一种低温单轴抗压测试装置及方法

1.本发明涉及低温抗压性能测试技术领域，特别是涉及一种低温单轴抗压测试装置及方法。


背景技术：

2.随着基础工程设施的不断建设发展，越来越多的工程结构开始在高纬度、高海拔等严寒环境中施工运用，混凝土及沥青混凝土在低温环境下的性能变化情况逐渐得到重视。另外，近年来液化天然气(liquefied natural gas，lng)的应用加剧了lng储罐的需求，lng储罐通常由内罐(混凝土结构)和外罐(9％镍钢)构成，其服役环境最大的特点是低温(-40℃～-165℃)，因此混凝土在低温下的力学性能变化成为其能否安全稳定运行的关键。因此，通过试验手段对低温下混凝土、沥青混凝土的力学性能进行系统研究具有极其重要的意义。
3.对于目前现有技术中，常见的、能够用于试验混凝土、沥青混凝土力学性能的普通岩石三轴试验机，由于其试件室暴露于外界环境中，试件的抗压试验受到环境温度限制，只能在常温状态下进行，因而无法实现在施加荷载的同时维持稳定的低温环境，进而无法对试件的低温抗压性能进行测试。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种低温单轴抗压测试装置及方法，能够在施加荷载的同时维持稳定的低温环境，实现对试件的低温抗压性能进行测试。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种低温单轴抗压测试装置，包括：测试单元、温度监测单元、温度控制单元和自增压液氮容器罐；所述测试单元包括岩石三轴试验机和环境箱；所述岩石三轴试验机包括上压板和下压板；
7.所述环境箱通过悬吊装置吊装于所述岩石三轴试验机的所述上压板和所述下压板之间；所述温度监测单元、所述温度控制单元和所述自增压液氮容器罐依次相连；所述自增压液氮容器罐还与所述环境箱连接；
8.所述岩石三轴试验机用于对所述环境箱内的目标试件施加载荷；
9.所述温度监测单元用于监测所述环境箱的箱内温度；
10.所述温度控制单元用于根据所述箱内温度和设定试验温度计算液氮输出流量，并根据所述液氮输出流量发出流量控制指令；
11.所述自增压液氮容器罐用于根据所述流量控制指令输出液氮至所述环境箱内，使所述箱内温度降至所述设定试验温度；
12.所述岩石三轴试验机还用于测量所述目标试件在设定试验温度下的抗压数据。
13.可选地，所述岩石三轴试验机，还包括：门式框架、刚性球型压垫、主油泵和控制器；所述上压板上设有轮辐压力传感器；所述下压板上设有位移传感器；
14.所述上压板固定于所述门式框架的上部；所述下压板固定于所述门式框架的下部；所述刚性球型压垫置于所述下压板端面；所述控制器分别与所述主油泵、所述上压板和所述下压板连接；所述主油泵还与所述下压板连接；
15.所述控制器用于根据设定施加载荷速率发出位移控制指令；
16.所述主油泵用于根据所述位移控制指令控制所述下压板移动，对所述目标试件施加载荷；
17.所述位移传感器用于监测所述下压板的位移数据；
18.所述轮辐压力传感器用于监测所述目标试件的荷载数据；
19.所述控制器还用于根据所述位移数据和所述荷载数据，确定所述目标试件在设定试验温度下的抗压数据。
20.可选地，所述环境箱由两个半圆环结构组成；所述上压板的半径与圆环上端面的内圆半径相同；所述下压板的半径与圆环下端面的内圆半径相同；所述环境箱的箱体侧表面开设有进液孔；所述箱体的内壁上盘旋设有液氮气化槽；所述液氮气化槽的一端与所述进液孔连接；两个所述半圆环结构之间通过不锈钢铰链连接。
21.可选地，所述环境箱，具体包括：不锈钢外壳、保温层和反射层；所述保温层设于所述不锈钢外壳内侧；所述不锈钢外壳外侧和所述保温层内侧分别设有一层所述反射层。
22.可选地，所述保温层，具体包括：橡胶板保温棉层和纳米气凝胶毡层；所述纳米气凝胶毡层、所述橡胶板保温棉层和所述不锈钢外壳由内至外依次设置。
23.可选地，所述温度监测单元，具体包括：温度传感器和数据处理模块；
24.所述温度传感器设于所述环境箱的箱体上；所述温度传感器、所述数据处理模块和所述温度控制单元依次连接；
