一种混凝土试验装置及试验方法

1.本发明涉及混凝土测试技术领域，尤其涉及一种低速冲击疲劳荷载与冻融耦合的混凝土试验装置及试验方法。


背景技术：

2.我国受冻融作用的面积约占国土陆地总面积的98％，其中多年冻土的面积约占22％，其他为季节冻融作用区。大多数冻融作用区的混凝土构件都承受着荷载和冻融循环的双重作用，导致混凝土构件加速破坏。随着高寒地区铁路基础设施如哈大铁路、京张高铁、川藏铁路等的建设与发展，混凝土结构损伤劣化现象变得尤为突出。混凝土结构在高铁列车动态荷载的作用下过早出现损伤，同时，因冰雪、冻融等环境作用，加速了混凝土结构的剥蚀和开裂，出现大大小小裂缝或缺陷，严重降低了混凝土结构的使用寿命，制约了基础设施建设，危害了经济的高速、稳定和可持续发展。因此，荷载-冻融耦合环境作用对混凝土耐久性的影响已成为领域研究热点。
3.当前的混凝土荷载-冻融耦合作用装置主要为静荷载与冻融的耦合，即将静力加载装置放入冻融试验箱内进行试验，从而实现静力载荷与冻融循环的耦合。常用的静力加载装置加载方式主要有弹簧式加载、千斤顶式加载、杠杆式加载和配重式加载等，这些加载方式在试验过程中若没有应力补偿措施，则会导致应力的损失。此外，混凝土结构在交通基础设施中承受大量冲击疲劳载荷，而静力加载装置无法模拟动态荷载作用，至今，未见有关模拟低速冲击疲劳载荷与冻融耦合作用的试验装置。
4.目前，针对铁路轨道结构或铁路路基的振动试验多采用足尺模型，通过大型的反力架、作用器及分配梁等构成力架，采用mts伺服加载器来模拟动态荷载。这类振动试验装置占地面积大，造价昂贵，维护困难，试验成本高，不适用于专项针对轨道部件材料的振动试验；小型疲劳试验机多采用液压伺服或偏心轮联杆作为加载器，其结构复杂，难以实现冲击荷载，且其无法长时间持续工作。我国高速列车运行频率高，轨道维护窗口时间短，为使模拟更加真实，疲劳机必须长时间持续工作。
5.现有混凝土荷载-冻融耦合作用装置主要集中于静态荷载与冻融循环，静力加载装置在试验过程中将会产生应力损失，与工程实际不符。此外，混凝土结构在交通基础设施中主要承受冲击疲劳荷载，而非静态荷载。因此，静态载荷-冻融耦合装置无法模拟混凝土结构在交通基础设施中的真实环境，尤其是铁路基础设施环境，不具有参考性。而模拟铁路路基振动试验的装置多为足尺模型，占地面积大，造价高，不适用于针对轨道部件材料的试验，小型疲劳试验机结构复杂，难以实现冲击荷载，且无法长时间持续工作。
6.传统的混凝土冻融损伤表征指标为质量损失率、抗压强度损失率和相对动态弹性模量，但这些指标均为宏观层面上的表征，且只有当混凝土内部损伤累积达到一定程度后才会引起上述指标的变化。而耦合作用下混凝土的内部微观结构变化将远远大于单独冻融循环作用下的混凝土，因而传统指标在表征耦合作用下混凝土损伤时存在滞后效应，无法迅速察觉混凝土内部损伤。


技术实现要素：

7.本发明提供了一种混凝土试验装置，包括底座、可调频电机、凸轮轴、顶杆、载荷板、冻融箱和加载头；
8.所述可调频电机的固定端安装于底座上，可调频电机的驱动端与凸轮轴相连，以驱动凸轮轴进行旋转；
9.所述凸轮轴设置为阶梯式凸轮结构；
10.所述顶杆的一端与凸轮轴采用接触式连接，顶杆的另一端沿高度方向向上自由延伸设置；
11.所述载荷板与顶杆固连，随顶杆沿高度方向往复运动；
12.所述加载头的一端与载荷板进行固连，加载头的另一端沿高度方向向下自由延伸设置；
13.所述冻融箱固定安装于底座上且设置于加载头的正下方，且冻融箱内设有用于放置混凝土试块的腔室。
14.可选的，在冻融箱的腔室内设用于对混凝土试块进行限位固定的卡槽。
15.可选的，在冻融箱还设有用于盛装防冻液的冻融容器以及用于对冻融箱的温度进行实时监测的温度传感器；
16.在冻融容器上还设有出液口，冻融容器通过出液口与冻融箱的腔室相互连通；防冻液通过循环泵泵入冻融容器内，待防冻液的液面抬升到出液口的位置时，防冻液从出液口循环回冻融箱的腔室内。
