CN112014214A - 一种水泥石微观单边劈裂测试装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水泥石微观单边劈裂测试装置与方法，包括：运行区，用于搭载各模块，包括工作台、机械模块、水冷模块、清洁模块、和监测模块；所述的工作台，用于驱动试样在X方向、Y方向、z方向的移动和绕z轴转动；所述的机械模块设置在工作台一侧，由中央立柱、加工机具和测试机具组成，所述的中央立柱上设有可绕其旋转和z方向升降的加工机具和测试机具；所述的水冷模块、清洁模块设置在工作台一侧，实现试样加工过程的水冷和清洁；所述监测模块监控试样的制备、测试过程；控制区，由主控台和显示器组成，各模块通过相应的控制器集成于主控台，显示器用于实现人机交互。

Description

一种水泥石微观单边劈裂测试装置与方法
技术领域
本发明涉及土木工程领域，尤其是一种水泥石微观单边劈裂测试装置与方法。
背景技术
混凝土是一种人造的准脆性材料，具有抗压强度高、施工简便、可塑性好的优点，广泛应用于房屋建筑、道路路面和桥梁结构等工程领域。混凝土的材料性能直接影响到混凝土结构的承载能力和服役寿命，试验中常通过单轴压缩试验获得混凝土的抗压强度，而抗拉强度可通过单轴拉伸试验或劈裂抗拉试验获得。由于直接拉伸试验较为复杂，且试验数据离散性较大，因此实际中常采用劈裂抗拉试验测试混凝土材料的抗拉强度。
一般认为，混凝土的抗拉强度约为抗压强度的十分之一，这一拉压性能上的巨大差异，导致混凝土结构的破坏常常是由拉伸断裂引起的。一般来讲，结构的破坏是材料内部微裂纹萌生和扩展的宏观表现。然而，混凝土是一种复杂的非均质多相体，其材料性能的差异在多个尺度上均有所表现，这就要求研究人员必须在从纳米(nm)到米(m)的尺度上，全方位地研究混凝土材料的力学性能及其断裂失效机理。以往的研究大多集中在宏观尺度(cm)领域，在这一尺度下，试样很容易被制备并加载测试。在纳观尺度(nm)下，试验的主要研究对象则为混凝土中的某一水化产物。而对于混凝土材料在微观尺度(μm)下的抗拉力学性能的研究，目前还较为欠缺，主要的研究手法也以数值模拟为主，相应的研究对象为混凝土中的硬化水泥浆体(即水泥石)。这是因为目前无任何专门用于制备、测试水泥石微立方体(100μm x 100μm x 100μm)劈裂试样的装置，试样的制备质量及其测试手段得不到保障。此外，在微观尺度下，水泥石是一种复杂的多相体，对其进行力学性能的数值模拟研究，应该着重考虑水泥石中各相物质材料性能的差异以及各相物质间的粘结性能，而这部分数据往往也应通过试验测试来可靠地获得。例如，纳米压痕仪常被用于测试水泥石水化产物的压痕硬度，但无研究表明水泥基材料的压痕硬度与其抗压强度间有直接关系。而微悬臂梁弯曲测试技术近年来也被用于测试水泥石及其各相物质的抗拉强度，但其样本制备过程会引起材料微观结构的变化，导致测试结果不准确。因此，对于水泥石微观力学性能的数值模拟研究，仍然需要经过试验结果的检验和校准。
综上所述，为了进一步探究水泥石微观力学性能，填补混凝土材料纳-微-介-宏观断裂体系的研究缺口，同时验证数值模拟方法在水泥石微观力学行为模拟中的准确性，当前亟需一种直接并可靠的制备、测试水泥石微观劈裂抗拉试样的装置及其配套测试方法。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的第一目的是提供一种水泥石微观单边劈裂测试装置，该装置能够实现水泥石微观单边劈裂试样的加工、测试流程一体化，操作简便，且环保高效。
