CN110057678B - 一种无机结合料稳定材料直接拉伸试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的无机结合料稳定材料直接拉伸试验装置，包括试件固定系统、试件拉伸荷载系统、试件拉伸方向的位移量测系统和数据采集系统，所述试件拉伸荷载系统、位移量测系统与分别与数据采集系统连接；通过固定系统将试件下端固定，拉伸荷载系统从试件上端对试件进行直接垂直拉伸，位移量测系统测试试件在直接拉伸过程中的位移变量，通过数据采集系统得到拉伸荷载与位移的对应数据，做出荷载‑位移曲线，得到最大拉伸荷载，通过拉伸强度公式，可以计算得出最大拉伸强度。通过位移与试件长度比值，可以得到应变值，做出荷载‑应变曲线，按公式计算直接拉伸模量。本发明试验装置还可以测定静态和动态直接拉伸回弹模量等力学参数。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程材料检测装置领域，特别涉及一种无机结合料稳定材料直接拉伸试验装置。
背景技术
无机结合料稳定材料主要用于道路工程中的路面基层，在路面结构设计中，基层的抗拉伸能力十分关键，往往控制并主导着设计结果。直接拉伸试验是一种准确获取无机结合料稳定材料拉伸强度、拉伸模量的重要方法，但由于我国现行无机结合料稳定材料试验规程中缺少直接拉伸试验方法，也就没有相对应的直接拉伸试验装置；路面设计时只能采用劈裂或弯曲试验等间接拉伸试验的回弹模量结果来代替，会导致设计结果出现较大偏差。此外，由于无机结合料稳定材料的特殊性，无法直接使用沥青混合料和水泥混凝土的直接拉伸试验方法，需要针对无机结合料稳定材料的特点重新研究提出相应的试验方法及对应的试验装置。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种无机结合料稳定材料直接拉伸试验装置，可用于测定无机结合料稳定材料的直接拉伸强度和直接拉伸模量等力学参数。
一种无机结合料稳定材料直接拉伸试验装置，其特征在于：该试验装置包括试件固定系统、试件拉伸荷载系统、试件拉伸方向的位移量测系统和数据采集系统；
所述试件固定系统包括试件下加载板，所述下加载板可拆式固定于基座上；
所述试件拉伸荷载系统包括上加载板、拉伸杆和油压加载系统，所述上加载板通过连接件可拆式固定于拉伸杆的一端，拉伸杆的另一端与油压加载系统连接，所述油压加载系统与数据采集系统通过有线或无线连接；
所述位移量测系统包括多个直线位移传感器，所述直线位移传感器可拆式固定于试件的侧表面，直线位移传感器通过有线或无线与数据采集系统连接。
所述直线位移传感器包括位于连接杆两端的传感器固定块、传感器信号接收器；所述传感器固定块和传感器信号接收器分别卡接于U形钢帽的U形槽内并通过固定螺丝固定，两个U形钢帽的底部沿竖直方向成对粘接于被测试件侧表面。
所述传感器固定块可沿连接杆移动并由固定插销固定。
所述基座为一承拉底座，承拉底座与地面通过地脚螺栓固定；承拉底座的上表面有固定钢板，所述下加载板通过螺杆与固定钢板连接。
所述承位底座为方形，固定钢板为方形，所述固定钢板中部为凸形螺杆，固定钢板通过位于方形四角的螺栓固定于承拉底座之上；所述下加载板的上表面中央为容入试件底部的内凹槽，下加载板底部通过凸形螺杆与固定钢板固定。
所述连接件包括一连接螺杆；所述上加载板的下表面中央为容入试件底部的内凹槽，上加载板上部通过连接螺杆一端连接并由螺母固定，连接螺杆的另一端与拉伸杆的一端固定并由螺母固定。
所述试件为圆柱形，所述直线位移传感器为三个或三个以上，等角度固定于圆柱形试件表面径向等高位置，所述内凹槽为圆形凹槽。
所述油压加载系统包括荷载作用杆、液压油管、油箱、电磁阀和液压伺服控制器；荷载作用杆通过液压油管与油箱相连，油箱与液压伺服控制器通过电磁阀相连，所述荷载作用杆与拉伸杆的另一端可拆式固定。
所述试件拉伸荷载系统还包括一反力架，所述反力架上方横梁上有限位孔，所述拉伸杆或荷载作用杆穿过限位孔，并能沿限位孔上下移动。
所述数据采集系统为计算机。
