專利名稱：混凝土早期收縮應(yīng)力測(cè)試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水泥混凝土早期性能測(cè)試儀器。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高性能混凝土逐漸代替普通混凝土已成為未來(lái)發(fā)展方向。高性能混凝土具有水膠比低、摻入大量高活性礦物摻合料等特點(diǎn)，因而它在初凝后便開(kāi)始產(chǎn)生很大的自收縮，同時(shí)對(duì)水分散失引起的收縮更為敏感，加之其彈性模量高、徐變小等原因，更容易產(chǎn)生早期收縮開(kāi)裂。早期收縮開(kāi)裂的產(chǎn)生會(huì)引起混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的極大降低，受到工程與科學(xué)界的關(guān)注。由于早期混凝土各項(xiàng)性能處于快速變化過(guò)程中，基于傳統(tǒng)的收縮值及硬化后力學(xué)性能的測(cè)試來(lái)評(píng)價(jià)或預(yù)測(cè)早期開(kāi)裂，以及設(shè)法通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式以避免早期開(kāi)裂的方法已不再適用。在約束條件下混凝土早期收縮、收縮應(yīng)力、徐變等力學(xué)參數(shù)的測(cè)定能為深入理解早期開(kāi)裂機(jī)理、為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠理論依據(jù)與試驗(yàn)手段。國(guó)外部分研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)初步開(kāi)發(fā)出類似的試驗(yàn)設(shè)備，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有關(guān)于此類設(shè)備的任何報(bào)道。這種設(shè)備的基本工作原理為棱柱狀試件的一端通過(guò)夾具固定不動(dòng)，另一端為可移動(dòng)自由端，此自由端與測(cè)力傳感器相連，其位移通過(guò)一個(gè)位移傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)；當(dāng)混凝土收縮時(shí)會(huì)帶動(dòng)自由端產(chǎn)生一位移量，當(dāng)位移量達(dá)到設(shè)定的控制閥值時(shí)(如5μm)，轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿通過(guò)一系列精密齒輪傳動(dòng)將自由端拉回到原始位置。這樣在測(cè)力傳感器中就會(huì)測(cè)到拉應(yīng)力，即為收縮應(yīng)力。它不但可以定量測(cè)出混凝土因收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變，還能換算出混凝土早期彈性模量發(fā)展，以及早期徐變值，是一種值得推廣的試驗(yàn)方法。但此類設(shè)備目前仍然存在一些不足之處1)從目前國(guó)內(nèi)機(jī)械加工水平看，采用普通的螺栓、螺桿傳動(dòng)、組合齒輪減速系統(tǒng)，很難實(shí)現(xiàn)如此精細(xì)的微位移和提供很大的拉應(yīng)力。2)試驗(yàn)時(shí)將試件拉回原始位置的過(guò)程中，由于試件斷面處可能存在的收縮不均勻現(xiàn)象，導(dǎo)致試件受力偏心，過(guò)早破壞；3)試件及活動(dòng)夾頭在來(lái)回移動(dòng)過(guò)程中受到底座磨擦阻力，產(chǎn)生一定誤差；4)在如此大拉力(20000N)作用下，固定端采用任何鋼材固定形式都會(huì)產(chǎn)生變形，導(dǎo)致測(cè)到的收縮應(yīng)力值遠(yuǎn)低于真實(shí)值。