本发明的第二目的是基于水泥石微观单边劈裂测试装置提供一种水泥石微观单边劈裂试样的测试方法，能够实现微米级水泥石单边劈裂测试样品的短时、高效制备，且成型质量高，测试结果可靠，从而推动水泥石微观断裂性能的研究及其数值模拟方法的验证。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
第一方面，本发明提供了一种水泥石微观单边劈裂测试装置，包括：
运行区，用于搭载各模块，包括工作台、机械模块、水冷模块、清洁模块、和监测模块；所述的工作台，用于驱动试样在X方向、Y方向、z方向的移动和绕z轴转动；所述的机械模块设置在工作台一侧，由中央立柱、加工机具和测试机具组成，所述的中央立柱上设有可绕其旋转和z方向升降的加工机具和测试机具；所述的水冷模块、清洁模块设置在工作台一侧，实现试样加工过程的水冷和清洁；所述监测模块监控试样的制备、测试过程；
控制区，由主控台和显示器组成，各模块通过相应的控制器集成于主控台，显示器用于实现人机交互。
进一步的，所述的工作台由水平驱动机构和旋转升降驱动机构组成，所述的水平驱动机构，设置于旋转升降驱动机构顶部，实现试样在X方向和Y方向的移动；所述的旋转升降驱动机构可控制水平驱动机构的z向平动和绕z轴转动，配合水平驱动机构可实现对试样方位的三维位置调整，便于试样的制备成型和性能测试。
进一步的，在水平驱动机构的顶部开口设有载具固定槽，用于固定载具；开口尺寸与载具外形相同，内部设置有真空吸盘，用于吸附、固定载具，提高试样在制备和测试中的稳定性。
进一步的，所述载具固定槽垂直的两侧设置有标尺，用于精准确定试样方位。
进一步的，载具，由载玻片或树脂材料制作而成的矩形板，用于搭载试样，并放置于载具固定槽内。
进一步的，所述的机械模块由中央立柱、加工机具和测试机具组成，所述的中央立柱支撑于工作室底板上，其上设有可绕其旋转的加工机具和测试机具；且在中央立柱内部设有金属滑槽，滑槽内设有升降机构，所述的升降机构驱动所述的加工机具和测试机具在z向的自由移动。
进一步的，所述的加工机具，由第一转向盘、连接臂、加工电机、组合刀片、转向头和内置压力传感器组成，所述的第一转向盘安装在中央立柱上，连接臂一端连接转向盘，一端连接加工电机，所述的加工电机连接转向头，转向头处安装有组合刀片，压力传感器内置于加工机具，用于控制试样加工时的打磨力度和削切力度，保证切面平整；
进一步的，所述的组合刀片，为打磨、削切功能二合一的刀片，刀片内圈为金刚石磨片，刀片外圈为橡胶切割片。
进一步的，所述的测试机具，由第二转向盘、连接臂、纳米级加载设备、楔形金属压头组成，所述的第二转向盘安装在中央立柱上，连接臂连接第二转向盘和纳米级加载设备，纳米级加载设备驱动所述的楔形金属压头，用于测设试样。
进一步的，所述的楔形金属压头采用电磁力加载。
进一步的，所述的水冷模块，由金属喷头、冷却液、冷却水泵和冷却水槽组成，所述的冷却水槽内设有冷却液，冷却水泵将冷却液送入到金属喷头。用于试样加工过程中的组合刀片冷却，避免摩擦热量过高对试样化学成分和物理性质产生影响。冷却液为蒸馏水或去离子水等不会影响水泥石物理化学性质的液体。
进一步的，所述的清洁模块，由球形喷淋器、增压器、清洗液、清洗水泵，清洗水槽和鼓风干燥机组成；所述球形喷淋器位于工作室顶部，清洗液通过清洗水泵从清洗水槽中泵送至球形喷淋器中，经由增压器加压后，从球形喷淋器的多个喷淋口喷出，实现对运行区内部的360°全方位清洗。鼓风干燥机设置于运行区内侧壁，用于设备清洗后的快速加热风干，避免零部件锈蚀。
清洗液与冷却液为同一种液体，便于统一回收利用。
进一步的，所述的循环模块，由双层金属过滤网、刮渣器和过滤槽组成；其中，双层金属过滤网设置在过滤槽上，用于过滤试样加工过程中产生的废液，滤去其中的杂质和废渣；刮渣器设置于上层金属过滤网的一侧。
