一种不同养护条件下混凝土抗拉强度的测试设备与方法

摘要

一种不同养护条件下混凝土抗拉强度的测试设备，它包括模板系统、温度系统、加载系统、采集系统、控制系统和计算机系统；模板系统包括上模板、下模板、侧模板和端部模板，围构成浇筑空间；端部模板中心设有圆孔，圆孔内设有钢筋，两个侧模板中部的顶底两端之间均设有阻隔钢板；上模板穿设有两个石英棒，两个石英棒之间设有位移传感器；温度系统包括带水泵的水箱，水箱具有出水管和回水管；加载系统包括驱动装置及传动轴，传动轴的末端与钢筋外端固定连接；采集系统的输入端与位移传感器、第一温度传感器、第二温度传感器和荷载传感器连接，控制系统的输出端与驱动装置、控温装置及水泵连接；采集系统和控制系统均与计算机系统连接。

说明书

技术领域

本发明属于水利水电技术领域，特别是一种不同养护条件下混凝土抗拉强度的测试设备与方法。

背景技术

混凝土是一种多相的脆性材料，其抗拉强度远低于抗压强度。水工混凝土结构由于其断面较厚，水泥水化热难以散失，导致混凝土在过大温差以及内、外约束状态下产生拉应力。一旦拉应力超过其抗拉强度，混凝土便会开裂，对水工结构施工期、运行期间的安全性产生严重影响。

混凝土的抗拉强度、拉徐变系数等参数，需要借助实验室内的相关轴向加载设备获取，再用于大体积混凝土结构数值仿真计算，为大坝建造提供决策。

轴向拉力作用于混凝土试件中轴是影响单轴约束试验结果的关键因素。但是,由于混凝土材料的离散性以及试验条件的限制,轴拉试验要完全避免偏心很困难。一旦出现偏心,则所测得的强度误差较大。目前，混凝土单轴约束试验是试验内主要采用的评价混凝土徐变特性以及开裂特性的试验方法之一，但该方法仍存在改进空间：

(1)端部预埋拉杆：通过拉杆向混凝土端部传力。拉杆数一般是一根，为保证拉杆与混凝土间具有足够的粘结力,也可对称预埋多根拉杆。试件的测量由安装在试件中部的位移传感器测量。

(2)外夹式夹具：试件两端设计成哑铃状,试件模板形状与试件类似，通过膨大端向试件传力。制作中,要求模具尺寸要准确、严格对称,以保证试件安装在试验机上，施加拉力方向与试件轴向重合。外夹式简单易行,但是很难达到很好的轴拉效果：一方面，外夹式夹具在压力和拉力传递时，与试件的接触面发生变化，容易出现非轴心加载；另一方面，由于试件尺寸发生变化，容易在变截面处产生应力集中，导致试件开裂测试结果无效。

发明内容

本发明的目的是提供一种不同养护条件下混凝土抗拉强度的测试设备与方法，其可以对不同养护条件下的混凝土开裂风险精准评估，为大体积混凝土结构温控优化设计提供参数基础。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种不同养护条件下混凝土抗拉强度的测试设备，它包括模板系统、温度系统、加载系统、采集系统、控制系统和计算机系统；

该模板系统包括具有控温通道的上模板、下模板和两个对称的侧模板，形成截面呈矩形的筒状；该侧模板两端分别设有具有控温通道的端部模板，该上模板、下模板、侧模板和端部模板之间围构成密封的浇筑空间；该端部模板中心设有圆孔，该圆孔内设有与该浇筑空间长度方向平行的钢筋，该钢筋两端分别位于该端部模板内部和外部；两个侧模板中部的顶底两端之间均设有阻隔钢板；该上模板穿设有两个石英棒，分别位于该阻隔钢板两侧，两个石英棒之间设有位移传感器；该上模板、下模板、侧模板、端部模板以及该浇筑空间中心均设有第一温度传感器；

该温度系统包括带水泵的水箱，该水箱具有出水管和回水管，该出水管分别连接至该上模板、下模板、侧模板和端部模板的控温通道的进水端，该回水管分别连接至该上模板、下模板、侧模板和端部模板的控温通道的出水端；该水箱内设有控温装置及第二温度传感器；

