CN115452598A - 水泥基材料的试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水泥基材料的试验装置及试验方法，试验装置包括：试样压缩加载模块，用于向试样施加力；力学信息量测模块，用测量试样的力学信息；水化过程监测模块，用于监测试样水化进程；环境温度控制模块，用于控制试验温度。由此，能够从水泥基材料试样任意早龄期开始加载力，真实模拟工程应用中水泥基材料试样所受外部压缩与其内部水化的早期联合作用过程，并可在不卸载的情况下获得水泥基材料试样的弹性模量、水化程度、孔隙结构等多种物理化学性能结果，实验结束后，还可将水泥基材料试样卸载脱模，用于研究早龄期压缩‑水化联合作用对长期性能的影响，为理论研究与工程应用提供更为真实的材料性能试验结果。

Description

水泥基材料的试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，尤其是涉及一种水泥基材料的试验装置及试验方法。

背景技术

水泥基材料作为土木工程领域广泛使用的材料种类，通常情况下是经历“浇筑-水化硬化(养护)-承受荷载”的过程，因此传统的水泥基材料测试方法往往是基于28d龄期充分硬化的试样进行的。但事实上，在实际工程中，由于较快的建造速度或特殊的施工技术，水泥基材料在还未充分硬化时就要开始承受外部压缩，例如：在TBM隧洞工程中使用水泥基材料进行回填支护时，水泥基材料还未初凝就要承受围岩的持续压缩，此时水泥基材料是在侧限条件的持续压缩下进行着水化反应。早龄期水泥基材料的性能随着水化反应的进行有较大变化，会经历“液态-塑性态-固态”的复杂演变过程；同时，由于早龄期水泥基材料抗变形能力较弱，其内部结构受外部压缩的影响较为显著。因此，水泥基材料在压缩-水化联合作用下的早龄期性能演变需要重点关注，早期压缩-水化联合作用对长期性能的影响亦需要深入研究。

但现有试验方法存在以下局限性：(1)“压缩-水化”联合作用的试验实现问题：现有试验方法中，往往只能在恒定不变的几何条件下养护水泥基试件，并在某一特定龄期对材料的性能进行测试，无法考虑压缩变形与水化反应同时作用的情况；(2)早龄期加载问题：早龄期材料测试复杂，现有试验方法难以对还未充分硬化的材料开展力学试验，更难以从混凝土新拌状态开始就对试样进行加载；(3)试验过程无损监测问题：通常来说，若要获取材料的各类性能，大多只能将试样脱模进行检测，无法在压缩的过程中同步、持续地无损监测力学性能、水化进展、孔隙结构发育等多种物理化学性能指标，不能反映压缩与水化联合作用的实际情况。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出了一种水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验装置，该试验装置最早能从新拌状态起就对水泥基材料试样持续施加外部压缩，实现“压缩-水化”的长期共同作用，并可在受载荷状态下同步监测水泥基材料试样的应力应变曲线、水化程度、孔隙结构、骨架发育等各类特性，直至特定的脱模龄期，有利于深化对于水泥基材料的认识与理解，为工程应用与科学研究提供更为真实可靠的实验结果。

本发明进一步地提出了一种水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验方法。

根据本发明的水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验装置，包括：

试样压缩加载模块，所述试样压缩加载模块用于水泥基材料试样的浇筑成型，且还用于向所述水泥基材料试样施加力；

力学信息量测模块，所述力学信息量测模块用于实时、连续测量所述水泥基材料试样的力学信息；

水化过程监测模块，所述水化过程监测模块用于监测所述水泥基材料试样水化进程；

环境温度控制模块，所述环境温度控制模块用于控制试验温度以模拟真实工程温度变化。

由此，通过试样压缩加载模块、力学信息量测模块、水化过程监测模块和环境温度控制模块配合，能够从水泥基材料试样任意早龄期开始加载力，真实模拟隧道支护、桩基础、钢管填充混凝土柱等工程应用中，水泥基材料试样所受外部压缩与其内部水化的早期联合作用过程，并可在不卸载的情况下获得水泥基材料试样的弹性模量、水化程度、孔隙结构等多种物理化学性能结果，实验结束后，还可将水泥基材料试样卸载脱模，用于研究早龄期压缩-水化联合作用对长期性能的影响，有利于深化对于水泥基材料的认识与理解，为理论研究与工程应用提供更为真实的材料性能试验结果。

在本发明的一些示例中，所述试样压缩加载模块包括：

反力架；

浇筑筒，所述反力架适于支撑所述浇筑筒，所述浇筑筒用于所述水泥基材料试样的浇筑成型且限定出两端敞开的浇筑空间；

加载活塞，所述加载活塞伸入所述浇筑空间内，且所述加载活塞适于向所述水泥基材料试样施加力；

液压单元，所述液压单元用于驱动所述加载活塞沿所述浇筑空间的轴向移动以向所述水泥基材料试样施加力。

在本发明的一些示例中，所述反力架包括：定位螺母、反力架拉杆、反力架上顶板和反力架下顶板，所述反力架拉杆的下端与所述反力架下顶板固定连接，所述反力架拉杆的外周壁具有外螺纹，所述反力架拉杆穿设于所述反力架上顶板，所述定位螺母用于将所述反力架上顶板定位于所述反力架拉杆，所述反力架下顶板适于支撑所述浇筑筒。