本发明的无机结合料稳定材料直接拉伸试验装置包括试件固定系统、试件拉伸荷载系统、试件拉伸方向的位移量测系统和数据采集系统，所述试件拉伸荷载系统、位移量测系统与分别与数据采集系统通过有线或无线连接；通过固定系统将试件下端固定，拉伸荷载系统从试件上端对试件进行直接垂直拉伸，位移量测系统测试试件在直接拉伸过程中的位移变量，通过数据采集系统得到拉伸荷载与位移的对应数据，做出荷载-位移曲线，得到试件破坏时的最大拉伸荷载，通过拉伸强度公式(荷载F/受力面积S)，可以计算得出最大拉伸强度。通过位移与试件长度比值，可以得到应变值，做出荷载-应变曲线，取0.3Fmax时对应的应变值ε0.3按公式计算直接拉伸模量(0.3Fmax/(Sε0.3))。
由于试件是需要承载拉伸荷载，因此试件与本发明的装置之间的连接必须是非常牢固的，但又由于试件在实验前需要进行饱水处理，因此本发明装置中与试件连接的部件与装置的其它部分均为可拆式连接。试件下部的固定系统的连接部件是下加载板，下加载板可以与试件粘接，下加载板与基座则是可拆式连接；试件上部的拉伸荷载系统的连接部件是上加载板，上加载板可以与试件粘接，上加载板与拉伸杆则是通过连接件可拆式固定；试件侧表面的直线位移量测系统的连接件是U形钢帽，U形钢帽可以与试件侧表面粘接，而U形钢帽与位移传感器则是通过固定螺丝可拆式固定。这些与试件直接连接的部件在试验后如果损坏可以更换，或由于粘接污染部件，可以通过可拆式连接方式将其拆开清理后重新使用。
直线位移传感器是市售产品，连接杆一端与传感器固定块是固定连接，连接杆另一端与传感器信号接收器是活动连接，将直接位移传感器的信号接收器与传感器固定块固定于试件表面后，两者位置相对固定，将试件被拉伸，活动连接端被拉出延长，两者位置发生变动，则产生位移；活动连接端在传感器信号接收器内上下移动时，切割电磁场产生电信号，通过传感器信号接收器实时采集，传输至数据采集系统完成位移数据采集。
所述传感器固定块可沿连接杆移动并由固定插销固定，传感器固定块在连接杆的位置可以相对改变，沿连接杆移动，可以改变传感器信号接收器与传感器固定块之间的相对位置，以适用于更广的位移测量范围。
试件优选为圆柱形，直线传感器可以是多个，优选3个，可均布在试件侧表面。各直线传感器在径向方向的夹角相同。圆柱形试件的上、下两端限位于上、下加载板的圆形凹槽内，并粘接固定。
所述油压加载系统是市售产品，油压加载系统与数据采集系统连接以便及时得到荷载数据。
由于拉伸荷载要求是竖直方向的拉伸，因此为保证力的竖直方向，设置了一个反力架，使拉伸杆或荷载作用杆穿过反力架的限位孔，限定其作用力的方向不偏移。
本发明的一种无机结合料稳定材料直接拉伸试验装置，可用于测定无机结合料稳定材料的直接拉伸强度和直接拉伸模量，还可以测定静态和动态直接拉伸回弹模量等力学参数。
附图说明
图1直接拉伸试验装置示意图，
图2下部固定系统示意图，
图3上部拉伸荷载系统示意图(仅油压加载系统中的油压加压杆)，
图4位移量测系统示意图；
图5位移传感器结构示意图；
图6位移传感器在试件上的布置图，
图7“荷载—位移”曲线，
图8“荷载—应变”曲线，
图中各标号列示如下：
1—试件，2—下加载板，3—上加载板，4—连接螺杆，5—固定螺母，6—拉伸杆，7—U形钢帽，8—传感器固定块，9—传感器信号接收器，10—位移传感器，11—固定螺丝，12—固定插销，13—固定钢板，14—连接杆，15—承拉底座，16—螺栓，17—荷载作用杆，18—液压油管，19—油箱，20—电磁阀，21—液压伺服控制器，22—限位孔，23—位移量测系统数据采集线，24—油压加载系统数据采集线，25—反力架，26—计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
如图1-5所示，一种无机结合料稳定材料直接拉伸试验装置包括试件固定系统、试件拉伸荷载系统、试件拉伸方向的位移量测系统和数据采集系统，所述试件拉伸荷载系统、位移量测系统与数据采集系统通过有线或无线连接；
所述下部固定系统包括下加载板2、固定钢板13和承拉底座15；下加载板2底面中心处开有螺纹孔，固定钢板13中部为凸形螺杆，固定钢板13四角开孔；下加载板2的上表面为内凹形，被测试件1下部可以嵌于内凹槽内并通过粘接固定，下加载板2底面螺纹孔与固定钢板13上的凸形螺杆相连；固定钢板13通过螺栓16固定于承拉底座15之上；承拉底座15与地面通过地脚螺栓16固定。见图2所示。
