CN102519799A - 合成纤维与水泥基材料塑性阶段界面粘结性能测试装置 - Google Patents

Abstract

合成纤维与水泥基材料塑性阶段界面粘结性能测试装置，包括测力传感器、夹持器、传动系统和计算机，合成纤维上端由夹持器固定，下端埋入水泥基体，夹持器安装在测力传感器上，水泥基体与传动系统联动，合成纤维被夹持器夹持的一端位置固定，计算机控制传动系统带动水泥基体移动，使合成纤维自水泥基体中拔出，测力传感器将所述拔出过程中测得的受力参数输入计算机，进行测试与分析。本发明解决了现有测试设备量程过大和精度不够的问题；整个过程由计算机操作完成，并针对合成纤维设置了对应的测量控制参数，保证了测试结果的有效性和准确性。

Description

合成纤维与水泥基材料塑性阶段界面粘结性能测试装置

技术领域

本发明属于混凝土技术领域，涉及混凝土的塑性开裂，用于合成纤维的拔出测试，具体为一种合成纤维与水泥基材料塑性阶段界面粘结性能测试装置。

背景技术

随着现代混凝土的进步，混凝土正朝着高强度、高性能和多功能的方向发展。但由于矿物掺合料和化学外加剂的普遍使用，及部分地区恶劣环境的影响，混凝土很容易出现塑性开裂。塑性裂缝的存在，为有害介质的进入提供了通道，严重影响了混凝土结构的安全性及耐久性。在混凝土耐久性问题越来越被重视的今天，开展关于混凝土裂缝的控制关键技术研究显得尤为重要。

塑性开裂是指混凝土处于半流态或塑性阶段时，当早期抗拉强度达不到表面失水收缩所产生的应力而引起的开裂。合成纤维是解决水泥基材料塑性开裂的最为关键的材料之一，它具有掺量少、直径小、根数多的优点，能有效阻止混凝土塑性阶段的微裂纹的产生及扩展，大大提高了混凝土的抗裂和抗渗能力。目前研究较多的合成纤维有：聚丙烯、聚乙烯醇、聚酯、聚丙烯腈和聚酰胺类等。

在受荷初期，合成纤维与水泥基材料共同承受外力，其中基体是外力的主要承受者；当基体开裂后，横跨裂缝的纤维取而代之，成为外力的主要承受者。此时，纤维与基体界面粘结性能的好坏，在一定程度了决定了复合材料的承载和变形能力。那么如何去评价合成纤维与基体的界面粘结性能？这对明确合成纤维的作用机理，进而充分且合理地利用合成纤维显得尤为重要。在现有的评价方法中，单根纤维拔出试验应用最为广泛。因为在该试验条件下，纤维与基体的受力条件与纤维增强水泥基材料开裂过程中桥联纤维与开裂基体的受力条件相近。

目前普遍使用的单根纤维拔出试验是在微机万能试验机上进行的，量程范围大，如0-30kN，且主要针对钢纤维。对于合成纤维，由于其直径小，一般5-100μm，与水泥基材料的界面粘结力小，一般为0-2N，对仪器的量程及精度要求较高，现有的测试设备显然是达不到要求的；此外，由于测试的对象主要是针对处于塑性阶段的水泥基材料，此时纤维与基体的粘结力相对较弱，在测试前的准备工作中，如果控制不当，纤维很容易发生脱粘及滑移，直接影响着试验结果的有效性和准确性。因此，开发成套的测试方法及设备，解决目前合成纤维与基体界面粘结性能难以表征的问题，获得完整的合成纤维拔出荷载-位移曲线，对评价合成纤维的作用效果及机理，进而合理利用合成纤维，具有重要的意义。

发明内容

本发明要解决的问题是：目前普遍使用的单根纤维拔出试验在微机万能试验机上进行，主要针对钢纤维，不能适用于合成纤维，合成纤维的单根纤维拔出试验需要精度高，控制精细的测试设备。

本发明的技术方案为：合成纤维与水泥基材料塑性阶段界面粘结性能测试装置，包括测力传感器、夹持器、传动系统和计算机，合成纤维上端由夹持器固定，下端埋入水泥基体，夹持器安装在测力传感器上，水泥基体与传动系统联动，合成纤维被夹持器夹持的一端位置固定，计算机控制传动系统带动水泥基体移动，使合成纤维自水泥基体中拔出，测力传感器将所述拔出过程中测得的受力参数输入计算机，计算机结合传输给传动系统的控制信号，得到合成纤维拔出的载荷-位移曲线，用于合成纤维与水泥基材料塑性阶段界面粘结性能的测试与分析，其中计算机控制传动系统的位移速度为0.002-1.000mm/s，测力传感器的量程为0-6N，精度为0.01cN。