在本发明的一些示例中，所述环境温度控制模块包括隔热箱，所述反力架设于所述隔热箱内，所述反力架下顶板和所述隔热箱间支撑有隔温垫块。

在本发明的一些示例中，所述浇筑筒设于所述隔热箱内，所述浇筑筒包括：内层浇筑筒和外层浇筑筒，所述外层浇筑筒套设于所述内层浇筑筒外侧，且所述内层浇筑筒和所述外层浇筑筒贴合。

在本发明的一些示例中，所述外层浇筑筒包括第一外层筒和第二外层筒，所述内层浇筑筒包括第一内层筒和第二内层筒，所述第一内层筒和所述第二内层筒连接以限定出所述浇筑空间，所述第一外层筒和所述第二外层筒连接且套设于所述内层浇筑筒外侧，所述第一外层筒和所述第二外层筒的连接处连线与所述第一内层筒和所述第二内层筒的连接处连线交叉。

在本发明的一些示例中，所述加载活塞包括：上加载活塞和下加载活塞，所述浇筑空间的上端和下端均敞开设置，所述上加载活塞适于从所述浇筑空间的上敞开端伸入所述浇筑空间内，所述下加载活塞适于从所述浇筑空间的下敞开端伸入所述浇筑空间内，所述液压单元适于驱动所述上加载活塞和所述下加载活塞中的一个朝向所述水泥基材料试样移动。

在本发明的一些示例中，所述上加载活塞和所述浇筑空间的内侧壁间、所述下加载活塞和所述浇筑空间的内侧壁间均夹设有密封圈。

在本发明的一些示例中，所述液压单元包括：千斤顶、高压油管和油泵，所述高压油管连接在所述千斤顶和所述油泵之间，所述千斤顶与所述加载活塞抵接，所述油泵驱动所述千斤顶驱动所述加载活塞移动。

在本发明的一些示例中，所述力学信息量测模块包括应力测量单元和应变测量单元,所述应力测量单元、所述应变测量单元均与力学信号记录单元通信连接,所述应力测量单元用于测量所述水泥基材料试样两端压缩荷载；

所述应变测量单元用于测量所述水泥基材料试样变形。

在本发明的一些示例中，所述应力测量单元具有上压力传感器和下压力传感器,所述上压力传感器设置在所述反力架和所述上加载活塞之间,所述下压力传感器设置在所述反力架和所述下加载活塞之间。

在本发明的一些示例中，所述应变测量单元具有位移传感器，所述位移传感器用于测量所述上加载活塞和所述下加载活塞间的相对位移。

在本发明的一些示例中，所述水化过程监测模块包括：

电阻率监测单元，用于在所述加载活塞上连通电源，使得所述加载活塞充当电极，所述电阻率监测单元可实时记录所述加载活塞的电压、电流信号以自动计算出所述水泥基材料试样两端面之间的电阻值，进而得到所述水泥基材料试样电阻率，反映水化进程中所述所述水泥基材料试样的孔隙结构变化；

超声波监测单元，所述超声波监测单元用于向所述加载活塞与所述水泥基材料试样的交界面发射超声波，并实时接收所述交界面反射回来的反射波，所述超声波监测单元通过对比入射波与反射波的衰减关系，计算得到所述水泥基材料试样的弹性模量，进而反映所述水泥基材料试样的固体骨架的生长情况。

在本发明的一些示例中，所述超声波监测单元包括：超声波收发探头和超声记录仪，所述超声波收发探头和所述超声记录仪通信连接，所述超声波收发探头设于所述上加载活塞内，所述超声波收发探头用于向所述上加载活塞与所述水泥基材料试样的交界面发射超声波，并实时接收所述交界面反射回来的反射波，所述超声记录仪用于实时记录超声探测信息。

在本发明的一些示例中，所述超声波监测单元还包括：定位弹簧，所述定位弹簧适于向所述超声波收发探头施加弹力以使所述超声波收发探头与所述上加载活塞贴合。

在本发明的一些示例中，所述浇筑空间的内侧壁设有绝缘层。

在本发明的一些示例中，所述环境温度控制模块包括：隔热箱和智能控温单元，所述智能控温单元、反力架、浇筑筒和加载活塞均设于所述隔热箱内，所述智能控温单元用于调节所述隔热箱内温度。

根据本发明的水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验方法，包括以下步骤：

按照配合比拌合水泥基材料，将水泥基材料浇筑于浇筑筒内，将所述浇筑筒放置于温度可控的密封环境下水化以形成水泥基材料试样；

从某个起始龄期，按照预定的应变路径，对所述水泥基材料试样施加持续、可控的力，并在过程中连续监测所述水泥基材料试样的性能指标，以获取所述水泥基材料试样的性能变化过程；

待到指定龄期后，卸去所述水泥基材料试样所受力，取出所述水泥基材料试样，用于进行后续的测试。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的试验装置的截面图；

