CN110530722B - 高延性水泥基材料单轴拉伸模具及试件制法和测试方法 - Google Patents

高延性水泥基材料单轴拉伸模具及试件制法和测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高延性水泥基材料单轴拉伸模具及试件制法和测试方法，所述模具包括底板、下试模组件、下框架、中试模组件、上框架、上试模组件、第一纤维和第二纤维；所述下试模组件、中试模组件和上试模组件拼装后结构一致且内部空腔形成多个呈哑铃状的试件区域，通过螺钉固定于底板；所述下框架和上框架通过螺钉固定于底板；所述第一纤维和第二纤维纵横均匀设置于试件区域宽度变窄处；所述试件制法包括浇铸和拆模流程，制得变截面处加密第一纤维和第二纤维的哑铃状试件。本发明模具实现一次性浇铸多个试件，组装和拆模方便；纵横均匀布置的纤维对试件变截面处加筋，提高了试件的抗拉强度，有利于评价高延性水泥基材料的应变‑硬化行为。

Description

高延性水泥基材料单轴拉伸模具及试件制法和测试方法
技术领域
本发明涉及高延性水泥基材料的力学性能测试领域，具体涉及一种高延性水泥基材料单轴拉伸模具及试件制作方法和测试方法。
背景技术
高延性水泥基材料ECC是一种特殊的高性能纤维增强水泥基材料。ECC材料基于断裂力学和微观力学理论进行设计，采用调整纤维、基质以及纤维与基质的界面性能等手段以提升ECC的力学性能。弯曲作用下，ECC材料展现出超高的变形能力，具有类似金属的应变-硬化行为。
研究ECC材料的应变-硬化行为，多采用单轴拉伸试验和弯拉试验。进行单轴拉伸试验时，由于传统的薄板拉伸试件在靠近夹头的位置容易出现应力集中，使得ECC试件在该处提前出现破坏性裂缝，不能很好的表现出ECC材料的应变.硬化特性以及多缝开裂行为。为此，很多学者采用“哑铃型”或“狗骨型”试件开展ECC材料的单轴拉伸试验，“哑铃型”或“狗骨型”试件的宽度有一个平缓的过渡区，能够很好地避免出现应力集中。
但是，如图1所示，“哑铃型”或“狗骨型”试件宽度变化处，由于界面面积变化而在拉伸过程中存在应力集中现象，存在影响试验结果的提前开裂现象，易造成ECC材料单轴拉伸试验中应力和应变小于实际值，影响ECC材料的应变-硬化行为的评价。
发明内容
发明目的：本发明提出一种高延性水泥基材料单轴拉伸模具，能够解决高延性水泥基材料单轴拉伸状态下力学性能评价问题；
本发明的第二个目的是提出一种基于上述模具制作试件的方法；
本发明的第三个目的是提出一种基于上述模具所制得试件的测试方法。
技术方案：本发明的一种高延性水泥基材料单轴拉伸模具，包括底板、下试模组件、下框架、中试模组件、上框架和上试模组件；所述下试模组件、中试模组件和上试模组件拼装后结构一致且内部空腔形成多个形状相同的呈哑铃状的试件区域，并通过螺钉固定在底板上；所述下框架和上框架的四个角通过螺钉固定在底板上；所述第一纤维和第二纤维放置于下试模组件和中试模组件、中试模组件和上试模组件之间，且交叉均匀设置于试件区域宽度变窄处。
其中，所述第一纤维垂直于试件区域长度方向的第二个宽度变化处并均匀布设。
其中，所述第二纤维垂直搭接在试件区域内的第一纤维上并均匀布设，其长度和第一纤维的布设宽度相同。
其中，所述下试模组件包括侧翼下模块、中部下模块和边部下模块，通过螺钉连接固定；所述中试模组件包括侧翼中模块、中部中模块和边部中模块，通过螺钉连接固定；所述上试模组件包括侧翼上模块、中部上模块和边部上模块，通过螺钉连接固定。
其中，所述侧翼下模块、中部下模块、边部下模块、侧翼中模块、中部中模块、边部中模块、侧翼上模块、中部上模块、边部上模块、下框架和上框架的厚度相同。
利用上述高延性水泥基材料单轴拉伸模具制作试件的方法，包括浇铸流程和拆模流程制得变截面处加密第一纤维和第二纤维的哑铃型试件；
所述浇铸流程包括如下步骤：
(a)拼装下试模组件并置于底板上，将下试模组件螺孔和底板螺孔对正；
(b)在下框架上确定第一纤维和第二纤维的位置，固定好第一纤维和第二纤维，第二纤维长度和第一纤维的布设宽度相同，再将下框架置于底板上，将下框架螺孔和底板螺孔对正；
