CN111721627B - 用于水泥基材料超早期拉伸徐变的装置及测试方法 - Google Patents

用于水泥基材料超早期拉伸徐变的装置及测试方法 Download PDF

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CN111721627B CN202010530249.9A CN202010530249A CN111721627B CN 111721627 B CN111721627 B CN 111721627B CN 202010530249 A CN202010530249 A CN 202010530249A CN 111721627 B CN111721627 B CN 111721627B
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Abstract

本发明提供一种用于水泥基材料超早期拉伸徐变的装置及测试方法，其包括拉伸运动组件、模具和试件承载框架组件。主体框架由截面尺寸相同，长度不等的角钢焊接组成，主体框架的上部为角钢焊接的长方体，四角设有等长的角钢；模具沿长度方向的两端，对称设有等长的螺杆，模具沿宽度方向的两端设有细缝，模具挡板对称分布在模具上表面的两端。测试方法首先是对空模具和含有水泥净浆或者砂浆的模具进行受力测试，得出水泥净浆或者砂浆在模具中所受荷载占总荷载的比例α，然后测试水泥净浆和砂浆的初凝时间，最后通过改进的逐步计算法得到水泥基材料超早期的徐变计算模型。本发明具有操作方便、造价合理，测试数据稳定性好、精度高，占地面积小等优点。

Description

用于水泥基材料超早期拉伸徐变的装置及测试方法
技术领域
本发明涉及混凝土领域，特别涉及一种用于水泥基材料超早期拉伸徐变的装置及测试方法。
背景技术
随着我国工程技术的迅速发展，混凝土的应用领域更加广泛，有关混凝土的耐久性问题随之而来。混凝土耐久性劣化的主要原因是混凝土开裂及裂缝扩展。对于混凝土的早期裂缝，徐变尤其是拉伸徐变能够重新分配混凝土中的内力，从而大大降低了裂缝出现的风险，而且水泥基材料的超早期的性能对于后期的抗裂性能起着关键的作用。因此水泥基材料的拉伸徐变特性，对于混凝土的抗裂性起着很重要的作用。
目前国内外测试水泥基材料徐变变形的方法主要是内埋式拉伸试验方法。内埋式拉伸试验方法是在混凝土浇筑前，将内埋拉杆通过两侧板固定在模具两端，试件成型后拆除模板，试验机通过内埋拉杆将拉力传递给试件；试件成型时在其两端放置变位计，通过变位计来测量试件的尺寸变化。但是该方法最早对8h龄期的混凝土进行拉伸徐变测试，无法对水泥基材料在初凝到终凝期间(6-8h)的拉伸徐变进行测量；而且以上拉伸方式会造成荷载偏心和应力应变不均匀。现亟待开发一种既可以准确测试水泥基材料超早期拉伸徐变变形，又造价低廉的收缩测试装置。
目前水泥基材料拉伸徐变计算模型大部分应用于混凝土，但是混凝土的拉伸徐变计算模型十分复杂，无法应用于水泥石和水泥砂浆的徐变计算。而且徐变模型一般用于长龄期的计算，对于短龄期的计算不够准确。现需要得出一种能对水泥基材料进行超早期徐变计算的模型。
结合水泥基材料超早期的自身特性，研制一种可以半定量测试水泥基材料超早期徐变的装置及试验方法，通过这种方法可对水泥基材料超早期拉伸徐变性能进行对比分析。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于水泥基材料超早期拉伸徐变的装置及测试方法。
本发明提供了一种用于水泥基材料超早期拉伸徐变的装置，其包括拉伸运动组件、模具、激光测量器和试件承载框架组件，所述拉伸运动组件和所述模具分别位于所述试件承载框架组件上，所述拉伸运动组件和所述模具连接，所述激光测量器位于所述模具的上方。所述试件承载框架组件，其包括主体框架、轨道垫板、螺栓螺母和斜支撑杆，所述主体框架由若干个截面尺寸相同，长度不等的角钢焊接组成，所述主体框架的上部为角钢焊接的长方体，四角分别设有等长的角钢，所述轨道垫板位于所述主体框架的上端，并通过螺栓螺母和所述主体框架上部两端的角钢固定连接，所述斜支撑杆的两端分别通过螺栓螺母和位于所述主体框架四个顶角的角钢固定连接；所述模具，其包括螺杆、模具挡板和细缝，所述模具沿长度方向的两端，对称设有等长的螺杆，所述模具沿宽度方向的两端设有细缝，所述模具挡板对称分布在所述模具上表面的两端。