CN109001062A - 一种材料密实度的压杆测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种材料密实度的压杆测量装置及测量方法。本发明的装置包括与待测试件垂直接触的入射杆，所述待测试件上贴有应变片，所述入射杆的另一端依次设置有前置打击杆和后置打击杆，所述的前置打击杆和所述的后置打击杆之间设置有连接链，所述前置打击杆与所述后置打击杆之间具有间隙d，后置打击杆的长度l₂、前置打击杆和后置打击杆之间的间隙长度d、入射杆的长度l₃、试件的长度l_s满足的约束关系为：2d/v₀+2l₂/C₀＜l₃/C₀与2d/v₀+2l₂/C₀＜l_s/C_s。本发明应用范围较为广泛，可对同种材料之间和不同种材料之间均可进行密实度的比较，优势明显。

Description

一种材料密实度的压杆测量装置及测量方法

技术领域：

本发明涉及一种材料密实度的压杆测量装置及测量方法，属于材料动力学测试领域。

背景技术：

材料密实度的判断对于工程质量具有重要作用，如公路工程中，铺路层的密实度对于公路质量至关重要，再如，对于混凝土和岩石材料，对其密实度的判断可在一定程度上反应出其内部缺陷与层理程度等情况；且密实度也可以侧面反应出材料的强度、延展性等重要性质，因此密实度是材料的一个重要参数。

现有的密实度测量装置有回填土密实度测量仪,但其适用范围非常有限，仅适用于回填土，且其锤击会对材料进行破坏，无法适用于坚硬材料，如岩石、金属等。另外，对于给定的两种同材质材料或两种不同材质材料，如何比较其内部的密实度更是个技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供材一种材料密实度的压杆测量装置及测量方法，该装置基于应变片的两个脉冲波应变测量信号的大小比较，可以对试件材料的密实状态进行判断。

上述的目的通过以下技术方案实现：

一种材料密实度的压杆测量装置，包括与待测试件垂直接触的入射杆，所述待测试件上贴有应变片，所述入射杆的另一端依次设置有前置打击杆和后置打击杆，所述的前置打击杆和所述的后置打击杆之间设置有连接链，所述前置打击杆与所述后置打击杆之间具有间隙d，后置打击杆的长度l₂、前置打击杆和后置打击杆之间的间隙长度d、入射杆的长度l₃、试件的长度l_s满足的约束关系为：

2d/v₀+2l₂/C₀＜l₃/C₀与2d/v₀+2l₂/C₀＜l_s/C_s，

其中：

v₀为前置打击杆和后置打击杆所具有共同的撞击速度，

C₀为前置打击杆、后置打击杆、入射杆所具有的共同的波速，

C_s为试件的波速。

所述的材料密实度的压杆测量装置，所述前置打击杆、后置打击杆、入射杆的中心轴都与待测试件在同一条直线上。

所述的材料密实度的压杆测量装置，所述前置打击杆和所述后置打击杆相互靠近的一侧的中间分别设置有一个凹槽，所述的连接链的两头分别连接在前置打击杆和所述后置打击杆的凹槽里面。

所述的材料密实度的压杆测量装置，所述前置打击杆的长度l₁、前置打击杆后置打击杆之间的间隙长度d的约束关系为l₁/C₀＜d/v₀，

其中v₀为前置打击杆和后置打击杆所具有共同的撞击速度，

C₀为前置打击杆、后置打击杆、入射杆所具有的共同的波速。

所述的材料密实度的压杆测量装置，所述应变片距离待测试件自由端的距离l_y满足d/v₀+l₂/C₀＜l_y/C_s，

其中d为前置打击杆和后置打击杆之间的间隙长度，

l₂为后置打击杆的长度，

v₀为前置打击杆和后置打击杆所具有共同的撞击速度，

C₀为前置打击杆、后置打击杆、入射杆所具有的共同的波速，

C_s为试件的波速。

用上述材料密实度的压杆测量装置进行材料密实度的测量方法，该方法为：

(1)在前置打击杆上施加作用力，在连接链的带动下，前置打击杆3和后置打击杆连成一体，具有共同的撞击速度v₀，先后撞击入射杆，形成两次压缩加载脉冲，该两次加载脉冲经由入射杆传入待测试件中，对待测试件进行两次加载；