(c)重复步骤(a)和(b)，依次拼装中试模组件、固定好第一纤维和第二纤维在上框架的位置和拼装上试模组件，再将中试模组件、上框架和上试模组件依次放置在底板上，和底板螺孔对正；
(d)将下框架和上框架的四个角，以及下试模组件、中试模组件和上试模组件的四个角分别通过螺钉固定在底板上；
(e)在下试模组件、中试模组件和上试模组件拼装后形成的哑铃状的试件区域侧壁和地面涂油，在槽内浇入高延性水泥基材料，将模具置于振实台上，振动模具使高延性水泥基材料密实，高延性水泥基材料顶部与上试模组件顶部平齐，完成试件浇筑；
所述拆模流程包括以下步骤：
(f)将浇铸好的试件连同模具在规定湿度和温度下养护后，解除上试模组件、中试模组件、下试模组件与底板的连接螺钉；
(g)解除上试模组件的固定螺钉，拆除上试模组件；
(h)沿各试件侧面剪断第一纤维，解除上框架、下框架和底板的连接螺钉，拆除上框架；
(i)解除中试模组件的固定螺钉，拆除中试模组件；
(g)沿各试件侧面剪断第一纤维，拆除下框架；
(k)解除下试模组件的固定螺钉，拆除下试模组件。
其中，所述浇铸流程步骤(a)中拼装下试模组件是将侧翼下模块、中部下模块和边部下模块通过螺钉连接固定；所述浇铸流程步骤(c)中拼装中试模组件是将侧翼中模块、中部中模块和边部中模块通过螺钉连接固定；拼装上试模组件是将侧翼上模块、中部上模块和边部上模块通过螺钉连接固定。
其中，所述拆模流程步骤(f)中解除上试模组件、中试模组件、下试模组件与底板的连接螺钉，是解除侧翼上模块、侧翼中模块和侧翼下模块与底板的连接螺钉；所述拆模流程步骤(g)中解除上试模组件的固定螺钉是解除侧翼上模块、中部上模块和边部上模块的固定螺钉；所述拆模流程步骤(i)中解除中试模组件的固定螺钉是解除侧翼中模块、中部中模块和边部中模块的固定螺钉；所述拆模流程步骤(k)中解除下试模组件的固定螺钉是解除侧翼下模块、中部下模块和边部下模块的固定螺钉。
对上述高延性水泥基材料单轴拉伸模具制作试件的方法所制得试件进行测试的方法，将哑铃型试件置于单轴拉伸夹具中，穿入螺杆，使哑铃型试件与单轴拉伸夹具贴合紧密，单轴拉伸夹具用测试仪器夹头夹紧固定；使用位移加载法开始加载，直至哑铃型试件断裂或失去承载能力，完成测试。
具体地，本发明的高延性水泥基材料单轴拉伸试件模具及制作试件的方法，采用侧翼模块、中间模块和边部模块拼装组成多组具有上、中、下结构的试模组件，通过在与侧翼模块等厚度的上下两个框架上纵横均匀布设纤维来实现试件的局部加筋，不易产生应力集中现象，提高试件变截面处的抗拉强度，保证试件在单轴拉伸状态下从中间薄弱部位开裂破坏。
有益效果：本发明具有以下优点：(1)本发明模具实现了一次性浇铸多个试件，模具组装和拆模方便；(2)本发明采用纵横均匀布置的纤维对试件变截面处进行加筋，提高了试件的抗拉强度，保证试件在单轴拉伸状态下从中间薄弱部位开裂破坏，有利于对高延性水泥基材料的应变-硬化行为进行评价；(3)本发明结构简易，容易操作。
附图说明
图1是现有技术中试件单轴拉伸下的开裂形态示意图；
图2是本发明模具组装前示意图；
图3是本发明模具组装后示意图；
图4是本发明试件示意图；
图5是本发明试件测试过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图2和图3所示，一种高延性水泥基材料单轴拉伸试件模具，包括底板1、下试模组件2、下框架3、中试模组件4、上框架5、上试模组件6、第一纤维11和第二纤维12；下试模组件2、中试模组件4和上试模组件6拼装后结构一致且内部空腔形成多个形状相同的呈哑铃状的试件区域，并通过螺钉固定在底板1上；下框架3和上框架5的四个角通过螺钉固定在底板1上；第一纤维11和第二纤维12放置于下试模组件2和中试模组件4、中试模组件4和上试模组件6之间，且纵横均匀设置于试件区域宽度中间变窄的过渡处。其中，下试模组件2、中试模组件4和上试模组件6分别由两个侧翼模块、中部模块、两个边部模块组装而成，其中中部模块的数量可以根据实际情况确定，本实施例采用的中部模块为两个。侧翼模块侧端、中部模块侧端和边部模块预留有相对应的螺孔，通过八根螺钉固定连接。
