CN111766146A - 一种固化土材料收缩开裂性能的测试评价方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固化土材料收缩开裂性能的测试评价方法及装置。该固化土收缩开裂性能测试评价方法中，综合考虑了材料在收缩开裂过程中力学层面和变形层面的性能变化，通过对抗收缩应力总量φ和开裂率γ的综合考虑给出了固化土材料的综合评价指标：干缩开裂系数Ω干缩和温缩开裂系数Ω温缩。本发明提出的试验装置由信号采集和控制系统、环境条件控制系统、收缩开裂性能测试系统、夹持加载系统和辅助对中调平系统组成。其中收缩开裂性能测试系统主要由应力检测单元、试件含水率检测单元和裂纹扩展检测单元组成。本发明解决了以往试验方法的工作量大，耗时长，以及不能模拟基层结构的实际边界条件和评价指标不完善等问题。同时该试验装置能实现全自动，高精度的测试过程，保证试验结果的稳定性、可靠性和精确性。

Description

一种固化土材料收缩开裂性能的测试评价方法及装置
技术领域
本发明涉及道路材料性能测试领域，尤其涉及一种固化土材料收缩开裂性能试验的测试评价方法及装置。
背景技术
土壤固化技术最早由欧美等国家提出，在二十世纪九十年代开始引入我国，由于其具有取材方便，价格低廉，且固化后刚度大、稳定性好，所以被大量用在我国道路路基及基层的建设中。但固化土材料受温度和湿度的影响较大，在高低温和干湿往复的作用下容易产生收缩裂缝(包括前期的干缩裂缝和后期的温缩裂缝)。在交通荷载的循环作用下，基层的收缩裂缝很容易反射到路面形成反射裂缝，从而造成路面的早期破坏，影响道路的使用寿命和服役性能。
如何设计固化土材料的收缩开裂性能试验，并提出能真实反映固化土基层的收缩开裂路用性能指标，对于指导原材料和路面结构耐久性设计具有重要意义。当前，我国固化土材料收缩性能试验主要是采用制作标准梁式试件，养生后，放在一定环境下试验，并每隔一定时间测定试件的尺寸和质量，最后通过温缩系数和干缩系数两个指标来评价固化土的抗裂性能。这种试验方法不仅工作量大，且耗时长，误差大。最重要的是这种自由状态下测定材料收缩大小的方法虽然能反映材料的体积收缩特性，但不能模拟基层结构的实际边界条件，所以仅用干缩系数和温缩系数来反映固化土材料的收缩开裂路用性能是不全面的，不能直接度量半刚性基层材料的抗裂潜力，因此属于间接评价。
发明内容
本发明的目的在于提出一种能有效评价固化土材料收缩开裂性能的试验方法及装置，并基于试验结果提出一套综合考虑应力层面和变形层面的综合评价指标。解决了以往试验方法的工作量大，耗时长，以及不能模拟基层结构的实际边界条件和评价指标不完善等问题。同时该试验装置能实现全自动，高精度的测试过程，保证试验结果的稳定性、可靠性和精确性。
本发明采用的技术方案是：
一种固化土材料收缩开裂性能的测试评价方法，具体包括如下步骤：
(1)试件制作与养护；
(2)试件表面散斑处理；
(3)试件安装固定；
(4)拉伸方向对中调平，使试件只发生一维方向的拉伸收缩变形。
(5)对试件两端施加预紧力，保证试件在收缩试验正式开始前，与固定试件的夹头接触。
(6)模拟路况的干缩环境或温缩环境进行试验。
(7)实时采集试件的收缩开裂相关数据，包括试件内部应力变化、裂纹分布状况和含水率。
(8)试验结果分析与性能评价。
进一步地，通过在固定试件两端的夹头上分别安装红外发射端与红外接收端。通过调整其中一端夹头的位置，使红外发射端与红外接收端完全对齐，从而保证试件在同一平面内沿一维方向受力变形。
进一步地，所述预紧力为100Pa。
进一步地，对于干缩试验和温宿试验过程的环境条件设置与控制分别为：干缩试验环境为：40℃作为干缩试验温度，并开启干燥鼓风模式；温宿试验环境为：湿度为100％，温度按10℃一级，从60℃依次降到-20℃，降温速率控制在0.5℃/min，每级温度恒温保持3小时。
进一步地，所述步骤(8)中：
采用综合评价指标干缩开裂系数Ω干缩来表征材料干缩开裂的性能：