水泥基体与传动系统通过水泥基体固定装置连接固定实现联动，所述水泥基体固定装置由水泥基体成型模具、模具升降件和外部框架组成，外部框架固定在传动系统上，模具升降件由托板和自旋螺杆组成，外部框架的底部设有螺孔，模具升降件通过自旋螺杆和所述螺孔与外部框架连接，托板设置在自旋螺杆位于外部框架内的一端，水泥基体成型模具设置在所述托板上，通过托板位置固定在其外部框架内的位置，水泥基体盛放于水泥基体成型模具中，外部框架上对应水泥基体成型模具的位置设有合成纤维的插入孔。

作为优选，水泥基体成型模具为封闭式结构，顶部设有密封盖，在水泥基体成型模具上打一对定位孔，用于固定合成纤维的埋入位置。

作为优选，水泥基体成型模具用透明材料制成，且标有刻度，用于控制盛放的水泥基体的高度。

水泥基体成型模具的尺寸根据水泥基材料中骨料的粒径及掺量确定。

所述夹持器为气动夹持器。

所述传动系统由全数字直流伺服驱动器、永磁直流电机及传感器组成，永磁直流电机用于提供全数字直流伺服驱动器的动力，使合成纤维自水泥基体中拔出；传感器用于输入和输出传动系统的信号。

本发明通过计算机程序控制，设定加载速率，试验开始，传动系统和测力传感器同时工作，并将测得的数据经信号转换器，输入计算机进行分析。本发明虽针对水泥基材料塑性阶段开发，也可用于测试合成纤维从水泥基材料硬化阶段中拔出的荷载-位移曲线，实现合成纤维与水泥基材料界面粘结性能的定量评价，揭示合成纤维的作用效果及机理。

本发明的有益效果为：本发明开发了一种适用于合成纤维与水泥基材料塑性阶段界面粘结性能的测试装置。采用计算机程序控制传动系统，带动合成纤维从水泥基体中拔出；通过测试传感器实时感应纤维拔出端的力，获得完整的合成纤维拔出荷载-位移曲线，整个过程由计算机操作完成，保证了测试结果的有效性和准确性。本发明解决了现有测试设备无法测试的三类问题，(1)合成纤维固定的问题。常规合成纤维的直径为5-100μm，一般的夹持方式无法适用，本发明采用气动夹持的方式，解决了现有用于钢纤维的固定方式无法适用于合成纤维上端固定的问题；本发明通过带有托板的自旋螺杆，固定纤维埋入端的水泥基体成型模具，防止了固定不稳带来测试曲线不准确的问题，并且通过自旋螺杆可以实现水泥基体成型模具位置的微调，灵活性好；(2)现有测试设备量程过大和精度不够的问题。在本发明的结构设置下，控制传动系统针对合成纤维实现位移速度为0.002-1.000mm/s，测力传感器的量程为0-6N，精度为0.01cN，数据输出的频率为(10-300)次/s，保证了本发明的控制精度和数据精度，实现高精度的稳定工作；(3)适用范围的问题。本发明的结构使得装置具有高精度和精细的量程，适用于各种纤维与水泥基材料界面粘结性能的测试；带有托板的自旋螺杆可满足各类尺寸水泥基体的固定；不仅可用于合成纤维与水泥基塑性阶段的界面粘结性能的测试，也可用于水泥基材料的硬化阶段，适用性好。

附图说明

图1为本发明合成纤维从水泥基材料塑性阶段拔出的测试装置示意图。

图2为本发明实施例测试时间对纤维拔出荷载-位移曲线的影响的示意图。

图3为本发明实施例纤维种类对界面粘结强度的影响的示意图。

图4为本发明实施例基体类型对PVA纤维拔出荷载-位移曲线的影响。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种合成纤维与水泥基材料塑性阶段界面粘结性能的测试装置，能够实现自浇筑成型开始，合成纤维与水泥基材料塑性阶段界面粘结性能的定量测试，进而明晰合成纤维的作用效果及机理。

如图1，本发明的测试装置包括测力传感器1、夹持器2、传动系统7和计算机8，合成纤维3上端由夹持器2固定，下端埋入水泥基体，夹持器2安装在测力传感器1上，水泥基体与传动系统7联动，合成纤维3被夹持器2夹持的一端位置固定，计算机8控制传动系统7带动水泥基体移动，使合成纤维3自水泥基体中拔出，测力传感器1将所述拔出过程中测得的受力参数输入计算机8，计算机8结合传输给传动系统7的控制信号，得到合成纤维拔出的载荷-位移曲线，用于合成纤维与水泥基材料塑性阶段界面粘结性能的测试与分析。