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有的混凝土收縮應(yīng)力儀存在的精度不高、試件易受力偏心而過(guò)早破壞、試件在移動(dòng)過(guò)程中磨擦阻力大、測(cè)到的收縮應(yīng)力值與真實(shí)值誤差大的弊端，本發(fā)明提供一種可以解決上述問(wèn)題的混凝土早期收縮應(yīng)力測(cè)試儀，它包括由可移動(dòng)端夾頭1與固定端夾頭2夾持的混凝土試件3，可移動(dòng)端夾頭1與拉力傳感器4的一端相連，所述拉力傳感器4的另一端通過(guò)彈性組件5與滾珠絲杠6的一端連接，滾珠絲杠6的另一端通過(guò)連軸器7與電機(jī)8相連接。本發(fā)明采用一種精密滾珠絲杠代替原來(lái)螺桿傳動(dòng)方式，用步進(jìn)電機(jī)同軸聯(lián)接對(duì)試件可移動(dòng)端進(jìn)行拉伸，從而提高了系統(tǒng)機(jī)械運(yùn)行的穩(wěn)定性和傳動(dòng)效率，保證了試件拉伸行程的準(zhǔn)確性，同時(shí)大大降低了對(duì)步進(jìn)電機(jī)功率的要求。利用組合彈性元件的可壓縮性強(qiáng)、彈性隨壓縮量的大小變化的特點(diǎn)，利用壓縮彈性體產(chǎn)生的彈力來(lái)帶動(dòng)試件的可移動(dòng)端回復(fù)到原始位置，這樣可以實(shí)現(xiàn)無(wú)減速箱變速處理的條件下，使本來(lái)所需很小量(幾個(gè)微米)的拉伸位移通過(guò)彈性體放大幾十倍以上，放寬了步進(jìn)電機(jī)每次所需運(yùn)轉(zhuǎn)行程量。使電機(jī)與滾珠絲杠可以同步運(yùn)行，消除了一般齒輪減速裝置傳動(dòng)過(guò)程中可能引入的誤差量，使系統(tǒng)的自動(dòng)控制部分和電機(jī)精度要求不必太高，從而提高了此儀器的可操作性、傳動(dòng)精度和普遍推廣的可能性。由于混凝土在凝結(jié)硬化過(guò)程中的彈性模量不斷增長(zhǎng)，每拉伸一次所需增加的拉力越來(lái)越大，因而采用了三個(gè)不同彈性模量彈性體組合而成的彈性元件組合，其產(chǎn)生單位變形所需的壓力隨著總壓縮量不斷增長(zhǎng)。同時(shí)為了保證收縮應(yīng)力儀有足夠量程范圍和儀器運(yùn)行的平穩(wěn)性，采用了相對(duì)于絲杠傳動(dòng)中心軸對(duì)稱分布的四個(gè)彈性元件組。試件可移動(dòng)端夾頭安裝在一種精度很高、承載力強(qiáng)、特殊合金材料制造的導(dǎo)軌上來(lái)回移動(dòng)，大大減輕了儀器底座對(duì)移動(dòng)端的磨擦阻力，避免了試件在拉伸過(guò)程出現(xiàn)偏向。本發(fā)明產(chǎn)品運(yùn)行平穩(wěn)、測(cè)量精度高，并可以提供很大的拉應(yīng)力，操作簡(jiǎn)單，它能夠準(zhǔn)確、定量的測(cè)試出混凝土早期收縮開(kāi)裂相關(guān)力學(xué)參數(shù)。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是圖1的A-A剖視圖，圖3是組合彈性體5-1的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是試件可移動(dòng)端與導(dǎo)軌的連接結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
一參照?qǐng)D1，本實(shí)施方式包括由可移動(dòng)端夾頭1與固定端夾頭2夾持的混凝土試件3，可移動(dòng)端夾頭1與拉力傳感器4的一端相連可移動(dòng)端夾頭1的一端和拉力傳感器4的一端同時(shí)與第三板件13固接，拉力傳感器4的另一端通過(guò)彈性組件5與滾珠絲杠6的一端連接，滾珠絲杠6的另一端通過(guò)連軸器7與電機(jī)8相連接。所述彈性組件5包括組合彈性體5-1、第一板件5-2、第二板件5-3和導(dǎo)向桿5-4，所述組合彈性體5-1的一端與第一板件5-2連接，組合彈性體5-1的另一端與導(dǎo)向桿5-4的一端連接，導(dǎo)向桿5-4縱向穿過(guò)組合彈性體5-1和第一板件5-2后與第二板件5-3連接，導(dǎo)向桿5-4的中間位置與第二板件5-3相固接，導(dǎo)向桿5-4的另一端頭穿過(guò)第三板件13上的通孔從而形成導(dǎo)向作用。
