CN111707609B - 薄喷衬层切向粘结强度测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于万用电子实验机的薄喷衬层切向粘结强度测试装置及测试方法；包括固定座体、试样固定盒、拉伸连接装置、拉伸框体、前压板、试验机上座、上拉头和试验机下座；通过制样模具预制拉伸试样、上拉头与拉伸框架传递轴向拉力、球头拉杆调节拉伸受力方向，同时借助于常规万用电子试验机提供切向拉伸力测试不同胶凝时间下薄喷衬层材料与岩石基体间的切向粘结力，以此表征薄喷材料的切向粘结性能。本发明填补了薄喷材料切向粘结强度测试装置与测试方法领域的空白，并且其安装简单，使用方便，具有较大的推广应用价值。

Description

薄喷衬层切向粘结强度测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于薄喷技术领域，涉及一种薄喷衬层切向粘结强度测试装置及测试方法，尤其适用于薄喷材料常规力学性能的测试工作。

背景技术

我国西部地区特殊的成岩环境和沉积过程，形成了其独特的物理力学性质，强度低、胶结差、易风化、遇水泥化是其典型特征，及时喷射混凝土作为封堵围岩的重要手段，联合其他支护方式可共同维持巷道围岩的稳定。普通喷射混凝土支护作为锚喷支护技术体系中的一项重要组成部分，现阶段存在以下问题：回弹量大，材料浪费严重，水灰比难以控制，喷层内受力不均一，容易开裂、剥落，具有一定安全隐患。

近几年薄喷技术的逐渐成熟极大程度上使得上述问题得到缓解，相比于传统喷射厚层混凝土，薄喷衬层技术具有用量少、密封性好、抗拉力强等特点，在一些地区正逐渐替代传统的喷射混凝土。对于薄喷材料，切向粘结强度能够评价其与巷道围岩的粘结特性，是薄喷衬层一项重要的力学性能指标，但现有的研究中对薄喷材料的切向粘结性能关注较少，测试标准及设备更是鲜有提及，因此目前缺少一种能够实现薄喷衬层切向粘结强度的测试装置及测试方法。

发明内容

本发明针对现有薄喷材料的切向粘结性能测试标准、实验设备及测试方法的缺失，根据薄喷材料的性能特点，提出了一种基于电子试验机的薄喷衬层切向粘结强度测试装置及测试方法。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种薄喷衬层切向粘结强度测试装置，包括固定座体、试样固定盒、拉伸连接装置、拉伸框体、前压板、试验机上座、上拉头和试验机下座；

所述固定座体的底部圆柱端插入试验机下座孔中，且固定座体与试验机下座通过销连接，所述固定座体上螺纹连接有圆螺母，圆螺母用于锁紧试验机下座；

所述固定座体上部是圆盘结构，圆盘上端面沿中心方向线加工台阶结构，试样固定盒与固定座连接且试样固定盒的前端面与固定座台阶对齐；进而与试验机的轴线对齐，以此确保粘结平面内只存在切向力；

其中拉伸连接装置中的岩石基体置于试样固定盒中部的大圆孔内，所述大圆孔的后端面中部设有后螺孔，所述后螺孔内螺纹连接有后翼型螺钉，所述后翼型螺钉用于调整岩石基体在大圆孔内的前后位置；所述前压板与试样固定盒通过前翼型螺钉连接且前压板用于对岩石基体进行限位；前压板与后螺孔协同限位，确保岩石基体处于合适的位置；

所述拉伸连接装置包括岩石基体、薄喷涂层、连接钢板、连接螺栓和球头拉杆，所述薄喷涂层由制样模具浇筑制成，其与岩石基体之间靠薄喷材料而粘结，其与连接钢板之间靠胶水粘结，球头拉杆的上部与拉伸框架连接从而为拉伸连接装置提供切向力；所述球头拉杆的下部通过连接螺栓与连接钢板连接；

