專利名稱：骨料-砂漿過(guò)渡區(qū)動(dòng)態(tài)剪切性能試驗(yàn)方法及試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種試驗(yàn)方法及試驗(yàn)裝置，尤其涉及一種骨料-砂漿過(guò)渡區(qū)(即界面層)動(dòng)態(tài)剪切性能試驗(yàn)方法及試驗(yàn)裝置，用于對(duì)混凝土界面層性能的研究。
背景技術(shù)：
混凝土是一種非均質(zhì)多相復(fù)合材料，其宏觀力學(xué)性能取決于細(xì)觀各組分(骨料、 砂漿、界面層)的材料特性和相互作用，其中界面層對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)宏觀力學(xué)性能的影響尤為明顯。根據(jù)界面層對(duì)混凝土宏觀力學(xué)性能的影響，國(guó)內(nèi)外對(duì)界面層性能的研究主要分為拉伸性能和剪切性能兩類，對(duì)應(yīng)的材料試驗(yàn)分別為拉伸試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)通常采用中間骨料、兩端砂漿的棱柱體試件，通過(guò)施加軸向拉力測(cè)定界面層拉伸性能，剪切試驗(yàn)則通常采用中心放置骨料，兩端為砂漿的圓柱形或棱柱體試件，通過(guò)施加壓力將骨料“推出” 試件進(jìn)而測(cè)定界面層剪切強(qiáng)度等相關(guān)參數(shù)。目前常見(jiàn)的界面層試驗(yàn)研究多集中于拉伸試驗(yàn)，對(duì)剪切性能的研究涉獵較少。在已有的剪切試驗(yàn)研究中又多關(guān)注于剪切強(qiáng)度、彈性模量的研究，忽略了界面層粘結(jié)力、摩擦角的測(cè)定，尤其對(duì)界面層動(dòng)態(tài)特性的研究更為少見(jiàn)。因此無(wú)法為混凝土細(xì)觀數(shù)值仿真研究提供一整套合理、實(shí)用的界面層本構(gòu)模型，也無(wú)法為從細(xì)觀層次探索混凝土力學(xué)性能、破壞機(jī)理提供可靠的試驗(yàn)支持。此外，由于界面層試驗(yàn)的復(fù)雜性以及對(duì)試件、試驗(yàn)裝置的高要求，目前還沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的界面層剪切性能試驗(yàn)研究方法。因此，研發(fā)一種可精確測(cè)定混凝土界面層在不同應(yīng)變率下動(dòng)剪切力學(xué)性能的試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法，對(duì)于全面探索混凝土破壞機(jī)理，實(shí)現(xiàn)混凝土細(xì)觀數(shù)值仿真，制定標(biāo)準(zhǔn)的界面層試驗(yàn)方案具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有混凝土骨料-砂漿過(guò)渡區(qū)試驗(yàn)方法的不足，提供一種可精確測(cè)定混凝土界面層在不同應(yīng)變率下動(dòng)剪切力學(xué)性能的試驗(yàn)方法及相應(yīng)的試驗(yàn)裝置。本發(fā)明的骨料-砂漿過(guò)渡區(qū)動(dòng)態(tài)剪切性能試驗(yàn)方法，包括以下步驟
步驟A、制作試件，所述試件為圓柱形，沿軸向分為骨料和水泥砂漿兩部分，骨料部分直接從巖石中取芯，然后在其一端澆注水泥砂漿，并按照混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)； 步驟B、利用試件夾具將試件的一部分夾緊，使試件軸向水平固定，試件的另一部分懸
