JP5660789B2 - 圧縮試験機 - Google Patents

Description

本発明は、コンクリート材や石材等の圧縮試験を行う圧縮試験機に関する。

従来、コンクリート材などの供試体の最大強度を測定する方法として、材料試験機を用いて圧縮試験を行う方法が知られている。通常、圧縮試験においては、一定の応力速度にて供試体に圧縮負荷を与え、最大強度が出現した後に圧縮負荷を停止するようにしている。このような試験では、最大強度が出現した後にも圧縮負荷を加え続けると、最終的にはコンクリート材が破壊し、その破片が周囲に飛び散る「爆裂」と称される現象が発生する。

そのような問題点に対して、試験中に爆裂が発生しないようにする爆裂防止機能を装備した材料試験機が知られている（例えば、特許文献１参照）。この材料試験機では、計測される圧縮応力が最大強度を過ぎてから爆裂現象が発生するまで減少するという性質を利用し、圧縮応力の減少を検知して爆裂発生前に負荷停止等を行うようにしている。

特開２００３−３０７４７６号公報

ところで、近年、様々なコンクリート材の研究されており、計測される圧縮応力が減少する前に最大強度が計測されるという性質を有していないコンクリート材も開発されている。このようなコンクリート材の場合、爆裂防止機能を使用すると最大強度を正しく計測できない場合が生じるので、爆裂防止機能を使用しないで試験する必要がある。その場合には、実際に爆裂が生じるまで試験が行われ、爆裂の破壊ショックにより試験機に大きな衝撃を与えてしまい、試験機の寿命に影響を及ぼすことにもなる。

請求項１の発明による圧縮試験機は、静止部材と移動部材との間に供試体を挟持し、移動部材を静止部材の方向へ変位させて供試体に圧縮荷重を付与する負荷機構と、変位を計測する計測手段と、圧縮試験中に、計測された前記変位の増加率が予め設定された爆裂閾値より大きいか否かによって爆裂が発生したか否かを判定する判定手段と、判定手段により爆裂が発生したと判定されると、前記移動部材の前記静止部材の方向への変位を停止するように、または、前記移動部材が静止部材の方向と逆の方向へ変位するように負荷機構を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。それにより、供試体が爆裂した際のショックを軽減することができる。
請求項２の発明は、請求項１に記載の圧縮試験機において、前記負荷機構は、油圧シリンダに設けられたラムを油圧駆動することにより、前記静止部材に対して前記移動部材を進退移動させるものであることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項２に記載の圧縮試験機において、前記制御手段は、前記判定手段により爆裂が発生したと判定されると、前記油圧シリンダへの作動油の供給を停止して、前記移動部材の前記静止部材の方向への変位を停止するようにしたものである。
請求項４の発明は、請求項２に記載の圧縮試験機において、前記制御手段は、前記判定手段により爆裂が発生したと判定されると、前記油圧シリンダから作動油を排出させて、前記移動部材を前記静止部材への方向と逆の方向へ変位させるようにしたものである。

本発明によれば、爆裂による圧縮試験機のダメージを低減することができる。

本発明による圧縮試験機の一実施の形態を示す図である。 圧縮試験の計測データを示す図であり、（ａ）は応力値の時間変化を示し、（ｂ）はストローク値の時間変化を示す。 本実施の形態におけるショック低減動作を説明するためのフローチャートである。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本発明による圧縮試験機の一実施の形態を示す図である。図１に示す圧縮試験機は、試験機本体１０と、試験機本体１０を駆動制御する制御系２０と、油圧装置３０とで構成される。

試験機本体１０は、ベッド１１、ベッド１１上に設置された負荷シリンダ１２、ベッド１１上に鉛直方向に立設された一対のねじ棹１３、ねじ棹１３に昇降可能に保持されたクロスヘッド１４、負荷シリンダ１２により昇降するテーブル１５、テーブル１５上に立設された一対の支柱１６、および支柱１６に横架される上部クロスヘッド１７を備えている。供試体Ｗに負荷される試験力は、圧力セル４で計測された負荷シリンダ内の油圧から検出される。テーブル１５のストローク（変位）はストローク計１９で検出される。

試験すべきコンクリートの供試体Ｗは、クロスヘッド１４の下面に装着された圧盤２と、テーブル１５の上面に装着された圧盤３との間に配置される。すなわち、供試体Ｗは、負荷機構であるクロスヘッド１４とテーブル１５との間に挟持される。負荷シリンダ１２にはテーブル１５に連結するラム１２ａが嵌め込まれており、油圧装置３０から負荷シリンダ１２に作動油が送り込まれると、ラム１２ａが上昇する。ラム１２ａが上昇するとテーブル１５も上昇し、供試体Ｗに圧縮荷重が負荷されることになる。逆に、作動油が油圧装置３０の油タンク３０３に戻されると、ラム１２ａが降下する。

