CN105588761B - 测量土工合成材料弹性模量的试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量土工合成材料弹性模量的试验装置及试验方法，包括在试件上部对试件施加竖向荷载的竖向加载装置，所述竖向加载装置的两对侧均设有反力架，所述反力架的顶部固定有位移传感器，位移传感器顶部固定第一试件夹具组件，所述竖向加载装置底部设有与第一试件夹具组件相配合的第二试件夹具组件。可用于对各种常见材料的弹性模量测定。本发明模型加工方便，易于拆卸和搬运，可以重复利用。本发明可以应用于对不同尺寸试验材料检测，对试验材料的限制极小。本发明克服了传统压力机试验精度较低的弊端，可提高试验的精度。

Description

测量土工合成材料弹性模量的试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于复合材料检测技术范畴，具体涉及测量土工合成材料弹性模量的试验装置及试验方法。

背景技术

随着我国的经济快速发展，越来越多的材料被广泛的应用于土木工程建设中。土工合成材料作为一种新型的合成材料，具有轻质、反滤、排水、隔离、增强、成本低、耐腐蚀等优良性能，被广泛的应用在民用建筑、道路与桥梁、水利工程、岩土工程、环境工程、交通工程、市政工程及围海造地工程、核电站与军事防护等工程。例如，土工织物用于滤层、隔离和防护；土工格栅、条带和有纺或编织土工织物用于加筋；土工膜用于防渗土工网和三维植被网垫用于排水和坡面的稳定等。我国对土工合成材料应用起步较晚，而且土工材料作为一种复合材料，其力学性能指标依据合成材料的不同而有所差异。因此在应用材料之前，我们需要详细了解到材料的力学性质。传统的试验机主要应用于混凝土的压缩和钢筋的拉伸实验，如采用该力学试验机测量合成材料的弹性模量，由于其量程过大，会导致测量精度过低。但是，如果我们应用土工合成材料，就需要对其各力学指标进行精确测量(例如材料的弹性模量)，然而目前该试验装置很少有人研究。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种测量土工合成材料弹性模量的试验装置及试验方法，可用于对土工合成材料的弹性模量测定。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

测量土工合成材料弹性模量的试验装置，包括在试件上部对试件施加竖向荷载的竖向加载装置，所述竖向加载装置的两对侧均设有反力架，所述反力架的顶部固定有位移传感器，位移传感器顶部固定第一试件夹具组件，所述竖向加载装置底部设有与第一试件夹具组件相配合的第二试件夹具组件；第一试件夹具组件和第二试件夹具组件相配合直接夹持试件，第一试件夹具组件设置在竖向加载装置底部，通过竖向加载装置自身的伸缩对试件施加竖向荷载。

现有传统装置将加载装置放置在下部，且需要连接联动装置来调节横梁升降来控制加载，而本发明中将加载装置放置在上部，只需控制加载装置的探头伸缩来实现对试件的拉伸和调控加载大小，装置安装较为简单，无需太多复杂部件。

所述竖向加载装置包括底座，所述底座上端设有竖梁，竖梁顶部与横向反力梁固定连接，所述反力梁底部中心处固设有竖向千斤顶；沿所述底座的竖直轴向设有用以测量竖向拉力的拉力传感器，拉力传感器与控制器连接，控制器与显示器连接，显示器可设置于底座上或整个装置的其他位置；底座可保证试件加载过程中的稳定性，采用竖向千斤顶来提供试件所受的拉力。一般的压力机拉力大小都是通过电脑显示，而本发明直接将拉力传感器固定在底部，通过显示器可直接读出拉力大小。

传统的拉伸装置量程一般为100KN，造成测量的弹性模量精度较低，而本发明加载装置量程较小，测量的精度较高，更容易获得材料的精确指标。本发明中拉力传感器量程为10000N，位移传感量程为5cm。

所述第二试件夹具组件固定于竖向千斤顶底部；其中一个夹具固定在千斤顶底部可以随千斤顶探头的伸缩来调节待拉伸试件的长度，当千斤顶加载后，探头向上移动，与千斤顶固定的夹具也随之移动，提供拉力。另一端探头与传感器固定，当试件发生位移时，传感器可以显示试件位移。

