CN103760044A - 一种水泥基材料动态劈拉力学性能试验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水泥基材料动态劈拉力学性能试验装置与方法，装置包括子弹，入射杆，透射杆，阻尼器，动态应变仪，波形存储器，数据处理系统，巴西圆盘试件。入射杆，透射杆与阻尼器通过螺栓固定在支座上方，支座放置在混凝土平台上。子弹、入射杆、透射杆、阻尼器依次成直线排列。巴西圆盘试件夹在入射杆与透射杆之间。动态应变仪通过导线与应变片相连，应变片粘贴于入射杆、透射杆及巴西圆盘试件中部。波形存储器通过导线与动态应变仪相连。方法采用应用在岩石拉伸性能测试的平台巴西圆盘方法，该方法易于实施，避免了施力点处先压碎的不合理破坏模式，提高了试验结果的精度。为研究水泥基材料等脆性材料的动态力学性能及变化规律打下基础。

Description

一种水泥基材料动态劈拉力学性能试验装置与方法

技术领域：

本发明涉及一种测定水泥基材料动态劈拉力学性能的试验装置与方法，是基于Hopkinson压杆装置的巴西平台圆盘试验。

背景技术

水泥基材料是土木工程中应用最广泛的建筑材料，它不仅承受静荷载的作用，还要承受地震，爆炸，冲击等动荷载的影响，因此充分研究水泥基材料在不同加载速率下的力学性能对于钢筋混凝土结构设计具有重要意义。Hopkinson压杆装置是测量材料在10²/s-10⁴/s应变率范围内的主要装置，水泥基材料的拉伸试验包括轴拉，劈拉和弯拉三种加载方式，采用劈拉法来研究材料的力学特性最为经济方便，且其强度值也与真实抗拉强度最为接近。通常基于Hopkinson压杆装置采用巴西圆盘法来研究水泥基材料的动态劈拉力学特性。

目前测定水泥基材料的劈拉强度的方法多采用集中力加载与圆弧垫块加载，由于试验精度的限制，垫块与试件之间不易保持线性接触，且施力点处易发生应力集中导致试件未达到破坏强度就被压碎，严重影响了测量结果的准确分析，未能反映水泥基材料真实的力学特性。因此，研发一种较精确的测定水泥基材料动态劈拉力学性能的试验装置与方法对于全面探索混凝土动态拉伸特性，制定标准的动态劈拉试验方案具有十分重要的意义。

发明内容

本发明针对现有技术的不足提供了一种更为有效的测量水泥基材料动态劈拉力学性能的试验装置与方法。

一种水泥基材料动态劈拉力学性能试验装置，包括子弹，入射杆，透射杆，阻尼器，动态应变仪，波形存储器，数据处理系统，巴西圆盘试件。其特征是：入射杆，透射杆与阻尼器通过螺栓固定在支座上方，支座放置在混凝土平台上。子弹、入射杆、透射杆、阻尼器依次成直线排列。巴西圆盘试件夹在入射杆与透射杆之间。动态应变仪通过导线与应变片相连，应变片粘贴于入射杆、透射杆及巴西圆盘试件中部。波形存储器通过导线与动态应变仪相连，数据处理系统通过导线与波形存储器相连。

所述的子弹放置在炮管中，通过充气来发射。所述的入射杆与透射杆可在支座上移动，中心处贴有上下对称的应变片，应变片串联可以消除弯曲效应。所述的阻尼器可以减缓子弹对杆端的冲击。所述的动态应变仪可以对材料的变形进行动态测量。所述的波形存储器用来记录试验中产生的入射波反射波与透射波。所述的数据处理系统用来对记录的波形数据进行处理，得到相应的应力应变情况。所述的水泥基材料平台巴西圆盘试样的试件直径为74mm，厚度为30mm，两端磨平，采用20°的平台角来保证中心起裂，可改善施力处的应力集中。试件正反两面中心处垂直于加载方向均贴有应变片，应变仪记录结果取平均值。平台巴西圆盘试件中心处的应力分量为：

${\mathrm{\σ}}_x=2.973\frac{2P}{\mathrm{\πDB}}---\left(1\right)$

${\mathrm{\σ}}_y=-0.964\frac{2P}{\mathrm{\πDB}}---\left(2\right)$

D为试件直径，B为试件厚度。

如前所述的水泥基材料动态劈拉力学性能试验装置的试验方法，包括如下步骤：

1）准备试件，试件直径为74mm，厚度为30mm，两端磨平，采用20°的平台角来保证中心起裂，将加工好的具有上述尺寸的试件正反两面垂直于磨平面贴好应变片，用导线通过桥盒接入应变仪。

2）调整Hopkinson压杆装置，调整支座螺栓，使入射杆和透射杆水平，与子弹成一条直线，并将直径为20mm,厚度为1mm的紫铜片作为整形器贴在入射杆的前端，可延长入射波上升时间，保证受载过程中应力平衡。

