CN1247983C - 混凝土早期收缩应力测试仪 - Google Patents
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混凝土早期收缩应力测试仪，它属于水泥混凝土早期性能测试仪器。现有测试仪存在测量精度不高、磨擦阻力大、误差大等弊端。本发明的测试仪包括由可移动端夹头(1)与固定端夹头(2)夹持的混凝土试件(3)，可移动端夹头(1)与拉力传感器(4)的一端相连，拉力传感器(4)的另一端通过弹性组件(5)与滚珠丝杠(6)的一端连接，滚珠丝杠(6)的另一端通过连轴器(7)与电机(8)相连。本发明产品运行平稳、测量精度高，并可以提供很大的拉应力，操作简单，它能够准确、定量的测试出混凝土早期收缩开裂相关力学参数。
Description
技术领域：本发明属于水泥混凝土早期性能测试仪器。
背景技术：随着科学技术的发展，高性能混凝土逐渐代替普通混凝土已成为未来发展方向。高性能混凝土具有水胶比低、掺入大量高活性矿物掺合料等特点，因而它在初凝后便开始产生很大的自收缩，同时对水分散失引起的收缩更为敏感，加之其弹性模量高、徐变小等原因，更容易产生早期收缩开裂。早期收缩开裂的产生会引起混凝土结构耐久性能的极大降低，受到工程与科学界的关注。由于早期混凝土各项性能处于快速变化过程中，基于传统的收缩值及硬化后力学性能的测试来评价或预测早期开裂，以及设法通过优化结构形式以避免早期开裂的方法已不再适用。在约束条件下混凝土早期收缩、收缩应力、徐变等力学参数的测定能为深入理解早期开裂机理、为结构优化设计提供可靠理论依据与试验手段。国外部分研究机构已经初步开发出类似的试验设备，国内还没有关于此类设备的任何报道。这种设备的基本工作原理为：棱柱状试件的一端通过夹具固定不动，另一端为可移动自由端，此自由端与测力传感器相连，其位移通过一一个位移传感器来监测；当混凝土收缩时会带动自由端产生一位移量，当位移量达到设定的控制阀值时(如5μm)，转动螺杆通过一系列精密齿轮传动将自由端拉回到原始位置。这样在测力传感器中就会测到拉应力，即为收缩应力。它不但可以定量测出混凝土因收缩而产生的应力、应变，还能换算出混凝土早期弹性模量发展，以及早期徐变值，是一种值得推广的试验方法。但此类设备目前仍然存在一些不足之处：1)从目前国内机械加工水平看，采用普通的螺栓、螺杆传动、组合齿轮减速系统，很难实现如此精细的微位移和提供很大的拉应力。2)试验时将试件拉回原始位置的过程中，由于试件断面处可能存在的收缩不均匀现象，导致试件受力偏心，过早破坏；3)试件及活动夹头在来回移动过程中受到底座磨擦阻力，产生一定误差；4)在如此大拉力(20000N)作用下，固定端采用任何钢材固定形式都会产生变形，导致测到的收缩应力值远低于真实值。
发明内容：针对现有的混凝土收缩应力仪存在的精度不高、试件易受力偏心而过早破坏、试件在移动过程中磨擦阻力大、测到的收缩应力值与真实值误差大的弊端，本发明提供一种可以解决上述问题的混凝土早期收缩应力测试仪，它包括由可移动端夹头与固定端夹头夹持的混凝土试件，可移动端夹头与拉力传感器的一端相连，在混凝土试件的固定端与活动端处的仪器底座上分别安装一个微位移传感器，所述拉力传感器的另一端通过弹性组件与滚珠丝杠的一端连接，滚珠丝杠的另一端通过连轴器与电机相连接；所述弹性组件包括组合弹性体、第一板件、第二板件和导向杆，所述组合弹性体的一端与第一板件连接，组合弹性体的另一端与导向杆的一端连接，导向杆纵向穿过组合弹性体和第一板件后与第二板件连接；所述组合弹性体为四个且相对于滚珠丝杠的中心轴对称分布，每个组合弹性体是由不同弹性模量的外弹簧、中弹簧、内弹簧和分别安装在三个弹簧两端头的压板和导向套组成。