CN216847193U - 超高强混凝土高温下单轴受压应力-应变全曲线测试装置 - Google Patents

Abstract

一种超高强混凝土高温下单轴受压应力‑应变全曲线测试装置，包括电液伺服压剪试验机、刚性元件、微型箱式高温加热炉、高温压力荷载传感器、耐高温高压微型位移传感器等。试验过程中，位移传感器安装在混凝土试块上，共同放置在微型箱式高温加热炉加热。电液伺服压剪试验机施加荷载，刚性元件提高试验机刚度并与混凝土试块共同受力，保持加载过程中混凝土应变率稳定，超高强混凝土高温下混凝土试块在下降段不发生脆性破坏。经处理可得到平滑的高温下超高强混凝土应力‑应变全曲线。本发明设计简单，加工迅速，能够准确地获取高温损伤超高强混凝土的应力‑应变全曲线，为研究超高强混凝土在高温环境下的力学性能与退化规律提供理论支持。

Description

超高强混凝土高温下单轴受压应力-应变全曲线测试装置

技术领域

本发明属于混凝土性能测试技术领域，特别涉及一种超高强混凝土高温下单轴受压应力-应变全曲线测试装置。

背景技术

超高性能混凝土(UHPC)具有超高力学性能与超高耐久性等，满足土木与建筑工程大跨、高强以及耐久等方面的高要求，是高性能建筑材料发展的主要方向之一。火灾是建筑结构面临的严重灾害之一。超高性能混凝土具有致密的孔隙微观结构，由于蒸汽压原理，超高性能混凝土材料在火灾高温下容易发生爆裂，导致混凝土材料力学性能显著下降。因此，研究超高强混凝土高温环境下的单轴受压应力-应变全曲线变化规律，对于超高性能混凝土高温爆裂的现象、影响因素、规律乃至机理的理解具有重要意义。

混凝土应力-应变全曲线由上升部分和下降部分组成。超高强混凝土经过峰值荷载后容易发生脆性破坏，导致荷载发生突降，很难得到完整的应力-应变曲线。分析认为普通液压试验机刚度不足，普通液压试验机在施加荷载的过程中自身也发生变形，并随荷载增加而变大，积累较大的弹性应变能。当混凝土试块达到峰值荷载后荷载下降，普通液压试验机变形恢复，释放积累的弹性应变能，迅速将混凝土试块压碎。此外超高强混凝土经历高温脆性变大，极易发生脆性破坏。普通混凝土单轴受压破坏应力-应变全曲线测试装置不适用于高性能混凝土，无法准确完整获取超高强混凝土高温下单轴受压应力-应变的完整曲线。

发明内容

为了弥补普通液压试验机刚度不足，克服上述现有技术的缺点，满足同时加热和加载的需求，本发明的目的在于提供一种超高强混凝土高温下单轴受压应力-应变全曲线测试装置，该装置设计简单，加工迅速，能够重复使用，准确获取超高强混凝土高温下、高温后以及常温下单轴受压应力-应变的完整曲线。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种超高强混凝土高温下单轴受压应力-应变全曲线测试装置，包括电液伺服压剪试验机，在电液伺服压剪试验机中布置有刚性元件，所述刚性元件包括上端板、下端板和若干弹簧液压杆，所述弹簧液压杆连接于上端板和下端板之间，弹簧液压杆的轴向与电液伺服压剪试验机的加载方向一致；所述上端板和下端板之间设置微型箱式高温加热炉，混凝土试块设置于所述微型箱式高温加热炉中，沿所述加载方向，在所述混凝土试块外部设置若干对称的耐高温高压微型位移传感器，在所述混凝土试块底端设置高温压力荷载传感器。

在一个实施例中，所述电液伺服压剪试验机包括上压盘、下压盘、丝杠和油缸；所述丝杠与上压盘和下压盘连接，所述油缸连接所述丝杠驱动其转动，进而带动上压盘和下压盘相向运动。

