一种混凝土材料泊松比测定装置及测定方法与流程

本发明属于实验设备技术领域，尤其涉及一种混凝土材料泊松比测定装置。

背景技术：

泊松比是指材料在单向受拉或受压时，其横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，是反映材料横向变形的弹性常数。混凝土、生土等土工材料的泊松比是反应其弹性阶段横向变形能力的重要力学特性指标，因此准确测量出混凝土等土工材料的泊松比对于科研与实际工程都有着重要的意义。然而《普通混凝土力学性能试验方法标准GB/T50081-2016》中并未给出如何测定混凝土泊松比的试验方法，可供参考的相关资料也十分有限。由于暂无相关试验规范遵循，目前用于测定混凝土等土工材料泊松比的试验方法较为杂乱，测量精度也参差不齐。

技术实现要素：

为了解决以上问题，本发明提供了一种混凝土材料泊松比测定装置和一种混凝土材料泊松比测定方法，该测定装置整体结构简单，测量方便，测试精度高，该测定方法主要采用该测定装置对混凝土材料试件进行测定。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。

本发明提出一种混凝土材料泊松比测定装置，包括：位移计支架、球铰支座、箍圈和垫板；所述位移计支架的底部连接在液压千斤顶的钢墩台上，所述位移计支架上竖向固定有多个第一位移计和多个第二位移计；所述球铰支座放置在所述钢墩台上，所述球铰支座的台面上垂直设置有导向柱，至少一个所述第一位移计的撞针向下顶在所述球铰支座的台面上；所述箍圈水平设置，所述箍圈铰接在一个套管上，所述箍圈通过所述套管套装在所述导向柱上，所述箍圈包含两个半圆箍片，每个所述半圆箍片的一端为铰接端，另一端为自由端，两个所述半圆箍片通过铰接端相铰接，两个所述半圆箍片的自由端之间可拆卸连接有拉簧，其中一个所述半圆箍片的自由端上水平设置有第三位移计，所述第三位移计的撞针顶在另一个所述半圆箍片的自由端上；所述垫板水平设置在所述箍圈的正上方，所述垫板的上方设置有力传感器，所述垫板上设置有导向孔，所述垫板通过所述导向孔套装在所述导向柱上，至少一个所述第二位移计的撞针向下顶在所述垫片的上表面。

根据本发明的混凝土材料泊松比测定装置，试验人员在对混凝土或者生土制成的材料试件进行泊松比测定时，需要将箍圈套在材料试件侧壁上，同时将垫板垫在材料试件顶部，测定时随着液压千斤顶的向下压缩，材料试件发生竖向变形和横向变形，第一位移计和第二位移计的撞针分别顶在球铰支座的台面上和垫板的上表面，可准确测量出材料试件的竖向变形量，箍圈上的第三位移计可准确测量出材料试件的周长变形量，以此可换算出材料试件的直径变形量，最后根据相应公式可准确计算出混凝土或者生土制成的材料试件的泊松比和弹性模量。本发明的混凝土材料泊松比测定装置的结构简单，测量方便，测试精度高，可对混凝土材料或生土材料的泊松比测定试验进行规范，易于推广使用。

作为优选的，所述箍圈包括三组，三组所述箍圈分别铰接在所述套管的上端、中部和下端，每组所述箍圈上的一个所述半圆箍片的自由端上分别设置有一个所述第三位移计。

根据本发明的混凝土材料泊松比测定装置，三组箍圈可分别采集同一材料试件的上部、中部和下部的横向变形量，其采集区域较大，因此所测得的径向变形数据的误差较小，提高了试验测量的准确性。

作为优选的，每个所述箍圈上的两个所述半圆箍片的自由端上分别设置有端板，其中一个所述端板上设置有通孔，所述第三位移计的撞针穿过所述通孔顶在另一个所述半圆箍片上的所述端板上。

根据本发明的混凝土材料泊松比测定装置，半圆箍片上的端板可用来固定第三位移计，同时第三位移计的撞针穿过所在端板上的通孔后顶在另一个半圆箍片上的端板上。当材料试件横向变形时，两个半圆箍片上被撑开，两个端板相分离，第三位移计上的撞针可准确测量到两个端板之间增大的距离，即材料试件的侧壁的周长的增加量。