Figure BDA0002568773780000021
其中，γ为开裂率，
Figure BDA0002568773780000022
Acr为裂纹面积，A为试验中试件有效段的面积；f干缩为干缩试验过程中试件两端夹头应力传感器测得的应力大小。
采用综合评价指标温缩开裂系数Ω温缩来表征材料温缩开裂的性能：
Figure BDA0002568773780000023
其中，γ为开裂率，
Figure BDA0002568773780000024
Acr为裂纹面积，A为试验中试件有效段的面积；f温缩为干缩试验过程中试件两端夹头应力传感器测得的应力大小。
本发明还提供了一种固化土材料收缩开裂性能的测试装置，该装置包括：
夹持加载系统，用于夹持固定固化土材料试件，对试件加载预紧力。
辅助对中调平系统，用于调整试件位置，保证试件在同一平面内，且只受到拉伸方向的应力作用。
环境条件控制系统，用于控制测试时的环境条件，模拟路况的干缩环境、温缩环境。
收缩开裂性能测试系统，用于测试试件的收缩开裂相关数据，包括内部应力变化、裂纹分布状况和含水率。
信号采集和控制系统，用于控制上述系统操作、参数预设，同时实时采集收缩开裂性能测试系统测得的收缩开裂数据并进行处理。
进一步地，所述夹持加载系统主要包括静夹持头、动夹持头、支撑平台和五维微动台。所述静夹持头固定安装在支撑平台上，动夹持头固定安装在五维精密微动台上，动夹持头通过调节五维精密微动台实现移动。
进一步地，收缩开裂性能测试系统由应力检测单元、试件含水率检测单元和裂纹扩展检测单元组成。应力检测单元主要包括两个压应力传感器，两个压应力传感器分别安装在静夹持头内斜段的内壁处。
进一步地，所述试件含水率检测单元采用近红外线水分仪，裂纹扩展检测单元采用高频照相机。
进一步地，辅助对中调平系统主要包括摄像头、激光发射端、激光接收端。摄像头安装在试验箱中，确保能清楚观测到激光接收端。激光发射端与激光接收端分别安装在静夹持头的夹臂前端中部处。优选地，还可以设置多对激光发射端和激光接收端，如设置两对，分别安装在静夹持头、动夹持头两夹臂的前端中部。各对激光发射端和激光接收端位置相对应。
具体地，干缩试验测试过程：
a1、试件制作：试件形状为狗骨状，尺寸大小与夹持装置完全一致，便于夹持固定。先用定制好的模具，通过静压成型的方法，得到符合要求的试件。然后在标准养护室中，通过套袋养护7天，并在最后一天浸水使其饱和。
b1、试件散斑处理：擦干试件表面水分，然后在一面喷涂散斑，制成数字图像测量需要的表面。
c1、试件安装：将喷涂好的试件安装在测试装置的夹持头上，让喷涂散斑一面与图像采集镜头相对，另一面与近红外线水分仪探头相对。并将夹头端部的防护装置锁紧。
d1、拉伸方向对中调平：关上试验装置箱门，打开红外对中系统，并在计算机监测系统中观测试件对中情况，然后适当调整五维精密位移台，使静夹持头红外发射端与动夹持头红外接收端完全对齐。对齐后，进行锁死。
e1、预紧力施加：通过五维位移平台对试件进行位移加载。并设定当静夹持头部位的应力传感器输出值为100Pa时，位移加载停止并锁死。
f1、环境条件设定及控制：为加快试验进度并模拟实际路况最不利环境，采用40℃作为干缩试验温度，并开启干燥鼓风模式。
g1、数字图像测量系统开启：开启图像采集系统，通过定时拍照记录试件随湿度变化的开裂变形情况。
h1、近红外线水分测定系统开启：开启近红外线水分测定系统，通过水分仪测定不同时刻的试件含水率大小。
i1、试验结果分析：通过计算机处理系统，分析试验结果，得到应力与时间的关系曲线、裂纹面积与时间的关系曲线以及含水率与时间的关系曲线等。通过试验结果得到相关的试验参数，主要包括：峰值应力f干缩max，应力增长速率νη、裂纹初始出现时间Δt初始、最大裂纹宽度Wmax、平均裂纹宽度
Figure BDA0002568773780000041
平均裂纹分布间距
Figure BDA0002568773780000042