在一个实施例中，所述电液伺服压剪试验机采用位移控制加载，提供设计应变率所需的加载速率。

在一个实施例中，所述上端板为端面带有若干凸起钢柱的上环形钢板，所述上环形钢板的下端面设置上螺帽；所述下端板为端面带有若干固定圆孔的下环形钢板，所述下环形钢板的上端面设置下螺帽；所述弹簧液压杆包括液压伸缩杆、压缩弹簧和钢套筒，所述压缩弹簧套在所述液压伸缩杆外，并共同置于所述钢套筒中，所述钢套筒上端安装于所述上螺帽，下端安装于所述下螺帽，所述压缩弹簧在初始长度下顶住上螺帽和下螺帽；所述钢套筒的长度小于压缩弹簧的初始长度。

在一个实施例中，所述上螺帽内为光圆孔，中部不贯通分为上下光圆孔，上光圆孔与上环形钢板接触，下光圆孔与液压伸缩杆接触，下光圆孔直径大于液压伸缩杆最小直径，所述凸起钢柱和固定圆孔的数量均与弹簧液压杆相同，所述凸起钢柱插入到所述上螺帽的上光圆孔；所述液压伸缩杆能够自由伸缩，提供设计所需荷载，并在底部刻制螺纹，所述下螺帽内为螺纹孔，固定液压伸缩杆于下环形钢板上。

在一个实施例中，所述微型箱式高温加热炉顶部设置有贯通孔，供所述混凝土试块伸出；所述混凝土试块的上下端端部均设置有球铰。

在一个实施例中，所述混凝土试块包括超高强混凝土棱柱体试块和减磨层，环绕所述超高强混凝土棱柱体试块的上下端的侧面均设置减磨层，以保证混凝土试块轴心受压。

在一个实施例中，所述混凝土试块的截面为正方形，所述若干高温高压微型位移传感器均匀布置于混凝土试块的四个侧面。

在一个实施例中，所述若干高温高压微型位移传感器固定在位移传感器支架上，所述位移传感器支架包括上支架、下支架和固定螺栓，所述上支架与下支架为铝制框架，通过固定螺栓将上支架与下支架固定在混凝土试块的轴向中部，高温高压微型位移传感器安装于上支架和下支架之间。

在一个实施例中，所述高温压力荷载传感器能够在高温高压环境下进行荷载测量工作，荷载量程为0t-300t，位于微型箱式高温加热炉底部，内嵌下端板内部。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在试验过程中，能够同时实现超高强混凝土试块的高温下、高温后与常温下的加载。新型刚性元件刚度大，提高试验机并与混凝土试块共同受力，保证加载过程中混凝土应变率稳定。此外刚性元件能够在超高强混凝土荷载下降阶段实现刚度可变，高度可调，得到完整试块下降段曲线。本发明设计简单，加工迅速，实现重复使用，能够准确地获取高温损伤超高强混凝土的应力-应变全曲线，为研究超高强混凝土在高温环境下的力学性能与退化规律提供理论支持。

附图说明

图1是本发明超高强混凝土高温下破坏应力-应变全曲线测试装置示意图。

图2是本发明高温装置与刚性元件安装示意图。

图3是本发明电液伺服压剪试验机示意图。

图4是本发明刚性元件示意图构造示意图。

图5是本发明弹簧液压杆示意图。

图6是本发明上端板与下端板示意图。

图7是本发明上螺帽剖面图。

图8是本发明下螺帽剖面图。

图9是本发明微型箱式高温加热炉示意图。

图10是本发明微型箱式高温加热炉构造图图。

图11是本发明混凝土试块轴心放置图。

图12是本发明位移传感器支架示意图。

图13是本发明高温压力荷载传感器示意图。

图14是本发明得到的超高强混凝土高温后试验应力-应变全曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1和图2所示，本发明一种超高强混凝土高温下单轴受压应力-应变全曲线测试装置，主要包括电液伺服压剪试验机1、刚性元件2、微型箱式高温加热炉3、高温压力荷载传感器4以及耐高温高压微型位移传感器6。