所述上部拉伸荷载系统包括上加载板3、连接螺杆4、拉伸杆6以及与拉伸杆相连的油压加载系统中的荷载作用杆7；上加载板3顶面中心处开有螺纹孔，上加载板3的下表面为内凹形，被测试件1的上部可以嵌于内凹槽内并通过粘接固定，连接螺杆4的两端采用固定螺母5分别与上加载板3、拉伸杆6固定连接，拉伸杆6与油压加载系统的荷载作用杆17相连。如图3所示。
所述油压加载系统是市售产品，包括荷载作用杆17、液压油管18、油箱19、电磁阀20和液压伺服控制器21；荷载作用杆17通过液压油管18与油箱19相连，油箱19与液压伺服控制器21通过电磁阀20相连。所述试件拉伸荷载系统还包括一反力架25，所述反力架25上方横梁上有限位孔22，所述荷载作用杆17穿过限位孔22，并能沿限位孔22上下移动，限位孔22保证了拉伸荷载的方向竖直向上，不偏移。
如图4所示，所述位移量测系统包括U形钢帽7和位移传感器10；U形钢帽7可以沿竖直方向成对粘接于被测试件1侧面，上部U形钢帽7采用固定螺丝11与位移传感器固定。图5为位移传感器的结构示意图，位移传感器为市售产品。所述直线位移传感器包括位于连接杆14两端的传感器固定块8、传感器信号接收器9；所述传感器固定块8和传感器信号接收器9分别卡接于U形钢帽7的U形槽内并通过固定螺丝11固定。所述传感器固定块8可沿连接杆14移动并由固定插销12固定。
本发明的数据采集系统为计算机26，包括位移量测系统和油压加载系统的数据采集部分。位移量测系统通过位移量测系统数据采集线23与计算机26相连完成数据采集，油压加载系统通过油压加载系统数据采集线24与计算机26相连完成数据采集。
实验例1
以水泥稳定级配碎石为例，说明无机结合料稳定材料的直接拉伸强度测试方法的实施方式。
1)选择表1中的水泥稳定级配碎石CBG25级配开展重型击实试验，确定最佳含水率为5.5％，水泥剂量为6％。
表1水泥稳定级配碎石CBG25级配组成
| 筛孔(mm) | 26.5 | 19 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| 通过率(％) | 99.9 | 83.4 | 68.1 | 57.9 | 40.2 | 24.9 | 16.6 | 10.7 | 6.9 | 5.5 | 4.1 |
2)因步骤1)中的CBG25为粗粒材料，根据步骤1)的设计结果，成型15个直径×高度为φ150mm×300mm的圆柱体试件。
3)将步骤2)中试件放在标准养生室中进行养生，养生龄期为90d。
4)在第89d，将试件从标准养生室中取出，测量试件直径。
5)采用水泥净浆将试件顶部和底部抹平。将上、下加载板、U形钢帽从试验装置中拆下来
6)采用胶黏剂将上加载板3黏贴在试件1的顶部，下加载板2黏贴在试件1的底部。
7)在位于试件侧面中部3条偏移角度为120°的平行直线上，沿竖直方向上、下各黏贴一个U形钢帽7，上、下钢帽之间的间距应大于集料最大粒径的4倍。
8)将7)中试件放在水槽中饱水24h。
9)将饱水24h的试件从水中取出，用布擦干后放置在材料试验机上，将3个位移传感器10分别安装于试件侧面中部3条偏移角度为120°的平行直线上的钢帽之间。
所述位移传感器包括位于连接杆14两端的传感器固定块8、传感器信号接收器9，所述传感器信号接收器9卡接于下U形钢帽7内并通过固定螺丝11与下侧的U形钢帽7固定连接，传感器固定块8沿连接杆14移动至上U形钢帽位置，并通过插销12固定连接，所述固定块8卡接于U形钢帽7内并与上侧U形钢帽7通过固定螺丝11固定。如图5、6所示。
10)调节位移传感器并清零，施加1mm/min的拉伸试验荷载，直至试件破坏。
11)采用计算机记录试件在整个拉伸试验过程中所承受的拉伸荷载和产生的拉伸位移，记录“荷载—位移”曲线。见图7
12)根据“荷载—位移”曲线得到直接拉伸试验的最大荷载，计算直接拉伸强度，结果见表2。
按式(1)计算每个试件的直接拉伸强度Rt，保留至小数点后两位。
式中：Rt——直接拉伸强度(MPa)；
Fr——最大拉伸荷载(N)；
D——试件直径(mm)。
表2直接拉伸强度试验结果
| 试件编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| 强度/MPa | 1.21 | 1.12 | 1.07 | 1.21 | 1.18 | 0.98 | 1.12 | 0.95 | 1.09 | 1.01 | 1.15 | 1.19 | 1.26 | 1.04 | 1.11 |