图2是根据本发明实施例的试验装置的浇筑筒的俯视图；

图3是根据本发明实施例的试验装置的浇筑筒的主视图；

图4是根据本发明实施例的试验装置的上加载活塞和密封圈装配示意图；

图5是根据本发明实施例的试验装置的下加载活塞和密封圈装配示意图；

图6是根据本发明实施例的试验方法的流程图。

附图标记：

试验装置100；

反力架11；反力架拉杆111；反力架上顶板112；反力架下顶板113；定位螺母114；隔温垫块115；

浇筑筒12；内层浇筑筒121；第一内层筒1211；第二内层筒1212；外层浇筑筒122；第一外层筒1221；第二外层筒1222；

紧固螺栓123；紧固螺母124；绝缘层125；浇筑空间126；

加载活塞13；上加载活塞131；下加载活塞132；密封圈133；

液压单元14；千斤顶141；高压油管142；油泵143；

应力测量单元21；上压力传感器211；下压力传感器212；

应变测量单元22；第一位移传感器221；第二位移传感器222；

力学信号记录单元23；

超声波收发探头311；定位弹簧312；超声记录仪313；

电阻率监测单元32；

环境温度控制模块4；隔热箱41；智能控温单元42；

水泥基材料试样200。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1-图5描述根据本发明实施例的水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验装置100。

如图1-图5所示，试验装置100包括：试样压缩加载模块、力学信息量测模块、水化过程监测模块和环境温度控制模块4。试样压缩加载模块用于水泥基材料试样200的浇筑成型，且试样压缩加载模块还用于向水泥基材料试样200施加力，试样压缩加载模块可在密封条件下对水泥基材料试样200连续施加力(即压缩载荷)。力学信息量测模块用于实时、连续测量水泥基材料试样200的力学信息，需要说明的是，力学信息量测模块可实时、连续量测水泥基材料试样200的应力、应变等力学信息。水化过程监测模块用于监测水泥基材料试样200水化进程，进一步地，水化过程监测模块可通过交流电、超声波等探测手段，连续监测水泥基材料试样200水化进程，实时反映水泥基材料试样200的孔隙结构发育、固体骨架生长等过程。环境温度控制模块4用于控制试验温度以模拟真实工程温度变化，水泥基材料试样200位于环境温度控制模块4内，环境温度控制模块4能够为水泥基材料试样200提供密封环境。

其中，试样压缩加载模块用于浇筑水泥基材料试样200，试样压缩加载模块并可根据真实情况在水化过程中对水泥基材料试样200施加各种变形载荷力，力学信息量测模块可实时、连续量水泥基材料试样200的应力、应变等力学信息，水化过程监测模块可通过交流电、超声波等探测方式连续监测水泥基材料试样200水化进程，实时反映水泥基材料试样200水化时孔隙结构发育、固体骨架生长等过程，环境温度控制模块4可实时控制实验温度，模拟真实工程条件。试样压缩加载模块能够从水泥基材料试样200任意早龄期开始加载力，真实模拟隧道支护、桩基础、钢管填充混凝土柱等工程应用中，水泥基材料试样200所受外部压缩与其内部水化的早期联合作用过程，并可在不卸载的情况下获得水泥基材料试样200的弹性模量、水化程度、孔隙结构等多种物理化学性能结果，实验结束后，还可将水泥基材料试样200卸载脱模，用于研究早龄期压缩-水化联合作用对长期性能的影响，有利于深化对于水泥基材料的认识与理解，为理论研究与工程应用提供更为真实的材料性能试验结果。

由此，通过试样压缩加载模块、力学信息量测模块、水化过程监测模块和环境温度控制模块4配合，能够从水泥基材料试样200任意早龄期开始加载力，真实模拟隧道支护、桩基础、钢管填充混凝土柱等工程应用中，水泥基材料试样200所受外部压缩与其内部水化的早期联合作用过程，并可在不卸载的情况下获得水泥基材料试样200的弹性模量、水化程度、孔隙结构等多种物理化学性能结果，实验结束后，还可将水泥基材料试样200卸载脱模，用于研究早龄期压缩-水化联合作用对长期性能的影响，有利于深化对于水泥基材料的认识与理解，为理论研究与工程应用提供更为真实的材料性能试验结果。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，试样压缩加载模块可以包括：反力架11、浇筑筒12、加载活塞13和液压单元14。反力架11可以直接或间接为水泥基材料试样200提供支撑力。反力架11适于支撑浇筑筒12，浇筑筒12用于水泥基材料试样200的浇筑成型，且浇筑筒12限定出两端敞开的浇筑空间126，如图1所示，浇筑筒12限定出上端和下端均敞开的浇筑空间126。加载活塞13伸入浇筑空间126内，加载活塞13适于夹设水泥基材料试样200，且加载活塞13适于向水泥基材料试样200施加力。液压单元14用于驱动加载活塞13沿浇筑空间126的轴向移动以向水泥基材料试样200施加力，需要说明的是，液压单元14用于驱动加载活塞13沿浇筑空间126的轴向移动，从而使加载活塞13向水泥基材料试样200施加力。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，环境温度控制模块4可以包括：隔热箱41和智能控温单元42，智能控温单元42、反力架11、浇筑筒12和加载活塞13均设于隔热箱41内，智能控温单元42用于调节隔热箱41内温度。其中，隔热箱41为密封的箱体，隔热箱41可以为水泥基材料试样200提供密封环境，隔热箱41由隔热材料制成，隔热箱41用于将试验环境与外界隔离。智能控温单元42可以实时监测隔热箱41内空气温度，智能控温单元42通过升温与降温功能将隔热箱41内部空气温度维持在设定值。如此设置能够实现控制试验温度以模拟真实工程温度变化效果。

