CN112964580A - 一种混凝土抗拉冲击性能试验装置及其冲击试验方法 - Google Patents

一种混凝土抗拉冲击性能试验装置及其冲击试验方法 Download PDF

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Abstract

一种混凝土抗拉冲击性能试验装置及其冲击试验方法。目前在混凝土的冲击测试试验过程中，无法直接表征混凝土的抗拉冲击性能，获取手段均为间接手段，导致试验结果准确性还需验证。本发明包括底座、支撑框、冲击框、上夹具和下夹具，底座水平设置，支撑框设置在底座上，支撑框包括上板和若干个立柱，若干个立柱竖直并列设置在底座上，上板水平设置在若干个立柱上，上夹具的上端固定连接在上板的底面上，冲击框穿设在上板上，冲击框的底部设置有下夹具，下夹具在冲击框的带动下沿上板的厚度方向作出往复升降运动，上夹具和下夹具之间可拆卸连接有试件。

Description

一种混凝土抗拉冲击性能试验装置及其冲击试验方法
技术领域
本发明涉及一种混凝土抗拉冲击性能试验装置及其冲击试验方法，属土木工程技术领域。
背景技术
混凝土是土木工程领域中应用最为广泛的建筑材料之一，在使用期内，除了承受静态荷载外，还不可避免的遭受冲击作用，如车辆对道路设施的碰撞等。作为一种率敏感材料，在冲击作用下，混凝土的特性会发生很大的改变。目前对混凝土抗拉冲击性能的测试主要是通过巴西圆盘和层裂试验来间接地进行，无法直接地表征混凝土的抗拉冲击性能。总之，在混凝土的冲击测试试验过程中，获取手段均为间接手段，无法直接表征混凝土的抗拉冲击性能，导致试验结果准确性还需验证，急需准确可靠混凝土的抗拉冲击性能的试验装置和试验方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种混凝土抗拉冲击性能试验装置，以解决目前在混凝土的冲击测试试验过程中，获取手段均为间接手段，无法直接表征混凝土的抗拉冲击性能，导致试验结果准确性还需验证的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种混凝土抗拉冲击性能试验装置，包括底座、支撑框、冲击框、上夹具和下夹具，所述底座水平设置，所述支撑框设置在底座上，支撑框包括上板和若干个立柱，所述若干个立柱竖直并列设置在底座上，上板水平设置在若干个立柱上，上夹具的上端固定连接在上板的底面上，冲击框穿设在上板上，冲击框的底部设置有下夹具，下夹具在冲击框的带动下沿上板的厚度方向作出往复升降运动，上夹具和下夹具之间可拆卸连接有试件。
作为优选方案：冲击框包括顶板、施力块和两根导向杆，所述顶板水平在上板的上方，顶板的上端面设置有施力块，施力块的上端面加工有凹槽，上板沿其厚度方向并列加工有两个内孔，每个内孔内穿设有一个导向杆，导向杆的外壁与内孔的孔内壁滑动配合，每个导向杆的上端与顶板的下端面固定连接，两个导向杆的下端之间设置有下夹具。
作为优选方案：底座设置在总座体上，所述总座体上还配合设置有支撑总成，支撑总成包括支撑杆和下横板，支撑杆竖直设置在底座上，支撑杆的下端与底座的固定连接，支撑杆的上端水平设置有下横板，下横板沿支撑杆的长度方向往复滑动，下横板沿其厚度方向加工有通孔，下横板的下端面上设置有释放筒，释放筒与通孔相连通，释放筒内设置有落锤，落锤与释放筒的内壁磁性连接，落锤的底部设置有冲击力传感器，落锤与凹槽相配合设置。
作为优选方案：冲击框配合设置有配重组件，所述配重组件包括两个配重单体，两个配重单体并列设置在冲击框的两侧，每个配重单体与导向杆一一对应设置，每个配重单体包括滑轮、连接绳和配重锤，所述滑轮设置在顶板内，连接绳的一端与对应的导向杆相连接，连接绳的另一端绕过滑轮后与配重锤相连接。
