一种成型水泥基材料轴向抗拉强度试件的模具及测试方法 【技术领域】
本发明涉及一种成型水泥基材料轴向抗拉强度试件的模具及测试方法，属于建筑材料领域。
背景技术
水泥基材料是建筑行业中用量最大、使用范围最广的材料。水泥基材料的轴向拉伸参数是建筑工程中常用的评价其性能的重要指标。但是这种材料有它自身固有的缺陷：质脆、易开裂、抗拉强度低。所以水泥混凝土轴像拉伸试验不易进行，存在很多问题，如荷载偏心、应力分布不均匀等，使得其轴拉试验的研究起步较晚。目前已有各种各样的间接方法可得到水泥基混凝土的拉伸和断裂性能，如劈拉法、三点弯曲梁法、紧凑拉伸法等等，但研究表明间接测得的抗拉强度比轴向抗拉强度值偏高，所以采用轴向拉伸方法测定混凝土的抗拉强度和拉伸全过程曲线是最直接、最客观、最完整的方法。对棱柱体试或圆柱体试件进行均匀的轴向拉伸，在整个加载过程中，所测得的应力、应变值对应关系明确，能够直接、准确的测量材料的本构行为，易于破坏准则掌握及破坏机理分析。如何尽可能保证试件拉伸过程中应力均匀布及避免偏心受力，直接影响到试验的成功率和准确度。
目前，对水泥混凝土较大构件的轴向抗拉强度的已有较多研究，但是对水泥净浆和水泥胶凝材料的轴向抗拉强度的研究较少。根据水泥胶凝材料试件装卡在试验机上、下夹头中的装卡方式和试件形状不同，国内外常用的试件装卡方式可分为外夹式、内埋式、粘贴式和植筋法四种。不同方法存在不同的问题：
(1)外夹式(即端部摩擦夹持式)：是通过试验机加载夹具与试件端部侧面的摩擦力来传递拉力。这种连接方法简单易行，但是可能由于夹持摩擦力不足导致夹具一试件连接面滑移，也可能因夹持处应力集中造成试件端部局部损坏进而影响试验继续进行。另外试件两端的形状适应于传递轴向拉力所需的试验装卡方式，所以外夹式试件，一般两端部要加大，要求模具尺寸准确、严格对称，以保证试件安装在试验机上时能够准确定位，试模制造复杂、难度高。如最早采用的8字形试件，但其两端夹具比较复杂并且对中(使试件真正中心受拉)困难，出现偏心和外施荷载处破损，并且试件形状不易于制作。
(2)粘贴式：是在混凝土试件的端部各粘贴一块一定厚度的钢板，然后沿中心轴线施加荷载。采用粘结钢板传力时，虽然可以克服外夹式应力集中及夹持端表面损伤的弊病，但是可能由于钢板不平或试件与胶固结过程中钢板产生滑移导致加载轴心不对中产生偏心；目前可供选择的环氧树脂类粘结剂固化时间太长，以致试验难以接受；并且粘贴钢板和混凝土表面黏贴连接时很难保证断面和轴线垂直；粘贴钢板或混凝土表面处理困难。
(3)内埋式：是通过试验机~试件之间使用部分预埋置在试件内部的锚件作为传力构件，这种连接方式能克服外夹式的应力集中和粘贴式操作复杂的问题。但是传统的内埋式，存在模具加工复杂、精度不高、预埋件出现偏心、不能重复利用等问题，并且内埋钢筋或螺杆的连接方式需要保证预埋件与混凝土试件间不能出现粘结滑移的现象，因此预埋件需要有一定的埋置深度，大尺寸试件对埋置深度的要求就更高，这就导致试件长度超出验机加载净空高度的范围。
(4)植筋法：是先在原有混凝土试件上用电锤钻成孔后，利用高强度的化学粘合剂，使植入的钢筋、螺杆等与混凝土孔壁间产生握裹力，从而达到预定的持力效果。它具有快速凝固、承载力高、使用范围广等优点。但是难以保证各个植入的钢筋或螺杆受力均匀不能使试件协同受力，容易造成初始缺陷或是产生滑移现象，影响试验结果，而且这种方法施工操作复杂。
通过对目前水泥混凝土轴向抗拉强度的分析，发现各种方法均有其不足，如荷载偏心是很难解决，试模制作困难、重复利用性差，施工操作复杂等问题。
【发明内容】
