一种应力测量装置及测量方法与流程

本发明涉及一种应力测量装置，尤其涉及一种压实体的膨胀应力测量装置及测量方法。
背景技术：
：防止水泥混凝土开裂的措施有掺入纤维、加入减缩剂、添加膨胀剂，而利用膨胀组分在水化过程中产生的膨胀应力来补偿水泥混凝土内部各种收缩引起的内应力是预防其收缩开裂的主要措施之一。对于膨胀剂产生膨胀的机理已有大量的研究，很多学者从理论上推断了膨胀应力产生的主要原因，但是观点没有达到统一。目前，被学者普遍接受的主要有结晶压理论和吸水肿胀理论。通过该装置可以从宏观上借助实验验证来比较膨胀组分水化产生膨胀的结晶压力和吸水肿胀应力的大小。技术实现要素：本发明要解决的问题是克服膨胀机理和模型众说不一的弊病，提供一种直观测试膨胀组分水化产生膨胀应力的装置，以验证膨胀组分水化产生的结晶压力和水化产物吸水肿胀应力的大小。本发明所采取的技术方案为：一种应力测量装置，包括呈一维方向布置的约束装置、样品模具和压力传感器，所述约束装置对所述样品模具和所述压力传感器实现一维方向上的限位，所述样品模具包括有空腔和用于盖合空腔的盖体，所述空腔内填充有待测样品，所述盖体与所述待测样品接触且将所述待测样品的膨胀应力传递于所述传感器；所述传感器连接有变送器，所述变送器接收所述传感器的物理模拟信号，并将其转换为数字信号，所述变送器将数字信号传输至数据采集系统。进一步的，所述约束装置包括平行放置的下限位板和上限位板，所述空腔、盖体和传感器呈一维方向排列置于所述下限位板和上限位板之间。进一步的，所述样品磨具包括下盖体、上盖体和筒体侧壁，所述下盖体、上盖体和筒体侧壁围成一筒形空腔，所述下盖体上设有置于空腔内的凸台，所述凸台与所述筒体侧壁之间具有间隙。进一步的，所述筒形空腔直径较所述凸台直径大2-7mm。进一步的，所述筒形空腔直径较所述凸台直径大5mm。进一步的，所述传感器和所述上限位板之间设有抗偏载侧头，所述抗偏载侧头朝向传感器的一侧设有第一凹槽，传感器一端嵌合于所述第一凹槽内。进一步的，所述下限位板和所述上限位板上分别设有第二凹槽和第三凹槽，所述下盖体朝向下限位板的一端嵌合于第二凹槽内，所述抗偏载侧头朝向上限位板的一端嵌合于第三凹槽内。进一步的，所述传感器为重力式传感器，所述重力式传感器置于样品模具上方，所述第一方向为垂直方向，所述第二方向为水平方向。进一步的，所述下限位板和所述上限位板均水平放置，所述样品模具各处的横切面相同，所述横切面为水平方向的切面。进一步的，盖体和筒体端部之间存在缝隙。本发明还公布了一种基于上述装置的氧化镁膨胀应力测量方法，包括以下步骤：s01将待测氧化镁粉末填充于样品模具的空腔内，并压实形成压实体；s02将样品磨具置于应力测量装置上并固定；s03将传感器以下的样品模具置于naoh养护液中，养护液通过盖体和筒体内壁之间的缝隙进入压实体并与之反应；s04计算压实体传递于传感器的膨胀应力。本发明还公布了一种基于上述装置的氧化镁吸水肿胀压力测量方法，包括以下步骤：s01将氧化镁粉末进行水化得到氢氧化镁粉末；s02将氢氧化镁粉末填充于样品模具的空腔内，并压实形成压实体；s03将样品磨具置于应力测量装置上并固定；s04将传感器以下的样品模具置于水中养护，水通过盖体和筒体内壁之间的缝隙进入压实体并产生吸水肿胀；s05计算压实体传递于传感器的膨胀应力。本发明所产生的有益效果包括：本装置可直观的检测膨胀剂粉末压实体的膨胀应力大小，并可检测膨胀剂膨胀应力的主要来源。实验验证晶体结晶和吸水肿胀两者的大小关系，为一直以来的关于氧化镁膨胀剂膨胀原理的学术争论提供了有力的证据。同时，该装置不只适用于膨胀剂的膨胀应力的测试，也适用于其它的能够产生膨胀的物质的测试，例如岩石的膨胀应力、水泥浆体产生的膨胀应力。除了混凝土领域，其它物质膨胀应力的测试也可以借助于本装置进行测试。附图说明图1本发明中测量装置的结构示意图；图2本发明中螺杆结构示意图；图3本发明中上限位板结构示意图；图4本发明中下限位板结构示意图；图5本发明中样品模具的结构示意图；图中1、上限位板，1-1、第三凹槽，2、下限位板，2-1、第二凹槽，3、样品模具，3-1、筒体，3-2、上盖体，3-2-1、第二凸台，3-3、下盖体，3-3-1、第一凸台，4、传感器，5、抗偏载测头，6、变送器，7、数据采集系统，8、螺杆。