一种水泥基材料轴心压缩徐变试验装置和试验方法

1.本发明属于建筑、土木领域，具体涉及一种水泥基材料轴心压缩徐变试验装 置和试验方法。


背景技术：

2.混凝土自开始使用以来，凭借其所用原材料资源丰富、价格低廉、可塑性好 等优点很快受到世人青睐，时至今日，已成为土木工程界最大宗的人造工程材料。 在混凝土中，存在着各种时间演变的变形：自收缩、干燥收缩、化学收缩
……
在 这种情况下，一种现象是基本徐变，它被定义为仅由于施加外部机械载荷而产生 的随时间变化的变形。当混凝土在相当长的一段时间内承受永久荷载(例如自重 和预应力)时，即使施加荷载没有增加，混凝土也会随着时间变化而发生变形。 混凝土结构的徐变是设计、施工和维护的重要考虑因素之一。徐变使钢筋混凝土 梁的挠度随时间增加。特别是在预应力混凝土结构中，徐变可能导致预应力损失。 预应力损失显著影响结构构件的强度和构件的可用性。在大坝和核电站等大体积 混凝土结构中，徐变可以缓解温度梯度引起的初始热应力。然而，冷却会在后期 产生可逆应力(徐变恢复)。由于徐变恢复，徐变可能是大体积混凝土内部开裂 的原因。徐变与混凝土结构的耐久性有很大关系。结构的受力、变形的分析计算 如不考虑混凝土徐变效应的影响，其结果必将偏离实际水平，甚至引起徐变诱发 结构开裂、挠度急剧增大乃至倒塌等工程事故。
3.然而，混凝土的徐变主要受到水泥浆体的影响，弹性模量较大的骨料对混凝 土的徐变起到抑制作用，为了放大不同因素对混凝土徐变的影响，揭示影响机理， 因此探索由净浆等小试件的徐变具有重要意义，研制一种水泥基小试件轴心压缩 试验装置及测试方法具有重要的应用价值，对于混凝土结构变形性能评价也提供 了科学的试验装置，应用前景广阔。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的在于提供一种水泥基材料轴心压缩徐变试验装置和 试验方法，该方案能够让试件在长期荷载作用过程中无应力松弛，同时实现试件 变形的连续自动监测与采集，从而对水泥基材料受压状态下的徐变特征进行准确 的测试与评价。
5.技术方案：本发明的水泥基材料轴心压缩徐变试验装置，包括杠杆荷载传力 装置、变形连续监测装置、平衡加载装置和试验底座；所述杠杆荷载传力装置包 括杠杆梁、砝码加载装置及砝码；所述杠杆梁安装在试验底座上表面，且一端与 试验底座铰接，杠杆梁在竖直面内高度可调，其另一端为自由端，在杠杆梁的自 由端安装砝码加载装置，砝码放置在砝码加载装置的托盘中；所述平衡加载装置 安装在杠杆梁和试验底座之间，且靠近杠杆梁与试验底座的铰接端设置；所述平 衡加载装置上安装试件，变形连续监测装置与平衡加载装置接触；将所述砝码放 入砝码加载装置的托盘内，对试件施加荷载，通过变形连续监测装置记录试件在 荷载下的变形。
6.所述杠杆荷载传力装置还包括微调支撑螺杆，微调支撑螺杆置于杠杆梁下方 靠近自由端的位置；所述微调支撑螺杆上端设有螺纹，并套设螺帽，通过调整微 调支撑螺杆来实现杠杆梁的高度调节。
7.所述砝码加载装置为棒状结构，且末端连接托盘；所述试验底座顶面设置开 口，供砝码加载装置的棒状结构穿过；所述砝码加载装置穿过试验底座并可自由 摆动，可使砝码加载装置始终处于只受到重力作用而无剪切力的状态，即作用力 以杠杆比例完全作用于试件。
8.所述平衡加载装置包括一对平衡盘和一对平衡铁珠；所述杠杆梁下表面、试 验底座上表面分别开设固定凹槽，用于放置平衡铁珠；所述试件两端分别设置平 衡盘和平衡铁珠，两个平衡盘共同将试件夹持；所述杠杆梁下表面的固定凹槽、 试验底座上表面的固定凹槽、平衡铁珠、平衡盘以及试件的中心轴线均处于同一 竖直线上，通过调节平衡使一定的作用力均匀施加在试件表面，避免偏心荷载等 受力不均匀情形。
