一种混凝土试件单轴受压加载装置及其操作方法

技术领域

本发明属于混凝土试件性能研究与测试技术领域，涉及一种混凝土试件单轴受压加载装置及其操作方法，具体地说，涉及一种用于持荷-环境耦合作用下混凝土试件单轴受压加载装置及测试方法。

背景技术

由于混凝土结构在取材、成本、维护方面的优势，一直在土建工程中占有主导地位,在重大土木工程(大型建筑工程、桥梁工程、水工与港工工程)中有着非常广泛的应用，随着我国现代化与城镇化进程的不断推进，有着大量已修建的混凝土基建工程和大量正在修建和未修建的混凝土基建工程，对于这些基建工程混凝土结构的寿命影响着各地区的发展和人民的生活。因此，研究高压持荷-复杂环境耦合状态下混凝土试件的性能是目前混凝土结构领域研究的热点与难点。

目前国内外单轴高压持荷加载试验装置多为大型和超大型试验装备，体型庞大、价格昂贵，无法实现复杂、恶劣、不同环境下相关试件的耐久性、抗疲劳性、粘结性等性能的研究。中国专利申请公布号CN106841577A，申请公布日是2017年6月13号，名称为“可适于荷载-环境耦合作用下混凝土加载装置及方法”的专利中提及了在荷载与环境耦合作用下混凝土试件的加载装置和方法，此装置利用杠杆原理，通过杠杆机构计算出压紧件对压板所施加的压力进而获得混凝土试验件承受的荷载。该装置体型依然较大，且无法置于氯盐、硫酸盐等水环境中，适用范围有限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种混凝土试件单轴受压加载装置及其操作方法，利用承压碟簧-支撑筒压力平衡系统保持长时间与环境因素影响下的持荷平衡，利用高强材料对试件施加较大荷载，最大可达150Mpa，同时利用拉力传感器来实时监控与调整试件的受力状态，装置小巧、可拆卸、便于移动用于恶劣复杂环境下的试验。

其技术方案如下：

一种混凝土试件单轴受压加载装置，包括底板、丝杆、拉力传感器、加载机构、固定螺栓，所述丝杆下端对称固定于底板左右两侧，上端依次从拉力传感器和加载机构穿出后与固定螺栓连接，所述底板上方中间设置有下球铰，所述下球铰上端连接承压铰板，所述承压铰板上所测试混凝土试件，通过承压铰板与下球铰的连接来调整承压铰板与混凝土试件的接触角度从而对混凝土试件的部光滑和不平整进行调平。

进一步，所述底板与丝杆采用焊接相连，所述底板中部设有一正方形凹槽，所述凹槽内放置下球铰，所述承压铰板放在下球铰上方。

进一步，所述丝杆下端分别设有一拉力传感器，所述拉力传感器外设有一护筒，所述护筒上端和下端分别与丝杆和底板相连，所述护筒呈封闭状态保护拉力传感器不受外界环境因素侵蚀。

进一步，所述丝杆采用高强度低松弛钢棒材质，直径设置40mm-60mm。

进一步，所述加载机构由顶板、垫板、加载板、承压碟簧、支撑筒组成，所述支撑筒为T型支撑筒，通过上翼缘对称卡在所述加载板左右两侧，所述支撑筒内部通过所述丝杆，所述支撑筒与所述丝杆间设置有所述承压碟簧，所述垫板放置在所述承压碟簧上侧，所述顶板放置在所述垫板上侧。

进一步，所述承压碟簧套在所述丝杆上布满所述支撑筒，所述承压碟簧外部有设有封闭护筒，所述封闭护筒位于所述承压碟簧与所述支撑筒之间，所述封闭护筒内部填充有密封材料。

进一步，所述垫板、顶板、支撑筒均设置有预留孔，所述预留孔直径大小与丝杆直径相同，所述垫板与所述加载板之间的缝隙均设有防水密封材料。

进一步，所述加载板左右两侧面中心位置分别设有一小孔，所述小孔内分别置有一限位螺丝，所述顶板、加载板和底板四角均设有圆角。

进一步，所述固定螺栓、垫板、承压碟簧、支撑筒与丝杆的几何中心均位于同一条直线上。

进一步，所述承压碟簧与-拉力传感器应力平衡稳定系统的综合误差为0.03％，拉力传感器灵敏度系数0.9510mV/V，拉力传感器显示精度为0.001吨。

本发明所述混凝土试件单轴受压加载装置的操作方法：

采用本发明所述混凝土试件单轴受压加载装置，将该装置设于环境提供设备中以实现作业环境的模拟，包括以下步骤：

(1)将试件放置于承压板与加载板之间，通过下球铰调节承压铰板与试件之间的角度，通过目标压力设计承压碟簧的数量与力学指标；

(2)通过限位螺丝调节支撑筒与加载板的位置，并调整下球铰转动角度来使加载板、试件、承压铰板三者紧密贴合；

(3)通过施压装置对顶板施加相应压力，根据拉力传感器的读数来精确显示实时压力数值；

(4)待压力数值达到目标数值时，拧紧固定螺栓，撤去施压装置；

(5)将试验装置放置于环境提供设备，通过拉力传感器来实时监测试件受力状态和实时调整。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明提供的一种持荷-环境耦合作用下混凝土试件单轴受压加载装置，其中顶板、加载板、底板均为大厚度高强度矩形钢板，丝杆和固定螺栓均为高强螺杆螺栓，可对各种高强混凝土试件进行施压持荷，最大可承载150MPa压力，满足目前实验室内所有混凝土强度等级的测试范围。