裂纹面积Acr。
其中：峰值应力f干缩max为应力-时间曲线中的最高点对应的应力大小；应力变化速率νη定义为应力-时间曲线上升段的单位时间应力增长大小，即：
Figure BDA0002568773780000043
裂纹初始出现时间t初始为初次出现裂缝也即应力达到峰值强度时对应的试验时间。最大裂纹宽度Wmax为所有裂纹中宽度最大的裂纹中间对应的宽度值(名义最大裂纹宽度)；平均裂纹宽度
Figure BDA0002568773780000044
为各裂纹宽度的平均值，即：
Figure BDA0002568773780000045
N为裂纹条数，Wi为第i条裂缝中间附近对应的宽度值；平均裂纹分布间距
Figure BDA0002568773780000046
为裂纹间距的平均值；裂纹面积Acr可以由数字图像处理软件直接分析得到，为所有裂纹面积的总和，即
Figure BDA0002568773780000047
Ai为第i条裂缝的面积。
j1、干缩开裂性能评价：评价主要从两个方面进行，一个是力学性能，一个是变形性能。最后综合两方面性能指标进行总体评价。力学性能指标为抗干缩应力总量φ干缩，变形性能指标为开裂率γ。其中抗干缩应力总量定义为应力-时间曲线的累积积分面积，计算公式为：
Figure BDA0002568773780000048
式中积分面积的积分区间为(0，t')，即从0时刻开始到t'时刻时结束。其中t'为自定义的积分截止时间。由于试件内部应力完全为0很难达到，所以一般根据研究需要，确定下降段曲线的有效部分。本发明以峰值后下降段最优切线和平缓段最优切线的交点处作为积分截止时间。具体如图5所示。从图5中可以看到，当固化土试件在干燥情况下，由于两端被完全约束，所以内部会产生应力，这时内部应力与传感器测得的应力f干缩保持一致。f干缩max越大，代表固化土试件极限拉伸强度越大，即在产生很大收缩应力时试件仍不开裂；应力-时间曲线的斜率也即应力变化速率，表示在相同试验条件下，试件在单位时间内内部收缩应力变化的快慢，应力变化速率越陡，则表示试件在单位时间内收缩趋势越大，也即试件越易开裂。具体来讲，如在其他条件相同时，当材料极限抗拉强度越大，则曲线面积积分越大；当其他条件相同时，材料应力增长速率越小，也即斜率较缓，则面积积分较大。因此综合考虑试件抗拉强度与收缩趋势，采用应力-时间曲线的面积积分来综合评价，通过面积积分就可以评价材料干缩开裂性能，当积分面积越大，表明材料的抗干缩开裂性能越好。开裂率定义为试件测试段的单位面积裂缝所占比，即
Figure BDA0002568773780000051
(此处A为试验中试件有效段的面积)；是通过开裂直接表现出来的材料的干缩开裂性能，也即变形层面来反应试件的干缩开裂性能；开裂率越大，则材料的抗干缩性能越差，越易开裂。通过应力层面和变形层面两方面综合考虑，采用综合评价指标干缩开裂系数Ω干缩来表征材料干缩开裂的性能，定义为：
Figure BDA0002568773780000052
当干缩开裂系数Ω干缩越大表示材料的越容易发生干缩开裂。
温缩试验测试过程：温缩试验测试过程大体同干缩试验，不同处主要有以下几点：
a2、试件制作：试件形状为狗骨状，尺寸大小与夹持装置完全一致。先用定制好的模具，通过静压成型的方法，得到符合要求的试件。然后在标准养护室中，通过套袋养护7天，最后一天进行干燥到绝干状态。
f2、环境条件设定及控制：将环境箱中的湿度设定为60％，温度按10℃一级，从60℃依次降到-20℃。降温速率控制在0.5℃/min，每级温度恒温保持3小时。
i2、试验结果分析：通过计算机处理系统，分析试验结果，得到应力与时间变化的关系曲线、裂纹总面积与时间的关系曲线以及温度与时间变化的关系曲线等。通过试验结果得到相关的试验参数，主要包括：峰值应力f温缩max、应力变化速率νη、裂纹初始出现时间t初始、最大裂纹宽度Wmax、平均裂纹宽度
Figure BDA0002568773780000053