9.所述平衡盘包括圆盘，圆盘外周以固定角度布置多个支脚，每一支脚末端设 置凹槽；所述变形连续监测装置包括位移传感器和变形数据采集仪，两者共同记 录位移变化；所述位移传感器为细条棒状，数量为多个，位移传感器两端与平衡 盘支脚末端的凹槽接触，通过位移传感器夹具将位移传感器固定；所述变形数据 采集仪通过导线与位移传感器连接。所述位移传感器夹具为上端开圆口的长方体， 以螺丝调控，位移传感器位于圆口内。利用位移传感器和变形数据采集仪实现连 续监测试件在荷载下的的变形情况。
10.本发明还包括一种水泥基材料轴心压缩徐变试验方法，包括以下步骤：
11.(一)将试件置于两个平衡盘之间，对试件位置进行微调；待位移传感器平 衡后，向供砝码加载装置的托盘中增减砝码，测试三个位移传感器的变形；当三 个位移传感器的变形符合要求时调中结束；
12.(二)调中结束后，按照杠杆原理并扣除自重后，向供砝码加载装置的托盘 中添加砝码，变形连续监测装置开始记录变形；
13.(三)将试件的变形扣除同龄期的自由收缩变形，即为混凝土在轴心压缩荷 载下的徐变变形。
14.步骤(一)中，施加同一荷载时当三个位移传感器变形方向一致且三个位移 传感器的变形小于平均值的10％，调中结束。
15.有益效果：本发明的技术方案与现有技术相比，其有益效果在于：
16.(1)实现了水泥基材料小尺寸试件变形的连续检测和采集，可以有效测定 水泥基材料小试件轴心压缩徐变；而传统的大体积混凝土试件徐变测量费时费力 且变量作用效果不明显；
17.(2)压缩过程无偏心和应力集中，且应力保持恒定，从而提高了测试的精 确度：每一试件都对应着三个位移传感器，分别成120度夹角，施加荷载时只有 当三个位移传感器变形方向一致且三个位移传感器的变形小于平均值的10％，调 中才结束；平衡盘通过钢珠与底座相连，钢珠在不受力时的滚动，更易调平，在 受力时又会被固定，保持平衡；
18.(3)砝码加载装置位于试验底座内部，结构稳定安全：在测量过程中，砝 码加载装置加上一定质量的砝码，会使结构受力状态发生变化，而将砝码加载装 置设置于试验底座四角的内部，受力后重心依然在结构内部，而且设置有微调支 撑螺纹，在不受力时可以起
到支撑杠杆梁的作用，保护杠杆梁，减少杠杆梁变形。
附图说明
19.图1为本发明所述水泥基材料轴心压缩徐变试验装置的结构示意图；
20.图2为本发明中所述杠杆荷载传力装置和平衡加载装置结构示意图；
21.图3为本发明中平衡盘的结构示意图；
22.图4为本发明中砝码的结构示意图；
23.图5为本发明具体实施例所述变形随加载龄期的曲线图。
具体实施方式
24.下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案进行详细介绍。
25.如图1至图4所示，本发明包括杠杆荷载传力装置、变形连续监测装置、平 衡加载装置和试验底座41。杠杆荷载传力装置包括杠杆梁11、微调支撑螺杆12、 砝码加载装置13、砝码14。变形连续监测装置包括位移传感器21、位移传感器 夹具22、变形数据采集仪23。平衡加载装置包括平衡盘32，平衡铁珠33。试验 底座41通过膨胀钉固定在地面，试验底座41为钢结构，四根钢立柱呈矩形分布 依次固定到刚性地基，上表面存在长方形开口，砝码加载装置穿过长方形开口。