作为优选方案：下夹具为倒置T形块，下夹具的竖直端朝向上夹具设置，下夹具的竖直端上加工有配合试件的下夹持豁口。
作为优选方案：上夹具为矩形块体，上夹具的上端与上板的底面固定连接，上夹具的下端加工有上夹持豁口，上夹持豁口的形状与下夹持豁口的形状相同，上夹持豁口与下夹持豁口相对设置。
作为优选方案：试件的中部贴有应变系统，应变系统包括两个应变片，两个应变片分别设置在试件的前侧面和后侧面上。
利用具体实施方式八所述的一种混凝土抗拉冲击性能试验装置实现的冲击试验方法，所述冲击试验方法包括以下内容：
总冲击能的计算：首先对落锤及冲击力传感器进行对中操作，确保落锤及冲击力传感器在下落撞击在冲击框的几何中心处，试验前应进行预实验，确定落锤及冲击力传感器的冲击高度h，根据落锤的质量M锤，根据公式一求得总冲击能，公式一为：
W冲击＝M锤gh；
上式中g为当地的重力加速度，单位为m/s2；
冲击力时程曲线的确定：将制作完毕的试件进行称重，根据试件的质量，根据公式二计算得出所需的配重质量，公式二为：
2M配重＝M冲击框+M下夹具+M试件；
确定出所需的配重质量后，将试件放置于上夹具和下夹具之间进行冲击，随着落锤及冲击力传感器的下落，落锤碰撞到冲击框时，通过冲击力传感器获取的冲击力数据计算得到冲击力时程曲线；
应力-应变曲线的确定：冲击框带动下夹具及试件同步向下移动，配合处于静止状态的上夹具，使得试件处于受拉状态，此时试件中部的受拉区域产生了均匀的拉应力，同时由于两个配重锤的质量与冲击框、下夹具及试件的质量之和相同，因此，两个配重锤的重力势能与冲击框、下夹具及试件的重力势能抵消，冲击力完全作用于试件上，即试件所受到的冲击拉力即为冲击力传感器测得的冲击力，根据试件的横截面S截面，计算得到的冲击力F冲击，即可根据公式三求出试件在冲击过程中产生的拉应力σu，公式三为：
σu＝F冲击/S截面；
由于试件的中部贴有应变系统，冲击框、上夹具和下夹具相互配合实现的冲击过程中，试件与应变系统同步发生变形，应变系统通过与其连接的动态应变采集箱即可采集到冲击产生的应变εu，通过应变εu以及拉应力σu建立以应变εu为横坐标、拉应力σu为纵坐标的坐标系，最终得到最终的应力-应变曲线。
作为优选方案：通过应变系统的两个应变片分别获取试件前侧面和后侧面的应变量，两个应变量的平均值即为应变εu的最终确定值，即εu＝(εu前+εu后)/2。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
一、本发明针对现有混凝土直接拉伸冲击试验装置的匮乏，通过底座、支撑框、冲击框、上夹具和下夹具之间相互配合使试件直接受冲击框的冲击力，冲击力通过下夹具与处于静态的上夹具对试件直接拉伸，产生拉应力，从而实现直接对试件进行拉伸冲击，获取的拉伸冲击数据更加准确可靠，无需验证。填补了混凝土直接拉伸冲击试验装置的空白。
二、本发明中的配重组件能够实现对试件下部的配重效果，增强其稳定性，使得试件在自由状态下不会受到重力作用。
三、本发明的结构紧凑合理，整体体积较小，方便搬运与测量。本发明不仅能够准确地测量混凝土材料在中、高速应变率作用下的力学性能，还能分析动态拉伸应力作用下材料的破坏损伤特征。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图；
图2为底座、支撑框、冲击框、上夹具、下夹具和支撑总成之间连接关系的立体结构示意图；
图3是本发明的第一主视结构示意图；
图4是本发明的第二主视结构示意图；