进一步地，如图1所示，反力架11可以包括：定位螺母114、反力架拉杆111、反力架上顶板112和反力架下顶板113，反力架拉杆111的下端与反力架下顶板113固定连接，反力架拉杆111的外周壁具有外螺纹，反力架拉杆111穿设于反力架上顶板112，定位螺母114用于将反力架上顶板112定位于反力架拉杆111，反力架下顶板113适于直接或间接支撑浇筑筒12。其中，反力架拉杆111可旋入反力架下顶板113组成主要承力框架，定位螺母114安装于反力架拉杆111，且定位螺母114位于反力架上顶板112的下侧，进一步地，反力架上顶板112的上侧也可以设置有定位螺母114，定位螺母114可以将反力架上顶板112定位于反力架拉杆111上合适的高度处。这样设置能够使反力架11简单。

进一步地，如图1所示，环境温度控制模块4包括隔热箱41，反力架11设于隔热箱41内，反力架下顶板113和隔热箱41间支撑有隔温垫块115。其中，通过隔温垫块115支撑在反力架下顶板113和隔热箱41之间，能够使反力架下顶板113和隔热箱41间隔开，可以防止隔热箱41与反力架11发生热量传导，使得水泥基材料试样200仅与隔热箱41内部空气发生热交换。

在本发明的一些实施例中，如图1和图2所示，浇筑筒12设置于隔热箱41内，浇筑筒12可以包括：内层浇筑筒121和外层浇筑筒122，外层浇筑筒122套设于内层浇筑筒121外侧，且内层浇筑筒121和外层浇筑筒122贴合。其中，内层浇筑筒121可以限定出横截面为圆形的浇筑空间126，浇筑空间126的上端和下端均敞开设置，可以从浇筑空间126的敞开端向浇筑空间126内浇筑水泥基材料以形成水泥基材料试样200，浇筑空间126的内侧壁可以为水泥基材料试样200提供侧向限位。其中，内层浇筑筒121的外径尺寸与外层浇筑筒122的内径尺寸相同，从而可以使内层浇筑筒121和外层浇筑筒122紧密贴合。

进一步地，如图1和图2所示，外层浇筑筒122可以包括第一外层筒1221和第二外层筒1222，内层浇筑筒121包括第一内层筒1211和第二内层筒1212，第一内层筒1211和第二内层筒1212连接以限定出浇筑空间126，第一外层筒1221和第二外层筒1222连接且套设于内层浇筑筒121外侧，第一外层筒1221和第二外层筒1222的连接处连线与第一内层筒1211和第二内层筒1212的连接处连线交叉设置。其中，第一内层筒1211和第二内层筒1212相互抵接以限定出浇筑空间126，第一外层筒1221和第二外层筒1222均设于内层浇筑筒121外侧，第一外层筒1221和第二外层筒1222通过紧固螺栓123和紧固螺母124配合装配，从而将内层浇筑筒121固定于外层浇筑筒122内，进而使第一内层筒1211和第二内层筒1212限定出浇筑空间126，通过将外层浇筑筒122、内层浇筑筒121均设置为分体式结构，试验结束后可将外层浇筑筒122、内层浇筑筒121拆开，取出内部的水泥基材料试样200用于后续其他检测，实现脱模效果。

并且，通过使第一外层筒1221和第二外层筒1222的连接处连线与第一内层筒1211和第二内层筒1212的连接处连线交叉设置，进一步地，第一外层筒1221和第二外层筒1222的连接处连线与第一内层筒1211和第二内层筒1212的连接处连线垂直设置，可以确保外层浇筑筒122和内层浇筑筒121组合成筒体后的力学整体性。

在本发明的一些实施例中，如图2所示，浇筑空间126的内侧壁可以设有绝缘层125，绝缘层125可以设置为PVC硬塑，绝缘层125也可以设置为绝缘胶，绝缘层125还可以通过喷涂聚四氟乙烯涂层形成，但本发明不限于此，绝缘层125还可以为其他绝缘材料。通过设置在浇筑空间126的内侧壁设有绝缘层125，当水泥基材料试样200两端接通交流电时不会被短路。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，加载活塞13可以包括：上加载活塞131和下加载活塞132，浇筑空间126的上端和下端均敞开设置，上加载活塞131适于从浇筑空间126的上敞开端伸入浇筑空间126内，下加载活塞132适于从浇筑空间126的下敞开端伸入浇筑空间126内，液压单元14适于驱动上加载活塞131和下加载活塞132中的一个朝向水泥基材料试样200移动，如图1所示，液压单元14适于驱动下加载活塞132朝向水泥基材料试样200移动，从而使下加载活塞132向水泥基材料试样200施加载荷力。其中，水泥基材料试样200夹设在上加载活塞131和下加载活塞132之间，液压单元14驱动下加载活塞132向上移动时，下加载活塞132挤压水泥基材料试样200，从而实现压缩水泥基材料试样200的效果。