具体地，下试模组件2由两个侧翼下模块21、两个中部下模块22和两个边部下模块23组装而成，中试模组件4由两个侧翼中模块41、两个中部中模块42和两个边部中模块43组装而成，上试模组件6由两个侧翼上模块61、两个中部上模块62和两个边部上模块63组装而成。其中，侧翼下模块21、侧翼中模块41和侧翼上模块61两端预留有同底板1相对应的螺孔，通过四根螺钉与底板1固定；下框架3和上框架5的四个角预留有与底板1相对应的螺孔，通过四根螺钉与底板1固定；其中侧翼下模块21、中部下模块22、边部下模块23、侧翼中模块41、中部中模块42、边部中模块43、侧翼上模块61、中部上模块62、边部上模块63、下框架3和上框架5的厚度相同。第一纤维11垂直于试件区域长度方向的第二个宽度变化处并均匀布设，本实施例设置3根；第二纤维12垂直搭接在试件区域内的第一纤维11上并均匀布设，其长度和第一纤维11的布设宽度相同，本实施例设置3根。
利用述的高延性水泥基材料单轴拉伸模具制作试件的方法，包括浇铸流程和拆模流程，制得变截面处加密第一纤维11和第二纤维12的哑铃型试件13；其中所述浇铸流程包括如下步骤：
(a)将侧翼下模块21、中部下模块22和边部下模块23通过螺钉固定拼装成下试模组件2并置于底板1上，将下试模组件2螺孔和底板1螺孔对正；
(b)在下框架3上确定第一纤维11和第二纤维12的位置，先将第一纤维11粘贴在下框架3上，再将第二纤维12垂直搭接粘贴在第一纤维11上，保证其长度正好和第一纤维11的布设宽度相同，再将下框架3置于底板1上，将下框架3螺孔和底板1螺孔对正；
(c)重复步骤(a)和(b)，依次将侧翼中模块41、中部中模块42和边部中模块43通过螺钉固定拼装成中试模组件4，将侧翼上模块61、中部上模块62和边部上模块63通过螺钉固定拼装成上试模组件6，粘贴固定好第一纤维11和第二纤维12在上框架5的位置，再将中试模组件4、上框架5和上试模组件6依次放置在底板1上，和底板1螺孔对正；
(d)将下框架3和上框架5的四个角，以及下试模组件2、中试模组件4和上试模组件6的四个角分别通过螺钉固定在底板1上；
(e)在下试模组件2、中试模组件4和上试模组件6拼装后形成的哑铃状的试件区域侧壁和地面涂油，在槽内浇入高延性水泥基材料，将模具置于振实台上，振动模具使高延性水泥基材料密实，高延性水泥基材料顶部与上试模组件6顶部平齐，完成试件浇筑；此时第一纤维11未被水泥基材料包裹的部分漏在试件外面，第二纤维12则完全被水泥基材料包裹在试件里。
所述拆模流程包括以下步骤：
(f)将浇铸好的试件连同模具在规定湿度和温度下养护后，解除侧翼上模块61、侧翼中模块41和侧翼下模块21与底板1的连接螺钉，也就是解除上试模组件6、中试模组件4、下试模组件2与底板1的连接；
(g)解除侧翼上模块61、中部上模块62和边部上模块63的固定螺钉，拆除上试模组件6；
(h)沿各试件侧面剪断第一纤维11，解除上框架5、下框架3和底板1的连接螺钉，拆除上框架5；
(i)解除侧翼中模块41、中部中模块42和边部中模块43的固定螺钉，拆除中试模组件4；
(g)沿各试件侧面剪断第一纤维11，拆除下框架3；
(k)解除侧翼下模块21、中部下模块22和边部下模块23的固定螺钉，拆除下试模组件2。
本模具可以根据实际需要设计合适的试件尺寸，如图4所示，本实施例所制备的试件尺寸长度方向的尺寸分别为两端85mm、变截面处过渡区长度为40mm，最窄处长度为80mm；宽度方向最宽为60mm，最窄为30mm；厚度为13mm。将上述方法所制得试件进行测试，如图5所示，将哑铃型试件13置于单轴拉伸夹具14中，穿入螺杆，使哑铃型试件13与单轴拉伸夹具14贴合紧密，单轴拉伸夹具14用测试仪器夹头15夹紧固定；使用位移加载法开始加载，直至哑铃型试件13断裂或失去承载能力，完成测试。