图5是本发明的侧视结构示意图；
图6是试件的主视结构示意图；
图7是试件的侧视结构示意图；
图8为通过落锤处的冲击力传感器可测量得到相应的冲击力时程曲线示意图；
图9为试件6在冲击作用下的动态拉伸应力-应变曲线示意图；
图10为应变率时程曲线示意图。
图中，1-底座；2-支撑框；2-1-上板；2-2-立柱；3-冲击框；3-1-顶板；3-2-施力块；3-3-导向杆；4-上夹具；5-下夹具；6-试件；6-1-中杆；6-2-端头；7-配重组件；7-1-滑轮；7-2-连接绳；7-3-配重锤；8-下夹持豁口；9-连接钩；10-上夹持豁口；11-内孔；12-落锤；13-冲击力传感器；14-应变片；15-1-支撑杆；15-2-下横板；15-3-上横板；16-释放筒；18-凹槽；20-总座体；21-连接杆；22-阻尼套；23-下防护罩；24-上防护罩。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10说明本实施方式，本实施方式包括底座1、支撑框2、冲击框3、上夹具4和下夹具5，所述底座1水平设置，所述支撑框2设置在底座1上，支撑框2包括上板2-1和若干个立柱2-2，所述若干个立柱2-2竖直并列设置在底座1上，上板2-1水平设置在若干个立柱2-2上，上夹具4的上端固定连接在上板2-1的底面上，冲击框3穿设在上板2-1上，冲击框3的底部设置有下夹具5，下夹具5在冲击框3的带动下沿上板2-1的厚度方向作出往复升降运动，上夹具4和下夹具5之间可拆卸连接有试件6。
本实施方式中试件6为骨棒状混凝土试件，即试件6包括中杆6-1和两个端头6-2，中杆6-1的两端分别设置有一个端头6-2，中杆6-1的宽度小于端头6-2的最大外径长。
本实施方式中冲击框3的顶部与落锤试验机相连接，落锤试验机作为动力端，用于为本发明的拉伸冲击过程提供动力。
本发明与落锤试验机落锤处的冲击力传感器相配合，能够实时测量得到相应的冲击力。
本实施方式中底座1为板体。
本发明的工作原理：
将试件6放置于上夹具4和下夹具5之间，落锤试验机配合冲击框3进行试验，启动落锤试验机，落锤试验机带动冲击框3向下冲击，冲击框3下落带动下夹具5向下移动，下夹具5下落配合处于静态的上夹具4使试件6处于拉伸冲击状态，从而起到对试件6产生直接拉伸冲击的作用。
具体实施方式二：本实施方式为具体实施方式一的进一步限定，冲击框3包括顶板3-1、施力块3-2和两根导向杆3-3，所述顶板3-1水平在上板2-1的上方，顶板3-1的上端面设置有施力块3-2，上板2-1沿其厚度方向并列加工有两个内孔11，每个内孔11内穿设有一个导向杆3-3，导向杆3-3的外壁与内孔11的孔内壁滑动配合，每个导向杆3-3的上端与顶板3-1的下端面固定连接，两个导向杆3-3的下端之间设置有下夹具5。
本实施方式中导向杆3-3与内孔11滑动配合，起到导向和规范试件6的受冲击下落轨迹的作用。
本实施方式中顶板3-1的厚度小于上板2-1的厚度。
进一步的，顶板3-1与上板2-1的厚度之比为1:4。
具体实施方式三：本实施方式为具体实施方式一或二的进一步限定，底座1设置在总座体20上，所述总座体20上还配合设置有支撑总成，支撑总成包括支撑杆15-1和下横板15-2，支撑杆15-1竖直设置在底座1上，支撑杆15-1的下端与底座1的固定连接，支撑杆15-1的上端水平设置有下横板15-2，下横板15-2沿支撑杆15-1的长度方向往复滑动，下横板15-2沿其厚度方向加工有通孔，下横板15-2的下端面上设置有释放筒16，释放筒16与通孔相连通，释放筒16内设置有落锤12，落锤12与释放筒16的内壁磁性连接，落锤12的底部设置有冲击力传感器13，落锤12与凹槽18相配合设置。
