直型短切纤维拉拔试验试样成型模具及其制件方法与流程

本发明属于短纤维增强水泥基复合材料技术领域，具体涉及一种直型短切纤维拉拔试验试样成型模具及其制件方法。

背景技术：

纤维在水泥基体中的粘结拔出特性是开发高性能纤维水泥基复合材料、发展纤维水泥基复合材料细观力学模型以及对纤维合理改性的重要依据，而单根纤维在基体中的拔出实验是确定临界嵌入长度(即超过此长度纤维将以很高的概率从基体拉断，短于此长度将会有很高的概率发生拔出破坏)的最直接试验方法，而发生纤维拔出破坏情况下的单根纤维拔出实验结果则可直接用于确定纤维在基体或复合材料中的摩擦粘结强度、化学粘结强度和滑移硬化系数等细观力学参数。针对短切有机纤维在基体中的拔出实验，现有的制样方法有以下突出的问题：1、许多研究者都尽可能使用相应的长纤维来制作有关试样，但在实际中，更多的研究者根本无法获得与短切纤维相对应的长纤维，并且在使用长纤维的情况下还将面临以下一些问题：

1)许多纤维，尤其是亲水性纤维，典型如聚乙烯醇纤维，即使是在经过表面处理情况下其在水泥基基体中的临界嵌入长度也仅有1mm左右甚至更短，而现有的方法是采取利用长纤维制样而后使用切割机切出指定厚度(同纤维嵌入长度)，而当纤维临界嵌固长度仅有1mm左右甚至更短时，切割操作将变得非常困难，即使非常熟练和小心仍然很容易损坏试件，并且在切割时很可能导致纤维嵌固端的尾部发生明显的变形，进而可能导致测试结果与实际不符。

2)切割出来试件的切割面一旦出现不平整或是倾斜的现象，单根纤维拔出试样将还需要进行磨平处理，而这一处理过程同样可能损坏或损伤试件，同样可能导致纤维嵌固端的尾部发生明显变形，进而导致实验结果与实际不符。

3)现有的方法直接将经切割和磨平处理后的试件使用胶水直接粘贴于试验辅具(通常是金属质地)上，纤维的尾部有接触到胶水的风险，一旦纤维尾部接触到胶水，则将导致拔出实验结果不可信。

2、发现的极少数的研究者利用了短纤维制作单根纤维拔出试验试样，但其未采取合理的手段控制纤维的方向，即该制样方法纤维在基体中的嵌入方向几乎不受控制，其对实验结果的影响完全不受控制，难以估计。

技术实现要素：

本发明针对以上缺点，立足于解决现有纤维拉拔试验试样制作困难，纤维长度不易控制的问题。提出了一种直型短切纤维拉拔试验试样成型模具及其制件方法，该模具及制件方法通过合理的结构设计，可准确控制纤维在试样基体中的嵌入长度，同时可以确保纤维不发生破坏并保持原貌，确保实验结果的准确性和可靠性。为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案是：

直型短切纤维拉拔试验试样成型模具，包括紧固件，其特征是，所述紧固件穿过横向挡板、模具底板、第一定位柱、第一定位板、第二定位柱和第二定位板将其锁紧为一体；横向挡板和纵向挡板安装在所述模具底板上面围成试件模腔，盖板盖在横向挡板和纵向挡板上面；所述第一定位板和第二定位板顺次安装在模具底板下方；所述盖板、模具底板、第一定位板和第二定位板上面均设有处于同一轴心的多个穿针孔。

优先地，所述横向挡板和/或纵向挡板内侧开设有槽口,槽口与试件模腔邻接边缘高度低于其自身对应的顶面高度0.5-2mm，其高差宜控制在不超过基体原料中物料最大粒径的1.5～2倍，通过多次实验，优选1mm，当槽口靠近试件模腔低1mm时，在盖板盖上之后，多余的制件物料会被压入槽口内，确保试件表面平整。横向挡板和纵向挡板也可以单独开设槽口。另外，槽口的截面形状可以是弧形、矩形、梯形、倒梯形或倒三角形。

优先地，所述第二定位板的穿针孔下方还开设有螺纹孔，螺丝旋在螺纹孔内，采用此种设计方式，可以精确控制纤维在试件基体中的嵌入长度，满足不同的实验需求。

优先地，模具底板底面覆有橡胶片，橡胶片采用1mm～2mm厚的橡胶片，橡胶片与试件基体接触面不需要涂刷脱模剂即可与试件分离，可避免脱模剂对所接触基体可能产生的不利影响，尤其是避免当纤维嵌入长度很短时脱模剂可能对基体产生的不利影响。