26.杠杆梁11为钢结构，长方杆状，杠杆梁11安装在试验底座41上表面，且 一端与试验底座41通过滚轴铰接连接，杠杆梁11另一端为自由端。杠杆梁11 可绕滚轴在竖直面内转动，即杠杆梁11在竖直面内高度可调，具体实现方式为， 微调支撑螺杆12置于杠杆梁11下方靠近自由端的位置；微调支撑螺杆12为长 方棒状，固定在试验底座41上，且上端设有螺纹，并套设螺帽，可通过调节螺 帽来调整微调支撑螺杆12高度，进而实现杠杆梁11的高度调节。杠杆梁11的 杠杆比率1：5-1：20。在杠杆梁11的自由端安装砝码加载装置13，一定质量的 砝码14放置在砝码加载装置13的托盘中。砝码加载装置13为棒状结构，且末 端连接托盘；试验底座41顶面设置长方形开口，供砝码加载装置13的棒状结构 穿过；砝码加载装置13穿过试验底座41并可自由摆动，这样设置可使砝码加载 装置13始终处于只受到重力作用而无剪切力的状态。从砝码14边缘至中部开长 方形卡槽，从卡槽处将砝码14固定在托盘上，砝码14采用钢制，宽为10-30cm， 长度为10-50cm，质量分别为1kg、2kg、5kg、10kg、20kg等。杠杆荷载传力装 置主要作用为将一定质量的砝码置于砝码加载装置上带来的作用力通过杠杆原 理以一定比例加载到由水泥基材料制成的小试件上，这其中由于砝码加载装置穿 过试验底座41开口可自由摆动的固定连接在杠杆梁11上，且砝码加载装置存在 活动空间，可以保证由于砝码自重带来的作用力只竖直作用于杠杆梁11，不存 在剪切力，即作用力以杠杆比例完全作用于试件31。
27.平衡加载装置安装在杠杆梁11和试验底座41之间，且靠近杠杆梁11与试 验底座41的铰接端设置；平衡加载装置上安装试件31，变形连续监测装置与平 衡加载装置接触。平衡加载装置包括一对平衡盘32和一对平衡铁珠33；杠杆梁 11下表面、试验底座41上表面的对应位置处分别开设固定凹槽34，用于放置平 衡铁珠33；试件31两端分别设置一个平衡盘32和一个平衡铁珠33，两个平衡 盘32共同将试件31夹持；其中一个平衡铁珠处于平衡盘与杠杆梁11之间，另 一个平衡铁珠处于平衡盘试验底座41之间。杠杆梁11下表面的固定凹
槽、试验 底座41上表面的固定凹槽、平衡铁珠33、平衡盘32以及试件31的中心轴线均 处于同一竖直线上。平衡盘32包括圆盘，圆盘外周按120
°
布置三个支脚，每一 支脚末端设置凹槽；每个平衡盘32中心位置外侧也设有一个凹槽，平衡铁珠33 放在平衡盘32中心凹槽处，然后置于上下两个固定凹槽点之间，平衡盘32中心 有边长为25mm的正方形的外接圆，用于确定中心位置。平衡加载装置主要作用 为通过调节平衡使一定的作用力均匀施加到试件31表面，避免偏心荷载等受力 不均匀情况，这其中平衡铁珠33位于平衡盘32与固定凹糟之间，通过转动使平 衡盘32处于水平面内并与试件31紧密贴合，由于杠杆梁11等的自重作用，平 衡盘32收到作用力会传导到试件31，且由于试件31受到上下两个方向力的作 用，会始终处于竖直方向。
28.变形连续监测装置包括位移传感器21和变形数据采集仪23，变形数据采集 仪23通过导线与位移传感器21连接，变形数据采集仪与计算机连接将位移传感 器的电信号显示为位移变化，采集速率可调，两者共同记录位移变化；工作方式 为：位移传感器21与试件31之间相对静止，记录位移变化，位移传感器21前 端为受力可线性位移变化的杆状铁芯，将位移变形转化为电信号，变形数据采集 仪23接收位移传感器的电信号，并将其可视化显示为位移变化。固定方式为： 每一个试件31对应位移传感器21数量为三个，每一个位移传感器21由位移传 感器夹具22固定，位移传感器21和位移传感器夹具22分别与平衡盘32支脚末 端的凹槽接触，从而实现位移传感器21与试件31相对静止。位移传感器21为 细条棒状，前端为可自由移动的杆状铁芯。位移传感器夹具22为上端开圆口的 长方体，以螺丝调控，位移传感器21位于圆口内，位移传感器21的下端为带有 尖端的圆柱状突出结构，与支脚上的凹槽接触。位移传感器夹具22分为两半， 使用时以螺丝控制两半夹具松紧，用以调控位移传感器伸出的长度，使整体的变 形处于传感器量程内。变形连续监测装置则记录试件31在荷载下的变形，初始 为位移信号，位移传感器21与试件31相对静止，试件31发生变形时，位移传 感器21会产生相同的变形，位移传感器21变形后会产生电信号，被变形数据采 集仪23收集到，从而展示出试件31的变形情况。
