专利名称：混凝土早期收缩应力测试仪的制作方法
技术领域：
本发明属于水泥混凝土早期性能测试仪器。
背景技术：
随着科学技术的发展，高性能混凝土逐渐代替普通混凝土已成为未来发展方向。高性能混凝土具有水胶比低、掺入大量高活性矿物掺合料等特点，因而它在初凝后便开始产生很大的自收缩，同时对水分散失引起的收缩更为敏感，加之其弹性模量高、徐变小等原因，更容易产生早期收缩开裂。早期收缩开裂的产生会引起混凝土结构耐久性能的极大降低，受到工程与科学界的关注。由于早期混凝土各项性能处于快速变化过程中，基于传统的收缩值及硬化后力学性能的测试来评价或预测早期开裂，以及设法通过优化结构形式以避免早期开裂的方法已不再适用。在约束条件下混凝土早期收缩、收缩应力、徐变等力学参数的测定能为深入理解早期开裂机理、为结构优化设计提供可靠理论依据与试验手段。国外部分研究机构已经初步开发出类似的试验设备，国内还没有关于此类设备的任何报道。这种设备的基本工作原理为棱柱状试件的一端通过夹具固定不动，另一端为可移动自由端，此自由端与测力传感器相连，其位移通过一个位移传感器来监测；当混凝土收缩时会带动自由端产生一位移量，当位移量达到设定的控制阀值时(如5μm)，转动螺杆通过一系列精密齿轮传动将自由端拉回到原始位置。这样在测力传感器中就会测到拉应力，即为收缩应力。它不但可以定量测出混凝土因收缩而产生的应力、应变，还能换算出混凝土早期弹性模量发展，以及早期徐变值，是一种值得推广的试验方法。但此类设备目前仍然存在一些不足之处1)从目前国内机械加工水平看，采用普通的螺栓、螺杆传动、组合齿轮减速系统，很难实现如此精细的微位移和提供很大的拉应力。2)试验时将试件拉回原始位置的过程中，由于试件断面处可能存在的收缩不均匀现象，导致试件受力偏心，过早破坏；3)试件及活动夹头在来回移动过程中受到底座磨擦阻力，产生一定误差；4)在如此大拉力(20000N)作用下，固定端采用任何钢材固定形式都会产生变形，导致测到的收缩应力值远低于真实值。

发明内容
针对现有的混凝土收缩应力仪存在的精度不高、试件易受力偏心而过早破坏、试件在移动过程中磨擦阻力大、测到的收缩应力值与真实值误差大的弊端，本发明提供一种可以解决上述问题的混凝土早期收缩应力测试仪，它包括由可移动端夹头1与固定端夹头2夹持的混凝土试件3，可移动端夹头1与拉力传感器4的一端相连，所述拉力传感器4的另一端通过弹性组件5与滚珠丝杠6的一端连接，滚珠丝杠6的另一端通过连轴器7与电机8相连接。本发明采用一种精密滚珠丝杠代替原来螺杆传动方式，用步进电机同轴联接对试件可移动端进行拉伸，从而提高了系统机械运行的稳定性和传动效率，保证了试件拉伸行程的准确性，同时大大降低了对步进电机功率的要求。利用组合弹性元件的可压缩性强、弹性随压缩量的大小变化的特点，利用压缩弹性体产生的弹力来带动试件的可移动端回复到原始位置，这样可以实现无减速箱变速处理的条件下，使本来所需很小量(几个微米)的拉伸位移通过弹性体放大几十倍以上，放宽了步进电机每次所需运转行程量。使电机与滚珠丝杠可以同步运行，消除了一般齿轮减速装置传动过程中可能引入的误差量，使系统的自动控制部分和电机精度要求不必太高，从而提高了此仪器的可操作性、传动精度和普遍推广的可能性。由于混凝土在凝结硬化过程中的弹性模量不断增长，每拉伸一次所需增加的拉力越来越大，因而采用了三个不同弹性模量弹性体组合而成的弹性元件组合，其产生单位变形所需的压力随着总压缩量不断增长。同时为了保证收缩应力仪有足够量程范围和仪器运行的平稳性，采用了相对于丝杠传动中心轴对称分布的四个弹性元件组。试件可移动端夹头安装在一种精度很高、承载力强、特殊合金材料制造的导轨上来回移动，大大减轻了仪器底座对移动端的磨擦阻力，避免了试件在拉伸过程出现偏向。本发明产品运行平稳、测量精度高，并可以提供很大的拉应力，操作简单，它能够准确、定量的测试出混凝土早期收缩开裂相关力学参数。