25.所述温度传感器用于获取所述环境箱的原始温度数据；
26.所述数据处理模块用于对所述原始温度数据进行数据处理，得到所述环境箱的箱内温度。
27.可选地，所述自增压液氮容器罐，具体包括：流量控制阀门、切断阀门和排液阀；
28.所述排液阀分别与所述流量控制阀门和所述切断阀门连接；所述排液阀还通过低温绝热管与所述环境箱相连；所述流量控制阀门还与所述温度控制单元连接；
29.所述流量控制阀门用于根据所述流量控制指令控制所述排液阀的阀口开度，输出液氮至所述环境箱内，使所述箱内温度降至所述设定试验温度；
30.所述切断阀门用于关闭所述排液阀的阀口。
31.可选地，所述悬吊装置为悬吊钢带。
32.本发明还提供一种低温单轴抗压测试方法，包括：
33.对目标试件施加载荷；
34.监测箱内温度；
35.根据所述箱内温度和设定试验温度计算液氮输出流量，并根据所述液氮输出流量发出流量控制指令；
36.根据所述流量控制指令输出液氮至所述环境箱内，使所述箱内温度降至所述设定试验温度；
37.测量所述目标试件在设定试验温度下的抗压数据。
38.可选地，所述液氮输出流量运算的公式为：
[0039][0040]
其中，q为液氮输出流量；t1为设定试验温度；t2为箱内温度；v为环境箱的箱内温度；ρa为空气密度；ca为空气比热；nwn为氮气分子量；ρn为氮气密度；ln为液氮气化热；s为低温绝热管截面积；t为液氮输出时间。
[0041]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0042]
本发明公开了一种低温单轴抗压测试装置及方法，所述装置包括测试单元、温度监测单元、温度控制单元和自增压液氮容器罐；所述测试单元包括岩石三轴试验机和环境箱；所述岩石三轴试验机包括上压板和下压板；所述环境箱通过悬吊装置吊装于所述岩石三轴试验机的所述上压板和所述下压板之间。本发明通过岩石三轴试验机对环境箱内的目标试件施加载荷，并通过温度监测单元和温度控制单元控制自增压液氮容器罐输出液氮至环境箱内，实现环境箱内的低温环境，不仅降温速度快，而且能够在施加荷载的同时维持稳定的低温环境，实现对试件的低温抗压性能进行测试。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0044]
图1为本发明低温单轴抗压测试装置的结构框图；
[0045]
图2为本发明实施例中低温单轴抗压测试装置的结构示意图；
[0046]
图3为本发明实施例中岩石三轴试验机的结构示意图；
[0047]
图4为本发明实施例中环境箱4的结构示意图；
[0048]
图5为本发明实施例中环境箱4材质结构示意图；
[0049]
图6为本发明实施例中环境箱4和自增压液氮容器罐8的连接结构示意图；
[0050]
图7为本发明实施例中低温单轴抗压测试方法的逻辑流程图。
[0051]
符号说明：
[0052]
1-上压板；2-下压板；3-岩石三轴压力机；4-环境箱；5-悬吊装置；6-温度监测单元；7-温度控制单元；8-自增压液氮容器罐；9-目标试件；10-门式框架；11-刚性球型压垫；12-主油泵；13-控制器；14-进液孔；15-液氮气化槽；16-插口；17-不锈钢铰链；18-铝膜；19-不锈钢外壳；20-橡胶板保温棉层；21-纳米气凝胶毡层；22-排液阀；23-流量控制阀门；24-切断阀门；25-低温绝热管。
具体实施方式
[0053]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0054]
本发明的目的是提供一种低温单轴抗压测试装置及方法，能够在施加荷载的同时维持稳定的低温环境，实现对试件的低温抗压性能进行测试。
[0055]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0056]
如图1-图2所示，本发明实施例提供的一种低温单轴抗压测试装置，包括：测试单元、温度监测单元6、温度控制单元7和自增压液氮容器罐8；所述测试单元包括岩石三轴试验机和环境箱4；所述岩石三轴试验机包括上压板1和下压板2。
[0057]