本实施方式中落锤12的形状与凹槽18的形状相配合，凹槽18的优选形状为半球形。
本实施方式中释放筒16配合设置有多个不同质量的落锤12。
进一步的，下横板15-2沿支撑杆15-1的长度方向往复移动，从而实现其带动释放筒16作出沿支撑杆15-1长度方向的上、下移动动作，以满足不同冲击能下的各种工况下的不同释放高度的试验要求。
本实施方式中释放筒16内设置有落锤12，二者电磁连接，通过通断电实现落锤12的释放动作。
本实施方式中冲击力传感器13为现有传感器，其配合连接有数显仪，用于显示碰撞时所产生的冲击力值。
本实施方式中支撑杆15-1上还设置有上横板15-3，上横板15-3设置在下横板15-2的上方，上横板15-3和下横板15-2之间从上至下依次水平设置，限位板15-3沿其厚度方向穿设有连接杆21，连接杆21的上端与动力端相连接，连接杆21的下端与落锤12的顶部相连接。
进一步的，上横板15-3的一端固定安装在支撑杆15-1上，下横板15-2的端部套装在支撑杆15-1上，支撑杆15-1上套装有与下横板15-2相配合的阻尼套22，下横板15-2通过阻尼套22与支撑杆15-1相连接，从而能够确保下横板15-2停留在支撑杆15-1上的任一位置处。
进一步的，上板2-1和底座1之间设置有两个下防护罩23，两个下防护罩23竖直并列设置，二者均为透明材质制成的罩体。下防护罩23的横向截面形状为匚字形。
进一步的，冲击框3配合设置有上防护罩24，上防护罩24为矩形框体，上防护罩24设置在上板2-1的顶面上。
进一步的，上防护罩24为透明材料制成的罩体，便于实时观察撞击过程。
具体实施方式四：本实施方式为具体实施方式一、二或三的进一步限定，冲击框3配合设置有配重组件7，所述配重组件7包括两个配重单体，两个配重单体并列设置在冲击框3的两侧，每个配重单体与导向杆3-3一一对应设置，每个配重单体包括滑轮7-1、连接绳7-2和配重锤7-3，所述滑轮7-1设置在顶板3-1内，连接绳7-2的一端与对应的导向杆3-3相连接，连接绳7-2的另一端绕过滑轮7-1后与配重锤7-3可拆卸连接。
本实施方式中的配重组件7中通过滑轮7-1、连接绳7-2和配重锤7-3相互配合使试件6的下部能够具有满足试验要求的平稳性，使得试件6在自由状态下不会受到额外的重力作用。
本实施方式的配重锤7-3与连接绳7-2之间可拆卸连接，起到更换不同重量的配重锤7-3的作用。
具体实施方式五：本实施方式为具体实施方式一、二、三或四的进一步限定，下夹具5为倒置T形块，下夹具5的竖直端朝向上夹具4设置，下夹具5的竖直端上加工有配合试件6的下夹持豁口8。
具体实施方式六：本实施方式为具体实施方式一、二、三或四的进一步限定，下夹具5的两个水平端的顶面上分别设置有多个连接钩9，多个连接钩9沿下夹具5的水平端长度方向设置，多个连接钩9与其上方的连接绳7-2可拆卸连接。
本发明配合设置有不等质量的配重块和不等质量的砝码以适应不同质量的试件。
本实施方式中两个配重锤7-3质量之和等于冲击框3、下夹具5以及试件6的质量之和，即2M配重＝M冲击框+M下夹具+M试件，使得试件6在静置状态下保持自由状态，不受重力作用的影响。在冲击过程中，试件6仅受到冲击力的作用，更利于试验分析。预先对试件6进行称重，然后选择合适的配重锤7-3进行配重。若没有配重锤7-3可以恰好满足上述公式，则可选择在配重上增加小质量的砝码来达到平衡的目的。