在试样的制作中，纤维和基体可能呈现不同倾角，因此，穿针孔与各板形成的夹角为15-90度，这样穿针孔可以根据试验要求，既可以垂直穿过也可以倾斜穿过布设在盖板、模具底板、第一定位板和第二定位板上面。

基于上述装置，本发明还提出了一种直型短切纤维拉拔试验试样成型模具制件方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将纤维的一端通过浆糊黏贴在钢针的尾部，静置直到浆糊固化使纤维连接固定在钢针上；

2)将橡胶片利用浆糊平整地黏贴在试模底板上，待浆糊固化后，使用与穿针孔匹配的钢针将试模穿针孔上方的橡胶片扎穿；

3)调整好螺丝在螺纹孔内旋入高度，以保证尾部固定纤维的钢针在穿过第二定位板上的穿针孔抵达螺丝顶部时，纤维尾部留在基体内的长度为目标长度；

4)将样料倒入试件模腔内，盖上盖板将试样表面压平，多余的浆料被压入槽口内；

5)开始将步骤1)制成的钢针带着纤维顺着盖板上面的穿针孔开始依次下穿，最后钢针顶部顶在螺丝到达设定位置，此时纤维尾部以目标长度嵌在试件基体内；

6)基于步骤5)，将整个装置放置24小时以上，使试件固化成型；

7)基于步骤6)，卸下盖板和定位钢针，将整个装置放入水中浸泡10-30分钟，使钢针与纤维黏结的浆糊软化，两者分离完成；

8)基于步骤7)，卸下螺丝，使钢针自动掉落，卸下橡胶片，利用切割机将连排分布的多个试样切成独立的单丝纤维拉拔试样即完成试件制作。

在上述制件方法中，步骤1所述的浆糊为米浆浆糊、淀粉浆糊或面粉浆糊，这三种材料最容易获得，同时其效果不是永久性的，若用水浸泡，可以使其黏性自动失效，满足本实验不破坏纤维的要求。

在上述的制件方法中，钢针顶部是设有缺口的，由于纤维的直径很细，可以将其通过黏糊黏在钢针的缺口位置，这样确保每根纤维在试样上的拨出长度都相同。在上述的制件方法中，步骤2)所述的将橡胶片使用米浆浆糊、淀粉浆糊或面粉浆糊平整地黏贴在试模底板上，待浆糊固化后进行后续操作。

在上述的制件方法中，步骤2)使用与穿针孔匹配的钢针预先将模具底板正上方的橡胶片扎穿，以减小制样时尾部带纤维钢针穿针穿过橡胶片时的阻力，橡胶片本身具备的弹性特征优将保证钢针拔出后基本闭合，从而保证浇筑试件时的集体材料不会透过橡胶片上的穿针孔流失。

与现有的技术相比，本发明的优点是：本发明通过合理的结构设计，可准确控制纤维在试样中的拔插长度，同时可以确保纤维不发生破坏，确保实验结构的准确性和可靠性。本发明结构简单，制件方便，适宜推广使用。

附图说明

现在接下来借助于实施例的附图来对本发明进行简短的描述。附图中：

图1示出了本发明直型短切纤维拉拔试验试样成型模具的主视图；

图2示出了本发明直型短切纤维拉拔试验试样成型模具的侧视图；

图3示出了本发明制件区域的结构示意图；

图4示出了本发明制件钢针穿拔试件流程示意图。

图中：1、横向挡板，2、钢针，3、穿针孔，4.盖板，5、模具底板，6、第一定位板，7、第二定位板，8、支柱，9、螺纹孔，10、纵向挡板，11、螺丝，12、试件模腔，13、橡胶片，14、紧固件，15、第一定位柱，16、第二定位柱，17、定位钢丝。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

利用本发明制备的模具制作单根玄武岩纤维拔出试样：目标试样使用直型短切玄武岩纤维，纤维的长度和直径分别为15mm和9μm，试样中纤维嵌入到基体中的长度为1mm，穿针孔3垂直穿过盖板4、模具底板5、第一定位板6和第二定位板7。

