

5)利用恒载对水泥基复合材料施加荷载7d；

6)自1)所述施加荷载开始测量试件的应变变化值，以1s的间隔记录，并绘画应变曲线图，记录当应变曲线图平稳时的时间；

7)达到1)所述的施加荷载时间后，撤离荷载，测量在撤离荷载过程中试件的应变变化值，并以0.5s的间隔记录；

8)根据3)所测的撤离荷载过程中试件的应变变化值来预测水泥基复合材料的长期徐变。

本发明优选的方案中，1)所述的恒载选取为相同龄期、配比试件抗压强度的40％。

本发明优选的方案中，2)和3)所述的应变变化值是采用放大装置将应变放大到合适倍数再进行测量得到的。

本发明优选的方案中，2)和3)所述的应变变化值的测量具体是采用激光位移计实时测量水泥基复合材料的应变变化。

本发明优选的方案中，3)所述的撤离荷载过程，要匀速缓慢撤离。

本发明进一步优选的方案中，4)所述的根据3)测得的撤离过程中试件的应变变化值来预测水泥基复合材料长期的徐变，具体包括：将3)测得的放大的应变变化值，除以放大倍数，得到撤离荷载过程中真实的应变变化值；根据所述的真实应变变化值来预测水泥基复合材料的长期徐变。

本发明优选的方案中，在4)所述的预测后，对水泥基复合材料试件施加相同应力水平，进行常规徐变试验，获得长期徐变进行对比验证。

第二方面，本发明还提供执行第一方面所述方法中的步骤1)至步骤3)的专用设备，包括试件盛放装置、压头、应变变化放大装置、加载装置；所述的试件盛放装置顶部开放，内部中空，侧壁设有第一通孔，所述第一通孔以下用于盛放试件；所述的压头包括向下的端头和端头上方的受力部，所述的受力部位于试件盛放装置内所述第一通孔以上的位置，所述的端头位于所述第一通孔水平；所述的受力部与试件盛放装置的内壁成无摩擦的滑动连接，所述的端头用于与试件直接接触；所述的应变变化放大装置是贯穿所述第一通孔设置的刚性长杆，其处于所述第一通孔内侧的近端连接在所述的端头上，远端位于所述第一通孔外侧，用于反映试件应变变化，所述的第一通孔与所述近端的间距小于其与所述远端的间距；所述的加载装置包括上部的荷载调节舱和下部的荷载传递部，所述的荷载传递部位于所述试件盛放装置内，与所述压头的受力部上表面抵接。

使用本发明所述的专用设备时，将待测试件放在所述试件盛放装置内第一通孔的下方，将压头放入所述试件盛放装置内，端头向下接触试件。按照实验设计，在加载装置上部的荷载调节舱内放置合适量的配重块，配重块的总重量取决于计划施加的压强和压头的尺寸。将加载了配重块的加载装置下部放入试件盛放装置内，压紧压头的受力部，开始按预设荷载加载预定的时长。加载过程中，压头受力部通过其下方的端头将荷载压强专递至试件，与端头接触的试件会在荷载压力下发生应变变化，与所述端头连接的所述的应变变化放大装置基于杠杆原理，以所述第一通孔为支点，其远端会将压头的端头处的试件应变变化成倍放大后产生位移。使用位移计对所述应变变化放大装置远端的位移进行测量和记录，即可作为推算试件实际应变变化的依据。

本发明优选的所述专用设备中，还设有筒形座体，所述的筒形座体顶部开放、底部设有凹槽用于安放所述试件盛放装置，侧壁设有第二通孔和第三通孔；所述筒形座体高度低于所述第一通孔的水平。所述的第二通孔和第三通孔用于液体导热介质的注入和排出。通过在所述试件盛放装置外围设置带有第二通孔和第三通孔的所述筒形座体，可以研究温度对水泥基材料试件徐变的影响。

