混凝土材料高温中弯曲试验机及高温中弯曲试验方法

摘要

本发明提供混凝土材料高温中弯曲试验机及高温中弯曲试验方法，其中，混凝土材料高温中弯曲试验机包括用于对混凝土试件施加压力的加载设备、用于加热混凝土试件的升温设备以及用于测量混凝土试件变形量的位移采集装置。本发明混凝土材料高温中弯曲试验机，将混凝土试验的升温设备和加载设备巧妙结合在一起，并辅以位移采集装置，形成了可用于混凝土试件高温中弯曲试验的综合试验系统，升温与加载协同、加载与量测同步，能够模拟火灾高温中混凝土的真实环境，通过本混凝土材料高温中弯曲试验机进行混凝土材料试验得出的试验结果与火灾高温中混凝土实际的弯曲性能非常接近，为研究混凝土材料的高温和抗火性能提供了保障。

说明书

技术领域

本发明涉及一种混凝土材料力学性能试验机，尤其是一种用于普通混凝土、纤维 混凝土、再生混凝土、高强混凝土等材料高温中抗折强度和弯曲韧性的试验机；还涉及混凝 土材料的力学性能试验方法，尤其是混凝土高温中抗折强度和弯曲韧性的试验方法。

背景技术

混凝土是工程建设中用途最广、用量最大的建筑材料。近年来，随着混凝土材料在 高层、高耸、大跨等特殊使用条件和严酷环境应用的深入，对混凝土材料高温抗火性能提出 了新的要求，急需相应的高温试验设备以研发混凝土材料的高温抗火性能。现有混凝土高 温弯曲试验设备的升温系统和加载系统往往是分离的，不能进行严格意义上的高温中混凝 土弯曲性能试验，只能进行高温后混凝土弯曲性能试验和近似的高温中混凝土弯曲性能试 验。高温后混凝土弯曲性能试验是将混凝土材料放到升温设备中加热，达到目标值后停止 加热，待混凝土材料冷却后在加载设备上进行加载。近似的高温中混凝土弯曲性能试验则 是在升温设备中的混凝土温度达到目标值后，立即用特制的高温钳等工具将处于高温状态 的混凝土材料放到弯曲试验机上加载。实际应用中发现，不论是高温后弯曲试验，还是近似 的高温中弯曲试验，所得的混凝土高温中弯曲试验结果与火灾高温中混凝土实际的弯曲性 能均有较大差异。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

技术人员经过长时间的技术攻关，终于发现产生上述问题的原因。混凝土高温弯 曲试验结果与火灾高温中混凝土实际的弯曲性能差异较大的原因在于：混凝土高温中弯曲 试验设备的升温系统与加载系统是分离的，不能实现升温与加载的协同，加载时混凝土试 件的温度总会不同程度的低于加热时的目标温度，混凝土试件在降温过程中，外部降温快， 内部降温慢，从而产生热应力梯度，造成混凝土材料的应力损伤，进而使所得试验结果与火 灾高温中混凝土的实际弯曲性能产生差异。对于高温后混凝土弯曲性能试验，加载时混凝 土试件的温度已降至常温，热应力损伤非常明显。对于近似的高温中混凝土弯曲性能试验， 虽然混凝土试件从升温设备中取出后立即进行加载，温度下降较少，但由于加载时的环境 温度远低于升温设备中的温度，混凝土试件的热应力梯度较大，热应力损伤同样不可忽视。 此外，在研发的过程中，技术人员还遇到一个技术问题，即量测混凝土变形量的位移计放入 升温设备中会被烧坏。

此外，按照我国现行有关试验方法标准和规范，混凝土材料性能（例如，抗压强度） 是根据相同条件下3个混凝土试件的试验结果确定的，因此，必须解决3个相同混凝土试件 在相同高温环境下升温和加载的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：混凝土材料高温中弯曲试 验机，包括用于对混凝土试件施加压力的加载设备、用于加热混凝土试件的升温设备以及 用于测量混凝土试件弯曲变形量的位移采集装置；