如图所示，直型短切纤维拉拔试验试样成型模具，包括紧固件14，紧固件14为螺丝。紧固件14穿过横向挡板1、模具底板5、第一定位柱15、第一定位板6、第二定位柱16和第二定位板7将其锁紧为一体形成整个模具。另外，第二定位板7的下方还连接有支柱8，支柱8可以将整个模具撑起，便于试件的制作。横向挡板1和纵向挡板10安装在所述模具底板5上面围成试件模腔12，模具底板5底面覆有橡胶片13。横向挡板1和纵向挡板10内侧开设有槽口,槽口与试件模腔12邻接边缘高度低于其自身对应的端面高度0.5mm，本实施例中，槽口的截面形状为弧形。

盖板4盖在横向挡板1和纵向挡板10上面；所述第一定位板6和第二定位板7顺次安装在模具底板5下方；所述盖板4、模具底板5、第一定位板6和第二定位板7上面均设有处于同一轴心的多个穿针孔3。在整个模具的安装过程中，为了保证各部件的穿针孔3都准确位于同一轴心，可以通过定位钢丝17穿在各部件的预留孔中，进行定位，然后在锁紧紧固件14。

在模具使用中，为了准确控制纤维在试件上面的拔出长度，满足不同的实验要求，我们在第二定位板7的穿针孔3下方还开设有螺纹孔9，螺丝11旋在螺纹孔9内，可以通过螺丝11旋入螺纹孔9内的距离来顶住钢针，从而能准确控制纤维的拨出长度。

基于上述装置，所使用的钢针2为顶部设有缺口的钢针，本实施中的制件方法，包括以下步骤：

1)将纤维的一端通过米浆浆糊黏贴在钢针2的尾部，静置20分钟，直到浆糊固化使纤维连接固定在钢针2上；

2)将橡胶片13利用浆糊平整地黏贴在试模底板上，待浆糊固化后，使用与穿针孔匹配的钢针将试模穿针孔上方的橡胶片13扎穿；

3)调整好螺丝在螺纹孔9内旋入高度，以保证尾部固定纤维的钢针在穿过第二定位板7上的穿针孔抵达螺丝顶部时，纤维尾部留在基体内的长度为目标长度；

4)将样料倒入试件模腔12内，盖上盖板4将试样表面压平，多余的浆料被压入槽口内；

5)开始将步骤1)制成的钢针2带着纤维顺着盖板4上面的穿针孔开始依次下穿，最后钢针顶部顶在螺丝11到达设定位置，此时纤维尾部以目标长度嵌在试件基体内；

6)基于步骤5)，将整个装置放置25小时，使试件固化成型；

7)基于步骤6)，卸下盖板和定位钢针，将整个装置放入水中浸泡10分钟，使钢针与纤维黏结的浆糊软化，两者分离完成；

8)基于步骤7)，卸下螺丝11，使钢针2自动掉落，卸下橡胶片13，利用切割机将连排分布的多个试样切成独立的单丝纤维拉拔试样即完成试件制作。

实施例2

本实施例模具的结构于实施1相同，本实施例是用来制作单根聚乙烯纤维拔出试样，纤维直径为25μm，纤维长度为12mm，纤维嵌入到基体中的目标长度为2mm，所使用的钢针2为顶部设有缺口的钢针且穿针孔3倾斜45度穿过盖板4、模具底板5、第一定位板6和第二定位板7，包括以下步骤：

1)将纤维的一端通过面粉浆糊黏贴在钢针2的尾部，静置30分钟，直到浆糊固化使纤维连接固定在钢针2上；

2)将橡胶片13利用浆糊平整地黏贴在试模底板上，待浆糊固化后，使用与穿针孔匹配的钢针将试模穿针孔上方的橡胶片13扎穿；

3)调整好螺丝在螺纹孔9内旋入高度，以保证尾部固定纤维的钢针在穿过第二定位板7上的穿针孔抵达螺丝顶部时，纤维尾部留在基体内的长度为目标长度；4)将样料倒入试件模腔12内，盖上盖板4将试样表面压平，多余的浆料被压入槽口内；

5)开始将步骤1)制成的钢针2带着纤维顺着盖板4上面的穿针孔开始依次下穿，最后钢针顶部顶在螺丝11到达设定位置，此时纤维尾部以目标长度嵌在试件基体内；

6)基于步骤5)，将整个装置放置25小时，使试件固化成型；

7)基于步骤6)，卸下盖板和定位钢针，将整个装置放入水中浸泡30分钟，使钢针与纤维黏结的浆糊软化，两者分离完成；

8)基于步骤7)，卸下螺丝11，使钢针2自动掉落，卸下橡胶片13，制件完成，沿着与纤维平行的方向，在相邻两根纤维中间位置切开即可制得最终单个单根纤维拔出试样。