一种准脆性材料拉伸位移测试装置及其测试方法

1.本发明涉及测试装置，具体是一种准脆性材料拉伸位移测试装置。


背景技术：

2.抗拉性能对混凝土的承载能力与耐久性能有重要影响纤维混凝土等准脆性材料的拉伸性能是相关结构设计中非常重要的参数，对该性能的研究从上世纪80年代起，逐渐引较多的关注。
3.混凝土拉伸试验难度相对较大，对试样制作(如图2)及加载设备、采集设备要求相对较高。
4.直接拉伸是各种拉伸性能测试方法中最直接且准确，但迄今为止拉伸性能的测试方法以及测试装置却一直没有统一的标准。而拉伸测试装置的选取对测试结果影响较大。
5.目前，直接拉伸试验主要包括外夹式、内埋式及粘贴式3种拉伸装置，而理想的直接拉伸试验装置应满足试件受力均匀、对中效果良好、试件制作与夹持方便等特点。狗骨头形状的试样已被越来越多的采用。拉伸过程中，两端加持部位不应出现应力集中而提前破坏，裂纹应出现在试样中中部。如何准确获得拉伸过程中的裂缝宽度随荷载变化情况至关重要。已有研究中通常采用预先在上下端部粘贴固定构件 千分表、试样两侧固定固件 引伸计来测得裂缝宽度。千分表无法记录动态的过程，而采用引伸计方法易受到测试过程中振动的影响，且两种测试装置的垂直度均无法保正。两个引伸计间的数值相差较大，前后左右应变片的数值相差也较大，引伸计换算后的应变值也难以与应变片测试值相符。
6.综上，如何实现动态采集拉伸载荷与位移的动态变化成为了本领域研究人员急需解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题是：如何实现动态采集拉伸载荷与位移的动态变化；
8.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
9.本发明是一种准脆性材料拉伸位移测试装置，包括：试样；第一固定环，其水平固定在所述试样上部；第二固定环，其水平固定在所述试样下部；传感器卡槽，其固定在所述第一固定环底部；传感器，其竖直固定传感器卡槽底部；传感器探头，其固定在所述第二固定环上端面，并位于对应所述传感器下端相抵；
10.在本方案中，试样两端固定在万能试验机上，充分利用试验机的对中性能，保证了试样处于竖直状态；第一固定环用于固定传感器，第二固定环用于固定传感器探头；第一固定环、第二固定环均与试样固定连接，当拉绳试样时，通过获取传感器上的数值能够实现动态采集拉伸载荷与位移的动态变化。
11.为了防止传感器的数据线晃动，导致结果的不断变化，本发明还包括：磁吸支座，其上设置有用于固定传感器数据线的旋转臂；
12.通过磁吸支座将传感器的数据线进行固定，避免结果的变化。
13.为了保证第一固定环、第二固定环处于水平状态，本发明采用第一固定环、第二固定环上均设置有水准泡；
14.通过水准泡微调第一固定环、第二固定环的位置，使得第一固定环、第二固定环处于水平位置。
15.如何实现第一固定环、第二固定环与试样的固定连接，本发明采用销钉穿过第一固定环、第二固定环径向方向，将其端部与试样固定，使得第一固定环、第二固定环与试样固定连接；
16.这样一来，多个销轴穿过第一固定环、第二固定环的侧壁，销轴的端部与试样固定连接，这样便能实现第一固定环、第二固定环的固定连接。
17.如何实现第一固定环、传感器卡槽、传感器三者的固定连接，本发明采用传感器卡槽顶部通过螺栓与第一固定环固定连接；螺栓水平穿过传感器卡槽底部，将竖直的传感器与传感器卡槽固定连接。
18.传感器卡槽包括上下平行设置有横板，以及连接两横板的竖板，上部的横板通过螺栓与第一固定环；下部的横板竖直穿设有传感器，此外，横板侧向水平穿设有螺纹孔，螺旋穿过螺纹孔与传感器相抵，将传感器固定在传感器卡槽内，实现固定连接。
19.本发明采用的测试装置操作步骤包括：
20.s1：将试样的上下端夹持在万能试验机中；
21.s2：在试样中部位置标记处破坏区域；
22.s3：将第一固定环、第二固定环通过销钉水平固定在试样的上端或者下端；
23.s4：将传感器卡槽固定在第一固定环底部，并从所述传感器卡槽底部插入传感器，通过螺栓将传感器卡槽、传感器固定；
24.s5：将传感器探头固定在第二固定环上，并位于传感器下方；
25.s6：将传感器的引出线与电压激励设备与数据采集系统连接后，设置电压，打开电脑万能试验机控制系统，设置位移控制模式、加载速度、拉伸荷载－位移曲线中数据点采集频率等，可以进行拉伸测试；