3）安装试件，将准备好的巴西圆盘试件夹在入射杆与透射杆之间，试件磨平面涂抹凡士林减少摩擦，启动示波器，将应变仪通道数据归零。

4）加载，打开氮气阀门，通过控制气压使子弹产生不同的冲击速度撞击入射杆，产生沿入射杆方向传播的压应力波，应力波在遇到试件后，一部分反射回入射杆，另一部分沿透射杆传播。入射杆和透射杆的中部表面的应变片用于获取应变信号，应变片串联可以消除弯曲效应。

5）数据处理，通过数字示波器记录入射波，反射波及透射波的信号，再将三个波形提取出分析即可得到试件的应力应变关系和加载应变率。

求取平台巴西圆盘试件的抗拉强度为：

${\mathrm{\σ}}_t=0.95\frac{{2P}_{\max }}{\mathrm{\πDB}}---\left(3\right)$

式中：P_max是临界荷载，即试件在冲击过程中所承受的最大荷载，D为试件直径，B为试件厚度

求取试件应变率的方法为：试件的应变由粘贴在试件上的应变片测得，根据电压与时间的关系，推算出应变与时间的关系，在应变时间关系中，将应变突然增大的那一点作为起点，试件破坏点为终点，该段曲线的斜率即试件在冲击过程中的应变率。

求取试件应力应变的方法为：根据应力时间与应变时间关系曲线进而求得应力应变关系曲线，得到试件的极限应变。

6）调整加载速率，重复步骤1-步骤5，从而得出不同应变率情形下的水泥基材料动态劈拉力学性能的应力与应变的关系。进而可以研究水泥基材料的应变率效应。

有益效果

本试验方法采用应用在岩石拉伸性能测试的平台巴西圆盘方法，该方法易于实施，避免了施力点处先压碎的不合理破坏模式，试件中的应力均匀性也优于巴西圆盘，提高了试验结果的精度。为研究水泥基材料等脆性材料的动态力学性能及变化规律打下基础。

附图说明

图1为Hopkinson压杆装置示意图；

图2为巴西平台圆盘试件加载示意图；

图3为劈拉巴西平台试件示意图；

图4为试验波形示意图；

图5为应变率计算方法示意图；

图6为劈拉应力应变曲线示意图。

图中：1，子弹；2，红外测速仪；3,时间记录仪；4,波形整形器；5,入射杆；6,巴西圆盘试件；7,应变片；8,动态应变放大仪；9,波形存储器；10,数据处理系统；11,透射杆；12,吸收杆；13,阻尼器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明：

如图1图2所示，本发明的测定装置包括子弹1，入射杆5,透射杆11，巴西圆盘试件6,应变片7,动态应变放大仪8,波形存储器9,数据处理系统10,阻尼器13；。入射杆5，透射杆11与阻尼器13通过螺栓固定在支座上方，支座放置在混凝土平台上。子弹1、入射杆5、透射杆11、阻尼器13依次成直线排列。巴西圆盘试件6夹在入射杆5与透射杆11之间。动态应变仪8通过导线与应变片7相连，应变片7粘贴于入射杆5、透射杆11及巴西圆盘试件6中部。波形存储器9通过导线与动态应变仪8相连，数据处理系统10通过导线与波形存储器9相连。

子弹1放置在炮管中，通过充气来发动；入射杆5与透射杆11可在支座上来回移动，杆中心处贴有上下对称的应变片7，应变片串联可以消除弯曲效应；阻尼器13可以减缓子弹对杆端的冲击；应变片7通过桥盒接入动态应变仪8，可以对材料的变形进行动态测量；波形存储器9用来记录试验中产生的入射波反射波与透射波，波形如图4所示；数据处理系统10用来对记录的波形数据进行处理，得到相应的应力应变情况。如图3所示，水泥基材料平台巴西圆盘试样6的主要特点是：试件直径为74mm，厚度为30mm，两端磨平，采用20°的平台角来保证中心起裂，可改善施力处的应力集中。试件正反两面中心处垂直于加载方向均贴有应变片7，应变记录结果取平均值。

对于径向受压的巴西圆盘，直径上的应力分量有准确的弹性力学解：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{2P}{\mathrm{\πDB}}---\left(1\right)$

${\mathrm{\σ}}_r=\frac{2P}{\mathrm{\πDB}}(1-\frac{{4D}^2}{D^2-{4r}^2})---\left(2\right)$