所述拉力传感器通过拉力传感器垫片固定于底座上，拉力传感器顶部与第一试件夹具组件的底部相连接；拉力传感器测量试件在被拉过程中所受到的拉力大小。

所述第一试件夹具组件包括固定于位移传感器上的夹具底座，所述夹具底座两侧部均设有侧壁，侧壁上穿有转动轴，所述转动轴的一端部延伸至侧壁之间并与夹片连接；采用夹片，可以方便试件与夹片充分接触，保证夹持试件的夹紧力。通过转动把手的旋转来控制与试件相连的方形垫片，当两个转动把手同时顺时针旋转时，方形垫片加紧试件；当两个转动把手同时逆时针旋转时，方形垫片松开试件。

优选的，所述转动轴另一端部延伸出侧壁并与转动把手连接；可通过转动把手，快速方便调节夹片的位置，以适应夹持不同厚度的试件。

所述第二试件夹具组件包括固定于竖向千斤顶底部的夹具底座，所述夹具底座两侧部均设有侧壁，侧壁上穿有转动轴，所述转动轴的一端部延伸至侧壁之间并与夹片连接。

优选的，所述转动轴另一端部延伸出侧壁并与转动把手连接；可通过转动把手，快速方便调节夹片的位置，以适应夹持不同厚度的试件。

所述反力架底部固定于工字钢底座上，所述反力架顶部中心处固定有水平刚性支架，所述位移传感器固定于刚性支架上；位移传感器与控制器连接，控制器与显示器连接，显示器可设置于底座上或整个装置的其他位置。

优选的，所述位移传感器的个数为4个，4个位移传感器分别对应于夹具底座下表面的四个角处；设置4个位移传感器可以减少测量误差。

测量土工合成材料弹性模量的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：按照设定要求制取设定长度、宽度和厚度的试件；

步骤2：固定试件，将试件用第一夹具组件和第二夹具组件进行夹紧固定；试件由土工合成材料制成；

步骤3：对所述试件施加竖向荷载，待试件拉直后，停止加载；

步骤4：间隔设定时间检测记录拉力传感器和位移传感器的数据；

步骤5：依据试件受到的拉力、试件的宽度和试件的厚度计算得出试件所受到的应力；依据试件的长度和试件在试验过程中的拉伸长度计算出试件的应变；

步骤6：根据步骤5计算出的应力与应变，绘制应力与应变曲线，并求出该曲线在直线段处的斜率值，该斜率值即为所测量的试件的弹性模量。

优选的，所述步骤2中分别测量3次试件的长度、宽度和厚度，取3次测量值得平均值为最终测得的试件的长度、宽度和厚度。

优选的，所述步骤6之后进行以下步骤：取相同尺寸的试件重复多次进行步骤1-步骤6的试验过程，取多次试验中获得的斜率值的平均值为最终所测量的试件的弹性模量。

本发明的工作原理为：

将试件用第一夹具组件和第二夹具组件夹紧固定后，通过竖向千斤顶在试件上部施加竖向荷载，然后通过拉力传感器监测试件在试验过程中受到的拉力大小，通过位移传感器监测试件在试验过程中长度尺寸的变化，根据应力与应变的关系，得出所测试件的弹性模量。