參照?qǐng)D2、圖3，組合彈性體5-1為四個(gè)且相對(duì)于滾珠絲杠6的中心軸對(duì)稱分布，每個(gè)組合彈性體5-1都是由不同彈性模量的外彈簧5-1-1、中彈簧5-1-2、內(nèi)彈簧5-1-3和分別安裝在三個(gè)彈簧兩端頭的壓板5-1-4和導(dǎo)向套5-1-5組成。外彈簧5-1-1、中彈簧5-1-2、內(nèi)彈簧5-1-3的有效直徑分別為70、45、25mm；有效圈數(shù)分別為5、10.5、19.25；總?cè)?shù)分別為7、12.5、21.25；剛度分別12.09、4.28、2.02GPa。另外，要求彈性體的端部與壓板5-1-4和導(dǎo)向套5-1-5并緊，四個(gè)組合彈性體的剛度最大誤差不超過(guò)5％。
本發(fā)明的工作原理如下參照?qǐng)D1，混凝土試件3在凝結(jié)硬化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生體積收縮，從而帶動(dòng)可移動(dòng)端夾頭1向固定端移動(dòng)，同時(shí)，混凝土在凝結(jié)硬化過(guò)程中收縮應(yīng)力不斷增長(zhǎng)，最大可達(dá)2MPa以上，對(duì)于截面尺寸為76×76mm的試件來(lái)說(shuō)，這時(shí)試件固定端所承受的拉力達(dá)1178.8kgf，在如此大的作用力下，任何固定方式的鋼材都會(huì)產(chǎn)生變形從而發(fā)生偏移，如果不計(jì)算此偏移量，則測(cè)到的收縮應(yīng)力值就會(huì)偏小。本發(fā)明采用在混凝土試件3的固定端與活動(dòng)端處的儀器底座12上分別安裝一個(gè)微位移傳感器9進(jìn)行監(jiān)測(cè)其位移量，以此為依據(jù)對(duì)試件進(jìn)行補(bǔ)償拉伸的方法，從而可以消除這種誤差，當(dāng)兩個(gè)位移量之和達(dá)到控制限值(2μm)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)8就會(huì)自行起動(dòng)，將試件拉回到原始長(zhǎng)度，這一過(guò)程由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制；在試件拉回到原始長(zhǎng)度后，拉力傳感器4就會(huì)受力并記錄下此拉力值，即為混凝土的收縮應(yīng)力；隨著收縮的進(jìn)一步增大，試件兩端又會(huì)被拉回，步進(jìn)電機(jī)8又會(huì)按程序自行起動(dòng)，拉力傳感器4記錄的拉力值會(huì)進(jìn)一步增大；如此反復(fù)直至試件被拉斷或至某一規(guī)定齡期，混凝土試件的收縮應(yīng)力發(fā)展過(guò)程就會(huì)被完全測(cè)量出來(lái)。
其中步進(jìn)電機(jī)8通過(guò)聯(lián)軸器7與滾珠絲杠6直接相連接，滾珠絲杠6左端固定在固定立板14上不動(dòng)，右端通過(guò)螺栓15與第一板件5-2相連，步進(jìn)電機(jī)8的運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)直接帶動(dòng)滾珠絲杠6轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使第一板件5-2向左移動(dòng)；第一板件5-2向左移動(dòng)將力施加到組合彈性體5-1上，組合彈性體5-1被壓縮產(chǎn)生彈力通過(guò)導(dǎo)向桿5-4將第二板件5-3向左拉；拉力傳感器4的左端通過(guò)螺栓與第二板件5-3相連，拉力傳感器4的右端通過(guò)螺栓與第三板件13連接，而第三板件13與試件可移動(dòng)端夾頭1連接；因而第二板件5-3的移動(dòng)通過(guò)拉力傳感器4帶動(dòng)了可移動(dòng)端夾頭1移動(dòng)將試件3拉回到原始長(zhǎng)度；由于組合彈性體5-1的彈性模量較小，當(dāng)電機(jī)8運(yùn)轉(zhuǎn)較大行程時(shí)其拉力才會(huì)拉動(dòng)可移動(dòng)端夾頭1運(yùn)行很小的距離，從而保證了試驗(yàn)控制精度和運(yùn)行的平穩(wěn)性。所述步進(jìn)電機(jī)采用型號(hào)為130BYG350的三相混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角為0.6°/1.2°，最大靜轉(zhuǎn)矩為35N.m。
