CN112014215B - 一种水泥石微观抗压强度与弹性模量的测试装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水泥石微观抗压强度与弹性模量的测试装置及方法，包括：工作室，用于搭载各模块，包括操作台、机械组件和监控组件；所述的操作台，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；所述的机械组件设置在工作台一侧，由竖向立柱、横向悬臂、磨光装配件、切割装配件和测试装配件组成，横向悬臂安装在竖向立柱的顶部，横向悬臂上安装磨光装配件、切割装配件和测试装配件；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，操作台、机械组件和监控组件的控制部分集成于主控台，显示器用于实现人机交互。
Description
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抗压强度与弹性模量的测试装置与方法。
背景技术
一般来讲，混凝土结构的损伤是材料从微观到宏观的劣化过程。混凝土内部存在有大量的初始微裂缝和空隙，在外荷载和环境的耦合作用下，微裂缝不断萌生、扩展以及贯通，最终形成宏观裂纹的破裂。此外，混凝土是一种复杂的非均质多相体，其非均质性在从纳米(nm)到米(m)的尺度上都有所表现，这也导致了混凝土在不同尺寸下的力学性能存在明显差异。因此，开展混凝土微观力学性能及其断裂机理的研究，对推进混凝土材料的增韧设计与性能提高有重要指导意义，亦有利于工程结构的安全运营和维护。
压缩破坏试验是混凝土材性测试中最常用的方法，通过试验可测得混凝土的抗压强度、弹性模量及其破坏模式。试验表明混凝土的抗压强度主要与水泥石的强度以及水泥石与骨料的界面性能有关。以往的试验研究主要在厘米(cm)的尺度上开展，因为在这一尺度下，混凝土试样很容易被制备并加载。然而在微米(μm)的尺度上，对混凝土微观抗压力学性能的测试和分析目前仍然欠缺。这一方面是受制于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)抗压性能的装置，试样的制备质量及其测试手段得不到保障。另一方面，由于材料非均质性的影响，对水泥石微观力学性能分析应建立在大样本数据库的基础上，结合统计学的方法以给出可靠的试验结果。近年来出现的微悬臂梁弯曲测试方法被用于测定水泥石的微观弹性模量和抗弯强度，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。而纳米压痕测试技术虽然也用于测试水泥石的弹性模量和硬度，但无研究表明水泥基材料的压痕硬度与其抗压强度之间有直接关系。此外，上述两种方法均只能获得水泥石中某一水化产物的力学性能(几微米范围)，却无法获得硬化水泥浆体这一复杂体系的微观力学性能。
综上所述，目前对于水泥石微观抗压力学性能的研究，仍然缺少一种直接、可靠、便捷的制备装置以及配套的测试方法。
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抗压强度与弹性模量的测试装置，该装置集加工、测试功能为一体，通过构件模块化装配的方法，能够实现水泥石微观试样的快速制备及测试。
本发明的第二目的是提供一种水泥石微观力学性能试样的制备方法及其测试方法。该制备方法流程简便、高效，试样成型质量高，配合相应的测试技术，可实现在微观尺度上对水泥石整体力学性能的短时大规模测试并给出可靠的、基于统计学的结果分析，从而推动混凝土微观力学性能及其断裂机理的研究。
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抗压强度与弹性模量的测试装置，包括：
工作室，用于搭载各模块，包括操作台、机械组件、冷却组件、清洗组件、过滤组件和监控组件共6部分；