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。如图1所示，本发明中的测量装置包括约束装置、样品模具3和传感器4，约束装置包括上下水平设置的下限位板2和上限位板1，样品磨具和传感器4置于两限位板之间；样品磨具包括筒体3-1侧壁、筒体3-1下端的下盖体3-3和筒体3-1上端的上盖体3-2，筒体3-1、下盖体3-3和上盖体3-2围成一上下等截面的筒形空腔，将待测样品填充于筒形空腔内，当样品膨胀时样品对上端的上盖体3-2施加力，在约束装置的作用下，样品模具3和传感器4在竖直方向上的总长度不变，故传感器4可接收到样品膨胀产生的压力。本实施例中的传感器4为重力式传感器4，该重力传感器4连接有变送器6和数据采集系统7，变送器6接收传感器4产生的4-20ma物理模拟信号，并将其转换为4-20ma的数字信号，数字信号可直接由数据采集系统7接收纪录。上限位板1和下限位板2均为正方形结构。为了防止测量过程中应力测量的准确度，防止产生偏载以及增加样品模具3的稳定性，在传感器4和上限位板1之间设有抗偏载测头5，抗偏载测头5朝向传感器4的一侧设有第一凹槽，传感器4一端嵌合于第一凹槽内；下限位板2和上限位板1上分别设有第二凹槽2-1和第三凹槽1-1，下盖体3-3朝向下限位板2的一端嵌合于第二凹槽2-1内，抗偏载测头5朝向上限位板1的一端嵌合于第三凹槽1-1内。本发明中的样品模具3、第一凹槽、第二凹槽2-1、第三凹槽1-1、抗偏载测头5均沿筒体3-1中心轴分布。本发明中的筒体3-1内径为24mm、筒高为50mm，在三维约束条件下，筒体3-1内的压实体可与外界溶液反应产生膨胀应力，传感器4受力产生模拟信号传输到数据采集系统7。本发明中的上限位板1和下限位板2之间通过四根螺杆8固定连接，如图2所示。为了使试样能够与溶液充分接触，且不影响膨胀应力的测试，下盖体3-3和上盖体3-2上分别设有第一凸台3-3-1和第二凸台3-2-1，盖体栓赛筒体3-1时，第一凸台3-3-1和第二凸台3-2-1均置于筒体3-1内，筒体3-1内壁和第一凸台3-3-1、第二凸台3-2-1之间均留有0.2-0.7mm的缝隙，优选0.5mm的缝隙，盖体和筒体3-1端部之间也预留有缝隙。为解决能够连续测试压实体水化产生的膨胀应力的问题，装置设计了传感器4，直接承受测量筒内压实体反应产生的膨胀力，传感器4可以产生模拟信号，为适应不同样品膨胀应力的大小，提供了量程分别为1t、2t、4.7t、10t的传感器4。本发明中的数据采集系统7可收集并储存实验周期内的膨胀应力的数值。为更好的起到约束作用，模具采用的钢材是硬度大、抗腐蚀性强的crwmn钢材，其硬度为hrc61，弹性模量224gpa。为解决避免螺母预紧力不同产生偏载的问题，在上限位块的上表面中心位置固定有水平仪。图1到图4依次给出了装置的设计示意图、约束框架的螺杆8截面尺寸图、模具上下圆盘的截面图、样品模具3的截面尺寸图。样品模具3如图4，设计其样品筒为内径24mm、高50mm。在筒体3-1上安装下盖体3-3，将样品从筒体3-1另一端开口加入，放到压力机上压实。例如，在实施过程中，向样品模具3内，加入氧化镁膨胀剂的量为40g，压力机设置参数为400mpa、保压时间3s。将样品模具3，安装约束装置中心。本发明中的传感器4为三线式称重传感器4，工作电源是24dc，输出4-20ma的物理模拟信号。安装在装有压实体的模具上，传感器4下部留有第四凹槽，该凹槽和样品模具3的上盖体3-2嵌接，传感器4可接受样品模具3中样品反应产生的膨胀应力，并产生物理模拟信号传递出去。本发明选用的32通道的数据采集系统7，基本测量、显示误差可控制在0.3％f.s，直流电流输入(4-20)ma，(0-10)ma，(0-20)ma，电流输出有(4-20)ma，(0-10)ma，(0-20)ma可选。本发明装置的数据采集系统7产生的数字信号表示其重量大小，单位是kg。数据采集系统7接收的是称重信号，我们需要根据公式1计算其产生的膨胀应力。式中：σ为膨胀应力，ft和fo分别为在时间t和初始时的传感器4测量值(kg)，g表示重力加速度，取9.8m/s2，d为筒体3-1内径，π值取3.14。本发明已通过具体实施方案证实其工作的稳定性和可行性，该装置均可持续稳定纪录其产生的膨胀大小，并计算其膨胀应力。