所述加载设备包括底座、固定于该底座上的立柱、设于所述立柱上且沿所述立柱上下 移动并定位的横梁、固定于横梁底部的上压板、固定于上压板底部的耐高温上压头、设于所 述底座上的下压板、设于所述下压板上的耐高温下压头、设于所述下压头上的耐高温垫块 以及用于对所述下压板施加向上作用力的加载动力源，所述耐高温上压头的下端平行设置 两个用于对混凝土试件中部向下施加压力的条状凸部,所述耐高温垫块的上端平行设置两 个用于对混凝土试件两端部向上施加压力的条状凸部，所述耐高温上压头上的条状凸部以 及所述耐高温垫块上的条状凸部平行设置且共同形成用于对混凝土试件施加作用力的四 个支点；

所述升温设备包括高温炉支撑架、设于该高温炉支撑架上的高温炉以及设于高温炉内 的发热体，所述高温炉位于所述上压板和所述下压板之间，所述高温炉的顶板设置供所述 耐高温上压头向下穿入高温炉内部的上穿孔，所述高温炉的底板设置供所述耐高温下压头 向上穿入高温炉内部的下穿孔，所述上穿孔和所述下穿孔在竖直方向上正对设置；

所述位移采集装置包括设于所述耐高温上压头上的三个位移计、采集三个所述位移计 的信息的位移计采集盒、两个端部导杆结构以及中部导杆结构,所述中部导杆结构的耐高 温导杆在竖直方向上滑动穿过的所述耐高温上压头的中心孔深入高温炉内，两所述端部导 杆结构的耐高温导杆分别从所述耐高温上压头的两侧向下深入高温炉内，高温炉顶部设有 供各所述耐高温导杆穿过的导向孔，设于耐高温上压头两侧的所述位移计与相应的所述端 部导杆结构顶压配合用于测量混凝土试件两端的变形量，设于所述上压板上的所述位移计 与所述中部导杆结构顶压配合用于测量混凝土试件中部的变形量。

优选的，所述耐高温上压头包括固设于所述上压板上的上压头支座以及固设于所 述上压头支座上的上压头本体,所述耐高温下压头包括固设于所述下压板上的下压头支 座以及固设于所述下压头支座上的下压头本体，相应的所述条状凸部位于所述上压头本体 上。

优选的，所述立柱上部设有螺纹，所述横梁上的两端转动设有螺母，所述横梁上设 有用于驱动两所述螺母转动的电机，所述横梁通过与所述立柱的螺纹配合实现上下移动并 定位。

优选的，所述升温设备还包括温控系统和设于所述高温炉内的温度传感器，所述 发热体为碳硅棒，所述温控系统与所述温度传感器采样连接，所述温控系统与所述硅碳棒 电连接。

优选的，所述端部导杆结构包括设于所述上压头支座的底面上且具有压簧的弹簧 座以及顶部设于所述压簧底端的所述耐高温导杆，所述弹簧座的外侧沿轴向方向设有导向 缝，所述耐高温导杆的上端部设置横向压板，所述横向压板滑动插设在导向缝中且该横向 压板用于与相应所述位移计的探测部顶压配合，两所述耐高温导杆分别与耐高温下压头上 的所述条状凸部正对设置；所述中部导杆结构包括转动连接在所述耐高温上压头上的杠 杆、设于杠杆内端部的所述耐高温导杆以及拉簧，所述拉簧的上、下两端分别固定于杠杆外 端部和所述上压板上，所述杠杆外端部与相应所述位移计的探测部顶压配合。

优选的，还包括推动装置包括设于所述高温炉的底板内表面上且与炉门垂直设置 的耐高温导轨、滑动插设于高温炉侧壁上的推动杆以及驱动所述推动杆往复运动的动力 源，所述耐高温垫块的底部设有与所述耐高温导轨滑动配合的滑槽，所述推动杆用于推动 所述耐高温垫块在所述耐高温滑轨上滑动。

