专利名称：混凝土试件耐久性试验长期加载装置系统的制作方法
混凝土试件耐久性试验长期加载装置系统技术领域
本发明主要应用于混凝土耐久性试验工作中，对混凝土试件施加长期的各种类似 实际混凝土构件的荷载，包括压荷载、弯矩荷载等。
背景技术：
混凝土作为建筑行业重要的材料其耐久性越来越受到人们的关心，其质量的优 劣，不仅仅体现在强度、短期稳定性等方面，长期性能也是关键指标，特别对于交通行业中 的码头、桥梁等建筑物。混凝土这些耐久性指标主要包括抗碳化能力、抗氯离子渗透能力、 抗硫酸盐侵蚀能力等等。除了混凝土本身性能和腐蚀环境等因素影响耐久性指标外，其受 力条件也对其产生重要影响，例如，混凝土荷载条件与本身性能的耦合作用下耐久性变化， 混凝土荷载条件与腐蚀环境的耦合作用下耐久性变化，需要进行大量、长时间的相关研究。
目前关于荷载作用下混凝土耐久性研究国内外已经有不少的学者和研究人员正 在进行，并设计使用了各具特色的加载装备，该类设备大都放置在高校和科研院所的试验 室中。例如，同济大学发明的专利，混凝土长期恒定单轴压应力加载仪。是一种混凝土长期 恒定单轴压应力加载仪。由加载螺杆、球支座、压力支架连杆等组成，是针对单轴压缩作用 进行专门设计，使1-5组混凝土试样能在同一装置中，在加载一定压应力同时可以测试其 耐久性指标。河海大学发明的专利，水工混凝土在荷载作用下的渗透性能测试装置及测试 方法。其包括加压装置和试件室两部分。其原理为，将压力试验机通过钢板对弹簧加压，达 到规定压力后立即用螺栓拧紧，并撤掉压力机，此时外部压荷载就由弹簧提供；弹簧产生的 压力通过钢板、球座、上压钢垫板传递到混凝土试件上。另外深圳大学、浙江大学也有类似 的发明专利。该类试验装置各具自己的特点，但都不同时具备随处可以加载，加载后试件可 以变换试验位置、环境，之后可以随时再对加载力进行重测量和重加载的功能。
国内外对一定腐蚀环境下的混凝土耐久性进行过大量研究，并取得许多研究成 果，其中进行该方面研究的一个重要平台为“暴露试验站”。“暴露试验站”是以一定的工程 结构物为依托，选定某个能代表特定腐蚀环境的区域作为放置混凝土试件的区域，例如中 交四航研究院的湛江暴露试验站、山东高速集团的青岛海湾大桥暴露试验站、南京水利科 学研究院海南八所暴露试验站等等。目前在这些暴露试验站中放置的混凝土试件大都是没 有荷载作用下的混凝土试件，经过暴露得到的数据反映的仅仅是混凝土特性与腐蚀环境耦 合作用下的耐久性问题，荷载作用下混凝土耐久性一系列问题得不到体现。因此需要一套 用于混凝土耐久性试验的混凝土试件长期加载装置系统，该系统可以把大批试件在工地、 暴露试验站等地现场加载，现场随混凝土试件一并移入“暴露试验站”中，在不用埋设监测 设备的情况下，需要进行测量荷载保留值时搬出试件和加载装置进行随时测量。因此结合 实际情况，研制一种兼具几种功能于一身的试验加载装置显得很必要。发明内容
混凝土试件的加荷装置必须满足以下三个要求，才能用于试验研究①由于受荷试件将长期置于氯盐腐蚀环境下，所以首先需要考虑加载装置的耐腐蚀性；②能够较为精 确地控制外加荷载的大�。员愕髡炷粮汉伤剑⒈Ｖげ煌约氖匝榻峁渚� 有可比性；③由于本试验需要开展长期耐久性试验，而考虑到加荷装置的应力松弛现象，还 需要保证能够在试验现场较为简便的调节外加荷载。
(I)加压装置
加载装置可提供的最大压强需达到20MPa。试件大小尺寸为 IOOmmX IOOmmX 100mm，加载装置需提供的力大小在10 20t。