Claims (6)

1.一种高延性水泥基材料单轴拉伸模具，其特征在于：包括底板(1)、下试模组件(2)、下框架(3)、中试模组件(4)、上框架(5)、上试模组件(6)、第一纤维(11)和第二纤维(12)；所述下试模组件(2)、中试模组件(4)和上试模组件(6)拼装后结构一致且内部空腔形成多个形状相同的呈哑铃状的试件区域，并通过螺钉固定在底板(1)上；所述下框架(3)和上框架(5)的四个角通过螺钉固定在底板(1)上；所述第一纤维(11)和第二纤维(12)放置于下试模组件(2)和中试模组件(4)、中试模组件(4)和上试模组件(6)之间，且纵横均匀设置于试件区域宽度变窄处；
所述第一纤维(11)垂直于试件区域长度方向的第二个宽度变化处并均匀布设；所述第二纤维(12)垂直搭接在试件区域内的第一纤维(11)上并均匀布设，其长度和第一纤维(11)的布设宽度相同。
2.根据权利要求1所述的一种高延性水泥基材料单轴拉伸模具，其特征在于：所述下试模组件(2)包括侧翼下模块(21)、中部下模块(22)和边部下模块(23)，通过螺钉连接固定；所述中试模组件(4)包括侧翼中模块(41)、中部中模块(42)和边部中模块(43)，通过螺钉连接固定；所述上试模组件(6)包括侧翼上模块(61)、中部上模块(62)和边部上模块(63)，通过螺钉连接固定。
3.根据权利要求2所述的一种高延性水泥基材料单轴拉伸模具，其特征在于：所述侧翼下模块(21)、中部下模块(22)、边部下模块(23)、侧翼中模块(41)、中部中模块(42)、边部中模块(43)、侧翼上模块(61)、中部上模块(62)、边部上模块(63)、下框架(3)和上框架(5)的厚度相同。
4.一种利用权利要求1所述的高延性水泥基材料单轴拉伸模具制作试件的方法，其特征在于：包括浇铸流程和拆模流程制得变截面处加密第一纤维(11)和第二纤维(12)的哑铃型试件(13)；
所述浇铸流程包括如下步骤：
(a)拼装下试模组件(2)并置于底板(1)上，将下试模组件(2)螺孔和底板(1)螺孔对正；
(b)在下框架(3)上确定第一纤维(11)和第二纤维(12)的位置，固定好第一纤维(11)和第二纤维(12)，第二纤维(12)长度和第一纤维(11)的布设宽度相同，再将下框架(3)置于底板(1)上，将下框架(3)螺孔和底板(1)螺孔对正；
(c)重复步骤(a)和(b)，依次拼装中试模组件(4)、固定好第一纤维(11)和第二纤维(12)在上框架(5)的位置和拼装上试模组件(6)，再将中试模组件(4)、上框架(5)和上试模组件(6)依次放置在底板(1)上，和底板(1)螺孔对正；
(d)将下框架(3)和上框架(5)的四个角，以及下试模组件(2)、中试模组件(4)和上试模组件(6)的四个角分别通过螺钉固定在底板(1)上；
(e)在下试模组件(2)、中试模组件(4)和上试模组件(6)拼装后形成的哑铃状的试件区域侧壁和地面涂油，在槽内浇入高延性水泥基材料，将模具置于振实台上，振动模具使高延性水泥基材料密实，高延性水泥基材料顶部与上试模组件(6)顶部平齐，完成试件浇筑；
所述拆模流程包括以下步骤：
(f)将浇铸好的试件连同模具在规定湿度和温度下养护后，解除上试模组件(6)、中试模组件(4)、下试模组件(2)与底板(1)的连接螺钉；