优选的，所述动力源包括电机支架以及设于电机支架上的电机，所述电机支架包 括设置于所述高温炉后侧的两个水平布置的丝杠，电机与所述丝杠上的丝母驱动连接，丝 杠旁设有刻度尺。

优选的，还包括计算机，所述计算机与所述位移计采集盒信息连接用于采集位移 计采集盒的位移信号，所述计算机与试验机控制盒控制连接以便通过试验机控制盒控制加 载动力源对所述下压板施加向上作用力并接收试验机控制盒反馈的荷载信号。

利用混凝土高温中弯曲试验机对混凝土进行高温中弯曲试验的方法，其特征在于 包括如下步骤：

将试验所用的3个混凝土试件放到高温炉中的耐高温垫块上；

打开炉门，沿高温炉内的耐高温导轨将3个放有混凝土试件的耐高温垫块推到高温 炉炉体最里面，即图2所示位置，此时最外面的第1个混凝土试件刚好位于可以直接加载进 行试验的加载位置；

关闭高温炉炉门，在温控系统上设置温度加载制度，即升温速度和恒温时间，并开 始加热；

炉内混凝土试件达到规定的目标温度和恒温时间后，启动加载设备，使下压板向上 移动，下压头本体顶起耐高温垫块后停止，启动横梁，使上压板向下移动，上压头本体与混 凝土试件接触时停止；

调整位移计和耐高温导杆的位置，使三个耐高温导杆分别顶住混凝土试件上表面 的中点和两端部的两个支点处；

在计算机上设置压力加载制度并开始加载；此时下压板会按照设定的加载速度不 断向上移动，并依次通过下压头支座、下压头本体和耐高温垫块将荷载传递到混凝土试件 上，三个位移计分别量测混凝土试件两支点和中点处的位移，两支点处位移平均值与中点 处位移的差值即为混凝土试件的挠度即弯曲变形量；

第1个混凝土试件加载结束后，存储试验数据；然后向下移动下压板，耐高温垫块回 落到导轨上且下压头本体与耐高温垫块脱离接触后停止移动；接着向上移动横梁，3个耐高 温导杆与混凝土试件脱离接触后停止移动；

启动推动装置的动力源，耐高温垫块在推动杆的作用下沿导轨向炉口方向移动，待 第2个混凝土试件移动到加载位置后停止移动；

重复步骤～，对第2个混凝土试件加载；加载结束后重复步骤～，将第3 个混凝土试件移动到加载位置，再次重复步骤～，对第3个混凝土试件加载；

3个混凝土试件全部加载完毕后，下压板回落到底，然后关闭加载设备和高温炉，并 打开炉门，待混凝土试件冷却后从炉内取出，试验完成。

本发明相对现有技术具有实质性特点和进步，具体的说，混凝土材料高温中弯曲 试验机，将混凝土试验的升温设备和加载设备巧妙结合在一起，并辅以位移采集装置，形成 了可用于混凝土试件高温中弯曲试验的综合试验系统，高温炉通过高温炉支撑架设于上压 板和下压板之间，在高温炉上设置了上、下穿孔以及导向孔等，使得耐高温上、下压头以及 耐高温导杆能够深入高温炉内部，实现了升温与加载的同步，能够真实地模拟火灾高温中 混凝土的真实环境，分别量测混凝土试件两支点和中心点处的纵向位移量，很好地解决了 不能在高温环境中使用位移计量测混凝土试件变形的问题；通过本混凝土材料高温中弯曲 试验机进行混凝土材料高温中弯曲试验得出的试验结果与火灾高温中混凝土实际的弯曲 性能非常接近，为研究混凝土材料的高温和抗火性能提供了保障。