D为试件直径，B为试件厚度，r为距离圆心的距离。

对于均匀受压的平台巴西圆盘不可能有准确的弹性力学解，平台角为20°的试件中心处的应力分量用有限元分析得到：

${\mathrm{\σ}}_x=2.973\frac{2P}{\mathrm{\πDB}}---\left(3\right)$

${\mathrm{\σ}}_y=-0.964\frac{2P}{\mathrm{\πDB}}---\left(4\right)$

D为试件直径，B为试件厚度。

本发明的水泥基材料动态劈拉力学性能的试验方法，包括如下步骤：

1）准备试件，试件直径为74mm，厚度为30mm，两端磨平，采用有限元分析得到的20°平台角来保证中心起裂，避免应力集中，将加工好的具有上述尺寸的试件正反两面垂直于磨平面用AB胶贴好应变片，用导线通过桥盒接入应变放大仪。

2）调整Hopkinson压杆装置，调整支座螺栓，用水准器进行检测，使入射杆和透射杆水平，与子弹成一条直线，并将直径为20mm,厚度为1mm的紫铜片作为整形器贴在入射杆的前端，可延长入射波上升时间，保证受载过程中应力平衡。

3）安装试件，将准备好的巴西圆盘试件夹在入射杆与透射杆之间，试件磨平面涂抹凡士林减少摩擦，启动示波器，将应变仪通道数据归零，并确保无干扰。

4）加载，打开氮气阀门，通过控制气压使子弹产生不同的冲击速度撞击入射杆，产生沿入射杆方向传播的压应力波，应力波在遇到试件后，一部分反射回入射杆，另一部分沿透射杆传播。入射杆和透射杆的中部表面的应变片用于获取应变信号，应变片串联可以消除弯曲效应。通过与桥盒相连接入应变放大仪来记录应变数据。

5）数据处理，通过数字示波器记录入射波，反射波及透射波的信号，再将三个波形提取出分析即可得到试件的应力应变关系和加载应变率。

按照Griffith强度理论进行分析，用公式（3）（4）的结果求取了平台角为20°的平台巴西圆盘试件的抗拉强度为：

${\mathrm{\σ}}_t=0.95\frac{{2P}_{\max }}{\mathrm{\πDB}}---\left(3\right)$

式中：P_max是临界荷载，即试件在冲击过程中所承受的最大荷载，D为试件直径，B为试件厚度

求取试件应变率的方法为：试件的应变由粘贴在试件上的应变片测得，根据电压与时间的关系，推算出应变与时间的关系。如图5所示，在应变时间关系中，将应变突然增大的那一点作为起点，试件破坏点为终点，该段曲线的斜率即试件在冲击过程中的应变率。

求取试件应力应变的方法为：根据应力时间与应变时间关系曲线进而求得应力应变关系曲线，得到试件的极限应变，如图6所示。

6）调整加载速率，重复步骤1-步骤5，从而得出不同应变率情形下的水泥基材料动态劈拉力学性能的应力与应变的关系。进而可以研究水泥基材料的率效应。

Claims (4)

1.一种水泥基材料动态劈拉力学性能试验装置，包括子弹，入射杆，透射杆，阻尼器，动态应变仪，波形存储器，数据处理系统，巴西圆盘试件，其特征在于：入射杆，透射杆与阻尼器通过螺栓固定在支座上方，支座放置在混凝土平台上，子弹、入射杆、透射杆、阻尼器依次成直线排列，巴西圆盘试件夹在入射杆与透射杆之间，动态应变仪通过导线与应变片相连，应变片粘贴于入射杆、透射杆及巴西圆盘试件中部，波形存储器通过导线与动态应变仪相连，数据处理系统通过导线与波形存储器相连。

2.根据权利要求1所述的一种水泥基材料动态劈拉力学性能试验装置，其特征在于：所述的子弹放置在炮管中。

3.根据权利要求1所述的一种水泥基材料动态劈拉力学性能试验装置，其特征在于：所述的巴西圆盘试件直径为74mm，厚度为30mm。

4.基于权利要求1所述的一种水泥基材料动态劈拉力学性能试验装置的试验方法，其特征在于包括如下步骤：

1）准备试件，试件直径为74mm，厚度为30mm，两端磨平，采用20o的平台角来保证中心起裂，将加工好的具有上述尺寸的试件正反两面垂直于磨平面贴好应变片，用导线通过桥盒接入应变仪；

2）调整Hopkinson 压杆装置，调整支座螺栓，使入射杆和透射杆水平，与子弹成一条直线，并将直径为20mm,厚度为1mm的紫铜片作为整形器贴在入射杆的前端；

3）安装试件，将准备好的巴西圆盘试件夹在入射杆与透射杆之间，试件磨平面涂抹凡士林，启动示波器，将应变仪通道数据归零；

4）加载，打开氮气阀门，通过控制气压使子弹产生不同的冲击速度撞击入射杆；

5）数据处理，通过数字示波器记录入射波，反射波及透射波的信号，再将三个波形提取出分析即可得到试件的应力应变关系和加载应变率；

6）调整加载速率，重复步骤1-步骤5，从而得出不同应变率情形下的水泥基材料动态劈拉力学性能的应力与应变的关系，进而可以研究水泥基材料的应变率效应。

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