整个结构属于类“活塞结构系统”，由钢外壳、钢铁滑动板、蝶形弹簧、反力螺母和 滑动螺栓组成。把2 3块IOOmmX IOOmmX IOOmm混凝土试件放入钢外壳内(不同试件数 量可以调节滑动螺栓的长度)，由外力加载使滑动螺栓推动钢铁滑板，挤压混凝土试件，此 时蝶形弹簧发生相应的压缩变形。加力时外界设测力装置，当力达到指定大小时停止加载， 把反力螺母向外拧紧，使测力装置读数变化。然后卸载千斤顶荷载。
钢外壳两侧是IOmm厚钢板，两侧是敞开方便外界环境对混凝土进行侵蚀，两端头 是30mm厚钢板；钢铁滑动板分为两块，一块中间设有中轴方便固定碟型弹簧，是固定弹簧 承接试件与滑动螺栓的构件；碟型弹簧在这里的作用为位移缓冲，当反力螺栓或某个部位 发生一定的松弛，产生一定位移时保证施加在试件上的力损失不会太大；滑动螺栓用于传 递外界的力到整个系统，反力螺栓用来保留住外界传递的力。
其中采用的碟形弹簧具有体积小、储能大、组合方便等优良特性，广泛应用于国 防、冶金、工程、电力等机械行业。碟形弹簧是承受轴向负荷的碟状弹簧，分为无支承面和有 支承面.可以单个使用，也可对合组合或叠合使用、复合组合成碟簧组使用。可承受静负荷 或变负荷。常用材料60Si2MnA、50CrVA和各类不锈钢材料、铬镍铁合金等。
本试验中采用该型号碟型弹簧4个，同方向放置，承受荷载是单个的4倍，弹簧总 变形量不变。该变形量2. 2mm是钢外套变形量8. 8倍。缩小应力施加，调节碟型弹簧放置 方向时该比值可以变大。
以上加压系统需要随混凝土试件一同放在腐蚀环境下，多少组试件就需要多少套 系统。给该系统施加初始荷载的装备主要包括一个反力架、千斤顶和压力传感器。
⑵加弯装置
混凝土长条形(主要是梁)构件受到弯矩的作用，在没有发生大的偏心受弯时，梁 的一侧受拉、一侧受压。混凝土材料极限拉应力是极限压应力的1/10，首先受到破坏的是受 拉面。该侧的混凝土空隙率变大、微裂纹扩张或者形成宏观裂缝，耐久性受到严重影响。
目前混凝土抗拉强度等级一般在4 SMPa之间，构件常规荷载最大不超过其 70%。试件大小尺寸定IOOmmX 100mmX500mm,四点抗折下中间稳定弯矩距离采用IOcm 20cm,因此该区域的弯矩荷载需维持在600Nm lOOONm。
加弯装置系统包括两个成对的长条形混凝土试件，距两端一定距离处留有穿孔， 试件的长度根据需要可以改变，但两试件穿孔位置应一一对应，方便螺杆从中穿插。装置机 械构成为主体螺杆、辅助螺杆、钢垫块、压簧、传感器和反力架。把两根直径16mm主体螺杆 穿过两个试件两端穿孔中，螺杆一端穿入两个垫块一个压簧(压簧在两垫块之间)，拧上螺 母；另一端穿过垫块，拧上螺母，露出的螺杆端头接上传感器，传感器通过辅助螺杆与反力 架相连。拧紧压簧端螺母加载，主体螺杆、传感器和辅助螺杆相对于试件与反力架向一方移动，主体螺杆端头上螺母与反力架发生作用力，阻碍其移动，该部分作用力与另一端的压簧 压缩产生的力相等，主体螺杆上的传感器也测得该力。加载到预定荷载大小时，拧反力架测 主体螺杆上螺母向垫块侧移动，通过调节螺母与垫块之间的松紧，使传感器读数归零。
其中弹簧采用丝径8 IOmm的压簧，可以承担300 500Kg的力，最大压缩量在 20 30mm。混凝土试件在发生徐变、收缩等变形Imm内，应力损失在5%以内。
图1混凝土试件耐久性试验长期加载装置系统一加压系统示意示；
图2混凝土试件耐久性试验长期加压系统中内力保留独立装置一“类活塞结构系 统”示意示；