所述拉伸运动组件，其包括挂板、特制轴承、轴承固定杆、钢绞线、杠杆、受拉挡板、拉线螺栓和固定杆，所述钢绞线，其包括第一钢绞线、第二钢绞线、第三钢绞线、第四钢绞线、第五钢绞线和第六钢绞线，所述轴承固定杆的两端分别穿过所述特制轴承的内圈和所述斜支撑杆固定连接，所述第一钢绞线、所述第二钢绞线和所述第三钢绞线的第一端分别与所述挂板固定连接，所述第一钢绞线、所述第二钢绞线和所述第三钢绞线的第二端穿过所述特制轴承的外圈分别与所述杠杆的第一端固定连接，所述杠杆和所述受拉挡板分别位于所述主体框架上部的两侧，所述受拉挡板的第一端和所述主体框架上部一端的角钢焊接固定连接，所述第四钢绞线、所述第五钢绞线和所述第六钢绞线的第一端分别与所述杠杆的第二端连接，所述杠杆的第三端通过固定杆和所述主体框架固定连接，所述第四钢绞线、所述第五钢绞线和所述第六钢绞线的第二端和所述拉线螺栓的第一端连接，所述拉线螺栓的第二端和所述模具第一端的螺杆连接，所述模具的第二端的螺杆和所述受拉挡板的第二端固定连接。
可优选的是，所述杠杆，其包括第一杠杆、第二杠杆和第三杠杆，所述第一杠杆、所述第二杠杆和所述第三杠杆的长度各不相等。
可优选的是，所述挂板、所述特制轴承、所述轴承固定杆、所述杠杆、所述模具和所述拉线螺栓的数量相等。
可优选的是，所述模具采用聚氨酯材料，其弹性模量不会随着使用次数的增加而变化，稳定为60MPa。
本发明的另一方面，提供一种用于水泥基材料超早期拉伸徐变的测试方法，其具体包括如下步骤：
S1、固定水胶比，逐步增加胶凝材料中矿物掺合料的掺量，并在相同掺量下，改变矿物掺合料的组合和各自的比例，设计配合比；
S2、在轨道垫板上涂抹凡士林润滑剂；
S3、调整激光测量器与模具挡板之间的距离至26mm，同时将激光测距器和UT7808动静态应变采集分析器相连接；
S4、对空模具和含有水泥净浆或者水泥砂浆的模具进行受力测试；
S41、对空模具加载荷载，得出其变形量；
S42、对含有水泥净浆的模具加载荷载，使含有水泥净浆的模具变形量与空模具的变形量相同，得出含有水泥净浆模具的受力载荷；
S43、对含有水泥砂浆的模具加载荷载，使含有水泥砂浆的模具变形量与空模具的变形量相同，得出含有水泥砂浆模具的受力载荷；
S44、通过对空模具和含有水泥净浆或者水泥砂浆模具的外力差值得到模具内水泥净浆或者水泥砂浆的受力荷载，来分别计算水泥净浆或者水泥砂浆在模具中所受荷载占总荷载的比例α，从而得到水泥净浆或者水泥砂浆受力占外力荷载的比例；
S5、分别将水泥净浆和水泥砂浆浇筑到模具、维卡仪和贯入仪内；
S51、搅拌水泥净浆，将搅拌好的水泥浆浇筑到模具和维卡仪内；
S52、搅拌水泥砂浆，将搅拌好的水泥砂浆浇筑到模具和贯入仪内；
S6、测试水泥净浆和水泥砂浆的初凝时间；
S61、当水泥净浆在模具和维卡仪初凝后开始进行测量，并在挂板上加载初荷载；
S62、继续在挂板上放置递增荷载，如此往复，当水泥净浆徐变开裂时停止测量；
S63、记录水泥净浆初荷载m1，总荷载m2，初应变ε1，总应变ε2，每个阶段的弹性应变εi'，每个阶段徐变应变εi，水泥占比α等实验值；
S64、当水泥砂浆在模具和贯入仪初凝后开始进行测量，并在挂板上加载初荷载；
S65、继续在挂板上放置递增荷载，如此往复，当水泥砂浆徐变开裂时停止测量；
S66、记录水泥砂浆初荷载m1，总荷载m2，初应变ε1，总应变ε2，每个阶段的弹性应变εi'，每个阶段徐变应变εi，水泥占比α等实验值；
S7、整理步骤S5测得的实验值，计算出水泥净浆或者水泥砂浆水泥任意时刻所受应力σ(τi)和开裂时的徐变系数
Figure GDA0002601335360000042
和徐变度C(t)，并绘制徐变曲线，得到水泥基材料超早期的徐变计算模型；
S71、通过改进逐步计算法，将应力变化曲线转化为多段极为精细的梯度变化曲线，然后对每一梯度进行徐变计算；
S72、利用徐变计算模型得到任意时刻水泥基材料的徐变系数、徐变度，并绘制随时间变化的徐变曲线。
可优选的是，在步骤S4中，所述受力测试指的是，当模具承受外力时，模具内部水泥净浆或者水泥砂浆还未开裂时，模具与水泥净浆或者水泥砂浆同步变形；在同步变形的情况下，认为模具与水泥净浆或者水泥砂浆所受内力是通过水泥净浆或者水泥砂浆的弹性模量与模具弹性模量及水泥净浆或者水泥砂浆截面面积与模具截面面积的比例来分配的。
可优选的是，水泥净浆或者水泥砂浆的内力占外力载荷的理论方法的比例公式如下：
Figure GDA0002601335360000041
F(t)＝E(t)×ε(t)×A
F'(t)＝E'×ε(t)×A'
E(t)＝191.4326t
其中：
α(t)—模具受到外力时内部水泥净浆或者水泥砂浆的受力占外力的比例；
F(t)—水泥净浆或者水泥砂浆受力随时间的变化；
F'(t)—模具受力随时间的变化；
E(t)—水泥净浆或者水泥砂浆的弹性模量随时间的变化；
E'—模具的弹性模量；
ε(t)—水泥净浆或者水泥砂浆与模具的应变；
A—水泥净浆或者水泥砂浆的截面面积；