本发明电液伺服压剪试验机1采用位移控制加载，提供设计应变率所需的加载速率。如图3所示，电液伺服压剪试验机1包括上压盘1-2、下压盘1-3、丝杠1-1和油缸1-4；丝杠1-1与上压盘1-2和下压盘1-3连接，油缸1-4连接丝杠1-1驱动其转动，进而带动上压盘1-2和下压盘1-3相向运动。

如图1所示，刚性元件2布置于电液伺服压剪试验机1中。具体地，如图4所示，刚性元件2包括上端板2-1、下端板2-4和若干弹簧液压杆2-3，其中弹簧液压杆2-3连接于上端板2-1和下端板2-4之间，弹簧液压杆2-3的轴向与电液伺服压剪试验机1的加载方向一致。示例地，刚性元件2一般可具有3～6根弹簧液压杆2-3，并呈现正多边形分布在下端板2-4上，实际应用中，可根据试验荷载设计选择弹簧液压杆2-3的个数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，参考图4，刚性元件2还包括上螺帽2-2和下螺帽2-5。

参考图5，弹簧液压杆2-3包括液压伸缩杆2-3-1、压缩弹簧2-3-2和钢套筒2-3-3，压缩弹簧2-3-2套在液压伸缩杆2-3-1外，并共同置于钢套筒2-3-3中。

参考图6，上端板2-1为端面带有若干凸起钢柱2-1-1的上环形钢板2-1-2，上螺帽2-2设置在上环形钢板2-1-2的下端面。下端板2-4为端面带有若干固定圆孔2-4-1的下环形钢板2-4-2，下螺帽2-5设置在下环形钢板2-4-2的上端面。

参考图7和图8，钢套筒2-3-3上端安装于上螺帽2-2，下端安装于下螺帽2-5，压缩弹簧2-3-2在初始长度下可分别顶住上螺帽2-2和下螺帽2-5；钢套筒2-3-3的长度则小于压缩弹簧2-3-2的初始长度。

其中，上螺帽2-2内为光圆孔，中部不贯通分为上下光圆孔，上光圆孔与上环形钢板2-1-2接触，下光圆孔与液压伸缩杆2-3-1接触，下光圆孔直径大于液压伸缩杆2-3-1最小直径，凸起钢柱2-1-1和固定圆孔2-4-1的数量均与弹簧液压杆2-3相同，凸起钢柱2-1-1插入到上螺帽2-2的上光圆孔；液压伸缩杆2-3-1能够自由伸缩，提供设计所需荷载，并在底部刻制螺纹，下螺帽2-5内为螺纹孔，固定液压伸缩杆2-3-1于下环形钢板2-4-2上。

参考图1，上端板2-1和下端板2-4之间设置微型箱式高温加热炉3，混凝土试块7设置于微型箱式高温加热炉3中。

具体地，参考图9和图10，微型箱式高温加热炉3包括炉体一3-1和炉体二3-2，炉体一3-1和炉体二3-2采用镍铬合金电加热式加热器，能够按照规范《ISO 834-11:2014-Fireresistance tests》提供0-1200℃的恒定高温，二者组合构成微型箱式高温加热炉3。在微型箱式高温加热炉3的顶部设置有贯通孔3-4，供混凝土试块7伸出，其中混凝土试块7的上下端端部可分别设置球铰5；在炉体一3-1和/或炉体二3-2的侧面设置有观察窗3-3，微型箱式高温加热炉3内部的炉底3-5可设置为向上凸起结构，炉底3-5可采用耐热合金并喷涂耐高温涂层。在实际的应用中，微型箱式高温加热炉3内部体积大于等于300mm×300mm×600mm，能够容纳球铰5与混凝土试块7。