所述的操作台，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；所述的机械组件设置在工作台一侧，由竖向立柱、横向悬臂、磨光装配件、切割装配件和测试装配件组成，横向悬臂安装在竖向立柱的顶部，横向悬臂上安装磨光装配件、切割装配件和测试装配件；所述的冷却组件、清洗组件设置在工作台一侧，实现试样加工过程的水冷和清洁；所述监控模块监测试样的制备、测试过程；
控制区，由主控台和显示器组成，各模块的控制部分集成于主控台，显示器用于实现人机交互。
作为进一步的技术方案，所述的操作台，由载物台和旋转升降平台组成，可用于调整试样方位，实现试样的制备成型和性能测试；所述的载物台设置于旋转升降平台顶部，载物台可在X方向和Y方向移动；且载物台上表面设置有卡槽，用于放置并固定试样底部的载具；载物台上表面刻有标尺，可用于人工操作下精准移动、定位试样。所述的旋转升降平台，与载物台底部相连，由z向电机驱动，可控制载物台的z向平动和绕z轴转动，配合载物台可实现对试样的三维操控；载具，用于搭载试样，并通过载具固定件固定于卡槽内；载具应为载玻片或树脂材料制作，能被真空吸盘吸附固定；载具固定件，为设置于卡槽内的真空吸盘，可吸附、固定载具，提高试样在加工制备和性能测试过程中的稳定性；
作为进一步的技术方案，所述的竖向立柱，支撑于工作室底板，内部呈“T”字型中空，用于拓展连接横向悬臂；且竖向立柱内设置升降机构，同时可实现横向悬臂在z向的自由移动；
作为进一步的技术方案，所述的横向悬臂，底部为“T”字型卡扣，臂身呈“T”字型中空，并嵌入有“T”字型金属滑槽，用于搭载磨光装配件、切割装配件和测试装配件并给电。
作为进一步的技术方案，所述的磨光装配件、切割装配件和测试装配件三种，每种装配件尾部均为“T字型”金属接头，用于嵌入横向悬臂并接电。此外，切割装配件和磨光装配件底部在各自顶面和底面均布置有压力传感器，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；
作为进一步的技术方案，所述的磨光装配件，包括金刚石磨片和驱动电机组成，用于打磨试样厚度。
作为进一步的技术方案，所述的切割装配件，由橡胶切割片和驱动电机组成，用于切割试样尺寸。
作为进一步的技术方案，测试装配件，由纳米压痕设备(带驱动电机、位移传感器、压力传感器)、压杆和金属压头组成，用于测设试样；其中，金属压头采用电磁力加载；金属压头的直径D应大于成型微立方体的边长d，但小于微立方体边长与2倍微立方体间内距L之和，即d＜D＜d+2L，避免测试过程中压头触碰到相邻微立方体试样，同时保证压头能对微立方体试样表面进行均匀加载；上述限定的意义在于为微观条件下水泥石抗压力学性能测试提供一个可行的、高精度加载设备；
作为进一步的技术方案，所述的冷却组件，由金属喷头、冷却液、冷却水泵和冷却水槽组成，试样加工过程中冷却液经由金属喷头从两侧喷出，对切片和磨片进行冷却，避免摩擦热量过高对试样化学成分和物理性质产生影响。此外，冷却水槽储备有冷却液，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；
作为进一步的技术方案，清洗组件，由清洗架、清洗水槽、清洗水泵和红外线干燥灯组成；其中，清洗架位于工作室顶部，由旋转电机和清洗喷头组成，能够实现喷射水流的180°自由转向；清洗水槽位于工作室外侧底部，通过输水管与清洗架相连，并由清洗水泵向清洗架供水；红外线干燥灯位于工作室左侧壁，用于设备清洗后的快速热干，避免零部件锈蚀。此外，清洗水槽储备有清洗液，清洗液与冷却液为同一种液体，便于统一回收利用；
作为进一步的技术方案，还包括过滤组件，由过滤器和过滤槽组成；其中，过滤器由双层金属过滤网和夹在金属网间的活性炭层组成，能够过滤废液中的杂质并吸附废液中可能存在的氯离子和氰离子，避免重复使用冷却液或清洗液时对金属设备造成锈蚀损坏。同时，凹字型过滤网的设置能够增大过滤面积，加快废液处理。废液经过滤器处理后流入下端过滤槽，过滤槽底部为开口设置，过滤后的废液可自动重新进入冷却水槽和清洗水槽，实现循环利用；