所述环境箱4通过悬吊装置5吊装于所述岩石三轴试验机的所述上压板1和所述下压板2之间；所述温度监测单元6、所述温度控制单元7和所述自增压液氮容器罐8依次相连；所述自增压液氮容器罐8还与所述环境箱4连接。在本实施例中，所述悬吊装置5为悬吊钢带。
[0058]
所述岩石三轴试验机用于对所述环境箱4内的目标试件9施加载荷；所述温度监测单元6用于监测所述环境箱4的箱内温度；所述温度控制单元7用于根据所述箱内温度和设定试验温度计算液氮输出流量，并根据所述液氮输出流量发出流量控制指令；所述自增压液氮容器罐8用于根据所述流量控制指令输出液氮至所述环境箱4内，使所述箱内温度降至所述设定试验温度；所述岩石三轴试验机还用于测量所述目标试件9在设定试验温度下的抗压数据。
[0059]
其中，所述岩石三轴试验机如图3所示，还包括：门式框架10、刚性球型压垫11、主油泵12和控制器13；所述上压板1上设有轮辐压力传感器；所述下压板2上设有位移传感器。
[0060]
所述上压板1固定于所述门式框架10的上部；所述下压板2固定于所述门式框架10的下部；所述刚性球型压垫11置于所述下压板2端面；所述控制器13分别与所述主油泵12、所述上压板1和所述下压板2连接；所述主油泵12还与所述下压板2连接。
[0061]
所述控制器13用于根据设定施加载荷速率发出位移控制指令；所述主油泵12用于根据所述位移控制指令控制所述下压板2移动，对所述目标试件9施加载荷；所述位移传感器用于监测所述下压板2的位移数据；所述轮辐压力传感器用于监测所述目标试件9的荷载数据；所述控制器13还用于根据所述位移数据和所述荷载数据，确定所述目标试件9在设定试验温度下的抗压数据，并当轮辐压力传感器监测到的目标试件9的荷载数据下降到残余应力阶段时停止加载，输出下降控制指令，控制主油泵12驱动下压板2下降。
[0062]
所述环境箱4如图4所示，由两个半圆环结构组成；所述上压板1的半径与圆环上端面的内圆半径相同，作为上压板窗口；所述下压板2的半径与圆环下端面的内圆半径相同，作为下压板窗口；所述环境箱4的箱体侧表面开设有进液孔14；所述箱体的内壁上盘旋设有液氮气化槽15；该液氮气化槽15绕筒壁盘旋下降至桶底；所述液氮气化槽15的一端与所述进液孔14连接；两个所述半圆环结构之间通过不锈钢铰链17连接，其中一个半圆环结构作为箱门；环境箱4的箱体侧表面还开设有至少一个插口16，所述插口16用于插入所述温度监测单元6的探头。
[0063]
所述环境箱4的材质如图5所示，主要包括不锈钢外壳19、保温层和反射层；所述保温层设于所述不锈钢外壳19内侧；所述不锈钢外壳19外侧和所述保温层内侧分别设有一层所述反射层。其中，所述保温层，具体包括：橡胶板保温棉层20和纳米气凝胶毡层21；所述纳米气凝胶毡层21、所述橡胶板保温棉层20和所述不锈钢外壳19由内至外依次设置；所述反
射层采用铝膜18。
[0064]
所述温度监测单元6，具体包括：温度传感器和数据处理模块。所述温度传感器设于所述环境箱4的箱体上；所述温度传感器、所述数据处理模块和所述温度控制单元7依次连接。其中，所述温度传感器用于获取所述环境箱4的原始温度数据；所述数据处理模块用于对所述原始温度数据进行数据处理，得到所述环境箱4的箱内温度。
[0065]
当环境箱4的结构与图5相同时，所述数据处理模块的具体处理过程为：4个温度传感器通过串口和转换器汇到一条线连接到温度控制单元的接口，传感器采集到的信号形式一般是采用485接口进行通信，温度控制单元为智能设备，而智能设备上一般只有rs-232接口，因此这里的串口和转换器即为一个数据处理模块，将485格式的数据转换为温度控制单元可以识别的rs-232格式的数据。
[0066]
所述自增压液氮容器罐8如图6所示，具体包括：流量控制阀门23、切断阀门24和排液阀22。所述排液阀22分别与所述流量控制阀门23和所述切断阀门24连接；所述排液阀22还通过低温绝热管25与所述环境箱4相连。所述流量控制阀门23还与所述温度控制单元7连接。其中，所述流量控制阀门23用于根据所述流量控制指令控制所述排液阀22的阀口开度，输出液氮至所述环境箱4内，使所述箱内温度降至所述设定试验温度；所述切断阀门24用于关闭所述排液阀22的阀口。
