混凝土開裂全過程仿真試驗機的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于水利水電工程技術領域，涉及一種基于真實環境的混凝土開裂全過程 試驗方法以及采用該方法的試驗機，更具體地，涉及大體積混凝土的開裂全過程仿真試驗 的裝置。
【背景技術】
[0002] 長期以來，"無壩不裂"一直是未能解決的世界難題，裂縫的出現影響著大壩結構 的外觀、性能和安全，最終影響到人民的生命財產。如何減小甚至防止裂縫的產生就成為工 程建設者必須考慮的問題。隨著相關領域理論及技術研究的進步，大壩混凝土裂縫的研究 工作取得了較明顯的進展，特別是大體積混凝土溫控防裂工作，目前已形成了相對完善的 基礎理論與方法體系。但鑒于水利水電工程的復雜性，特別是所在地區環境的惡劣性，大壩 混凝土裂縫問題仍然沒有徹底解決。
[0003] 導致混凝土產生裂縫的因素很多，結構、材料和施工因素均有可能成為裂縫出現 的誘因，但是對于大壩而言，特別是在大溫差高海拔地區修筑的大壩，周圍氣象環境逐漸成 為溫控防裂控制的重點因素。大氣環境不但把整個混凝土工程實時包圍著，而且大氣環境 的變化無常也對工程產生重要的影響，特別是周圍環境的溫度、濕度、降雨、風速和太陽輻 射等因素，嚴重影響著混凝土裂縫的產生，大氣環境影響因素對混凝土裂縫產生的影響規 律如何，其影響程度又有多大，目前還沒有定論。因此，研制基于真實環境的混凝土開裂全 過程試驗機和方法就成為大壩混凝土工程建設所需。
[0004] 另外，目前，現有技術中對于試件位移或變形測量上存在很多不足之處：
[0005] 1.多數測量裝置采用間接測量方式或應變片測量試件變形，其精度難于令人滿 Ο
[0006] 2.對于諸多試驗機，要對于試件在各種仿真環境中進行試驗，各種環境對于位移、 變形的測量精度帶來很大影響，使得測量精度不高。
[0007] 3.現有技術中，對混凝土材料開裂研究方面，目前多采用溫度應力試驗設備，無法 準確測量出早期混凝土開裂的變形量，分析和評價混凝土的開裂趨勢，未達到研究的理想 效果。
[0008] 4.現有的試件位移或變形測量裝置，限于各種位移變形傳感器的標距多在200mm 以下，對于長度在1米以上的試件，難于對試件的變形或位移給出精確合理的測量。
[0009] 再有，現有技術中的試驗機，試件加持部件為剛性部件，對中性差
【發明內容】
[0010] 本發明的目的在于改進現有混凝土溫度應力模擬和裂縫研究中的局限和不足，提 供一種從試驗角度出發，對混凝土的溫度和應力等因素在多變環境條件下的發展全過程進 行試驗的混凝土開裂全過程仿真試驗機。
[0011] 本發明的技術解決方案是：
[0012] 本發明提供的混凝土開裂全過程仿真試驗機，包括一底座，在該底座上設置有：
[0013] -環境箱，至少具有四壁和上蓋，形成一個封閉的空間，與周圍環境隔開；
[0014] -混凝土試件容置裝置，其設置在該環境箱中，其包括固定夾頭、活動夾頭、試件 中部固定側模板，三者拼合構成一個上端敞口或者上下端均敞口的混凝土試件容置空間， 所述固定夾頭固定設置在該環境箱中，所述活動夾頭可沿所述混凝土試件容置空間的長度 方向的軸線移動地設置，所述側模板置于固定夾頭和活動夾頭之間；
[0015] 在所述環境箱或者所述環境箱和混凝土試件容置空間設置溫度傳感器和濕度傳 感器；
[0016] -真實環境模擬系統，其至少包括一溫度調節裝置，其為加熱和/或降溫裝置，其 設置在所述環境箱和混凝土試件容置裝置上以提供至少在溫度上模擬設定的的真實環境；
