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混凝土强度拉拔测定仪的研制 陈辉 (沈阳铁路局科学技术研究所,沈阳110013) 摘要介绍一种国内先进的混凝土强度检测设备混凝土强度拉拔测定仪,以及其测强 技术方案、 结构主要参数、 测试设备的结构和原理。 主题词混凝土强度拉拔测定 DEVELOPM ENT OF PULL-OUT CONCRETE STRENGTH TESTING INSTRUM ENT ChenHui (The Technical Research Institute of Shenyang Railway A dm inistration) AbstractThe advanced concrete strength testing equipmentpull2out testing instrument was introdued, including the design of the technical plan, the determ ination of principalparameters and the study of the structure and principle of the testing instrument. KeywordsConcreteStrengthPull2out testing 混凝土作为最基本的结构工程材料,其发展历 史已有将近一个世纪,但对其结构机理以及各方面 的性能测试,迄今为止在理论和测试仪器等方面还 很不完善。混凝土的抗压强度是混凝土结构的一个 最基本和最重要的物理量。 基于混凝土在受冲击时, 吸收的能量以及产生的机械波在其体内传播的速度 都与其强度有某种相关性而发展起来的实地检测方 法有回弹法、 贯入抵抗法和超声波速法等。 但是这些 方法的精确度均较低。混凝土拉拔试验是基于混凝 土的拉拔力同其抗压强度有良好的线性关系而建立 起来的一种简便、 快速、 易行、 有效的新方法。70年 代以来,苏联、 美国、 加拿大、 丹麦、 日本和北欧等国 家及地区对此进行了大量研究,并已研制和制定了 相应的试验设备和混凝土拉拔强度标准试验方 法1 3。目前该技术已在世界各地被广泛地研究和 应用。 1技术方案的确定及所需器具 检测技术总体构思是在混凝土构件表面钻孔, 然后在一定深度位置切割大于孔径的环槽,在环槽 内安置锚固件胀环,在联接装置的作用下,对混 凝土测试部位施加拉拔力,通过混凝土破坏抗力来 评估混凝土实际强度。所需器具和基本要求如下: (1)钻孔在混凝土表面钻一孔,要求孔的中 心线与混凝土表面垂直。 (2)切槽在已钻好的孔内切割出一个环形 槽,要求环槽的位置精确,环槽的上平面同混凝土表 面平行。 (3)膨胀环膨胀环应能装入钻好的孔内,并 在外力作用下在环槽内胀开并与环槽直径吻合。 (4)拉拔胀具能够使胀环在已切好的环槽内 胀开并同拉拔仪相连。 (5)拉拔仪要求产生定值定向的拉拔力,通 过拉拔胀具和膨胀环将该力施加到混凝土测试点 上,并将拉拔力的最大值显示出来。 2结构设计参数的选择 2. 1孔的结构参数 孔的结构参数如图1所示。 2. 2拉拔仪的结构参数4 拉拔仪是由手动液压泵、 测力指示、 液压拉拔件 组成的液压工作系统,其原理如图2所示。 当活塞受 外力作用后,活塞受油压作用产生一拉拔力。 2. 2. 1轴向拉拔油缸(油缸 2) 缸径的确定 设最大拉拔力F拉= 60 000N ,拉拔油缸活塞 (活塞 1) 有效面积为A,则 A= F拉 P 193 第22卷第9期 2 0 0 0年9月 无损检测 NDT Vol . 22No. 9 Sep.2 0 0 0 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 图1 图2 1, 3.活塞2, 4.油缸 P=P拉-P背 式中P拉油缸工作压力 P拉24M Pa P背油缸背压(在高压系统中不可不计) 油缸机械效率,取0. 98 A= 60 000 241060. 98= 25. 51cm 2 如图2,取活塞1拉杆的直径d= 18mm。 A= (D 2 -d 2) 4 式中D拉拔油缸缸径 D取59. 8mm ,圆整后取D= 60mm。 2. 2. 2轴向拉拔油缸活塞工作行程的确定 混凝土为脆性材料,破损位移要求小,所以选取 拉拔油缸活塞工作行程S= 5mm。 2. 2. 3手动高压油泵活塞(活塞 3) 直径的确定 高压油泵由人工驱动,驱动机构为梯形螺纹滑 动螺旋传动,因螺杆的转动力矩正比于活塞直径,所 以活塞直径不宜取大尺寸。高压泵工作压力P泵为 P泵=P拉+P 式中P拉拉拔油缸工作压力 P拉24M Pa P油路系统的总压力损失 因油路不复杂,流速低,取 P= 0. 2 M Pa,设活 塞3直径为d1,螺旋驱动力为F,驱动力半径L= 170mm ,作用在活塞上的力F1为 F1= d 2 1 4 P泵 T=T1+T2 式中T螺旋驱动力矩 T1螺旋副摩擦力矩 T2端面摩擦力矩 P拉= T 1L T1=F1 d2 2 tg( v+e) T2=F1f2 d3 4 v= arctg s d2 e= arctg f1 cos 2 1= tgv tg( v+e) 式中d2螺纹的中径,取8. 