图3混凝土试件耐久性试验长期加压系统中反力架示意示；
图4混凝土试件耐久性试验长期加载装置系统一加弯系统示意示；
现结合附图及以下给出的实施方式，详细说明本发明。
具体实施方式
图1混凝土试件耐久性试验长期加载装置系统一加压系统，把图3中反力架放置 在平整场地，连接传感器、读数器及电源，调节传感器读数使初始读数归零。把符合尺寸大 小的千斤顶，一般高度在IOcm左右，放入反力架的两一端，然后连接千斤顶与油泵。
把图2内力保留独立装置“类活塞结构系统”放入反力架内，左侧钢外壳与传感器 一段接触，另一侧露出的滑动螺栓与千斤顶接触。把钢外壳内部的钢铁滑动板、碟形弹簧 和反力螺母依次放入，最后放入混凝土试件。
用油泵给千斤顶加压，千斤顶伸长与滑动螺栓充分接触，顶推滑动螺栓，顶推力依 次通过碟形弹簧、钢铁滑动板、混凝土试件及钢外壳端头传至压力传感器，及时反映力的大 �。肆ξ戳苣诓苛�。当施加荷载大小达到预定值时拧反力螺母至与钢外壳右端内壁 接触，拧紧螺母使传感器读数有所减小即可停止。此时卸载千斤顶，把图2中装置移至需要 进行暴露试验的环境中，进行长时间试验。
该套装置除反力架外的金属结构需要在加载之前进行防腐处理，一般采用重防腐 漆进行涂层保护，反力螺栓、螺母采用不锈钢制作，其他不方便加载前涂漆的在加载后进 行。
图4混凝土试件耐久性试验长期加载装置系统一加弯系统，在进行加载前把整套 系统放置于工作台面(或桌面)，准备好各个零部件及混凝土试件。首先把提前制作好的混 凝土试件并排放置在工作台面，根据需要和研究目的，经过计算确定出最大弯矩恒定区，用 刻度尺标出位置，然后把限位板或钢筋作为力支撑点夹在混凝土试件中间的该位置处。
按图中各零部件位置，把主体螺杆穿过混凝土试件两端留有的孔中，依次在一端 穿入垫块、弹簧、螺母等配件，然后再在另一端连接螺母、传感器和反力架，用反力架外的螺 母、辅助螺杆连接传感器。拧紧一端头的螺母加力，垫块、弹簧、混凝土试件、传感器和反力 架等被夹在中间受到挤压。内部弹簧、传感器等受到相同的力，通过传感器读数加载系统至 预定荷载大小。
拧传感器与主体螺杆间的螺母至垫块处，调节松紧，使传感器读数归零，然后卸掉反力架、传感器和辅助螺杆，加载过程完毕。然后把整套装置移至需要进行暴露试验的环境 中，进行长时间试验。
同样，该套装置的支撑钢筋、垫块和弹簧需要在加载之前进行防腐处理，一般采用 重防腐漆进行涂层保护，主体螺杆、螺母采用不锈钢制作，其他不方便加载前涂漆的在加载 后进行。
权利要求
1.一种混凝土试件耐久性试验长期加载装置系统，该系统由加压独立装置和加弯独立装置组成。加压装置包括钢外壳、钢铁滑动板、蝶形弹簧、反力螺母、滑动螺栓、反力架、传感器和千斤顶；加弯装置包括主体螺杆、辅助螺杆、钢垫块、压簧、传感器和反力架。其主要特征包括(A)可以对IOOmmX100mmX300mm及以下尺寸混凝土件进行长期轴向加压、偏心加压；(B)可以对长条形混凝土试件进行长期施加弯矩；(C)可以放入实际环境或模拟环境中进行混凝土耐久性试验。
2.根据权利要求1所述的混凝土试件耐久性试验长期加载装置系统，其特征在于利用弹簧大变形、大应力对混凝土试件提供长期持续荷载。
3.根据权利要求1所述的混凝土试件耐久性试验长期加载装置系统，其特征在于加压独立装置特性具有提供混凝土试件较大压荷载的能力，工作原理如下(A)结构属于类“活塞结构系统”；(B)把混凝土试件放入钢外壳内，由外力加载使滑动螺栓推动钢铁滑动板，挤压混凝土试件，蝶形弹簧发生压缩变形。(C)加力时外界设测力装置，当力达到指定大小时停止加载，把反力螺母向外拧紧，使测力装置读数改变。外力此时完全卸载。(D)对结构施加外力时需要相应量程的传感器读数和能提供足够强度、刚度的反力架。
