混凝土及類似材料受壓下綜合變形性能的測試裝置及方法與流程

2023-08-10 05:31:12

本發明屬於材料力學試驗技術領域，具體涉及一種混凝土及類似材料受壓下綜合變形性能的測試裝置及方法。

背景技術：

混凝土及類似材料（如巖石、土）在工業與民用建築領域應用非常廣泛，這類材料具有較高的抗壓強度但較低的抗拉強度典型特徵。該類材料的抗壓性能，是其優良力學性能主要表現之一，是表徵其力學性能的主要參量，是深入掌握該類材料的重要方面，對理論研究和工程應用極為重要。普通混凝土及類似材料（如巖石）的彈性模量（變形模量）、泊松比在相應行業規範中已有明確測試方法和計算公式，但理論研究和試驗結果表明，混凝土及類似材料試件在受壓過程中，彈性模量僅僅表現某一受力階段下試件的軸向變形特徵，體應變變化特徵是一個重要的參量，是反映材料受壓破壞前的一個關鍵指標，在理論研究和工程實踐中越來越受到重視。

在混凝土及類似材料受壓過程中，加載初期試件體積一直壓縮減小，而荷載達到峰值前，體積壓縮量逐漸減小並逐漸轉化為受壓膨脹，體應變-荷載（應力）或時間曲線出現拐點；而其它變形則無此特徵，無論軸向變形還是側向變形，從加載初期至試件破壞，一直增加。故混凝土及類似材料，在壓縮試驗過程中，體積變形特徵是反映材料破壞的關鍵前兆，是分析和預測試件破壞的重要標識，試驗過程中對其量測是非常必要、非常有意義的。

然而，目前混凝土及類似材料試件受壓下體積變形性能並沒有得到足夠的重視，主要表現為很多變形試驗中根本沒有測試體積變形，或者只是採用簡易方法估算其體積變形。

現階段，混凝土及類似材料體積變形測試方法主要採用2種，第1種採用貼應變片法，第2種採用MTS變形量測系統（美國MTS公司生產的專門用於巖石及混凝土實驗的多功能電液伺服控制的剛性試驗系統）及類似測試方法。

第1種採用貼應變法量測試件體積變形的主要缺點有四：其1，軸向應變片長度有限，不能反映試件有效範圍內的變形；其2，徑向應變片主要位於試件中部，只能測試該部位徑向變形。研究結果表明，試件不同高度位置下的徑向變形是不均勻的，中間部位徑向變形不能等同於試件的徑向變形，有時相差較大，這樣依此方法計算體積變形，結果必然誤差較大；其3，試件表面產生裂縫後，應變片與試件局部脫離，應變片失效，不能繼續使用；其4，一些特殊性質混凝土不適合採用貼應變法測試變形，如具有低強度、大變形的塑性混凝土，表面性狀較差，應變片黏貼不牢固。

採用第2種量測試件體積變形的主要缺點有3：其1，軸向量測試件全部長度的變形，不考慮試驗機端部承壓板影響，致使軸向變形量測數據失真；其2，軸向量測試件全部長度的變形，不能考慮變形在試件長度上分布特徵；研究表明：試件不同高度變形並不均勻，這樣僅僅採用整個試件的變形代表不同高度軸向變形是不準確的，有時可能是錯誤的；其3，徑向應變主要量測試件中部同一水平剖面下4個點的徑向變形。同樣的原因，該斷面下的徑向變形不能等同於試件的徑向變形，有時相差較大，這樣計算的體積變形誤差較大。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有技術存在的缺陷，提供一種混凝土及類似材料受壓下綜合變形性能的測試裝置及方法。

本發明的目的是以下述方式實現的：

一種混凝土及類似材料受壓下綜合變形性能的測試裝置，包括設置在試件頂部的墊板，墊板下不同位置設置有軸向電子位移計，與軸向電子位移計相對應的位置設置有水平固定框，水平固定框上設置有將其固定到試件上的固定裝置，水平固定框上還固定有徑向電子位移計，徑向電子位移計和軸向電子位移計均與應變採集儀連接。