所述拉伸框架顶部的框体螺纹孔与上拉头底部的螺柱通过螺纹连接；上拉头通过销孔和销与试验机上座连接，上拉头外部螺纹连接有一对圆螺母，一对圆螺母分别用于锁紧试验机上座和与拉伸框架的螺纹连接，保证系统稳定性。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述试样固定盒底部的槽口通过螺栓与固定座连接。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述前压板的上部设有压板半槽，下部设有压板光孔；所述试样固定盒前端面的四个拐角处均开设有前螺孔；所述前压板有2个；一个前压板通过一个前翼型螺钉依次穿过其上的压板光孔和试样固定盒上的前螺孔将岩石基体限位于试样固定盒内，且该前压板通过另一个前翼型螺钉穿其上的过压板半槽和试样固定盒上的前螺孔将岩石基体限位于试样固定盒内；另一个前压板通过一个前翼型螺钉穿过其上的压板光孔和试样固定盒上的前螺孔将岩石基体限位于试样固定盒内，且该前压板通过另一个前翼型螺钉穿过其上的压板半槽和试样固定盒上的前螺孔将岩石基体限位于试样固定盒内。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述球头拉杆包括球头部、连接杆部、过渡部和下板部，所述球头部、连接杆部、过渡部和下板部依次连接为一体结构，所述球头部连接连接杆部并置于拉伸框架底部的半槽内，可作调心之用，所述下板部上开设有光孔，下板部经连接于光孔的连接螺栓与连接钢板连接。

为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：

一种薄喷衬层切向粘结强度测试方法，使用上述的薄喷衬层切向粘结强度测试装置，包括如下步骤：

a、准备待测试的岩石基体，按照一定的材料配比调配薄喷衬层材料，根据制样模具中空部分体积大小，浇注等量薄喷材料于岩石基体上；按照上述方式分别在多个待测试的岩石基体上的制样模具内浇注薄喷材料；自浇注当天起开始计算时间，根据不同实验日期要求，分次拆除制样模具，使用强力胶水将连接钢板粘于薄喷涂层上，粘贴时应保证连接钢板与岩石基体大致平行；

b、将固定座体与试验机下座连接稳定后，将试样固定盒经螺钉固定于固定座体上，使试样固定盒的前端面与固定座体的台阶对齐；将粘结有连接钢板的岩石基体置于大圆孔内，利用前翼型螺钉将前压板固定于试样固定盒上，同时旋转后翼型螺钉固定试样即岩石基体位置；

c、将拉伸框架通过上拉头安装于试验机上座，并分别旋转一对圆螺母将拉伸框架和试验机上座锁紧，将球头拉杆置于拉伸框架的半槽内，调整合适位置，将球头拉杆与连接钢板通过连接螺栓固定，确保球头拉杆与连接钢板的中线平行；

d、检查系统各构件安装无误后，启动试验机，设置入口力，试验机自动记录实验数据；

e、重复步骤b至步骤d直到所有试样测试完成。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述岩石基体为φ25 mm×50 mm的圆柱体结构；薄喷涂层的尺寸为30 mm × 30 mm，浇筑于岩石基体上，其与岩石基体之间的粘结面是被测对象；连接钢板材质为碳钢，宽度为30 mm，厚度为3 mm；制样模具使用3mm厚度的有机玻璃板，将有机玻璃板加工成直径为50 mm、中间有30 mm × 30 mm的外圆内孔形盖板，覆盖至岩石基体上。

作为本发明进一步改进的技术方案，薄喷衬层切向粘结强度的测试时间分别为制样模具浇注后的第1天、第3天、第7天、第14天和第28天。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）本发明针对现有薄喷材料的切向粘结强度测试装置及测试方法的空白，提供一种基于万用电子实验机的测试薄喷材料的切向粘结强度的测试装置、操作方法及详细操作步骤；