[0017] 一加載系統，包括一反力框架、一傳動裝置和一帶有減速機的伺服電機，所述反力 框架設置在所述底座上，該傳動裝置包括一滾珠絲杠加載裝置，該加載裝置上連接絲杠作 直線運動的從動件連接約束軸，該約束軸通過所述環境箱的側壁進入環境箱與所述活動夾 頭連接而使得該活動夾頭位置固定或在所述軸線方向移動，該加載裝置中的主動件絲杠固 定在該反力框架上;所述伺服電機設置在所述反力框架上，連接所述絲杠;該伺服電機構成 加載執行機構，所述減速機為蝸輪減速機，所述約束軸采用因瓦鋼(殷鋼)制造；
[0018] 在所述活動夾頭或與活動夾頭連接的部件上設置位移/變形傳感器感知混凝土試 件的變形；
[0019]在所述珠絲杠加載裝置上設置應力傳感器感知試件承受的負荷。
[0020] 與所述試驗機相配地，還包括一計算機，該計算機通過數據線與一控制系統連接， 該控制系統包括:控制主試驗機真實環境模擬系統各執行機構動作的控制單元;和主試驗 機中控制混凝土試件加載系統中所述伺服電機動作的控制單元；
[0021] 所述計算機還通過數據線所述監測環境參數的溫度傳感器的信號輸出端；
[0022] 所述監測混凝土試件的位移/變形的位移/變形傳感器的信號輸出端；
[0023]所述監測試件應力的應力傳感器的信號輸出端相連；
[0024] 所述控制系統的控制信號輸出端與各執行機構的控制端相連。
[0025] 溫度控制單元接受計算機的指令，控制執行機構即加熱/冷卻裝置工作，使得混凝 土試件容置空間也可以包括環境箱的溫度符合設定的參數。
[0026] 位移/變形控制單元和加載控制單元一起控制執行機構即加載系統中的所述伺服 電機。
[0027]計算機中的數據處理系統計算出混凝土試件在所述模擬的真實環境中的包括約 束應力、自由變量、彈性模量、變形分離、徐變中至少一種結果并輸出。
[0028] 包括設置在環境箱內的巖石變形傳感器和設置在試件中的兩個預埋件，在預埋件 上設置石英測桿，該測桿一端與靠近固定夾頭一側的預埋件固定，另一端設置在靠近活動 夾頭一側的預埋件上且可相對該預埋件沿試件軸向滑動，所述石英測桿與巖石變形傳感器 對應，以通過巖石變形傳感器(巖石引伸計)測量石英測桿的位移，直接測量試件的變形量； 和/或，
[0029] 包括設置在所述環境箱外面的光柵傳感器和在試件中設置的預埋件上安裝的伸 出桿，在所述環境箱壁上開孔，該伸出桿伸出所述環境箱與安裝在環境箱外部的光柵傳感 器對應，以測量預埋件上的伸出桿的相對位移，測量試件變形量。
[0030]所述容置空間的橫截面形狀為:兩端是寬度較大長度較短的頭部，中間是寬度較 小長度較長的中間段，所述頭部和中間段通過錐段連接過渡;所述固定夾頭和活動夾頭與 試件中部固定側模板之間的拼接縫位于該容置空間的中間段范圍內。
[0031 ]所述的兩個預埋件最好是設置在相對于所述頭部的試件中。
[0032] 在每個預埋件上的伸出桿為兩根，橫向從環境箱的兩相對側壁上伸出，與設置在 環境箱外面的兩個光柵傳感器對應。以此，可以更精確地檢測試件的變形，消除測量誤差。
[0033] 為了固定位移/變形傳感器而在試件中設置的預埋件，其包括設置在試件混凝土 中的埋入部分、露出在混凝土試件表面的盤體和卡座，所述埋入部分為一板體，該板體的板 面垂直于所述混凝土試件容置空間的所述軸線，與埋入部分固連的盤體的盤面與所述埋入 部分的板體板面垂直，在該盤體上設置卡座與連接所述溫度傳感器的石英測桿的支撐桿構 成匹配卡固結構。
[0034]進一步地，所述試件容置固定裝置還可以包括一個上模板，其封閉所述混凝土試 件容置空間的所述上端敞口。
[0035] 所述側模板和所述活動夾頭和/或固定夾頭之間的接縫留有間隙，該間隙包括側 模板的端頭與所述活動夾頭之間的間隙，以保證試件在壓縮時側模板與活動夾頭不抵觸， 還包括側模板的側面與固定夾頭和活動夾頭之間的間隙。
