一种测试新拌混凝土接触应力的装置及方法

1.本发明属于建筑技术领域，具体涉及一种测试新拌混凝土接触应力的装置及方法。


背景技术：

2.喷射混凝土作为一种高效低成本的技术方法，现已广泛应用于隧道施工、边坡支护及地下工程。喷射混凝土从问世至今，研究学者在材料性能、配合比优化及混凝土喷射工艺改进等方面取得了很大进展。但是，喷射混凝土骨料在侵入混凝土的过程中，由于混凝土存在粘滞阻力，会在骨料周围形成影响骨料侵入的接触应力。接触应力是指骨料渗透到新拌混凝土中，由于混凝土的粘滞阻力存在阻碍骨料向下渗透，在骨料与混凝土接触的周围形成的应力。
3.喷射混凝土的回弹是指混凝土在喷射压力下达到受喷面后，由于受喷面的粘结能力不足，使骨料及其他混凝土组分从受喷面弹出或重力作用下落向地面。回弹率为没能附着在受喷面的材料与喷射总量的比值。如今，如何控制喷射过程中粉尘量大及回弹率高等问题是喷射混凝土研究亟须解决的难点。
4.根据接触力学和相关文献可知，骨料渗透到喷射混凝土中会在骨料和基底中积蓄应变能，在骨料渗透完成后转移到骨料上。转移到骨料上的能量最终以回弹的方式脱离混凝土基底。冲击动能和回弹能量的相对值决定了骨料渗透到基底后回弹的趋势。不同骨料密度的喷射混凝土回弹与骨料密度、静态及动态接触应力、骨料初始速度和新拌混凝土的弹性模量有关。
5.上述表明混凝土回弹与接触应力直接相关，但国内还没有测试新拌混凝土接触应力的设备及方法。本发明的设备和方法填补了国内测试混凝土接触应力的空缺，保证了测试数据的准确性。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了解决准确测试新拌混凝土接触应力的问题，提出了一种测试新拌混凝土接触应力的装置及方法。
7.本发明的技术方案是：一种测试新拌混凝土接触应力的装置包括钢球、力学传感器、钢板、第一lvdt、第二lvdt、第一钢管和第二钢管；
8.钢球活动设置于新拌混凝土的表面，且钢球和力学传感器通过第一钢管固定连接；第二钢管固定设置于力学传感器的上方；第一lvdt和第二lvdt分别固定设置于力学传感器的两侧；钢板的两端分别与第一lvdt和第二lvdt 固定连接；
9.钢球用于模拟粗骨料；第二钢管用于传导所施加的荷载；力学传感器用于测试给混凝土所施加的荷载；第一lvdt和第二lvdt均用于测量钢球渗透至新拌混凝土的深度。
10.本发明的有益效果是：本发明的测试装置在lvdt的末端分别放置钢板，防止lvdt的针头接触到新拌混凝土表面，导致试验误差。同时，可测量骨料渗透到混凝土的深度，以
便得出任何时刻骨料与混凝土的接触面积。其装置结果简单，使用方便。
11.进一步地，新拌混凝土中含有速凝剂。
12.上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，在新拌混凝土中加入速凝剂，可将其快速入模进行测试。
13.基于以上系统，本发明还提出一种测试新拌混凝土接触应力的方法，包括以下步骤：
14.s1：在新拌混凝土中加入速凝剂，完成入模；
15.s2：利用钢球、力学传感器、钢板、第一lvdt、第二lvdt、第一钢管和第二钢管，在入模后的新拌混凝土表面安装测试装置；
16.s3：根据杠杆原理，通过人工施加荷载，并通过测试装置中的第二钢管传导所施加的荷载；
17.s4：利用测试装置中的力学传感器采集施加载荷的预应力f；
18.s5：利用测试装置中的第一lvdt和第二lvdt采集钢球渗透至新拌混凝土的渗透深度h，并根据渗透深度h得到钢球与新拌混凝土的接触面积a；
19.s6：根据预应力f和接触面积a，计算接触应力p，完成新拌混凝土的接触应力测试。
20.本发明的有益效果是：本发明公开了一种测试方法，此方法可以测试新拌混凝土的接触应力，能够保证测试数据的准确性，填补了国内测试混凝土接触应力的空缺。
21.进一步地，步骤s2中，安装测试装置的方法为：通过第一钢管将钢球和力学传感器固定连接；在光学传感器的两侧分别对称放置第一lvdt和第二 lvdt，并将钢板的两端分别连接至第一lvdt的末端和第二lvdt的末端。
22.上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，lvdt的末端分别放置钢板，可以防止lvdt的针头接触到新拌混凝土表面，导致试验误差。
23.进一步地，步骤s5包括以下子步骤：
24.s51：利用测试装置中的第一lvdt和第二lvdt采集钢球渗透至新拌混凝土的初步深度h；