平均裂纹分布间距
Figure BDA0002568773780000054
裂纹面积Acr。
j2、温缩开裂性能评价：温宿开裂性能评价主要从两个方面进行，一个是力学性能，一个是变形性能，最后综合两方面性能指标进行总体评价。力学性能指标为抗温缩应力总量φ温缩，变形性能指标为开裂率γ。其中抗温缩应力总量定义为应力-时间曲线的累积积分面积。计算公式为：
Figure BDA0002568773780000055
式中积分面积的积分区间为(0，t')，即从0时刻开始到t'时刻时结束。其中t'为自定义的积分截止时间。由于试件内部应力完全为0很难达到，所以一般根据研究需要，确定下降段曲线的有效部分。本发明将峰值后下降段最优切线和平缓段最优切线的交点处作为积分截止时间。具体如图6所示。开裂率定义为试件测试段的单位面积裂缝所占比，即
Figure BDA0002568773780000061
(此处A为试验中试件有效段的面积)；综合评价指标为温缩开裂系数Ω温缩，表征材料温缩开裂的性能，定义为：
Figure BDA0002568773780000062
当温缩开裂系数Ω温缩越大表示材料的越容易发生温缩开裂。
本发明的有益效果是：
本发明提出一种能有效评价固化土材料收缩开裂性能的试验方法，通过在约束状态下进行干缩温缩试验，与以往的自由收缩试验相比，能较好模拟真实路况中固化土基层的收缩破坏过程，从而使试验结果能够更好的反应材料的路用性能。
本发明基于试验结果提出一套综合考虑应力层面和变形层面的综合评价指标，该评价指标综合考虑了材料在收缩开裂过程中力学层面和变形层面的性能变化，并通过应力-时间曲线，定义了抗干缩应力总量φ这一力学性能指标；最后通过对抗干缩应力总量φ和开裂率γ的综合考虑给出了固化土材料的综合评价指标：干缩开裂系数Ω干缩和温缩开裂系数Ω温缩。通过这一综合评价指标能更好的反应材料的收缩抗裂性能，使材料的比选和评价更具有效性，为基层固化土材料设计提供指导。
本发明提供的试验装置能实现全自动，高精度的测试过程，保证试验结果的稳定性、可靠性和精确性。
本发明综合解决了以往试验方法的工作量大，耗时长，以及不能模拟基层结构的实际边界条件和评价指标不完善等问题。
附图说明
图1是本发明试验装置的设计原理框图；
图2是本发明试验装置的整体结构示意图；
图3是本发明试验装置的其它仪器布置位置示意图；
图4是本发明试验中试件的形状和尺寸示意图；
图5是本发明干缩试验结果应力-时间曲线及评价指标概念图；
图6是本发明温缩试验结果应力-时间曲线及评价指标概念图；
图中，1为具有螺纹孔距的光学平台安装基座；2为五维微动台；3为支撑平台；4为第一辅助支撑构件；5为第二辅助支撑构件；6为夹持头固定竖向支撑；7为夹持头固定夹板；8为防护构件；9为应力传感器；10为动夹持头；11为静夹持头；12为试件；13为激光发射端；14为激光接收端；15为摄像头；16为试验箱；17为照明灯；18为高频照相机；19为近红外线水分仪；20为门把手；21为试验箱开合门。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明试验装置作进一步说明：
参照图1，本发明提供的一种固化土材料收缩开裂性能的测试装置，由信号采集和控制系统、环境条件控制系统、收缩开裂性能测试系统、夹持加载系统和辅助对中调平系统五个系统构成。信号采集和控制系统与各个系统相联系，主要起到参数设定，过程监控和数据采集功能，主要由计算机和显示器等原件组成。环境条件控制系统是对试验箱内温湿度等环境条件进行调控，从而使试件满足温缩和干缩试验所需要的试验环境。环境条件控制系统主要由绝热刚性箱体、温湿度传感器、半导体制冷片组、加热器、超声波加湿器、电动搅拌器、鼓风机、温湿度控制模块等组成。收缩开裂性能测试系统主要包括应力检测单元、试件含水率检测单元和裂纹扩展检测单元组成。应力检测单元主要由力传感器构成，试件含水率检测单元主要由近红外线水分仪构成，裂纹扩展检测单元主要由高频照相机和数字图像处理系统组成。夹持加载系统主要由静夹持头、动夹持头、支撑平台和五维微动台组成，其中预紧力加载是通过五维微动台位移加载实现的，辅助对中调平系统是为了确保试件在测试过程中，只发生一维方向的拉伸收缩变形，不产生其它偏转力。主要由激光发射装置，激光接收感应装置和摄像头组成。通过调整五维微动台实现被测试件拉伸测试前的辅助对中调整，及对中调整后的位移加载，位移加载范围可达到0nm-10mm。