（2）本发明球头拉头的柱状结构穿过半槽伸入拉伸框体的槽内，其长度较大的柱状结构，为测试装置安装时提供了较大的活动空间；

（3）本发明拉伸框体通过球头结构施加载荷，可以在试样安装有一定的角度偏差时确保垂直向上拉伸，防止偏载导致试样扭转破坏而导致测试工装失效；

（4）本发明采用附加式结构利用试验机的数据采集系统记录载荷值，省去了相对单独的数据采集系统，更加精准便捷。

（5）圆盘上端面沿中心方向线加工台阶结构，试样固定盒的前端面与固定座体台阶对齐，进而与试验机的轴线对齐，确保测试时粘结平面内只存在切向力。

附图说明

图1 是本发明整体结构的三维斜视图。

图2 是本发明整体结构的左视剖面图。

图3 是本发明整体结构的正视剖面图。

图4 是本发明的试样固定盒示意图。

图5 是本发明的拉伸连接装置示意图。

图6 是本发明的球头拉杆示意图。

图7 是本发明拉伸框架示意图。

图8 是本发明上拉头示意图。

图9 是本发明的前压板示意图。

图10 是本发明的制样模具示意图。

图中：A、固定座体；B、试样固定盒；Ba、槽口；Bb、大圆孔；Bc、前螺孔；Bd、后螺孔；C、拉伸连接装置；C1、岩石基体；C2、薄喷涂层；C3、连接钢板；C4、连接螺栓；C5、球头拉杆；C5a、球头部；C5b、连接杆部；C5c、过渡部；C5d、下板部；C5e、光孔；D、拉伸框体；Da、框体螺纹孔；Db、半槽；E、螺钉；F、前压板；Fa、压板光孔；Fb、压板半槽；G、前翼型螺钉；H、后翼型螺钉；J、上拉头；Ja、销孔；Jb、螺柱；K、制样模具；T1、试验机下座；T2、销；T3、圆螺母；T4、试验机上座。

具体实施方式

下面根据附图1-10对本发明的具体实施方式作出进一步说明：

如图1，本实施例针对现有薄喷材料的切向粘结性能测试标准、实验设备及测试方法的缺失，提供了一种基于电子试验机的薄喷衬层切向粘结强度测试装置，包括固定座体A、试样固定盒B、拉伸连接装置C、拉伸框体D、试验机上座T4和试验机下座T1。

如图2和图3，所述固定座体A底部圆柱端插入试验机下座T1孔中，通过连接销T2连接，并通过圆螺母T3进行锁紧；所述试验机上座T4与上拉头J通过连接销T2连接，并通过双向圆螺母T3进行锁紧；所述固定座体A上部是圆盘结构，圆盘上端面沿中心方向线加工台阶结构，试样固定盒B通过螺栓E与固定座体A之间连接；试样固定盒B的前端面与固定座体A台阶对齐，进而与试验机的轴线对齐，以此确保粘结平面内只存在切向力。

如图4与图9，所述试样固定盒B通过槽口Ba与固定座体A连接，其中岩石基体C1置于大圆孔Bb内，通过调整后螺孔Bd内的后翼型螺钉H调整岩石基体C1在大圆孔Bb内的前后位置，前压板F通过前翼型螺钉G穿过压板光孔Fa、压板半槽Fb和前螺孔Bc将试样固定于试样固定盒B内，与后螺孔Bd协同限位，确保岩石基体处于合适的位置。

如图5、图6和图10，所述拉伸连接装置C包括岩石基体C1、薄喷涂层C2、连接钢板C3、连接螺栓C4和球头拉杆C5，薄喷涂层C2由制样用亚克力模板（即制样模具K）浇筑制成，其与岩石基体C1之间靠薄喷材料而粘结，其与连接钢板C3之间靠胶水粘结，球头拉杆C5与上部拉伸框架D连接为拉伸连接装置C提供切向力；球头拉杆C5包括球头部C5a、连接杆部C5b、过渡部C5c和下板部C5d，球头部C5a、连接杆部C5b、过渡部C5c和下板部C5d依次连接为一体结构；球头拉杆C5的球头部C5a连接连接杆部C5b置于拉伸框架D的半槽Db内，可作调心之用，下板部C5d经连接于光孔C5e的连接螺栓C4与连接钢板C3连接。

如图7与图8，所述拉伸框架D的框体螺纹孔Da与上拉头J的螺柱Jb通过螺纹连接，通过销孔Ja与销T2连接固定，上拉头J外部设置有一对圆螺母T3，用于锁紧试验机上座T4和拉伸框架D，保证系统稳定性。

