專利名稱：一種成型水泥基材料軸向抗拉強度試件的模具及測試方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種成型水泥基材料軸向抗拉強度試件的模具及測試方法， 屬于建筑材料領域。 冃爾伎不
水泥基材料是建筑行業(yè)中用量最大、使用范圍最廣的材料。水泥基材料 的軸向拉伸參數(shù)是建筑工程中常用的評價其性能的重要指標。但是這種材料 有它自身固有的缺陷質(zhì)脆、易開裂、抗拉強度低。所以水泥混凝土軸像拉 伸試驗不易進行，存在很多問題，如荷載偏心、應力分布不均勻等，使得其 軸拉試驗的研究起步較晚。目前己有各種各樣的間接方法可得到水泥基混凝 土的拉伸和斷裂性能，如劈拉法、三點彎曲梁法、緊湊拉伸法等等，但研究 表明間接測得的抗拉強度比軸向抗拉強度值偏高，所以采用軸向拉伸方法測 定混凝土的抗拉強度和拉伸全過程曲線是最直接、最客觀、最完整的方法。 對棱柱體試或圓柱體試件進行均勻的軸向拉伸，在整個加載過程中，所測得 的應力、應變值對應關系明確，能夠直接、準確的測量材料的本構行為，易 于破壞準則掌握及破壞機理分析。如何盡可能保證試件拉伸過程中應力均勻 布及避免偏心受力，直接影響到試驗的成功率和準確度。
目前，對水泥混凝土較大構件的軸向抗拉強度的己有較多研究，但是對水 泥凈漿和水泥膠凝材料的軸向抗拉強度的研究較少。根據(jù)水泥膠凝材料試件 裝卡在試驗機上、下夾頭中的裝卡方式和試件形狀不同，國內(nèi)外常用的試件 裝卡方式可分為外夾式、內(nèi)埋式、粘貼式和植筋法四種。不同方法存在不同 的問題
(1)外夾式(即端部摩擦夾持式)是通過試驗機加載夾具與試件端部 側(cè)面的摩擦力來傳遞拉力。這種連接方法簡單易行，但是可能由于夾持摩擦 力不足導致夾具一試件連接面滑移，也可能因夾持處應力集中造成試件端部 局部損壞進而影響試驗繼續(xù)進行。另外試件兩端的形狀適應于傳遞軸向拉力 所需的試驗裝卡方式，所以外夾式試件， 一般兩端部要加大，要求模具尺寸準確、嚴格對稱，以保證試件安裝在試驗機上時能夠準確定位，試模制造復 雜、難度高。如最早采用的8字形試件，但其兩端夾具比較復雜并且對中(使 試件真正中心受拉)困難，出現(xiàn)偏心和外施荷載處破損，并且試件形狀不易于制作。
(2) 粘貼式是在混凝土試件的端部各粘貼一塊一定厚度的鋼板，然后 沿中心軸線施加荷載。采用粘結鋼板傳力時，雖然可以克服外夾式應力集 中及夾持端表面損傷的弊病，但是可能由于鋼板不平或試件與膠固結過程中 鋼板產(chǎn)生滑移導致加載軸心不對中產(chǎn)生偏心；目前可供選擇的環(huán)氧樹脂類粘 結劑固化時間太長，以致試驗難以接受；并且粘貼鋼板和混凝土表面黏貼連接 時很難保證斷面和軸線垂直；粘貼鋼板或混凝土表面處理困難。
(3) 內(nèi)埋式是通過試驗機 試件之間使用部分預埋置在試件內(nèi)部的錨 件作為傳力構件，這種連接方式能克服外夾式的應力集中和粘貼式操作復雜 的問題。但是傳統(tǒng)的內(nèi)埋式，存在模具加工復雜、精度不高、預埋件出現(xiàn)偏 心、不能重復利用等問題，并且內(nèi)埋鋼筋或螺桿的連接方式需要保證預埋件 與混凝土試件間不能出現(xiàn)粘結滑移的現(xiàn)象，因此預埋件需要有一定的埋置深 度，大尺寸試件對埋置深度的要求就更高，這就導致試件長度超出驗機加載 凈空高度的范圍。