負荷シリンダ１２への作動油の供給はオイルポンプ３０１により行われ、オイルポンプ３０１と負荷シリンダ１２との間には切換弁３０２が設けられている。制御装置２１からの信号により切換弁３０２を切り換えることにより、負荷シリンダ１２への作動油の供給、および、負荷シリンダ１２からの作動油の排出が行われる。負荷シリンダ１２内の油圧は圧力セル４により電気信号に変換され、その信号は制御装置２１に入力される。

制御系２０には、制御装置２１、入出力装置２２、増幅器２３、Ａ／Ｄ変換器２４、Ｄ／Ａ変換器２５などが設けられている。制御装置２１は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，その他の周辺回路を含んで構成される。制御装置２１に接続された入出力装置２２には、操作部２２ａおよび表示モニタ２２ｂが設けられている。操作部２２ａには、試験条件などを入力するタッチパネルや、電源のオンオフ指令などの各種指令を入力するスイッチなどが含まれる。データ記憶装置２６は、ハードディスクなど書き換え可能な不揮発性記憶媒体によって構成され、試験条件等が記憶される。

一般に、圧縮試験機を用いてコンクリート材の圧縮試験を行うと、図２（ａ）に示すような応力−時間曲線Ｌ１が得られる。縦軸に示す応力は、計測された試験力を供試体Ｗの断面積で除算したものである。点Ｐは曲線Ｌ１のピーク（最大強度）を示しており、このピークＰが出現してから爆裂現象が発生している。応力値が大きく減少している破線部分Ｂで爆裂が発生している。そして、ピーク発生後の応力値の減少を計測したならば爆裂防止動作を行うようにしている。

近年、さまざまなコンクリート材が研究されていて、ピーク位置に非常に近い位置で爆裂が発生したり、曲線Ｌ２に示すような性質のコンクリート材も現れたりしている。曲線Ｌ２では符号Ａの部分を過ぎたところでいったん応力値が減少した後、再び応力値が上昇してピークＰ（最大強度）が出現し、その後、応力値が減少して爆裂が発生している。そのため、従来のように応力値の減少が計測されたら爆裂防止動作を行うという制御を採用すると、最大強度が計測される前に試験を終了してしまうことになり、不都合が生じる。そのため、このような不都合を避けるためには、爆裂防止機能を使用しないで試験する必要がある。

しかしながら、爆裂防止機能を使用しないと、供試体Ｗが破壊したときのショックにより試験機本体１０に大きな衝撃を与え、使用状況によっては試験機本体１０の寿命を短くしてしまうおそれがある。

そこで、本実施の形態では、爆裂防止機能を使用しない場合において、爆裂時の試験機本体１０への衝撃を和らげるような制御を行うようにした。具体的には、爆裂を検知して試験機を負荷方向とは逆に動作させ、爆裂による破壊ショックを低減するようにした。

従来は、図２（ａ）に示す応力値の変化を参考にして爆裂防止動作を行っていた。負荷シリンダ１２を駆動してテーブル１５を上昇させて供試体Ｗに圧縮荷重を加えると、図２（ａ）のように計測される応力が上昇する。そして、最大強度に達した後は応力が減少に転じ、さらに圧縮荷重を加え続けると最終的には爆裂が発生する。爆裂は破線で示す部分Ｂにおいて発生しているが、この減少の様子だけでは、どの時点で爆裂が発生しているかを明確に検出するのは困難であった。

一方、図２（ｂ）は、圧縮試験時に、図１のストローク計１９により検出されたストローク値を示す図である。図２（ｂ）に示す曲線Ｌ３は、図２（ａ）の曲線Ｌ１を計測した際に得られたものであり、曲線Ｌ３の符号Ｃで示した部分が、曲線Ｌ１の符号Ｂで示した部分に対応している。曲線Ｌ１の符号Ｂで示した部分においては、爆裂の発生時点が明確に分かるような際立った変化は見られないが、曲線Ｌ３の場合には、符号Ｃで示した部分において際立った変化が計測されることを見出した。

図２（ｂ）に示すように、時刻ｔ１以前においては、ストローク値はほぼ一定の割合で直線的に変化しているが、時刻ｔ１を越えると、ほぼ垂直方向に折れ曲がるように変化している。これは、爆裂により供試体Ｗが破壊したことにより、負荷シリンダ１２の力によりテーブル１５が急激に上方に変位したことを示している。このように、ストローク値の急激な増加を検出することで、爆裂を検出することができる。

図３は、本実施の形態におけるショック低減動作を説明するためのフローチャートである。図３のフローチャートに示す一連の処理は、ショック低減動作の一例を示したものであり、制御装置２１のＣＰＵで実行される。このフローチャートに示す処理は、操作部２２ａが操作されて圧縮試験が開始されるとスタートする。