25.s52：测量钢球三个正交方向轴的轴长比1:α:β，并计算钢球的质量m，其中，α表示钢球纵轴方向相比横轴方向的轴长比例，β表示钢球竖轴方向相比横轴方向的轴长比例；
26.s53：根据新拌混凝土的参数修正钢球渗透至新拌混凝土的初步深度h，得到渗透深度h；
27.s54：根据渗透深度h和钢球的质量m，计算钢球与新拌混凝土的接触面积a。
28.上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，通过计算出的接触面积来计算接触应力，使得计算接触应力更加简便。
29.进一步地，步骤s51中，钢球呈椭球形，钢球渗透至新拌混凝土的初步深度h为竖轴方向上的渗透高度。
30.上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，椭球形的钢球用于模拟骨料，更符合实际情况，能精确体现骨料样本的尺寸。
31.进一步地，步骤s52中，钢球的质量m的计算公式为：
32.33.其中，α表示纵轴方向相比横轴方向的轴长比例，ρ表示钢球的密度，λ表示钢球最短轴长半径。
34.进一步地，步骤s53中，根据质量修正系数k调整钢球渗透至新拌混凝土的初步深度h，质量修正系数k的计算公式为：
[0035][0036]
其中，ρ
n
表示钢球的密度，ρ
x
表示新拌混凝土的密度，β表示钢球竖轴方向相比横轴方向的轴长比例，n表示当前钢球的个数，n表示可放入钢球的个数；
[0037]
渗透深度h的计算公式为：h＝kh。
[0038]
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，修正渗透深度可保证接触应力的计算准确，避免出现个体差异的情况。
[0039]
进一步地，步骤s54中，钢球与新拌混凝土的接触面积a的计算公式为：
[0040][0041]
其中，m表示钢球质量，h表示渗透深度，χ表示新拌混凝土的裹浆厚度，α表示钢球纵轴方向相比横轴方向的轴长比例。
[0042]
进一步地，步骤s6中，接触应力p的计算公式为：
[0043][0044]
其中，f表示预应力，a表示接触面积。
附图说明
[0045]
图1为测试新拌混凝土接触应力的装置的结构图；
[0046]
图2为测试新拌混凝土接触应力的方法的流程图；图3为接触应力与其渗透深度的曲线图；
[0047]
图中，1、钢球；2、力学传感器；3、钢板；4、第一lvdt；5、第二lvdt； 6、第一钢管；7、第二钢管。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
[0049]
如图1所示，本发明提供了一种测试新拌混凝土接触应力的装置，包括钢球1、力学传感器2、钢板3、第一lvdt4、第二lvdt5、第一钢管6和第二钢管7；
[0050]
钢球1活动设置于新拌混凝土的表面，且钢球1和力学传感器2通过第一钢管6固定连接；第二钢管7固定设置于力学传感器2的上方；第一lvdt4 和第二lvdt5分别固定设置于力学传感器2的两侧；钢板3的两端分别与第一lvdt4和第二lvdt5固定连接；
[0051]
钢球1用于模拟粗骨料；第二钢管7用于传导所施加的荷载；力学传感器 2用于测试给混凝土所施加的荷载；第一lvdt4和第二lvdt5均用于测量钢球1渗透至新拌混凝土的
深度。
[0052]
力学传感器采用bslm
‑
3型，量程为0
‑
50kg，精度为0.001kg。lvdt量程为0
‑
40mm，精度为0.001mm。
[0053]
在本发明实施例中，如图1所示，新拌混凝土中含有速凝剂。
[0054]
在本发明中，在新拌混凝土中加入速凝剂，可将其快速入模进行测试。
[0055]
基于以上系统，本发明还提出一种测试新拌混凝土接触应力的方法，如图2 所示，包括以下步骤：
[0056]
s1：在新拌混凝土中加入速凝剂，完成入模；
[0057]
s2：利用钢球、力学传感器、钢板、第一lvdt、第二lvdt、第一钢管和第二钢管，在入模后的新拌混凝土表面安装测试装置；
[0058]
s3：根据杠杆原理，通过人工施加荷载，并通过测试装置中的第二钢管传导所施加的荷载；
[0059]
s4：利用测试装置中的力学传感器采集施加载荷的预应力f；
[0060]
s5：利用测试装置中的第一lvdt和第二lvdt采集钢球渗透至新拌混凝土的渗透深度h，并根据渗透深度h得到钢球与新拌混凝土的接触面积a；
[0061]
s6：根据预应力f和接触面积a，计算接触应力p，完成新拌混凝土的接触应力测试。
[0062]