2、本发明提供的一种持荷-环境耦合作用下混凝土试件单轴受压加载装置，结构简单、易于操作、移动方便、各个部件可以拆卸，可以将装置放置人工气候模拟实验箱、腐蚀性溶液池等多种环境耦合下混凝土试件的试验性能研究，相比大型持荷装置可以灵活满足不同环境下混凝土试件的加载测试。

3、本发明提供的一种持荷-环境耦合作用下混凝土试件单轴受压加载装置，提供下球铰调平系统，可以对不同材质、种类、形状、大小的试件进行加载测试。

4、本发明提供的一种持荷-环境耦合作用下混凝土试件单轴受压加载装置，提供承压碟簧-支撑筒持荷状态下压力平衡稳定系统，避免压力施加后混凝土徐变、位移、固定螺栓的松弛所引起的压力变化，和装置在不同环境因素下带来的应力损失。

5、本发明提供的一种持荷-环境耦合作用下混凝土试件单轴受压加载装置，采用拉力传感器精确、实时监测混凝土机构的受力状态，实时调整，减少实验误差。

6、本发明提供的一种持荷-环境耦合作用下混凝土试件单轴受压加载装置，演示时将混凝土试件放在承压铰板上，调整好加载机构的位置，旋紧固定螺丝，使用加压装置在顶板上施加压力，当达到所需压力时，旋紧高强螺栓，撤销加压装置，此时拉力传感器实时显示出精确的拉力数值。无需手动将压力从小加到最大值，操作演示安全，演示环境灵活，数值精确，演示省时省力。

7、本发明提供的一种持荷-环境耦合作用下混凝土试件单轴受压加载装置，通过外部施压装置施加压力给顶板，顶板将力传递给垫板，垫板将力传递给承压碟簧，承压碟簧传递给支撑筒，支撑筒通过上翼缘将力传递给再通过支撑筒传递给加载板，最后加载板将力作用于试件表面。

附图说明

图1是本发明混凝土试件单轴受压加载装置的结构示意图。

图2是本发明混凝土试件单轴受压加载装置的立面图。

图3是本发明混凝土试件单轴受压加载装置的平面图。

图4是本发明混凝土试件单轴受压加载装置的侧面图。

图5是沿图1A-A方向的剖面图。

图6是加载机构的结构示意图。

图7是顶板板与加载板的结构示意图。

图8是固定螺栓与支撑筒的结构示意图。

图9是下球铰与底板的结构示意图，其中，A是底板和球铰之间的位置示意图；B是球铰的结构示意图。

图10是不同持续荷载水平下的氯离子质量分数随深度变化曲线。

图11是承压碟簧-拉力传感器应力稳定平衡系统稳定性测试曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

如图1-图4所示，实施例1发明所述的一种持荷-环境耦合作用下混凝土试件单轴受压加载装置，其结构包括丝杆1、固定螺栓2、顶板3、垫板4、加载板5、限位螺丝6、支撑筒7、拉力传感器8、底板9、承压铰板10、下球铰11、承压碟簧12，加载机构13。

如图6-图8所示，顶板3左右两侧对称设置可穿过丝杆1的圆孔，加载板5左右两侧对称设置可穿过支撑筒7下桶身的圆孔，支撑筒7上翼缘卡在圆孔边缘，支撑筒7可以在下筒身范围内沿加载板5圆孔上下移动，支撑筒7位置通过加载板两侧面设置的限位螺丝6来限制，

所述加载机构13包括所述顶板3、垫板4、加载板5、固定螺丝6、承压筒7、承压碟簧12、所述承压碟簧充满整个支撑筒，所述垫板4放置在碟簧12之间，顶板3通过垫板4将力均匀传给碟簧12，所述承压筒7上翼缘卡住加载板5上部，施加压力给加载板5，加载板5进而给混凝土施加压力。

所述丝杆1与所述拉力传感器8固定在底板9上，如图9所示，底板9上表面有一凹槽，凹槽内放置下球铰11，对混凝土的压力起缓冲作用，胶板11上面放置承压铰板10，承压铰板10上放置混凝土，用来承受混凝土的压反力，拉力传感器8测量丝杆1的微小形变来实时测量混凝土所受压力，从而达到精确实时的数据。