(2)记录粘帖于待测试件上的应变片的应变信号，前端压缩脉冲信号记为ε_TS1，后端压缩脉冲信号记为ε_TS2；

(3)计算判断因子k值，k＝ε_ST1/ε_ST2，判断因子，在k＜1的情况下，k越小，说明材料的密实度越小，k越大，说明材料的密实度越大；如果k＝1说明材料已达到最大密实度，如果k＞1说明实验失败。

有益效果：

与现有技术相比，本发明可应用于混凝土、岩石、金属等材料密实度的判断，而该装置应用范围较为广泛，在同种材料和不同种材料之间均可进行比较，优势明显。

附图说明

图1是一种材料密实度的压杆测量装置示意图

图2是本发明实施例的试件应变片处所测量的双压缩脉冲透射波信号

其中，1-后置打击杆；2-连接链；3-前置打击杆；4-入射杆；5-待测试件；6-应变片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步说明。

如图1所示，本发明的材料密实度的压杆测量装置，包括与待测试件5垂直接触的入射杆4，所述待测试件上贴有应变片6，所述入射杆的另一端依次设置有前置打击3杆和后置打击杆1，所述的前置打击杆和所述的后置打击杆之间设置有连接链2。本发明的前置打击杆3、后置打击杆1、入射杆4必须采用相同的材质，具有相同的密度等属性。而待测试件5的材质不同于所述的前置打击杆3、后置打击杆1、入射杆4。

所述前置打击杆与所述后置打击杆之间具有间隙d，后置打击杆的长度l₂、前置打击杆和后置打击杆之间的间隙长度d、入射杆的长度l₃、试件的长度l_s满足的约束关系为：

2d/v₀+2l₂/C₀＜l₃/C₀与2d/v₀+2l₂/C₀＜l_s/C_s，

其中：

v₀为前置打击杆3和后置打击杆1所具有共同的撞击速度，

C₀为前置打击杆3、后置打击杆1、入射杆4所具有的共同的波速，

C_s为试件的波速。

2d/v₀为第二个脉冲波的起点距第一个脉冲波的起点的波长，2l₂/C₀为第二个脉冲波的波长，2d/v₀+2l₂/C₀则为整个双压缩脉冲波的波长，而l_s/C_s为试件所能容许的最大波长。2d/v₀+2l₂/C₀＜l_s/C_s的目的在于两个压缩脉冲可以完整的穿越试件，而防止双压缩脉冲在试件内部传播过程中产生反射拉伸波，对于混凝土、岩石等材料，其抗拉强度低，拉伸波易使得试件屈服，进而进入塑性状态，因此，约束关系2d/v₀+2l₂/C₀＜l_s/C_s可保证应变片6所接收的透射波信号为弹性撞击的透射波信号，这是保证弹性撞击的前提条件，而弹性撞击是材料密实判据生效的条件之一。

l₃/C₀为入射杆4所能容许的最大波长，其目的在于两个压缩脉冲可以完整的穿越入射杆4，以防两个压缩脉冲波内部的反射干扰，影响其整体传入试件5的脉冲波质量。

本实施例中所述的材料密实度的压杆测量装置，所述前置打击杆3、后置打击杆1、入射杆4的中心轴都与待测试件在同一条直线上。

本实施例中所述的材料密实度的压杆测量装置，所述前置打击杆和所述后置打击杆相互靠近的一侧的中间分别设置有一个凹槽，所述的连接链的两头分别连接在前置打击杆和所述后置打击杆的凹槽里面。凹槽也是后置打击杆1撞击前置打击杆3后的连接链的储放位置。

本实施例中所述的材料密实度的压杆测量装置，所述前置打击杆的长度l₁、前置打击杆后置打击杆之间的间隙长度d的约束关系为l₁/C₀＜d/v₀，其作用是使两个脉冲波可以分离，防止两个脉冲波的相互耦合重叠。其原理为，2d/v₀是第二个脉冲波的起点距第一个脉冲波的起点的波长，前置打击杆2撞击入射杆后，即产生第一个入射波脉冲，以此为0点，前置打击杆2撞击后，其速度为v₀/2，后置打击杆1以v₀经过间隙d撞击前置打击杆2，则第二次撞击瞬间距离第一次撞击瞬间的时间(波长)即为d/(v₀-v₀/2)＝2d/v₀，而前置打击杆2本身产生的波长为2l₁/C₀，只有满足2l₁/C₀＜2d/v₀，即l₁/C₀＜d/v₀，才能使前后两个压缩脉冲波分离。