所述的刮渣器由驱动机构、轨道、冲刷管、刮渣板和废渣槽组成。所述轨道设置在双层金属过滤网一侧，多个冲刷管并排的设置在刮渣板外侧，驱动机构驱动刮渣板沿着所述的轨道移动；废渣槽设置在上层金属过滤网的另外一端。
当金属过滤网积留过多废渣、过滤效果减弱时，启动刮渣器驱动电机，使刮渣器沿着轨道行进，同时喷射水流从并排冲刷管中喷出，对金属过滤网进行清洗并冲走较小的废渣，而较大的废渣则由刮渣板清理至废渣槽中；过滤槽底部为开口设置，过滤后的废液可自动补充至冷却水槽和清洗水槽中循环利用，经济环保。
进一步的，所述的监测模块，由可变焦放大镜头、镜头调节器、移动滑轨和显示器组成；其中，镜头调节器可调整可变焦放大镜头在135°锥形范围的定点观测；移动滑轨设置于工作室内部的两个垂直侧壁，可用于调整镜头的水平位置；显示器设置于控制区，用于接收镜头成像，监控试样的制备、测试过程，同时结合后台图片处理软件能够计算出图像上任意两点间的距离Δ和位置变化信息；
第二方面，本发明还提供了一种水泥石微观单边劈裂试样的制备及测试方法，采用所述的一种水泥石微观单边劈裂试样的制备及测试装置。所述方法包括以下流程：
1.待混凝土试样养护至规定龄期后，使用精密切割机制备混凝土薄片，并用异丙醇终止其水化反应；
2.使用紫外线硬化树脂将混凝土薄片试样粘贴至载具表面，并固定于载具固定槽中；
3.启动机械模块，通过转向盘将加工机具旋转90°，接入中央立柱的金属滑槽；
4.打开可变焦放大镜头，调整成像中心位于工作台处，且显示器上的成像清晰、稳定；
5.通过工作台中的水平驱动机构和旋转升降驱动机构调整试样的三维位置，使试样在x-y平面上，处于组合刀具中内圈金刚石磨片的正下方，z方向上正好接触金刚石磨片；
6.打开水冷模块中的金属喷头，对金刚石磨片进行持续冷却降温；
7.打开加工电机，磨片开始高速旋转；随后通过旋转升降平台控制试样朝z向移动，打磨试样；打磨过程中通过压力传感器监控金刚石磨片与试样间的接触压力，同时通过显示器上的图像测距功能可监控试样的打磨厚度；
8.停止金刚石磨片运行，通过转向头使组合刀片进行90°旋转，并调整试样的侧表面与橡胶切割片接触，且试样底部高于切割片下缘，以保证切割成型后的每个微立方体试样是独立的个体，底部无树脂粘连；
9.打开加工电机，橡胶切割片高速运行，以保证切割面平整，并通过水平驱动机构平移试样，开始进行第一次切割工序，切割过程中通过压力传感器实时监测切割片与试样的接触压力；
10.结合工作台上的标尺确定其余切割点位，重复步骤9完成试样x边上的多次切割；
11.通过旋转升降驱动机构使试样旋转90°，重复步骤9-10，完成试样y边上的多次切割，水泥石微观劈裂试样制备完成；
12.取下载具，采用环境扫描电子显微镜(ESEM)对试样进行尺寸检查，尺寸误差应在±5μm以内；检查完成后将载具重新放置入载具固定槽中；
13.使用中央立柱内的升降机构和转向盘1将加工机具回归原位，并通过第二转向盘旋转测试机具90°，接入中央立柱内的金属滑槽，随后调整升降机构和工作台，使纳米级加载设备的楔形金属压头对准需要测试的某一微观劈裂试样；
14.打开测试电机，使楔形压头按规定的程控匀速向下加载，直至微立方体劈裂破坏，记录加载过程中的荷载-位移曲线；测试过程中可通过可变焦放大镜头记录试样自加载至破坏的全过程，以供后续图像处理分析；
15.重复步骤13-14，完成对多个微观劈裂试样的测试。
本发明的有益效果如下：
1)本发明提供了一种制备、测试水泥石微观单边劈裂试样的装置，能够获得微观尺度下水泥石的单边劈裂抗拉强度及其劈裂失效过程，有助于揭示混凝土材料在微观条件下损伤破坏机理，填补混凝土材料纳-微-介-宏观断裂体系的研究缺口，同时为混凝土材料的微观力学行为模拟研究提供可行的试验验证手段。