29.本发明还包括一种水泥基材料轴心压缩徐变试验方法，包括以下步骤：
30.(一)将试件31置于两个平衡盘32之间，对试件31位置进行微调；待位 移传感器21平衡后，向供砝码加载装置13的托盘中增减砝码，测试三个位移传 感器的变形；施加同一荷载时当三个位移传感器变形方向一致且三个位移传感器 的变形小于平均值的10％，调中结束；
31.(二)调中结束后，按照杠杆原理并扣除自重后，向供砝码加载装置13的 托盘中添加砝码14，变形连续监测装置开始记录变形；
32.(三)将试件31的变形扣除同龄期的自由收缩变形，即为混凝土在轴心压 缩荷载下的徐变变形。
33.下面结合具体实施例，详细说明使用本发明中的方法进行水泥基材料轴心压 缩徐变试验的具体实施过程。
34.首先根据试验需求成型六个40mm
×
40mm
×
160mm抗压强度试件，养护至规 定龄期，进行抗压强度实验，获得所测试水泥基材料的极限抗压强度。以相同的 水灰比成型2个压缩试件和2个收缩试件，尺寸为25mm
×
25mm
×
80mm，以相同 的方式养护，1d后拆模，养护至规定龄期后取出，根据试验需要确定是否包裹 铝箔，然后使两端平整。将试件置于下面
平衡盘的中心圆使其外接，调整上述微 调支撑螺杆上的螺帽使杠杆梁高度刚好使试件位于上下两个平衡盘的中心圆外 接处，将位移传感器接入，调整位移传感器和夹具，使其位于上下平衡盘之间并 保证竖直方向，微调试件的位置，使三个位移传感器变形小于平均值的10％，调 中结束。放上所需应力的砝码，前一个小时每秒采集一次变形数据，一小时后每 分钟采集一次变形数据。自由收缩测试和轴心压缩徐变测试同步进行。最后将压 缩试件的变形扣除同龄期的自由收缩变形，即为混凝土在轴心压缩荷载下的徐变 变形，如图5所示，并通过徐变度c(t，t0)和徐变系数对试件轴心 压缩徐变变形的规律进行评价，其中徐变度和徐变系数通过公式(1)和(2)确 定：
[0035][0036]
公式(1)中，c(t，t0)为t0时刻加载至t时刻的徐变应变；σ为徐变应力；
[0037][0038]
公式(2)，ε(t0)为t0时刻加载的初始弹性应变。
[0039]
本发明针对水泥基材料的小体积试件，利用位移传感器和变形数据采集仪连 续采集试件变形数据，能保持在长期荷载作用过程中无应力松弛、操作简单易行， 对水泥基材料受压状态下的徐变特征进行准确的测试与评价。

技术特征：
1.一种水泥基材料轴心压缩徐变试验装置，其特征在于：包括杠杆荷载传力装置、变形连续监测装置、平衡加载装置和试验底座(41)；所述杠杆荷载传力装置包括杠杆梁(11)、砝码加载装置(13)及砝码(14)；所述杠杆梁(11)安装在试验底座(41)上表面，且一端与试验底座(41)铰接，杠杆梁(11)在竖直面内高度可调，其另一端为自由端，在杠杆梁(11)的自由端安装砝码加载装置(13)，砝码(14)放置在砝码加载装置(13)的托盘中；所述平衡加载装置安装在杠杆梁(11)和试验底座(41)之间，且靠近杠杆梁(11)与试验底座(41)的铰接端设置；所述平衡加载装置上安装试件(31)，变形连续监测装置与平衡加载装置接触；将所述砝码(14)放入砝码加载装置(13)的托盘内，对试件(31)施加荷载，通过变形连续监测装置记录试件(31)在荷载下的变形。2.