本发明采用一种精密滚珠丝杠代替原来螺杆传动方式，用步进电机同轴联接对试件可移动端进行拉伸，从而提高了.系统机械运行的稳定性和传动效率，保证了试件拉伸行程的准确性，同时大大降低了对步进电机功率的要求。利用组合弹性元件的可压缩性强、弹性随压缩量的大小变化的特点，利用压缩弹性体产生的弹力来带动试件的可移动端回复到原始位置，这样可以实现无减速箱变速处理的条件下，使本来所需很小量(几个微米)的拉伸位移通过弹性体放大几十倍以上，放宽了步进电机每次所需运转行程量。使电机与滚珠丝杠可以同步运行，消除了一般齿轮减速装置传动过程中可能引入的误差量，使系统的自动控制部分和电机精度要求不必太高，从而提高了此仪器的可操作性、传动精度和普遍推广的可能性。由于混凝土在凝结硬化过程中的弹性模量不断增长，每拉伸一次所需增加的拉力越来越大，因而采用了三个不同弹性模量弹性体组合而成的弹性元件组合，其产生单位变形所需的压力随着总压缩量不断增长。同时为了保证收缩应力仪有足够量程范围和仪器运行的平稳性，采用了相对于丝杠传动中心轴对称分布的四个弹性元件组。试件可移动端夹头安装在一种精度很高、承载力强、特殊合金材料制造的导轨上来回移动，大大减轻了仪器底座对移动端的磨擦阻力，避免了试件在拉伸过程出现偏向。本发明产品运行平稳、测量精度高，并可以提供很大的拉应力，操作简单，它能够准确、定量的测试出混凝土早期收缩开裂相关力学参数。
附图说明：图1是本发明的整体结构示意图，图2是图1的A-A剖视图，图3是组合弹性体5-1的结构示意图，图4是试件可移动端与导轨的连接结构示意图。
具体实施方式一：参照图1，本实施方式包括由可移动端夹头1与固定端夹头2夹持的混凝土试件3，可移动端夹头1与拉力传感器4的一端相连：可移动端夹头1的一端和拉力传感器4的一端同时与第三板件13固接，拉力传感器4的另一端通过弹性组件5与滚珠丝杠6的一端连接，滚珠丝杠6的另一端通过连轴器7与电机8相连接。所述弹性组件5包括组合弹性体5-1、第一板件5-2、第二板件5-3和导向杆5-4，所述组合弹性体5-1的一端与第一板件5-2连接，组合弹性体5-1的另一端与导向杆5-4的一端连接，导向杆5-4纵向穿过组合弹性体5-1和第一板件5-2后与第二板件5-3连接，导向杆5-4的中间位置与第二板件5-3相固接，导向杆5-4的另一端头穿过第三板件13上的通孔从而形成导向作用。
参照图2、图3，组合弹性体5-1为四个且相对于滚珠丝杠6的中心轴对称分布，每个组合弹性体5-1都是由不同弹性模量的外弹簧5-1-1、中弹簧5-1-2、内弹簧5-1-3和分别安装在三个弹簧两端头的压板5-1-4和导向套5-1-5组成。外弹簧5-1-1、中弹簧5-1-2、内弹簧5-1-3的有效直径分别为：70、45、25mm；有效圈数分别为5、10.5、19.25；总圈数分别为7、12.5、21.25；刚度分别12.09、4.28、2.02GPa。另外，要求弹性体的端部与压板5-14和导向套5-1-5并紧，四个组合弹性体的刚度最大误差不超过5％。