(4) 植筋法是先在原有混凝土試件上用電錘鉆成孔后，利用高強度的 化學粘合劑，使植入的鋼筋、螺桿等與混凝土孔壁間產(chǎn)生握裹力，從而達到 預定的持力效果。它具有快速凝固、承載力高、使用范圍廣等優(yōu)點。但是難 以保證各個植入的鋼筋或螺桿受力均勻不能使試件協(xié)同受力，容易造成初始 缺陷或是產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，影響試驗結果，而且這種方法施工操作復雜。
通過對目前水泥混凝土軸向抗拉強度的分析，發(fā)現(xiàn)各種方法均有其不 足，如荷載偏心是很難解決，試模制作困難、重復利用性差，施工操作復雜 等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服了現(xiàn)有測量裝置的上述缺陷，提出了一種成型水 泥基材料軸向抗拉強度試件的模具及測試方法，該裝置結構簡單，試驗結果精確、穩(wěn)定。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術方案。包括施加荷載的試驗 機、試件成形試模、試件傳力裝置和數(shù)據(jù)采集裝置。 所述的試件成形試模包括 一塊底板；
安裝在底板上的兩塊端板和兩塊側(cè)板，底板、端板和側(cè)板圍成一型腔； 兩塊中間板，兩塊中間板平行安裝在底板上，并位于型腔內(nèi)，將型腔分 為三部分，兩邊的部分分別用于成型第一試件和第二試件，中間板、側(cè)板、 端板能夠從底板上拆卸，并且中間板與側(cè)板平行。
四個螺栓桿，每個螺栓桿均由連接為一體的釘頭和光滑桿組成，在光滑 桿的末端加工有螺紋，構成螺紋桿。在第一試件的兩端分別預埋一個螺栓桿， 在第二試件的兩端也分別預埋一個螺栓桿。其中釘頭埋入試件內(nèi)，光滑桿穿 過端板上的光滑通孔，螺紋桿延伸至端板外。釘頭的平面面積為試件截面面
積的1/3 1/2，螺栓桿埋入試件內(nèi)的長度大于等于40mm，螺紋桿的長度小于 等于20mm。
側(cè)板位于型腔側(cè)的中間位置加工有一個垂直于底板的通槽，用于垂直安 插形成試件斷裂初始裂縫的不銹鋼片或銅片。
對使用上述模具成型的第一試件或第二試件進行測試的方法，具體包括
以下步驟
1) 在第一試件21沒有斷裂初始裂縫9的三個側(cè)面各貼一個電阻應變片 22，在和第一試件用相同材料制成的溫度補償試件23上的一個、兩個或三個 面貼上溫度補償應變片24;
2) 將電阻應變片22和溫度補償應變片24通過導線與動態(tài)電阻應變儀20 相連；
3) 將第一試件21兩端的螺栓桿分別通過傳力裝置14與試驗機1相連， 試驗機1與計算機相連；
4) 試驗機1按恒位移加載法開始施加荷載，動態(tài)電阻應變儀20和試驗 機同時開始記錄數(shù)據(jù)，直到第一試件被拉斷，試驗結束。步驟3)中所述的傳力裝置為萬向鉸14，萬向鉸包括球座15、設置在球
座15內(nèi)并能夠在球座內(nèi)轉(zhuǎn)動的球頭16、與球頭固連的鐵棒17、以及含有內(nèi) 螺紋并與球座固連的套管18，鐵棒被試驗機1夾持端19加持傳遞拉力，套管 18的內(nèi)螺紋與螺栓桿6的螺紋桿13構成螺紋連接。萬向鉸垂直轉(zhuǎn)動范圍限定 為90° 180° ，水平轉(zhuǎn)動360° 。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點
