CN110702492B - 一种双向单纤维拔出水泥基体试件模具及其制作和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双向单纤维拔出水泥基体试件模具及其制作和应用，模具包括：经螺栓连接的底板(1)、中层板(2)、上层板(3)，中层板(2)及上层板(3)上均开设有凹槽，连接在底板(1)上表面两侧的立柱(4)，两端分别固定在两侧立柱(4)上的纤维(5)，该纤维(5)穿设在所述中层板(2)和上层板(3)之间，纵向设置在中层板(2)和上层板(3)之间的隔膜(6)。与现有技术相比，本发明可以根据需要一次性浇筑几个至几十个单纤维拔出试件，且每个试件各自独立，不再需要传统方法拆模后的切割过程，试件制备效率高。测试装置采用高精度荷载传感器，双向单纤维拔出试件可直接粘贴在与试验机相连上下两个特制铁片上，与传统方法固定单根纤维相比，操作简单方便，测试效率高，结果准确。

Description

一种双向单纤维拔出水泥基体试件模具及其制作和应用

技术领域

本发明属于纤维混凝土的界面性能测试领域，尤其是涉及一种双向单纤维拔出水泥基体试件模具及其制作和应用。

背景技术

传统的混凝土材料存在抗拉强度低、易开裂、变形能力和耐久性差等缺点，因此工程界常采用短切的矿物纤维、金属纤维或聚合物纤维等来增强混凝土。纤维混凝土材料是一种多相体材料，纤维、基体和纤维/基体界面的特性将决定复合材料硬化后的性能，而纤维的加入对基体起到了增强和增韧作用，使材料的宏观力学性能和韧性都大幅度提高。在应变硬化材料设计理论中，纤维/基体界面粘结性能是复合材料增强增韧性能的关键，对复合材料各项宏观力学性能有着重要影响。而单纤维拨出试验(single fiber pull out)则是研究纤维/基体界面粘结性能最为有效的方法之一。

单纤维拔出试验即将单根纤维从水泥基体中拔出以得到单根纤维-基体粘结滑移曲线。此试验的主要难点在于单根纤维直径小(微米级)、强度低，对一根纤维进行操作较为困难；其次由于试件形状特殊，需要设计特殊的夹具以配合试验机。此前国内外单纤维拔出试件均为纤维一端埋入水泥基体中，而另一端纤维则暴露在空气中。这与实际复合材料中，整根纤维都在水泥基体中并不一致。此外，进行试验时，水泥基体一端固定在夹具上，还需使用胶水将伸出水泥块的纤维粘贴在塑料板上，从而实现纤维从水泥基体的拔出。而这一过程中，由于单根纤维直径小，纤维的固定粘贴也是一个难点。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种双向单纤维拔出水泥基体试件模具，可以直接浇筑得到两边纤维均在水泥基体中的单纤维拔出试件，更符合纤维与水泥基体的实际拔出情况，对单纤维拔出水泥基体进行测试时只需将两侧基体分别粘贴在与试验机相连的夹具上即可，操作简单方便。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的模具可以根据需要一次性浇筑几个至几十个单纤维拔出试件；试件设计为梯形，便于拆模；使用聚四氟乙烯隔开两侧水泥基体，操作简便；在各模块上预留缝隙，拆模前割断纤维，可使每个试件各自独立，省去传统方法拆模后的切割过程，试件制备效率高。测试时试件可直接粘贴在圆柱螺杆的长方体平台上，操作简单方便，测试效率高。

为实现上述目的，本发明提出的一种双向单纤维拔出水泥基体试件模具，包括：

经螺栓连接的底板、中层板、上层板，所述中层板及所述上层板均由多个并列设置的模块拼接构成，所述中层板与上层板上下对应各模块相同；并且所述中层板中相邻模块的相对侧面上、以及所述上层板中相邻模块的相对侧面上均开设有贯穿该模块上下侧面的凹槽；设于上层板上相对设置的2个凹槽、相邻地设于中层板上相对设置的2个凹槽，以及底板共同形成双向拔出试件浇注槽；