具体实施方式七：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五或六的进一步限定，上夹具4为矩形块体，上夹具4的上端与上板2-1的底面固定连接，上夹具4的下端加工有上夹持豁口10，上夹持豁口10的形状与下夹持豁口8的形状相同，上夹持豁口10与下夹持豁口8相对设置。
本实施方式中上夹持豁口10与下夹持豁口8均为夹持口，用于与试件6可拆卸连接，试件6的两个端头6-2分别与上夹持豁口10与下夹持豁口8相卡接，两个端头6-2的形状分别与上夹持豁口10与下夹持豁口8的形状相配合设置。
具体实施方式八：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五、六或七的进一步限定，试件6的中部贴有应变系统，应变系统包括两个应变片14，两个应变片14分别设置在试件6的前侧面和后侧面上。
具体实施方式九：结合图1至图10说明本实施方式，所述冲击试验方法包括以下内容：
总冲击能的计算：首先对落锤12及冲击力传感器13进行对中操作，确保落锤12及冲击力传感器13在下落撞击在冲击框3的几何中心处，试验前应进行预实验，确定落锤12及冲击力传感器13的冲击高度h，根据落锤12的质量M锤，根据公式一求得总冲击能，公式一为：
W冲击＝M锤gh；
上式中g为当地的重力加速度，单位为m/s2；
冲击力时程曲线的确定：将制作完毕的试件6进行称重，根据试件6的质量，根据公式二计算得出所需的配重质量，公式二为：
2M配重＝M冲击框+M下夹具+M试件；
确定出所需的配重质量后，将试件6放置于上夹具4和下夹具5之间进行冲击，随着落锤12及冲击力传感器13的下落，落锤12碰撞到冲击框3时，通过冲击力传感器13获取的冲击力数据计算得到冲击力时程曲线；
应力-应变曲线的确定：冲击框3带动下夹具5及试件6同步向下移动，配合处于静止状态的上夹具4，使得试件6处于受拉状态，此时试件6中部的受拉区域产生了均匀的拉应力，由于两个配重锤7-3质量之和等于冲击框3、下夹具5以及试件6的质量之和，因此，两个配重锤7-3的重力势能与冲击框3、下夹具5及试件6的重力势能抵消，冲击力完全作用于试件6上，即试件6所受到的冲击拉力即为冲击力传感器13测得的冲击力，根据试件6的横截面S截面，计算得到的冲击力F冲击，即可根据公式三求出试件在冲击过程中产生的拉应力σu，公式三为：
σu＝F冲击/S截面；
由于试件6的中部贴有应变系统，冲击框3、上夹具4和下夹具5相互配合实现的冲击过程中，试件6与应变系统同步发生变形，应变系统通过与其连接的动态应变采集器即可采集到冲击产生的应变εu，通过应变εu以及拉应力σu建立以应变εu为横坐标、拉应力σu为纵坐标的坐标系，最终得到最终的应力-应变曲线。
本实施方式中动态应变采集器为现有设备，其与应变片14相配合的工作原理为现有技术。
本实施方式中对中操作过程为：
在试验前，将落锤12及冲击力传感器13放下，调整底座1的位置，确保落锤12和凹槽18的球心在连接杆21长度方向的中线轴线上即可，即该状态为与底板20保持垂直即可。上述过程中确保底板20所在位置与地面相平行即可。
具体实施方式十：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九的进一步限定，通过应变系统的两个应变片14分别获取试件6前侧面和后侧面的应变量，两个应变量的平均值即为应变εu的最终确定值，即εu＝εu前+εu后/2
本发明的试验过程如下：
结合图1至10所示，底座1的厚度为150mm～250mm，底座1的目的是保证试件6在整个冲击过程中，确保本发明保持稳定，不发生晃动。因此，底座1需要绝对的刚度。