[0067]
作为一种具体的实施方式，在上述技术方案的基础上，环境箱4半圆环结构的内侧近试件高度处，各设有两个插口16，通过四个高精度温度传感器的探头伸入插口16实时监测环境箱4的箱内温度，如图3所示。其中，环境箱4圆环上端面的内圆为上压板1窗口，用于伸入上压板1，环境箱4圆环下端面的内圆为下压板2窗口，用于伸入下压板2，环境箱4包裹住岩石三轴试验机试件室。
[0068]
在本实施例中，以混凝土、沥青混凝土材质的目标试件9为例，温度传感器采用pt100型号，可测量温度范围为-200℃～600℃，数据处理模块采用hb-pt206系列模块，模块通讯接口为1路rs-485接口，modbus-rtu通讯协议，且温度控制单元7采用foxb系列pid智能温度控制仪。
[0069]
将混凝土、沥青混凝土试件放置于上压板1和垫有刚性球型平衡压垫11的下压板2之间，该刚性球型平衡压垫11是为了避免偏心受压，保证试件轴心受压。再通过悬吊装置5将环境箱4固定在上压板1和下压板2之间，并通过岩石三轴试验机的控制器13实现试验中的加卸载控制、压力机状态监测以及试验结果处理，得到在设定试验温度下的单轴抗压应力-应变曲线，并且当设定试验温度为常温时，移除装卸式低温环境箱4，即可进行常温下单轴抗压试验。
[0070]
综上，本实施例装置调、控温性能良好，设计简单，使用方便灵活，装卸便捷，加工迅速，装卸简便且能够重复使用，可用于抗压试验全过程环境温度的精确控制，能够快速的获取低温下单轴抗压应力应变曲线，为混凝土以及沥青混凝土在低温下的力学性能与温度影响规律研究提供了重要试验手段。
[0071]
而且本实施例的装置在试验过程中能够同时实现混凝土、沥青混凝土试件的低温下的加载，并获取其应力-应变曲线，该装卸式低温环境箱4使用方便灵活，装卸便捷，可为普通岩石压力机提供低温受载环境。箱体的反射层-保温层-保温层-反射层设计，减少温度辐射保温效果优良，控温效果好。本发明通过液氮制冷，降温速度快，降温效率高且对自然
环境无不利影响。通过智能温度控制系统，可快速准确的调节至某一特定温度并在试验过程中保持稳定的温度环境。
[0072]
如图7所示，本发明还提供了一种低温单轴抗压测试方法，应用于上述的低温单轴抗压测试装置，包括：
[0073]
步骤100：对目标试件施加载荷。具体过程包括：将目标试件安装在上压板与下压板之间，岩石三轴试验机采用位移控制加载速率，提供设计应变率所需的加载速率发出位移控制指令，主油泵根据位移控制指令，通过油压向下压板提供动力，驱动下压板向上运动施加荷载。
[0074]
步骤200：监测箱内温度。
[0075]
步骤300：根据所述箱内温度和设定试验温度计算液氮输出流量，并根据所述液氮输出流量发出流量控制指令。
[0076]
所述液氮输出流量运算的公式为：
[0077][0078]
其中，q为液氮输出流量；t1为设定试验温度；t2为箱内温度；v为环境箱的箱内温度；ρa为空气密度；ca为空气比热；nwn为氮气分子量；ρn为氮气密度；ln为液氮气化热；s为低温绝热管截面积；t为液氮输出时间。
[0079]
步骤400：根据所述流量控制指令输出液氮至所述环境箱内，使所述箱内温度降至所述设定试验温度。具体控制过程包括：若在试验过程中，当温度监测单元测得的箱内温度超出设置的温度保持阈值时，温度控制单元可多次对液氮控制系统发出指令，降低箱内温度至所需的试验温度，从而在试验的全过程中维持所需的设定试验温度的温度环境。
[0080]
步骤500：测量所述目标试件在设定试验温度下的抗压数据。具体测量条件为：当目标试件的荷载数据下降到残余应力阶段时停止加载，该岩石三轴试验机控制下压板下降，完成测试，得到抗压数据，该抗压数据为目标试件在设定试验温度内的单轴抗压应力-应变曲线。
[0081]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0082]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。