空；
步驟C、對(duì)試件施加軸向荷載，使軸向荷載達(dá)到一固定值后，對(duì)試件的懸空部分施加垂直于試件軸向的剪切荷載，調(diào)整剪切荷載同時(shí)測(cè)量相應(yīng)的試件的剪切位移，根據(jù)得到的剪切載荷及相應(yīng)的剪切位移繪制該固定軸向荷載下的骨料-砂漿界面層剪切荷載-剪切位移曲線，曲線中的剪切荷載峰值即為該固定軸向荷載下的抗剪承載力；
步驟D、調(diào)整軸向荷載的值，并重復(fù)上述步驟C，得到不同軸向荷載下的抗剪承載力；以軸向荷載為橫坐標(biāo)，抗剪承載力為縱坐標(biāo)繪制抗剪強(qiáng)度線；所得抗剪強(qiáng)度線與橫坐標(biāo)的夾角即為骨料-砂漿界面層的內(nèi)摩擦角，抗剪強(qiáng)度線在縱坐標(biāo)軸上的截距即為骨料-砂漿界面層的粘聚力。進(jìn)一步地，所述步驟D之后還包括，
步驟E、調(diào)整剪切荷載的加載速率，重復(fù)所述步驟B—步驟D，得到不同加載速率下骨料-砂漿界面層的抗剪承載力、粘聚力、內(nèi)摩擦角。進(jìn)而可以研究骨料-砂漿界面層剪切性能隨加載速率的變化規(guī)律。為了實(shí)施本發(fā)明的試驗(yàn)方法，本發(fā)明還提出了一種試驗(yàn)裝置，該裝置包括試驗(yàn)平臺(tái)、
第一反力架、第二反力架、試件支座、試件夾具、千斤頂、壓力傳感器、剪切位移測(cè)量裝置及載荷試驗(yàn)機(jī)；所述第一反力架、第二反力架均為H形鋼架結(jié)構(gòu)，固定于試驗(yàn)平臺(tái)上；所述試件支座固定于試驗(yàn)平臺(tái)，其上部開(kāi)有半圓形開(kāi)口，半圓形開(kāi)口的尺寸與試件的尺寸相適應(yīng)，試件支座垂直于其半圓形開(kāi)口方向的寬度小于試件骨料部分的長(zhǎng)度；所述試件夾具為倒T形結(jié)構(gòu)，其下部開(kāi)有半圓形開(kāi)口，半圓形開(kāi)口的尺寸與試件的尺寸相適應(yīng)，試件夾具垂直于其半圓形開(kāi)口方向的寬度小于試件骨料部分的長(zhǎng)度，試件夾具兩端開(kāi)有螺孔，可通過(guò)長(zhǎng)螺栓與試驗(yàn)平臺(tái)固定。通常的載荷試驗(yàn)機(jī)的加載頭通常為平頭，當(dāng)直接用加載頭對(duì)圓柱形試件施加剪切荷載時(shí)，荷載分布不均勻。為了使剪切荷載均勻分布在試件上，本發(fā)明的試驗(yàn)裝置還包括加載刀具，所述加載刀具上端為平板，下端開(kāi)有半圓形開(kāi)口，半圓形開(kāi)口的尺寸與試件的尺寸相適應(yīng)。為了提高剪切位移的測(cè)量精度，本發(fā)明采用的剪切位移測(cè)量裝置為兩個(gè)相同的位移計(jì)，試驗(yàn)時(shí)分別放置于所述加載刀具上端平板的兩端。當(dāng)對(duì)試件施加軸向荷載時(shí)，第一反力架、第二反力架由于分別受到試件和千斤頂?shù)乃较虻牧?，?huì)產(chǎn)生輕微變形，可能會(huì)影響試驗(yàn)精度。為提高試驗(yàn)精度，可以將兩者沿水平方向剛性固定連接。例如，可以在兩者之間焊接水平方向的鋼梁，或者用穿過(guò)兩者的長(zhǎng)螺桿將兩者水平向固定。這樣可提供一個(gè)水平約束，防止反力架受力變形。為了使軸向荷載均勻分布在試件上，從而進(jìn)一步提升試驗(yàn)精度，該裝置還包括一個(gè)加載板，其面積大于試件端面的面積，試驗(yàn)時(shí)置于試件與所述壓力傳感器之間。