该加载系统包括驱动装置，该驱动装置与一传动轴连接，能够对该传动轴进行推拉；该传动轴的末端与该钢筋外端固定连接，该钢筋与该传动轴末端之间设有荷载传感器；

该采集系统的输入端与位移传感器、该第一温度传感器、该第二温度传感器和该荷载传感器连接，该采集系统的输出端与该计算机系统的输入端连接；

该控制系统的输入端与该计算机系统的输出端连接，该控制系统的输出端与该驱动装置、该控温装置及该水泵连接。

进一步的，所述驱动装置与所述传动轴之间通过万向铰连接。

进一步的，所述钢筋位于所述浇筑空间内的末端连接有若干斜向的加强筋。

进一步的，所述上模板、下模板、侧模板和端部模板外侧设有保温层。

进一步的，所述上模板为可拆卸式。

进一步的，所述驱动装置为电机。

一种不同养护条件下混凝土抗拉强度的测试方法，利用所述的不同养护条件下混凝土抗拉强度的测试设备，它包括下列步骤：

将搅拌完成的混凝土浇入所述浇筑空间内，形成混凝土试件；盖上上模板，预埋的第一温度传感器的导线从上模板的预留孔穿出与采集系统相连；

计算机系统设定混凝土试件的预定温度和加载系统的荷载，开始试验，通过控温装置使水箱里的水达到预定温度，并通过水泵使水在所述控温通道内循环，对所述上模板、下模板、侧模板和端部模板的温度进行调控，最终使混凝土试件的温度达到预定温度T；通过所述第一温度传感器、第二温度传感器测量温度数据，通过所述位移传感器测量变形数据；

达到养护龄期后，拆除上模板、下模板、侧模板和端部模板，将试件预埋的钢筋与加载系统的传动轴相连，通过驱动装置对钢筋施加轴向荷载，直至混凝土试件断裂，测量试件的位移和荷载数据；

将约束混凝土试件的荷载和截面面积带入公式(1)计算混凝土的抗拉强度：

式中，P(t)是混凝土试件的开裂荷载；A_c是混凝土试件的有效断裂截面面积。

进一步的，所述预定温度的历程计算如下：

针对实验当地的情况，将其月平均气温资料拟合成一条余弦曲线，下式(2)为拟合后的计算公式：

式中，T_a为气温，T_am为年平均气温，A_a为气温年变幅，τ为时间(月)，τ₀为气温最高的时间(月)；

考虑气温日变化，采用下式(3)计算：

式中，为日气温，T_a为月平均气温，A为气温日变化幅度，t为1天中的时刻(时)根据不同地区的不同季节而定。

本发明的有益效果是：本发明不同养护条件下混凝土抗拉强度的测试设备与方法，其可以对不同养护条件下的混凝土开裂风险精准评估，为大体积混凝土结构温控优化设计提供参数基础。

附图说明

图1是本发明不同养护条件下混凝土抗拉强度的测试设备的结构示意图。

图2是本发明不同养护条件下混凝土抗拉强度的测试设备的纵剖示意图。

图3是本发明不同养护条件下混凝土抗拉强度的测试设备使用时的结构示意图。

具体实施方式

以下仅以实施例说明本发明可能的实施态样，然而并非用以限制本发明所欲保护的范畴，先予叙明。

如图1-图3所示，本发明提供一种不同养护条件下混凝土抗拉强度的测试设备，它包括模板系统、温度系统、加载系统、采集系统、控制系统和计算机系统。

该模板系统包括具有控温通道的上模板1、下模板2和两个对称的侧模板3，形成截面呈矩形的筒状。该侧模板3两端分别设有具有控温通道的端部模板4，该上模板1、下模板2、侧模板3和端部模板4之间围构成密封的浇筑空间A。该端部模板4中心设有圆孔，该圆孔内设有与该浇筑空间A长度方向平行的钢筋5，该钢筋5两端分别位于该端部模板4内部和外部，为了增大钢筋5与混凝土的接触面积，该钢筋5位于该浇筑空间A内的末端连接有若干斜向的加强筋6。两个侧模板3中部的顶底两端之间均设有阻隔钢板7，目的是使此部位出现截面削弱，保证混凝土试件在该部位断裂，提高测试试件断裂的成功率。该上模板1穿设有两个石英棒8，分别位于该阻隔钢板7两侧，两个石英棒8之间设有位移传感器9。如图3所示，本发明采用的位移控制方法为：将位移传感器9固定于石英棒8(其热膨胀系数较小，约为1μm/℃)的一端，采用预埋件将石英玻璃棒8直接埋入混凝土试件10的端部，使石英棒8带动位移传感器9与混凝土试件10同步变形，保证位移传感器9测量出混凝土试件10的实际变形，避免引入不必要的测量误差，并且不受混凝土试件10骨料粒径的限制，测量方法合理。该上模板1、下模板2、侧模板3、端部模板4以及该浇筑空间A中心均设有第一温度传感器。该上模板1为可拆卸式，该上模板1、下模板2、侧模板3和端部模板4外侧设有保温层。