作为进一步的技术方案，监控组件，由x，y两个方向上的可变焦放大镜头、镜头调节器和显示器组成，可变焦放大镜头设置于工作室内部的两个垂直侧壁，其z方向上的位置略高于切割片和打磨片，以避免冷却液飞溅至镜头表面。
第二方面，本发明还提供了一种水泥石微观性能测试样品的制备及测试方法，采用所述的一种水泥石微观性能测试样品的制备及测试装置。所述方法包括以下流程：
使用精密切割机将预先浇筑成型的混凝土试件切至1-2mm厚度的薄片试样，并用异丙醇终止水化；
使用紫外线硬化树脂(UV胶)将试样粘贴至玻璃载具表面，并放入载物台上的卡槽中；
调整监控组件中的可变焦放大镜头，使成像中心对准载物台，且图像清晰、稳定，持续监控试样制备、测试流程；
将磨光装配件沿金属滑槽装配入横向悬臂中，并通过调整竖向立柱内的升降机构，使金刚石磨片接触试样表面；
打开冷却液喷头，使其朝向磨片表面喷射冷却液，避免加工过程中产生过高热量；
打开磨光装配件电机，磨片开始转动，并通过旋转升降平台使载物台和试样朝z向移动，开始打磨试样厚度，直至规定厚度(100μm-500μm)。打磨过程中通过压力传感器监测磨片和试样的接触压力，防止压力过大导致试样破裂；
取下磨光装配件，换为切割装配件，并通过升降机构使橡胶切割片接触试样侧表面，且切片下缘高度略低于载具表面以下10-20μm，以保证切割后每个成型的微立方体之间是独立的、无树脂粘连的个体；
打开切割装配件电机，切片开始转动，并通过控制载物台使试样朝x向移动，开始切割试样。切割过程中通过压力传感器监测切片和试样的接触压力，防止压力过大导致试样破裂；直至试样的x向切割全部完成，然后通过旋转升降平台使试样90°转向，再控制载物台移动以继续切割试样原y向，最终形成规定尺寸的多个微立方体；
取下载具，采用环境扫描电子显微镜(ESEM)对试样尺寸进行检查，尺寸误差应在±5μm范围内；检查完成后将载具归位；
取下切割装配件，换为测试装配件，并通过升降机构和载物台使纳米压痕设备的金属压头对准成型的某一微立方体中心并接触其表面；
打开纳米压痕设备电机，使压头按规定的程控匀速向下加载，直至微立方体压碎，记录加载过程中的荷载-位移曲线；
对多个微立方体进行测试，直至达到规定样本数量。
本发明的有益效果如下：
1)本发明提供了一种制备、测试水泥石微观抗压试样的装置，能够获得水泥石基体和界面过渡区的微观力学响应，进一步结合多尺度参数传递方法，可以构建微-细观断裂模拟体系，从而揭示混凝土材料在多尺度下的损伤、破坏行为。
2)本发明通过模块化装配的方法，实现了水泥石微观试样的制备和测试一体化，改善了现有技术中没有专门制备、测试水泥石微观抗压试样装置的不足。模块化的装配方法，使水泥石试样的制备过程简化、难度降低，而载具的设置，提高了试样在加工过程中的稳定性，结合监控组件的使用可进一步提高加工、测试精度。
3)本发明提供的装置设计周到，布局合理，能够短时、高质量地制备不同尺寸及形状的水泥石微观抗压试样，可满足基于统计学的大样本数据库要求。
4)本发明通过冷却组件、清洗组件和过滤组件的设置，在试样的制备过程中，可对橡胶切割片和金刚石磨片进行喷液冷却；在测试完成后，可对工作室内部进行清洗、热干，防止零部件锈蚀；进一步地还实现了冷却液和清洗液的回收利用，更加经济环保。
5)本发明通过水泥石微观抗压试样制备方法及测试方法的给出，降低了样品的制备难度，同时提高了样品的测试效率。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为装置概貌示意图
图2为工作室示意图；
图3为载物台示意图；
图4为装配件示意图；
图5为横向悬梁示意图；
图6为试样示意图；
图7为清洗架和红外线干燥灯示意图；