A'—模具的截面面积，其为U型槽截面面积；
t—水泥初凝后的时间；
水泥净浆或者水泥砂浆受力占外力荷载的实验方法的比例公式如下：
Figure GDA0002601335360000051
其中：
α—模具受到外力时，内部水泥净浆或者水泥砂浆的受力占外力的比例；f1—模具含有水泥净浆或者水泥砂浆时所受拉力；
f2—模具不含有水泥净浆或者水泥砂浆时所受拉力。
可优选的是，在步骤S7中，水泥任意时刻所受应力σ(τi)的计算公式如下：
Figure GDA0002601335360000052
其中：
σ(τi)—水泥τi时刻所受应力；
αi—τi时刻模具中水泥受力占比；
α1—试件加载初荷载时模具中水泥受力占比；
αc—试件徐变开裂时模具中水泥受力占比；
Ni—τi时刻模具所受到的总拉力；
N1—模具加载初荷载时模具所受到的总拉力；
A—水泥净浆或者水泥砂浆的截面面积；
水泥基材料在拉伸开裂时的徐变系数
Figure GDA0002601335360000053
和徐变度C(t)的计算公式如下：
Figure GDA0002601335360000061
其中：
τ0为水泥基材料的起算龄期；
τi为水泥基材料的欲求龄期；
m1为试件初荷载；
mc为试件开裂破坏时的试件加载的总荷载；
εe(τ0)为由初荷载m1引起的初始弹性应变；
εe(τi)为模具内水泥在τi时刻的总弹性应变；
εc(τi)为τi时刻的徐变应变；
ε(τi)为τi时刻的总应变。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明采用聚氨酯材料模具，模具与水泥基材料粘结在一起产生同步变形，使得水泥基材料不用脱膜即可进行试验，从而可对还处于粘弹塑性状态的水泥基材料进行超早期拉伸徐变测量；
2.本发明中的位移测量装置采用红外线传感器，不与试件直接接触，试验装置占地面积小，操作简便；
3.本发明根据水泥基材料超早期的自身特性，提出了一种计算模型，该模型可以应用于短龄期的水泥石和水泥砂浆的超早期徐变计算。
附图说明
图1为本发明用于水泥基材料超早期拉伸徐变的装置整体结构示意图；
图2为本发明用于水泥基材料超早期拉伸徐变的装置中模具的结构示意图；
图3为本发明用于水泥基材料超早期拉伸徐变的装置中水泥基材料超早期拉伸徐变示意图；
图4为本发明用于水泥基材料超早期拉伸徐变的装置中水泥净浆受力占比随时间的变化图；
图5为本发明用于水泥基材料超早期拉伸徐变的装置中矿物掺合料掺量为70％的水泥基材料徐变度折线图；
图6a为本发明用于水泥基材料超早期拉伸徐变的装置中10％超细粉煤灰水泥石徐变开裂时的徐变度；
图6b为本发明用于水泥基材料超早期拉伸徐变的装置中20％、30％Ⅱ级粉煤灰水泥石徐变开裂时的徐变度；
图7a为本发明用于水泥基材料超早期拉伸徐变的装置中40％S95矿渣水泥浆徐变开裂时的徐变度；以及
图7b为本发明用于水泥基材料超早期拉伸徐变的装置中30％S115矿渣灰水泥浆徐变开裂时的徐变度。
主要附图标记：
挂板1，斜支撑杆2，特制轴承3，钢绞线4，第一钢绞线41，第二钢绞线42，第三钢绞线43，第四钢绞线44，第五钢绞线45，第六钢绞线46，轴承固定杆5，螺栓螺母6，主体框架7，杠杆8，第一杠杆81，第二杠杆82，第三杠杆83，固定杆9，拉线螺栓10，轨道垫板11，模具12，受拉挡板13，螺杆14，激光测量器15，模具挡板16，细缝17。
具体实施方式
为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
用于水泥基材料超早期拉伸徐变的装置，如图1所示，其包括拉伸运动组件、模具12、激光测量器15和试件承载框架组件。拉伸运动组件和模具12分别位于试件承载框架组件上，拉伸运动组件和模具12连接，激光测量器15位于模具12的上方。
试件承载框架组件，其包括主体框架7、轨道垫板11、螺栓螺母6和斜支撑杆2。主体框架7由若干个截面尺寸相同，长度不等的角钢焊接组成，主体框架7的上部为角钢焊接的长方体，四角分别设有等长的角钢，轨道垫板11位于主体框架7的上端，并通过螺栓螺母6和主体框架7上部两端的角钢固定连接，斜支撑杆2的两端分别通过螺栓螺母6和位于主体框架7四个顶角的角钢固定连接。
模具12，其包括螺杆14、模具挡板16和细缝17。模具12沿长度方向的两端，模具12的两端各粘贴一根30mm长的对称螺杆，模具沿宽度方向两侧每隔40mm布置一道长度为30mm，深度为1mm的细缝17，模具挡板16对称分布在模具12上表面的两端。模具12采用聚氨酯材料，其弹性模量不会随着使用次数的增加而变化，稳定为60MPa。