本发明的有益效果为：

1、本发明提出了一种测量土工合成材料试验装置及其使用方法，可用于对各种常见材料的弹性模量测定。

2、本发明模型加工方便，易于拆卸和搬运，可以重复利用。

3、本发明可以应用于对不同尺寸试验材料检测，对试验材料的限制极小。

4、本发明克服了传统压力机试验精度较低的弊端，可提高试验的精度。

附图说明

图1为本发明试验装置的轴测图；

图2为本发明中夹具组件的示意图；

图3为竖向加载装置中实现加载的部件示意图；

图4为支撑反力架与位移传感器配合示意图；

图中，1.底座，2.反力架，3.拉力传感器垫片，4.拉力传感器，5.位移传感器，6.夹具组件，7.竖梁，8.竖向千斤顶，9.反力梁，10.夹片，11.夹具底座，12.转动轴，13.竖向千斤顶底座，14.刚性支架，15.工字钢底座，16.转动把手。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，测量土工合成材料弹性模量试验装置，从下到上依次是底座1，反力架2，拉力传感器4，位移传感器5，夹具组件6、竖向千斤顶8，反力梁9组成。其中底座1、竖梁7、反力梁9、竖向千斤顶8构成对试件施加竖向荷载的竖向加载装置，竖向千斤顶8通过向上调节长度来对试件施加竖向拉力；试件夹持于夹具组件6之间，夹具组件6设置两个，两个夹具组件6之间具有一定间距，其中一个夹具组件6固定于竖向千斤顶8上，另一个夹具组件6固定于4个位移传感器5上，4个位移传感器5刚接在与底座1平行的水平刚性支架14上，刚性支架14刚接在反力架2上。

采用平衡底座放置防止试验材料受力偏心，采用在试验材料上部施加竖向荷载的方式(现有装置一般将加载装置设置在底部，现有装置一般都是借助电脑读出拉力数值)；采用位移传感器来监测材料的竖向位移，位移传感器精确度很高，可以精确测量试件竖向位移；采用反力架来提供材料受拉时所受到的反力；采用反力梁来固定竖向加载装置。

如图2所示，夹具组件6，包括夹具底座11，夹片10，转动轴12；夹具底座11两侧部均设有侧壁，侧壁上穿有转动轴12，转动轴12的一端部延伸至侧壁之间并与夹片10连接，转动轴12另一端部延伸出侧壁并与转动把手16连接。采用旋转轴的方式夹紧试件以适应不同厚度的材料；采用方形夹片使材料充分与夹片接触。

与竖向千斤顶8连接的夹具组件6，其夹具底座11固定于竖向千斤顶8底部；与位移传感器5连接的夹具组件6，其夹具底座11固定于位移传感器5上。

如图3所示，实现竖向加载的部件，包括竖向千斤顶8，竖向千斤顶底座13，竖向千斤顶8通过竖向千斤顶底座13固定于反力梁9上，竖向千斤顶8底部与夹具组件6连接；采用竖向千斤顶来提供材料所受的拉力。

如图4所示，位移传感器5刚接在与底座1平行的水平刚性支架14上，刚性支架14刚接在2个反力架2上，2个反力架底部固定于工字钢底座15上，工字钢底座15固定在地面上，与地面刚接。工字钢底座15固定在地面上来提供保证整个实验装置的稳定。

本发明试验装置的使用方法如下：

步骤1：安装底座1、反力架2和工字钢底座15；

步骤2：组装拉力传感器4、位移传感器5和固定位移传感器的刚性支架14，将位移传感器5安装固定在刚性支架14上；

步骤3：组装第一夹具组件6，并使夹具组件6的夹具底座固定在位移传感器5上；

步骤4：安装竖梁7和反力梁9，竖梁7与底座1刚接，反力梁9与竖梁7刚接；

步骤5：安装竖向千斤顶8和第二夹具组件6，使竖向千斤顶8刚接在反力梁9上，夹具组件6安装在竖向千斤顶8上。

测量土工合成材料弹性模量试验方法，包括以下步骤：

步骤1：固定试件，将试件固定在2个夹具组件6上，夹紧。

步骤2：测量2夹具组件6之间试件的长度、宽度、厚度(对每个参数测量3次取平均值)。

步骤3：依据规范要求施加竖向荷载。

步骤4：间隔一定时间观测拉力传感器的读数和位移传感器上的读数，并记录下来。

步骤5：依据公式σ＝F/bh算出土工合成材料所受到的应力，其中b为土工合成材料的宽度，h为土工合成材料的厚度。依据ε＝ΔL/L计算出土工合成材料的应变：其中ΔL为土工合成材料的长度变化值，即为4个位移传感器的平均值，L为土工合成材料的长度。

步骤6：根据步骤5计算出的应力与应变，绘制应力与应变曲线，并求出该曲线直线段处的斜率值，即E＝σ/ε该斜率值即为所测量的土工合成材料的弹性模量，即弹性模量E＝σ/ε。