2)本发明通过转盘设计的方法，将水泥石微观单边劈裂试样的制备设备及其测试设备集成为一体，能够简化操作流程，提高试样制备效率，避免对试样产生不必要的扰动，破坏试样的几何尺寸或物理化学性能。
3)本发明通过水冷模块和清洁模块的设置，能够在试样的制备过程中，对加工机具进行冷却降温；在试样测试完成后，对运行区内部进行全方位清洗、升温风干，防止机械部件锈蚀。
4)本发明通过双层金属过滤网的设置，能够将试样加工过程中产生的废液进行过滤处理，实现冷却液和清洗液的循环利用，经济环保。此外，刮渣器的设置保证了金属过滤网的持久、高效过滤作用。
5)本发明通过水泥石微观单边劈裂试样制备方法和测试方法的给出，提高了样品的制备效率和制备质量，实现了样品的可靠测试和结果输出。
附图说明
图1为装置概貌示意图；
图2为运行区示意图；
图3为工作台示意图；
图4为机械模块示意图；
图5为切割流程示意图；
图6为球形喷淋器和鼓风干燥机示意图；
图7(a)、图7(b)为运行区下方水槽设计示意图；
图8为典型的微立方体试样ESEM成像图；
图9为典型的微立方体试样单轴劈裂荷载-位移曲线；
图中：1显示器，2主控台，3运行区，3-1可变焦放大镜头，3-2镜头调节器，3-3移动滑轨，3-4水平驱动机构，3-5水冷模块，3-6旋转升降驱动机构，3-7出水口，3-8第一转向盘，3-9加工机具，3-10测试机具，3-11第二转向盘，3-12中央立柱，3-13载具固定槽，3-14标尺，3-15齿条，3-16内置齿轮，3-17楔形金属压头，3-18橡胶切割片，3-19金属接头，3-20金刚石磨片，3-21纳米级加载设备，3-22金属滑槽，3-23微立方体，3-24试样，3-25载具，3-26试样X边，3-27试样y边，3-28球形喷淋器，3-29鼓风干燥机，3-30废渣槽，3-31金属过滤网，3-32清洗水泵，3-33清洗水槽，3-34冷却水槽，3-35冷却水泵，3-36轨道，3-37驱动电机，3-38刮渣器，3-39冲洗管，3-40刮渣板。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅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设备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。
术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
本发明一种典型的实施例，本发明提供了一种水泥石微观单边劈裂试样的制备及测试装置，包括：
运行区3，用于搭载各模块，包括工作台、机械模块、水冷模块、清洁模块，循环模块和监测模块共6部分。运行区前板为透明可开/关箱门，并与系统保护程序连接，当箱门开启时，机械模块断电，防止机械伤人。此外，运行区底板边缘设有多个出水口，且出水口位置处于底板的最低点，用于排出试样制备过程中的废液。
控制区，由主控台2和显示器3组成，各模块通过相应的控制器集成于主控台，显示器用于实现人机交互。
工作台，由水平驱动机构3-4和旋转升降驱动机构3-6组成，可实现试样的三维位置调整，便于试样的制备成型和性能测试；
水平驱动机构3-4，设置于旋转升降驱动机构3-6顶部，通过内置的x，y向齿轮及齿条(具体参见图3中的齿条3-15，内置齿轮3-16)可实现试样的x向和y向移动，同时可避免试样加工过程中产生的碎屑卡入齿条中，造成机械损坏。此外，齿条的啮合齿大小和密度应满足当齿轮走过一个啮合齿时，试样相应的水平平动为1-5μm，以减小加工误差。水平驱动机构顶部开口有载具固定槽3-13，用于固定载具。载具固定槽垂直的两侧设置有标尺3-14，用于精准确定试样方位；