图8为清洗架示意图；
图9为红外线干燥灯示意图；
图10为工作室下方水槽设计示意图；
图11为过滤器设计示意图；
图12、图13为典型的微立方体试样ESEM成像图；
图14为典型的微立方体试样压缩荷载-位移曲线；
图中：1工作室，2显示器，3主控台；
1-1切割装配件，1-2磨光装配件，1-3载物台，1-4金属喷头、1-5旋转升降平台、1-6竖向立柱、1-7出水口、1-8横向悬臂、1-9测试装配件、1-10可变焦放大镜头，1-11红外干燥灯，1-12清洗架，1-13过滤器；
1-1-1橡胶切割片，1-1-2金属接头，1-1-3压力传感器，1-1-4安装梁；
1-2-1金属接头，1-2-2压力传感器，1-2-3金刚石磨片，1-2-4安装梁；
1-3-1标尺，1-3-2试样、1-3-3载具，1-3-4第一平台，1-3-5齿轮槽，1-3-6齿轮，1-3-7第二平台，1-3-8第三平台；
1-4-1冷却水槽，1-4-2冷却水泵；
1-9-1金属接头，1-9-2纳米压痕设备，1-9-3压杆，1-9-4金属压头，1-9-5安装梁；
1-11-1灯罩，1-11-2发热管；
1-12-1旋转电机，1-12-2清洗喷头，1-12-3清洗架，1-12-4清洗水槽，1-12-5清洗水泵。
1-13-1活性炭，1-13-2金属过滤网。
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。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种水泥石微观抗压强度与弹性模量的测试装置与方法。
本实施例如图1-图11所示，本发明提供了一种水泥石微观性能测试样品的制备及测试装置，包括工作室1、显示器2和主控台3；
工作室1，用于搭载各模块，包括操作台、机械组件、冷却组件、清洗组件、过滤组件和监控组件共6部分。工作室1的底板设有多个并排出水口，且出水口位于底板的最低点，用于汇集、排出试样加工过程中的废液。工作室1前板为透明可开/关箱门，当箱门处于打开状态时，触发保护装置，任何禁止运行机械组件工作；主控台3，各模块通过相应的控制器集成于主控台，且主控台设置有显示器2，显示器2用于实现人机交互。
上述的操作台，由载物台1-3和旋转升降平台1-5组成，可用于调整试样方位，实现试样的制备成型和性能测试；载物台1-3，设置于旋转升降平台1-5顶部，具有x向和y向移动功能(分别由x向和y向电机驱动)。
载物台1-3的具体结构参见图3，包括第一平台1-3-4，第一平台1-3-4上设有齿轮槽，该平面设定的齿轮槽方向为X方向，齿轮槽1-3-5与齿轮1-3-6啮合，齿轮1-3-6同时与第二平台1-3-7底部的轮槽啮合；在第二平台1-3-7上表面设有齿轮槽，该平面设定的齿轮槽方向为Y方向,该齿轮槽也与齿轮啮合，即该齿轮同时与第三平台1-3-8底部的齿轮槽配合，在第三平台1-3-8的表面设有卡槽，该卡槽用于放置并固定试样底部的载具1-3-3；此外，第三平台1-3-8上表面刻有标尺1-3-1，可用于人工操作下精准移动、定位试样。载物台通过齿轮和齿轮槽实现试样的x、y向平动，且齿轮每走过齿轮槽上的一个啮合齿，试样相应的位移为1-5μm，方便对试样位置进行调整，同时减小操作误差；
旋转升降平台1-5，与载物台1-3底部相连，由z向电机驱动，可控制载物台1-3的z向平动和绕z轴转动，配合载物台1-3可实现对试样的三维操控；
载具1-3-3，用于搭载试样1-3-2，并通过载具1-3-3固定件固定于卡槽内；载具1-3-3应为载玻片或树脂材料制作，能被真空吸盘吸附固定。进一步的，载具固定件(此部件在附图中未给出)，为设置于卡槽内的真空吸盘，可吸附、固定载具，提高试样在加工制备和性能测试过程中的稳定性，其中载具1-3-3上排列有若干加工成型的微立方体试样1-3-2。