拉伸运动组件，其包括挂板1、特制轴承3、轴承固定杆5、钢绞线4、杠杆8、受拉挡板13、拉线螺栓10和固定杆9，钢绞线4，其包括第一钢绞线41、第二钢绞线42、第三钢绞线43、第四钢绞线44、第五钢绞线45和第六钢绞线46。
轴承固定杆5的两端分别穿过特制轴承3的内圈和斜支撑杆2固定连接，第一钢绞线41、第二钢绞线42和第三钢绞线43的第一端分别与挂板1固定连接，第一钢绞线41、第二钢绞线42和第三钢绞线43的第二端穿过特制轴承3的外圈分别与杠杆8的第一端固定连接，杠杆8和受拉挡板13分别位于主体框架7上部的两侧，受拉挡板13的第一端和主体框架7上部一端的角钢焊接固定连接，第四钢绞线44、第五钢绞线45和第六钢绞线46的第一端分别与杠杆8的第二端连接，杠杆8的第三端通过固定杆9和主体框架7固定连接，第四钢绞线44、第五钢绞线45和第六钢绞线46的第二端和拉线螺栓10的第一端连接，拉线螺栓10的第二端和模具12第一端的螺杆14连接，模具12的第二端的螺杆14和受拉挡板13的第二端固定连接。
杠杆8，其包括第一杠杆81、第二杠杆82和第三杠杆83，第一杠杆81、第二杠杆82和第三杠杆83的长度各不相等。
挂板1、特制轴承3、轴承固定杆5、杠杆8、模具12和拉线螺栓10的数量相等。
用于水泥基材料超早期拉伸徐变的测试方法，具体包括如下步骤：
S1、固定水胶比，逐步增加胶凝材料中矿物掺合料的掺量，并在相同掺量下，改变矿物掺合料组合和各自比例，来设计配合比。配合比是为了验证本试验方法对不同配比水泥基材料超早期拉伸徐变测试的可行性。
S2、在轨道垫板11上涂抹凡士林润滑剂。
S3、调整激光测量器15与模具挡板16之间的距离至26mm，同时将激光测距器15和UT7808动静态应变采集分析器相连接。
S4、对空模具和含有水泥净浆或者水泥砂浆的模具进行受力测试；
S41、对空模具加载荷载，得出其变形量；
S42、对含有水泥净浆的模具加载荷载，使含有水泥净浆的模具变形量与空模具的变形量相同，得出含有水泥净浆模具的受力载荷；
S43、对含有水泥砂浆的模具加载荷载，使含有水泥砂浆的模具变形量与空模的变形量相同，得出含有水泥砂浆模具的受力载荷；
S44、通过对空模具和含有水泥净浆或者水泥砂浆模具的外力差值得到模具内水泥净浆或者水泥砂浆的受力荷载，来分别计算水泥净浆或者水泥砂浆在模具12中所受荷载占总荷载的比例α，从而得到水泥净浆或者水泥砂浆受力占外力荷载的比例。
S5、分别将水泥净浆和水泥砂浆浇筑到模具、维卡仪和贯入仪内；
S51、搅拌水泥净浆，将搅拌好的水泥浆浇筑到模具和维卡仪内；
S52、搅拌水泥砂浆，将搅拌好的水泥砂浆浇筑到模具和贯入仪内。
S6、测试水泥净浆和水泥砂浆的初凝时间；
S61、当水泥净浆在模具12和维卡仪初凝后开始进行测量，并在挂板1上加载初荷载；
S62、继续在挂板1上放置递增荷载，如此往复，当水泥净浆徐变开裂时停止测量；
S63、记录水泥净浆初荷载m1，总荷载m2，初应变ε1，总应变ε2，每个阶段的弹性应变εi'，每个阶段徐变应变εi，水泥占比α等实验值；
S64、当水泥砂浆在模具12和贯入仪初凝后开始进行测量，并在挂板1上加载初荷载；
S65、继续在挂板1上放置递增荷载，如此往复，当水泥砂浆徐变开裂时停止测量；
S66、记录水泥砂浆初荷载m1，总荷载m2，初应变ε1，总应变ε2，每个阶段的弹性应变εi'，每个阶段徐变应变εi，水泥占比α等实验值。
S7、整理步骤S5测得的实验值，计算出水泥净浆或者水泥砂浆任意时刻所受应力σ(τi)和开裂时的徐变系数
Figure GDA0002601335360000102
徐变度C(t)，并绘制徐变曲线，得到水泥基材料超早期的徐变计算模型；
S71、通过改进逐步计算法，将应力变化曲线转化为多段极为精细的梯度变化曲线，然后对每一梯度进行徐变计算；
S72、利用徐变计算模型得到任意时刻水泥基材料的徐变系数、徐变度，并绘制随时间变化的徐变曲线。
采取应力比为0.2的加荷应力。在a点试件加载初荷载，试件产生弹性应变ab，等一段固定时间(本试验的徐变时间为1min)后，产生徐变应变ba1；再加入递增荷载，本试验所加递增荷载为应力比0.02的加荷应力，此时递增荷载产生弹性应变a1b1，等待相同的时间后产生徐变应变b1a2；再加入相同递增荷载，产生弹性应变a2b2、等待相同的时间后产生徐变应变b2a3，一直加载递增荷载直到水泥净浆或者水泥砂浆石开裂，此时产生弹性应变anbn，水泥基材料在徐变应变阶段bnan+1开裂破坏，此阶段产生的徐变应变为bnc，如图3所示。徐变系数、徐变度按照图3的模型计算，此计算模型只考虑弹性和徐变作用，τi时刻表示为水泥基材料的欲求龄期，τ0时刻表示为水泥基材料的起算龄期。