将上述的加载装置设于各类恶劣复杂环境中，如人工气候模拟实验箱、腐蚀性溶液池等以实现各类作业环境下混凝土机构不同状态的模拟。

本发明提供的实施例2是：一种持荷-环境耦合作用下混凝土试件单轴受压加载装置的测试方法：

本发明提供的一种持荷-环境耦合作用下混凝土试件单轴受压加载装置，实验时将试件放置在承压铰板10上，根据试件的材质、种类、形状、大小调节下球铰11使试件均匀受力，并使用限位螺丝6调节支撑筒7位置，再根据目标压力和试件的等级强度来确定承压碟簧12的强度与数量，通过承压碟簧12来保证试件长时间持荷状态下压力的不松弛，后用外部加压装置对顶板施加相应压力，当施加的压力达到目标值时，用扳手将固定螺栓2拧紧后，撤销外部施压装置，其中当顶板3受力后，把力传给垫板4，垫板4将力传递给碟簧12，承压碟簧12将力传递给给承压筒7，承压筒7通过上部翼缘突出部分带动加载板5给混凝土施加压力，固定螺栓2拧紧后丝杆1由于反力作用产生微小形变，拉力传感器8通过丝杆1的微小形变作用实时计算出试件承受的压力。

实施例3如实施例2所述的一种持荷-环境耦合作用下混凝土试件单轴受压加载装置的测试方法构建的承压碟簧-拉力传感器应力稳定平衡系统。

1)承压碟簧力学指标的确定：当所需荷载确定便可以根据公式(1)计算所需碟簧规格与数量。

式中：p为单个碟簧的载荷，N；t为碟簧厚度，mm；D为碟形弹簧外径，mm；f为单片碟形弹簧的变形量，mm；h

计算系数：

2)持荷—环境耦合过程中承压碟簧-拉力传感器应力稳定平衡系统稳定性测试：据公式(1)配置相应承压碟簧并根据实施例2将装置组装施加不同大小的单轴持续24h压力荷载和8％的NaCl溶液后对所述承压碟簧-拉力传感器应力稳定平衡系统进行稳定性测试。

测试数据如表1，测试曲线如图11。

表1

参考表1和图11可知，所述持荷—环境耦合过程中承压碟簧-拉力传感器应力稳定平衡系统性能稳定可靠，可体现所述的有益效果—装置长时间持荷状态下试件的受力稳定性。

实施例4下面以测定水灰比0.55、配合比为水泥：水：砂子：粗骨＝1.0:0.55:1.80:3.34的混凝土在轴向单轴压力持续荷载作用下氯离子的扩散为例，对本发明的工作做具体说明。

该实施例拌制混凝土的原材料为：P·O 42.5水泥；河砂，细度模数2.7，最大粒径2.5mm；碎石，粒径5～20mm；普通自来水。在标准模具中浇筑轴压混凝土试件尺寸为150mm×150mm×150mm，浇筑时在中间用内径为20mm的PVC管预留孔道，浇筑成型后在养护室中标准养护28d，试件数量3个。

养护28d后，取出自然风干，将混凝土试件放置在承压铰板10上，预留孔口与承压铰板10接触。调整加载机构13位置，并通过调整下球铰11的转动角度使加载板5、混凝土试件、承压铰板10紧密贴合，由限位螺丝6固定加载机构13位置。

将拉力传感器由导线引接应变仪，采用万能实验机对顶板施加荷载当目标荷载为0,150KN，252KN，应变值分别为0，30％，50％时，用扳手将固定螺栓2拧紧，并观察24h。通过应变仪读数实时监测目标荷载，中间若有较大变化则及时进行调整。

将加载完的混凝土试件除留出一个浇筑侧面作为暴露面外，其他5个面全部用环氧树脂封闭，使氯离子只能从暴露表面侵入。然后将所有试件放入浓度为8％的NaCl溶液中，在室温下浸泡180d后取出，采用冲击钻取样，对每一截面用直径为14mm的钻头取3个位置，同一位置沿深度每5mm取一个粉样，然后将颗粒状粉样研磨成粉状，将同一深度的试样混合，取1.5g进行快速氯离子检测，本试验采用蒸馏水进行萃取，所得到的为自由氯离子质量分数。单轴持续压力荷载影响下的氯离子质量分数随深度变化曲线如图10所示。

本发明装置的特点如下：

1.混凝土试件在高压强受力状态下与复杂环境耦合的性能测试

实验装置中加载板、顶板、低板均采用高厚度、高强度的不锈钢板制成，丝杆、固定螺栓均为高强螺杆螺栓，实验装置最高可对试件施加150Mpa的压强。实验装置体积小、可拆卸，可放置于人工气候模拟实验箱、腐蚀性溶液池等复杂恶劣环境条件下，研究混凝土试件受高压同环境因素共同作用下的性能。

2.长时间持荷状态下试件受力稳定问题

验装置中采用承压碟簧-拉力传感器应力平衡稳定系统，承压碟簧的数量和强度可根据实际所需压力大小进行定制，在装置持荷过程中，承压碟簧可对因环境因素、时间影响、试件的自身形变引起的应力变化进行补偿，使试件所受压力为定值，减少实验误差。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。