所述墊板上預留有絲孔，豎直杆通過絲孔與墊板固定連接，在豎直杆的不同高度固定軸向電子位移計，豎直杆可根據試件的高度延長其長度。

所述豎直杆的一端設置有外螺紋，另一端設置有內螺紋，不同豎直杆的外螺紋和內螺紋相匹配。

所述固定裝置包括設置在水平固定框上的通孔，通孔內放置固定銷釘，固定銷釘與試件接觸的一端為尖細狀，另一端設置有螺紋，通過螺母將水平固定框固定。

所述螺母放置於水平固定框的內側。

所述試件為圓柱體或稜柱體，水平固定框的形狀與試件的形狀相匹配。

所述豎直杆的長度為100mm-150mm，豎直杆的材料為鋼、鋁或鋁合金。

所述水平固定框的材料為塑料、鋼、鋁或鋁合金。

所述軸向電子位移計和徑向電子位移計為無線電子位移計或有線電子位移計。

混凝土及類似材料受壓下綜合變形性能的測試裝置對試件進行綜合變形性能的測試方法：具體步驟如下：

（ⅰ）將試件放置於壓力機承壓板的正中位置，在試件頂部放置墊板，將豎直杆通過絲孔固定到墊板上，根據試件的高度確定豎直杆的長度；

（ⅱ）在試件的不同高度設置水平固定框，水平固定框上的徑向電子位移計的探頭與試件表面接觸，直接測量試件的徑向變形，水平固定框根據試件的高度和量測需要設置，相鄰水平固定框的間距為100mm-150mm；

（ⅲ）在豎直杆於水平固定框對應的位置上設置軸向電子位移計，軸向電子位移計的探頭與水平固定框緊密接觸，通過測量水平固定框的軸向移動間接測量試件的軸向變形特徵；

（ⅳ）將徑向電子位移計和軸向電子位移計均與應變採集儀連接，調試之後進行單軸壓縮試驗，實時測量試件不同位置的徑向和軸向變形，根據試驗結果計算試件體積變形結果。

相對於現有技術，本發明的有益效果是：

本發明充分考慮試件不同高度內的軸向變形及徑向變形，實時測量荷載施加過程中試件體積變形等綜合變形特徵，可詳細分析在荷載施加過程中，試件不同高度內的軸向及徑向變形發展的整個過程，分析試件體積變化過程，提高了試件體積測量的精度；測量體積變形時利用多點徑向變形的平均值代表整個試件徑向變形，利用試件不同高度軸向變形代表試件有效軸向變形，這樣消除只用一點徑向變形代表整個試件徑向變形的缺點，消除試驗時軸向變形量測時端部承壓板影響，消除了只用局部軸向變形代表整個試件的有效軸向變形的缺陷。

附圖說明

圖1是本發明的測試裝置的結構示意圖。

圖2是水平固定框的結構示意圖。

圖3是墊板的仰視圖。

圖4是豎直杆的結構示意圖。

圖5是分層軸向變形-時間和力-時間曲線圖。

圖6是分層側向變形-時間和力-時間曲線圖。

圖7是體應變-時間和力-時間曲線圖。

其中，1是墊板；2是絲孔；3是豎直杆；4是軸向電子位移計；5是水平固定框；6是固定裝置；7是徑向電子位移計；8是試件；9是應變採集儀。

具體實施方式

如附圖1-3所示，一種混凝土及類似材料受壓下綜合變形性能的測試裝置，包括設置在試件8頂部的墊板1，墊板1下不同位置設置有軸向電子位移計4，與軸向電子位移計4相對應的位置設置有水平固定框5，水平固定框5上設置有將其固定到試件8上的固定裝置6，水平固定框5上還固定有徑向電子位移計7，軸向電子位移計4和徑向電子位移計7均與應變採集儀9連接。

所述墊板1上預留有絲孔2，豎直杆3通過絲孔2與墊板1固定連接，在豎直杆3的不同高度固定軸向電子位移計4，豎直杆3可根據試件8的高度延長其長度，不同的豎直杆3之間的連接方式有多種，常規的杆與杆之間的連接方式均可以實現。

所述豎直杆3的一端設置有外螺紋，另一端設置有內螺紋，不同豎直杆3的外螺紋和內螺紋相匹配，如圖4所示。

所述固定裝置6包括設置在水平固定框5上的通孔，通孔內放置固定銷釘，固定銷釘與試件8接觸的一端為尖細狀，另一端設置有螺紋，通過螺母將水平固定框5固定，如圖2所示。

所述螺母放置於水平固定框5的內側。

所述試件8為圓柱體或稜柱體，水平固定框5的形狀與試件8的形狀相匹配。若試件8為圓柱體，則水平固定框5也為圓柱體，且水平固定框5上均勻分布有若干個徑向電子位移計7；若試件8為稜柱體，則水平固定框5也為與試件8相匹配的稜柱體，且每個稜上至少安裝一個徑向電子位移計7。