设于并列设置的相邻模块之间的隔膜，将双向拔出试件浇注槽分割为两个独立的双向拔出试件浇注子槽；

连接在底板上表面两侧的立柱；以及

两端分别固定在两侧立柱上的纤维，该纤维穿设在所述中层板和上层板之间，并穿过隔膜以及隔膜两侧的双向拔出试件浇注子空间。

测试装置采用高精度荷载传感器，双向单纤维拔出试件可直接粘贴在与试验机相连的圆柱螺杆的长方体平台上，与传统方法固定单根纤维相比，操作简单方便，测试效率高，结果准确。

进一步的，所述中层板及所述上层板均为模块结构的组件拼接构成，所述中层板与上层板上下对应各模块相同。

进一步的，所述隔膜设置在构成中层板和上层板的各模块之间。

进一步的，构成中层板和上层板的各模块的中间位置设置有宽度为0.1-0.5mm 的缝隙。

进一步的，由模块拼接得到的中层板与上层板形成的凹槽为梯形。

进一步的，所述底板、中层板、上层板和立柱均使用亚克力材料切割而得。

进一步的，所述隔膜为聚四氟乙烯薄膜，厚度0.08-0.2mm，设有3-8个，所述立柱有2-10个。

本发明所述双向单纤维拔出水泥基体试件的模具，试件制备浇筑流程和拆模流程。

浇筑流程步骤如下：

1)使用刀片切割出所需尺寸和数量的聚四氟乙烯隔膜，并根据中层板的厚度和试件的位置，在每条对应隔膜上做好标记，使得纤维穿过隔膜时在试件的中心，隔膜高度需大于中层板与上层板的厚度之和，以使隔膜两侧水泥基体完全隔开；

2)将适当长度的单根纤维穿入针中，接着用带有纤维的针穿过多个标记好的聚四氟乙烯隔膜；

3)将纤维的一端紧紧缠绕在一侧立柱上并用胶带固定，对齐中层板和带有立柱的底板，将每个聚四氟乙烯隔膜放入中层板各模块的中间位置，拉直纤维并将纤维尾端紧紧缠绕到另一侧对应立柱上并用胶带固定，此时单根纤维将位于中层板表面上，且凹槽被聚四氟乙烯薄膜分成两部分；

4)将上层板各模块对应放置于中层板模块上，后用螺栓将中层板、上层板和底板拧紧固定，此时纤维已放置于中层板与上层板之间，保证了纤维位于浇筑试件的中间位置；

5)使用棉签在凹槽底面、侧面和隔膜侧面涂油，同时需避免将油涂到纤维上；

6)搅拌制备水泥基浆体，使用小勺将水泥浆体浇入隔膜两侧的凹槽处，并用细针振捣，并避免触碰纤维；浇筑完成后水泥浆体顶部与上层板模块平齐，底部与底板表面接触，此时水泥基体块浇筑完成。

拆模流程步骤如下：

1)先将缠绕在立柱的纤维松开，后用细刀片将各模块中间缝隙处的纤维割断，此时埋在每个试件中间的纤维将相互独立，避免了拆模时单根长纤维被拉断影响试件中纤维-基体的界面粘结；

2)从纤维埋深长的一侧开始拆模，首先取下固定第一排底板、中层板、和上层板的两个螺栓，并松开第二排螺栓，避免拆模时纤维被上层板紧紧压住；

3)使用雕刻刀轻轻推动试件，使其与底层板、中层板和上层板分离；

4)待将第一排试件拆模完毕后，再取下第二排的两个螺栓，防止拆模过程中模具的移动对试件产生损坏；

5)剪开各试件之间的聚四氟乙烯隔膜，得到中心带有单根纤维且横截面呈梯形的水泥基体块，剪开后的隔膜、隔膜两侧的水泥基体块以及水泥基体块内的单根纤维共同构成双向单纤维拔出水泥基体试件。

对得到的双向拔出梯形试件进行测试，测试步骤如下：

1)首先将高精度的荷载传感器安装在试验机上并校准，由于单根纤维拔出力较小，需要外接量程较小的力传感器，测试结果将更为准确；

2)使用刀片将伸出双向单纤维拔出水泥基体试件的纤维割断，随后将隔膜两侧的水泥基体块分别粘贴在上下两个L型铁片上，L型铁片通过带有长方体平台的圆柱螺杆与试验机相连；