5mm d3螺纹内径,取6. 5mm v螺旋升角 e当量摩擦角 f1摩擦系数,取0. 08 f2端面摩擦系数,取0. 017 1螺旋副的传动效率 s螺矩,取3mm 螺纹牙形角,取30 经计算驱动螺杆即丝杠采用T10321。 代入上述数据,经计算可得 1P拉L=F1 d2 2 tg ( v+e ) + F1f2 d3 4 = F1 d2 2 tg arctg s d2 + arctg f1 cos 2 + F1f2 d3 4 选P拉= 24 M Pa,P泵最大为24. 2 M Pa,经计算 得d1= 11. 91mm ,圆整后取d1= 12mm。 2. 2. 4手摇压力泵活塞(活塞 3) 工作行程 (D 2 -d 2) 4 S=d12 4 S1 式中S1压力泵活塞理论工作行程 293 陈辉:混凝土强度拉拔测定仪的研制 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 经计算可得S1= 11. 4cm。实际工作行程S1 为 S1=S1+S1 式中S1油路系统内存在的空气隙 取 S1= 0. 1S1,经计算得 S1= 11. 4 + 1. 14 = 12. 54cm 3拉拔仪的结构和原理 图3为拉拔仪结构示意图,按箭头方向转动手 柄,丝杠向下移动使小活塞将高压油泵泵体内的油 同时压向油压表和轴向拉拔油缸,使大活塞、 活塞 杆、 连接装置、 拉杆和胀环一同向上移动,对混凝土 结构测试点施加拉拔力。 匀速旋转手柄,油压表的数 值不断升高,一旦不再继续增加,在停顿的瞬间,油 压表的指针突然下降直到回零。这时记录压力指示 的最大值,即为该测试点的混凝土拉拔测试值。 然后 再经过换算即可得出被测混凝土的极限抗压强度。 图3 1.手柄2.丝杠3.小活塞4.高压油泵 5.油压表6.油缸7.大活塞8.活塞杆 9.连接装置10.拉杆11.胀环 4应用实例 4. 1试验测试 试验在沈阳铁路局工程处试验室进行,首先制 作九组不同强度的混凝土标准试块,每组15块,其 中10块用于拉拔试验, 3块用于常规抗压试验。每 组试件一次配料,一次搅拌,一批成型,同条件养生, 同时间进行拉拔和抗压试验。试件尺寸为150mm 150mm150mm ,抗压试验用200t压力机,按混凝 土立方强度的标准试验方法进行,测试结果见表1。 4. 2现场实地测试 由于受列车提速、 洪水侵害等诸多因素的影响, 表1试验测试结果 组号 试件标准抗压 强度?M Pa 拉拔强度 1) M Pa 相对误差 2) % 20022. 4721. 852. 70 25024. 7324. 680. 20 30028. 7029. 773. 70 35032. 7333. 412. 10 40039. 8338. 882. 30 45042. 4341. 472. 20 50045. 0045. 891. 90 55057. 9058. 070. 30 60059. 5659. 320. 40 注 : 1) 拉 拔 强 度 为 实 验 换 算 结 果。 2) 相 对 误 差= 试件标准抗压强度-拉拔强度 试件标准抗压强度 铁路桥梁需要作定期的综合评定,其中混凝土的抗 压强度是基本的物理量,哈尔滨铁路局工务处桥梁 检定设计队对其辖区内的滨洲线281. 531km 23孔、 跨度为32m、 出厂混凝土强度为40M Pa的旧混凝土 梁进行综合评估,其中混凝土强度共测10点,每点 采集三个数据,结果如表2所示。 表2实地测试的混凝土强度M Pa 次数 测点 12345678910 144. 3 42. 8 42. 1 44. 9 41. 9 43. 4 42. 5 41. 8 43. 4 42. 2 242. 1 42. 0 43. 1 42. 8 43. 5 44. 3 44. 5 42. 8 42. 4 44. 7 343. 5 44. 5 43. 5 43. 7 42. 4 42. 8 43. 2 42. 3 43. 8 43. 0 平均43. 3 43. 1 42. 9 43. 8 42. 6 43. 5 43. 4 42. 3 43. 2 43. 3 5结束语 该测试系统符合国外相关标准,消耗件可同国 外的互换,强度测试范围广,达1080M Pa,适于新 旧混凝土结构强度检测。全套仪器体积小、 重量轻、 携带方便、 操作迅速简单、 性能稳定。实测混凝土强 度同混凝土标准抗压强度的相对误差 3%。 参考文献 1ISO?D IS 8046Concrete, HardenedDeterm ination of Pull2out Strength 2A STM C2900- 82Standard Test M ethod for Pullout Strength of Hardened Concrete 3Keiller A K. A ssessing the strength of in situ concrete. Concrete International, 1985, 7(2): 15 4王少怀.机械设计师手册.北京:机械工业出版社, 1989. 收稿日期: 2000206205 393 陈辉:混凝土强度拉拔测定仪的研制 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载