一种改进的应变采集系统的温度应力试验机的制作方法

本发明涉及混凝土建筑领域，具体涉及一种混凝土温度应力试验机。

背景技术：

在混凝土凝结初期或硬化过程中由于混凝土中所含水分的变化、化学反应及温度变化等原因会出现的体积收缩的现象。

当混凝土处于自由状态时，混凝土收缩不会导致明显的不良后果。但在实际的工程中，混凝土结构受基础、钢筋或相邻部分牵制会处于不同的约束状态，引起混凝土拉应力，由于混凝土抗拉强度不高，混凝土收缩裂缝极易产生。混凝土裂缝的产生轻则影响结构的承载能力和使用寿命，重则会导致灾难性的事故，给国民经济带来巨大损失，给人民安全带来巨大威胁。因此评价混凝土在早期的开裂风险意义重大。

温度应力试验机(以tstm代称)是研究混凝土早期抗裂性能的重要工具，由约束试件、自由收缩试件、温控系统和计算机控制系统四个部分组成。它通过记录早期混凝土的自由变形、约束变形、温度变化和约束应力等特性，用开裂温度、开裂应力等参数综合评价混凝土的抗裂性能和开裂风险。是目前评价混凝土开裂风险最先进的设备之一。

但现有的tstm测量混凝土变形的方法存在着明显不足。

在约束试件的变形测量上，人们最开始直接测量电机横头之间相对距离的变化表示约束混凝土试件的变形。但试模与混凝土间有一定的间距，混凝土的收缩和膨胀不能及时的传递为试模的移动。类似地，在自由收缩试件的变形测量上，有人利用测量狗骨形混凝土试模的可移动端部的位移来表示自由试件的收缩量。它更是忽略了试模与上层盖子以及下层滑轨的摩擦阻力。

大多数研究者在混凝土侧面嵌入两根固定间距的钢杆，并在一根钢杆顶端连接与混凝土平行的碳纤维长杆，另一根钢杆连接线性可变差动位移传感器(lvdt)。利用lvdt记录碳纤维杆的位移表示混凝土测量区的变形。考虑到新拌混凝土的流动性以及保温要求，模具侧面的开孔不宜太大。因此，该方法较依赖于操作人员的经验。以及钢杆难以保证水平且不与试模接触。如果外伸的钢杆与试模的开孔接触，钢杆将发生扭转，本应测得的是收缩反而测出膨胀。另外混凝土复杂的变形也可能使钢杆的发生扭转。这解释了在降温阶段很多试验数据测得的反而是膨胀变形。

为了解决这一问题，有人用两个杆水平地贯穿混凝土，并用lvdt测量在两侧端头的相对位移，然后用两侧读数的平均值代表混凝土的测量区中心的变形。这种变形测量方法可能会给测试后拆除混凝土试件带来很大的困难，以至损害仪器的精度。

jing和yu设计了一种大型“环境箱”，它包含了测量过程中的混凝土试件和所有设备。也有人甚至将整个房间改造成“环境箱”，混凝土的变形也通过在两侧嵌入钢杆进行测量。由于位移传感器在“环境箱”内，即使进行一些补偿处理也难以忽略温度变化对测量装置的影响，这给测得的数据增加了很大的不确定性。更重要的是，由于环境箱过大，混凝土水分难以保证不散失，混凝土的温度变化也很难得到及时的环境箱补偿，温控的灵敏性大打折扣。另外，高昂的成本也使该方法难以推广。

也有人将内嵌式的位移传感器直接埋入混凝土中，测试混凝土的“真实变形”。这种方法十分昂贵，因为传感器只能使用一次，再加上其测试的变形是混凝土的局部变形，并不能代表整体变形。

值得一提的是，当前温度应力试验机的自由试件和约束试件使用相同的变形采集方法。这是不必要的，因为约束试件由于加载端的限制增大了变形采集难度，而自由试件完全可以直接由两端的相对位移直接反映混凝土变形。

理论上讲，只要保证两试件的温度湿度等环境影响以及自身浇筑质量相同，准确测得混凝土的变形应当是相同的，而与测量方法无关。

除此之外，tstm是一个考虑多因素影响的综合性试验，在精确测量变形的同时也需要保证以下几点：

1、混凝土需要尽可能密闭绝热，保证无湿度散失。温度的控制需要尽可能的灵敏，不会因外部环境的突然变化而产生温度梯度。另外混凝土的温度分布需要尽可能均匀。

2、要尽可能减少混凝土与外部装置的摩擦和接触。另外，使混凝土有足够的空间膨胀和收缩。不扰乱混凝土受力的均匀性。

3、要保证混凝土拆模的方便，tstm试验机的精密属性，决定了混凝土拆除时必须尽可能的简单安静，避免剧烈的震动和敲击。

综上所述，亟需在保证试验保温隔热、摩擦小以及拆模方便的前提下改进当下温度应力试验机的应变采集方法，提高试验的可靠性和重复性。

技术实现要素：

本发明在保证试验保温隔热、摩擦小以及拆模方便的前提下改进了当下温度应力试验机的应变采集方法，提高试验的可靠性和重复性；设计了一种操作简单、测量精度高、自由和约束试件应变采集方式不同的温度应力试验机。