本发明的工作原理如下：参照图1，混凝土试件3在凝结硬化过程中会产生体积收缩，从而带动可移动端夹头1向固定端移动，同时，混凝土在凝结硬化过程中收缩应力不断增长，最大可达2MPa以上，对于截面尺寸为76×76mm的试件来说，这时试件固定端所承受的拉力达1178.8kgf，在如此大的作用力下，任何固定方式的钢材都会产生变形从而发生偏移，如果不计算此偏移量，则测到的收缩应力值就会偏小。本发明采用在混凝土试件3的固定端与活动端处的仪器底座12上分别安装一个微位移传感器9进行监测其位移量，以此为依据对试件进行补偿拉伸的方法，从而可以消除这种误差，当两个位移量之和达到控制限值(2μm)时，步进电机8就会自行起动，将试件拉回到原始长度，这一过程由计算机自动控制；在试件拉回到原始长度后，拉力传感器4就会受力并记录下此拉力值，即为混凝土的收缩应力；随着收缩的进一步增大，试件两端又会被拉回，步进电机8又会按程序自行起动，拉力传感器4记录的拉力值会进一步增大；如此反复直至试件被拉断或至某一规定龄期，混凝土试件的收缩应力发展过程就会被完全测量出来。
其中步进电机8通过联轴器7与滚珠丝杠6直接相连接，滚珠丝杠6左端固定在固定立板14上不动，右端通过螺栓15与第一板件5-2相连，步进电机8的运转会直接带动滚珠丝杠6转动，从而使第一板件5-2向左移动；第一板件5-2向左移动将力施加到组合弹性体5-1上，组合弹性体5-1被压缩产生弹力通过导向杆5-4将第二板件5-3向左拉；拉力传感器4的左端通过螺栓与第二板件5-3相连，拉力传感器4的右端通过螺栓与第三板件13连接，而第三板件13与试件可移动端夹头1连接；因而第二板件5-3的移动通过拉力传感器4带动了可移动端夹头1移动将试件3拉回到原始长度；由于组合弹性体5-1的弹性模量较小，当电机8运转较大行程时其拉力才会拉动可移动端夹头1运行很小的距离，从而保证了试验控制精度和运行的平稳性。所述步进电机采用型号为130BYG350的三相混合式步进电机，步距角为0.6°/1.2°，最大静转矩为35N.m。
参照图4，混凝土试件3的可移动端夹头1的底部与滑块10固接，滑块10设置在导轨11上，所述导轨11通过底座12进行固定。试件可移动端夹头1通过螺栓16固定在四个滑块10上，两根导轨11固定在底座12上，这样试件可移动端夹头1通过滑块10在导轨11上移动，从而大大减小了摩擦阻力，也保证了试件在拉伸过程中受力均匀。
Claims (2)
1、一种混凝土早期收缩应力测试仪，它包括由可移动端夹头(1)与固定端夹头(2)夹持的混凝土试件(3)，可移动端夹头(1)与拉力传感器(4)的一端相连，其特征在于在混凝土试件(3)的固定端与活动端处的仪器底座(12)上分别安装一个微位移传感器(9)，所述拉力传感器(4)的另一端通过弹性组件(5)与滚珠丝杠(6)的一端连接，滚珠丝杠(6)的另一端通过连轴器(7)与电机(8)相连接；
所述弹性组件(5)包括组合弹性体(5-1)、第一板件(5-2)、第二板件(5-3)和导向杆(5-4)，所述组合弹性体(5-1)的一端与第一板件(5-2)连接，组合弹性体(5-1)的另一端与导向杆(5-4)的一端连接，导向杆(5-4)纵向穿过组合弹性体(5-1)和第一板件(5-2)后与第二板件(5-3)连接；
所述组合弹性体(5-1)为四个且相对于滚珠丝杠(6)的中心轴对称分布，每个组合弹性体(5-1)是由不同弹性模量的外弹簧(5-1-1)、中弹簧(5-1-2)、内弹簧(5-1-3)和分别安装在三个弹簧两端头的压板(5-1-4)和导向套(5-1-5)组成。
2、根据权利要求1所述的混凝土早期收缩应力测试仪，其特征在于所述混凝土试件(3)的可移动端夹头(1)的底部与滑块(10)固接，滑块(10)设置在导轨(11)上，所述导轨(11)通过底座(12)进行固定。
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