参考图10和图11，混凝土试块7包括超高强混凝土棱柱体试块7-1和减磨层7-2，环绕超高强混凝土棱柱体试块7-1的上下端的侧面均设置减磨层7-2，以保证混凝土试块7轴心受压。在本发明的实施例中，超高强混凝土棱柱体试块7-1尺寸选择为100mm×100mm×300mm或150mm×150mm×300mm。

参考图1，沿加载方向，在混凝土试块7外部设置若干对称的耐高温高压微型位移传感器6，在混凝土试块7底端设置高温压力荷载传感器4。高温高压微型位移传感器6能够在高温高压环境下进行位移测量工作，高温压力荷载传感器4能够在高温高压环境下进行荷载测量工作，荷载量程为0t-300t。

示例地，在本发明中，混凝土试块7的截面为正方形，高温高压微型位移传感器6共有4个，均匀布置于混凝土试块7的四个侧面，并固定在位移传感器支架8上。

参考图12，位移传感器支架8包括上支架8-1、下支架8-2和固定螺栓8-3，上支架8-1与下支架8-2为正四边形铝制框架，每一边三等分位置开2个螺纹孔，通过固定螺栓8-3将上支架8-1与下支架8-2固定在超高强混凝土棱柱体试块7-1的轴向中部，高温高压微型位移传感器6安装于上支架8-1和下支架8-2之间。示例地，上支架8-1距离超高强混凝土棱柱体试块7-1顶部100mm，下支架8-2距离超高强混凝土棱柱体试块7-1顶部200mm。

参考图13，高温压力荷载传感器4可位于微型箱式高温加热炉3底部，并内嵌下端板2-4内部。

根据该结构，可进行超高强混凝土高温下和高温后单轴受压应力-应变全曲线测试；当移除微型箱式高温加热炉3后，则可进行超高强混凝土常温下单轴受压应力-应变全曲线测试。

本发明的测试装置方法可包括以下步骤：

步骤一，将上支架8-1、下支架8-2通过固定螺栓8-3固定在超高强混凝土棱柱体试块7-1上。具体方法如下：

第一步，调整上支架8-1四肢与超高强混凝土棱柱体试块7-1四边的间距，使间距保持相同，拧紧固定螺栓8-3将上支架8-1固定在距离混凝土试块顶部100mm处。

第二步，调整下支架8-2四肢与超高强混凝土棱柱体试块7-1四边的距离，使距离保持相同，拧紧固定螺栓8-3将下支架8-2固定在距离混凝土试块顶部200mm处。

步骤二，将耐高温高压微型位移传感器6固定在移传感器支架8上，并以耐高温数据线与采集仪相连。具体方法如下：

第一步，将四个耐高温高压微型位移传感器6固定在上支架8-1。

第二步，调整耐高温高压微型位移传感器6位置，使耐高温高压微型位移传感器6保持竖直。

第三步，将耐高温高压微型位移传感器6的移动端头顶于下支架8-2铝片上。

步骤三，在固定有耐高温高压微型位移传感器6的超高强混凝土棱柱体试块7-1上下端部涂抹减摩层，并放置球铰5，调整球铰5位置，使超高强混凝土棱柱体试块7-1与球铰5轴心对齐。

