余濤

（江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西贛州 341000）

隨著混凝土材料耐久性問(wèn)題帶來(lái)的負(fù)面影響愈加突出，學(xué)者們對(duì)混凝土耐久性問(wèn)題的鉆研也從單個(gè)因素作用發(fā)展到多種因素及其耦合作用。其中，荷載與環(huán)境因素共同作用下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究是一項(xiàng)重要內(nèi)容，相關(guān)研究表明，外加應(yīng)力會(huì)引起混凝土微觀結(jié)構(gòu)的改變，從而導(dǎo)致宏觀上的破壞，因此在研究混凝土的耐久性問(wèn)題時(shí)必須考慮外加應(yīng)力因素的影響，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，混凝土材料耐久性試驗(yàn)持荷加載裝置主要分為三類(lèi)：①杠桿加載裝置；②彈簧加載裝置；③扭矩控制的加載裝置。

1 杠桿加載裝置

杠桿加載裝置是依據(jù)杠桿原理進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)荷載作用的，這種裝置通過(guò)雙杠桿將設(shè)計(jì)需要的外荷載經(jīng)過(guò)兩次放大傳遞給試件梁，采用自平衡裝置使試件受到持續(xù)而穩(wěn)定的荷載作用，無(wú)需加裝其他反力裝置，雙杠桿可將外荷載放大72～90 倍，如需使裝置產(chǎn)生更大的彎曲應(yīng)力，可以延長(zhǎng)力臂和增加外荷載。常用的試件受彎加載方式有三點(diǎn)式和四點(diǎn)式，三點(diǎn)式是在試件下部設(shè)置兩個(gè)受力點(diǎn)，在上部設(shè)置一個(gè)受力點(diǎn)，試件受到彎剪作用；四點(diǎn)式則是在試件上下部各設(shè)置兩個(gè)受力點(diǎn)，試件受彎剪彎作用，下圖采用的就是該加載方式。這種荷載加載裝置的優(yōu)點(diǎn)是加載水平大，可產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的荷載，且可調(diào)性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，易于控制，受溫度影響不大。缺點(diǎn)是體積和重量大，不能放入凍融試驗(yàn)機(jī)和碳化箱中，且一次操作只能對(duì)一根試件進(jìn)行加載，后來(lái)學(xué)者張偉平對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)，使得杠桿加載裝置一次可對(duì)多根試件加載，而且可對(duì)更大尺寸的試件進(jìn)行加載，其裝置簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

2 彈簧加載裝置

彈簧加載裝置其原理取自于胡克定律，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易操作，但該套裝置中的彈簧和緊固件易造成應(yīng)力損失，其中彈簧受溫度影響大，會(huì)隨著溫度的變化而產(chǎn)生微小的形變，緊固件中的螺母在濕度有變化時(shí)，其摩擦系數(shù)會(huì)降低，造成細(xì)微松動(dòng)，且受時(shí)間跨度干擾大，其中的金屬構(gòu)件又存在易腐蝕的特性，因而不適用于干濕循環(huán)、凍融循環(huán)及鹽溶液腐蝕試驗(yàn)。

圖1 杠桿加載裝置

試件彎拉加載裝置見(jiàn)圖2，在試件的兩端設(shè)置預(yù)留孔道，在其中穿入高強(qiáng)螺栓和碟形彈簧，加載時(shí)先將試件的一端固定到適中的位置，在試件中部受拉位置貼上電阻應(yīng)變片，用來(lái)控制試件的拉應(yīng)變，然后擰動(dòng)另一端的螺母以擠壓彈簧使混凝土試件受到軸向荷載，再與中間的墊塊共同作用形成彎拉力，用調(diào)整碟形彈簧壓縮變形量和應(yīng)變片讀出的拉應(yīng)力的方式來(lái)控制應(yīng)力值?？梢愿鶕?jù)實(shí)際需要選擇合適尺寸和彈力的碟形彈簧，碟形彈簧具有體積小彈力大的特性，而且可以減小試件收縮變形產(chǎn)生的應(yīng)力損失。