1. 本發(fā)明能直接測得水泥基材料的軸向抗拉強度，試驗結果精確、穩(wěn)定。
2. 利用改進的標準水泥膠砂三聯(lián)作試模，能提高試件的精度，操作簡單方 便，模具可以重復利用。
3. 試件的傳力裝置萬向鉸能消除施加于試件兩端的兩個拉力之間的偏
心，使兩個拉力在同一直線上，球鉸在加載的任何階段，均可保持在空 間任一個方向的自由轉(zhuǎn)動，實驗機裝卡簡單。
4. 內(nèi)埋螺栓釘頭在傳力時能使試件斷裂面h產(chǎn)生均勻拉應力，并且可以減
小螺栓桿的埋置深度，進而可以減小試件的長度。
5. 測量結果包括試驗機自身測得的應力 應變關系曲線及數(shù)據(jù)和動態(tài)電 阻應變儀直接測取的應變值，二者相互補充修正，實驗結果更準、可靠、 豐富。


圖1試驗裝置結構示意圖
圖2試件成型試模結構示意圖
圖3端板結構示意圖
圖4螺栓桿結構示意圖
圖5試件傳力裝置
圖6外接監(jiān)測裝置的結構示意圖
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明做進一步說明
本發(fā)明的結構如圖l、圖2所示，包括施加荷載的試驗機、試件成形試模、 試件傳力裝置和數(shù)據(jù)采集裝置。第一試件成型部分的結構如圖2所示，成型待測第一試件的模具是改進式
標準水泥膠砂三聯(lián)試模，其成型試件的尺寸是40mmX40mmX160mm，改進式標 準水泥膠砂三聯(lián)試模由一塊底板2、兩塊端板3、兩塊側(cè)板4和兩塊中間板5， 兩塊端板3和兩塊側(cè)板4均安裝在底板上，底板、端板和側(cè)板圍成一型腔。 兩塊中間板平行安裝在底板上，并位于型腔內(nèi)，將型腔分為三部分，兩邊的 部分用于成型試件，即該三聯(lián)試模一次只能澆筑兩個試塊。各板之間可以拆 卸組裝。各部分的材質(zhì)均為鑄鐵不銹鋼。其中端板的兩側(cè)中心部位有兩個光 滑通孔7，其直徑范圍為10腿，以便于螺栓桿6穿過。側(cè)板位于型腔側(cè)的中 間位置加工有一個垂直于底板的通槽8，其位置位于側(cè)板中間，用途是垂直安 插形成斷裂初始裂縫9的不銹鋼片或銅片10。螺栓桿6是由固定為一體的釘 頭11和光滑桿12組成，在光滑桿的末端加工有螺紋，構成螺紋桿13，試件 澆注前先將螺栓桿螺帽部分插入模具的側(cè)槽內(nèi)，使釘頭埋入試件內(nèi)，使試件 中間部能分均勻受力，并不致于在拉伸時將螺栓桿拔出。光滑螺桿穿過端板 上的通孔7，光滑桿與光滑通孔7相吻合，不松動，使預埋螺栓軸心。螺紋桿 外露，與傳力裝置14中的有內(nèi)螺紋的套管18相連。其中螺栓帽的面積為試 件截面面積的l/2左右。螺栓桿6的總長度為80mm，光滑段為60mm，螺紋段 為20mm，埋入試件內(nèi)的部分長為50腿，外露部分為30腿。在兩個側(cè)板內(nèi)側(cè)中 間垂直于底板開寬lmm深2,的槽，為了在將水泥振搗完成后能容易的將寬 10mm厚0. 8mm長大于50mm的貼片垂直插入試件內(nèi)，在試件凝結后將不銹鋼片 拔出，試件側(cè)面中間就形成了寬0.8mm深8腿的預留裂縫。繼續(xù)養(yǎng)護24小時 后脫模，脫模時只需將端板和側(cè)板慢慢拆除掉，將試塊放入標準養(yǎng)護室(溫 度2(TC士1X:、相對濕度是90%以上)養(yǎng)護到實驗齡期待用。