3)使用位移加载控制，在纤维达到峰值力前以0.5mm/min的速度使纤维从水泥基体中缓缓拔出，峰值力后，可调节至合适速度直至纤维拉出或者断裂，测试结束。

本发明提出一种双向单纤维拔出水泥基体模具，包括底板、立柱、中层板、上层板、隔膜、螺栓和缝隙。其中立柱固定在底板两侧，作用是固定纤维，并使纤维处于绷直状态。中层板放置于底板上，纤维放置于中层板上，上层板待纤维处于设计位置后再放置在中层板上并压住纤维，在浇筑试件时可使纤维位于试件的中心。隔膜为聚四氟乙烯薄膜，放在中层板和上层板各模块之间，用于将水泥浆体隔开，使纤维分别埋入两侧水泥浆体中。中层板和上层板各模块凹槽处设置为梯形，有利于拆模。所述缝隙设置在中层板和上层板中间各模块的中间位置，用于割断纤维，以使试件相互独立。该模具可以一次性浇筑几个至几十个所需单纤维拔出试件，只需改变底板尺寸、中层板和上层板各模块数量即可。同时，该模具也可浇筑所需埋置深度的单纤维拔出试件，只需改变中层板和上层板各模块凹槽处尺寸即可。测试装置采用高精度荷载传感器，双向单纤维拔出试件可直接粘贴在与试验机相连的圆柱螺杆的长方体平台上，与传统方法固定单根纤维相比，操作简单方便，测试效率高，结果准确。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明的单纤维拔出水泥基体模具可制备双向单纤维拔出试件，并且可设置不同的纤维埋深长度。

2)本发明的模具可以根据需要一次性浇筑几个至几十个单纤维拔出试件，且每个试件各自独立，省去传统方法拆模后的切割过程，试件制备效率高。

3)本发明模具制备试件为梯形，便于拆模。

4)本发明的测试装置采用高精度荷载传感器，并且试件可直接粘贴在L型铁片上，可显著提高单纤维拔出试验测试的精确性和高效性。

附图说明

图1为实施例中本发明的分解结构示意图；

图2为实施例中本发明的结构示意图；

图3为所得试件的结构示意图。

图4为单纤维拔出试验测试示意图。

图中，1-底板、2-中层板、3-上层板、4-立柱、5-纤维、6-隔膜、7-螺栓、8-缝隙、9-水泥基体块、10-荷载传感器、11-L型铁片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

一种双向单纤维拔出水泥基体试件模具，其结构如图1-2所示，包括经螺栓7 连接的底板1、中层板2、上层板3，以及立柱4、纤维5、隔膜6等组件。中层板 2及上层板3均为模块结构的组件拼接构成，中层板2与上层板3上下对应各模块相同，并且在中层板2与上层板3之间形成的凹槽为梯形。底板1上表面的两侧均布有立柱4，纤维5固定在两侧立柱4上，并且纤维5设置在中层板2和上层板3 之间。隔膜6设置在中层板2和上层板3各模块之间，在中层板2和上层板3中间各模块的中间位置开设有宽度为0.1-0.5mm的缝隙8。

上述组件中，使用的底板1、中层板2、上层板3和立柱4均使用亚克力材料切割而得。使用的隔膜6为聚四氟乙烯薄膜，厚度0.08-0.2mm，设有3-8个，所述立柱2有2-10个。

本发明提出上述双向单纤维拔出水泥基体模具，可以直接浇筑得到所需埋置深度的双向单纤维拔出试件，此种试件能更精确地模拟复合材料中纤维从水泥基体的拔出情况。本发明可根据需要一次性浇筑几个至几十个单纤维拔出试件，而且试件形状设计为梯形，易于拆模。本发明使用聚四氟乙烯薄膜隔开两侧水泥基体，并在各模块上预留缝隙，拆模前割断纤维，可使每个试件各自独立，省去传统方法拆模后的切割过程，试件制备效率高。测试装置采用高精度荷载传感器，双向单纤维拔出试件可直接粘贴在与试验机相连的圆柱螺杆的长方体平台上，操作简单方便，测试结果精确。