本实施例还提供一种薄喷衬层切向粘结强度测试方法，包括如下步骤：

a、准备待测试的岩石基体C1，按照一定的材料配比调配薄喷衬层材料，根据制样模具K中空部分体积大小，浇注等量薄喷材料于岩石基体C1上，自浇注模具当天起开始计算时间，根据不同实验日期要求，分次拆除制样模具，使用强力胶水将连接钢板C3粘于薄喷涂层C2上，粘贴时应保证连接钢板C3与岩石基体C1大致平行；

b、将固定座体A与试验机下座T1连接稳定后将试样固定盒B经螺钉E固定于固定座体A上，使试样固定盒B的前端面与固定座体A的台阶对齐；将粘结有连接钢板C3的岩石基体C1置于大圆孔Bb内，利用前翼型螺钉G将前压板F固定于试样固定盒B上，同时旋转后翼型螺钉H固定试样位置；

c、安装拉伸框架D于试验机上座T4，并旋转圆螺母T3将拉伸框架D锁紧，将球头拉杆C5置于拉伸框架D的半槽Db内，调整合适位置，将球头拉杆C5与连接钢板C3通过连接螺栓C4固定，确保球头拉杆C5与连接钢板C3的中线平行；

d、检查系统各构件安装无误后，启动试验机，设置入口力1N，试验机自动记录实验数据；

e、重复b~d直到所有试样（即喷有薄喷涂层C2的岩石基体C1）测试完成。

本实施例借助于常规万用电子试验机提供切向拉伸力测试不同胶凝时间下薄喷衬层材料与岩石基体间的切向粘结力，以此表征薄喷材料的切向粘结性能，即将岩石基体C1与薄喷涂层C2之间发生分离时所需要的力，表示薄喷衬层切向粘结强度。

测试完成后，试验机自动记录实验数据，可以通过去除其中的最大值和最小值，其余值取平均值来表示薄喷衬层切向粘结强度。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.薄喷衬层切向粘结强度测试装置，其特征在于：包括固定座体（A）、试样固定盒（B）、拉伸连接装置（C）、拉伸框体（D）、前压板（F）、试验机上座（T4）、上拉头（J）和试验机下座（T1）；

所述固定座体（A）的底部圆柱端插入试验机下座（T1）孔中，且固定座体（A）与试验机下座（T1）通过销（T2）连接，所述固定座体（A）上螺纹连接有圆螺母（T3），圆螺母（T3）用于锁紧试验机下座（T1）；

所述固定座体（A）上部是圆盘结构，圆盘上端面沿中心方向线加工台阶结构，试样固定盒（B）与固定座体（A）连接且试样固定盒（B）的前端面与固定座体（A）台阶对齐；

其中拉伸连接装置（C）中的岩石基体（C1）置于试样固定盒（B）中部的大圆孔（Bb）内，所述大圆孔（Bb）的后端面中部设有后螺孔（Bd），所述后螺孔（Bd）内螺纹连接有后翼型螺钉（H），所述后翼型螺钉（H）用于调整岩石基体（C1）在大圆孔（Bb）内的前后位置；所述前压板（F）与试样固定盒（B）通过前翼型螺钉（G）连接且前压板（F）用于对岩石基体（C1）进行限位；

所述拉伸连接装置（C）包括岩石基体（C1）、薄喷涂层（C2）、连接钢板（C3）、连接螺栓（C4）和球头拉杆（C5），所述薄喷涂层（C2）由制样模具（K）浇筑制成，其与岩石基体（C1）之间靠薄喷材料而粘结，其与连接钢板（C3）之间靠胶水粘结，球头拉杆（C5）的上部与拉伸框架（D）连接从而为拉伸连接装置（C）提供切向力；所述球头拉杆（C5）的下部通过连接螺栓（C4）与连接钢板（C3）连接；

所述拉伸框架（D）顶部的框体螺纹孔（Da）与上拉头（J）底部的螺柱（Jb）通过螺纹连接；上拉头（J）通过销孔（Ja）和销（T2）与试验机上座（T4）连接，上拉头（J）外部螺纹连接有一对圆螺母（T3），一对圆螺母（T3）分别用于锁紧试验机上座（T4）和拉伸框架（D）。