軸向拉伸試驗部分在試驗前兩天將試講在標準養(yǎng)護室內(nèi)取出，在養(yǎng)護 好待測第一試件21沒有預留裂縫的三側(cè)各貼一個電阻應變片22，同時在相同 材料的溫度補償試件23上貼溫度補償應變片24，貼完片后待用。試驗時將待 測第一試件21和溫度補償試件23上的溫度補償應變片24外接導線和動態(tài)電 阻應變儀20相連，并將貼有電阻應變片22的第一試件21兩端螺紋桿與傳力 裝置萬向鉸14的內(nèi)螺紋套管18相連，其中傳力裝置萬向鉸14是由球座15
8和球頭16組成，目的是連接構件和試驗機施加荷載的端頭，使施加于試件兩 端的兩個拉力之間不產(chǎn)生偏心，使兩個拉力在同一直線上。其中球頭上部連
有一長約30mm鐵棒17，與試驗機1的夾具相連；球座的下部連有長為20mm 的內(nèi)螺紋套管18，上部鐵棒能在空間任一個方向的自由轉(zhuǎn)動。然后將帶有電 阻應變片的待測試件通過傳力裝置萬向鉸安裝試驗機的兩夾持端19上。開始 施加荷載，同時動態(tài)應變儀20采集電阻應變片數(shù)據(jù)，直至第一試件被破壞，
試驗結束。
本發(fā)明的監(jiān)測裝置結構參見圖6。它包括兩部分， 一部分是電阻應變片 22的外接導線連接動態(tài)電阻應變儀20，動態(tài)電阻應變儀20自動連續(xù)采集數(shù) 據(jù)信息，并自動保存。另一部分是試驗機l施加的荷載，通過計算機軟件控 制加載的速度，同時將所加荷載的數(shù)值傳入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)保存。兩個讀數(shù)要 同時進行才能反映每一對應時刻荷載 應變的關系，進一步做應力 應變曲 線圖。其中應力等于荷載除以斷裂截面的有效面積。電阻應變片、動態(tài)電阻 應變儀、萬向鉸及試驗機都可以采用市場銷售產(chǎn)品。
本實施例的使用方法是
將改進后的三聯(lián)試模組裝好，刷油并將螺栓桿插入端板光滑通孔內(nèi)。將 新拌好的水泥漿體裝入試模，振搗完畢，抹平垂直插入不銹鋼片，送入養(yǎng)護 室，等待凝結后將不銹鋼片拔出，繼續(xù)養(yǎng)護24小時后脫模。試件繼續(xù)養(yǎng)護至 規(guī)定齡期。試驗前兩天將試塊從標準養(yǎng)護室取出，貼電阻變片并在同種材料 的試件上貼溫度補償片，將貼有應變片和裝有傳力裝置萬向鉸的試件一并連 接到試驗機施加荷載的兩夾持端頭上，同時將電阻應變片的外接導線和動態(tài) 電阻應變儀相連。試驗機開始施加荷載，試件開始拉伸時采用恒荷載控制模 式，穩(wěn)定拉伸后再轉(zhuǎn)換為變形控制模式直至試驗結束。
權利要求
1、一種成型水泥基材料軸向抗拉強度試件的模具及測試方法，其特征在于該模具包括一塊底板(2)；安裝在底板(2)上的兩塊端板(3)和兩塊側(cè)板(4)，底板(2)、兩塊端板(3)和兩塊側(cè)板(4)圍成一型腔；兩塊中間板(5)，兩塊中間板(5)平行安裝在底板(2)上，并位于型腔內(nèi)，將型腔分為三部分，兩邊的部分分別用于成型第一試件和第二試件，兩塊中間板(5)、兩塊側(cè)板(4)和兩塊端板(3)能夠從底板(2)上拆卸；四個螺栓桿(6)，螺栓桿由固定為一體的釘頭(11)和光滑桿(12)組成，在光滑桿(12)的末端加工有螺紋，構成螺紋桿(13)；其中的兩個螺栓桿分別設置在第一試件(21)的兩端，另兩個螺栓桿分別設置在第二試件的兩端，所述螺栓桿的釘頭(11)埋入第一試件或第二試件內(nèi)，光滑桿(12)穿過端板上的光滑通孔(7)使螺紋桿(13)延伸至端板外；側(cè)板位于型腔側(cè)的中間位置設置有一個垂直于底板的通槽(8)，用于垂直安插形成試件斷裂初始裂縫的不銹鋼片或銅片(10)。