其中，计算机8控制传动系统的位移速度为0.002-1.000mm/s，测力传感器的量程为0-6N，精度为0.01cN，一般使用0～2N的量程即可。

水泥基体可以通过放置在模具中的方式与传动系统7联动，进行拨出实验。做为优选方式，本发明水泥基体与传动系统7通过水泥基体固定装置连接固定，所述水泥基体固定装置由水泥基体成型模具4、模具升降件5和外部框架6组成，外部框架6固定在传动系统7上，模具升降件5由托板和自旋螺杆组成，外部框架6的底部设有螺孔，模具升降件5通过自旋螺杆和所述螺孔与外部框架6连接，托板设置在自旋螺杆位于外部框架6内的一端，水泥基体成型模具4设置在所述托板上，通过托板位置固定在其外部框架6内的位置，水泥基体盛放于水泥基体成型模具4中，外部框架6上对应水泥基体成型模具4的位置设有合成纤维3的插入孔。

水泥基体成型模具4为封闭式结构，顶部为密封盖，在水泥基体成型模具4上打一对定位孔，用于固定合成纤维3的埋入位置。例如，在水泥基体成型模具为正六面体，在其上底面与下底面中心打孔，保证合成纤维垂直于水泥基体表面；如要改变埋入角度，只需改变打孔的位置即可。

进一步的，水泥基体成型模具4用透明材料制成，且标有刻度，用于控制盛放的水泥基体的高度，也就是合成纤维3在水泥基体中的埋入深度。

本发明合成纤维3通过外部框架6上的插入孔穿出，并通过夹持器2固定，夹持器2为气动夹持；所述传动系统7由全数字直流伺服驱动器、永磁直流电机及传感器组成。永磁直流电机用于提供全数字直流伺服驱动器的动力，使合成纤维自水泥基体中拔出；传感器用于输入和输出传动系统的信号。

水泥基体成型模具4的尺寸根据水泥骨料的粒径及掺量确定。对于不同的基体，尺寸可以各不相同。如：水泥净浆：容器底面积为300-900mm²，高度为3-10mm；水泥砂浆：容器底面积为500-1500mm²，高度为3-15mm；混凝土：容器底面积为1500-10000mm²，高度为3-30mm，具体根据骨料的粒径及掺量确定。

本发明通过计算机程度控制，设定加载速率，测试开始，传动系统和测力传感器同时工作，并将测得的数据经信号转换器，输入计算机进行分析。

下面通过实施例说明本发明的实施。

实施例1

本实施例采用聚丙烯(PP)纤维，考察成型后测试时间对纤维拔出荷载-位移曲线、界面粘结强度和纤维耗能的影响。水泥基体盛放模具的底面积为500mm²，高度为7.5mm，即纤维埋入深度为7.5mm，制动控制速度为0.01mm/s。纤维性能参数，见表1；基体配合比，见表2。

表1纤维性能参数

表2基体配合比

	水胶比	水泥/kg/m3	水/kg/m3	减水剂/％
					水泥净浆	0.20	1600	320	1.0

界面粘结强度可按照式(1)计算：

τ＝P_max/πdL_e  (1)

其中：P_max为纤维拔出时的最大荷载；d为纤维直径；L_e为纤维埋入深度。

纤维在拉拔过程中，会经历脱粘和拔出两个阶段，吸收大量的能量。纤维耗能是指纤维拔出荷载-位移曲线所包含的面积。

本实施例测试时间对合成纤维拔出荷载-位移曲线的影响见图2；测试时间对界面粘结强度及纤维耗能的影响，见表3。

表3测试时间对界面粘结强度及纤维耗能的影响

测试时间/h	1.5	3.0	7.0	8.5
					界面粘结强度/MPa	0.035	0.059	0.114	0.244
纤维耗能/J(×10-6)	8.21	35.90	151.15	490.78

从图2和表3可以看出，随着测试时间的延长，纤维脱粘后与基体的摩擦力增加，纤维承受的滑移位移变大；界面粘结强度和纤维耗能逐渐增加。水泥基体成型之后，水泥逐渐开始水化，纤维-基体界面处的自由水逐渐减少，水化产物增多，而这些都有利于纤维-基体界面粘结性能的提高。此结果符合实际规律，证实了本发明的有效性和准确性。

实施例2

本实施例采用聚丙烯(PP)和聚乙烯醇(PVA)纤维，考察随测试时间延长，纤维种类对界面粘结强度的影响。水泥基体盛放模具的底面积为500mm²，高度为7.5mm，即纤维埋入深度为7.5mm，制动控制速度为0.01mm/s。纤维性能参数，见表4；基体配合比同实施例1，见表2。

