CN110646393A - 一种测试泡沫混凝土膨胀应力和变形分布的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
一种测试泡沫混凝土膨胀应力和变形分布的装置与方法，属于土木建筑材料性能测试领域。本发明解决了现有的技术无法实现在热养环境下实时、连续测量泡沫混凝土膨胀应力和变形分布的问题。模具为金属材质，模具的底部装设有加热片，模具的侧面装设有温度传感器，所述加热片与所述温度控制箱之间、所述温度传感器与温度控制箱之间以及所述CCD相机与安装有PSP校准***的电脑之间分别通过导线连接，泡沫混凝土装设在模具内，橡胶薄膜粘接在泡沫混凝土的上表面，且橡胶薄膜的上表面喷涂有压敏涂料层，激发光源及CCD相机分别固设在模具的上方，且激发光源与压敏涂料层之间设置有第一滤光片，CCD相机与压敏涂料层之间设置有第二滤光片。
Description
技术领域
本发明涉及一种测试泡沫混凝土膨胀应力和变形分布的装置与方法，属于土木建筑材料性能测试领域。
背景技术
众所周知，泡沫混凝土由于其内部具有大量封闭细小的孔隙，具有轻质高强、保温隔热、隔声耐火和减震抗震等优异性能。近年来，作为建筑隔墙或者填充材料，泡沫混凝土被广泛应用于非结构构件或结构保温一体化建筑构件。随着装配式建筑的发展，以泡沫混凝土为填充材料的建筑隔墙受到较多关注。泡沫混凝土由于密度低可以有效降低结构自重，减少原材料用量，节省工厂化制备和运输、安装过程中的能源和人力成本。在实际工业化生产中，为加快模板的周转效率，缩短生产周期，几乎所有水泥混凝土构件都要在浇注后几小时便开始进行蒸汽养护以提高早期强度。然而，由于泡沫混凝土中含有大量气孔，在蒸养条件下气体热胀会导致泡沫混凝土产生明显的体积膨胀。在模板约束作用下，这种受热产生的自身膨胀压应力可能会诱发泡沫混凝土裂缝发展，致使构件外观质量和整体力学性能降低。
实际工业化生产中，热养护条件下与蒸汽养护条件下的泡沫混凝土体积变形最为接近，但是目前，国内外测量混凝土体积变形的装置均是在标准养护或者常温养护条件下进行的。对于蒸汽养护混凝土，因养护条件的原因，直接导致实现蒸汽养护的装置结构复杂，为了能够实现测试并且便于测试，也可以选择以热养护条件代替蒸汽养护条件，但是一般是将试件从蒸养环境中或者热养护环境中取出再进行测试，不仅干扰了混凝土在蒸汽养护或热养护条件下的强度发展，同时由于测试过程中移动试件，导致获得的结果准确较差，不能反映实际情况。
发明内容
本发明是为了解决现有技术无法实现在热养环境下实时、连续测量泡沫混凝土膨胀应力和变形分布的问题，进而提供了一种测试泡沫混凝土膨胀应力和变形分布的装置与方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种测试泡沫混凝土膨胀应力和变形分布的装置，它包括模具、加热片、橡胶薄膜、透明盖板、激发光源、光源支座、CCD相机、相机支座、温度控制箱及安装在电脑中的PSP校准***，所述模具为金属材质，其顶部开口设置，模具的底部装设有加热片，模具的侧面装设有温度传感器，所述加热片与所述温度控制箱之间、所述温度传感器与温度控制箱之间以及所述CCD相机与安装有PSP校准***的电脑之间分别通过导线连接，泡沫混凝土装设在模具内，橡胶薄膜粘接在泡沫混凝土的上表面，且橡胶薄膜的上表面喷涂有压敏涂料层，所述透明盖板盖设在模具的顶部，激发光源及CCD相机分别固设在模具的上方，且激发光源与压敏涂料层之间设置有第一滤光片，CCD相机与压敏涂料层之间设置有第二滤光片。
进一步地，模具为立方体结构，且其侧部和底部均加工有空腔，所述加热片设置在底部空腔内，所述温度传感器设置在侧部空腔内。
进一步地，温度传感器的数量为两个，对称布置在模具的两侧部空腔内。
进一步地，模具外部设置有保温隔热层。
进一步地，模具内侧壁设置有聚四氟乙烯层。
进一步地，激发光源通过光源支座固设在模具的上方，CCD相机通过相机支座固设在模具上方。
进一步地，所述模具为铁质模具。
进一步地，所述透明盖板为有机玻璃盖板。