设底座1的厚度为h，长度和宽度均为400mm，根据底座1所选材料的弹性模量E，利用欧拉公式：Fcr＝π2EI/(μh2)，其中I为底座1横截面的惯性矩：I＝bh3/12＝h3/30，μ取2.0，带入上式中，Fcr＝π2Eh/60，取安全稳定系数为nst＝1.8，最大冲击力为Fmax，则Fcr/Fmax≥nst，所以确定h≥108Fmax/π2E。综上，根据预先设定好的最大冲击力以及底座1材料的弹性模量即可估算出底座1的最小厚度。
底座1上表面的四角处各有一根立柱2-2，直径为80mm，立柱2-2连接着上板2-1，其尺寸与底座1相同，上板2-1的下表面处通过螺栓连接有上夹具4，试件6为骨棒状的混凝土试件，试件6的尺寸与上夹具4和下夹具5的尺寸相配合，上夹具4的上夹持豁口10和下夹具5的下夹持豁口8之间形成的受拉区域为30mm×30mm×80mm，该受拉区域即为试件6的尺寸，试件6的最小宽度以及厚度均为30mm，试件6的长度为80mm，试件6放置于上夹具4和下夹具5之间，上板2-1下表面的左右两端固定有两个滑轮7-1，下夹具5通过滑轮7-1和配重锤7-3相配合确保试件6下部的稳定性，冲击框3、下夹具5以及试件6的质量之和与两个配重锤7-3的质量相同，其目的是使得自由状态下试件6不受到重力作用，同时，下夹具5受顶板3-1的作用通过导向杆3-3相连接，导向杆3-3穿过上板2-1，在上板2-1与导向杆3-3连接处设有导向装置，导向装置为圆柱形滑动导轨，其设置于上板2-1与导向杆3-3的连接处。使得导向杆3-3只能沿垂直方向运动。
本发明配合落锤试验机进行试验，落锤试验机中落锤下落，碰撞到顶板3-1，在冲击力的作用下，顶板3-1和导向杆3-3带动下夹具5垂直向下移动，同时，下夹具5通过滑轮7-1带动两个配重锤7-3向上移动，由于两个配重锤7-3质量之和等于冲击框3、下夹具5以及试件6的质量之和，所以冲击过程中，重力不做功，冲击能完全作用于试件6。而且由于试件6固定于上夹具4和下夹具5中间，因此，试件6随着下夹具5的移动而移动，此时，试件6中部的受拉区域受到了冲击下的拉伸作用，发生受拉开裂，从而起到了对试件6产生直接拉伸冲击的作用。
结合本发明的有益效果说明以下实施例：
本发明结合落锤试验机和应变采集系统判断混凝土在冲击作用下的抗拉性能，其中应变采集系统还可替换为数字图像采集系统DIC，具体操作过程为
实施例一：为使得试验结果更加明显且具有说明性，该实施例混凝土为应变硬化水泥基复合材料(ECC)，在冲击作用下，其抗拉性能较普通混凝土更加优越，拉伸效果更加显著。ECC的配合比为水泥505kg/m3，粉煤灰621kg/m3，石英砂(0.06mm～0.2mm)536kg/m3，水338kg/m3，减水剂0.1％，PE纤维20kg/m3。ECC的弹性模量为18GPa，静态下抗拉强度为4.2MPa，极限拉伸应变为3.1％。首先对试件6在电子天平上进行称重，确定其质量为792.40g，然后选择2个质量为350g的配重锤7-3以及46.2g的砝码进行平衡，然后将试件6放置于落锤试验机的正下方的本发明中进行对中操作，将制备好的骨棒状ECC试件6夹持于上夹具4和下夹具5之间，用上夹具4和下夹具5分别将试件6的上端和下端进行定位。由于通过预实验已经确定好本次试验所采用落锤的质量为2kg，下落高度为500mm，因此，本次实验的总冲击能为W冲击＝M锤gh＝9.8J。
然后，如图9所示，释放落锤试验机的落锤，落锤与顶板3-1相互碰撞，将冲击能传递给顶板3-1，此时，通过落锤处的冲击力传感器可测量得到相应的冲击力时程曲线，利用公式σu＝F冲击/S截面，可求出试件所受的拉应力。如图10所示，顶板3-1通过导向杆3-3带动下夹具5垂直向下移动，此时，试件6的下部也随之移动，在试件6中部的受拉区域产生了拉伸应变，试件上所粘的应变片产生变形，通过应变片连接的动态应变采集系统，将应变数据采集，即可得到试件6在冲击作用下的动态拉伸应力-应变曲线。
