持荷混凝土耐久性試驗加載裝置

余濤

（江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西贛州 341000）

隨著混凝土材料耐久性問題帶來的負面影響愈加突出，學者們對混凝土耐久性問題的鉆研也從單個因素作用發展到多種因素及其耦合作用。其中，荷載與環境因素共同作用下混凝土結構的耐久性研究是一項重要內容，相關研究表明，外加應力會引起混凝土微觀結構的改變，從而導致宏觀上的破壞，因此在研究混凝土的耐久性問題時必須考慮外加應力因素的影響，經過多年發展，混凝土材料耐久性試驗持荷加載裝置主要分為三類：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杠桿原理進行設計實現荷載作用的，這種裝置通過雙杠桿將設計需要的外荷載經過兩次放大傳遞給試件梁，采用自平衡裝置使試件受到持續而穩定的荷載作用，無需加裝其他反力裝置，雙杠桿可將外荷載放大72～90 倍，如需使裝置產生更大的彎曲應力，可以延長力臂和增加外荷載。常用的試件受彎加載方式有三點式和四點式，三點式是在試件下部設置兩個受力點，在上部設置一個受力點，試件受到彎剪作用；四點式則是在試件上下部各設置兩個受力點，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點是加載水平大，可產生持續穩定的荷載，且可調性強，操作簡單，易于控制，受溫度影響不大。缺點是體積和重量大，不能放入凍融試驗機和碳化箱中，且一次操作只能對一根試件進行加載，后來學者張偉平對此進行改進，使得杠桿加載裝置一次可對多根試件加載，而且可對更大尺寸的試件進行加載，其裝置簡圖見圖1。

2 彈簧加載裝置

彈簧加載裝置其原理取自于胡克定律，其結構簡單易操作，但該套裝置中的彈簧和緊固件易造成應力損失，其中彈簧受溫度影響大，會隨著溫度的變化而產生微小的形變，緊固件中的螺母在濕度有變化時，其摩擦系數會降低，造成細微松動，且受時間跨度干擾大，其中的金屬構件又存在易腐蝕的特性，因而不適用于干濕循環、凍融循環及鹽溶液腐蝕試驗。

圖1 杠桿加載裝置

試件彎拉加載裝置見圖2，在試件的兩端設置預留孔道，在其中穿入高強螺栓和碟形彈簧，加載時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變片，用來控制試件的拉應變，然后擰動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，用調整碟形彈簧壓縮變形量和應變片讀出的拉應力的方式來控制應力值?？梢愿鶕嶋H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生的應力損失。

圖2 試件彎拉加載裝置

試件軸壓加載裝置見圖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，在四角處打孔）、四根高強螺栓、四組碟形彈簧和四個螺母組成。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，所以需用壓力機進行加載，將試件和加載裝置按圖中的方式組裝好后，放在壓力機上，在其上方放置一個實心鋼柱用來導力，設置好壓力機的荷載參數，啟動壓力機，待其穩定后，需用扳手分多次少量地擰緊四個螺母，以防止出現偏心荷載，然后使壓力機回復原位取出即可。該裝置彈簧壓縮所產生的彈力通過承壓板均勻地傳遞到試件上，但在實際操作過程中螺母無法做到絕對的擰緊，造成彈簧的應力損失，所以需用壓力機對其進行富余加載，富余加載的比例可設為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，但無法對荷載值進行精準控制，若需對壓應力進行精準控制，可以通過設置壓力傳感器和應變片來實現。另外該裝置一次只能對一個試塊進行加載，在進行鹽腐蝕試驗時，需對碟簧和夾具增加額外的保護措施。

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，所不同的是其通過扭力扳手對緊固件施加扭矩來獲得軸向荷載，用軸力傳感器來控制軸向荷載的大小，并與中間的圓鋼支座共同作用產生彎拉應力。該裝置受混凝土試件的收縮徐變和緊固件的松弛影響大，如果試驗時間跨度大時，需常擰螺母對其進行應力補償，但隨著時間和環境的變化，其扭矩系數又會發生改變，從而影響到了加載的精度，同樣地，該裝置中采用的金屬構件限制了其在腐蝕環境中的使用，扭矩受彎加載裝置見圖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置預留孔道，在試件孔道中穿入軸力傳感器和緊固件，通過使用大噸位扳手擰緊緊固件來產生軸向荷載，用軸力傳感器來控制軸力的大小。優點是操作方式簡單，體積小，可放入試驗箱中。但其弊端明顯，對于軸向荷載加載量較大的混凝土試件難以操作，當對扭矩扳手加裝導向桿操作時，會導致橫向失穩，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圖5。

圖5 試件受彎加載裝置

4 結束語

以上三種持荷混凝土耐久性試驗加載裝置都有各自的實用性和局限性，應充分考慮到溫度、濕度、尺寸和時間跨度對加載裝置的影響，并根據試驗條件和要求合理選用，以便更好地實現研究目的。