[0036] 所述側模板可橫向移動地設置在該環境箱中。
[0037]在使用中，可以將混凝土直接澆注到所述混凝土試件容置空間中形成試件，也可 以將制成的與該試件容置空間形狀匹配的試件置于所述混凝土試件容置空間中。
[0038] 設置在所述環境箱中的所述氣溫控制系統中的加熱和/或冷卻裝置可以是設置在 所述環境箱的箱壁中或封閉的空間中，所述箱壁具有中空腔室，和/或，設置試件容置固定 裝置中的所述固定夾頭、活動夾頭和側模板至少其一具有中空腔室；
[0039] 各所述中空腔室設置進口和出口與所述加熱和/或降溫裝置的介質通道連通，所 述執行機構可以是在該加熱冷卻裝置的介質通道上設置的電加熱線圈或驅動加熱或降溫 的介質流動的輸送栗，用于在試驗中根據需要提供熱能或冷能。
[0040] 在本發明中，模擬真實環境系統中主要的氣溫控制系統，可以有兩部分，一部分是 在環境箱體上設置，另一部分在試件容置固定裝置上設置。在環境箱上設置，更多的是模擬 真實環境中的氣溫，而在試件容置固定裝置上設置，能在短時間內模擬出真實環境中例如 混凝土大壩的溫度。現有技術中的試驗機中都沒有如此全面的氣溫控制系統。
[0041] 在本發明中，能夠直接將混凝土直接澆注在試件容置固定裝置的混凝土試件容置 空間中，這樣，就可以在模擬的真實環境中測試混凝土從稀態到凝固再到硬化完整過程的 膨脹變形和應力的變化，這樣，對于例如大壩從澆筑、凝固到硬化過程的應力、應變在不同 環境條件下都可以進行測試，獲得全面的數據，為大壩的設計、施工提供寶貴的信息。現有 技術中的試驗機都沒有想到也做不到這種完整過程的測試。當然，本發明提供的試驗機中 的試件容置固定裝置也可以對已經制成的混凝土試件進行測試。
[0042] 所述約束軸與所述活動夾頭之間的連接結構為鉸接連接。由此，使得連接球鉸座 可在一定范圍內自由轉動，避免加載時對試件產生扭轉載荷，對偏心具有微調功能。
[0043]具體地，所述約束軸的端頭為球頭，所述活動夾頭上設置的球鉸座為兩半式結構。
[0044] 具體結構為:所述球鉸座包括前球座和后球座，所述前球座固定在所述固定夾頭 和活動夾頭的兩端面上，后球座通過預緊螺栓固定在前球座上，前球座和后球座構成容納 約束軸端部球頭的球面空間，且前、后球座配合平面處預留一定間隙，用于在安裝時可通過 調整預緊螺栓的預緊力大小，保證球頭與球座的連接球面沒有間隙，避免拉、壓加載切換時 產生空程影響。
[0045] 本發明提供的計算機控制系統基本上為現有技術，在其中實現如下功能：當由于 試件在模擬的真實環境中變形而推抵所述活動夾頭時，應力傳感器采集到應力，通過數據 處理系統和數據輸出系統的信號輸出端與動力裝置連接而啟動動力裝置驅動活動夾頭移 動直到應力傳感器上感測的應力降低到零，所述動力裝置停止。
[0046] 這樣的結構可以使得本試驗機實現自由變量等試驗。
[0047] 還有就是在自由變量之后，啟動動力裝置驅動活動夾頭移動而縮小變形量，由所 述位移傳感器獲得位移量，由所述應力傳感器獲得相應的應力值。
[0048] 所述真實環境模擬系統除了所述的氣溫調節裝置之外，還可以包括設置所述環境 箱中的至少一種調節裝置:濕度調節裝置、太陽輻射調節裝置、降雨調節裝置、風速調節裝 置，相應地，還包括如下傳感器中的至少一種:濕度傳感器、太陽輻射傳感器、降雨傳感器和 風速傳感器，其與所述計算機連接，所述控制系統連接的所述執行機構。
[0049] 具體地，可以在所述環境箱的箱壁上設孔，連接管路，該管路連接送氣、送汽、送風 和噴水裝置中的至少一種，相應地構成濕度調節裝置、降雨調節裝置和風速調節裝置;和/ 或，所述環境箱的箱壁上設孔，在孔中設置模擬太陽照射的燈具構成太陽輻射調節裝置。