步骤四，将刚性元件2的下端板2-4套在高温压力荷载传感器4外部，共同居中放置在电液伺服压剪试验机1的下压盘1-3上。

步骤六，将微型箱式高温加热炉3居中放置在高温压力荷载传感器4上。

步骤七，使用下螺帽2-5将液压伸缩杆2-3-1固定在下端板2-4上。

步骤八，将液压伸缩杆2-3-1顶升一定高度，依次将压缩弹簧2-3-2、钢套筒2-3-3、上螺帽2-2外套在液压伸缩杆2-3-1上。

步骤九，将轴心对齐后的超高强混凝土棱柱体试块7-1与球铰5居中放置在微型箱式高温加热炉3内部。

步骤十，将上端板2-1放置根据上螺帽2-2的光圆孔位置插入上螺帽2-2。

步骤十一，打开微型箱式高温加热炉3开关开始加热，根据试验设计设置目标温度和恒温时间。

步骤十二，固定电液伺服压剪试验机1的上压盘1-2位置，通过油缸1-4，采用位移控制加载，按照设计加载速率顶升下压盘1-3。

步骤十三，对比各耐高温高压微型位移传感器6数据，检查超高强混凝土棱柱体试块7-1是否轴心对齐，否则重复对中。具体方法如下：

第一步，先预加载1t-5t，调取位移传感器数据。

第二步，分别对比相对位置设置的位移传感器数据，数据相同或相差不超过5％，则继续加载，否则继续对中，保证混凝土试块轴心对齐。

步骤十四，当超高强混凝土棱柱体试块7-1荷载达到80％预估峰值荷载时，顶升液压伸缩杆2-3-1，使上端板2-1与上压盘1-2接触。刚性元件2与超高强混凝土棱柱体试块7-1开始共同受力。

步骤十五，当超高强混凝土棱柱体试块7-1荷载下降到峰值荷载的80％时，下降液压伸缩杆2-3-1，此时刚性元件2的压缩弹簧2-3-2与超高强混凝土棱柱体试块7-1开始共同受力。

步骤十六，当混凝土试块荷载下降到一个恒定的荷载值，并维持较长时间，停止加载。

步骤十七，高温压力荷载传感器4与耐高温高压微型位移传感器6将试验过程中的数据反馈到计算机，进行数据分析，生成测试结果，如图14所示。

综上，本发明利用电液伺服压剪试验机施加荷载，刚性元件提高试验机刚度并与混凝土试块共同受力，保持加载过程中混凝土应变率稳定，超高强混凝土高温下混凝土试块在下降段不发生脆性破坏。经处理可得到平滑的高温下超高强混凝土应力-应变全曲线。本发明设计简单，加工迅速，能够准确地获取高温损伤超高强混凝土的应力-应变全曲线，为研究超高强混凝土在高温环境下的力学性能与退化规律提供理论支持。

Claims (10)

1.一种超高强混凝土高温下单轴受压应力-应变全曲线测试装置，其特征在于，包括电液伺服压剪试验机(1)，在电液伺服压剪试验机(1)中布置有刚性元件(2)，所述刚性元件(2)包括上端板(2-1)、下端板(2-4)和若干弹簧液压杆(2-3)，所述弹簧液压杆(2-3)连接于上端板(2-1)和下端板(2-4)之间，弹簧液压杆(2-3)的轴向与电液伺服压剪试验机(1)的加载方向一致；所述上端板(2-1)和下端板(2-4)之间设置微型箱式高温加热炉(3)，混凝土试块(7)设置于所述微型箱式高温加热炉(3)中，沿所述加载方向，在所述混凝土试块(7)外部设置若干对称的耐高温高压微型位移传感器(6)，在所述混凝土试块(7)底端设置高温压力荷载传感器(4)。

2.根据权利要求1所述超高强混凝土高温下单轴受压应力-应变全曲线测试装置，其特征在于，所述电液伺服压剪试验机(1)包括上压盘(1-2)、下压盘(1-3)、丝杠(1-1)和油缸(1-4)；所述丝杠(1-1)与上压盘(1-2)和下压盘(1-3)连接，所述油缸(1-4)连接所述丝杠(1-1)驱动其转动，进而带动上压盘(1-2)和下压盘(1-3)相向运动。

3.根据权利要求1所述超高强混凝土高温下单轴受压应力-应变全曲线测试装置，其特征在于，所述电液伺服压剪试验机(1)采用位移控制加载，提供设计应变率所需的加载速率。