参照图2-4，可以看到本发明装置的整体结构和各部件位置及形貌。在图2中，五维微动台2、支撑平台3相对安装在具有螺纹孔距的光学平台安装基座1上；支撑平台3与五维微动台2的高度保持一致。动夹持头10通过固定竖向支撑6和夹持头夹板7固定在五维微动台2上，静夹持头11同样通过竖向支撑6和夹持头夹板7固定在支撑平台3上，试件12通过动夹持头10、静夹持头11夹持固定，夹持头内部尺寸与试件12大小完全吻合。优选地，试件12形状和尺寸如图4所示，为狗骨头形状，总长30cm，厚1.5cm。试件12一面喷涂散斑，以备数字图像监测用。在试验开始前，通过调整五维微动台2，提供预紧力，使试件与两个夹持头充分接触。其中，动、静夹持头10、11正反面都设有防护构件8，以防止试件脱落，同时保证试件厚度方向完全进入夹持头内部。防护构件8由薄钢片制成，可以拆卸安装，由螺帽固定。另外，动夹持头10与五维微动台2之间、静夹持头11与支撑平台3之间还设有第二辅助支撑构件5和第一辅助支撑构件4，用于缓冲夹持头的悬空部分从而减小弯曲变形。激光发射端13和激光接收端14相对设置，起对中调平作用，保证试件拉伸方向沿试件的长度方向进行，不发生偏转。其中激光发射端13安装在静夹持头11外侧断面最中心处，激光接收端14安装在动夹持头10外侧断面最中心处。制作过程中，要严格把控两夹持头完全一致，从而使两激光对齐后，能保证两夹持头完全对中。摄像头15安装在试验箱16中，当对中调平时，通过五维微动台2调整位置和方向，通过摄像头15观测激光发射端13和激光接收端14对中情况，从而完成对中调平。摄像头15还可以观测试验过程中试验箱的情况。静夹持头11的斜直段内部上下两端分别设置应力传感器9，用来监测试件12端部在试验过程中的应力大小。
试验箱16为绝热刚性箱体，由绝热顶盖、空气隔热层、箱体侧面钢板、加厚刚性地板、密封性极好的开合门组成。具体如图3所示，图3中16即为试验箱。15为试验箱16内部摄像头，用来辅助对中调平以及监控试验过程试验箱16内部变化情况，可安装在试验箱16后侧上方中间处。试验箱中设置照明灯17，以便观察，安装在试验箱16两侧上方中间部位。18为高频照相机，放置在圆形开孔内，在门内侧开孔处是装有防雾化玻璃，以保证高频照相机18能清晰拍摄试件表面散斑。开孔位置高度与试件中心齐平。高频照相机18在拍摄时可由专用支架支撑，试验完成后可以方便取下。19为近红外线水分仪探头，安装在试验箱后侧，与试件中心高度齐平。探头由开孔处深入到箱体内部，开孔采用密封措施进行完全密封。21为试验箱16的开合门，20为开合门21上的门把手。试验箱16还设置有温湿度传感器、半导体制冷片组、加热器、超声波加湿器、电动搅拌器、鼓风机、温湿度控制模块等用以模拟环境条件。
另外，还包括计算机与显示器，计算机与五维微动台2、应力传感器9、高频照相机18、近红外线水分仪19以及摄像头15等进行连接，用以采集数据并对各系统进行控制。
下面，为采用上述试验装置进行固化土材料收缩开裂性能测试的具体实施例：
实施例1
石灰土干缩试验：在此实施例中选用的土源为地铁开挖取得的软土，石灰掺量采用5％，压实度控制在95％。试件在最佳含水率18％条件下采用静压成型方法制得。具体试验步骤如下：
(1)试件制作：采用定制模具，使试件尺寸与本发明中附图4一致，为狗骨头形状。首先将烘干过4.75cm筛孔的软土与石灰和水拌和均匀，然后称取一定量质量的固化土装入试模中，采用万能压力机静压成型，成型后24个小时后拆模，并套袋放入标准养护室养护，养护时间为7天。