进一步优选的方案中，为了让液体导热介质在所述的筒形座体内达到一定高度，所述筒形座体上的第二通孔和第三通孔之间存在高度差。

本发明优选的所述专用设备中，为了避免所述的压头在所述试件盛放装置内部向下的位移过大，导致取出困难，所述的试件盛放装置内部，第一通孔以下部分的内径小于所述第一通孔以上部分的内径，以实现对压头的限位。

本发明优选的专用设备中，所述的全部组件均由不锈钢制成。

本发明优选的专用设备中，所述的压头侧表面是光滑表面。

本发明优选的专用设备中，所述的试件盛放装置外侧进一步设有位移计，更优选激光位移计，用于测量所述应变变化放大装置远端的位移。

第三方面，本发明还提供了第一方面所述的方法或第二方面所述的专用设备在预测水泥基复合材料长期徐变的应用。

现有技术中，周期短、准确性高的微压痕测试方法及其设备往往成本过高；而宏观层面的长期徐变测试方法其周期太长、且设备的使用和运输都极为不便。与现有技术相比，采用本发明提出的检测方法和专用设备，可以通过短时间的试验预测水泥基复合材料长期的徐变，还可以对试件进行常规的徐变试验，具有以下的有益效果：

(1)、该测试方法能够通过水泥基复合材料的短时间应变变化值来预测水泥基复合材料长期的徐变，对徐变试验周期长的缺陷能够得到有效改善。

(2)、该测试方法操作简单、预测结果准确性高。

(3)、该装置可以满足研究温度、应力水平、水泥种类、水灰比、浸泡溶剂等影响因素对徐变带来的影响的需求，且造价便宜，占地面积小。

附图说明

图1为本发明实施例1的水泥基复合材料徐变预测专用设备的剖视图。

图2为本发明实施例2中水泥基复合材料徐变预测专业设备的剖视图。

图3为使用本发明实施例1专用设备预测徐变与常规徐变试验的徐变对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护范围。

实施例1

一种用于测试水泥基复合材料徐变的专用设备，其结构如图1所示，包括试件盛放装置1、压头2、应变变化放大装置3、加载装置4，各部件均为不锈钢材质。试件盛放装置1顶部开放，内部中空，侧壁设有第一通孔11。在试件盛放装置1内部，第一通孔11以下部分的内径小于第一通孔11以上部分的内径；第一通孔11以下用于盛放试件。压头2包括向下的端头21和端头上方的受力部22。受力部22位于试件盛放装置1内第一通孔11以上的位置，端头21的水平高度与第一通孔11大致相同。受力部22外表面光滑，其外径与试件盛放装置1上段的内径尺寸相匹配，因此受力部22与试件盛放装置1的内壁之间可进行无摩擦滑动。端头21用于与下方的试件直接接触。应变变化放大装置3是一不锈钢长杆，其两端分别位于第一通孔11内外两侧，整体贯穿第一通孔11设置，处于第一通孔内侧的近端连接在端头21上，与之相对的远端位于第一通孔11的外侧，用于反映试件应变变化。第一通孔11与应变变化放大装置3的近端的间距明显小于其与应变变化放大装置3的远端的间距。加载装置4包括上部的荷载调节舱41和下部的荷载传递部42，荷载传递部42位于试件盛放装置1内，与压头2的受力部22上表面抵接。

使用本实施例所述的专用设备时，将待测试件放在试件盛放装置1内第一通孔11的下方，将压头2放入试件盛放装置1内，端头21向下接触试件。按照实验设计，在加载装置4上部的荷载调节舱41内放置合适量的配重块，配重块的总重量取决于计划施加的压强和压头的尺寸。将加载了配重块的加载装置4下部放入试件盛放装置1内，压紧压头2的受力部22，开始按预设荷载加载预定的时长。加载过程中，压头2的受力部22通过其下方的端头21将荷载压强专递至试件，与端头21接触的试件会在荷载压力下发生应变变化，与端头21连接的应变变化放大装置3(即不锈钢长杆)基于杠杆原理，以第一通孔11为支点发生杠杆运动，其远端会将压头2的端头21处的试件应变变化成倍放大后产生位移。使用位移计对应变变化放大装置3(即不锈钢长杆)远端的位移进行测量和记录，即可作为推算试件实际应变变化的依据。