图1是本发明的整体结构示意图，图2是图1的A-A剖视图，图3是组合弹性体5-1的结构示意图，图4是试件可移动端与导轨的连接结构示意图。
具体实施例方式
一参照图1，本实施方式包括由可移动端夹头1与固定端夹头2夹持的混凝土试件3，可移动端夹头1与拉力传感器4的一端相连可移动端夹头1的一端和拉力传感器4的一端同时与第三板件13固接，拉力传感器4的另一端通过弹性组件5与滚珠丝杠6的一端连接，滚珠丝杠6的另一端通过连轴器7与电机8相连接。所述弹性组件5包括组合弹性体5-1、第一板件5-2、第二板件5-3和导向杆5-4，所述组合弹性体5-1的一端与第一板件5-2连接，组合弹性体5-1的另一端与导向杆5-4的一端连接，导向杆5-4纵向穿过组合弹性体5-1和第一板件5-2后与第二板件5-3连接，导向杆5-4的中间位置与第二板件5-3相固接，导向杆5-4的另一端头穿过第三板件13上的通孔从而形成导向作用。
参照图2、图3，组合弹性体5-1为四个且相对于滚珠丝杠6的中心轴对称分布，每个组合弹性体5-1都是由不同弹性模量的外弹簧5-1-1、中弹簧5-1-2、内弹簧5-1-3和分别安装在三个弹簧两端头的压板5-1-4和导向套5-1-5组成。外弹簧5-1-1、中弹簧5-1-2、内弹簧5-1-3的有效直径分别为70、45、25mm；有效圈数分别为5、10.5、19.25；总圈数分别为7、12.5、21.25；刚度分别12.09、4.28、2.02GPa。另外，要求弹性体的端部与压板5-1-4和导向套5-1-5并紧，四个组合弹性体的刚度最大误差不超过5％。
本发明的工作原理如下参照图1，混凝土试件3在凝结硬化过程中会产生体积收缩，从而带动可移动端夹头1向固定端移动，同时，混凝土在凝结硬化过程中收缩应力不断增长，最大可达2MPa以上，对于截面尺寸为76×76mm的试件来说，这时试件固定端所承受的拉力达1178.8kgf，在如此大的作用力下，任何固定方式的钢材都会产生变形从而发生偏移，如果不计算此偏移量，则测到的收缩应力值就会偏小。本发明采用在混凝土试件3的固定端与活动端处的仪器底座12上分别安装一个微位移传感器9进行监测其位移量，以此为依据对试件进行补偿拉伸的方法，从而可以消除这种误差，当两个位移量之和达到控制限值(2μm)时，步进电机8就会自行起动，将试件拉回到原始长度，这一过程由计算机自动控制；在试件拉回到原始长度后，拉力传感器4就会受力并记录下此拉力值，即为混凝土的收缩应力；随着收缩的进一步增大，试件两端又会被拉回，步进电机8又会按程序自行起动，拉力传感器4记录的拉力值会进一步增大；如此反复直至试件被拉断或至某一规定龄期，混凝土试件的收缩应力发展过程就会被完全测量出来。