(2)试验箱启动：将试验箱开启，并进行预热，温度调到25℃，湿度为100％。
(3)试件散斑制作：在养护第7天时，将试件放入水中浸泡24小时。然后擦干试件表面，用黑白喷漆在试件的一面均匀喷制散斑。喷涂后套袋静止1个小时。装入袋后应将喷漆一面放置在上面，并小心袋子碰到喷漆表面，让其自然干化。
(4)安装试件：打开试验箱开合门21，将试件无散斑一面朝内，放入夹持头10、11中，并将夹持头10、11上的防护构件8拧紧，防止试件脱落，并保证试件完全嵌入到夹持头10、11中。
(5)其它设备开启：先关好开合门21，固定好开合门21上的高频照相机镜头18，并进行试拍，看拍摄效果，根据结果调整摄像机参数。然后通过控制系统开启试验箱中所有部件，如近红外光水分仪19，试验箱内部的摄像头15等。
(6)试件对中调平：通过摄像头15观测动、静夹持头端部的激光对齐状态，根据情况，通过控制系统调节五维微动台2，使激光发射端13发射的激光与激光接收端14感应接收。
(7)预紧力加载：通过力与位移加载系统，对动夹持头10进行位移加载，位移加载可以由五维微动平台2完成，当静夹持头11斜直段内部应力传感器9传输数值为100Pa时，位移加载停止并锁死，保证夹持头不再发生位移变化。
(8)干缩试验进行：完成对中调平后，进行干缩试验。为了加快试验进程以及更真实的模拟固化土基层服役中的恶劣环境，将试验温度定为40℃，即将试验箱设为恒温40℃。并开启干燥鼓风模式。
(9)试验数据采集：试验数据主要包括应力传感器输出的应力大小、近红外线水分仪19测得的试件试验过程的含水率变化值以及高频照相机拍摄的裂纹开展过程的图片。这些数据将自动采集并自动传输到控制系统，在控制系统中会有对应的数据处理模块，对数据进行分析并输出相关结果。
(10)数据处理：在控制系统的含水率测定单元能够输出试验过程中试件含水率的变化曲线，测定间隔时间为1min一次，最后能输出试件含水率与时间的关系曲线；在应力检测单元可以静夹持头斜直段内部应力传感器输出的应力大小。通过分析处理，最后可以得到沿拉伸方向的应力大小与时间的关系曲线。在图像数值处理单元可以通过现有图像处理软件对拍摄的照片进行分析，从而得到随时间变化，试件表面裂纹开展过程，以及裂纹初次出现的时间，最大裂纹宽度、裂纹分布间距大小等。
(11)试验结果：通过计算机处理系统，分析试验结果，得到应力与时间的关系曲线、裂纹面积与时间的关系曲线以及含水率与时间的关系曲线等。通过试验结果得到相关的试验参数，主要包括：峰值应力f干缩max，应力变化速率νη、裂纹初始出现时间t初始、最大裂纹宽度Wmax、平均裂纹宽度
Figure BDA0002568773780000091
平均裂纹分布间距
Figure BDA0002568773780000092
裂纹面积Acr。
(12)干缩开裂性能评价：评价主要从两个方面进行，一个是力学性能，一个是变形性能。最后综合两方面性能指标进行总体评价。力学性能指标为抗干缩应力总量φ干缩，变形性能指标为开裂率γ。其中抗干缩应力总量定义为应力-时间曲线的累积积分面积，计算公式为：
Figure BDA0002568773780000101
开裂率定义为试件测试段的单位面积裂缝所占比，即
Figure BDA0002568773780000102
(此处A为试验中试件有效段的面积)；是通过开裂直接表现出来的变形的角度来反应材料的干缩开裂性能，开裂率越大，则材料的抗干缩性能越差，越易开裂。通过应力层面和变形层面两方面综合考虑，采用综合评价指标干缩开裂系数Ω干缩来表征材料干缩开裂的性能，定义为：
Figure BDA0002568773780000103
当干缩开裂系数Ω干缩越大表示材料的越容易发生干缩开裂。
实施例2
石灰土温缩试验：在此实施例中选用的土源为地铁开挖取得的黏土，水泥掺量采用7％，压实度控制在95％。试件在最佳含水率16％条件下采用静压成型方法制得。具体试验步骤如下：