其中v₀为前置打击杆和后置打击杆所具有共同的撞击速度，

C₀为前置打击杆、后置打击杆、入射杆所具有的共同的波速。

本实施例中所述的材料密实度的压杆测量装置，所述应变片距离待测试件自由端的距离l_y满足d/v₀+l₂/C₀＜l_y/C_s，这是应变片6能接收到两个完整压缩脉冲波而无发射拉伸波的必要条件。

其中d为前置打击杆和后置打击杆之间的间隙长度，

l₂为后置打击杆的长度，

v₀为前置打击杆和后置打击杆所具有共同的撞击速度，

C₀为前置打击杆、后置打击杆、入射杆所具有的共同的波速，

C_s为试件的波速。

用上述材料密实度的压杆测量装置进行材料密实度的测量方法，该方法为：

(1)在前置打击杆上施加作用力，在连接链的带动下，前置打击杆3和后置打击杆连成一体，具有共同的撞击速度v₀，先后撞击入射杆，形成两次压缩加载脉冲，该两次加载脉冲经由入射杆传入待测试件中，对待测试件进行两次加载；

(2)记录粘帖于待测试件上的应变片的应变信号，前端压缩脉冲信号记为ε_TS1，后端压缩脉冲信号记为ε_TS2；

(3)计算判断因子k值，k＝ε_ST1/ε_ST2，判断因子，在k＜1的情况下，k越小，说明材料的密实度越小，k越大，说明材料的密实度越大；如果k＝1说明材料已达到最大密实度，如果k＞1说明实验失败。

前置打击杆3和后置打击杆1所具有共同的撞击速度v₀须处于弹性临界速度，其目的在于双压缩脉冲在试件5中传播时，试件5需处于弹性状态，这可保证应变片6所接收的透射波信号为弹性撞击透射产生，这是进行密实状态判定的必要条件。

为了完成本发明的目的，当作用力作用到前置打击杆上时，首次双压缩脉冲作用时，试件须处于弹性状态，以此，可以利用不同介质弹性杆共同撞击的公式推导出判断材料密实度的判据。

推导如下：

Δσ_T＝TΔσ_I (1)

而由于处于弹性状态，得：

Δσ_T＝E_SΔε_T＝E_Sε_TS-0 (3)

Δσ_I＝E₀Δε_I＝E₀ε_I0-0 (4)

综合(1)-(4)式可以推出：

其中，Δσ_T为透射波扰动，Δσ_I为入射波扰动，ρ₀C₀为入射杆波阻抗，ρ_SC_S为试件的波阻抗，E₀为入射杆弹模，ε₀为入射杆应变，E_S为试件弹模，ε_TS为试件应变。

应变片6贴于试件5上，其所测参数，即为ε_TS，对于该装置，有双压缩脉冲作用于试件5，会在试件5上形成两个透射波脉冲，令前端压缩脉冲为ε_TS1，后端压缩脉冲为ε_TS2，而在冲击测试过程中，若试件5有压缩密实余量，其波阻抗会发生变化，令前端压缩脉冲作用后的波阻抗为ρ_S1C_S1，后端压缩脉冲作用后的波阻抗为ρ_S2C_S2。

由式(5)可以看出，应变片6测量信号ε_TS与试件5波阻抗ρ_SC_S成正比，定义判断因子k，为前端压缩脉冲ε_TS1与后端压缩脉冲ε_TS2之比，则：

弹性冲击过程中，试件5波阻抗ρ_SC_S的变化梯度可以反映材料的密实度的变化，若冲击前，材料密程度较小，则其具有较大的密实余量，试件波阻抗ρ_SC_S升高的梯度则较大，ρ_S2C_S2相对于ρ_S1C_S1，升高的更多，而根据(6)式，则判断因子k较小；而若冲击前，材料密实度已经很大，则试件波阻抗ρ_SC_S变化梯度微小，ρ_S2C_S2相对于ρ_S1C_S1，升高的更小，则判断因子k较大。因此，k即为材料密实度的判据，判断因子k越小(k＜1)，说明材料的密实度越小，k越大，说明材料的密实度越大，k＝1说明材料已达到最大密实度，k＞1说明实验失败，材料不满足弹性冲击条件。