圖2 試件彎拉加載裝置

試件軸壓加載裝置見(jiàn)圖3，由三塊大小一樣的承壓板（最上面那塊承壓板需略厚一點(diǎn)，在四角處打孔）、四根高強(qiáng)螺栓、四組碟形彈簧和四個(gè)螺母組成。在第一和第二承壓板之間四角處放置四組碟簧，第二和第三塊承壓板之間放置試塊，依次用螺栓連接。其所能提供的軸向荷載大，所以需用壓力機(jī)進(jìn)行加載，將試件和加載裝置按圖中的方式組裝好后，放在壓力機(jī)上，在其上方放置一個(gè)實(shí)心鋼柱用來(lái)導(dǎo)力，設(shè)置好壓力機(jī)的荷載參數(shù)，啟動(dòng)壓力機(jī)，待其穩(wěn)定后，需用扳手分多次少量地?cái)Q緊四個(gè)螺母，以防止出現(xiàn)偏心荷載，然后使壓力機(jī)回復(fù)原位取出即可。該裝置彈簧壓縮所產(chǎn)生的彈力通過(guò)承壓板均勻地傳遞到試件上，但在實(shí)際操作過(guò)程中螺母無(wú)法做到絕對(duì)的擰緊，造成彈簧的應(yīng)力損失，所以需用壓力機(jī)對(duì)其進(jìn)行富余加載，富余加載的比例可設(shè)為1.05。因此該套彈簧控制的軸壓加載裝置能夠提供足夠大的軸壓荷載，但無(wú)法對(duì)荷載值進(jìn)行精準(zhǔn)控制，若需對(duì)壓應(yīng)力進(jìn)行精準(zhǔn)控制，可以通過(guò)設(shè)置壓力傳感器和應(yīng)變片來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外該裝置一次只能對(duì)一個(gè)試塊進(jìn)行加載，在進(jìn)行鹽腐蝕試驗(yàn)時(shí)，需對(duì)碟簧和夾具增加額外的保護(hù)措施。

圖3 試件軸壓加載裝置

3 扭矩控制的加載裝置

這套裝置的試件受彎加載裝置與彈簧控制的彎拉加載裝置有很大的相似之處，所不同的是其通過(guò)扭力扳手對(duì)緊固件施加扭矩來(lái)獲得軸向荷載，用軸力傳感器來(lái)控制軸向荷載的大小，并與中間的圓鋼支座共同作用產(chǎn)生彎拉應(yīng)力。該裝置受混凝土試件的收縮徐變和緊固件的松弛影響大，如果試驗(yàn)時(shí)間跨度大時(shí)，需常擰螺母對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力補(bǔ)償，但隨著時(shí)間和環(huán)境的變化，其扭矩系數(shù)又會(huì)發(fā)生改變，從而影響到了加載的精度，同樣地，該裝置中采用的金屬構(gòu)件限制了其在腐蝕環(huán)境中的使用，扭矩受彎加載裝置見(jiàn)圖4 試件受彎加載裝置。

圖4 試件受彎加載裝置

扭矩控制的軸壓加載裝置是在試件中心設(shè)置預(yù)留孔道，在試件孔道中穿入軸力傳感器和緊固件，通過(guò)使用大噸位扳手?jǐn)Q緊緊固件來(lái)產(chǎn)生軸向荷載，用軸力傳感器來(lái)控制軸力的大小。優(yōu)點(diǎn)是操作方式簡(jiǎn)單，體積小，可放入試驗(yàn)箱中。但其弊端明顯，對(duì)于軸向荷載加載量較大的混凝土試件難以操作，當(dāng)對(duì)扭矩扳手加裝導(dǎo)向桿操作時(shí)，會(huì)導(dǎo)致橫向失穩(wěn)，故能夠施加的軸力有限，且其精度難以控制，適用條件同樣存在局限性，軸心受壓加載裝置見(jiàn)圖5。

圖5 試件受彎加載裝置

4 結(jié)束語(yǔ)

以上三種持荷混凝土耐久性試驗(yàn)加載裝置都有各自的實(shí)用性和局限性，應(yīng)充分考慮到溫度、濕度、尺寸和時(shí)間跨度對(duì)加載裝置的影響，并根據(jù)試驗(yàn)條件和要求合理選用，以便更好地實(shí)現(xiàn)研究目的。