旋转升降驱动机构，与水平驱动机构底部相连，可控制水平驱动机构的z向平动和绕z轴转动，配合水平驱动机构可实现对试样方位的三维控制；
载具3-25，由载玻片或树脂材料制作而成的矩形板，用于搭载试样，并放置于载具固定槽3-13内；载具固定槽3-13，开口尺寸与载具外形相同，内部设置有真空吸盘，用于吸附、固定载具，提高试样在制备和测试中的稳定性；其中载具3-25上排列有若干加工成型的微立方体试样3-23。
机械模块，由中央立柱3-12，加工机具3-9和测试机具3-10组成，可实现对试样的灵活加工、测试流程；
中央立柱3-12，支撑于工作室底板，前端呈“T”字型中空，且内嵌有“T”字型金属滑槽3-22，用于搭载机具并给电；金属滑槽3-22内设置升降机构，可控制机具在z向的自由移动；
加工机具3-9，由第一转向盘3-8、加工电机、组合刀片、转向头和内置压力传感器组成，底部为“T”字型金属接头，用于嵌入金属滑槽并接电。
此外，加工机具的内置压力传感器可用于控制试样加工时的削切力度和打磨力度，保证切面平整，避免试样崩碎；
第一转向盘3-8，连接中央立柱和加工机具，可控制加工机具90°旋转，以对接中央立柱内的金属滑槽；
组合刀片，为打磨、削切功能二合一的刀片，直径3-5cm，厚度为260μm，刀片内圈为金刚石磨片3-20，磨片表面布置有30-125μm粒径的磨粒；刀片外圈为橡胶切割片3-18，弹性模量应为5000-8000Mpa；上述限定的意义在于使刀片的几何尺寸、材料属性应尽可能匹配水泥石的微观尺寸和力学特性，保证试样的高效制备及质量可靠；
转向头，连接加工机具的臂身和组合刀片，可实现组合刀片的90°转向，以切换打磨和削切功能；
压力传感器，内置于加工机具，用于控制试样加工时的打磨力度和削切力度，保证切面平整；打磨过程中，金刚石磨片3-20与试样的传感器监测压力不应大于k×fcd×d1×d2×10-6N，其中k为压力系数，取值范围0.2-0.4，fcd为预估水泥石的抗压强度(单位：MPa)，d1、d2为矩形试样的两垂直边长(单位μm)；切割过程中，橡胶切割片3-18与试样的传感器监测压力不应大于k×fcd×H×h×10-6N，其中H为组合刀片的厚度(260μm)，h为试样的厚度，其余同前；上述限定的意义在于避免加工时机具与试样间的接触压力过大，导致试样破裂、崩碎。
测试机具3-10，由第二转向盘3-11、纳米级加载设备3-21(带测试电机、位移传感器及压力传感器)、压杆和楔形金属压头3-17组成，用于测设试样。第二转向盘3-11套装在中央立柱上，通过一个连接臂与纳米级加载设备3-21相连，纳米级加载设备3-21通过压杆与楔形金属压头3-17相连。其中，楔形金属压头3-17采用电磁力加载，总的位移范围≥1.5mm，位移分辨率≤0.02nm，最大荷载≥10N，荷载分辨率≤50nN；楔形金属压头3-17的宽δ＝200μm，尖端直径0.05d≤Φ≤0.1d，d为成型立方体劈裂试样的边长，单位μm；上述限定的意义在于为微观条件下水泥石劈裂力学性能测试提供一个可行的、高精度加载设备及加载边界条件；第二转向盘3-11，主要是用于连接中央立柱3-12和测试机具，可控制测试机具90°旋转，以对接中央立柱3-12内的金属滑槽。
水冷模块3-5，由金属喷头、冷却液、冷却水泵3-35和冷却水槽3-34组成，金属喷头与冷却水泵3-35相连，用于将冷却水槽内的冷却液输送到金属喷头；用于试样加工过程中的组合刀片冷却，避免摩擦热量过高对试样化学成分和物理性质产生影响。冷却液为蒸馏水或去离子水等不会影响水泥石物理化学性质的液体；