更进一步的，立柱上部设有螺纹，横梁通过与立柱的螺纹配合实现上下移动并定 位，结构简单，使用非常方便。

更进一步的，升温设备还包括温控系统和设于高温炉内的温度传感器，能够根据 需求设定温度并自动保持设定温度。

更进一步的，推动装置，使高温炉中的耐高温垫块可以前后移动，从而达到一次升 温、依次对3个混凝土试件高温加载的目的，满足了混凝土力学性能试验方法标准中规定的 1组弯曲试验3个试件的要求。

更进一步的，导杆结构巧妙地将耐高温导杆的移动转化为位移计探测部的移动， 使得位移计能够设于高温炉之外，防止位移计受高温损坏或受高温影响而影响测量精度。

更进一步的，动力源包括电机支架以及设于电机支架上的电机，电机支架包括设 置于所述高温炉后侧的两个水平布置的丝杠，电机与所述丝杠上的丝母驱动连接，电机在 丝杠上移动非常方便，丝杠旁设有刻度尺，用于监测电机和推动杆移动的距离。

更进一步的，计算机与位移计采集盒信息连接用于采集位移计采集盒的位移信 号，计算机与试验机控制盒控制连接以便通过试验机控制盒控制加载动力源对下压板施加 向上作用力并接收试验机控制盒反馈的荷载信号。

本发明的利用混凝土材料高温中弯曲试验机对混凝土进行高温中弯曲试验的方 法，能够利用混凝土高温中弯曲试验机，简单高效地完成对混凝土高温中弯曲试验，为研究 混凝土材料的高温和抗火性能提供了保障。