其中步进电机8通过联轴器7与滚珠丝杠6直接相连接，滚珠丝杠6左端固定在固定立板14上不动，右端通过螺栓15与第一板件5-2相连，步进电机8的运转会直接带动滚珠丝杠6转动，从而使第一板件5-2向左移动；第一板件5-2向左移动将力施加到组合弹性体5-1上，组合弹性体5-1被压缩产生弹力通过导向杆5-4将第二板件5-3向左拉；拉力传感器4的左端通过螺栓与第二板件5-3相连，拉力传感器4的右端通过螺栓与第三板件13连接，而第三板件13与试件可移动端夹头1连接；因而第二板件5-3的移动通过拉力传感器4带动了可移动端夹头1移动将试件3拉回到原始长度；由于组合弹性体5-1的弹性模量较小，当电机8运转较大行程时其拉力才会拉动可移动端夹头1运行很小的距离，从而保证了试验控制精度和运行的平稳性。所述步进电机采用型号为130BYG350的三相混合式步进电机，步距角为0.6°/1.2°，最大静转矩为35N.m。
参照图4，混凝土试件3的可移动端夹头1的底部与滑块10固接，滑块10设置在导轨11上，所述导轨11通过底座12进行固定。试件可移动端夹头1通过螺栓16固定在四个滑块10上，两根导轨11固定在底座12上，这样试件可移动端夹头1通过滑块10在导轨11上移动，从而大大减小了摩擦阻力，也保证了试件在拉伸过程中受力均匀。
权利要求
1.一种混凝土早期收缩应力测试仪，它包括由可移动端夹头(1)与固定端夹头(2)夹持的混凝土试件(3)，可移动端夹头(1)与拉力传感器(4)的一端相连，其特征在于所述拉力传感器(4)的另一端通过弹性组件(5)与滚珠丝杠(6)的一端连接，滚珠丝杠(6)的另一端通过连轴器(7)与电机(8)相连接。
2.根据权利要求1所述的混凝土早期收缩应力测试仪，其特征在于所述弹性组件(5)包括组合弹性体(5-1)、第一板件(5-2)、第二板件(5-3)和导向杆(5-4)，所述组合弹性体(5-1)的一端与第一板件(5-2)连接，组合弹性体(5-1)的另一端与导向杆(5-4)的一端连接，导向杆(5-4)纵向穿过组合弹性体(5-1)和第一板件(5-2)后与第二板件(5-3)连接。
3.根据权利要求2所述的混凝土早期收缩应力测试仪，其特征在于所述组合弹性体(5-1)为四个且相对于滚珠丝杠(6)的中心轴对称分布。
4.根据权利要求2所述的混凝土早期收缩应力测试仪，其特征在于所述组合弹性体(5-1)是由不同弹性模量的外弹簧(5-1-1)、中弹簧(5-1-2)、内弹簧(5-1-3)和分别安装在三个弹簧两端头的压板(5-1-4)和导向套(5-1-5)组成。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的混凝土早期收缩应力测试仪，其特征在于在混凝土试件(3)的固定端与活动端处的仪器底座(12)上分别安装一个微位移传感器(9)。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的混凝土早期收缩应力测试仪，其特征在于所述混凝土试件(3)的可移动端夹头(1)的底部与滑块(10)固接，滑块(10)设置在导轨(11)上，所述导轨(11)通过底座(12)进行固定。
全文摘要
混凝土早期收缩应力测试仪，它属于水泥混凝土早期性能测试仪器。现有测试仪存在测量精度不高、磨擦阻力大、误差大等弊端。本发明的测试仪包括由可移动端夹头(1)与固定端夹头(2)夹持的混凝土试件(3)，可移动端夹头(1)与拉力传感器(4)的一端相连，拉力传感器(4)的另一端通过弹性组件(5)与滚珠丝杠(6)的一端连接，滚珠丝杠(6)的另一端通过连轴器(7)与电机(8)相连。本发明产品运行平稳、测量精度高，并可以提供很大的拉应力，操作简单，它能够准确、定量的测试出混凝土早期收缩开裂相关力学参数。
文档编号G01N3/08GK1558201SQ20041001353
公开日2004年12月29日 申请日期2004年1月19日 优先权日2004年1月19日
发明者巴恒静, 高小建 申请人:哈尔滨工业大学