17.可选的，所述冻融箱采用胶木板制作而成，且在冻融箱的内外表面还设有依次设有采用优质铁板静电喷涂制成的喷涂层以及采用聚氨酯泡沫塑料整体发泡制成的保温层。
18.除上述结构外，该混凝土试验装置还包括支架、顶板、升降结构；
19.所述支架设有分别设置于顶杆两侧的两件，两件支架的一端均与底座固连，两件支架的另一端均沿高度方向向上自由延伸设置；
20.所述顶板同时与两件支架远离底座的一端固连；
21.所述升降结构包括升降驱动件、齿轮和齿条，所述升降驱动件与齿轮相连，所述齿轮与齿条啮合连接，所述齿条沿高度方向设置并与载荷板相连；升降驱动件带动齿轮进行旋转，齿条通过与齿轮的啮合沿高度方向进行位移。
22.可选的，在顶板上还设有位移传感器，通过位移传感器对往复运动行程进行监测。
23.可选的，所述位移传感器设置为电涡流式位移传感器。
24.可选的，该混凝土试验装置还包括计数器和数据记录仪，所述计数器为计数传感器，用于任意设定所需循环次数并对载荷板往复运动的次数进行检测与显示；所述数据记录仪与计数器采用电连接，用于对载荷板的往复运动次数进行记录。
25.可选的，该混凝土试验装置应用于同时对混凝土试块的低速冲击疲劳荷载测试和冻融循环测试；
26.或者是，该混凝土试验装置应用于对混凝土试块的低速冲击疲劳荷载测试和对混凝土试块的冻融循环测试的替换测试。
27.本发明还提供了一种应用如上述所述的混凝土试验装置对混凝土试验方法，包括以下步骤：
28.步骤一、准备工作：对混凝土试块进行养护，得到养护完成后的饱和混凝土试块，并将饱和混凝土试块先后用保鲜膜及透明胶带密封，以防止防冻液进入混凝土试块中；
29.步骤二、将混凝土试块置于冻融箱内，开启温度控制系统，采用温度传感器对冻融箱内试样温度进行测量，待温度降至所需温度后开启可调频电机，以使可调频电机驱动凸轮轴进行旋转从而带动载荷板沿高度方向进行往复运动，最终使冲击头在冻融箱内进行往复冲击运动，此时冲击疲劳荷载与冻融同时作用于混凝土试块，混凝土试块同时承受温度应力及冲击应力；
30.步骤三、将经过耦合作用的混凝土试块取出进行交流阻抗测试，获取交流阻抗谱参数r
ccp
和r
cp
：
31.r
ccp
＝r0+r132.r
cp
＝(r0+r1)r0/r133.其中：r
ccp
为混凝土内连通孔隙的总电阻值，r
cp
为混凝土内非连通孔的总电阻值，r0和r1均可从交流阻抗谱中获得；
34.步骤四、基于交流阻抗参数与质量损失率、相对动态弹性模量的函数关系为：y＝ax3+bx2+cx+d；
35.其中：y为质量损失率或相对动态弹性模量，x为交流阻抗参数r
ccp
和r
cp
，a、b、c、d分别为统计参数；
36.步骤五、采用交流阻抗参数表征耦合作用下的混凝土损伤。
37.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
38.(1)本发明所提供的混凝土试验装置，通过采用以重力冲击为基础设计的低速冲击疲劳荷载对混凝土试块进行试验，可实现对混凝土试块在承受温度升高或降低的同时承受冲击荷载，实现真正的耦合；也可实现对混凝土试块单独承受温度变化或单独承受冲击荷载的试验以及对混凝土试块单独承受温度变化和单独承受冲击荷载两者交替进行的试验。
39.(2)本发明所提供的混凝土试验方法，通过基于混凝土试块损伤表征的传统指标(质量损失率、相对动态弹性模量)与交流阻抗参数(rccp或rcp)间所存在的三阶幂函数关系，建立起了耦合作用下混凝土损伤宏观与微观相结合的表征。使其与现有技术中的静载-冻融耦合试验设备相比，本发明可更真实地模拟寒冷地区混凝土结构在高铁列车作用下的服役环境，且占地面积小，造价低，不存在应力损失，可长时间持续工作，实现了混凝土损伤的宏观与微观相结合的表征。