一种混凝土温度应力试验机，包括自由试件应变采集部分和约束试件应变采集部分；所述自由试件应变采集部分通过测量预埋在混凝土中并穿过可移动组件孔洞的棱柱杆的相对位移来直接测量混凝土变形；所述约束试件的应变采集部分通过双位移传感器可计算出竖棱柱杆偏转，所述的约束试件测量计算的值减去自由试件应变采集测量值就是混凝土中心部位的真实水平应变。

所述固定端组件用来固定位移传感器，并紧靠模具端部保持固定不动。

所述移动端组件在材料上为轻质，硬质，绝热效果良好的材料。在混凝土浇筑时抵住薄膜用来防止混凝土流动，另外阻止混凝土温度的散失。

所述位移传感器测量金属圆盘位置，所述金属圆盘表面打磨光滑，所述金属圆盘固定在棱柱杆顶端，棱柱杆穿过移动端的孔洞而不受移动端的约束。

钢块夹在移动端和固定端中间，用来在浇筑混凝土时顶住移动端防止其移动，待混凝土初凝后取下。

所述位移传感器选用lvdt高精度(测量精度达1微米以上)的传感器进行位移测量。

在试模内的左右两侧各放置一组所述的固定端组件和移动端组件。所述固定端组件采用不锈钢材等密度大耐久性好成本低的材料，用来固定位移传感器，并紧靠模具端部保持自身稳定不动。

所述钢块起辅助作用，在浇筑混凝土时，钢块夹在固定端组件与移动端组件之间，使移动端组件固定。开始测量时，撤去小刚块，此时移动端组件可以随混凝土的膨胀而发生移动，待混凝土收缩时则也不会阻止混凝土移动，保证了测量所得数据是混凝土的自由变形。

所述棱柱杆为低温度膨胀率的硬质低密度材料，例如受温度变化影响小工程塑料。将打磨光滑的金属圆盘拧进棱柱杆端部的螺丝孔。再将棱柱穿过移动端组件的孔插入模具。为保持棱柱杆水平固定，在移动端组件的孔内垫上硬泡沫圈，保持棱柱水平且不发生沉降。待混凝土初凝时取下泡沫圈换上孔更大的低密度海绵圈，在保证棱柱自由位移的前提下防止温度散失。最后通过预埋在混凝土内部的左右棱柱的相对水平位移来代表混凝土的自由变形。消除了混凝土扭转变形的影响。最后将位移传感器安装在固定端上并压缩在棱柱杆端部的金属圆盘上至中间合适位置保证拉压均有足够测量范围，通过预埋在混凝土内部的左右两棱柱杆的相对水平位移来代表混凝土的自由变形。

所述试模盖子只覆盖混凝土试件和两侧移动端，而不盖住位移传感器等组件。这样上述测试混凝土变形的核心组件与周围环境相同，不受混凝土温度变化的影响。

所述混凝土温度应力试验机的自由试件应变采集部分：

将固定端、钢块和移动端组件紧靠模具端部放置在试模的两侧，钢块夹在移动端和固定端中间用来在浇筑混凝土时顶住移动端防止其移动。将金属圆盘拧进棱柱杆端部的螺丝孔内后穿过移动端组件的孔洞插入模具，用硬泡沫保持水平固定。浇筑混凝土于试模内，振捣棒振实使其包住棱柱杆。待混凝土初凝后，取下垫块并将孔洞棱柱杆上的泡沫圈换上留有大孔软海绵圈，将位移传感器安装在固定端上，调整位置使位移传感器压在棱柱杆端部的金属圆盘上。最后通过预埋在混凝土内部的左右棱柱杆的相对水平位移来代表混凝土的自由变形。

本发明所述混凝土温度应力试验机的约束试件应变采集部分包括：模具，安装框架，位移传感器，棱柱杆及其金属圆盘部件，泡沫固定板，泡沫保温板以及轻质海绵块。

所述位移传感器为采用上下双lvdt来测量棱柱杆不同高度的位移，考虑了混凝土的扭曲变形，通过计算可以得到混凝土中心部位的真实位移。

所述安装框架固定在试验机两侧的钢梁上。在安装框架上安装双位移传感器。框架采用温度变形系数低、强度高和稳定性高的材料。

所述棱柱杆与自由试件用的棱柱杆同材质，且是长方形截面的棱柱。棱柱杆插入到混凝土中部使之与混凝土同步变形，且距离固定间距设置螺丝孔用来装金属圆盘，上下位移传感器分别压在对应金属圆盘上记录圆盘的位移，通过计算反映混凝土的中心层的真实变形。最后通过混凝土中心的相对位移来得到应变。