附图说明

图1是本发明实施例中高温中弯曲试验机的主视结构示意图。

图2是本发明实施例中高温中弯曲试验机的侧视结构示意图。

图3是图1A处的放大图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

混凝土材料高温中弯曲试验机，如图1～图3所示，包括用于对混凝土试件施加压 力的加载设备、用于加热混凝土试件的升温设备、用于测量混凝土试件变形量的位移采集 装置以及用于推动混凝土试件向炉口方向运动的推动装置；加载设备包括底座6、固定于该 底座6上的立柱7、设于立柱7上且沿立柱7上下移动并定位的横梁9、固定于横梁底部的上压 板10、固定在上压板底部的耐高温上压头、设于底座6上的下压板11、设于下压板11上的耐 高温下压头、设于所述下压头上的耐高温垫块18以及用于对下压板11施加向上作用力的加 载动力源，耐高温上压头的下端平行设置两个用于对混凝土试件中部向下施加压力的条状 凸部32,耐高温垫块18的上端平行设置两个用于对混凝土试件两端部向上施加压力的条 状凸部21，耐高温上压头上的条状凸部32以及耐高温垫块18上的条状凸部21平行设置且共 同形成用于对混凝土试件20施加作用力的四个支点；立柱7上端由横杆8相连以增加稳定 性，1立柱7上部设有螺纹，横梁9上的两端转动设有螺母（图中未显示），横梁9上设有用于驱 动两所述螺母转动的电机（图中未显示），横梁9通过与立柱7的螺纹配合实现上下移动并定 位。耐高温上压头包括固设于上压板10上的上压头支座16以及固设于上压头支座16上的上 压头本体14，耐高温下压头包括固设于下压板11上的下压头支座17、固设于下压头支座17 上的下压头本体15，条状凸部分别位于上压头本体14和耐高温垫块18上，耐高温上压头以 及耐高温下压头均由氮化硅结合碳化硅材质制成，具有高硬度、高强度、耐高温和抗高温蠕 变等优异性能；升温设备包括高温炉支撑架2、设于该高温炉支撑架2上的高温炉1、设于高 温炉内的发热体、温控系统5和设于高温炉内的温度传感器4，发热体为碳硅棒，本实施例中 具体为U型碳硅棒3，温控系统5与温度传感器4采样连接，温控系统5与U型碳硅棒电连接，温 度传感器4为刚玉热电偶，高温炉炉体的前端开有炉门28，用于取、放混凝土试件20，炉门开 有2个小圆孔，用于加热和试验时观察炉内情况。高温炉1位于上压板10和下压板17之间，高 温炉的顶板设置供耐高温上压头向下穿入高温炉内部的上穿孔，高温炉的底板设置供耐高 温下压头向上穿入高温炉内部的下穿孔，上穿孔和下穿孔在竖直方向上正对设置；位移采 集装置包括设于耐高温上压头上的三个位移计、采集三个位移计的信息的位移计采集盒 23、两个端部导杆结构以及中部导杆结构,中部导杆结构的耐高温导杆35在竖直方向上滑 动穿过的耐高温上压头的中心孔深入高温炉1内，两个端部导杆结构的耐高温导杆24分别 从耐高温上压头的两侧向下深入高温炉1内，高温炉顶部设有供各耐高温导杆24、35穿过的 导向孔，设于耐高温上压头两侧的位移计22与相应的端部导杆结构顶压配合用于测量混凝 土试件两端的变形量，设于上压板10上的位移计33与中部导杆结构顶压配合用于测量混凝 土试件中部的变形量。端部导杆结构包括设于包括设于上压头支座16的底面上且具有压簧 29的弹簧座30以及顶部设于压簧底端的耐高温导杆24，弹簧座30的外侧沿轴向方向设有导 向缝，两耐高温导杆24分别与耐高温下压头上的条状凸部正对设置，耐高温导杆24的上端 部设置横向压板31，横向压板31滑动插设在导向缝中且该横向压板31用于与相应的位移计 22的探测部顶压配合，具体的，位移计设于上压头支座16两侧的侧壁上；中部导杆结构包括 转动连接在耐高温上压头上的杠杆34、设于杠杆内端部的耐高温导杆35以及拉簧36，拉簧 36的上、下两端分别固定于杠杆外端部和上压板10上，杠杆外端部与相应位移计33的探测 部顶压配合，位移计22均为光栅位移计。推动装置包括设于高温炉1的底板内表面上且与炉 门28垂直设置的耐高温导轨19、滑动插设于高温炉侧壁上的推动杆25以及驱动推动杆25往 复运动的动力源，耐高温垫块18的底部设有与耐高温导轨19滑动配合的滑槽，推动杆用于 推动耐高温垫块18在耐高温滑轨19上滑动，动力源包括电机支架27以及设于电机支架27上 的电机26，电机支架包括设置于高温炉后侧的两个水平布置的丝杠，电机与所述丝杠上的 丝母驱动连接，丝杠旁设有刻度尺。计算机与位移计采集盒信息连接用于采集位移计采集 盒的位移信号，计算机13与试验机控制盒12控制连接以便通过试验机控制盒12控制加载动 力源对下压板17施加向上作用力并接收试验机控制盒12反馈的荷载信号，加载动力源为液 压缸。