清洁模块，由球形喷淋器3-28、增压器、清洗液，清洗水泵3-32，清洗水槽3-33和鼓风干燥机3-29组成；球形喷淋器3-28位于工作室顶部，清洗液通过清洗水泵3-32从清洗水槽3-33中泵送至球形喷淋器3-28中，经由增压器加压后，从球形喷淋器的多个喷淋口喷出，实现对运行区内部的360°全方位清洗。鼓风干燥机29设置于运行区内侧壁，用于设备清洗后的快速加热风干，避免零部件锈蚀。清洗液与冷却液为同一种液体，便于统一回收利用；
循环模块，由双层金属过滤网3-31，刮渣器3-38和废渣槽3-30组成；其中，双层金属过滤网3-31设置在过滤槽上，用于过滤试样加工过程中产生的废液，滤去其中的杂质和废渣；刮渣器3-38设置于上层金属过滤网3-31的一端，废渣槽3-30设置在上层金属过滤网3-31的另一端。
刮渣器3-38由驱动电机3-37、轨道3-36、并排冲刷管3-39、刮渣板3-40组成。当金属过滤网3-31积留过多废渣、过滤效果减弱时，启动刮渣器驱动电机，使刮渣器3-38沿着轨道3-36行进，同时喷射水流从并排冲刷管中喷出，对金属过滤网进行清洗并冲走较小的废渣，而较大的废渣则由刮渣板清理至废渣槽3-30中；过滤槽底部为开口设置，过滤后的废液可自动补充至冷却水槽和清洗水槽中循环利用，经济环保。
监测模块，由可变焦放大镜头3-1、镜头调节器3-2、移动滑轨3-3和显示器组成；其中，可变焦放大镜头具有50-100倍可调放大倍数；镜头调节器可调整可变焦放大镜头在135°锥形范围的定点观测；移动滑轨设置于工作室内部的两个垂直侧壁，可用于调整镜头的水平位置；显示器设置于控制区，用于接收镜头成像，监控试样的制备、测试过程，同时结合后台图片处理软件能够计算出图像上任意两点间的距离Δ和位置变化信息；
具体的试验方法如下：
1.待事先浇筑的常规混凝土试样，如100mm x 100mm x 100mm立方体试样，养护至规定龄期后，使用精密切割机切割成载具固定槽截面大小，厚度为2mm的矩形薄片试样，并用异丙醇终止水化；本实施例中养护龄期28d。
2.使用紫外线硬化树脂(UV胶)将混凝土薄片试样粘贴至玻璃载具表面，并固定于载具固定槽中。
3.启动机械模块，通过第一转向盘3-8将加工机具旋转90°，接入中央立柱的金属滑槽。
4.打开可变焦放大镜头，调整成像中心位于工作台处，且显示器上的成像清晰、稳定。
5.通过工作台中的水平驱动机构和旋转升降驱动机构调整试样的三维位置，使试样在x-y平面上，处于组合刀具中内圈金刚石磨片的正下方，z方向上正好接触金刚石磨片；本实施例中采用了30μm磨料粒度的金刚石磨片。
6.打开水冷模块中的金属喷头，对金刚石磨片进行持续冷却降温。
7.打开加工电机，磨片开始高速旋转，其转速为5000rpm，以保证打磨面平整；随后通过旋转升降平台控制试样朝z向移动，开始打磨试样，直至设计厚度100μm；打磨过程中通过压力传感器监控金刚石磨片与试样间的接触压力，同时通过显示器上的图像测距功能可监控试样的打磨厚度。
8.停止金刚石磨片运行，关闭水冷模块，通过转向头使组合刀片进行90°旋转，并调整试样的侧表面与橡胶切割片接触，且试样底部高于切割片下缘20μm，以保证切割成型后的每个微立方体试样是独立的个体，底部无树脂粘连；
本实施例中组合刀片的直径为5cm，厚度为260mm，橡胶切割片的弹性模量为5000MPa。
9.打开水冷模块，其次打开加工电机，使橡胶切割片高速运行，其转速为5000rpm，以保证切割面平整，并通过水平驱动机构平移试样，开始进行第一次切割工序，切割过程中通过压力传感器监测切割片与试样的接触压力。
10.结合工作台上的标尺确定其余切割点位，重复步骤9完成试样x边上的多次切割。
11.关闭加工电机和水冷模块，通过旋转升降驱动机构使试样旋转90°，重复步骤(9)-(10)，完成试样y边上的多次切割，水泥石微观单边劈裂试样制备完成。