所述泡沫固定板是一块凸起一定高度用来固定棱柱，防止其倾斜和沉降的泡沫材质的厚板，分别盖在狗骨试模的两头，当特定尺寸棱柱杆上截面插入泡沫固定板时，可以保证棱柱的另一头在试模正中层位置。

所述泡沫保温板是一块留有大矩形孔的泡沫厚板，该矩形孔的设置使测试过程中泡沫保温板不接触棱柱杆，不影响棱柱杆随混凝土产生位移。待混凝土初凝后将泡沫固定板换成泡沫保温板，另外在棱柱上套一层质量极低的海绵块并保证泡沫板上的大孔被海绵块覆盖，在保证不影响棱柱杆位移的前提下，减少测量过程中通过孔洞的温度散失。

所述混凝土温度应力试验机在约束试件应变采集条件下的应用：

将两块固定泡沫板分别盖在狗骨试模的两头，垂直插入棱柱杆保证其底部在试模正中层位置。待混凝土初凝后将固定泡沫板换成留有大孔的泡沫保温板，另外在棱柱杆上套一层质量极低的海绵块并保证泡沫板上的大孔被海绵块覆盖。分别将两个lvdt安装在安装框架上，并使其压缩在棱柱杆上的金属圆盘上，两个接触点距离棱柱杆底部分别为l1和l2。一定时间后上下lvdt记录圆盘平移距离分别为x1和x2，混凝土中心真实位移为x,则x可由公式1计算得到。

所述温度应力试验机的模具和盖子均设置有温控装置，所述温控装置通过设置水管，且水管中通热水来达到控温的目的；在控温进水管的设置上，采用进水管和出水管间隔分布，能使在混凝土升温降温过程中，混凝土表面加热更均匀。

所述温度应力试验机中放置试件的位置的底部，自下而上铺设有润滑油，乙烯基薄膜，润滑油，乙烯基薄膜。选用两层薄膜的优点在于更好地减小摩擦，防止湿气散失。

所述温度应力试验机中放置试件的位置的两侧，设置有刷油的薄发泡板，当混凝土水化放热初期发生膨胀时，发泡板能吸收横向膨胀，降低横向约束进而降低摩擦。

使用混凝土温度应力试验机进行混凝土中心真实位移的测量方法，所述的测量方法包括以下步骤：

步骤1：在自由试模内铺设好油与乙烯基薄膜；

步骤2：将两组固定端组件，钢块和移动端组件放置在试模的两侧；将金属圆盘拧进棱柱杆端部的螺丝孔；再将棱柱穿过移动端组件的孔插入模具，为保持棱柱杆水平固定且不发生沉降，在移动端组件的孔内垫上硬泡沫圈；

步骤3：浇筑混凝土于试模内，振捣棒振实，混凝土不能高于试模。抹平后盖上乙烯基薄膜并立刻封保温盖。通过水平仪调整棱柱杆，使其保持水平固定；

步骤4：待混凝土初凝后，取下垫块并将孔洞棱柱杆上的泡沫圈换上留有大孔软海绵圈，将位移传感器安装在固定端上，调整位置使位移传感器压缩在棱柱杆端部的金属圆盘上，最后通过预埋在混凝土内部的左右棱柱杆的相对水平位移来代表混凝土的自由变形xf；

步骤5：在约束试模内按所述减摩擦方法铺设好油与乙烯基薄膜；

步骤6：浇筑混凝土于试模内，振捣棒振实，混凝土不能高于试模。盖上薄膜后盖上保温盖；

步骤7：将两块固定泡沫板分别盖在狗骨试模的两头，棱柱杆的上螺丝孔刚好完全插入固定泡沫板时，保证棱柱杆的另一头在试模正中层位置，安装位移传感器，首先将安装框架固定在试模两端，然后分别将双位移传感器安装在安装框架上，调整安装框架位置使位移传感器压缩在棱柱杆上的小金属圆盘，且至中间合适位置保证拉压均有足够测量范围，固定安装框架；

步骤8：双位移传感器分别测得x1和x2两个不同的位移；

步骤9：两个接触点距离棱柱杆底部分别为l1和l2，一定时间后，上下位移传感器记录圆盘平移距离分别为x1和x2，约束试件位移为xr,则xr由公式1计算得到。

步骤10：该温度应力试验机用来做徐变试验，混凝土的徐变为xc＝xr—xf。

本发明具有积极有益的效果：

(1)对于自由试件应变采集，采用试模内置位移传感器的方式，将传感器直接放在试模内测量混凝土自收缩，更加直接地可以得到混凝土的自收缩量，减少变形传递过程中产生的误差，增加测量精度。