根据权利要求1所述的水泥基材料轴心压缩徐变试验装置，其特征在于：所述杠杆荷载传力装置还包括微调支撑螺杆(12)，微调支撑螺杆(12)置于杠杆梁(11)下方靠近自由端的位置；所述微调支撑螺杆(12)上端设有螺纹，并套设螺帽，通过调整微调支撑螺杆(12)来实现杠杆梁(11)的高度调节。3.根据权利要求1所述的水泥基材料轴心压缩徐变试验装置，其特征在于：所述砝码加载装置(13)为棒状结构，且末端连接托盘；所述试验底座(41)顶面设置开口，供砝码加载装置(13)的棒状结构穿过；所述砝码加载装置(13)穿过试验底座(41)并可自由摆动。4.根据权利要求1所述的水泥基材料轴心压缩徐变试验装置，其特征在于：所述平衡加载装置包括一对平衡盘(32)和一对平衡铁珠(33)；所述杠杆梁(11)下表面、试验底座(41)上表面分别开设固定凹槽，用于放置平衡铁珠(33)；所述试件(31)两端分别设置平衡盘(32)和平衡铁珠(33)，两个平衡盘(32)共同将试件(31)夹持；所述杠杆梁(11)下表面的固定凹槽、试验底座(41)上表面的固定凹槽、平衡铁珠(33)、平衡盘(32)以及试件(31)的中心轴线均处于同一竖直线上。5.根据权利要求4所述的水泥基材料轴心压缩徐变试验装置，其特征在于：所述平衡盘(32)包括圆盘，圆盘外周以固定角度布置多个支脚，每一支脚末端设置凹槽；所述变形连续监测装置包括相连的位移传感器(21)和变形数据采集仪(23)，两者共同记录位移变化；所述位移传感器(21)为细条棒状，每一个试件31对应数量为三个，位移传感器(21)两端与平衡盘(32)支脚末端的凹槽接触，通过位移传感器夹具(22)将位移传感器(21)固定。6.根据权利要求5所述的水泥基材料轴心压缩徐变试验装置，其特征在于：所述位移传感器夹具(22)为上端开圆口的长方体，以螺丝调控，位移传感器(21)位于圆口内。7.一种水泥基材料轴心压缩徐变试验方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的水泥基材料轴心压缩徐变试验装置，包括以下步骤：(一)将试件(31)置于两个平衡盘(32)之间，对试件(31)位置进行微调；待位移传感器(21)平衡后，向供砝码加载装置(13)的托盘中增减砝码，测试三个位移传感器的变形；当三个位移传感器的变形符合要求时调中结束；(二)调中结束后，按照杠杆原理并扣除自重后，向供砝码加载装置(13)的托盘中添加砝码(14)，变形连续监测装置开始记录变形；
(三)将试件(31)的变形扣除同龄期的自由收缩变形，即为混凝土在轴心压缩荷载下的徐变变形。8.根据权利要求7所述的水泥基材料轴心压缩徐变试验方法，其特征在于：步骤(一)中，施加同一荷载时当三个位移传感器变形方向一致且三个位移传感器的变形小于平均值的10％，调中结束。

技术总结
本发明公开了一种水泥基材料轴心压缩徐变试验装置和试验方法，包括杠杆荷载传力装置、变形连续监测装置、平衡加载装置和试验底座；所述杠杆荷载传力装置包括杠杆梁、砝码加载装置及砝码；所述杠杆梁一端与试验底座铰接，其在竖直面内高度可调，另一端为自由端，在杠杆梁的自由端安装砝码加载装置；所述平衡加载装置安装在杠杆梁和试验底座之间，且靠近杠杆梁与试验底座的铰接端设置；所述平衡加载装置上安装试件，变形连续监测装置与平衡加载装置接触；将砝码放入砝码加载装置的托盘内，对试件施加荷载，通过变形连续监测装置记录试件在荷载下的变形。本发明，让试件在长期荷载作用过程中无应力松弛，同时实现了变形的连续自动监测与采集。动监测与采集。动监测与采集。


技术研发人员：胡张莉 丁帅 张建亮 王佳伟 刘加平
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2022.06.24
技术公布日：2022/11/1