如图2、图4所示，机械组件，由竖向立柱1-6、横向悬臂1-8和机械装配件组成，可实现对试样的灵活加工、测试流程；
竖向立柱1-6，支撑于工作室底板，内部呈“T”字型中空，用于拓展连接横向悬臂。且竖向立柱1-6内设置升降机构，同时可实现横向悬臂在z向的自由移动。
如图5所示，横向悬臂1-8，包括一个本体1-8-1，本体1-8-1的底部为“T”字型卡扣，臂身呈“T”字型中空，并嵌入有“T”字型金属滑槽1-8-2，用于搭载机械装配件并给电。
如图4所示，机械装配件，分为磨光装配件1-2、切割装配件1-1和测试装配件1-9三种，每种装配件尾部均为“T字型”金属接头，用于嵌入横向悬臂并接电。此外，切割装配件和磨光装配件底部在各自顶面和底面均布置有压力传感器，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。下面结合附图对其中的每个结构进行详细说明：
其中，磨光装配件1-2，包括金刚石磨片1-2-3、金属接头1-2-1、压力传感器1-2-2、安装梁1-2-4；安装梁1-2-4的一端设置有“T字型”金属接头1-2-1，用于嵌入横向悬臂并接电；安装梁1-2-4的另外一端底部设有驱动电机，驱动电机驱动金刚石磨片1-2-3旋转；安装梁1-2-4顶部及底部安装压力传感器；金刚石磨片1-2-3用于打磨试样厚度；其中金刚石磨片1-2-3的磨粒粒度应为30μm-125μm；打磨时的接触压力不应大于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)；上述要求的目的是保证在对水泥石内部无损的情况下，使打磨面平整、光滑。
切割装配件1-1，包括橡胶切割片1-1-1、金属接头1-1-2、压力传感器1-1-3、安装梁1-1-4；安装梁1-1-4的一端设置有“T字型”金属接头1-1-2，用于嵌入横向悬臂并接电；安装梁1-1-4中间部分设有一个空心槽，在该空心槽内安装有橡胶切割片1-1-1和一个驱动电机，用于切割试样尺寸；安装梁1-1-4顶部及底部安装压力传感器1-1-3；其中，橡胶切割片1-1-1的直径为3-5cm，厚度为260μm，且与常见的金属切割片相比，橡胶切割片1-1-1的弹性模量较小，能更匹配水泥基材料的弹性模量，避免弹性模量差异过大导致切割过程中水泥石崩碎；切割过程中，橡胶切割片1-1-1的转速应为3500-5000rpm，x、y向切割速度应为1-5μm/s，z向切割深度应达载具表面以下10-20μm。上述要求的目的是，转速太低时，无法保证切割面的平整、光滑；切割速度过快时，水泥石和切割片的接触压力过大，容易使试样崩碎、切割刀片受损；切割深度不够时，无法保证切割后每个成型的微立方体之间是独立的、无树脂粘连的个体。
测试装配件1-9，包括金属接头1-9-1、纳米压痕设备1-9-2、安装梁1-9-5；安装梁1-9-5的一端设有金属压头1-9-1，安装梁1-9-5上设有一个纳米压痕设备1-9-2；纳米压痕设备1-9-2(带驱动电机、位移传感器、压力传感器)、压杆1-9-3和金属压头1-9-4，组成，用于测设试样；其中，金属压头1-9-4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；金属压头的直径D应大于成型微立方体的边长d，但小于微立方体边长与2倍微立方体间内距L之和，即d＜D＜d+2L，避免测试过程中压头触碰到相邻微立方体试样，同时保证压头能对微立方体试样表面进行均匀加载；上述限定的意义在于为微观条件下水泥石抗压力学性能测试提供一个可行的、高精度加载设备。
冷却组件，由金属喷头1-4、冷却液、冷却水泵1-4-2和冷却水槽1-4-1组成，试样加工过程中冷却液经由金属喷头1-4从两侧喷出，对切片和磨片进行冷却，避免摩擦热量过高对试样化学成分和物理性质产生影响。此外，冷却水槽储备有冷却液，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。