(g)解除上试模组件(6)的固定螺钉，拆除上试模组件(6)；
(h)沿各试件侧面剪断第一纤维(11)，解除上框架(5)、下框架(3)和底板(1)的连接螺钉，拆除上框架(5)；
(i)解除中试模组件(4)的固定螺钉，拆除中试模组件(4)；
(g)沿各试件侧面剪断第一纤维(11)，拆除下框架(3)；
(k)解除下试模组件(2)的固定螺钉，拆除下试模组件(2)。
5.根据权利要求4所述的高延性水泥基材料单轴拉伸模具制作试件的方法，其特征在于：
所述浇铸流程步骤(a)中拼装下试模组件(2)是将侧翼下模块(21)、中部下模块(22)和边部下模块(23)通过螺钉连接固定；
所述浇铸流程步骤(c)中拼装中试模组件(4)是将侧翼中模块(41)、中部中模块(42)和边部中模块(43)通过螺钉连接固定；拼装上试模组件(6)是将侧翼上模块(61)、中部上模块(62)和边部上模块(63)通过螺钉连接固定；
所述拆模流程步骤(f)中解除上试模组件(6)、中试模组件(4)、下试模组件(2)与底板(1)的连接螺钉，是解除侧翼上模块(61)、侧翼中模块(41)和侧翼下模块(21)与底板(1)的连接螺钉；
所述拆模流程步骤(g)中解除上试模组件(6)的固定螺钉是解除侧翼上模块(61)、中部上模块(62)和边部上模块(63)的固定螺钉；
所述拆模流程步骤(i)中解除中试模组件(4)的固定螺钉是解除侧翼中模块(41)、中部中模块(42)和边部中模块(43)的固定螺钉；
所述拆模流程步骤(k)中解除下试模组件(2)的固定螺钉是解除侧翼下模块(21)、中部下模块(22)和边部下模块(23)的固定螺钉。
6.一种根据权利要求4所述的高延性水泥基材料单轴拉伸模具制作试件的方法所制得试件进行测试的方法，其特征在于：将哑铃型试件(13)置于单轴拉伸夹具(14)中，穿入螺杆，使哑铃型试件(13)与单轴拉伸夹具(14)贴合紧密，单轴拉伸夹具(14)用测试仪器夹头(15)夹紧固定；使用位移加载法开始加载，直至哑铃型试件(13)断裂或失去承载能力，完成测试。
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Application publication date: 20191203

Assignee: Suzhou Lifuyuan New Material Technology Co.,Ltd.

Assignor: HUAIYIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023980042499

Denomination of invention: High ductility cement-based materials - Uniaxial tensile molds and specimen preparation and testing methods

Granted publication date: 20220510

License type: Common License

Record date: 20230926