26.s7：测试过程中，万能试验机本身的力传感器可以量测试验过程中试样的受拉载荷f，位移传感器量测试验过程中试样中部的拉伸位移s。根据测试中荷载f、位移s记录结果，得到荷载-位移曲线。根据材料力学理论，可以计算得到测试过程中应力、应变如公式(1)(2)所示：
27.σ＝f2/a2ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
28.ε＝s/l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
29.其中，σ为应力数值，a为为所测试横截面的边长，l为为试样中间测试部位的长度，ε为应变数值；
30.结合(1)(2)可以得到所测试准脆性材料的应力-应变本构关系，如式(3)以及本构曲线：
31.ε＝σ/e＝f/(ea2)
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
32.应力-应变关系曲线的峰值即钢纤维混凝土的抗拉强度；
33.其中，e为弹性模量，为定值。
34.本发明的有益效果：本发明是一种准脆性材料拉伸位移测试装置，本发明具有如
下优势：
35.(1)拉伸测试的装置相对简单，操作中水平、垂直度等问题可以快速解决，较大的提高了测试效率。
36.(2)通过快速水准调平，可以确保测试装置的垂直度问题，从而确保拉伸位移测试结果的准确性。
37.(3)通过位移传感器连接数据采集系统后可以动态采集拉伸荷载与位移的动态变化。
附图说明
38.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
39.图1是本发明的结构示意图；
40.图2是试样的结构图；
41.图中：1-试样、2-第一固定环、3-第二固定环、4-传感器卡槽、5-传感器、6-传感器探头、7-磁吸支座、8-旋转臂、9-水准泡、10-销钉、11-螺栓。
具体实施方式
42.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
43.如图1所示，本发明是一种准脆性材料拉伸位移测试装置，包括：试样1；第一固定环2，其水平固定在所述试样1上部；第二固定环3，其水平固定在所述试样1下部；传感器卡槽4，其固定在所述第一固定环2底部；传感器5，其竖直固定传感器卡槽4底部；传感器探头6，其固定在所述第二固定环3上端面，并位于对应所述传感器5下端相抵；
44.在本方案中，试样两端固定在万能试验机上，充分利用试验机的对中性能，保证了试样处于竖直状态；第一固定环用于固定传感器，第二固定环用于固定传感器探头；第一固定环、第二固定环均与试样固定连接，当拉绳试样时，通过传感器探头、传感器间距的大小，获取传感器上的数值能够实现动态采集拉伸载荷与位移的动态变化。
45.如图1所示，为了防止传感器的数据线晃动，导致结果的不断变化，本发明还包括：磁吸支座7，其上设置有用于固定传感器数据线的旋转臂8；
46.通过磁吸支座将传感器的数据线进行固定，避免结果的变化。
47.如图1所示，为了保证第一固定环、第二固定环处于水平状态，本发明采用第一固定环2、第二固定环3上均设置有水准泡9；
48.通过水准泡微调第一固定环、第二固定环的位置，使得第一固定环、第二固定环处于水平位置。
49.如图1所示，如何实现第一固定环、第二固定环与试样的固定连接，本发明采用销钉10穿过第一固定环2、第二固定环3径向方向，将其端部与试样1固定，使得第一固定环2、第二固定环3与试样1固定连接；
50.这样一来，多个销轴穿过第一固定环、第二固定环的侧壁，销轴的端部与试样固定连接，这样便能实现第一固定环、第二固定环的固定连接。
51.如图1所示，如何实现第一固定环、传感器卡槽、传感器三者的固定连接，本发明采
用如何实现第一固定环、传感器卡槽、传感器三者的固定连接，本发明采用传感器卡槽4顶部通过螺栓11与第一固定环2固定连接；螺栓11水平穿过传感器卡槽4底部，将竖直的传感器5与传感器卡槽4固定连接。
52.传感器卡槽包括上下平行设置有横板，以及连接两横板的竖板，上部的横板通过螺栓与第一固定环；下部的横板竖直穿设有传感器，此外，横板侧向水平穿设有螺纹孔，螺旋穿过螺纹孔与传感器相抵，将传感器固定在传感器卡槽内，实现固定连接。
53.本发明是一种准脆性材料拉伸位移测试装置，本技术可以通过第一、二固定环固定在试样两端，通过快速水准调平，可以确保测试装置的垂直度问题，同时利用传感器连接数据采集系统后可以动态采集裂缝宽度与荷载变化情况，实现动态采集拉伸载荷与位移的动态变化。
54.具体操作步骤：