本实施例的混凝土材料高温中弯曲试验机，将混凝土试验的升温设备和加载设备 巧妙结合在一起，并辅以位移采集装置，形成了可用于混凝土试件高温中弯曲试验的综合 试验系统，高温炉通过高温炉支撑架设于上压板和下压板之间，在高温炉上设置了上、下穿 孔以及导向孔，使得耐高温上、下压头以及耐高温导杆能够深入高温炉内部，实现了升温与 加载的同步，能够地模拟火灾高温中混凝土的真实环境，通过本混凝土材料高温中弯曲试 验机进行混凝土材料高温中弯曲试验得出的试验结果与火灾高温中混凝土实际的弯曲性 能非常接近，为研究混凝土材料的高温和抗火性能提供了保障。立柱上部设有螺纹，横梁通 过与立柱的螺纹配合实现上下移动并定位，结构简单，使用非常方便。升温设备还包括温控 系统和设于高温炉内的温度传感器，能够根据需求设定温度并自动保持设定温度。推动装 置，使高温炉中的耐高温垫块可以前后移动，从而达到一次升温依次以对3个混凝土试件高 温加载的目的，满足了混凝土力学性能试验方法标准中规定的1组弯曲试验3个试件的要 求。导杆结构巧妙地将耐高温导杆的移动转化为位移计探测部的移动，使得位移计能够设 于高温炉之外，防止位移计受高温损坏或受高温影响而影响测量精度。动力源包括电机支 架以及设于电机支架上的电机，电机支架包括设置于所述高温炉后侧的两个水平布置的丝 杠，电机与所述丝杠上的丝母驱动连接，电机在丝杠上移动非常方便，丝杠旁设有刻度尺， 用于监测电机和推动杆移动的距离。计算机与位移计采集盒信息连接用于采集位移计采集 盒的位移信号，计算机与试验机控制盒控制连接以便通过试验机控制盒控制加载动力源对 下压板施加向上作用力并接收试验机控制盒反馈的荷载信号。

在其他实施例中，与上述实施例不同的是，横梁还可以通过顶丝进行固定，耐高温 上压头和耐高温下压头柱状一体结构，端部导杆结构为耐高温导杆且此时耐高温上压头两 侧的位移计的探测部直接连接耐高温导杆；在其他实施例中，与上述实施例不同的是，动力 源还可以为电动推杆或气压缸等。

利用混凝土高温中弯曲试验机对混凝土进行高温中弯曲试验的方法，包括如下步 骤：

将试验所用的3个混凝土试件放到高温炉中的耐高温垫块上；

打开炉门，沿高温炉内的耐高温导轨将3个放有混凝土试件的耐高温垫块推到高温 炉炉体最里面，即图2所示位置，此时最外面的第1个混凝土试件刚好位于可以直接加载进 行试验的加载位置；

关闭高温炉炉门，在温控系统上设置温度加载制度，即升温速度和恒温时间，并开 始加热；

炉内混凝土试件达到规定的目标温度和恒温时间后，启动加载设备，使下压板向上 移动，下压头本体顶起耐高温垫块后停止，启动横梁，使上压板向下移动，上压头本体与混 凝土试件接触时停止；

调整位移计和耐高温导杆的位置，使三个耐高温导杆分别顶住混凝土试件上表面 的中点和两端部的两个支点处；

在计算机上设置压力加载制度并开始加载；此时下压板会按照设定的加载速度不 断向上移动，并依次通过下压头支座、下压头本体和耐高温垫块将荷载传递到混凝土试件 上，三个位移计分别量测混凝土试件两支点和中点处的位移，两支点处位移平均值与中点 处位移的差值即为混凝土试件的挠度即弯曲变形量；

第1个混凝土试件加载结束后，存储试验数据；然后向下移动下压板，耐高温垫块回 落到导轨上且下压头本体与耐高温垫块脱离接触后停止移动；接着向上移动横梁，3个耐高 温导杆与混凝土试件脱离接触后停止移动；

启动推动装置的动力源，耐高温垫块在推动杆的作用下沿导轨向炉口方向移动，待 第2个混凝土试件移动到加载位置后停止移动；

重复步骤～，对第2个混凝土试件加载；加载结束后重复步骤～，将第3 个混凝土试件移动到加载位置，再次重复步骤～，对第3个混凝土试件加载；

3个混凝土试件全部加载完毕后，下压板回落到底，然后关闭加载设备和高温炉，并 打开炉门，待混凝土试件冷却后从炉内取出，试验完成。

本实施例利用混凝土高温中弯曲试验机对混凝土进行高温中弯曲试验的方法，能 够利用混凝土高温中弯曲试验机，简单高效地完成对混凝土高温中弯曲试验，为研究混凝 土材料的高温和抗火性能提供了保障。。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽 管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然 可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发 明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。