在步骤S4中，受力测试指的是，当模具12承受外力时，模具12内部水泥净浆或者水泥砂浆还未开裂时，模具12与水泥净浆或者水泥砂浆同步变形；在同步变形的情况下，认为模具12与水泥净浆或者水泥砂浆所受内力是通过水泥净浆或者水泥砂浆的弹性模量与模具12弹性模量及水泥净浆或者水泥砂浆截面面积与模具12截面面积的比例来分配的。
在步骤S4中，水泥净浆或者水泥砂浆的内力占外力载荷的理论方法的比例公式如下：
Figure GDA0002601335360000101
F(t)＝E(t)×ε(t)×A
F'(t)＝E'×ε(t)×A'
E(t)＝191.4326t
其中：
α(t)—模具受到外力时内部水泥净浆或者水泥砂浆的受力占外力的比例；
F(t)—水泥净浆或者水泥砂浆受力随时间的变化；
F'(t)—模具受力随时间的变化；
E(t)—水泥净浆或者水泥砂浆的弹性模量随时间的变化；
E'—模具的弹性模量；
ε(t)—水泥净浆或者水泥砂浆与模具的应变；
A—水泥净浆或者水泥砂浆的截面面积；
A'—模具的截面面积，其为U型槽截面面积；
t—水泥初凝后的时间。
水泥净浆的受力占比随时间的变化曲线按公式进行描绘，如图4所示，其中时间从水泥净浆初凝开始计算。
在步骤S4中，水泥净浆或者水泥砂浆受力占外力荷载的实验方法的比例公式如下：
Figure GDA0002601335360000111
其中：
α—模具受到外力时，内部水泥净浆或者水泥砂浆的受力占外力的比例；
f1—模具含有水泥净浆或者水泥砂浆时所受拉力；
f2—模具不含有水泥净浆或者水泥砂浆时所受拉力。
在步骤S7中，水泥任意时刻所受应力σ(τi)的计算公式如下：
Figure GDA0002601335360000112
其中：
σ(τi)—水泥τi时刻所受应力；
αi—τi时刻模具中水泥受力占比；
α1—试件加载初荷载时模具中水泥受力占比；
αc—试件徐变开裂时模具中水泥受力占比；
Ni—τi时刻模具所受到的总拉力；
N1—模具加载初荷载时模具所受到的总拉力；
A—水泥净浆或者水泥砂浆的截面面积。
在步骤S7中，水泥基材料在拉伸开裂时的徐变系数
Figure GDA0002601335360000123
和徐变度C(t)的计算公式如下：
Figure GDA0002601335360000121
Figure GDA0002601335360000122
其中：
τ0为水泥基材料的起算龄期；
τi为水泥基材料的欲求龄期；
m1为试件初荷载；
mc为试件开裂破坏时的试件加载的总荷载；
εe(τ0)为由初荷载m1引起的初始弹性应变；
εe(τi)为模具内水泥在τi时刻的总弹性应变；
εc(τi)为τi时刻的徐变应变；
ε(τi)为τi时刻的总应变。
以下结合实施例对本发明一种用于水泥基材料超早期拉伸徐变的装置及测试方法做进一步描述：
实施例1
为了验证测试方法对不同配比水泥基材料超早期拉伸徐变测试的可行性，通过调整粉煤灰、矿渣的细度和掺量，调配出矿物掺合料掺量为70％四组不同配合比的胶凝材料，研究矿物掺合料对加荷龄期为20min的水泥石徐变度的影响。配合比详见表1，试验测试结果见图1。
表1试验配合比
Figure GDA0002601335360000131
S1、固定水胶比，逐步增加胶凝材料中矿物掺合料的掺量，并在相同掺量下，改变矿物掺合料组合和各自比例，来设计配合比。通过表1所示配合比进行试验，结合图1对取配合比序号D的水泥石徐变过程的徐变度进行计算说明。
S2、在轨道垫板11上涂抹凡士林润滑剂。
S3、调整激光测量器15与模具挡板16之间的距离至26mm，同时将激光测距器15和UT7808动静态应变采集分析器相连接。
S4、对空模具和含有水泥净浆的模具进行受力测试；
S41、对空模具加载荷载12N，得出其变形量0.20mm；
S42、对含有水泥净浆的模具加载荷载，使含有水泥净浆的模具变形量与空模具的变形量相同为0.2mm，得出含有水泥净浆模具的受力载荷为32N；
S44、通过对空模具和含有水泥净浆模具的外力差值得到模具内水泥净浆的受力荷载，来分别计算水泥净浆在模具12中所受荷载占总荷载的比例62.5％，从而得到水泥净浆受力占外力荷载的比例。
S5、将水泥净浆浇筑到模具、维卡仪和贯入仪内；
S51、搅拌水泥净浆，将搅拌好的水泥浆浇筑到模具和维卡仪内。
S6、测试水泥净浆的初凝时间；
S61、当水泥净浆在模具12和维卡仪初凝后20min开始进行测量，并在挂板1上加载初荷载m1为100g，此时产生了初始弹性应变ab为1142×10-6，在20-21min产生徐变应变ba1为857×10-6，，并得出水泥净浆所受应力σ(τi)为0.006MPa，由徐变度计算公式可以得出21min时水泥净浆的徐变度为0.134(1/MPa)；