该温度系统包括带水泵的水箱11，该水箱11具有出水管和回水管，该出水管分别连接至该上模板1、下模板2、侧模板3和端部模板4的控温通道的进水端，该回水管分别连接至该上模板1、下模板2、侧模板3和端部模板4的控温通道的出水端。该水箱11内设有控温装置及第二温度传感器。本发明的温度系统，基于计算机控制系统，可依照设定的温度历程对控温装置(加热和制冷装置)进行温度闭环控制：将液体送入水箱，利用加热和制冷组件，将液体调整到所需温度，利用增压组件(水泵)，将液体输入到控温通道中，使混凝土试件的温度按照预设曲线发展。为保证温度传递均匀，控温通道内部为同程循环液；PID精确计算控制加热与制冷装置，保证精细的冷热补偿，控制输入控温通道循环液的流量，使循环液的温度满足试验的各种要求。模板内部分成两层，与混凝土试件接触层为通水层，与空气接触部分为保温层，保温层可使得试件温度与环境箱内的温度隔绝，减小相互影响，易于温度控制。

该加载系统包括驱动装置12，例如电机，该驱动装置12与一传动轴13通过万向铰14连接，能够对该传动轴13进行推拉。万向铰14构件如图3所示，该传动轴13的末端与该钢筋5外端固定连接，该钢筋5与该传动轴13末端之间设有荷载传感器15。这样可以尽量保证加载设备对测试试件施加轴向荷载。轴心加载是保证获取单轴约束测试结果精准的保证。做到100％轴心是非常困难的，但本发明测试设备可以尽可能降低偏心对测试结果的影响。

该采集系统16的输入端与位移传感器9、该第一温度传感器、该第二温度传感器和该荷载传感器15连接，该采集系统16的输出端与该计算机系统17的输入端连接。

该控制系统18的输入端与该计算机系统17的输出端连接，该控制系统18的输出端与该驱动装置12、该控温装置及该水泵连接。

本发明还提供一种不同养护条件下混凝土抗拉强度的测试方法，利用所述的不同养护条件下混凝土抗拉强度的测试设备，它包括下列步骤：

将搅拌完成的混凝土浇入所述浇筑空间A内，形成混凝土试件10；盖上上模板1，预埋的第一温度传感器的导线从上模板1的预留孔穿出与采集系统16相连；

计算机系统17设定混凝土试件10的预定温度和加载系统的荷载，开始试验，通过控温装置使水箱11里的水达到预定温度，并通过水泵使水在所述控温通道内循环，对所述上模板1、下模板2、侧模板3和端部模板4的温度进行调控，最终使混凝土试件10的温度达到预定温度T；通过所述第一温度传感器、第二温度传感器测量温度数据，通过所述位移传感器9测量变形数据；

达到养护龄期后，拆除上模板1、下模板2、侧模板3和端部模板4，将试件预埋的钢筋5与加载系统的传动轴相连，通过驱动装置对混凝土试件10的钢筋5施加轴向荷载，直至混凝土试件10断裂，测量试件的位移和荷载数据；

将约束混凝土试件10的荷载和截面面积带入公式(1)计算混凝土的抗拉强度：

式中，P(t)是混凝土试件的开裂荷载；A_c是混凝土试件的有效断裂截面面积。

所述预定温度的历程计算如下：

针对实验当地的情况，将其月平均气温资料拟合成一条余弦曲线，下式(2)为拟合后的计算公式：

式中，T_a为气温，T_am为年平均气温，A_a为气温年变幅，τ为时间(月)，τ₀为气温最高的时间(月)；

考虑气温日变化，采用下式(3)计算：

式中，为日气温，T_a为月平均气温，A为气温日变化幅度，t为1天中的时刻(时)根据不同地区的不同季节而定。

本发明优点如下：

1、本发明可以模拟不同养护条件下混凝土的强度发展历程。通过轴向加载，获取混凝土的抗拉强度，提高试验的成功率，为混凝土工程施工和防裂提供参考。

2、本发明可以根据实际工程的混凝土温控技术要求，输入混凝土不同的温度边界，模拟多种混凝土养护条件。

3、本发明可以对试件施加轴向荷载。

4、本发明的预埋钢筋端部设有加强筋连接，增加了其与混凝土的接触面积；同时，钢筋与加载系统通过万向铰构件连接，降低了轴向加载的偏心率。

5、本发明侧模板向浇筑空间中点处设有长方形阻隔钢板，保证了混凝土试件在此截面削弱处发生断裂。

6、本发明可以根据不同养护条件下试验得出的混凝土抗拉强度，对混凝土的开裂行为评价，为混凝土的防裂设计提供参考。

本发明是以所述的权利要求所限定的。但基于此，本领域的普通技术人员可以做出种种显然的变化或改动，都应在本发明的主要精神和保护范围之内。