40.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
41.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
42.图1是本实施例中一种混凝土试验装置的结构示意图；
43.图2是本实施例中交流阻抗谱示意图。
具体实施方式
44.以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
45.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本发明的技术领域技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
46.本实施例：
47.参见图1所示，本发明所提供的一种混凝土试验装置，具体涉及一种低速冲击疲劳荷载与冻融耦合的混凝土试验装置，该混凝土试验装置包括底座1、可调频电机2、凸轮轴3、顶杆4、载荷板5、冻融箱6和加载头8；
48.所述可调频电机2的固定端安装于底座1上，可调频电机2的驱动端与凸轮轴3相连，以驱动凸轮轴3进行旋转；
49.所述凸轮轴3优选设置为阶梯式凸轮结构；
50.所述顶杆4的一端与凸轮轴3采用接触式连接，顶杆4的另一端沿高度方向向上自由延伸设置；
51.所述载荷板5与顶杆4固连，随顶杆4沿高度方向往复运动；
52.所述加载头8的一端与载荷板5进行固连，加载头8的另一端沿高度方向向下自由延伸设置；
53.所述冻融箱6固定安装于底座1上且设置于加载头8的正下方，且冻融箱6内设有用于放置混凝土试块的腔室。此处优选：在冻融箱6的腔室内设用于对混凝土试块进行限位固定的卡槽，以使置于冻融箱6内混凝土试块在受到冻融循环作用的同时可受到冲击疲劳荷载的作用。
54.可调频电机2驱动凸轮轴3进行旋转，顶杆4随着凸轮轴3的旋转沿高度方向进行位移，当顶杆4越过凸轮轴3的阶梯顶端时，顶杆4带动载荷板5、加载头8沿高度方向做自由落体运动，从而通过加载头8对固定安装于冻融箱6内的混凝土试块表面水膜产生冲击荷载；同时凸轮轴3的表面与顶杆4再次相接触，带动载荷板5匀速上升，从而实现一次往复循环。
55.可选的，在冻融箱6还设有用于盛装防冻液的冻融容器以及用于对冻融箱6的温度进行实时监测的温度传感器10；在冻融容器上还设有出液口，冻融容器通过出液口与冻融箱6的腔室相互连通；防冻液通过循环泵泵入冻融容器内，待防冻液的液面抬升到出液口的位置时，防冻液从出液口循环回冻融箱6的腔室内。此处优选：所述冻融箱6采用胶木板制作而成，且在冻融箱6的内外表面还设有依次设有采用优质铁板静电喷涂制成的喷涂层以及采用聚氨酯泡沫塑料整体发泡制成的保温层；所述防冻液优选采用-45℃防冻液；所述冻融箱6内的温控范围可达到-40℃至+100℃，控温精度达到0.1℃。
56.可选的，为便于对混凝土试块的放置或取出，该混凝土试验装置还包括支架9、顶板12、升降结构7；所述支架9优选设有分别设置于顶杆4两侧的两件，两件支架9的一端均与底座1固连，两件支架9的另一端均沿高度方向向上自由延伸设置；所述顶板12同时与两件支架9远离底座1的一端固连；所述升降结构7包括升降驱动件、齿轮和齿条，所述升降驱动件与齿轮相连，所述齿轮与齿条啮合连接，所述齿条沿高度方向设置并与载荷板5相连；升降驱动件带动齿轮进行旋转，齿条通过与齿轮的啮合沿高度方向进行位移，从而实现对载
荷板5与冻融箱6之间高度方向的间距进行调节，以便于将试样放置于冻融箱6内或从冻融箱6内取出混凝土试块。
57.可选的，为便于对往复运动行程的监测，在顶板12上还设有位移传感器11，通过位移传感器11对往复运动行程进行监测。
58.可选的，为实现对冲击疲劳荷载大小的调节，在载荷板5的一端还设有调节块，所述调节块优选设置为砝码结构，通过对调节块的重量大小的调节从而实现对冲击疲劳荷载大小的调节。