实施例1采用上述装置测量氧化镁膨胀压力的测量方法。试验选用的1mol/l的naoh溶液：用量筒量取去离子水4l，天平称取160g分析纯naoh，将naoh加入水中，木棒不断搅拌直至naoh完全溶解。本发明装置试验选用的样品是氧化镁膨胀剂，经由950℃、保温时间1h煅烧菱镁矿制备，通过水合柠檬酸法测定其活性值为110s。测量步骤：s01将待测氧化镁粉末填充于样品模具3的空腔内，并压实形成压实体；s02将样品磨具置于应力测量装置上并将传感器4、抗偏载测头5等其它部件进行固定安装；s03将样品模具3放入naoh养护液养护，为了保护装置、延长装置使用寿命，养护溶液高度不得超过传感器4，养护液通过盖体和筒体3-1内壁之间的缝隙进入压实体并与之反应；s04在装置试验过程中，装置纪录试验结果，并根据式1计算其σ值，如表1所示。由表1得：在试验周期内，可以稳定测试其水化产生的膨胀应力，且在27d时达到了稳定值(装置允许误差范围内)。实施例2采用上述装置测量氧化镁吸水肿胀压力的测量方法。操作步骤如下：1、将氧化镁水化生成氢氧化镁：经由950℃、保温时间1h煅烧菱镁矿制得的氧化镁水化生成氢氧化镁后过160um筛。该步骤是为了消除氧化镁水化反应产生结晶压力的影响。2、将氢氧化镁粉末填充于样品模具3的空腔内，并压实形成压实体；3、将样品磨具置于应力测量装置上并将传感器4、抗偏载测头5等其它部件进行固定安装；4、将样品模具3放入水中养护，为了保护装置、延长装置使用寿命，养护溶液高度不得超过传感器4，水通过盖体和筒体3-1内壁之间的缝隙进入压实体产生吸水肿胀；5、在装置试验过程中，装置纪录试验结果，并根据式1计算其σ值，如表2所示，在试验周期内，可以稳定测试其吸水肿胀应力值，且在4d时达到了稳定值(装置允许误差范围内)。表1氧化镁膨胀应力值时间t(d)纪录数值f(kg)膨胀应力σ(mpa)135.6250.78788252261.5635.7847273083398.3138.8090903084497.31310.998574315579.43812.814850816646.87514.30628757646.87514.30628758703.68815.562763819753.18816.657505811079717.62645211833.518.43368612870.06319.2423133113905.87520.03433151493720.72269215966.56321.376507311699321.961188171084.623.9870136181162.325.7054268191236.827.3530688201302.628.8083016211397.330.9026868221432.331.6767468231506.533.317754241612.535.66205251705.837.7254728261797.239.7468752271834.140.5629556281832.31240.52341219291830.81240.49023819301830.93840.49302481311830.540.483338321829.68840.46537981331829.68840.46537981341829.540.461222351829.93740.47088669表2氢氧化镁吸水肿胀应力值时间t(d)纪录数值f(kg)吸水肿胀应力σ(mpa)12.4320.053786282220.6720.457183399331.3850.694112857457.8631.279702158558.9931.304693318657.6251.274438534757.7321.276804953858.8811.302216318957.3981.2694181861057.6491.2749693191158.1721.2865360241257.8041.27839731本发明装置测得的氧化镁样品的膨胀应力远大于其水化产物的吸水肿胀应力。由此可得，水化产物的吸水肿胀应力只贡献了小部分的膨胀应力，膨胀应力主要是由水化产生的结晶压力贡献的。当前第1页12