一种采用上述装置测试泡沫混凝土膨胀应力和变形分布的方法，它包括如下步骤：
步骤一、向模具内浇筑泡沫混凝土至模具内壁高度的1/2至2/3，振捣密实，然后刮平泡沫混凝土表面；
步骤二、在橡胶薄膜上表面均匀喷涂压敏涂料，待压敏涂料固化后进行抛光打磨，形成压敏涂料层；
步骤三、将橡胶薄膜放置在泡沫混凝土上表面，按压使其与泡沫混凝土上表面紧密粘接；
步骤四、将透明盖板盖设在模具顶部，打开激发光源和PSP校准***，并调整激发光源与CCD相机的位置，使激发光源所产生的紫外光能够均匀的照射到泡沫混凝土上表面，且CCD相机能够完全捕捉到泡沫混凝土上表面的图像；
步骤五、调整CCD相机的曝光时间至CCD相机能拍摄到泡沫混凝土上表面的高分辨率图像；
步骤六、设定温度控制箱的目标温度至0～60℃之间，调节CCD相机的拍摄频率为8～30帧/秒，通过PSP校准***内的后处理软件对泡沫混凝土上表面图像不同位置的荧光强度进行统计，得到不同应力状态下发光强度图像，进而得到受约束泡沫混凝土受热时表面膨胀应力分布；
步骤七、根据预先输入的泡沫混凝土的弹性模量，通过泡沫混凝土本构关系σ＝Eε，推导出相应的变形分布，其中σ为泡沫混凝土的膨胀应力，E为弹性模量，ε为膨胀应变。
进一步地，压敏涂料层的表面粗糙度小于0.25μm，厚度在30～60μm之间。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
本申请通过设置能够导热的模具及加热片，实现对泡沫混凝土的热养护；并且通过将激发光源及CCD相机设置在模具上方，利用光敏材料受特定波长光波照射，激发的荧光强度与泡沫混凝土表面应力大小成正比的关系的原理，使得在测试过程中，能够在不移动泡沫混凝土试件的情况下，实时、连续地监测泡沫混凝土在热养护环境下的膨胀应力和变形分布，有效提高了测试结果的准确性。
本申请的装置结构简单，操作方便，测试结果准确。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，一种测试泡沫混凝土膨胀应力和变形分布的装置，它包括模具1、加热片2、橡胶薄膜3、透明盖板4、激发光源5、温度控制箱9及安装在电脑中的PSP校准***11，所述模具1为金属材质，其顶部开口设置，模具1的底部装设有加热片2，模具1的侧面装设有温度传感器10，所述加热片2与所述温度控制箱9之间、所述温度传感器10与温度控制箱9之间以及所述CCD相机7与安装有PSP校准***11的电脑之间分别通过导线连接，泡沫混凝土100装设在模具1内，橡胶薄膜3粘接在泡沫混凝土100的上表面，且橡胶薄膜3的上表面喷涂有压敏涂料层，所述透明盖板4盖设在模具1的顶部，激发光源5及CCD相机7分别固设在模具1的上方，且激发光源5与压敏涂料层之间设置有第一滤光片12，CCD相机7与压敏涂料层之间设置有第二滤光片13。
光敏材料受特定波长光波照射，激发的荧光强度与泡沫混凝土100表面应力大小成正比，本申请的装置利用该正比关系，实现对泡沫混凝土100在不同养护制度下受热产生的膨胀应力与变形分布进行实时监测。所述激发光源5可以直接为紫外光源。激发光源5位于模具1的正上方或斜上方，只要保证紫外光能够均匀的照射在泡沫混凝土100上表面即可。
本申请的装置放置在暗室中或者黑暗环境中进行，保证测试的正常进行。
第一滤光片12为紫外滤光片，第二滤光片13为蓝色滤光片，
紫外滤光片能够过滤掉多余可见光，只允许紫外光通过，从而消除可见光对压敏涂料层的影响。
所述透明盖板4能够允许紫外光透过，它可以为普通玻璃材质或有机玻璃材质，优选为有机玻璃材质。通过透明盖板4还能防止压敏涂料层受到刮损。
压敏涂料层的适用温度为-20～+60℃。压敏涂料层的主要成分为芘衍生物荧光探针分子和聚硅氧烷基质材料，最佳激发波长为300～400nm，受激发后发出稳定波长在480nm的蓝色荧光。CCD相机7与压敏涂料层之间的蓝色滤光片可以有效过滤掉多余的反射的激发光，只允许蓝色荧光通过。