本發(fā)明的試驗(yàn)方法可精確測(cè)定混凝土骨料-砂漿界面層的抗剪承載力、粘聚力及內(nèi)摩擦角，對(duì)于混凝土骨料-砂漿界面層的動(dòng)態(tài)剪切性能的研究具有重要意義。本發(fā)明的試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高，并可結(jié)合現(xiàn)有帶加載平臺(tái)的載荷試驗(yàn)機(jī)，將加載平臺(tái)作為試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)一步降低成本。


圖1為本發(fā)明的骨料-砂漿過(guò)渡區(qū)動(dòng)態(tài)剪切性能試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為加載刀具的結(jié)構(gòu)示意圖3為試件夾具的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為試件支座的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為骨料-砂漿界面層的剪切荷載-剪切位移曲線； 圖6為骨料-砂漿界面層的抗剪強(qiáng)度線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明
本發(fā)明的試驗(yàn)裝置如附圖1所示，包括試驗(yàn)平臺(tái)1、第一反力架2、第二反力架3、試件支座4、試件夾具5、千斤頂6、壓力傳感器7、、載荷試驗(yàn)機(jī)8、加載刀具9、加載板10、剪切位移測(cè)量裝置11、傳感器夾具12、千斤頂夾具13 ；
其中第一反力架2和第二反力架3均為H形鋼架結(jié)構(gòu)，通過(guò)貫穿鋼架結(jié)構(gòu)中部的長(zhǎng)螺栓固定于試驗(yàn)平臺(tái)1上，第二反力架3與第一反力架2上對(duì)稱地各開(kāi)有兩個(gè)螺孔，兩者可通過(guò)螺桿沿水平方向剛性固定連接。試件支座4通過(guò)螺栓固定于試驗(yàn)平臺(tái)1上，其結(jié)構(gòu)如附圖4所示，上部開(kāi)有半圓形開(kāi)口，半圓形開(kāi)口的尺寸與試件的尺寸相適應(yīng)，試件支座4垂直于其半圓形開(kāi)口方向的寬度小于試件骨料部分的長(zhǎng)度；
試件夾具5如附圖3所示，整體為倒T形結(jié)構(gòu)，其下部開(kāi)有半圓形開(kāi)口，半圓形開(kāi)口的尺寸與試件的尺寸相適應(yīng)，試件夾具5垂直于其半圓形開(kāi)口方向的寬度小于試件骨料部分的長(zhǎng)度，試件夾具5兩端開(kāi)有螺孔，可通過(guò)長(zhǎng)螺栓與試驗(yàn)平臺(tái)固定；
載荷試驗(yàn)機(jī)8采用帶有加載平臺(tái)的MTS載荷試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)可方便的調(diào)節(jié)加載速率， 并可將其加載平臺(tái)直接作為試驗(yàn)平臺(tái)1 ；
加載刀具9可固定于載荷試驗(yàn)機(jī)8的加載頭上，其結(jié)構(gòu)如附圖2所示，下端開(kāi)有半圓形開(kāi)口，半圓形開(kāi)口的尺寸與試件的尺寸相適應(yīng)；
加載板10為一塊方形鋼板，其面積大于試件端面，其上開(kāi)有可供連接第一反力架2和第二反力架3的螺桿穿過(guò)的通孔，試驗(yàn)時(shí)放置在混凝土試件砂漿部分和壓力傳感器7之間， 以保證混凝土受壓的均勻性；