(1)试件制作：采用定制模具，使试件尺寸与本发明中附图4一致，为狗骨头形状。首先将烘干过4.75cm筛孔的黏土与水泥和水拌和均匀，然后称取一定量质量的固化土装入试模中，采用万能压力机静压成型，成型后两个小时候拆模，并套袋放入标准养护室养护，养护时间为7天，最后一天放入烘箱，烘箱温度设置为105℃进行干燥，最终达到绝干状态。
(2)试验箱启动：将试验箱开启，并进行预热，温度调到25℃，湿度为100％。
(3)试件散斑制作：在养护第7天时，将试件干燥至绝干状态。然后用黑白喷漆在试件的一面均匀喷制散斑。喷涂后套袋静止1个小时。
(4)安装试件：打开试验箱开合门21，将试件无散斑一面朝内，放入夹持头10、11中，并将夹持头10、11上的防护构件8拧紧，防止试件脱落，并保证试件完全嵌入到夹持头10、11中。
(5)其它设备开启：先关好开合门21，固定好开合门21上的高频照相机镜头18，并进行试拍，看拍摄效果，根据结果调整摄像机参数。然后通过控制系统开启试验箱中所有部件，如近红外光水分仪19，试验箱内部摄像头15等。
(6)试件对中调平：通过摄像头15观测静动夹持头端部的激光对齐状态，根据情况，通过控制系统调节五维微动台，使激光发射端13发射的激光与激光接收端14感应接收。
(7)预紧力加载：通过力与位移加载系统，对动夹持头10进行位移加载，位移加载可以由五维微动平台2完成，当静夹持头11斜直段内部应力传感器9传输数值为100Pa时，位移加载停止并锁死。
(8)温缩试验进行：完成对中调皮后，进行温缩试验。首先将试验温度快速上升到60℃，湿度设定为恒湿状态，湿度为60％。并通过控制系统，设定试验过程温度变化程序为：温度变化范围为60℃～-20℃，每级降温10℃，降温速率控制在0.5℃/min，每级温度恒温保持3小时。
(9)试验数据采集：试验数据主要包括应力传感器9输出的应力大小、近红外线水分仪19测得的试件试验过程的含水率变化值以及高频照相机18拍摄的裂纹开展过程的图片。这些数据将自动采集并自动传输到控制系统，在控制系统中会有对应的数据处理模块，对数据进行分析并输出相关结果。
(10)数据处理：在控制系统的含水率测定单元能够输出试验过程中试件含水率的变化曲线，测定间隔时间为1min一次，可以输出试件含水率与时间的关系曲线；在应力检测单元可以静夹持头斜直段内部应力传感器输出的应力大小。通过分析处理，最后得到沿拉伸方向的应力与时间的关系曲线。在图像数值处理单元可以通过现有图像处理软件对拍摄的照片进行分析，从而得到随时间变化，试件表面裂纹开展过程，以及裂纹初次出现的时间，最大裂纹宽度、裂纹分布间距大小等。
(11)试验结果：通过计算机处理系统，分析试验结果，得到收缩应力与时间变化的关系曲线、裂纹总面积与时间的关系曲线以及温度与时间变化的关系曲线等。通过试验结果得到相关的试验参数，主要包括：峰值应力f温缩max、应力变化速率νη、裂纹初始出现时间t初始、最大裂纹宽度Wmax、平均裂纹宽度
Figure BDA0002568773780000111
平均裂纹分布间距
Figure BDA0002568773780000112
裂纹面积Acr。
(12)温缩开裂性能评价：同样地，温宿开裂性能评价主要从两个方面进行，一个是力学性能，一个是变形性能，最后综合两方面性能指标进行总体评价。力学性能指标为抗温缩应力总量φ温缩，变形性能指标为开裂率γ。其中抗温缩应力总量定义为温缩应力-时间曲线的累积积分面积。计算公式为：
Figure BDA0002568773780000113
如图6所示；开裂率定义为试件测试段的单位面积裂缝所占比，即
Figure BDA0002568773780000114
(此处A为试验中试件有效段的面积)；综合评价指标为温缩开裂系数Ω温缩，表征材料干缩开裂的性能，定义为：
Figure BDA0002568773780000115
当温缩开裂系数Ω温缩越大表示材料的越容易发生温缩开裂。