如图10所示，通过公式
Figure BDA0002981126420000121
可求出此时的应变率，其中，
Figure BDA0002981126420000122
为应变率，εu为动态拉应变，t为冲击时长。
试件6在拉伸冲击作用下表现出良好的多缝开裂行为，初始开裂强度大幅提高，较静态作用下动态强度增强因子DIF值可根据公式：
Figure BDA0002981126420000123
求出本次试验的DIF值为2.57，其中
Figure BDA0002981126420000124
为动态抗拉强度，σu为准静态抗拉强度，具有明显的应变率效应。同时，也能够得出，在本发明的作用下，实施例一种试件6的应变率范围为0～10，效果十分显著，当增大落锤质量，调高落锤高度，应变率甚至可以达到100。由于本发明只设置有四根立柱2-2，试件6的前方并无遮挡，因此，还可通过高速摄像机和DIC技术，观察试件6在冲击过程中应变的发展情况，四根立柱2-2为观测冲击过程提供足够视野。

Claims (9)

1.一种混凝土抗拉冲击性能试验装置，其特征在于：包括底座(1)、支撑框(2)、冲击框(3)、上夹具(4)和下夹具(5)，所述底座(1)水平设置，所述支撑框(2)设置在底座(1)上，支撑框(2)包括上板(2-1)和若干个立柱(2-2)，所述若干个立柱(2-2)竖直并列设置在底座(1)上，上板(2-1)水平设置在若干个立柱(2-2)上，上夹具(4)的上端固定连接在上板(2-1)的底面上，冲击框(3)穿设在上板(2-1)上，冲击框(3)的底部设置有下夹具(5)，下夹具(5)在冲击框(3)的带动下沿上板(2-1)的厚度方向作出往复升降运动，上夹具(4)和下夹具(5)之间可拆卸连接有试件(6)。
2.根据权利要求1所述的一种混凝土抗拉冲击性能试验装置，其特征在于：冲击框(3)包括顶板(3-1)、施力块(3-2)和两根导向杆(3-3)，所述顶板(3-1)水平在上板(2-1)的上方，顶板(3-1)的上端面设置有施力块(3-2)，施力块(3-2)的上端面加工有凹槽(18)，上板(2-1)沿其厚度方向并列加工有两个内孔(11)，每个内孔(11)内穿设有一个导向杆(3-3)，导向杆(3-3)的外壁与内孔(11)的孔内壁滑动配合，每个导向杆(3-3)的上端与顶板(3-1)的下端面固定连接，两个导向杆(3-3)的下端之间设置有下夹具(5)。
3.根据权利要求2所述的一种混凝土抗拉冲击性能试验装置，其特征在于：底座(1)设置在总座体(20)上，所述总座体(20)上还配合设置有支撑总成，支撑总成包括支撑杆(15-1)和下横板(15-2)，支撑杆(15-1)竖直设置在底座(1)上，支撑杆(15-1)的下端与底座(1)的固定连接，支撑杆(15-1)的上端水平设置有下横板(15-2)，下横板(15-2)沿支撑杆(15-1)的长度方向往复滑动，下横板(15-2)沿其厚度方向加工有通孔，下横板(15-2)的下端面上设置有释放筒(16)，释放筒(16)与通孔相连通，释放筒(16)内设置有落锤(12)，落锤(12)与释放筒(16)的内壁磁性连接，落锤(12)的底部设置有冲击力传感器(13)，落锤(12)与凹槽(18)相配合设置。