4.根据权利要求1所述超高强混凝土高温下单轴受压应力-应变全曲线测试装置，其特征在于，所述上端板(2-1)为端面带有若干凸起钢柱(2-1-1)的上环形钢板(2-1-2)，所述上环形钢板(2-1-2)的下端面设置上螺帽(2-2)；所述下端板(2-4)为端面带有若干固定圆孔(2-4-1)的下环形钢板(2-4-2)，所述下环形钢板(2-4-2)的上端面设置下螺帽(2-5)；所述弹簧液压杆(2-3)包括液压伸缩杆(2-3-1)、压缩弹簧(2-3-2)和钢套筒(2-3-3)，所述压缩弹簧(2-3-2)套在所述液压伸缩杆(2-3-1)外，并共同置于所述钢套筒(2-3-3)中，所述钢套筒(2-3-3)上端安装于所述上螺帽(2-2)，下端安装于所述下螺帽(2-5)，所述压缩弹簧(2-3-2)在初始长度下顶住上螺帽(2-2)和下螺帽(2-5)；所述钢套筒(2-3-3)的长度小于压缩弹簧(2-3-2)的初始长度。

5.根据权利要求4所述超高强混凝土高温下单轴受压应力-应变全曲线测试装置，其特征在于，所述上螺帽(2-2)内为光圆孔，中部不贯通分为上下光圆孔，上光圆孔与上环形钢板(2-1-2)接触，下光圆孔与液压伸缩杆(2-3-1)接触，下光圆孔直径大于液压伸缩杆(2-3-1)最小直径，所述凸起钢柱(2-1-1)和固定圆孔(2-4-1)的数量均与弹簧液压杆(2-3)相同，所述凸起钢柱(2-1-1)插入到所述上螺帽(2-2)的上光圆孔；所述液压伸缩杆(2-3-1)能够自由伸缩，提供设计所需荷载，并在底部刻制螺纹，所述下螺帽(2-5)内为螺纹孔，固定液压伸缩杆(2-3-1)于下环形钢板(2-4-2)上。

6.根据权利要求1所述超高强混凝土高温下单轴受压应力-应变全曲线测试装置，其特征在于，所述微型箱式高温加热炉(3)顶部设置有贯通孔(3-4)，供所述混凝土试块(7)伸出；所述混凝土试块(7)的上下端端部均设置有球铰(5)。

7.根据权利要求1或6所述超高强混凝土高温下单轴受压应力-应变全曲线测试装置，其特征在于，所述混凝土试块(7)包括超高强混凝土棱柱体试块(7-1)和减磨层(7-2)，环绕所述超高强混凝土棱柱体试块(7-1)的上下端的侧面均设置减磨层(7-2)，以保证混凝土试块(7)轴心受压。

8.根据权利要求1所述超高强混凝土高温下单轴受压应力-应变全曲线测试装置，其特征在于，所述混凝土试块(7)的截面为正方形，所述若干高温高压微型位移传感器(6)均匀布置于混凝土试块(7)的四个侧面。

9.根据权利要求1或8所述超高强混凝土高温下单轴受压应力-应变全曲线测试装置，其特征在于，所述若干高温高压微型位移传感器(6)固定在位移传感器支架(8)上，所述位移传感器支架(8)包括上支架(8-1)、下支架(8-2)和固定螺栓(8-3)，所述上支架(8-1)与下支架(8-2)为铝制框架，通过固定螺栓(8-3)将上支架(8-1)与下支架(8-2)固定在混凝土试块(7)的轴向中部，高温高压微型位移传感器(6)安装于上支架(8-1)和下支架(8-2)之间。

10.根据权利要求1所述超高强混凝土高温下单轴受压应力-应变全曲线测试装置，其特征在于，所述高温压力荷载传感器(4)位于微型箱式高温加热炉(3)底部，内嵌下端板(2-4)内部。

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