S62、继续在挂板1上放置递增荷载m1 ′ 为20g，由递增荷载m1 ′ 引起的弹性应变a1b1为214×10-6，徐变应变b1a2为143×10-6；此时21min时刻的徐变应变为20-22min阶段的总徐变应变为143×10-6+857×10-6＝1000×10-6；此时水泥净浆受力占比为67.6％，水泥净浆所受应力为0.007MPa，此时22min的徐变度为0.141(1/MPa)。如此往复，当水泥净浆徐变开裂时(27-28min)停止测量；
S63、记录水泥净浆初荷载m1为100g，总荷载m2为260g，初应变ε1为1142×10-6，总应变ε2为5211×10-6，每个阶段的弹性应变εi'为214×10-6，每个阶段应变εi分别为143×10-6、214×10-6、214×10-6、286×10-6、286×10-6、357×10-6和214×10-6，水泥净浆占比α分别为67％、68.1％、69.1％、70.8％、71.7％、72.5％、73.8％和73.9％等实验值。
S7、整理步骤S5测得的实验值，计算出水泥净浆任意时刻所受应力σ(τi)和开裂时的徐变系数
Figure GDA0002601335360000141
徐变度C(t)，并绘制徐变曲线，得到水泥基材料超早期的徐变计算模型；
S71、通过改进逐步计算法，将应力变化曲线转化为多段极为精细的梯度变化曲线，然后对每一梯度进行徐变计算；
S72、利用徐变计算模型得到任意时刻水泥基材料的徐变系数和徐变度，并绘制随时间变化的徐变曲线。
由图5可以看出，掺加不同细度和掺量粉煤灰、矿渣的水泥基材料徐变明显不同，不同配合比的水泥石徐变度曲线线型基本一致，测试数据稳定性好。
由此得出，采用水泥基材料超早期拉伸徐变测试方法，可以得到水泥净浆自初凝到终凝期间的拉伸徐变。根据试验数据绘制徐变曲线，分析比较不同配合比水泥净浆的徐变度，从而研究不同配合比水泥基材料的超早期徐变性能。
实施例2
不同加荷龄期水泥基材料徐变开裂时的徐变度：采用聚氨酯模具，分别以粉煤灰和矿渣等质量替代部分水泥，按照表3的配合比进行拉伸徐变试验，以水泥基材料开裂时的徐变度来表示粉煤灰与矿渣对水泥石拉伸徐变的影响。对于掺加矿物掺合料的水泥石，当粉煤灰掺量不变时，改变矿渣掺量，水泥基材料开裂时的徐变度如图6和图7所示。图中时间以水泥初凝后开始计算，加荷龄期分别20min、40min和60min。
表3试验配合比
Figure GDA0002601335360000151
S1、固定水胶比，逐步增加胶凝材料中矿物掺合料的掺量，并在相同掺量下，改变矿物掺合料组合和各自比例，来设计配合比。通过表3配合比，结合图3对序号C1配合比的水泥石开裂时徐变度进行说明。
S2、在轨道垫板11上涂抹凡士林润滑剂。
S3、调整激光测量器15与模具挡板16之间的距离至26mm，同时将激光测距器15和UT7808动静态应变采集分析器相连接。
S4、对空模具和含有水泥净浆或者水泥砂浆的模具进行受力测试；
S41、对空模具加载荷载16N，得出其变形量0.31mm；
S42、对含有水泥净浆的模具加载荷载，使含有水泥净浆的模具变形量与空模具的变形量相同为0.31mm，得出含有水泥净浆模具的受力载荷为40N；
S44、通过对空模具和含有水泥净浆模具的外力差值得到模具内水泥净浆的受力荷载，来分别计算水泥净浆在模具12中所受荷载占总荷载的比例60.0％，从而得到水泥净浆受力占外力荷载的比例。
S5、分别将水泥净浆浇筑到模具、维卡仪和贯入仪内；
S51、搅拌水泥净浆，将搅拌好的水泥浆浇筑到模具和维卡仪内；
S6、测试水泥净浆的初凝时间；
S61、当水泥净浆在模具12和维卡仪初凝后20min开始进行测量，并在挂板1上加载初荷载m1为100g，此时产生了初始弹性应变ab为1142×10-6，并得出水泥石所受应力σ(τi)为0.006MPa，
S62、继续在挂板1上放置递增荷载m1'为20g，如此往复，当水泥净浆徐变开裂时(28-29min)停止测量；
S63、记录水泥净浆初荷载m1为100g，总荷载m2为260g，初应变ε1为1142×10-6，总应变ε2为5496×10-6，每个阶段的弹性应变εi'为214×10-6，每个阶段徐变应变εi为：214×10-6、214×10-6、286×10-6、286×10-6、357×10-6、357×10-6、464×10-6和464×10-6，水泥净浆占比α为70.8％等实验值。
S7、整理步骤S5测得的实验值，计算出水泥净浆任意时刻所受应力σ(τi)和开裂时的徐变系数
Figure GDA0002601335360000161
徐变度C(t)为0.271(1/MPa)，并绘制徐变曲线，得到水泥基材料超早期的徐变计算模型；