本发明的目的在于克服了现有测量装置的上述缺陷，提出了一种成型水泥基材料轴向抗拉强度试件的模具及测试方法，该装置结构简单，试验结果精确、稳定。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。包括施加荷载的试验机、试件成形试模、试件传力装置和数据采集装置。
所述的试件成形试模包括：
一块底板；
安装在底板上的两块端板和两块侧板，底板、端板和侧板围成一型腔；
两块中间板，两块中间板平行安装在底板上，并位于型腔内，将型腔分为三部分，两边的部分分别用于成型第一试件和第二试件，中间板、侧板、端板能够从底板上拆卸，并且中间板与侧板平行。
四个螺栓杆，每个螺栓杆均由连接为一体的钉头和光滑杆组成，在光滑杆的末端加工有螺纹，构成螺纹杆。在第一试件的两端分别预埋一个螺栓杆，在第二试件的两端也分别预埋一个螺栓杆。其中钉头埋入试件内，光滑杆穿过端板上的光滑通孔，螺纹杆延伸至端板外。钉头的平面面积为试件截面面积地1/3～1/2，螺栓杆埋入试件内的长度大于等于40mm，螺纹杆的长度小于等于20mm。
侧板位于型腔侧的中间位置加工有一个垂直于底板的通槽，用于垂直安插形成试件断裂初始裂缝的不锈钢片或铜片。
对使用上述模具成型的第一试件或第二试件进行测试的方法，具体包括以下步骤：
1)在第一试件21没有断裂初始裂缝9的三个侧面各贴一个电阻应变片22，在和第一试件用相同材料制成的温度补偿试件23上的一个、两个或三个面贴上温度补偿应变片24；
2)将电阻应变片22和温度补偿应变片24通过导线与动态电阻应变仪20相连；
3)将第一试件21两端的螺栓杆分别通过传力装置14与试验机1相连，试验机1与计算机相连；
4)试验机1按恒位移加载法开始施加荷载，动态电阻应变仪20和试验机同时开始记录数据，直到第一试件被拉断，试验结束。
步骤3)中所述的传力装置为万向铰14，万向铰包括球座15、设置在球座15内并能够在球座内转动的球头16、与球头固连的铁棒17、以及含有内螺纹并与球座固连的套管18，铁棒被试验机1夹持端19加持传递拉力，套管18的内螺纹与螺栓杆6的螺纹杆13构成螺纹连接。万向铰垂直转动范围限定为90°～180°，水平转动360°。
本发明具有以下优点：
1.本发明能直接测得水泥基材料的轴向抗拉强度，试验结果精确、稳定。
2.利用改进的标准水泥胶砂三联作试模，能提高试件的精度，操作简单方便，模具可以重复利用。
3.试件的传力装置：万向铰能消除施加于试件两端的两个拉力之间的偏心，使两个拉力在同一直线上，球铰在加载的任何阶段，均可保持在空间任一个方向的自由转动，实验机装卡简单。
4.内埋螺栓钉头在传力时能使试件断裂面上产生均匀拉应力，并且可以减小螺栓杆的埋置深度，进而可以减小试件的长度。
5.测量结果包括试验机自身测得的应力～应变关系曲线及数据和动态电阻应变仪直接测取的应变值，二者相互补充修正，实验结果更准、可靠、丰富。
【附图说明】
图1试验装置结构示意图
图2试件成型试模结构示意图
图3端板结构示意图
图4螺栓杆结构示意图
图5试件传力装置
图6外接监测装置的结构示意图
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步说明：
本发明的结构如图1、图2所示，包括施加荷载的试验机、试件成形试模、试件传力装置和数据采集装置。