CCD相机7曝光时间为3ns～100ns，分辨率为1600像素×1200像素。CCD相机7可接收160～1300nm的光信号，将捕捉到的实时图像传给PSP校准***11，从而得到受约束泡沫混凝土100受热时其表面膨胀应力和变形分布情况。
PSP是pressure sentitive paint简称，所述PSP校准***即为压力敏感涂料校准***。将本申请用于泡沫混凝土上可以监测整个表面任意位置上的应力和变形。
模具1能够实现将加热片2的热量传导至整个模具1的作用，进而实现对其内部泡沫混凝土100的热养护。通过调节温度控制箱9的设定温度在0-60℃变化，控制加热片2加热，从而实现对泡沫混凝土100的热养护，模具1内的温度也可以通过温度传感器10由温度控制箱9实时监测。
光源支座6及相机支座8分别用于保证激发光源5与CCD相机7工作时的稳定性，并能够调节高度，从而保证激发光源5和CCD相机7与泡沫混凝土100表面所成角度可在0-90度变化。光源支座6及相机支座8可以为通过螺栓控制高度的伸缩杆结构，需要调整高度时，手动松紧螺栓即可。
橡胶薄膜3的下表面粗糙，能够与泡沫混凝土100上表面紧密粘接。
本申请采用热养护为实验研究或实际生产过程中掌握和控制蒸养条件下泡沫混凝土100的体积膨胀和开裂趋势提供技术手段。
模具1为立方体结构，且其侧部和底部均加工有空腔，所述加热片2设置在底部空腔内，所述温度传感器10设置在侧部空腔内。如此设计，便于加热片2及温度传感器10的安装，加热片2及温度传感器10均不直接与泡沫混凝土100接触。
温度传感器10的数量为两个，对称布置在模具1的两侧部空腔内。能够更加准确的实时监测模具1内的温度。
模具1外部设置有保温隔热层。如此设计，有效防止热量散失。
模具1内侧壁设置有聚四氟乙烯层。如此设计，减少泡沫混凝土100与模具1内壁之间的摩擦。
激发光源5通过光源支座6固设在模具1的上方，CCD相机7通过相机支座8固设在模具1上方。
所述模具1为铁质模具。
所述透明盖板4为有机玻璃盖板。
一种采用上述装置测试泡沫混凝土膨胀应力和变形分布的方法，它包括如下步骤：
步骤一、向模具1内浇筑泡沫混凝土100至模具1内壁高度的1/2至2/3，振捣密实，然后刮平泡沫混凝土100表面；
步骤二、在橡胶薄膜3上表面均匀喷涂压敏涂料，待压敏涂料固化后进行抛光打磨，形成压敏涂料层；
步骤三、将橡胶薄膜3放置在泡沫混凝土100上表面，按压使其与泡沫混凝土100上表面紧密粘接；
步骤四、将透明盖板4盖设在模具1顶部，打开激发光源5和PSP校准***11，并调整激发光源5与CCD相机7的位置，使激发光源5所产生的紫外光能够均匀的照射到泡沫混凝土100上表面，且CCD相机7能够完全捕捉到泡沫混凝土100上表面的图像；
步骤五、调整CCD相机7的曝光时间至CCD相机7能拍摄到泡沫混凝土100上表面的高分辨率图像；所拍摄到的图像分辨率为1600像素×1200像素。
步骤六、设定温度控制箱9的目标温度至0～60℃之间，调节CCD相机7的拍摄频率为8～30帧/秒，通过PSP校准***11内的后处理软件对泡沫混凝土100上表面图像不同位置的荧光强度进行统计，得到不同应力状态下发光强度图像，进而得到受约束泡沫混凝土100受热时表面膨胀应力分布；所述后处理软件为ONERAAfix2，它可以自动得到不同膨胀应力状态下的发光强度图像。
步骤七、根据预先输入的泡沫混凝土100的弹性模量，通过泡沫混凝土100本构关系σ＝Eε，推导出相应的变形分布，其中σ为泡沫混凝土100的膨胀应力，E为弹性模量，ε为膨胀应变。通过改变温度控制箱9的目标温度，调整激发光源5和CCD相机7的角度和(或)数量，便可同时实时监测多个受约束泡沫混凝土100不同养护温度下的膨胀应力和变形分布。
压敏涂料层的表面粗糙度小于0.25μm，厚度在30～60μm之间。
Claims (10)