S71、通过改进逐步计算法，将应力变化曲线转化为多段极为精细的梯度变化曲线，然后对每一梯度进行徐变计算；
S72、利用徐变计算模型得到任意时刻水泥基材料的徐变系数、徐变度，并绘制随时间变化的徐变曲线。
对于掺加矿物掺合料的水泥石，当矿渣掺量不变时，改变粉煤灰掺量，水泥石徐变开裂时的徐变度如图6所示。
通过分析图6发现在超细粉煤灰掺量相同时，随着S95矿渣掺量的提高，水泥石的徐变增加；对于Ⅱ级粉煤灰掺量相同时，当S115矿渣掺量的提高，水泥石的拉伸徐变增加。与不掺矿物掺合料的水泥净浆相比，S115和S95矿渣都会提高水泥石超早期的徐变，且掺量越多，徐变提高越大。
由图7可知，矿渣掺量相同时、随着超细粉煤灰掺量的提高，水泥石的徐变增加；与S115矿渣掺量相同时，当Ⅱ级粉煤灰掺量提高时，水泥石的拉伸徐变增加。与不掺矿物掺合料的水泥净浆相比，掺入粉煤灰会提高水泥石超早期的徐变，且掺量越多，徐变提高越大。
结合图6和图7可知：1)水泥石复掺时，复掺的水泥石徐变相较于未掺矿物掺合料的水泥石其徐变增加，且随着两者掺量的增加水泥石的徐变增加。2)随着加荷龄期的增加，水泥石的徐变减少，这是由于水泥水化不断进行，水泥石强度逐渐增加，水泥石的徐变下降。由此可见通过该试验方法，能够得出不同矿物掺合料掺量和组合对于水泥石徐变影响的差异性。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于水泥基材料超早期拉伸徐变的装置，其包括拉伸运动组件、模具、激光测量器和试件承载框架组件，所述拉伸运动组件和所述模具分别位于所述试件承载框架组件上，所述拉伸运动组件和所述模具连接，所述激光测量器位于所述模具的上方，其特征在于，
所述试件承载框架组件，其包括主体框架、轨道垫板、螺栓螺母和斜支撑杆，所述主体框架由若干个截面尺寸相同，长度不等的角钢焊接组成，所述主体框架的上部为角钢焊接的长方体，四角分别设有等长的角钢，所述轨道垫板位于所述主体框架的上端，并通过螺栓螺母和所述主体框架上部两端的角钢固定连接，所述斜支撑杆的两端分别通过螺栓螺母和位于所述主体框架四个顶角的角钢固定连接；所述模具，其包括螺杆、模具挡板和细缝，所述模具沿长度方向的两端，对称设有等长的螺杆，所述模具沿宽度方向的两端设有细缝，所述模具挡板对称分布在所述模具上表面的两端；
所述拉伸运动组件，其包括挂板、特制轴承、轴承固定杆、钢绞线、杠杆、受拉挡板、拉线螺栓和固定杆，所述钢绞线，其包括第一钢绞线、第二钢绞线、第三钢绞线、第四钢绞线、第五钢绞线和第六钢绞线，所述轴承固定杆的两端分别穿过所述特制轴承的内圈和所述斜支撑杆固定连接，所述第一钢绞线、所述第二钢绞线和所述第三钢绞线的第一端分别与所述挂板固定连接，所述第一钢绞线、所述第二钢绞线和所述第三钢绞线的第二端穿过所述特制轴承的外圈分别与所述杠杆的第一端固定连接，所述杠杆和所述受拉挡板分别位于所述主体框架上部的两侧，所述受拉挡板的第一端和所述主体框架上部一端的角钢焊接固定连接，所述第四钢绞线、所述第五钢绞线和所述第六钢绞线的第一端分别与所述杠杆的第二端连接，所述杠杆的第三端通过固定杆和所述主体框架固定连接，所述第四钢绞线、所述第五钢绞线和所述第六钢绞线的第二端和所述拉线螺栓的第一端连接，所述拉线螺栓的第二端和所述模具第一端的螺杆连接，所述模具的第二端的螺杆和所述受拉挡板的第二端固定连接。
2.根据权利要求1所述的用于水泥基材料超早期拉伸徐变的装置，其特征在于，所述杠杆，其包括第一杠杆、第二杠杆和第三杠杆，所述第一杠杆、所述第二杠杆和所述第三杠杆的长度各不相等。
3.根据权利要求1所述的用于水泥基材料超早期拉伸徐变的装置，其特征在于，所述挂板、所述特制轴承、所述轴承固定杆、所述杠杆、所述模具和所述拉线螺栓的数量相等。
4.根据权利要求1所述的用于水泥基材料超早期拉伸徐变的装置，其特征在于，所述模具采用聚氨酯材料，其弹性模量不会随着使用次数的增加而变化，稳定为60MPa。
5.一种利用权利要求1-4中任一项所述的用于水泥基材料超早期拉伸徐变的测试方法，其特征在于，其具体包括如下步骤：
S1、固定水胶比，逐步增加胶凝材料中矿物掺合料的掺量，并在相同掺量下，改变矿物掺合料的组合和各自的比例，设计配合比；
S2、在轨道垫板上涂抹凡士林润滑剂；
S3、调整激光测量器与模具挡板之间的距离至26mm，同时将激光测距器和UT7808动静态应变采集分析器相连接；
S4、对空模具和含有水泥净浆或者水泥砂浆的模具进行受力测试；
S41、对空模具加载荷载，得出其变形量；
S42、对含有水泥净浆的模具加载荷载，使含有水泥净浆的模具变形量与空模具的变形量相同，得出含有水泥净浆模具的受力载荷；
S43、对含有水泥砂浆的模具加载荷载，使含有水泥砂浆的模具变形量与空模具的变形量相同，得出含有水泥砂浆模具的受力载荷；