在本发明实施例中，如图2所示，步骤s2中，安装测试装置的方法为：通过第一钢管将钢球和力学传感器固定连接；在光学传感器的两侧分别对称放置第一lvdt和第二lvdt，并将钢板的两端分别连接至第一lvdt的末端和第二lvdt的末端。
[0063]
在本发明中，lvdt的末端分别放置钢板，可以防止lvdt的针头接触到新拌混凝土表面，导致试验误差。
[0064]
在本发明实施例中，如图2所示，步骤s5包括以下子步骤：
[0065]
s51：利用测试装置中的第一lvdt和第二lvdt采集钢球渗透至新拌混凝土的初步深度h；
[0066]
s52：测量钢球三个正交方向轴的轴长比1:α:β，并计算钢球的质量m，其中，α表示钢球纵轴方向相比横轴方向的轴长比例，β表示钢球竖轴方向相比横轴方向的轴长比例；
[0067]
s53：根据新拌混凝土的参数修正钢球渗透至新拌混凝土的初步深度h，得到渗透深度h；
[0068]
s54：根据渗透深度h和钢球的质量m，计算钢球与新拌混凝土的接触面积a。
[0069]
在本发明中，通过计算出的接触面积来计算接触应力，使得计算接触应力更加简便。
[0070]
在本发明实施例中，如图2所示，步骤s51中，钢球呈椭球形，钢球渗透至新拌混凝土的初步深度h为竖轴方向上的渗透高度。
[0071]
在本发明中，椭球形的钢球用于模拟骨料，更符合实际情况，能精确体现骨料样本的尺寸。
[0072]
在本发明实施例中，如图2所示，步骤s52中，钢球的质量m的计算公式为：
[0073][0074]
其中，α表示纵轴方向相比横轴方向的轴长比例，ρ表示钢球的密度，λ表示钢球最
短轴长半径。
[0075]
在本发明实施例中，如图2所示，步骤s53中，根据质量修正系数k调整钢球渗透至新拌混凝土的初步深度h，质量修正系数k的计算公式为：
[0076][0077]
其中，ρ
n
表示钢球的密度，ρ
x
表示新拌混凝土的密度，β表示钢球竖轴方向相比横轴方向的轴长比例，n表示当前钢球的个数，n表示可放入钢球的个数；
[0078]
渗透深度h的计算公式为：h＝kh。
[0079]
在本发明中，修正渗透深度可保证接触应力的计算准确，避免出现个体差异的情况。
[0080]
在本发明实施例中，如图2所示，步骤s54中，钢球与新拌混凝土的接触面积a的计算公式为：
[0081][0082]
其中，m表示钢球质量，h表示渗透深度，χ表示新拌混凝土的裹浆厚度，α表示钢球纵轴方向相比横轴方向的轴长比例。
[0083]
在本发明实施例中，如图2所示，步骤s6中，接触应力p的计算公式为：
[0084][0085]
其中，f表示预应力，a表示接触面积。
[0086]
在本发明实施例中，采用水胶比为0.42的混凝土，在新拌混凝土中加入速凝剂，将其快速入模进行测试。将第一钢管6和力学传感器2连接好，力学传感器2采用bslm
‑
3型，量程为0
‑
50kg，精度为0.001kg。安装钢球1，采用直径为15mm的钢球1。在力学传感器2两侧对称放置第一lvdt4和第二lvdt5，lvdt量程为0
‑
40mm，精度为0.001mm，并在lvdt的末端分别放置钢板3，防止lvdt的针头接触到新拌混凝土表面，导致试验误差。试验中力的施加，根据杠杆原理采用人工加载，在荷载施加时采用缓慢均匀加载。
[0087]
采集力学传感器2记录的施加荷载以及第一lvdt4和第二lvdt5记录的渗透深度，算出任何时刻钢球与混凝土的接触面积，计算接触应力并绘制出接触应力与其渗透深度的曲线，如图3所示。由图可知，普通骨料喷射混凝土的接触应力约为2.0mpa。
[0088]
本发明的工作原理及过程为：钢球1用于模拟粗骨料；第二钢管7用于传导所施加的荷载；力学传感器2用于测试给混凝土所施加的荷载；第一lvdt4 和第二lvdt5均用于测量钢球1渗透至新拌混凝土的深度；最后利用力学传感器2所测得的载荷以及有深度有关的接触面积计算接触应力。
[0089]
本发明的有益效果为：
[0090]
(1)本发明的测试装置在lvdt的末端分别放置钢板，防止lvdt的针头接触到新拌混凝土表面，导致试验误差。同时，可测量骨料渗透到混凝土的深度，以便得出任何时刻骨料与混凝土的接触面积。其装置结果简单，使用方便。
[0091]
(2)本发明公开了一种测试方法，此方法可以测试新拌混凝土的接触应力，能够保证测试数据的准确性，填补了国内测试混凝土接触应力的空缺。
[0092]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。