4.根据权利要求3所述的一种混凝土抗拉冲击性能试验装置，其特征在于：冲击框(3)配合设置有配重组件(7)，所述配重组件(7)包括两个配重单体，两个配重单体并列设置在冲击框(3)的两侧，每个配重单体与导向杆(3-3)一一对应设置，每个配重单体包括滑轮(7-1)、连接绳(7-2)和配重锤(7-3)，所述滑轮(7-1)设置在顶板(3-1)内，连接绳(7-2)的一端与对应的导向杆(3-3)相连接，连接绳(7-2)的另一端绕过滑轮(7-1)后与配重锤(7-3)相连接。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种混凝土抗拉冲击性能试验装置，其特征在于：下夹具(5)为倒置T形块，下夹具(5)的竖直端朝向上夹具(4)设置，下夹具(5)的竖直端上加工有配合试件(6)的下夹持豁口(8)。
6.根据权利要求5所述的一种混凝土抗拉冲击性能试验装置，其特征在于：上夹具(4)为矩形块体，上夹具(4)的上端与上板(2-1)的底面固定连接，上夹具(4)的下端加工有上夹持豁口(10)，上夹持豁口(10)的形状与下夹持豁口(8)的形状相同，上夹持豁口(10)与下夹持豁口(8)相对设置。
7.根据权利要求6所述的一种混凝土抗拉冲击性能试验装置，其特征在于：试件(6)的中部贴有应变系统，应变系统包括两个应变片(14)，两个应变片(14)分别设置在试件(6)的前侧面和后侧面上。
8.利用权利要求7所述的一种混凝土抗拉冲击性能试验装置实现的冲击试验方法，其特征在于：所述冲击试验方法包括以下内容：
总冲击能的计算：首先对落锤(12)及冲击力传感器(13)进行对中操作，确保落锤(12)及冲击力传感器(13)在下落撞击在冲击框(3)的几何中心处，试验前应进行预实验，确定落锤(12)及冲击力传感器(13)的冲击高度h，根据落锤(12)的质量M锤，根据公式一求得总冲击能，公式一为：
W冲击＝M锤gh；
上式中g为当地的重力加速度，单位为m/s2；
冲击力时程曲线的确定：将制作完毕的试件(6)进行称重，根据试件(6)的质量，根据公式二计算得出所需的配重质量，公式二为：
2M配重＝M冲击框+M下夹具+M试件；
确定出所需的配重质量后，将试件(6)放置于上夹具(4)和下夹具(5)之间进行冲击，随着落锤(12)及冲击力传感器(13)的下落，落锤(12)碰撞到冲击框(3)时，通过冲击力传感器(13)获取的冲击力数据计算得到冲击力时程曲线；
应力-应变曲线的确定：冲击框(3)带动下夹具(5)及试件(6)同步向下移动，配合处于静止状态的上夹具(4)，使得试件(6)处于受拉状态，此时试件(6)中部的受拉区域产生了均匀的拉应力，同时由于两个配重锤(7-3)的质量与冲击框(3)、下夹具(5)及试件(6)的质量之和相同，因此，两个配重锤(7-3)的重力势能与冲击框(3)、下夹具(5)及试件(6)的重力势能抵消，冲击力完全作用于试件(6)上，即试件(6)所受到的冲击拉力即为冲击力传感器(13)测得的冲击力，根据试件(6)的横截面S截面，计算得到的冲击力F冲击，即可根据公式三求出试件在冲击过程中产生的拉应力σu，公式三为：
σu＝F冲击/S截面；
由于试件(6)的中部贴有应变系统，冲击框(3)、上夹具(4)和下夹具(5)相互配合实现的冲击过程中，试件(6)与应变系统同步发生变形，应变系统通过与其连接的动态应变采集箱即可采集到冲击产生的应变εu，通过应变εu以及拉应力σu建立以应变εu为横坐标、拉应力σu为纵坐标的坐标系，最终得到最终的应力-应变曲线。
9.根据权利要求8所述的冲击试验方法，其特征在于：通过应变系统的两个应变片(14)分别获取试件(6)前侧面和后侧面的应变量，两个应变量的平均值即为应变εu的最终确定值，即εu＝(εu前+εu后)/2。
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