剪切位移測(cè)量裝置11采用兩個(gè)相同的高精度LVDT (Linear Variable Differential Transformer，線性可變差動(dòng)變壓器)，試驗(yàn)時(shí)分別放置于所述加載刀具上端平板的兩端；
為了保證試驗(yàn)精度，千斤頂6和壓力傳感器7分別通過(guò)千斤頂夾具13、傳感器夾具12 固定在試驗(yàn)平臺(tái)1上，夾具13、12的尺寸可根據(jù)千斤頂和壓力傳感器的尺寸設(shè)計(jì)，以保證千斤頂6和壓力傳感器7的軸線與試件的軸線對(duì)齊。使用上述裝置進(jìn)行骨料-砂漿過(guò)渡區(qū)動(dòng)態(tài)剪切性能試驗(yàn)時(shí)，按照以下步驟 步驟1、制備符合試驗(yàn)要求的含骨料-砂漿界面層的混凝土試件，所述試件為圓柱形，
沿軸向分為骨料和水泥砂漿兩部分，骨料部分直接從巖石中取芯，在進(jìn)行兩端端面切割打平后在骨料一端固定砂漿澆注模具澆注砂漿，試件的養(yǎng)護(hù)參照混凝土的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件溫度控制在20士3°C，相對(duì)濕度95%以上。所制備的試件一端砂漿、一端骨料，兩部分的交界處即為骨料-砂漿過(guò)渡區(qū)。步驟2、如附圖1所示，通過(guò)試件夾具5及試件支座4將混凝土試件固定在試驗(yàn)平臺(tái)1上，試件的骨料-砂漿過(guò)渡區(qū)應(yīng)對(duì)準(zhǔn)試件支座4的邊緣，然后在試件一端放置千斤頂6 和壓力傳感器7，千斤頂6和壓力傳感器7分別通過(guò)千斤頂夾具13、傳感器夾具12固定在試驗(yàn)平臺(tái)1上，以保證千斤頂6和壓力傳感器7的軸線與試件的軸線對(duì)齊。步驟3、安裝反力架，第一反力架2和第二反力架3之間采用兩根長(zhǎng)1200mm、直徑 40mm的螺桿連接，螺桿通過(guò)加載板10上的通孔穿過(guò)加載板10，加載板10放置在試件和壓力傳感器7之間，并使加載板與試件端面緊貼。步驟4、使千斤頂6的一端抵住第二反力架3，然后施加載軸向荷載，應(yīng)保證反力架 2、3、千斤頂6、壓力傳感器7以及試件充分接觸。步驟5、使用千斤頂6對(duì)試件施加軸向荷載，通過(guò)壓力傳感器7控制軸向荷載的加載值，在加載過(guò)程中應(yīng)始終保持加載板10豎直以避免試件不均勻受力。步驟6、當(dāng)軸向荷載達(dá)到設(shè)計(jì)值后，將加載刀具9放置于試件兩部分的交界處，放下載荷試驗(yàn)機(jī)8的加載頭使其與加載刀具9頂端平面接觸；先施加一定的預(yù)載以消除各部分間的間隙，然后安裝剪切位移測(cè)量裝置，將兩個(gè)LVDT分別放置于加載刀具9的兩端上部， 試驗(yàn)時(shí)取兩個(gè)LVDT測(cè)得的位移值的平均值作為剪切位移，這樣可以消除加載刀具傾斜時(shí)所導(dǎo)致的一側(cè)位移偏大，一側(cè)偏小的情況。步驟7、通過(guò)載荷試驗(yàn)機(jī)8對(duì)試件施加剪切荷載并讀取剪切荷載值，同時(shí)通過(guò)壓力傳感器7讀取軸向荷載值，通過(guò)剪切位移測(cè)量裝置測(cè)量剪切位移值。步驟8、根據(jù)得到的剪切載荷及相應(yīng)的剪切位移繪制該固定軸向荷載 ^下的骨料-砂漿界面層剪切荷載-剪切位移曲線，得到的曲線如附圖5所示，圖中橫坐標(biāo)