59.可选的，所述载荷板5的自重优选设置为200kg。
60.可选的，为实现对载荷板5的往复循环次数的统计，该混凝土试验装置还包括计数器和数据记录仪，所述计数器为计数传感器，且计数器安装于支架9上，用于任意设定所需循环次数并对载荷板5往复运动的次数进行检测与显示；所述数据记录仪与计数器采用电连接，用于对载荷板5的往复运动次数进行记录。此处优选：所述数据记录仪优选设置为液晶显示无纸记录仪。
61.作为本发明的进一步实施例，应用该混凝土试验装置可同时实现对混凝土试块的低速冲击疲劳荷载测试和冻融循环测试或实现对混凝土试块的低速冲击疲劳荷载测试和对混凝土试块的冻融循环测试的循环替换测试。
62.本发明还提供了一种混凝土的试验方法，具体过程如下：
63.步骤一、准备工作：对混凝土试块进行养护，得到养护完成后的饱和混凝土试块，并将饱和混凝土试块先后用保鲜膜及透明胶带密封，以防止防冻液进入混凝土试块中；
64.步骤二、将混凝土试块置于冻融箱内，开启温度控制系统，采用温度传感器对冻融箱内试样温度进行测量，待温度降至所需温度后开启可调频电机，以使可调频电机驱动凸轮轴进行旋转从而带动载荷板沿高度方向进行往复运动，最终使冲击头在冻融箱内进行往复冲击运动，此时冲击疲劳荷载与冻融同时作用于混凝土试块，混凝土试块同时承受温度应力及冲击应力；
65.步骤三、将经过耦合作用的混凝土试块取出进行交流阻抗测试，获取交流阻抗谱参数r
ccp
和r
cp
：
66.r
ccp
＝r0+r167.r
cp
＝(r0+r1)r0/r168.其中：r
ccp
为混凝土内连通孔隙的总电阻值，r
cp
为混凝土内非连通孔的总电阻值，r0和r1均可从交流阻抗谱中获得(如图2)；
69.步骤四、基于交流阻抗参数与质量损失率、相对动态弹性模量的函数关系为：
70.y＝ax3+bx2+cx+d
71.其中：y为质量损失率或相对动态弹性模量，x为交流阻抗参数(即包括r
ccp
和r
cp
)，a、b、c、d分别为统计参数；
72.步骤五、采用交流阻抗参数表征耦合作用下的混凝土损伤。
73.具体的，应用上述所述的混凝土试验方法对混凝土进行试验后得到如表1所示的数据。
74.表1试验测试数据(试样1)
[0075][0076]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种混凝土试验装置，其特征在于，包括底座(1)、可调频电机(2)、凸轮轴(3)、顶杆(4)、载荷板(5)、冻融箱(6)和加载头(8)；所述可调频电机(2)的固定端安装于底座(1)上，可调频电机(2)的驱动端与凸轮轴(3)相连，以驱动凸轮轴(3)进行旋转；所述凸轮轴(3)设置为阶梯式凸轮结构；所述顶杆(4)的一端与凸轮轴(3)采用接触式连接，顶杆(4)的另一端沿高度方向向上自由延伸设置；所述载荷板(5)与顶杆(4)固连，随顶杆(4)沿高度方向往复运动；所述加载头(8)的一端与载荷板(5)进行固连，加载头(8)的另一端沿高度方向向下自由延伸设置；所述冻融箱(6)固定安装于底座(1)上且设置于加载头(8)的正下方，且冻融箱(6)内设有用于放置混凝土试块的腔室。2.根据权利要求1所述的混凝土试验装置，其特征在于，在冻融箱(6)的腔室内设用于对混凝土试块进行限位固定的卡槽。3.根据权利要求2所述的混凝土试验装置，其特征在于，在冻融箱(6)还设有用于盛装防冻液的冻融容器以及用于对冻融箱(6)的温度进行实时监测的温度传感器(10)；在冻融容器上还设有出液口，冻融容器通过出液口与冻融箱(6)的腔室相互连通；防冻液通过循环泵泵入冻融容器内，待防冻液的液面抬升到出液口的位置时，防冻液从出液口循环回冻融箱(6)的腔室内。4.根据权利要求3所述的混凝土试验装置，其特征在于，所述冻融箱(6)采用胶木板制作而成，且在冻融箱(6)的内外表面还设有依次设有采用优质铁板静电喷涂制成的喷涂层以及采用聚氨酯泡沫塑料整体发泡制成的保温层。