[0050] 各個執行機構與所述控制系統關聯使得模擬出設定的真實環境。
[0051] 各個所述調節裝置還可以是自成體系，例如溫度調節裝置，包括加熱控制器、溫控 儀，其連接加熱元件和溫度傳感器而實現加熱功能。這樣，可以簡化控制系統的結構。
[0052]進一步地，所述框架為包括兩個橫梁和兩個立柱構成的矩形的框架，一個固定橫 梁固定在所述固定夾頭一側的所述底座上，兩個所述立柱平行地固連所述固定橫梁位于所 述環境箱兩側，一個微動橫梁設置在所述活動夾頭一側的所述底座上，與所述立柱連接，所 述動力裝置設置在該微動橫梁上，由此形成反力框架，所述直線運動機構穿過該微動橫梁 與活動夾頭連接，所述位移/變形傳感器和所述應力傳感器的支撐部分直接或間接地固定 在所述底座上。
[0053]本發明提供的框架，兩個橫梁一個固定在所述底座上形成固定橫梁，另一個只是 設置在所述底座上與該底座沒有固定結構形成微動橫梁，且加載系統設置在微動橫梁上。 [0054]這樣，當加載系統向試件施力時，框架會承受很大的應力且可能會有很小的變形， 但這種力和變形不會傳給底座。因此，位移傳感器和力傳感器的測量精度不受框架變形的 影響，保證很好的測量精度。
[0055] 所述約束軸可以用因瓦鋼4J36制造。
[0056]所述立柱的材料和截面尺寸為:保證其剛度為承受混凝土最大的強度應力的5-20 倍的力而不變形，或者剛度K大于等于2MN/mm;和/或，保證其溫度穩定性為在試驗的溫度范 圍（例如-20-80°C)內時其溫差變形小于10微米。
[0057]本發明提供的所述框架，采用立柱橫梁式，結構穩定，加之其中的立柱具有足夠的 剛度和溫差變形穩定性，可以很好地保證試驗的精度。
[0058] 進一步地，所述環境箱的所述箱蓋上設置視窗，使得試驗過程可視化。
[0059] 所述動力裝置選用伺服電機，連接蝸輪減速機傳動機構。這樣使控制精度、反饋速 度、效率大提高。
[0060] 在所述底座還設置一提升機構，在所述試件容置固定裝置中設置一個底板用于放 置試件或在其上澆注試件，該底板連接該提升機構，通過運行該提升機構，能夠將試件從混 凝土試件容置空間中移入或移出。
[0061 ]本發明提供的試驗機中還可以包括一輔助試驗機，該輔助試驗機包括一個試件容 置腔用于放置與所述主試驗機中試驗的試件相同的試件，該試件容置腔中設置所述溫度調 節裝置，或者設置所述溫度調節裝置以及如下調節裝置中的至少一種:濕度調節裝置、太陽 輻射調節裝置、降雨調節裝置和風速調節裝置;該試件容置腔中設置溫度傳感器，還設置如 下傳感器中的至少一種:濕度傳感器、太陽輻射傳感器、降雨傳感器和風速傳感器，各個所 述傳感器與所述計算機連接，該控制系統連接所述調節裝置而調節所述試件容置腔內環境 參數與所述主試驗環境箱相同；該試件容置腔中還設置位移/變形傳感器以感知試件的變 形。
[0062] 在輔助試驗機中設置的位移/變形傳感器可以與主試驗機中相同。
[0063] 所述控制系統還包括控制所述輔助試驗機中真實環境模擬系統各種所述執行機 構動作的控制單元。
[0064] 與主試驗機中一樣的試件放入試件容置腔內，使得試件可自由變形。輔助試驗機 中同樣環境中的試件，用于與主試驗機中的試件進行對比。輔助試驗機是在試件與機器底 板摩擦系數足夠小條件下，測量與主試驗機同溫度條件下輔試件的自由變形。同溫度條件 平行試驗機，使試驗數據具備完整性。
[0065]本發明提供的試驗機，主要用于混凝土裂縫機理和溫度應力試驗。可以進行多種 溫控措施條件下，混凝土從澆筑到硬化全過程中其自身溫度應力的發展過程的試驗，該過 程可包括絕熱溫升、熱膨脹系數、彈性模量和徐變等參數隨時間發展的過程;還可以模擬仿 真真實氣象環境，