55.如图1所示，将养护后的狗骨头形状的钢纤维混凝土拉伸试样中间预定的拉伸范围用记号笔划线，做好标记。然后将试样下端的预埋螺纹杆夹持于万能试验机的下部夹具中，充分利用试验机自身的对中性能，然后降下上部夹具，做略微调整后使得上端预埋螺纹杆顺利夹持在夹具中并旋紧，确保夹具与螺纹杆之间紧密连接，加载中不会出现滑移现象。
56.将第一固定环2打开穿过试样1上部后在锁扣处扣紧，上下移动至试样中部的上端标记处，然后旋转第一固定环2上的四个销钉10，至松手后固定环不掉下来即可，然后略微上下移动第一固定环2使得第一固定环2上的水准泡9居中后旋紧螺栓。第一固定环2固定后，同样的操作固定试样1下端的标记处的第二固定环3。
57.传感器卡槽4上端用螺栓11与第一固定环2连接后，将传感器5插入下端孔洞中，拧入螺栓11将传感器5牢牢固定于孔洞中。传感器5的探头顶在第二固定环3的传感器探头6上。
58.磁吸支座7，吸附于测试试验机的竖架上，将传感器5末端的数据线拖住，以免数据线的晃动导致数据结果不断变化。随后将位移传感器5连线与激发装置以及数据采集装置连接好。
59.打开电脑试验机控制系统，然后设置项目名称、加载方式、加载速度、荷载和位移采集频率等，启动程序开始测试。
60.根据记录的荷载－位移结果，计算出拉伸应力－应变本构关系，以及混凝土抗拉强度值。
61.为了具体说明操作步骤，本发明采用如下步骤：
62.步骤一：拉伸测试的试样准备以及固定
63.准脆性复合材料，尤其纤维混凝土拉伸性能测试的试样形状没有统一标准，测试应满足试件受力均匀、对中效果良好、试件制作与夹持方便等特点；已有研究中常用形状有棱柱状和狗骨头状；根据不同实验目的，选择相应组成原材料，将材料按照一定比例制备并浇筑成上述形状的拉伸试样；试样两端需分别预先埋置螺纹钢筋，钢筋直径以及埋入长度需考虑到端部应力集中以及钢筋脱粘滑移影响；浇筑后的试样放入标准养护箱中进行养护。
64.养护后的试样取出后将上下端部的螺纹钢分别夹持于万能试验机的拉伸夹具中，充分利用试验机自身的高精度对中性。
65.步骤二：固定环的定位、调平以及固定
66.研究表明，试样拉伸破坏位置应位于试样的中部，因此需在试样中部上下定出破坏的范围，并用记号笔画线；将第一、第二固定环2、3锁扣打开，在试样记号处附近旋紧螺丝；将四个带有尖端的销钉10分别插入环侧面孔中，确保四个销钉10对称位于试样四个侧面，住进旋紧，尖端抵住标记线，然后通过提高或降低第一、第二固定环2、3的边使水准泡9位于水准器中心附近，即保证上下第一、第二固定环2、3水平。
67.步骤三：传感器卡槽及传感器固定
68.传感器卡槽4为工字形，上端通过螺栓与第一固定环2紧密连接，然后将lvdt(位移传感器5)插入下端孔洞中，拧紧孔壁上旋转螺丝将传感器5顶在孔洞壁上；传感器探头6顶在第二固定环3的环状面上。
69.步骤四：传感器引出线固定，激发设备与数据采集系统连接后进行测试
70.通过传感器引出线固定装置将引出线靠近传感器部位固定，然后将位移传感器引出线与电压激励设备与数据采集系统连接后，设置电压，打开电脑万能试验机控制系统，设置位移控制模式、加载速度、拉伸荷载－位移曲线中数据点采集频率等，可以进行拉伸测试。
71.步骤五：准脆性材料抗拉强度以及拉伸本构关系确定
72.测试过程中，万能试验机本身的力传感器可以量测试验过程中试样的受拉载荷f，位移传感器量测试验过程中试样中部的拉伸位移s。根据测试中荷载f、位移s记录结果，得到荷载-位移曲线。根据材料力学理论，可以计算得到测试过程中应力、应变如公式(1)(2)所示：
73.σ＝f2/a2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
74.a为所测试横截面的边长。
75.ε＝s/l
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(2)
76.l为试样中间测试部位的长度，其具体数值可以根据相关规范或者通过数值计算选取。
77.结合(1)(2)可以得到所测试准脆性材料的应力-应变本构关系，如式(3)以及本构曲线：
78.ε＝σ/e＝f/(ea2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
79.应力-应变关系曲线的峰值即钢纤维混凝土的抗拉强度。此外，还可对拉伸应力－应变本构模型进一步展开研究。
80.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。