1.一种测试泡沫混凝土膨胀应力和变形分布的装置，其特征在于：它包括模具(1)、加热片(2)、橡胶薄膜(3)、透明盖板(4)、激发光源(5)、温度控制箱(9)及安装在电脑中的PSP校准***(11)，所述模具(1)为金属材质，其顶部开口设置，模具(1)的底部装设有加热片(2)，模具(1)的侧面装设有温度传感器(10)，所述加热片(2)与所述温度控制箱(9)之间、所述温度传感器(10)与温度控制箱(9)之间以及所述CCD相机(7)与安装有PSP校准***(11)的电脑之间分别通过导线连接，泡沫混凝土(100)装设在模具(1)内，橡胶薄膜(3)粘接在泡沫混凝土(100)的上表面，且橡胶薄膜(3)的上表面喷涂有压敏涂料层，所述透明盖板(4)盖设在模具(1)的顶部，激发光源(5)及CCD相机(7)分别固设在模具(1)的上方，且激发光源(5)与压敏涂料层之间设置有第一滤光片(12)，CCD相机(7)与压敏涂料层之间设置有第二滤光片(13)。
2.根据权利要求1所述的一种测试泡沫混凝土膨胀应力和变形分布的装置，其特征在于：模具(1)为立方体结构，且其侧部和底部均加工有空腔，所述加热片(2)设置在底部空腔内，所述温度传感器(10)设置在侧部空腔内。
3.根据权利要求2所述的一种测试泡沫混凝土膨胀应力和变形分布的装置，其特征在于：温度传感器(10)的数量为两个，对称布置在模具(1)的两侧部空腔内。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种测试泡沫混凝土膨胀应力和变形分布的装置，其特征在于：模具(1)外部设置有保温隔热层。
5.根据权利要求4所述的一种测试泡沫混凝土膨胀应力和变形分布的装置，其特征在于：模具(1)内侧壁设置有聚四氟乙烯层。
6.根据权利要求1、2、3或5所述的一种测试泡沫混凝土膨胀应力和变形分布的装置，其特征在于：激发光源(5)通过光源支座(6)固设在模具(1)的上方，CCD相机(7)通过相机支座(8)固设在模具(1)上方。
7.根据权利要求1、2、3或5所述的一种测试泡沫混凝土膨胀应力和变形分布的装置，其特征在于：所述模具(1)为铁质模具。
8.根据权利要求7所述的一种测试泡沫混凝土膨胀应力和变形分布的装置，其特征在于：所述透明盖板(4)为有机玻璃盖板。
9.一种采用上述权利要求1～8中任一权利要求所述装置测试泡沫混凝土膨胀应力和变形分布的方法，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤一、向模具(1)内浇筑泡沫混凝土(100)至模具(1)内壁高度的1/2至2/3，振捣密实，然后刮平泡沫混凝土(100)表面；
步骤二、在橡胶薄膜(3)上表面均匀喷涂压敏涂料，待压敏涂料固化后进行抛光打磨，形成压敏涂料层；
步骤三、将橡胶薄膜(3)放置在泡沫混凝土(100)上表面，按压使其与泡沫混凝土(100)上表面紧密粘接；
步骤四、将透明盖板(4)盖设在模具(1)顶部，打开激发光源(5)和PSP校准***(11)，并调整激发光源(5)与CCD相机(7)的位置，使激发光源(5)所产生的紫外光能够均匀的照射到泡沫混凝土(100)上表面，且CCD相机(7)能够完全捕捉到泡沫混凝土(100)上表面的图像；
步骤五、调整CCD相机(7)的曝光时间至CCD相机(7)能拍摄到泡沫混凝土(100)上表面的高分辨率图像；
步骤六、设定温度控制箱(9)的目标温度至0～60℃之间，调节CCD相机(7)的拍摄频率为8～30帧/秒，通过PSP校准***(11)内的后处理软件对泡沫混凝土(100)上表面图像不同位置的荧光强度进行统计，得到不同应力状态下发光强度图像，进而得到受约束泡沫混凝土(100)受热时表面膨胀应力分布；
步骤七、根据预先输入的泡沫混凝土(100)的弹性模量，通过泡沫混凝土(100)本构关系σ＝Eε，推导出相应的变形分布，其中σ为泡沫混凝土(100)的膨胀应力，E为弹性模量，ε为膨胀应变。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：压敏涂料层的表面粗糙度小于0.25μm，厚度在30～60μm之间。
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