在本实施例中，立柱4固定在底板1上，底板1两侧各对应设置五个立柱；中层板2模块和上层板3模块各五个，且上下对应模块形状一致；纤维5有五根；单根长纤维5穿过隔膜6；聚四氟乙烯隔膜6四个；中层板2和上层板3各有三个模块预设缝隙8；底板1与中层板2和上层板3各模块通过十根螺栓连接；隔膜6则放置在中层板2、上层板3各模块之间固定。

中层板2和上层板3各模块凹槽处为梯形，在拆模时方便水泥块缓缓推出。

中层板2和上层板3各对应模块厚度一致，从而实现铺设纤维在水泥浆体的中间。

中层板2和上层板3各模块梯形凹槽处可设置不同深度，则可制作具有不同纤维埋置深度的单纤维拔出试件。

中层板2和上层板3中间各模块设置缝隙8，可实现在拆模时割断单根长纤维，使试件相互独立。

纤维5两端固定在立柱4上，实现在浇筑水泥浆体时纤维处于绷紧状态。

隔膜6放置在中层板2和上层板3个模块中间，以达到隔开两侧水泥基体的效果。

本发明所述新型双向单纤维拔出水泥基体试件模具与测试方法，包括浇筑流程和拆模流程；

浇筑流程为：

1切割四片聚四氟乙烯材质的隔膜6，并根据中层板2的厚度和试件的位置，在每条隔膜上做好标记。

2将5根长纤维分别穿入针中，接着用带有纤维的针穿过四片聚四氟乙烯隔膜的标记处。

3将纤维5的一端缠绕在一侧立柱4上并固定，对齐中层板2和带有立柱4的底板1。

4将带有纤维5的聚四氟乙烯隔膜6放入中层板2的各模块的中间位置，拉直纤维5并将纤维5的尾端缠绕固定到另一侧对应立柱4上。

5将上层板3各模块对应放置于中层板2的模块上，用螺栓7将中层板2、上层板3和底板1拧紧固定。此时模具组装完毕，如图2所示。

6用棉签在凹槽底面、侧面和隔膜侧面涂油，需避免将油涂到纤维5上。

7搅拌制备水泥基浆体，使用小勺将水泥浆体浇入隔膜两侧的凹槽处，并用细针振捣，并避免触碰纤维，此时水泥基浆体浇筑完成。

拆模流程步骤如下：

1将缠绕在立柱4的纤维5松开，后用细刀片将预留缝隙处的纤维割断。

2从纤维5埋深长的一侧开始拆模，首先取下第一排的两个螺栓，并松开第二排螺栓；

3使用雕刻刀轻轻推动试件，使其与底层板、中层板和上层板分离。

4剪开各试件之间的聚四氟乙烯隔膜6，得到中心带有单根纤维5且横截面呈梯形的水泥基体块9，剪开后的隔膜6、隔膜6两侧的水泥基体块9以及水泥基体块9内的单根纤维5共同构成双向单纤维拔出水泥基体试件，拆模后试件如图3 所示。

对得到的双向单纤维拔出水泥基体试件径向测试，测试步骤如下：

1将高精度的荷载传感器10安装在试验机上并校准。

2使用刀片将伸出水泥块的纤维割断，随后将隔膜两侧的水泥块分别粘贴在上下两个L型铁片11上。

3采用位移加载控制，在纤维达到峰值力前以0.5mm/min的速度使纤维从水泥基体中缓缓拔出，峰值力后，可调节至合适速度直至纤维拉出或者断裂，测试装置如图4所示。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语、“上表面”、“底部”、“两侧”、“中间”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明 的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双向单纤维拔出水泥基体试件模具，其特征在于，该模具包括：

经螺栓连接的底板(1)、中层板(2)、上层板(3)，所述中层板(2)及所述上层板(3)上均开设有凹槽，所述的凹槽用于浇筑水泥浆体；

连接在底板(1)上表面两侧的立柱(4)，

两端分别固定在两侧立柱(4)上的纤维(5)，该纤维(5)横向穿设在所述中层板(2)和上层板(3)之间，

所述中层板(2)及所述上层板(3)均为模块结构的组件拼接构成，在构成中层板(2)和上层板(3)的各模块之间设有用于隔开水泥浆体的隔膜(6)，所述的纤维(5)穿过隔膜(6)。