进一步地，如图1、图4和图5所示，上加载活塞131和浇筑空间126的内侧壁间、下加载活塞132和浇筑空间126的内侧壁间均夹设有密封圈133。其中，上加载活塞131的外周壁套设有密封圈133，下加载活塞132的外周壁套设有密封圈133，上加载活塞131伸入浇筑空间126内后，上加载活塞131上的密封圈133密封上加载活塞131与浇筑空间126的内侧壁间的间隙，下加载活塞132上的密封圈133密封下加载活塞132与浇筑空间126的内侧壁间的间隙，这样设置能够保证加载活塞13与浇筑空间126的内侧壁之间接触的水密性，由此可以在水泥基材料试样200仍处于液态或塑态时就通过所述加载活塞13进行加载。

具体而言，样品制备阶段，下加载活塞132首先从浇筑空间126的下端伸入浇筑空间126，然后将水泥基材料浇筑于浇筑筒12的浇筑空间126中，浇筑完成后上加载活塞131从浇筑空间126的上端压入浇筑空间126直至与水泥基材料试样200的上表面接触，由此完成样品的制备。实验结束后，将上加载活塞131和下加载活塞132从浇筑空间126中取出，旋松外层浇筑筒122上的紧固螺栓123，即可从内层浇筑筒121中脱模取出水泥基材料试样200，用于后续研究早龄期变形-水化耦合对长期性能的影响。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，液压单元14可以包括：千斤顶141、高压油管142和油泵143，高压油管142连接在千斤顶14和油泵143之间，千斤顶141与加载活塞13抵接，油泵143驱动千斤顶141驱动加载活塞13移动。其中，千斤顶141设置在隔热箱41内，油泵143可以设置在隔热箱41外部，高压油管142可以穿设于隔热箱41，千斤顶141支撑于下加载活塞132的下方，油泵143工作时，油泵143通过高压油管142将油泵入千斤顶141，千斤顶141顶升下加载活塞132，使下加载活塞132向水泥基材料试样200施加载荷力，压缩水泥基材料试样200，从而实现驱动加载活塞13压缩水泥基材料试样200效果。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，力学信息量测模块可以包括：应力测量单元21和应变测量单元22,应力测量单元21、应变测量单元22均与力学信号记录单元23通信连接,应力测量单元21用于测量水泥基材料试样200两端压缩荷载，应变测量单元22用于测量水泥基材料试样200变形，具体地，应变测量单元22用于实时测量水泥基材料试样200轴向、横向变形，力学信号记录单元23用于实时记录所有力学相关信息。其中，应力测量单元21和应变测量单元22均可以将检测信息传递至力学信号记录单元23，从而使力学信号记录单元23记录应力测量单元21和应变测量单元22的检测信息。

进一步地，如图1所示，应力测量单元21具有上压力传感器211和下压力传感器212,上压力传感器211设置在反力架11和上加载活塞131之间,下压力传感器212设置在反力架11和下加载活塞132之间。具体地，上压力传感器211设置在反力架上顶板112和上加载活塞131之间,下压力传感器212设置在反力架下顶板113和下加载活塞132之间。其中，上压力传感器211和下压力传感器212均与力学信号记录单元23通信连接，上压力传感器211和下压力传感器212可以检测出水泥基材料试样200两端受力，从而实现应力测量单元21测量水泥基材料试样200两端压缩荷载效果。

进一步地，如图1所示，应变测量单元22具有位移传感器，位移传感器用于测量上加载活塞131和下加载活塞132间的相对位移。进一步地，位移传感器可以包括第一位移传感器221和第二位移传感器222，如图1所示，第一位移传感器221和第二位移传感器222分别设置在浇筑筒12的两侧，且第一位移传感器221和第二位移传感器222关于浇筑筒12对称布置，第一位移传感器221和第二位移传感器222均用于测量上加载活塞131和下加载活塞132间的相对位移。具体地，第一位移传感器221可以通过夹具分别与上加载活塞131和下加载活塞132连接，第二位移传感器222可以通过夹具分别与上加载活塞131和下加载活塞132连接，从而实现位移传感器测量上加载活塞131和下加载活塞132间的相对位移效果。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，水化过程监测模块可以包括：电阻率监测单元32和超声波监测单元。电阻率监测单元32用于在加载活塞13上连通电源，使得加载活塞13充当电极，电阻率监测单元32可实时记录加载活塞13的电压、电流信号以自动计算出水泥基材料试样200两端面之间的电阻值，进而得到水泥基材料试样200电阻率，反映水化进程中水泥基材料试样200的孔隙结构变化。其中，电阻率监测单元32与上加载活塞131、下加载活塞132均电连接，电阻率监测单元32在上加载活塞131、下加载活塞132上连通低压、低频交流电，使上加载活塞131、下加载活塞132充当电极，电阻率监测单元32并可实时记录电压、电流信号从而计算出此时水泥基材料试样200上下两端面之间的电阻值，进而通过电阻值随时间的变化间接反映水泥基材料试样200水化过程的孔隙结构变化。