清洗组件，由清洗架1-12-3、清洗喷头1-12-2、清洗水槽1-12-4、清洗水泵1-12-5、旋转电机1-12-1和红外线干燥灯1-11组成；其中，清洗架1-12-3位于工作室顶部，由旋转电机和清洗喷头组成，能够实现喷射水流的180°自由转向；清洗水槽1-12-4位于工作室外侧底部，通过输水管与清洗架相连，并由清洗水泵1-12-5向清洗架供水；红外线干燥灯1-11位于工作室左侧壁，用于设备清洗后的快速热干，避免零部件锈蚀。此外，清洗水槽储备有清洗液，清洗液与冷却液为同一种液体，便于统一回收利用。红外线干燥灯1-11包括灯罩1-11-1和发热管1-11-2。
过滤组件1-13，由过滤器和过滤槽组成；其中，过滤器由双层金属过滤网1-13-2和夹在金属网间的活性炭层1-13-1组成，能够过滤废液中的杂质并吸附废液中可能存在的氯离子和氰离子，避免重复使用冷却液或清洗液时对金属设备造成锈蚀损坏。同时，凹字型过滤网的设置能够增大过滤面积，加快废液处理。废液经过滤器处理后流入下端过滤槽，过滤槽底部为开口设置，过滤后的废液可自动重新进入冷却水槽和清洗水槽，实现循环利用；
监控组件，由x，y两个方向上的可变焦放大镜头、镜头调节器和显示器组成，可变焦放大镜头设置于工作室内部的两个垂直侧壁，其z方向上的位置略高于切割片和打磨片，以避免冷却液飞溅至镜头表面。单个可变焦放大镜头具有50-100倍可调放大倍数，能够对载物台进行清晰的观察与成像，并将图像通过数据线路实时传输至主控台上的显示器。镜头调节器可用于对变焦镜头的调焦、放大、旋转，以保证镜头成像清晰，实现对试样制备、测试过程中的实时监控。
下面结合具体实施方法进行说明；
参考国标《普通混凝土力学试验方法标准》(GB 50081-2002)，浇筑混凝土试块，置于温度20±5℃、相对湿度≥95％中的标准环境箱中进行养护，直至规定龄期；
本实施例中养护龄期28d。
(1)待试件养护至规定龄期后，采用精密切割机将混凝土试块切割成厚度为2mm的薄片试样，并使用异丙醇终止水化。
(2)采用紫外线硬化树脂(UV胶)将薄片试样粘贴至玻璃载具表面。
(3)打开工作室，将试样连同载具放置入载物台卡槽内，并按压载具，使卡槽内的真空吸盘稳定吸附载具。
(4)将磨光装配件沿横向悬臂内的“T”字型金属滑槽插入，并通过竖向立柱内的升降机构调整磨片接触试样上表面；本实施例中采用了30μm磨料粒度的金刚石磨片。
(5)关闭工作室，打开监控组件，通过镜头调节器将可变焦放大镜头的成像中心对准载物台，随后调节焦距，使图像在主控台上的显示器清晰可见、输出稳定。
(6)打开冷却组件中的冷却水泵，使金属喷头对准磨片表面，持续、稳定的对磨片进行喷液冷却。
(7)打开磨光装配件中的电机，使磨片高速转动，控制旋转升降平台使试样朝z向移动，开始打磨试样厚度，直至100μm。打磨过程中通过压力传感器监控磨片和试样的接触压力。
(8)关闭冷却水泵，停止并取下磨光装配件，换为切割装配件，并通过升降机构调整橡胶切割片的位置，使切片前缘位置接触试样的侧表面，且底缘高度略低于载具表面10μm，保证成型后的每个微立方体试样都是独立的、无树脂粘连的个体；
本实施例中采用了直径为5cm，厚度为260μm的橡胶切割片。
(9)借助监控组件以及载物台上的标尺，通过载物台调整试样的x，y向位置，使试样需要切割的点位对准切片。
(10)打开冷却水泵，使金属喷头对准切片表面，持续喷液冷却。
(11)打开切割装配件中的电机，使切片高速转动，并控制载物台使试样在x向移动，完成试样y边上的第一次切割。
(12)重复步骤(10)-(12)，对试样进行多次切割，控制每两条切线的间距为260+100＝360μm，直至完成试样y边上的多次切割要求。
(13)关闭冷却水泵，停止切片运转，并控制旋转升降平台使载物台进行90°转向，重复步骤(10)-(13)，完成试样在x边上的多次切割要求，制备出多个体积为100μm x 100μmx 100μm的立方体试样。