实施例2

一种用于研究温度对水泥基材料试件徐变的影响的专用设备，其结构如图2所示，包括筒形座体5、试件盛放装置1、压头2、应变变化放大装置3、加载装置4，各部件均为不锈钢材质。筒形座体5顶部开放、底部设有凹槽51用于安放试件盛放装置1，侧壁设有第二通孔52和第三通孔53。试件盛放装置1底部尺寸与筒形座体5底部的凹槽51相匹配，可以嵌入凹槽51内予以安装固定。安装固定后，筒形座体5的侧壁高度低于试件盛放装置1的第一通孔11的水平。第二通孔52和第三通孔53用于液体导热介质的注入和排出。为了让液体导热介质在筒形座体5内达到一定高度，第二通孔52和第三通孔53之间存在高度差。试件盛放装置1顶部开放，内部中空，侧壁设有第一通孔11。在试件盛放装置1内部，第一通孔11以下部分的内径小于第一通孔11以上部分的内径；第一通孔11以下用于盛放试件。压头2包括向下的端头21和端头上方的受力部22。受力部22位于试件盛放装置1内第一通孔11以上的位置，端头21的水平高度与第一通孔11大致相同。受力部22外表面光滑，其外径与试件盛放装置1上段的内径尺寸相匹配，因此受力部22与试件盛放装置1的内壁之间可进行无摩擦滑动。端头21用于与下方的试件直接接触。应变变化放大装置3是一不锈钢长杆，其两端分别位于第一通孔11内外两侧，整体贯穿第一通孔11设置，处于第一通孔内侧的近端连接在端头21上，与之相对的远端位于第一通孔11的外侧，用于反映试件应变变化。第一通孔11与应变变化放大装置3的近端的间距明显小于其与应变变化放大装置3的远端的间距。加载装置4包括上部的荷载调节舱41和下部的荷载传递部42，荷载传递部42位于试件盛放装置1内，与压头2的受力部22上表面抵接。

使用本实施例的专用设备可以研究温度对水泥基材料试件徐变的影响。使用时，将待测试件放在试件盛放装置1内第一通孔11的下方，再将盛装了试件的试件盛放装置1底部插入筒形座体5的凹槽51内，完成固定安装。将压头2放入试件盛放装置1内，端头21向下接触试件。按照实验设计，在加载装置4上部的荷载调节舱41内放置合适量的配重块，配重块的总重量取决于计划施加的压强和压头的尺寸。将加载了配重块的加载装置4下部放入试件盛放装置1内，压紧压头2的受力部22，开始按预设荷载加载预定的时长。同时，在筒形座体5内，通过位置相对较低的第二通孔52通入导热介质，使其在筒形座体5内以一定深度停留一定时间后从第三通孔53排出，由此形成循环，保证试件在预设温度下完成试验。加温加载过程中，压头2的受力部22通过其下方的端头21将荷载压强专递至试件，与端头21接触的试件会在荷载压力下发生应变变化，与端头21连接的应变变化放大装置3(即不锈钢长杆)基于杠杆原理，以第一通孔11为支点发生杠杆运动，其远端会将压头2的端头21处的试件应变变化成倍放大后产生位移。使用位移计对应变变化放大装置3(即不锈钢长杆)远端的位移进行测量和记录，即可作为推算试件实际应变变化的依据。

实施例3

一种水泥基复合材料的徐变预测方法，该预测方法中使用实施例1所述的专用装置，方法包括：

1)利用恒载对水泥基复合材料进行加载7d，施加的荷载选择为该同款试件抗压强度的40％，恒载的实现是通过在加载装置内添加相应的配重块，添加配重块的重量取决于施加的压强和压头尺寸。