超声波监测单元用于向加载活塞13与水泥基材料试样200的交界面发射超声波，并且超声波监测单元实时接收交界面反射回来的反射波，超声波监测单元通过对比入射波与反射波的衰减关系，计算得到水泥基材料试样200的弹性模量，进而反映水泥基材料试样200的固体骨架的生长情况。

进一步地，如图1所示，超声波监测单元可以包括：超声波收发探头311和超声记录仪313，超声波收发探头311和超声记录仪313通信连接，超声波收发探头311设于上加载活塞131内，超声波收发探头311用于向上加载活塞131与水泥基材料试样200的交界面发射超声波，并且超声波收发探头311实时接收交界面反射回来的反射波，超声记录仪313用于实时记录超声探测信息。其中，超声波收发探头311用于将入射波与反射波传输至超声记录仪313，超声记录仪313接收到入射波与反射波信息后，超声记录仪313通过对比入射波与反射波的衰减关系，计算得到水泥基材料试样200的弹性模量，进而反映水泥基材料试样200的固体骨架的生长情况。

进一步地，如图1所示，超声波监测单元还可以包括：定位弹簧312，定位弹簧312适于向超声波收发探头311施加弹力以使超声波收发探头311与上加载活塞131贴合。具体地，如图1所示，定位弹簧312设置在超声波收发探头311上方，定位弹簧312设置在上加载活塞131内，定位弹簧312被压缩，利用定位弹簧312的弹力使得超声波收发探头311紧贴上加载活塞131，保证超声波收发探头311与入射表面的耦合度，从而使超声波收发探头311顺利接收交界面反射回来的反射波。

下面结合附图1-图5描述根据本发明实施例的试验装置的工作过程。

反力架11置于隔热箱41中，智能控温单元42控制隔热箱41内温度，在反力架下顶板113上由下至上依次同轴放置了下压力传感器212、千斤顶141、下加载活塞132、组装完成的双层浇筑筒12，其中下加载活塞132套上了双层密封圈133并从下方推入浇筑空间126内，浇筑空间126内浇筑了水泥基材料试样200，套好双层密封圈133的上加载活塞131从上方推入浇筑空间126内，并于上加载活塞131上同轴放置了上压力传感器211。反力架上顶板113通过定位螺母114的调节，恰好与上压力传感器211接触，通过控制油泵143对水泥基材料试样200进行加载，通过力学信息量测模块、水化过程监测模块实时记录实验数据。

其实验操作步骤如下：

S1：试验开始前检查各模块情况，确保各部分可正常工作；

S2：将第一内层筒1211和第二内层筒1212箍在第一外层筒1221和第二外层筒1222内部，利用紧固螺栓123、紧固螺母124将第一内层筒1211和第二内层筒1212连接成完整的空心圆筒；

S3：在内层浇筑筒121的内侧壁覆盖绝缘层125，完成绝缘处理；

S4：打开隔热箱41的箱门，在隔热箱41底壁上放置反力架下顶板113，在反力架下顶板113上旋入反力架拉杆111；

S5：在反力架下顶板113中心位置，自下而上依次同轴放置下压力传感器212、千斤顶141、下加载活塞132、组装完成的浇筑筒12，其中下加载活塞132套上了双层密封圈133并从下方推入浇筑空间126内形成水泥基材料试样200的浇筑模具；

S6：在所形成的浇筑模具中，浇筑水泥基材料试样200；

S7：将套好双层密封圈133的上加载活塞131从上方推入浇筑空间126内，直至上加载活塞131正好与水泥基材料试样200的上表面接触；

S8：将超声波收发探头311布设到上加载活塞131内，通过定位弹簧312压紧在上加载活塞131内；

S9：上加载活塞131上方同轴放置上压力传感器211，调节定位螺母114，使得反力架上顶板113恰好与上压力传感器211接触，且牢固定位在此处；

S10：在浇筑筒12的两侧，分别布设第一位移传感器221、第二位移传感器222，第一位移传感器221、第二位移传感器222通过夹具与上加载活塞131和下加载活塞132相接，以此测量上加载活塞131和下加载活塞132的相对位移；

S11：将应力测量单元21、应变测量单元22与力学信号记录单元23连接，将超声波收发探头311与超声记录仪313连接，将上加载活塞131、下加载活塞132与电阻率监测单元32连接；

S12：接通设备电源，力学信息量测模块、水化过程检测模块开始工作；

S13：关闭隔热箱41的箱门，打开智能控温单元42，将隔热箱41内温度设置到指定值；

S14：从初始龄期T0起(根据试验需要，最早可从新拌状态即开始加载)，控制油泵143对水泥基材料试样200进行持续的应变加载，力学信息量测模块、水化过程监测模块实时记录全过程的力学、水化信息；

S15：在达到试验所需的水泥基材料龄期T1后，控制油泵143对千斤顶141进行完全卸载，打开隔热箱41的箱门，根据安装的逆序依次从反力架11上卸下反力架上顶板112、上压力传感器211、上加载活塞131、浇筑筒12、下加载活塞132、千斤顶141、下压力传感器212、反力架拉杆111，将反力架下顶板113从隔热箱41中取出；