(14)关闭冷却水泵和切割装配件电机，取下成型后的试样并采用环境扫描电子显微镜(ESEM)对试样进行尺寸检查，如图12和13所示，尺寸误差应在±5μm以内；本实施例中，每个微立方体的单边尺寸为100±3μm。
(15)取下切割装配件，换为测试装配件，通过升降机构调整纳米压痕设备的底部金属压头对准试样上方；本实施例中压头直径为330μm，微立方体试样间内距为260μm。
(16)打开测试装配件中的驱动电机，使金属压头按0.01μm/s的速率向下加载试样，并通过位移传感器和压力传感器记录加载过程中的荷载-位移曲线图，直至试样失效。
(17)重复步骤(16)和(17)，完成对多个微立方体试样的测试，一种典型的荷载-位移曲线如图14所示。则单个水泥石微立方体试样的抗压强度fc及弹性模量Ec可表示为：
其中，fc为微立方体抗压强度，PC为荷载-位移曲线上的临界荷载，d为微立方体边长，hm为微立方体与紫外线硬化树脂的总厚度，hc为微立方体厚度，hAL为紫外线硬化树脂层厚度，Em为微立方体与紫外线硬化树脂层的整体弹性模量，EC为微立方体弹性模量，EAL为紫外线树脂层弹性模量。
(18)取下测试装配件和装有试样的载具，测试结束。
(19)打开清洗组件中的清洗水泵，使清洗液通过清洗架喷出，并调整水流喷射角度，对工作室内部进行全面冲刷清洗，冲洗时间3-5min。
(20)通过监控组件查看工作室内各区域是否冲洗干净，若有残留脏污，可继续清洗。
(21)关闭清洗水泵，打开红外线干燥灯，对工作室内部进行热干，避免清洗液残留于部件表面。
(22)关闭红外线干燥灯，清洗后的废液经过滤后可自动补充至冷却水槽和清洗水槽中。
(23)关闭所有组件，断开装置电源。
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)
1.一种水泥石微观抗压强度与弹性模量的测试装置，其特征在于，包括：
工作室，用于搭载各模块，包括操作台、机械组件和监控组件；所述的操作台，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；所述的机械组件设置在工作台一侧，由竖向立柱、横向悬臂、磨光装配件、切割装配件和测试装配件组成，横向悬臂安装在竖向立柱的顶部，横向悬臂上安装磨光装配件、切割装配件和测试装配件；所述监控组件监测试样的制备、测试过程；
所述的切割装配件，由橡胶切割片和驱动电机组成，用于切割试样尺寸，所述橡胶切割片的转速应为3500-5000rpm，x、y向切割速度为1-5μm/s，z向切割深度应达载具表面以下10-20μm；
所述的磨光装配件，包括金刚石磨片和驱动电机组成，用于打磨试样厚度，打磨时的接触压力不应大于k×f cd ×d 1 ×d 2 ×10 -6 N，其中k为压力系数，取值范围0.2-0.4，f cd 为预估水泥石的抗压强度，d 1 、d 2 为矩形试样的两垂直边长；
所述的操作台，由载物台和旋转升降平台组成，所述载物台包括第一平台、第二平台以及第三平台，第一平台上表面设有齿轮槽，所述第一平台上表面的齿轮槽与齿轮啮合，所述第一平台上表面的齿轮与第二平台底部的齿轮槽啮合，所述第二平台上表面设有齿轮槽，所述第二平台上表面的齿轮槽与齿轮啮合，所述第二平台上表面的齿轮与第三平台底部的齿轮槽啮合，所述载物台通过齿轮和齿轮槽实现试样的x、y向平动，所述齿轮每走过齿轮槽上的一个啮合齿，试样相应的位移为1-5μm；
控制区，由主控台和显示器组成，操作台、机械组件和监控组件的控制部分集成于主控台，显示器用于实现人机交互。
2.如权利要求1所述的水泥石微观抗压强度与弹性模量的测试装置，其特征在于，所述的载物台设置于旋转升降平台顶部，载物台可在X方向和Y方向移动；且载物台上表面设置有卡槽和标尺；所述的旋转升降平台，与载物台底部相连，由z向电机驱动，可控制载物台的z向平动和绕z轴转动，配合载物台可实现对试样的三维操控。