f為剪切位移，縱坐標(biāo)τ為剪切荷載，曲線中的剪切荷載峰值巧即為該固定軸向荷載σ下
的抗剪承載力；
步驟9、調(diào)整軸向荷載的值，并重復(fù)上述步驟8，得到不同軸向荷載下的抗剪承載力；以
軸向荷載。為橫坐標(biāo)，抗剪承載力ζ力縱坐標(biāo)繪制抗剪強(qiáng)度線；所得抗剪強(qiáng)度線
如附圖6所示，抗剪強(qiáng)度線與橫坐標(biāo)的夾角P即為骨料-砂漿界面層的內(nèi)摩擦角，抗剪強(qiáng)度線在縱坐標(biāo)軸上的截距即為骨料-砂漿界面層的粘聚力e ；
步驟10、調(diào)整載荷試驗(yàn)機(jī)的加載速率并按照上述步驟得到不同加載速率下料-砂漿界面層的抗剪承載力、粘聚力、內(nèi)摩擦角，進(jìn)而研究骨料-砂漿界面層剪切性能隨加載速率的變化規(guī)律。
權(quán)利要求
1.一種骨料-砂漿過(guò)渡區(qū)動(dòng)態(tài)剪切性能試驗(yàn)方法，其特征在于，包括以下步驟步驟A、制作試件，所述試件為圓柱形，沿軸向分為骨料和水泥砂漿兩部分，骨料部分直接從巖石中取芯，然后在其一端澆注水泥砂漿，并按照混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；步驟B、利用試件夾具將試件的骨料部分夾緊，使試件軸向水平固定，試件的砂漿部分懸空；步驟C、對(duì)試件施加軸向荷載，使軸向荷載達(dá)到一固定值后，對(duì)試件的懸空部分施加垂直于試件軸向的剪切荷載，調(diào)整剪切荷載同時(shí)測(cè)量相應(yīng)的試件的剪切位移，根據(jù)得到的剪切載荷及相應(yīng)的剪切位移繪制該固定軸向荷載下的骨料-砂漿界面層剪切荷載-剪切位移曲線，曲線中的剪切荷載峰值即為該固定軸向荷載下的抗剪承載力；步驟D、調(diào)整軸向荷載的值，并重復(fù)上述步驟C，得到不同軸向荷載下的抗剪承載力；以軸向荷載為橫坐標(biāo)，抗剪承載力為縱坐標(biāo)繪制抗剪強(qiáng)度線；所得抗剪強(qiáng)度線與橫坐標(biāo)的夾角即為骨料-砂漿界面層的內(nèi)摩擦角，抗剪強(qiáng)度線在縱坐標(biāo)軸上的截距即為骨料-砂漿界面層的粘聚力。
2.如權(quán)利要求1所述骨料-砂漿過(guò)渡區(qū)動(dòng)態(tài)剪切性能試驗(yàn)方法，其特征在于，所述步驟 D之后還包括，步驟E、調(diào)整剪切荷載的加載速率，重復(fù)所述步驟B—步驟D，得到不同加載速率下骨料-砂漿界面層的抗剪承載力、粘聚力、內(nèi)摩擦角。
3.一種骨料-砂漿過(guò)渡區(qū)動(dòng)態(tài)剪切性能試驗(yàn)裝置，其特征在于，該裝置包括試驗(yàn)平臺(tái)、 第一反力架、第二反力架、試件支座、試件夾具、千斤頂、壓力傳感器、剪切位移測(cè)量裝置及載荷試驗(yàn)機(jī)；所述第一反力架、第二反力架均為H形鋼架結(jié)構(gòu)，固定于試驗(yàn)平臺(tái)上；所述試件支座固定于試驗(yàn)平臺(tái)，其上部開(kāi)有半圓形開(kāi)口，半圓形開(kāi)口的尺寸與試件的尺寸相適應(yīng)， 試件支座垂直于其半圓形開(kāi)口方向的寬度小于試件骨料部分的長(zhǎng)度；所述試件夾具為倒T 形結(jié)構(gòu)，其下部開(kāi)有半圓形開(kāi)口，半圓形開(kāi)口的尺寸與試件的尺寸相適應(yīng)，試件夾具垂直于其半圓形開(kāi)口方向的寬度小于試件骨料部分的長(zhǎng)度，試件夾具兩端開(kāi)有螺孔，可通過(guò)長(zhǎng)螺栓與試驗(yàn)平臺(tái)固定。