S16：旋下外层浇筑筒122上的紧固螺栓123、紧固螺母124，依次对半拆开外层浇筑筒122、内层浇筑筒121，取出内部的水泥基材料试样200；

S17：试验完毕，保存试验过程数据，关闭力学信息量测模块、水化过程监测模块、环境温度控制模块4的电源，清理反力架下顶板113和隔热箱41底面。

根据本发明实施例的水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验装置的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

需要说明的是，连续监测水泥基材料试样200应采用无损的监测手段，无损的监测手段是指不破坏水泥基材料试样200。

如图1-图6所示，根据本发明实施例的水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验方法，使用上述实施例的试验装置完成本发明实施例的试验方法，试验方法包括以下步骤：

S100、按照配合比拌合水泥基材料，将水泥基材料浇筑于浇筑筒(即模具)内，将浇筑筒放置于温度可控的密封环境下水化以形成水泥基材料试样。

需要说明的是，步骤S100为水泥基材料的拌合与浇筑，包括根据需要拌合水泥基材料，将新拌水泥基材料浇筑于上述实施例中的浇筑筒内，以及将浇筑筒密封后放置于温度可控的环境中，例如：可以将浇筑筒放置于试验装置的隔热箱内。

S200、从某个起始龄期，按照预定的应变路径，对水泥基材料试样施加持续、可控的力，并在过程中连续监测水泥基材料试样的性能指标，以获取水泥基材料试样的性能变化过程。

需要说明的是，步骤S200为压缩加载与性能监测，即从某个较早的龄期开始，在水泥基材料水化养护的同时，试验装置的试样压缩加载模块对水泥基材料试样施加持续、可控的压缩荷载，并同步连续监测水泥基材料试样的各项性能指标，得到水泥基材料试样在压缩-水化联合作用下的性能演变。可选地，某个较早的龄期开始，既可以是水泥基材料凝结硬化后的某个较早龄期，也可以是水泥基材料尚未凝结、仍为流态或塑态的某个极早龄期。可选地，按照预定应变路径的持续、可控的外部压缩，既可以是单向累积压缩，也可以是往复压缩。

S300、待到指定龄期后，卸去水泥基材料试样所受力，取出水泥基材料试样，用于进行后续的测试。

需要说明的是，步骤S300为卸载脱模，在指定的龄期结束压缩-水化联合作用试验，卸去压缩荷载后将水泥基材料试样从浇筑筒中取出，用于后续的各项测试。

综上，本发明实施例首先将水泥基材料浇筑于浇筑筒中，然后在温度可控的隔热箱41内控制试样压缩加载模块对早龄期水泥基材料试样施加压缩荷载，期间同步监测压缩-水化联合作用下的水泥基材料性能演变，最后在指定的龄期将水泥基材料试样脱模，用于后续检测。本发明实施例的试验方法通过构建早龄期水泥基材料的压缩-水化联合作用，同时在受荷状态下有效监测材料性能演变，在卸荷后可运用更多技术手段检测试样物理化学指标，促进了对于相关工况下水泥基材料宏微观特性的认识与理解，为工程应用与科学研究提供更为可靠的试验依据。并且，通过本发明的试验方法，最早能从新拌状态起就对水泥基材料试样持续施加外部压缩，实现“压缩-水化”的长期共同作用，并可在受载荷状态下同步监测水泥基材料试样的应力应变曲线、水化程度、孔隙结构、骨架发育等各类特性，直至特定的脱模龄期，有利于深化对于水泥基材料的认识与理解，为工程应用与科学研究提供更为真实可靠的实验结果。

需要说明的是，连续监测水泥基材料试样应采用无损的监测手段，无损的监测手段是指不破坏水泥基材料试样。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (18)

1.一种水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验装置，其特征在于，包括：

试样压缩加载模块，所述试样压缩加载模块用于水泥基材料试样的浇筑成型，且还用于向所述水泥基材料试样施加力；

力学信息量测模块，所述力学信息量测模块用于实时、连续测量所述水泥基材料试样的力学信息；

水化过程监测模块，所述水化过程监测模块用于监测所述水泥基材料试样水化进程；

环境温度控制模块，所述环境温度控制模块用于控制试验温度以模拟真实工程温度变化。

2.根据权利要求1所述的水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验装置，其特征在于，所述试样压缩加载模块包括：

反力架；

浇筑筒，所述反力架适于支撑所述浇筑筒，所述浇筑筒用于所述水泥基材料试样的浇筑成型且限定出两端敞开的浇筑空间；

加载活塞，所述加载活塞伸入所述浇筑空间内，且所述加载活塞适于向所述水泥基材料试样施加力；

液压单元，所述液压单元用于驱动所述加载活塞沿所述浇筑空间的轴向移动以向所述水泥基材料试样施加力。

3.根据权利要求2所述的水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验装置，其特征在于，所述反力架包括：定位螺母、反力架拉杆、反力架上顶板和反力架下顶板，所述反力架拉杆的下端与所述反力架下顶板固定连接，所述反力架拉杆的外周壁具有外螺纹，所述反力架拉杆穿设于所述反力架上顶板，所述定位螺母用于将所述反力架上顶板定位于所述反力架拉杆，所述反力架下顶板适于支撑所述浇筑筒。

4.根据权利要求3所述的水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验装置，其特征在于，所述环境温度控制模块包括隔热箱，所述反力架设于所述隔热箱内，所述反力架下顶板和所述隔热箱间支撑有隔温垫块。