12.取下载具，采用环境扫描电子显微镜(ESEM)对试样进行尺寸检查，如图所示，尺寸误差应在±5μm以内；检查完成后将载具重新放置入载具固定槽中；本实施例中试样的尺寸误差在±3μm内。
13.使用中央立柱内的升降机构和第一转向盘3-8将加工机具回归原位，并通过第二转向盘3-11旋转测试机具90°，接入中央立柱内的金属滑槽，随后调整升降机构和工作台，使纳米机加载设备的楔形金属压头对准需要测试的某一微观劈裂试样；
14.打开测试电机，使楔形压头按规定的程控匀速向下加载，其加载速率为0.01μm/s，直至微立方体劈裂破坏，记录加载过程中的荷载-位移曲线；测试过程中可通过可变焦放大镜头记录试样自加载至破坏的全过程，以供后续图像处理分析；本实施例中采用的楔形金属压头宽δ＝200μm，尖端直径Φ＝9.6μm；
15.重复步骤(13)-(14)，完成对多个微观劈裂试样的测试；一种典型的荷载-位移曲线如图9所示，则单个水泥石微观单边劈裂试样的劈裂抗拉强度fst可表示为：
Figure BDA0002664909940000151
其中，fst为微立方体试样的劈裂抗拉强度，Pu为荷载-位移曲线上的临界劈裂荷载，d为微立方体边长，α为边界条件调整系数；在本测试方法中，微立方体试样的底部受紫外线硬化树脂的胶结约束，其边界条件与常规的混凝土劈裂试验条件有所不同，因此需要考虑折减系数的引入。本实施例中通过大量的统计分析以及数值模拟手段可得α为0.73。
16.关闭测试电机，并将测试机具归位，取出测试后的试样，打开清洁模块，对运行区内部进行清洗，并使用鼓风干燥机升温风干；若加工过程中产生的废渣过多，可打开刮渣器清理金属过滤网表面，防止淤积；
17.关闭清洁模块，加工和清洗过程中产生的废液经过滤后可重新补充至冷却水槽和清洗水槽；
18.关闭所有设备，并切断电源，操作结束。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水泥石微观单边劈裂测试装置，其特征在于，包括：
运行区，用于搭载各模块，包括工作台、机械模块、水冷模块、清洁模块、和监测模块；所述的工作台，用于驱动试样在X方向、Y方向、z方向的移动和绕z轴转动；所述的机械模块设置在工作台一侧，由中央立柱、加工机具和测试机具组成，所述的中央立柱上设有可绕其旋转和z方向升降的加工机具和测试机具；所述的水冷模块、清洁模块设置在工作台一侧，实现试样加工过程的水冷和清洁；所述监测模块监控试样的制备、测试过程；
控制区，由主控台和显示器组成，各模块通过相应的控制器集成于主控台，显示器用于实现人机交互。
2.如权利要求1所述的水泥石微观单边劈裂测试装置，其特征在于，所述的工作台由水平驱动机构和旋转升降驱动机构组成，所述的水平驱动机构设置于旋转升降驱动机构顶部，实现试样在X方向和Y方向的移动；所述的旋转升降驱动机构可控制水平驱动机构z向平动和绕z轴转动。
3.如权利要求1所述的水泥石微观单边劈裂测试装置，其特征在于，在水平驱动机构的顶部开口设有载具固定槽，用于固定载具，开口尺寸与载具外形相同，内部设置有真空吸盘。
4.如权利要求1所述的水泥石微观单边劈裂测试装置，其特征在于，所述的机械模块由中央立柱、加工机具和测试机具组成，所述的中央立柱支撑于工作室底板上，其上设有可绕其旋转的加工机具和测试机具；且在中央立柱内部设有金属滑槽，滑槽内设有升降机构，所述的升降机构驱动所述的加工机具和测试机具在z向的自由移动。
5.如权利要求1所述的水泥石微观单边劈裂测试装置，其特征在于，所述的加工机具，由第一转向盘、连接臂、加工电机、组合刀片、转向头和内置压力传感器组成，所述的第一转向盘安装在中央立柱上，连接臂一端连接转向盘，一端连接加工电机，所述的加工电机连接转向头，转向头处安装有组合刀片，压力传感器内置于加工机具，用于控制试样加工时的打磨力度和削切力度，保证切面平整。