2.根据权利要求1所述的一种双向单纤维拔出水泥基体试件模具，其特征在于，所述中层板(2)与上层板(3)上下对应各模块相同。

3.根据权利要求1所述的一种双向单纤维拔出水泥基体试件模具，其特征在于，构成中层板(2)和上层板(3)的各模块的中间位置设置有宽度为0.1-0.5mm的缝隙(8)。

4.根据权利要求1所述的一种双向单纤维拔出水泥基体试件模具，其特征在于，由模块拼接得到的中层板(2)与上层板(3)形成的凹槽为梯形。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种双向单纤维拔出水泥基体试件模具，其特征在于，所述底板(1)、中层板(2)、上层板(3)和立柱(4)均使用亚克力材料切割而得。

6.根据权利要求1所述的一种双向单纤维拔出水泥基体试件模具，其特征在于，所述隔膜(6)为聚四氟乙烯薄膜，厚度0.08-0.2mm，设有3-8个，所述立柱(4)有2-10个。

7.如权利要求1-6任一项所述的一种双向单纤维拔出水泥基体试件模具的应用，其特征在于，用于制备浇筑流程，采用以下方法：

1)使用刀片切割出所需尺寸和数量的隔膜(6)，根据中层板(2)厚度和每个试件的位置，在每条隔膜(6)上做好标记，隔膜(6)高度大于中层板(2)与上层板(3)的厚度之和，以使隔膜将两侧水泥浆体完全隔开；

2)将适当长度的纤维(5)穿入针中，接着用带有纤维的针穿过隔膜(6)标记处；

3)将纤维一端紧紧缠绕在一侧立柱(4)上并用胶带固定，对齐中层板(2)和带有立柱的底板(1)，将隔膜(6)放入中层板各模块的中间位置，拉直纤维(5)并将纤维尾端紧紧缠绕到另一侧立柱(4)上并用胶带固定；

4)将组成上层板(3)的各模块对应放置于组成中层板(2)的模块上，并用螺栓将中层板(2)、上层板(3)和底板(1)拧紧固定，此时纤维(5)已放置于中层板与上层板之间，保证纤维(5)位于浇筑试件的中间；

5)使用棉签在凹槽底面、侧面和隔膜(6)侧面涂油，同时需避免将油涂到纤维(5)上；

6)搅拌制备水泥基浆体，使用小勺将水泥浆体浇入隔膜两侧的凹槽处，并用细针振捣避免触碰纤维，浇筑完成后水泥浆体顶部与上层板模块平齐，底部与底板表面接触，此时双向拔出单纤维试件浇筑完成。

8.如权利要求1-6任一项所述的一种双向单纤维拔出水泥基体试件模具的应用，其特征在于，用于拆模流程，采用以下方法：

1)先将缠绕立柱(4)的纤维松开，后用细刀片将各模块中间缝隙(8)处的纤维割断，此时埋在每个试件中间的纤维将相互独立，避免拆模时单根长纤维被拉断影响试件中的纤维-基体的界面粘结；

2)从纤维埋深长的一侧开始拆模，首先取下固定的底板(1)、中层板(2)、和上层板(3)的两个螺栓(7)，并松开第二排螺栓(7)；

3)使用雕刻刀将试件与中层板(2)和上层板(3)模块分离；

4)待将第一排试件拆模完毕后，再取下第二排螺栓(7)，防止拆模过程中模具的移动对试件产生损坏；

5)剪开各试件之间的隔膜(6)，得到中心带有单根纤维(5)的双向拔出梯形试件(9)。

9.根据权利要求8所述的一种双向单纤维拔出水泥基体试件模具的应用，其特征在于，对制备得到的双向拔出梯形试件(9)进行测试，采用以下方法：

1)使用高精度的荷载传感器(10)测量单纤维拔出力；

2)使用刀片将伸出双向拔出梯形试件(9)的纤维割断，随后将隔膜两侧的双向拔出梯形试件(9)分别粘贴在上下两个L型铁片(11)上，L型铁片(11)通过带有长方体平台的圆柱螺杆与试验机相连；

3)使用位移加载法，在纤维达到峰值力前以0.5mm/min的速度使纤维从水泥基体中缓缓拔出，峰值力后，可调节至合适速度直至纤维拉出或者断裂，测试结束。

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