13)由表2可以得到，水泥稳定级配碎石CBG25的直接拉伸强度平均值为：1.11MPa，标准差为：0.09MPa，变异系数为：8.1％，属于低变异水平。95％保证率下的直接拉伸强度代表值为：1.11MPa-1.645×0.09MPa＝0.96MPa。
实验例2
前面步骤1)-11)与实施例1相同。
12)’计算拉伸应变
式中：ε——拉伸应变；
d——拉伸位移(mm)；
H——试件高度(mm)
13)’绘制“荷载—应变”曲线，根据“荷载—应变”曲线得到直接拉伸试验的最大荷载。如图8所示。
14)’取0.3倍最大荷载0.3Fr及其对应的应变ε0.3，按照式(3)计算拉伸模量Et，用整数表示，结果见表3。当“荷载—应变”曲线起点不在0点位置或曲线起始有轻微震荡时，应修正曲线起点使(ε0.3，0.3Fr)点与修正后的(0，0)点连线在曲线上为直线。
式中：Et——拉伸模量(MPa)；
Fr——最大拉伸荷载(N)；
ε′0.3——原点修正后的ε0.3，ε0.3为加载达到0.3Fr时的试件纵向应变。
D——试件直径(mm)。
表3直接拉伸模量试验结果
| 试件编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| 模量/MPa | 950 | 885 | 981 | 780 | 812 | 834 | 779 | 901 | 882 | 945 | 798 | 801 | 822 | 835 | 860 |
15)’由表3可以得到，水泥稳定级配碎石CBG25的直接拉伸模量平均值为：858MPa，标准差为：64MPa，变异系数为：7.5％，95％保证率下的直接拉伸模量代表值为：858MPa-1.645×64MPa＝752MPa。
Claims (3)
1.一种无机结合料稳定材料直接拉伸试验装置，其特征在于：该试验装置包括试件固定系统、试件拉伸荷载系统、试件拉伸方向的位移量测系统和数据采集系统；
所述试件固定系统包括试件下加载板，所述下加载板可拆式固定于基座上；
所述试件拉伸荷载系统包括上加载板、拉伸杆和油压加载系统，所述上加载板通过连接件可拆式固定于拉伸杆的一端，拉伸杆的另一端与油压加载系统连接，所述油压加载系统与数据采集系统通过有线或无线连接；
所述位移量测系统包括多个直线位移传感器，所述直线位移传感器可拆式固定于试件的侧表面，直线位移传感器通过有线或无线与数据采集系统连接；
所述直线位移传感器包括位于连接杆两端的传感器固定块、传感器信号接收器；所述传感器固定块和传感器信号接收器分别卡接于U形钢帽的U形槽内并通过固定螺丝固定，两个U形钢帽的底部沿竖直方向成对粘接于被测试件侧表面；
所述传感器固定块可沿连接杆移动并由固定插销固定；
所述基座为一承拉底座，承拉底座与地面通过地脚螺栓固定；承拉底座的上表面有固定钢板；
所述承拉底座为方形，固定钢板为方形，所述固定钢板中部为凸形螺杆，固定钢板通过位于方形四角的螺栓固定于承拉底座之上；所述下加载板的上表面中央为容入试件底部的内凹槽，下加载板底部通过凸形螺杆与固定钢板固定；
所述连接件为连接螺杆；所述上加载板的下表面中央为容入试件底部的内凹槽，上加载板上部通过连接螺杆一端连接并由螺母固定，连接螺杆的另一端与拉伸杆的一端固定并由螺母固定；
所述油压加载系统包括荷载作用杆、液压油管、油箱、电磁阀和液压伺服控制器；荷载作用杆通过液压油管与油箱相连，油箱与液压伺服控制器通过电磁阀相连，所述荷载作用机构与拉伸杆的另一端可拆式固定；
所述试件拉伸荷载系统还包括一反力架，所述反力架上方横梁上有限位孔，所述拉伸杆或荷载作用杆穿过限位孔，并能沿限位孔上下移动。
2.根据权利要求1所述的无机结合料稳定材料直接拉伸试验装置，其特征在于：所述试件为圆柱形，所述直线位移传感器为三个或三个以上，等角度固定于圆柱形试件表面径向等高位置，所述内凹槽为圆形凹槽。
3.根据权利要求1所述的无机结合料稳定材料直接拉伸试验装置，其特征在于：所述数据采集系统为计算机。
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