6.如权利要求1所述的水泥石微观单边劈裂测试装置，其特征在于，所述的组合刀片，为打磨、削切功能二合一的刀片，刀片内圈为金刚石磨片，刀片外圈为橡胶切割片。
7.如权利要求1所述的水泥石微观单边劈裂测试装置，其特征在于，所述的测试机具，由第二转向盘、连接臂、纳米级加载设备、楔形金属压头组成，所述的第二转向盘安装在中央立柱上，连接臂连接第二转向盘和纳米级加载设备，纳米级加载设备驱动所述的楔形金属压头，用于测设试样。
8.如权利要求1所述的水泥石微观单边劈裂测试装置，其特征在于，还包括循环模块，循环模块由双层金属过滤网、刮渣器、废渣槽和过滤槽组成；其中，双层金属过滤网设置在过滤槽上，用于过滤试样加工过程中产生的废液，滤去其中的杂质和废渣；刮渣器设置于上层金属过滤网的一侧；废渣槽设置在上层金属过滤网的另外一端。
9.如权利要求1所述的水泥石微观单边劈裂测试装置，其特征在于，所述的监测模块，由可变焦放大镜头、镜头调节器、移动滑轨和显示器组成；其中，镜头调节器可调整可变焦放大镜头在135°锥形范围的定点观测；移动滑轨设置于工作室内部的两个垂直侧壁，可用于调整镜头的水平位置；显示器设置于控制区，用于接收镜头成像，监控试样的制备、测试过程，同时结合后台图片处理软件能够计算出图像上任意两点间的距离Δ和位置变化信息。
10.一种利用权利要求1-9任一所述的水泥石微观单边劈裂测试装置进行测试的方法，其特征在于，如下：
步骤1.待混凝土试样养护至规定龄期后，使用精密切割机制备混凝土薄片，并用异丙醇终止其水化反应；
步骤2.使用紫外线硬化树脂将混凝土薄片试样粘贴至载具表面，并固定于载具固定槽中；
步骤3.启动机械模块，通过第一转向盘将加工机具旋转90°，接入中央立柱的金属滑槽；
步骤4.打开可变焦放大镜头，调整成像中心位于工作台处，且显示器上的成像清晰、稳定；
步骤5.通过工作台中的水平驱动机构和旋转升降驱动机构调整试样的三维位置，使试样在x-y平面上，处于组合刀具中内圈金刚石磨片的正下方，z方向上正好接触金刚石磨片；
步骤6.打开水冷模块中的金属喷头，对金刚石磨片进行持续冷却降温；
步骤7.打开加工电机，磨片开始高速旋转；随后通过旋转升降平台控制试样朝z向移动，打磨试样；打磨过程中通过压力传感器监控金刚石磨片与试样间的接触压力，同时通过显示器上的图像测距功能可监控试样的打磨厚度；
步骤8.停止金刚石磨片运行，通过转向头使组合刀片进行90°旋转，并调整试样的侧表面与橡胶切割片接触，且试样底部高于切割片下缘，以保证切割成型后的每个微立方体试样是独立的个体，底部无树脂粘连；
步骤9.打开加工电机，橡胶切割片高速运行，以保证切割面平整，并通过水平驱动机构平移试样，开始进行第一次切割工序，切割过程中通过压力传感器实时监测切割片与试样的接触压力；
步骤10.结合工作台上的标尺确定其余切割点位，重复步骤9完成试样x边上的多次切割；
步骤11.通过旋转升降驱动机构使试样旋转90°，重复步骤9-10，完成试样y边上的多次切割，水泥石微观劈裂试样制备完成；
步骤12.取下载具，采用环境扫描电子显微镜对试样进行尺寸检查，检查完成后将载具重新放置入载具固定槽中；
步骤13.使纳米级加载设备的楔形金属压头对准需要测试的某一微观劈裂试样；
步骤14.打开测试电机，使楔形压头按规定的程控匀速向下加载，直至微立方体劈裂破坏，记录加载过程中的荷载-位移曲线；测试过程中可通过可变焦放大镜头记录试样自加载至破坏的全过程，以供后续图像处理分析；
步骤15.重复步骤13-14，完成对多个微观劈裂试样的测试。
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