第一试件成型部分的结构如图2所示，成型待测第一试件的模具是改进式标准水泥胶砂三联试模，其成型试件的尺寸是40mm×40mm×160mm，改进式标准水泥胶砂三联试模由一块底板2、两块端板3、两块侧板4和两块中间板5，两块端板3和两块侧板4均安装在底板上，底板、端板和侧板围成一型腔。两块中间板平行安装在底板上，并位于型腔内，将型腔分为三部分，两边的部分用于成型试件，即该三联试模一次只能浇筑两个试块。各板之间可以拆卸组装。各部分的材质均为铸铁不锈钢。其中端板的两侧中心部位有两个光滑通孔7，其直径范围为10mm，以便于螺栓杆6穿过。侧板位于型腔侧的中间位置加工有一个垂直于底板的通槽8，其位置位于侧板中间，用途是垂直安插形成断裂初始裂缝9的不锈钢片或铜片10。螺栓杆6是由固定为一体的钉头11和光滑杆12组成，在光滑杆的末端加工有螺纹，构成螺纹杆13，试件浇注前先将螺栓杆螺帽部分插入模具的侧槽内，使钉头埋入试件内，使试件中间部能分均匀受力，并不致于在拉伸时将螺栓杆拔出。光滑螺杆穿过端板上的通孔7，光滑杆与光滑通孔7相吻合，不松动，使预埋螺栓轴心。螺纹杆外露，与传力装置14中的有内螺纹的套管18相连。其中螺栓帽的面积为试件截面面积的1/2左右。螺栓杆6的总长度为80mm，光滑段为60mm，螺纹段为20mm，埋入试件内的部分长为50mm，外露部分为30mm。在两个侧板内侧中间垂直于底板开宽1mm深2mm的槽，为了在将水泥振捣完成后能容易的将宽10mm厚0.8mm长大于50mm的贴片垂直插入试件内，在试件凝结后将不锈钢片拔出，试件侧面中间就形成了宽0.8mm深8mm的预留裂缝。继续养护24小时后脱模，脱模时只需将端板和侧板慢慢拆除掉，将试块放入标准养护室(温度20℃±1℃、相对湿度是90％以上)养护到实验龄期待用。
轴向拉伸试验部分：在试验前两天将试讲在标准养护室内取出，在养护好待测第一试件21没有预留裂缝的三侧各贴一个电阻应变片22，同时在相同材料的温度补偿试件23上贴温度补偿应变片24，贴完片后待用。试验时将待测第一试件21和温度补偿试件23上的温度补偿应变片24外接导线和动态电阻应变仪20相连，并将贴有电阻应变片22的第一试件21两端螺纹杆与传力装置万向铰14的内螺纹套管18相连，其中传力装置万向铰14是由球座15和球头16组成，目的是连接构件和试验机施加荷载的端头，使施加于试件两端的两个拉力之间不产生偏心，使两个拉力在同一直线上。其中球头上部连有一长约30mm铁棒17，与试验机1的夹具相连；球座的下部连有长为20mm的内螺纹套管18，上部铁棒能在空间任一个方向的自由转动。然后将带有电阻应变片的待测试件通过传力装置万向铰安装试验机的两夹持端19上。开始施加荷载，同时动态应变仪20采集电阻应变片数据，直至第一试件被破坏，试验结束。
本发明的监测装置结构参见图6。它包括两部分，一部分是电阻应变片22的外接导线连接动态电阻应变仪20，动态电阻应变仪20自动连续采集数据信息，并自动保存。另一部分是试验机1施加的荷载，通过计算机软件控制加载的速度，同时将所加荷载的数值传入数据采集系统保存。两个读数要同时进行才能反映每一对应时刻荷载～应变的关系，进一步做应力～应变曲线图。其中应力等于荷载除以断裂截面的有效面积。电阻应变片、动态电阻应变仪、万向铰及试验机都可以采用市场销售产品。
本实施例的使用方法是：
将改进后的三联试模组装好，刷油并将螺栓杆插入端板光滑通孔内。将新拌好的水泥浆体装入试模，振捣完毕，抹平垂直插入不锈钢片，送入养护室，等待凝结后将不锈钢片拔出，继续养护24小时后脱模。试件继续养护至规定龄期。试验前两天将试块从标准养护室取出，贴电阻变片并在同种材料的试件上贴温度补偿片，将贴有应变片和装有传力装置万向铰的试件一并连接到试验机施加荷载的两夹持端头上，同时将电阻应变片的外接导线和动态电阻应变仪相连。试验机开始施加荷载，试件开始拉伸时采用恒荷载控制模式，稳定拉伸后再转换为变形控制模式直至试验结束。