5.根据权利要求4所述的水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验装置，其特征在于，所述浇筑筒设于所述隔热箱内，所述浇筑筒包括：内层浇筑筒和外层浇筑筒，所述外层浇筑筒套设于所述内层浇筑筒外侧，且所述内层浇筑筒和所述外层浇筑筒贴合。

6.根据权利要求5所述的水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验装置，其特征在于，所述外层浇筑筒包括第一外层筒和第二外层筒，所述内层浇筑筒包括第一内层筒和第二内层筒，所述第一内层筒和所述第二内层筒连接以限定出所述浇筑空间，所述第一外层筒和所述第二外层筒连接且套设于所述内层浇筑筒外侧，所述第一外层筒和所述第二外层筒的连接处连线与所述第一内层筒和所述第二内层筒的连接处连线交叉。

7.根据权利要求2所述的水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验装置，其特征在于，所述加载活塞包括：上加载活塞和下加载活塞，所述浇筑空间的上端和下端均敞开设置，所述上加载活塞适于从所述浇筑空间的上敞开端伸入所述浇筑空间内，所述下加载活塞适于从所述浇筑空间的下敞开端伸入所述浇筑空间内，所述液压单元适于驱动所述上加载活塞和所述下加载活塞中的一个朝向所述水泥基材料试样移动。

8.根据权利要求7所述的水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验装置，其特征在于，所述上加载活塞和所述浇筑空间的内侧壁间、所述下加载活塞和所述浇筑空间的内侧壁间均夹设有密封圈。

9.根据权利要求2所述的水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验装置，其特征在于，所述液压单元包括：千斤顶、高压油管和油泵，所述高压油管连接在所述千斤顶和所述油泵之间，所述千斤顶与所述加载活塞抵接，所述油泵驱动所述千斤顶驱动所述加载活塞移动。

10.根据权利要求7所述的水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验装置，其特征在于，所述力学信息量测模块包括应力测量单元和应变测量单元,所述应力测量单元、所述应变测量单元均与力学信号记录单元通信连接,所述应力测量单元用于测量所述水泥基材料试样两端压缩荷载；

所述应变测量单元用于测量所述水泥基材料试样变形。

11.根据权利要求10所述的水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验装置，其特征在于，所述应力测量单元具有上压力传感器和下压力传感器,所述上压力传感器设置在所述反力架和所述上加载活塞之间,所述下压力传感器设置在所述反力架和所述下加载活塞之间。

12.根据权利要求10所述的水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验装置，其特征在于，所述应变测量单元具有位移传感器，所述位移传感器用于测量所述上加载活塞和所述下加载活塞间的相对位移。

13.根据权利要求7所述的水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验装置，其特征在于，所述水化过程监测模块包括：

电阻率监测单元，用于在所述加载活塞上连通电源，使得所述加载活塞充当电极，所述电阻率监测单元可实时记录所述加载活塞的电压、电流信号以自动计算出所述水泥基材料试样两端面之间的电阻值，进而得到所述水泥基材料试样电阻率，反映水化进程中所述所述水泥基材料试样的孔隙结构变化；

超声波监测单元，所述超声波监测单元用于向所述加载活塞与所述水泥基材料试样的交界面发射超声波，并实时接收所述交界面反射回来的反射波，所述超声波监测单元通过对比入射波与反射波的衰减关系，计算得到所述水泥基材料试样的弹性模量，进而反映所述水泥基材料试样的固体骨架的生长情况。

14.根据权利要求13所述的水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验装置，其特征在于，所述超声波监测单元包括：超声波收发探头和超声记录仪，所述超声波收发探头和所述超声记录仪通信连接，所述超声波收发探头设于所述上加载活塞内，所述超声波收发探头用于向所述上加载活塞与所述水泥基材料试样的交界面发射超声波，并实时接收所述交界面反射回来的反射波，所述超声记录仪用于实时记录超声探测信息。

15.根据权利要求14所述的水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验装置，其特征在于，所述超声波监测单元还包括：定位弹簧，所述定位弹簧适于向所述超声波收发探头施加弹力以使所述超声波收发探头与所述上加载活塞贴合。

16.根据权利要求2所述的水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验装置，其特征在于，所述浇筑空间的内侧壁设有绝缘层。

17.根据权利要求2所述的水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验装置，其特征在于，所述环境温度控制模块包括：隔热箱和智能控温单元，所述智能控温单元、反力架、浇筑筒和加载活塞均设于所述隔热箱内，所述智能控温单元用于调节所述隔热箱内温度。

18.一种水泥基材料早龄期压缩-水化联合作用的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

按照配合比拌合水泥基材料，将水泥基材料浇筑于浇筑筒内，将所述浇筑筒放置于温度可控的密封环境下水化以形成水泥基材料试样；

从某个起始龄期，按照预定的应变路径，对所述水泥基材料试样施加持续、可控的力，并在过程中连续监测所述水泥基材料试样的性能指标，以获取所述水泥基材料试样的性能变化过程；

待到指定龄期后，卸去所述水泥基材料试样所受力，取出所述水泥基材料试样，用于进行后续的测试。

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