ステップＳ１０では、ストローク計１９により計測されるストローク値を読み込む。ステップＳ２０では、前回読み込まれて保存されているストローク値と今回読み込まれたストローク値との差分値を算出し、その差分値が予め設定されている閾値よりも大きいか否かを判定する。このストローク値は所定時間間隔Δｔで計測されるので、差分値の代わりに差分値／Δｔ（ストローク値の増加率）を使用し、差分値／Δｔを閾値／Δｔ（増加率に関する閾値）と比較するようにしても良い。

この閾値は爆裂が発生したか否かを判定するための閾値であって、例えば、図２（ｂ）に示すようなデータに基づいて設定される。閾値としては、典型的なコンクリート材料の閾値を用いても良いし、コンクリート材料の種類に応じて設定しても良い。

図２（ｂ）の時刻ｔ１よりも前のタイミングにおいては、測定値の差分値ΔS1は閾値よりも小さいので、ステップＳ２０においてＮＯと判定されてステップＳ４０へ進む。ステップＳ４０では、今回測定されたストローク値を前回値として記憶する。その後ステップＳ１０に戻って、ステップＳ１０およびステップＳ２０の処理を再度行う。すなわち、爆裂が発生するまでは、ステップＳ１０、ステップＳ２０およびステップＳ４０の処理が所定の時間間隔で繰り返し行われることになる。

一方、閾値よりも大きな差分値ΔS2が得られた場合には、ステップＳ２０においてＹＥＳと判定され、ステップＳ３０へ進んで爆裂ショックを低減させる動作を行う。ここでは、試験機に逆転動作を行わせる。すなわち、それまで負荷シリンダ１２に作動油を供給してテーブル１５を上方に負荷し、供試体Ｗを圧縮している状態から、切換弁３０２を切り換えて負荷シリンダ１２から作動油を排出する状態へと切り換える。ラム１２ａは降下し、原点位置へと戻る。また、ラム１２ａを降下させる代わりに、作動油の供給を停止してラム２ａの上昇を停止させるようにしても良い。いずれの場合においても、供試体Ｗへの圧縮荷重の付与が停止され、爆裂ショックが低減されることになる。

上述したように、従来の圧縮試験機では、応力測定値の減少を検出しているため供試体が破壊したかどうかの判別が難しく、試験機を停止または逆転動作させなければならないタイミングを検出するのが難しかった。一方、本実施の形態では、図１２（ｂ）に示すようなストローク値（テーブル１５の変位）に基づいて爆裂の発生を検出しているので、図１２（ａ）の曲線Ｌ２のような応力特性を有するコンクリート材であっても、爆裂現象が発生した時点を明確に検出でき、爆裂後に破断ショックを低減させるための試験機の停止または逆転動作を確実に行うことが可能となる。上記説明ではコンクリート材を例に説明しているが、本実施の形態はコンクリート材に限らず、例えば、石材等の圧縮試験機にも適用することができる。また、本発明は、負荷機構として油圧シリンダ以外のものを利用した材料試験機、例えばねじ棹の回転を負荷機構とした材料試験機にも適用可能である。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１０：試験機本体、１２：負荷シリンダ、１３：ねじ棹、１４：クロスヘッド、１５：テーブル、１９：ストローク計、２０：制御系、２１：制御装置、３０：油圧装置、３０２：切換弁、Ｗ：供試体

Claims (4)

1. 静止部材と移動部材との間に供試体を挟持し、前記移動部材を前記静止部材の方向へ変位させて供試体に圧縮荷重を付与する負荷機構と、
   前記変位を計測する計測手段と、
   圧縮試験中に、計測された前記変位の増加率が予め設定された爆裂閾値より大きいか否かによって爆裂が発生したか否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段により爆裂が発生したと判定されると、前記移動部材の前記静止部材の方向への変位を停止するように、または、前記移動部材が前記静止部材への方向と逆の方向へ変位するように前記負荷機構を制御する制御手段と、を備えた圧縮試験機。
2. 請求項１に記載の圧縮試験機において、
   前記負荷機構は、油圧シリンダに設けられたラムを油圧駆動することにより、前記静止部材に対して前記移動部材を進退移動させるものであることを特徴とする圧縮試験機。
3. 請求項２に記載の圧縮試験機において、
   前記制御手段は、前記判定手段により爆裂が発生したと判定されると、前記油圧シリンダへの作動油の供給を停止して、前記移動部材の前記静止部材の方向への変位を停止することを特徴とする圧縮試験機。
4. 請求項２に記載の圧縮試験機において、
   前記制御手段は、前記判定手段により爆裂が発生したと判定されると、前記油圧シリンダから作動油を排出させて、前記移動部材を前記静止部材への方向と逆の方向へ変位させることを特徴とする圧縮試験機。

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