步骤7：取相同的材料重复上述试验过程3次，取平均值为最终测量的土工合成材料的弹性模量。

实施例1：

1.橡胶材料的弹性模量试验：

(1)组装试验模型；

(2)制取长*宽*厚为：250mm*20mm*10mm的条状橡胶材料；

(3)将条状橡胶材料两端分别夹在该装置的夹具组件上，上下两端分别夹住50mm即：使得中间受拉长度在150mm左右；

(4)使条状橡胶材料受拉，并记录拉力传感器示数的大小；依据公式σ＝F/bh算出橡胶材料所受到的拉应力大小。考虑到加载速度对最终结果的影响，可以手动控制千斤顶的探头伸缩来控制加载速度来观测结果。

(5)在条状橡胶材料受拉时，记录下该装置的位移传感器所记录的位移变化量，依据ε＝ΔL/L可测得条状橡胶材料的竖向线应变。

(6)根据σ和ε绘制出条状橡胶材料所受应力应变曲线图，并求出该直线段处斜率即可测得该条状橡胶材料的弹性模量。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.测量土工合成材料弹性模量的试验装置，其特征是，包括在试件上部对试件施加竖向荷载的竖向加载装置，所述竖向加载装置的两对侧均设有反力架，所述反力架的顶部固定有位移传感器，位移传感器顶部固定第一试件夹具组件；

所述竖向加载装置包括底座，所述底座上固设有竖梁，竖梁顶部与横向反力梁固定连接，所述反力梁底部中心处固设有竖向千斤顶，所述竖向千斤顶底部设有与第一试件夹具组件相配合的第二试件夹具组件；沿所述底座的竖直轴向设有用以测量竖向拉力的拉力传感器，拉力传感器与控制器连接，控制器与显示器连接，拉力传感器顶部与第一试件夹具组件的底部相连接；

所述反力架底部固定于工字钢底座上，所述反力架顶部中心处固定有水平刚性支架，所述位移传感器固定于刚性支架上，位移传感器与控制器连接，控制器与显示器连接。

2.如权利要求1所述的试验装置，其特征是，所述第二试件夹具组件固定于竖向千斤顶底部。

3.如权利要求1所述的试验装置，其特征是，所述拉力传感器通过拉力传感器垫片固定于底座上。

4.如权利要求1或3所述的试验装置，其特征是，所述第一试件夹具组件包括固定于位移传感器上的夹具底座，所述夹具底座两侧部均设有侧壁，侧壁上穿有转动轴，所述转动轴的一端部延伸至侧壁之间并与夹片连接；所述转动轴另一端部延伸出侧壁并与转动把手连接。

5.如权利要求1或2所述的试验装置，其特征是，所述第二试件夹具组件包括固定于竖向千斤顶底部的夹具底座，所述夹具底座两侧部均设有侧壁，侧壁上穿有转动轴，所述转动轴的一端部延伸至侧壁之间并与夹片连接；所述转动轴另一端部延伸出侧壁并与转动把手连接。

6.如权利要求4所述的试验装置，其特征是，所述位移传感器的个数为4个，4个位移传感器分别对应于夹具底座下表面的四个角处。

7.利用权利要求1-6任一项所述的试验装置的试验方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：按照设定要求制取设定长度、宽度和厚度的试件；

步骤2：固定试件，将试件用第一夹具组件和第二夹具组件进行夹紧固定；试件由土工合成材料制成；

步骤3：对所述试件施加竖向荷载，待试件拉直后，停止加载；

步骤4：间隔设定时间检测记录拉力传感器和位移传感器的数据；

步骤5：依据试件受到的拉力、试件的宽度和试件的厚度计算得出试件所受到的应力；依据试件的长度和试件在试验过程中的拉伸长度计算出试件的应变；

步骤6：根据步骤5计算出的应力与应变，绘制应力与应变曲线，并求出该曲线在直线段处的斜率值，该斜率值即为所测量的试件的弹性模量。

8.如权利要求7所述的试验方法，其特征是，所述步骤6之后进行以下步骤：取相同尺寸的试件重复多次进行步骤1-步骤6的试验过程，取多次试验中获得的斜率值的平均值为最终所测量的试件的弹性模量。