(2)对于约束试件应变采集，采用双位移传感器，考虑了棱柱杆的扭曲旋转，利用两个传感器的读数能计算出混凝土中心的真实位移，提高混凝土变形测量的可靠性。

(3)自由试件的拆模更方便，在试验结束时，可直接利用出露的棱柱杆将混凝土从模具内拆除。

(4)考虑到混凝土与试模的横向摩擦，采用刷油的薄发泡板吸收横向膨胀，降低横向约束进而降低摩擦。

附图说明

图1为自由试件核心组件的三视图包括：(a)侧视图(b)俯视图(c)固定端正视图(d)移动端正视图。

图2为自由试件核心组件在试验过程中的放置位置示意图。

图3为约束试件核心组件在实验过程中的轴测图

图4为约束试件固定棱柱杆的示意图

图中，1为固定端组件，2为移动端组件，3为安放位移传感器的托板，4为用于插棱柱杆的孔，5为用于插入位移传感器的孔，6为钢块，7为位移传感器(lvdt)，8为棱柱杆，9为金属圆盘，10为试模，11为试模盖子，12为安装框架及其支脚架，13为双lvdt，14为金属圆盘部件，15为棱柱杆，16为保温泡沫板，17为固定泡沫板。

具体实施方式

以下结合具体实施例进一步阐述本发明。

一、自由试件应变采集，参见图1和图2，包括同轴且水平设置的固定端组件1、移动端组件2以及托板3。棱柱穿过两侧移动端组件上的孔4与试模纵轴线平行放置。位移传感器插入托板3上的孔5中，压在棱柱上的金属圆盘9上。

利用上述测量装置及方法进行早期龄混凝土自由收缩的测量，包括以下步骤:

①在试模内按所述减摩擦方法铺设好油与乙烯基薄膜。

②将两组固定端组件1，钢块6和移动端组件2放置在试模的两侧。将金属圆盘9拧进棱柱杆8端部的螺丝孔。再将棱柱穿过移动端组件的孔4插入模具。为保持棱柱杆8水平固定且不发生沉降，在移动端组件的孔4内垫上硬泡沫圈。

③浇筑混凝土于试模内，振捣棒振实，混凝土不能高于试模。抹平后盖上乙烯基薄膜并立刻封保温盖。通过水平仪调整棱柱杆，使其保持水平固定。

④待混凝土初凝后，取下垫块并将孔4洞棱柱杆上的泡沫圈换上留有大孔软海绵圈，在保证不影响棱柱杆位移的前提下，减少测量过程中通过孔洞的温度散失。将lvdt7安装在固定端上，调整位置使lvdt7压缩在棱柱杆端部的金属圆盘9上，且至中间合适位置保证拉压均有足够测量范围。最后通过预埋在混凝土内部的左右棱柱杆8的相对水平位移来代表混凝土的自由变形。

二、约束试件应变采集，参见图3和图4，包括安装框架及其支脚架12，双位移传感器13分别安装在距棱柱底端175mm和225mm处的安装框架12上，并使之与棱柱杆15上的金属圆盘14相压缩。

利用上述测量装置及方法进行混凝土受约束下的测量，包括以下步骤:

①在试模内按所述减摩擦方法铺设好油与乙烯基薄膜。

②浇筑混凝土于试模内，振捣棒振实，混凝土不能高于试模。盖上薄膜后盖上保温盖。

③将两块厚50mm上部凸起圆柱高度100mm的固定泡沫板17分别盖在狗骨试模的两头，当250mm棱柱15的上螺丝孔刚好完全插入固定泡沫板17(上螺丝孔距离混凝土表面150mm)时，保证棱柱杆15的另一头在试模正中层位置。待混凝土初凝后将固定泡沫板换成留有大孔的泡沫板16，另外在棱柱杆15上套一层质量极低的海绵块并保证泡沫板上的大孔被海绵块覆盖，在保证不影响棱柱杆15位移的前提下，减少测量过程中通过孔洞的温度散失。

④安装传感器:首先将安装框架12固定在试模两端，然后分别将双lvdt13安装在安装框架12上(分别距混凝土表面100mm，150mm)，调整安装框架12位置使lvdt压缩在棱柱杆15上的小金属圆盘14，且至中间合适位置保证拉压均有足够测量范围，固定安装框架12。试验是通过检测棱柱杆15的位移来得到混凝土的应变。

⑤计算混凝土中心位移，若双lvdt13测得的位移相同则棱柱未发生偏转，若双lvdt13分别测得x1和x2两个不同的位移，则实际位移x可由公式计算得到为。确定真实位移后通过左右棱柱的相对位移来代表混凝土的自由变形。