Claims (10)

1.一种固化土材料收缩开裂性能的测试及评价方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)试件制作与养护；
(2)试件表面散斑处理；
(3)试件安装固定；
(4)拉伸方向对中调平，使试件只发生一维方向的拉伸收缩变形。
(5)对试件两端施加预紧力，保证试件在收缩试验正式开始前，与固定试件的夹头接触。
(6)模拟路况的干缩环境或温缩环境进行试验。
(7)实时采集试件的收缩开裂相关数据，包括试件内部应力变化、裂纹分布状况和含水率。
(8)试验结果分析与性能评价。
2.根据权利要求1所述的一种固化土材料收缩开裂性能的测试方法，其特征在于，所述步骤4中，通过在固定试件两端的夹头上分别安装红外发射端与红外接收端。通过调整其中一端夹头的位置，使红外发射端与红外接收端完全对齐，从而保证试件在同一平面内沿一维方向受力变形。
3.根据权利要求1所述的一种固化土材料收缩开裂性能的测试方法，其特征在于，所述步骤5中，所述预紧力为100Pa。
4.根据权利要求1所述的一种固化土材料收缩开裂性能的测试方法，其特征在于，所述步骤6中，干缩试验和温宿试验过程的环境条件设置与控制分别为：干缩试验环境为：40℃作为干缩试验温度，并开启干燥鼓风模式；温宿试验环境为：湿度为100％，温度按10℃一级，从60℃依次降到-20℃，降温速率控制在0.5℃/min，每级温度恒温保持3小时。
5.根据权利要求1所述的一种固化土材料收缩开裂性能的测试方法，其特征在于，所述步骤(8)中：
采用综合评价指标干缩开裂系数Ω干缩来表征材料干缩开裂的性能：
Figure FDA0002568773770000011
其中，γ为开裂率，
Figure FDA0002568773770000012
Acr为裂纹面积，A为试验中试件有效段的面积；f干缩为干缩试验过程中试件两端夹头应力传感器测得的应力大小，t为时间。
采用综合评价指标温缩开裂系数Ω温缩来表征材料温缩开裂的性能：
Figure FDA0002568773770000021
其中，f温缩为干缩试验过程中试件两端夹头应力传感器测得的应力大小。
6.一种固化土材料收缩开裂性能的测试装置，其特征在于，该装置包括：
夹持加载系统，用于夹持固定固化土材料试件，对试件加载预紧力。
辅助对中调平系统，用于调整试件位置，保证试件在同一平面内，且只受到拉伸方向的应力约束作用。
环境条件控制系统，用于控制测试时的环境条件，模拟路况的干缩环境、温缩环境。
收缩开裂性能测试系统，用于测试试件的收缩开裂相关数据，包括内部应力变化、裂纹分布状况和含水率。
信号采集和控制系统，用于控制上述系统操作和参数预设，同时实时采集收缩开裂性能测试系统测得的收缩开裂数据并进行处理。
7.根据权利要求6所述一种固化土材料收缩开裂性能的测试装置，其特征在于，所述夹持加载系统主要包括静夹持头、动夹持头、支撑平台和五维微动台。所述静夹持头固定安装在支撑平台上，动夹持头固定安装在五维精密微动台上，动夹持头通过调节五维精密微动台实现移动。
8.根据权利要求6所述一种固化土材料收缩开裂性能的测试装置，其特征在于，收缩开裂性能测试系统由应力检测单元、试件含水率检测单元和裂纹扩展检测单元组成。应力检测单元主要包括两个压应力传感器，两个压应力传感器分别安装在静夹持头内斜段的内壁处。
9.根据权利要求8所述一种固化土材料收缩开裂性能的测试装置，其特征在于，所述试件含水率检测单元采用近红外线水分仪，裂纹扩展检测单元采用高频照相机。
10.根据权利要求8所述一种固化土材料收缩开裂性能的测试装置，其特征在于，辅助对中调平系统主要包括摄像头、激光发射端、激光接收端。摄像头安装在试验箱中，确保能清楚观测到激光接收端。激光发射端与激光接收端分别安装在静夹持头的夹臂前端中部处。
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