2)在1)所述加载过程中，测量压头位置试件的应变变化值，以1s的间隔记录应变数据，并绘制时间-应变图；测量时间取决于时间-应变曲线平稳，当到达要求时间停止加载，撤离荷载。

3)在2)所述记录压头应变变化值，选用激光位移计对放大装置的位移进行测量并记录

4)在2)所述撤离荷载，撤离过程要平稳缓慢，且以0.5s的间隔记录在撤离荷载过程中试件的应变变化量。

5)根据4)所述撤离荷载过程中试件的应变变化量除以放大装置放大的倍数，得到实际的应变变化值，将实际的应变变化值根据下述公式预测水泥基复合材料长期徐变。

ε＝σL(t),

C＝0.609(M)^1.633

6)根据4)获得的时间-徐变曲线，对于相同配比的水泥基复合材料，可以更改时间t获得不同时间的徐变值。从而通过短时间的水泥基复合材料的徐变预测其长时间的徐变。

在试验中，采用普通硅酸盐水泥，水灰比为0.4的净浆试件，试件的尺寸为Φ55×120mm，养护龄期为28d，达到养护龄期后对试件进行加工，将试件表面用不同粒度(40、80、120、200、400、600、800、1000、2000)的砂纸进行打磨，直至试件表面水平平整且光滑。

实施例4

采用实施例2所述的专用设备进行微压痕试验，根据试验要求将筒形座体5和试件盛放装置1之间充满相应温度的水，通过第二通孔52和第三通孔53进行水循环，保证试验温度。将试件放入到试件盛放装置1内，根据试验要求，在试件盛放装置1内加入相应的浸泡溶剂，直至没过试件。当浸泡溶剂达到试验要求温度时，将压头2和应变变化放大装置3放入试件盛放装置1内，平稳放在试件表面上。测量相同试件的抗压强度，根据40％抗压强度作为加载压强，根据压头尺寸(半径0.8mm)计算所需配重块重量。将加载装置平稳放在压头上，进行加载7d。

在加载过程中，使用激光位移计对应变变化放大装置3的远端进行位移记录，该应变变化放大装置3根据杠杆原理，放大22倍。加载后每隔1s记录激光位移计的应变变化值，通过应变值绘画时间-应变曲线。当达到要求时间后，准备撤离荷载，撤离荷载的过程平稳缓慢，每隔0.5s记录撤离过程应变变化值。将应变变化值除以放大装置放大倍数得到实际应变变化值。不同的影响因素会导致撤离过程中应变的变化值不同，推导出来的接触徐变柔度也不同，可以反映不同影响因素对徐变影响。

作为对照，对相同批次的试件进行标准徐变试验，在进行常规的标准徐变试验中，根据实验要求，使用压力机对装置施加压力，使试件受压面承受压力位抗压强度的40％，固定螺母，通过弹簧进行恒载加压。采用电阻应变仪测试水泥基复合材料偶的收缩计徐变变形。按照预订龄期进行连续测量。

试验结果分析如下：

将通过本发明所述的方法和专用设备测得的撤离荷载阶段的应变变化值，通过计算预测得到的水泥基复合材料的长期徐变与标准徐变试验对比，发现拟合度较好。验证了采用该测试方法用于预测水泥基复合材料的长期徐变的可行性。

Claims (9)