參照?qǐng)D4，混凝土試件3的可移動(dòng)端夾頭1的底部與滑塊10固接，滑塊10設(shè)置在導(dǎo)軌11上，所述導(dǎo)軌11通過(guò)底座12進(jìn)行固定。試件可移動(dòng)端夾頭1通過(guò)螺栓16固定在四個(gè)滑塊10上，兩根導(dǎo)軌11固定在底座12上，這樣試件可移動(dòng)端夾頭1通過(guò)滑塊10在導(dǎo)軌11上移動(dòng)，從而大大減小了摩擦阻力，也保證了試件在拉伸過(guò)程中受力均勻。
權(quán)利要求
1.一種混凝土早期收縮應(yīng)力測(cè)試儀，它包括由可移動(dòng)端夾頭(1)與固定端夾頭(2)夾持的混凝土試件(3)，可移動(dòng)端夾頭(1)與拉力傳感器(4)的一端相連，其特征在于所述拉力傳感器(4)的另一端通過(guò)彈性組件(5)與滾珠絲杠(6)的一端連接，滾珠絲杠(6)的另一端通過(guò)連軸器(7)與電機(jī)(8)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混凝土早期收縮應(yīng)力測(cè)試儀，其特征在于所述彈性組件(5)包括組合彈性體(5-1)、第一板件(5-2)、第二板件(5-3)和導(dǎo)向桿(5-4)，所述組合彈性體(5-1)的一端與第一板件(5-2)連接，組合彈性體(5-1)的另一端與導(dǎo)向桿(5-4)的一端連接，導(dǎo)向桿(5-4)縱向穿過(guò)組合彈性體(5-1)和第一板件(5-2)后與第二板件(5-3)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的混凝土早期收縮應(yīng)力測(cè)試儀，其特征在于所述組合彈性體(5-1)為四個(gè)且相對(duì)于滾珠絲杠(6)的中心軸對(duì)稱分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的混凝土早期收縮應(yīng)力測(cè)試儀，其特征在于所述組合彈性體(5-1)是由不同彈性模量的外彈簧(5-1-1)、中彈簧(5-1-2)、內(nèi)彈簧(5-1-3)和分別安裝在三個(gè)彈簧兩端頭的壓板(5-1-4)和導(dǎo)向套(5-1-5)組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的混凝土早期收縮應(yīng)力測(cè)試儀，其特征在于在混凝土試件(3)的固定端與活動(dòng)端處的儀器底座(12)上分別安裝一個(gè)微位移傳感器(9)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的混凝土早期收縮應(yīng)力測(cè)試儀，其特征在于所述混凝土試件(3)的可移動(dòng)端夾頭(1)的底部與滑塊(10)固接，滑塊(10)設(shè)置在導(dǎo)軌(11)上，所述導(dǎo)軌(11)通過(guò)底座(12)進(jìn)行固定。
全文摘要
混凝土早期收縮應(yīng)力測(cè)試儀，它屬于水泥混凝土早期性能測(cè)試儀器?，F(xiàn)有測(cè)試儀存在測(cè)量精度不高、磨擦阻力大、誤差大等弊端。本發(fā)明的測(cè)試儀包括由可移動(dòng)端夾頭(1)與固定端夾頭(2)夾持的混凝土試件(3)，可移動(dòng)端夾頭(1)與拉力傳感器(4)的一端相連，拉力傳感器(4)的另一端通過(guò)彈性組件(5)與滾珠絲杠(6)的一端連接，滾珠絲杠(6)的另一端通過(guò)連軸器(7)與電機(jī)(8)相連。本發(fā)明產(chǎn)品運(yùn)行平穩(wěn)、測(cè)量精度高，并可以提供很大的拉應(yīng)力，操作簡(jiǎn)單，它能夠準(zhǔn)確、定量的測(cè)試出混凝土早期收縮開(kāi)裂相關(guān)力學(xué)參數(shù)。
文檔編號(hào)G01N3/08GK1558201SQ20041001353
公開(kāi)日2004年12月29日 申請(qǐng)日期2004年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月19日
發(fā)明者巴恒靜, 高小建 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)