所述豎直杆3的長度為100mm-150mm，豎直杆3的材料為鋼、鋁或鋁合金。

所述水平固定框5的材料為塑料、鋼、鋁或鋁合金。

所述徑向電子位移計7和軸向電子位移計4為無線電子位移計或有線電子位移計。

混凝土類材料受壓下綜合變形性能的測試裝置對試件8進行綜合變形性能的測試方法：具體步驟如下：

（ⅰ）將試件8放置於壓力機承壓板的正中位置，在試件8頂部放置墊板1，將豎直杆3通過絲孔2固定到墊板1上，根據試件8的高度確定豎直杆3的長度；

（ⅱ）在試件8的不同高度設置水平固定框5，水平固定框5上的徑向電子位移計7的探頭與試件8表面接觸，直接測量試件8的徑向變形，水平固定框5根據試件8的高度和量測需要設置，相鄰水平固定框5的間距為100mm-150mm；

（ⅲ）在豎直杆3於水平固定框5對應的位置上設置軸向電子位移計4，軸向電子位移計4的探頭與水平固定框5緊密接觸，通過測量水平固定框5的軸向移動間接測量試件8的軸向變形特徵；

（ⅳ）將徑向電子位移計7和軸向電子位移計4均與應變採集儀連接，調試之後進行單軸壓縮試驗，實時測量試件8不同位置的徑向和軸向變形，根據試驗結果計算試件8體積變形結果。

試驗例

塑性混凝土的稜柱體試件，長寬高分別為150mm×150mm×750mm，塑性混凝土的28d立方體標準抗壓強度7.2MPa。

（ⅰ）把長寬高分別為150mm×150mm×750mm稜柱體試件放置於壓力機承壓板的正中位置，在試件頂部放置墊板，將豎直杆通過絲孔固定到墊板上，根據試件的高度確定豎直杆3的長度；

（ⅱ）在試件的不同高度布置水平固定框，水平固定框5上的徑向電子位移計的探頭與試件表面接觸，直接測量試件的徑向變形特徵，每個水平固定框5的間距為150mm；

（ⅲ）在豎直杆與水平固定框對應的位置上設置軸向電子位移計，軸向電子位移計的探頭與水平固定框緊密接觸，通過測量水平固定框的軸向位移間接測量試件的軸向變形特徵；

（ⅳ）將徑向電子位移計和軸向電子位移計均與應變採集儀連接，調試之後進行單軸壓縮試驗，在墊板上部放置壓力傳感器，開始單軸壓縮試驗，實時量測不同位置的徑向及軸向變形。根據試驗結果，分析不同高度下徑向和軸向變形，研究試件體積變形特徵。

試驗結果：

1.軸向變形分布特徵

分層軸向變形-時間和力-時間曲線結果見圖5，試驗結果表明，軸向變形沿著試件高度分布非常不均勻。在荷載-時間曲線的近似直線上升時間段內（OA段），相應的第5層軸向變形（加載端）增加很大，而其餘層的軸向變形很小，在力的比例極限A點附近，第5層軸向變形達到最大；在荷載-時間曲線的曲線上升時間段內(AB段)，相應的第1、2、3層軸向變形急劇增大，但總量還是較小，而加載端第5層軸向變形則緩慢下降；在荷載峰值後的時間內，第1層軸向變形繼續急劇增大，第2層次之，第3層則緩慢增加，第4層一直非常緩慢增加，而第5層快速減小。試件表面的裂縫在峰值後開始出現。

2.側向變形

分層側向變形-時間和力-時間曲線結果見圖6，試驗結果表明，試件高度對單軸壓縮下不同高度下的側向變形有較大影響，側向變形沿著試件高度分布非常不均勻。在荷載-時間曲線的近似直線上升時間段內，側向幾乎沒有變形，在荷載曲線上升段內，側向變形開始快速增加，側向變形主要分布在第1、2層，第1層側向變形最大，第2層次之，而第3層和第4層幾乎沒有增加。

3.體積應變的影響

體應變-時間和力-時間曲線結果見圖7結果表明，在力-時間的上升段內，試件體應變隨著壓力增加而增大（壓縮應變為正，膨脹應變為負），在力的達到最大值前，體積壓縮應變達到最大，此後體積不再減小開始增大，即軸向雖然持續壓縮，但側向膨脹變形快速增大，體積變現出增大，且體積膨脹速度遠遠大於上升段體積壓縮的速度。

最後說明的是，本發明技術方案包括但不限於以上實例，本領域普通技術人員對本發明的技術方案所做的其他修改或者等同替換，只要不脫離本發明技術方案的精神和範圍，均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。