1.一种水泥基复合材料徐变预测方法，其特征在于：

使用结构如下的专用设备：包括试件盛放装置、压头、应变变化放大装置、加载装置；所述的试件盛放装置顶部开放，内部中空，侧壁设有第一通孔，所述第一通孔以下用于盛放试件；所述的压头包括向下的端头和端头上方的受力部，所述的受力部位于试件盛放装置内所述第一通孔以上的位置，所述的端头位于所述第一通孔水平；所述的受力部与试件盛放装置的内壁成无摩擦的滑动连接，所述的端头用于与试件直接接触；所述的应变变化放大装置是贯穿所述第一通孔设置的刚性长杆，其处于所述第一通孔内侧的近端连接在所述的端头上，远端位于所述第一通孔外侧，用于反映试件应变变化，所述的第一通孔与所述近端的间距小于其与所述远端的间距；所述的加载装置包括上部的荷载调节舱和下部的荷载传递部，所述的荷载传递部位于所述试件盛放装置内，与所述压头的受力部上表面抵接；

具体预测方法包括：

1)采用所述专用设备，利用恒载对水泥基复合材料施加荷载7d；

2)自1)所述施加荷载开始测量试件的应变变化值，以1s的间隔记录，并绘画应变曲线图，记录当应变曲线图平稳时的时间；所述的应变变化值是采用激光位移计实时测量得到的所述专用设备的应变变化放大装置远端位移；

3)达到1)所述的施加荷载时间后，撤离荷载，测量在撤离荷载过程中试件的应变变化值，并以0.5s的间隔记录；所述的应变变化值是采用激光位移计实时测量得到的所述专用设备的应变变化放大装置远端位移；

4)根据3)所测的撤离荷载过程中试件的应变变化值来预测水泥基复合材料的长期徐变。

2.权利要求1所述的方法，其特征在于：4)所述的根据3)测得的撤离过程中试件的应变变化值来预测水泥基复合材料长期的徐变，具体包括：将3)测得的放大的应变变化值除以应变变化放大装置远端位移相对其近端位移的放大倍数，得到撤离荷载过程中真实的应变变化值；根据所述的真实应变变化值来预测水泥基复合材料的长期徐变。

3.权利要求1、2任意一项所述的方法，其特征在于：在4)所述的预测后，对水泥基复合材料试件施加相同应力水平，进行常规徐变试验，获得长期徐变进行对比验证。

4.权利要求1所述方法的专用设备，其特征在于：包括试件盛放装置、压头、应变变化放大装置、加载装置；所述的试件盛放装置顶部开放，内部中空，侧壁设有第一通孔，所述第一通孔以下用于盛放试件；所述的压头包括向下的端头和端头上方的受力部，所述的受力部位于试件盛放装置内所述第一通孔以上的位置，所述的端头位于所述第一通孔水平；所述的受力部与试件盛放装置的内壁成无摩擦的滑动连接，所述的端头用于与试件直接接触；所述的应变变化放大装置是贯穿所述第一通孔设置的刚性长杆，其处于所述第一通孔内侧的近端连接在所述的端头上，远端位于所述第一通孔外侧，用于反映试件应变变化，所述的第一通孔与所述近端的间距小于其与所述远端的间距；所述的加载装置包括上部的荷载调节舱和下部的荷载传递部，所述的荷载传递部位于所述试件盛放装置内，与所述压头的受力部上表面抵接。

5.权利要求4所述的专用设备，其特征在于：还设有筒形座体，所述的筒形座体顶部开放、底部设有凹槽用于安放所述试件盛放装置，侧壁设有第二通孔和第三通孔；所述筒形座体高度低于所述第一通孔的水平；所述的第二通孔和第三通孔用于液体导热介质的注入和排出。

6.权利要求5所述的专用设备，其特征在于：所述筒形座体上的第二通孔和第三通孔之间存在高度差。

7.权利要求4-6任意一项所述的专用设备，其特征在于：所述的试件盛放装置内部，第一通孔以下部分的内径小于所述第一通孔以上部分的内径，以实现对压头的限位。

8.权利要求4-6任意一项所述的专用设备，其特征在于：所述的试件盛放装置外侧设有位移计，更优选激光位移计，用于测量所述应变变化放大装置远端的位移。

9.权利要求1-3任意一项所述的方法或权利要求4-6任意一项所述的专用设备在预测水泥基复合材料长期徐变中的应用。