3.如权利要求1所述的水泥石微观抗压强度与弹性模量的测试装置，其特征在于，所述的竖向立柱，支撑于工作室底板，内部呈“T”字型中空，用于拓展连接横向悬臂；且竖向立柱内设置升降机构，同时可实现横向悬臂在z向的自由移动。
4.如权利要求1所述的水泥石微观抗压强度与弹性模量的测试装置，其特征在于，所述的横向悬臂，底部为“T”字型卡扣，臂身呈“T”字型中空，并嵌入有“T”字型金属滑槽，用于搭载磨光装配件、切割装配件和测试装配件并给电。
5.如权利要求1所述的水泥石微观抗压强度与弹性模量的测试装置，其特征在于，所述的磨光装配件、切割装配件和测试装配件的尾部均为“T字型”金属接头，用于嵌入横向悬臂并接电；切割装配件和磨光装配件底部在各自顶面和底面均布置有压力传感器。
6.如权利要求1所述的水泥石微观抗压强度与弹性模量的测试装置，其特征在于，所述测试装配件，由纳米压痕设备、压杆和金属压头组成，用于测设试样；其中，金属压头采用电磁力加载；金属压头的直径D应大于成型微立方体的边长d，但小于微立方体边长与2倍微立方体间内距L之和，即d＜D＜d+2L。
7.如权利要求1所述的水泥石微观抗压强度与弹性模量的测试装置，其特征在于，还包括冷却组件，对切片和磨片进行冷却。
8.如权利要求1所述的水泥石微观抗压强度与弹性模量的测试装置，其特征在于，还包括清洗组件，由清洗架、清洗水槽、清洗水泵和红外线干燥灯组成；其中，清洗架位于工作室顶部，由旋转电机和清洗喷头组成，能够实现喷射水流的180°自由转向；清洗水槽位于工作室外侧底部，通过输水管与清洗架相连，并由清洗水泵向清洗架供水；红外线干燥灯位于工作室的侧壁。
9.如权利要求1所述的水泥石微观抗压强度与弹性模量的测试装置，其特征在于，还包括过滤组件，由过滤器和过滤槽组成；其中，过滤器由双层金属凹字型过滤网和夹在金属网间的活性炭层组成，能够过滤废液中的杂质并吸附废液中可能存在的氯离子和氰离子；过滤器底部为过滤槽，过滤槽底部与冷却水槽和清洗水槽连通。
10.利用权利要求1-9任一所述的水泥石微观抗压强度与弹性模量的测试装置的使用方法，其特征在于，如下：
使用精密切割机将预先浇筑成型的混凝土试件切至1-2mm厚度的薄片试
样，并用异丙醇终止水化；
使用紫外线硬化树脂将试样粘贴至玻璃载具表面，并放入载物台上的卡槽中；
调整监控组件中的可变焦放大镜头，使成像中心对准载物台，且图像清晰、
稳定，持续监控试样制备、测试流程；
将磨光装配件沿金属滑槽装配入横向悬臂中，并通过调整竖向立柱内的升
降机构，使金刚石磨片接触试样表面；
打开冷却组件，使其朝向磨片表面喷射冷却液；
打开磨光装配件电机，磨片开始转动，并通过旋转升降平台使载物台和试
样朝z向移动，开始打磨试样厚度，直至规定厚度；打磨过程中通过压力传感器监测磨片和试样的接触压力；
取下磨光装配件，换为切割装配件，并通过升降机构使橡胶切割片接触试
样侧表面，且切片下缘高度略低于载具表面；
打开切割装配件电机，切片开始转动，并通过控制载物台使试样朝x向移
动，开始切割试样；切割过程中通过压力传感器监测切片和试样的接触压力，防止压力过大导致试样破裂；
直至试样的x向切割全部完成，然后通过旋转升降平台使试样90°转向，再控制载物台移动以继续切割试样原y向，最终形成规定尺寸的多个微立方体；
取下载具，采用环境扫描电子显微镜对试样尺寸进行检查，尺寸误差应在设定范围内；检查完成后将载具归位；
取下切割装配件，换为测试装配件，并通过升降机构和载物台使纳米压痕设备的金属压头对准成型的某一微立方体中心并接触其表面；
打开纳米压痕设备电机，使压头按规定的程控匀速向下加载，直至微立方体压碎，记录加载过程中的荷载-位移曲线；
对多个微立方体进行测试，直至达到规定样本数量。
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