S44、通过对空模具和含有水泥净浆或者水泥砂浆模具的外力差值得到模具内水泥净浆或者水泥砂浆的受力荷载，来分别计算水泥净浆或者水泥砂浆在模具中所受荷载占总荷载的比例α，从而得到水泥净浆或者水泥砂浆受力占外力荷载的比例；
S5、分别将水泥净浆和水泥砂浆浇筑到模具、维卡仪和贯入仪内；
S51、搅拌水泥净浆，将搅拌好的水泥浆浇筑到模具和维卡仪内；
S52、搅拌水泥砂浆，将搅拌好的水泥砂浆浇筑到模具和贯入仪内；
S6、测试水泥净浆和水泥砂浆的初凝时间；
S61、当水泥净浆在模具和维卡仪初凝后开始进行测量，并在挂板上加载初荷载；
S62、继续在挂板上放置递增荷载，如此往复，当水泥净浆徐变开裂时停止测量；
S63、记录水泥净浆初荷载m1，总荷载m2，初应变ε1，总应变ε2，每个阶段的弹性应变εi'，每个阶段徐变应变εi，水泥占比α；
S64、当水泥砂浆在模具和贯入仪初凝后开始进行测量，并在挂板上加载初荷载；
S65、继续在挂板上放置递增荷载，如此往复，当水泥砂浆徐变开裂时停止测量；
S66、记录水泥砂浆初荷载m1，总荷载m2，初应变ε1，总应变ε2，每个阶段的弹性应变εi'，每个阶段徐变应变εi，水泥占比α；
S7、整理步骤S5测得的实验值，计算出水泥净浆或者水泥砂浆水泥任意时刻所受应力σ(τi)和开裂时的徐变系数
Figure FDA0002950793210000031
和徐变度C(t)，并绘制徐变曲线，得到水泥基材料超早期的徐变计算模型；
S71、通过改进逐步计算法，将应力变化曲线转化为多段极为精细的梯度变化曲线，然后对每一梯度进行徐变计算；
S72、利用徐变计算模型得到任意时刻水泥基材料的徐变系数、徐变度，并绘制随时间变化的徐变曲线。
6.一种利用权利要求5所述的用于水泥基材料超早期拉伸徐变的测试方法，其特征在于，在步骤S4中，所述受力测试指的是，当模具承受外力时，模具内部水泥净浆或者水泥砂浆还未开裂时，模具与水泥净浆或者水泥砂浆同步变形；在同步变形的情况下，认为模具与水泥净浆或者水泥砂浆所受内力是通过水泥净浆或者水泥砂浆的弹性模量与模具弹性模量及水泥净浆或者水泥砂浆截面面积与模具截面面积的比例来分配的。
7.一种利用权利要求5所述的用于水泥基材料超早期拉伸徐变的测试方法，其特征在于，水泥净浆或者水泥砂浆的内力占外力载荷的理论方法的比例公式如下：
Figure FDA0002950793210000032
F(t)＝E(t)×ε(t)×A
F'(t)＝E'×ε(t)×A'
E(t)＝191.4326t
其中：
α(t)—模具受到外力时内部水泥净浆或者水泥砂浆的受力占外力的比例；
F(t)—水泥净浆或者水泥砂浆受力随时间的变化；
F'(t)—模具受力随时间的变化；
E(t)—水泥净浆或者水泥砂浆的弹性模量随时间的变化；
E'—模具的弹性模量；
ε(t)—水泥净浆或者水泥砂浆与模具的应变；
A—水泥净浆或者水泥砂浆的截面面积；
A'—模具的截面面积，其为U型槽截面面积；
t—水泥初凝后的时间；
水泥净浆或者水泥砂浆受力占外力荷载的实验方法的比例公式如下：
Figure FDA0002950793210000041
其中：
α—模具受到外力时，内部水泥净浆或者水泥砂浆的受力占外力的比例；
f1—模具含有水泥净浆或者水泥砂浆时所受拉力；
f2—模具不含有水泥净浆或者水泥砂浆时所受拉力。
8.一种利用权利要求5所述的用于水泥基材料超早期拉伸徐变的测试方法，其特征在于，在步骤S7中，水泥任意时刻所受应力σ(τi)的计算公式如下：
Figure FDA0002950793210000042
其中：
σ(τi)—水泥τi时刻所受应力；
αi—τi时刻模具中水泥受力占比；
α1—试件加载初荷载时模具中水泥受力占比；
αc—试件徐变开裂时模具中水泥受力占比；
Ni—τi时刻模具所受到的总拉力；
N1—模具加载初荷载时模具所受到的总拉力；
A—水泥净浆或者水泥砂浆的截面面积；
水泥基材料在拉伸开裂时的徐变系数
Figure FDA0002950793210000051
和徐变度C(t)的计算公式如下：
Figure FDA0002950793210000052
Figure FDA0002950793210000053
其中：
τ0为水泥基材料的起算龄期；
τi为水泥基材料的欲求龄期；
m1为试件初荷载；
mc为试件开裂破坏时的试件加载的总荷载；
εe(τ0)为由初荷载m1引起的初始弹性应变；
εe(τi)为模具内水泥在τi时刻的总弹性应变；
εc(τi)为τi时刻的徐变应变；
ε(τi)为τi时刻的总应变。
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