实施例：

如图1所示，本实施例中后置打击杆1长度l₂＝0.3m、前置打击杆2长度l₁＝0.3m，前置打击杆3后置打击杆1之间的间隙长度d＝0.002m、入射杆4的长度l₃＝3m、试件5的长度l_s＝0.5m、应变片6距离试件自由端的长度l_y＝0.4m、前置打击杆3和后置打击杆1的冲击速度为v₀＝4m/s，前置打击杆3、后置打击杆1、入射杆4为相同的材料组成，具有相同的波速C₀＝5000，试件为混凝土试件，波速C_S＝3800。

本实施例中采用高压气体作为作用力，高压气体设置为0.1MPa，释放高压气体，在连接链2的作用下，将前置打击杆3和后置打击杆1以共同速度撞击入射杆4，撞击接触后，形成双压缩应力脉冲，传入入射杆4，进而形成透射波，传入试件5，双压缩脉冲信号进而被贴在试件5上的应变片6所接收，所接收的信号见图2。

记录粘帖于试件5上的应变片6的应变信号，前端压缩脉冲信号记为ε_TS1＝3.26×10^-4，后端压缩脉冲信号记为ε_TS2＝3.72×10^-4。

根据图2所提供的试件应变片5处所测量的双压缩脉冲透射波信号，计算得出判断因子k＝0.88，说明所提供的混凝土试件并未完全密实，但密实度已较高。

应当指出，上述实施实例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种材料密实度的压杆测量装置，其特征在于，包括与待测试件垂直接触的入射杆，所述待测试件上贴有应变片，所述入射杆的另一端依次设置有前置打击杆和后置打击杆，所述的前置打击杆和所述的后置打击杆之间设置有连接链，所述前置打击杆与所述后置打击杆之间具有间隙d，后置打击杆的长度l₂、前置打击杆和后置打击杆之间的间隙长度d、入射杆的长度l₃、试件的长度l_s满足的约束关系为：

2d/v₀+2l₂/C₀＜l₃/C₀与2d/v₀+2l₂/C₀＜l_s/C_s，

其中：

v₀为前置打击杆和后置打击杆所具有共同的撞击速度，

C₀为前置打击杆、后置打击杆、入射杆所具有的共同的波速，

C_s为试件的波速。

2.根据权利要求1所述的材料密实度的压杆测量装置，其特征在于，所述前置打击杆、后置打击杆、入射杆的中心轴都与待测试件的中心轴线在同一条直线上。

3.根据权利要求1所述的材料密实度的压杆测量装置，其特征在于，所述前置打击杆和所述后置打击杆相互靠近的一侧的中间分别设置有一个凹槽，所述的连接链的两头分别连接在前置打击杆和所述后置打击杆的凹槽里面。

4.根据权利要求1所述的材料密实度的压杆测量装置，其特征在于，所述前置打击杆的长度l₁、前置打击杆后置打击杆之间的间隙长度d的约束关系为l₁/C₀＜d/v₀，

其中v₀为前置打击杆和后置打击杆所具有共同的撞击速度，

C₀为前置打击杆、后置打击杆、入射杆所具有的共同的波速。

5.根据权利要求1所述的材料密实度的压杆测量装置，其特征在于，所述应变片距离待测试件自由端的距离l_y满足d/v₀+l₂/C₀＜l_y/C_s，

其中d为前置打击杆和后置打击杆之间的间隙长度，

l₂为后置打击杆的长度，

v₀为前置打击杆和后置打击杆所具有共同的撞击速度，

C₀为前置打击杆、后置打击杆、入射杆所具有的共同的波速，

C_s为试件的波速。

6.一种用上述材料密实度的压杆测量装置进行材料密实度的测量方法，其特征在于，该方法为：

(1)在前置打击杆上施加作用力，在连接链的带动下，前置打击杆3和后置打击杆连成一体，具有共同的撞击速度v₀，先后撞击入射杆，形成两次压缩加载脉冲，该两次加载脉冲经由入射杆传入待测试件中，对待测试件进行两次加载；

(2)记录粘帖于待测试件上的应变片的应变信号，前端压缩脉冲信号记为ε_TS1，后端压缩脉冲信号记为ε_TS2；

(3)计算判断因子k值，k＝ε_ST1/ε_ST2，判断因子，在k＜1的情况下，k越小，说明材料的密实度越小，k越大，说明材料的密实度越大；如果k＝1说明材料已达到最大密实度，如果k＞1说明实验失败。