2.根据权利要求1所述的薄喷衬层切向粘结强度测试装置，其特征在于：所述试样固定盒（B）底部的槽口（Ba）通过螺栓（E）与固定座体（A）连接。

3.根据权利要求2所述的薄喷衬层切向粘结强度测试装置，其特征在于：所述前压板（F）的上部设有压板半槽（Fb），下部设有压板光孔（Fa）；所述试样固定盒（B）前端面的四个拐角处均开设有前螺孔（Bc）；所述前压板（F）有2个；一个前压板（F）通过一个前翼型螺钉（G）依次穿过其上的压板光孔（Fa）和试样固定盒（B）上的前螺孔（Bc）将岩石基体（C1）限位于试样固定盒（B）内，且该前压板（F）通过另一个前翼型螺钉（G）穿其上的过压板半槽（Fb）和试样固定盒（B）上的前螺孔（Bc）将岩石基体（C1）限位于试样固定盒（B）内；另一个前压板（F）通过一个前翼型螺钉（G）穿过其上的压板光孔（Fa）和试样固定盒（B）上的前螺孔（Bc）将岩石基体（C1）限位于试样固定盒（B）内，且该前压板（F）通过另一个前翼型螺钉（G）穿过其上的压板半槽（Fb）和试样固定盒（B）上的前螺孔（Bc）将岩石基体（C1）限位于试样固定盒（B）内。

4.根据权利要求3所述的薄喷衬层切向粘结强度测试装置，其特征在于：所述球头拉杆（C5）包括球头部（C5a）、连接杆部（C5b）、过渡部（C5c）和下板部（C5d），所述球头部（C5a）、连接杆部（C5b）、过渡部（C5c）和下板部（C5d）依次连接为一体结构，所述球头部（C5a）连接连接杆部（C5b）并置于拉伸框架（D）底部的半槽（Db）内，所述下板部（C5d）上开设有光孔（C5e），下板部（C5d）经连接于光孔（C5e）的连接螺栓（C4）与连接钢板（C3）连接。

5.一种薄喷衬层切向粘结强度测试方法，其特征在于：使用权利要求1-4任一所述的薄喷衬层切向粘结强度测试装置，包括如下步骤：

a、准备待测试的岩石基体（C1），按照一定的材料配比调配薄喷衬层材料，根据制样模具（K）中空部分体积大小，浇注等量薄喷材料于岩石基体（C1）上；按照上述方式分别在多个待测试的岩石基体（C1）上的制样模具（K）内浇注薄喷材料；自浇注当天起开始计算时间，根据不同实验日期要求，分次拆除制样模具（K），使用强力胶水将连接钢板（C3）粘于薄喷涂层（C2）上，粘贴时应保证连接钢板（C3）与岩石基体（C1）大致平行；

b、将固定座体（A）与试验机下座（T1）连接稳定后，将试样固定盒（B）经螺栓（E）固定于固定座体（A）上，使试样固定盒（B）的前端面与固定座体（A）的台阶对齐；将粘结有连接钢板（C3）的岩石基体（C1）置于大圆孔（Bb）内，利用前翼型螺钉（G）将前压板（F）固定于试样固定盒（B）上，同时旋转后翼型螺钉（H）固定试样即岩石基体（C1）位置；

c、将拉伸框架（D）通过上拉头（J）安装于试验机上座（T4），并分别旋转一对圆螺母（T3）将拉伸框架（D）和试验机上座（T4）锁紧，将球头拉杆（C5）置于拉伸框架（D）的半槽（Db）内，调整合适位置，将球头拉杆（C5）与连接钢板（C3）通过连接螺栓（C4）固定，确保球头拉杆（C5）与连接钢板（C3）的中线平行；

d、检查系统各构件安装无误后，启动试验机，设置入口力，试验机自动记录实验数据；

e、重复步骤b至步骤d直到所有试样测试完成。

6.根据权利要求5所述的薄喷衬层切向粘结强度测试方法，其特征在于：薄喷涂层（C2）的尺寸为30 mm × 30 mm，浇筑于岩石基体（C1）上，其与岩石基体（C1）之间的粘结面是被测对象；连接钢板（C3）材质为碳钢，宽度为30 mm，厚度为3 mm；制样模具（K）使用3mm厚度的有机玻璃板，将有机玻璃板加工成直径为50 mm、中间有30 mm × 30 mm的外圆内孔形盖板，覆盖至岩石基体（C1）上。

7.根据权利要求5所述的薄喷衬层切向粘结强度测试方法，其特征在于：薄喷衬层切向粘结强度的测试时间分别为制样模具（K）浇注后的第1天、第3天、第7天、第14天和第28天。

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