2、 根據(jù)權利要求l所述的一種成型水泥基材料軸向抗拉強度試件的模具，其 特征在于所述的釘頭的平面面積為試件截面面積的1/3 1/2。
3、 根據(jù)權利要求l所述的一種成型水泥基材料軸向抗拉強度試件的模具，其 特征在于螺栓桿埋入試件內(nèi)的長度大于等于40腿。
4、 根據(jù)權利要求l所述的一種成型水泥基材料軸向抗拉強度試件的模具，其 特征在于所述的螺紋桿的長度小于等于20mni。
5、 一種對使用權利要求1中的模具成型的水泥基材料軸向抗拉強度試件進行測試的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟1) 在第一試件(21)沒有斷裂初始裂縫(9)的三個側(cè)面各貼一個電阻 應變片(22)，在和第一試件用相同材料制成的溫度補償試件(23)上的一個、 兩個或三個面貼上溫度補償應變片(24);2) 將電阻應變片(22)和溫度補償應變片(24)通過導線與動態(tài)電阻應 變儀(20)相連；3) 將第一試件(21)兩端的螺栓桿分別通過傳力裝置(14)與試驗機(1) 相連，試驗機(1)與計算機相連；4) 試驗機(1)按恒位移加載法開始施加荷載，動態(tài)電阻應變儀(20) 和試驗機同時開始記錄數(shù)據(jù)，直到第一試件被拉斷，試驗結束。步驟3)中所述的傳力裝置為萬向鉸(14)，萬向鉸包括球座(15)、設置 在球座(15)內(nèi)并能夠在球座內(nèi)轉(zhuǎn)動的球頭(16)、與球頭固連的鐵棒(17)、 以及含有內(nèi)螺紋并與球座固連的套管(18)，鐵棒被試驗機(1)夾持端(19) 加持傳遞拉力，套管(18)的內(nèi)螺紋與螺栓桿(6)的螺紋桿(13)構成螺紋連接。
全文摘要
本發(fā)明是一種成型水泥基材料軸向抗拉強度試件的模具及測試方法，屬于建筑材料領域。本裝置包括試驗機、試件成形模具、試件傳力裝置和數(shù)據(jù)采集裝置。試件成形試模包括底板、兩塊端板、兩塊側(cè)板和兩塊中間板。兩塊端板和兩塊側(cè)板均安裝在底板上，底板、端板和側(cè)板圍成一型腔。兩塊中間板也平行側(cè)板安裝在底板上，并位于型腔內(nèi)，將型腔分為三部分，兩邊的部分用于成型試件。在試件的兩端埋有螺栓桿，螺栓桿由釘頭、光滑桿和螺紋桿組成，釘頭埋入試件內(nèi)，光滑桿穿過端板，螺紋桿延伸直端板外。試件傳力裝置選用萬向鉸，試件通過萬向鉸與試驗機相連。數(shù)據(jù)采集裝置用于采集實驗數(shù)據(jù)。本發(fā)明能夠精確和便捷的測量水泥試件的軸向抗拉強度，并且簡單實用。
文檔編號G01N3/08GK101650283SQ20091009257
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月11日 優(yōu)先權日2009年9月11日
發(fā)明者周孝軍, 悅 李, 冰 謝, 鮑俊嶺 申請人:北京工業(yè)大學