5.根据权利要求1-4任意一项所述的混凝土试验装置，其特征在于，该混凝土试验装置还包括支架(9)、顶板(12)、升降结构(7)；所述支架(9)设有分别设置于顶杆(4)两侧的两件，两件支架(9)的一端均与底座(1)固连，两件支架(9)的另一端均沿高度方向向上自由延伸设置；所述顶板(12)同时与两件支架(9)远离底座(1)的一端固连；所述升降结构(7)包括升降驱动件、齿轮和齿条，所述升降驱动件与齿轮相连，所述齿轮与齿条啮合连接，所述齿条沿高度方向设置并与载荷板(5)相连；升降驱动件带动齿轮进行旋转，齿条通过与齿轮的啮合沿高度方向进行位移。6.根据权利要求5所述的混凝土试验装置，其特征在于，在顶板(12)上还设有位移传感器(11)，通过位移传感器(11)对往复运动行程进行监测。7.根据权利要求6所述的混凝土试验装置，其特征在于，所述位移传感器(11)设置为电涡流式位移传感器。8.根据权利要求6或7所述的混凝土试验装置，其特征在于，该混凝土试验装置还包括计数器和数据记录仪，所述计数器为计数传感器，用于任意设定所需循环次数并对载荷板(5)往复运动的次数进行检测与显示；所述数据记录仪与计数器采用电连接，用于对载荷板(5)的往复运动次数进行记录。9.根据权利要求8所述的混凝土试验装置，其特征在于，该混凝土试验装置应用于同时
对混凝土试块的低速冲击疲劳荷载测试和冻融循环测试；或者是，该混凝土试验装置应用于对混凝土试块的低速冲击疲劳荷载测试和对混凝土试块的冻融循环测试的替换测试。10.应用如权利要求9所述的混凝土试验装置对混凝土试验方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、准备工作：对混凝土试块进行养护，得到养护完成后的饱和混凝土试块，并将饱和混凝土试块先后用保鲜膜及透明胶带密封，以防止防冻液进入混凝土试块中；步骤二、将混凝土试块置于冻融箱内，开启温度控制系统，采用温度传感器对冻融箱内试样温度进行测量，待温度降至所需温度后开启可调频电机，以使可调频电机驱动凸轮轴进行旋转从而带动载荷板沿高度方向进行往复运动，最终使冲击头在冻融箱内进行往复冲击运动，此时冲击疲劳荷载与冻融同时作用于混凝土试块，混凝土试块同时承受温度应力及冲击应力；步骤三、将经过耦合作用的混凝土试块取出进行交流阻抗测试，获取交流阻抗谱参数r
ccp
和r
cp
：r
ccp
＝r0+r1r
cp
＝(r0+r1)r0/r1其中：r
ccp
为混凝土内连通孔隙的总电阻值，r
cp
为混凝土内非连通孔的总电阻值，r0和r1均可从交流阻抗谱中获得；步骤四、基于交流阻抗参数与质量损失率、相对动态弹性模量的函数关系为：y＝ax3+bx2+cx+d；其中：y为质量损失率或相对动态弹性模量，x为交流阻抗参数r
ccp
和r
cp
，a、b、c、d分别为统计参数；步骤五、采用交流阻抗参数表征耦合作用下的混凝土损伤。

技术总结
本发明提供了一种混凝土试验装置，包括底座、可调频电机、凸轮轴、顶杆、载荷板、冻融箱和加载头；可调频电机的固定端安装于底座上其驱动端与凸轮轴相连，以驱动凸轮轴进行旋转；顶杆的一端与凸轮轴采用接触式连接其另一端沿高度方向向上自由延伸设置；载荷板与顶杆固连，随顶杆沿高度方向往复运动；加载头的一端与载荷板进行固连其另一端沿高度方向向下自由延伸设置；冻融箱固定安装于底座上且设置于加载头的正下方，且冻融箱内设有用于放置混凝土试块的腔室。本发明通过采用以重力冲击为基础设计的低速冲击疲劳荷载对混凝土试块进行试验，可实现对混凝土试块在承受温度升高或降低的同时承受冲击荷载，实现真正的耦合。实现真正的耦合。实现真正的耦合。


技术研发人员：元强 许燕群 王勇 邓德华
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/8/16