4.根据权利要求1所述的混凝土试件耐久性试验长期加载装置系统，其特征在于加弯独立装置特性具有提供混凝土试件弯矩荷载的能力，工作原理如下(A)结构通过穿过长条形混凝土试件两端头螺杆上的螺母进行加载；(B)长条形混凝土试件需要成型时在距端头一定距离处成对留孔，以便穿插加力螺杆；(C)混凝土试件成型模具进行特殊加工制作，每套模具包含两个试模，留穿孔位、钢筋位，浇筑前用PVC管同时穿过两个试模每个端头留空，在钢筋位插入相应钢筋；(D)加载时主体螺杆与测力传感器通过辅助螺杆与反力架连接一起，拧紧一端螺母加载，主体螺杆与传感器同时受力，加到目标荷载，通过传感器和主体螺杆之间的转换螺母把力从传感器和反力架完全转移到主体螺杆上，即完成对结构的加载。(E)主体螺杆上附有压簧，旋转螺母压缩时压簧产生一定压缩量。
5.根据权利要求1所述的混凝土试件耐久性试验长期加载装置系统，其特征在于装置能够放入恶劣腐蚀环境中试验并具有荷载长期维持的能力，具体如下(A)加压装置与加弯装置结构长宽高尺寸均在50 60cm以内，重量小于30Kg，方便人工移动和安装；(B)结构装置涂上重防腐漆，在恶劣腐蚀环境下能抵御各种离子的侵蚀；(C)蝶形弹簧、压簧相对较大的变形能力可抵御各种扰动因素和应力松弛。
6.根据权利要求3所述的混凝土试件耐久性试验长期加载装置系统，其特征在于加压独立装置在施加完荷载后一段时间可以进行荷载再测量，具体内容如下(A)把结构装置、传感器和千斤顶放回反力架框内，用千斤顶加力；(B)传感器受到千斤顶的挤压读数开始显示压力值，直到较能轻松拧动反力螺母时停止加压，保持该状态；(C)拧回反力螺母至不受任何反力状态，读取传感器读数，即为此时加压装置保留压力值大小。
7.根据权利要求4所述的混凝土试件耐久性试验长期加载装置系统，其特征在于加弯独立装置在施加完荷载后一段时间可以进行荷载再测量，具体内容如下(A)把结构装置、传感器、辅助螺杆和反力架重新按原位置放回，并安装；(B)拧动转换螺母到彻底不受力位置，读取传感器读数，即为此时加弯装置所受荷载值。
全文摘要
本发明涉及混凝土耐久性研究的一种加荷装置，分加压和加弯两套独立装置。加压装置包括钢外壳、钢铁滑动板、蝶形弹簧、反力螺母、滑动螺栓、反力架、传感器和千斤顶；加弯装置包括主体螺杆、辅助螺杆、钢垫块、压簧、传感器和反力架。加压装置是类“活塞结构系统”，把混凝土试块放入钢外壳内，由外力加载使滑动螺栓推动钢铁滑板，挤压混凝土试件。加弯装置主要采用两条相同梁状混凝土试件并排放置，两端用螺栓拧紧加载，中间串有弹簧，试件通过限位板形成弯矩恒定区。装置可以随处加载，加载后试件搬动至试验区域，之后可以随时对荷载进行重测量。能够满足目前混凝土荷载下耐久性研究的需要。
文档编号G01N3/08GK102998174SQ201110268840
公开日2013年3月27日 申请日期2011年9月9日 优先权日2011年9月9日
发明者徐兆全, 岑文杰, 范志宏, 王迎飞, 熊建波, 张夏虹, 黄君哲, 王明军 申请人:中交四航工程研究院有限公司, 广州四航材料科技有限公司
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