4.如權(quán)利要求3所述骨料-砂漿過(guò)渡區(qū)動(dòng)態(tài)剪切性能試驗(yàn)裝置，其特征在于，該裝置還包括加載刀具，所述加載刀具上端為平板，下端開(kāi)有半圓形開(kāi)口，半圓形開(kāi)口的尺寸與試件的尺寸相適應(yīng)。
5.如權(quán)利要求4所述骨料-砂漿過(guò)渡區(qū)動(dòng)態(tài)剪切性能試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述剪切位移測(cè)量裝置為兩個(gè)相同的位移計(jì)，試驗(yàn)時(shí)分別放置于所述加載刀具上端平板的兩端。
6.如權(quán)利要求3所述骨料-砂漿過(guò)渡區(qū)動(dòng)態(tài)剪切性能試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述第二反力架與第一反力架沿水平方向剛性固定連接。
7.如權(quán)利要求6所述骨料-砂漿過(guò)渡區(qū)動(dòng)態(tài)剪切性能試驗(yàn)裝置，其特征在于，第二反力架與第一反力架上對(duì)稱地開(kāi)有螺孔，兩者之間通過(guò)長(zhǎng)螺桿沿水平方向剛性固定連接。
8.如權(quán)利要求3所述骨料-砂漿過(guò)渡區(qū)動(dòng)態(tài)剪切性能試驗(yàn)裝置，其特征在于，該裝置還包括一個(gè)加載板，其面積大于試件端面的面積，試驗(yàn)時(shí)置于試件與所述壓力傳感器之間。
9.如權(quán)利要求3所述骨料-砂漿過(guò)渡區(qū)動(dòng)態(tài)剪切性能試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述載荷試驗(yàn)機(jī)帶有加載平臺(tái)，所述試驗(yàn)平臺(tái)為載荷試驗(yàn)機(jī)的加載平臺(tái)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種骨料-砂漿過(guò)渡區(qū)動(dòng)態(tài)剪切性能試驗(yàn)方法。本發(fā)明方法首先制作沿軸向分為骨料和水泥砂漿兩部分的試件；然后對(duì)試件施加軸向荷載，同時(shí)施加剪切荷載并測(cè)量相應(yīng)的剪切位移，根據(jù)剪切荷載及剪切位移繪制該軸向荷載下的骨料-砂漿界面層剪切荷載-剪切位移曲線；調(diào)整軸向荷載的值，并重復(fù)上一步驟，得到不同軸向荷載下的抗剪承載力；以軸向荷載為橫坐標(biāo)，抗剪承載力為縱坐標(biāo)繪制抗剪強(qiáng)度線，抗剪強(qiáng)度線與橫坐標(biāo)的夾角為骨料-砂漿界面層的內(nèi)摩擦角，抗剪強(qiáng)度線在縱坐標(biāo)軸上的截距為骨料-砂漿界面層的粘聚力。本發(fā)明還公開(kāi)了一種骨料-砂漿過(guò)渡區(qū)動(dòng)態(tài)剪切性能試驗(yàn)裝置。本發(fā)明可精確測(cè)定混凝土界面層在不同應(yīng)變率下動(dòng)剪切力學(xué)性能。
文檔編號(hào)G01N3/24GK102226745SQ20111008533
公開(kāi)日2011年10月26日 申請(qǐng)日期2011年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月7日
發(fā)明者吳勝興, 周繼凱, 沈德建, 潘韡靜, 王巖, 王潘繡, 王瑤, 趙海濤, 陳育志, 黃冬輝 申請(qǐng)人:河海大學(xué)