表4纤维种类及性能

本实施例中合成纤维种类对界面粘结强度的影响见图3。

从图3可以看出，PVA与PP纤维在水泥基体成型后6h内界面粘结强度相差不大，但超过6h，界面粘结强度有着明显的提高，且提高幅度较大。PVA明显优于PP的原因，主要归功于其表面粗糙，且带有活性基团，提高了纤维与水泥基体的物理和化学粘结力。

实施例3

本实施例采用聚乙烯醇(PVA)纤维，考察基体类型对纤维-基体界面粘结性能的影响。水泥净浆盛放模具的底面积为500mm²，高度为7.5mm；砂浆盛放模具的底面积为700mm²，高度为7.5mm。制动控制速度为0.01mm/s。聚乙烯醇(PVA)纤维性能参数，同实施例2，见表4；基体配合比，见表5，其中砂为饱和面干的标准砂。

表5基体配合比

	水胶比	水泥/kg/m3	砂/kg/m3	水/kg/m3	减水剂/％
						水泥净浆	0.20	1600	0	320	1.0
砂浆	0.20	900	1080	180	1.0

从图4可以看出两点，(1)化学脱粘后，PVA纤维与基体的界面摩擦力仍然继续增加；(2)纤维与砂浆的界面粘结强度高于水泥净浆。这可能是因为，PVA纤维在拔出过程中，表面不断被磨损，增加了纤维与基体之间的界面摩擦力；掺入砂之后，磨损作用会略为明显。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，相同或等同替换的技术方案均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.合成纤维与水泥基材料塑性阶段界面粘结性能测试装置，其特征是包括测力传感器(1)、夹持器(2)、传动系统(7)和计算机(8)，合成纤维(3)上端由夹持器(2)固定，下端埋入水泥基体，夹持器(2)安装在测力传感器(1)上，水泥基体与传动系统(7)联动，合成纤维(3)被夹持器(2)夹持的一端位置固定，计算机(8)控制传动系统(7)带动水泥基体移动，使合成纤维(3)自水泥基体中拔出，测力传感器(1)将所述拔出过程中测得的受力参数输入计算机(8)，计算机(8)结合传输给传动系统(7)的控制信号，得到合成纤维拔出的载荷-位移曲线，用于合成纤维与水泥基材料塑性阶段界面粘结性能的测试与分析，其中计算机(8)控制传动系统的位移速度为0.002-1.000mm/s，测力传感器(1)的量程为0-6N，精度为0.01cN。

2.根据权利要求1所述的合成纤维与水泥基材料塑性阶段界面粘结性能测试装置，其特征是水泥基体与传动系统(7)通过水泥基体固定装置连接固定实现联动，所述水泥基体固定装置由水泥基体成型模具(4)、模具升降件(5)和外部框架(6)组成，外部框架(6)固定在传动系统(7)上，模具升降件(5)由托板和自旋螺杆组成，外部框架(6)的底部设有螺孔，模具升降件(5)通过自旋螺杆和所述螺孔与外部框架(6)连接，托板设置在自旋螺杆位于外部框架(6)内的一端，水泥基体成型模具(4)设置在所述托板上，通过托板位置固定在其外部框架(6)内的位置，水泥基体盛放于水泥基体成型模具(4)中，外部框架(6)上对应水泥基体成型模具(4)的位置设有合成纤维(3)的插入孔。

3.根据权利要求2所述的合成纤维与水泥基材料塑性阶段界面粘结性能测试装置，其特征是水泥基体成型模具(4)为封闭式结构，顶部设有密封盖，在水泥基体成型模具(4)上打一对定位孔，用于固定合成纤维(3)的埋入位置。

4.根据权利要求2或3所述的合成纤维与水泥基材料塑性阶段界面粘结性能测试装置，其特征是水泥基体成型模具(4)用透明材料制成，且标有刻度，用于控制盛放的水泥基体的高度。

5.根据权利要求2或3所述的合成纤维与水泥基材料塑性阶段界面粘结性能测试装置，其特征是水泥基体成型模具(4)的尺寸根据水泥基材料中骨料的粒径及掺量确定。

6.根据权利要求1或2或3所述的合成纤维与水泥基材料塑性阶段界面粘结性能测试装置，其特征是夹持器(2)为气动夹持器。

7.根据权利要求1或2或3所述的合成纤维与水泥基材料塑性阶段界面粘结性能测试装置，其特征是所述传动系统(7)由全数字直流伺服驱动器、永磁直流电机及传感器组成，永磁直流电机用于提供全数字直流伺服驱动器的动力，使合成纤维自水泥基体中拔出；传感器用于输入和输出传动系统的信号。

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