作为优选的，所述端板上还设置有挂钩，所述拉簧的两端分别与所述端板上的所述挂钩相连接。

根据本发明的混凝土材料泊松比测定装置，两个半圆箍片上的端板上分别设置有挂钩，拉簧的两端分别与两个端板上的挂钩相连接，使箍圈在试验前围绕在材料试件的侧壁上不会脱落，在材料试件横向变形后拉簧也随之拉伸，保证箍圈与材料试件支架的紧密贴合，进而保证了第三位移计对材料试件的横向变化量的测量的准确性。

作为优选的，所述第一位移计的数量为两个，两个所述第一位移计的撞针分别向下顶在所述球铰支座的台面上靠近其两侧的位置；所述第二位移计的数量为两个，两个所述第二位移计的撞针分别向下顶在所述垫板的上表面上靠近其两侧的位置。

根据本发明的混凝土材料泊松比测定装置，两个第一位移计分别在球铰支座的台面上靠近其两侧的位置进行测量，两个第二位移计分别在垫板的上表面上靠近其两侧的位置进行测量，可采集到两组数据，通过两组数据即可检测到材料试件是否在竖直方向发生偏斜变形，有助于试验人员对测量到的材料试件的竖向变形数据进行修正。

作为优选的，所述位移计支架的数量有两个，两个所述位移计支架分别设置在所述球铰支座和所述垫板的两侧，每个所述位移计支架上固定有一个所述第一位移计和一个所述第二位移计。

根据本发明的混凝土材料泊松比测定装置，两个位移计支架分别设置在球铰支座和垫板的两侧，两个相互独立的位移计支架上分别设置有第一位移计和第二位移计，可保证两个位移计支架上的第一位移计和第二位移计所采集到的竖向变形数据的独立性和准确性。

本发明还提出一种混凝土材料泊松比测定方法，采用以上内容中所述的混凝土材料泊松比测定装置对混凝土材料或生土材料进行泊松比测定，包括以下步骤：步骤02：先对将材料试件施加预定大小的初始载荷值F₀，保持一段时间后继续加压至预定大小的额定载荷值F_a，然后卸载值初始载荷值F₀，最后再加压至预定大小的额定载荷值F_a，重复以上步骤三至五遍，同时记录第一位移计、第二位移计和第三位移计的数值。步骤04：在最后一次从初始载荷值F₀加压至载荷值F_a时通过第一位移计、第二位移计和第三位移计分别测量出材料试件在受到载荷F₀时两侧的竖向变形平均值ε⁰_H、材料试件在受到载荷F_a时两侧的竖向变形平均值ε^a_H和材料试件在受到载荷F_a时试件截面平均周长伸长量Δε_d；步骤06：计算出最后一次从F₀加荷到F_a时材料试件的径向变形平均值Δn_R和材料试件的竖向变形平均值Δn_H计算出材料试件的泊松比μ：

其中，Δn_H＝ε^a_H—ε⁰_H；Δn_R＝(πd+Δε_d)/π—d；d为材料试件的截面直径。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明的混凝土材料泊松比测定装置的正向结构示意图；

图2是本发明的混凝土材料泊松比测定装置的侧向结构示意图；

图3是图1和图2中的箍圈的结构示意图；

图4是图3中的箍圈上半圆箍片的端部的细节结构示意图。

在图1至图4中，1位移计支架；101第一位移计；102第二位移计；2液压千斤顶；3钢墩台；4球铰支座；401导向柱；5箍圈；501半圆箍片；502拉簧；503第三位移计；504端板；505挂钩；6套管；7垫片；8力传感器；9材料试件。

具体实施方式

参照图1和图2，本发明的第一方面的实施例提出一种混凝土材料泊松比测定装置，包括：位移计支架1、球铰支座4、箍圈5和垫板；所述位移计支架1的底部连接在液压千斤顶2的钢墩台3上，所述位移计支架1上竖向固定有多个第一位移计101和多个第二位移计102；所述球铰支座4放置在所述钢墩台3上，所述球铰支座4的台面上垂直设置有导向柱401，至少一个所述第一位移计101的撞针向下顶在所述球铰支座4的台面上；所述箍圈5水平设置，所述箍圈5铰接在一个套管6上，所述箍圈5通过所述套管6套装在所述导向柱401上，所述箍圈5包含两个半圆箍片501，每个所述半圆箍片501的一端为铰接端，另一端为自由端，两个所述半圆箍片501通过铰接端相铰接，两个所述半圆箍片501的自由端之间可拆卸连接有拉簧502，其中一个所述半圆箍片501的自由端上水平设置有第三位移计503，所述第三位移计503的撞针顶在另一个所述半圆箍片501的自由端上；所述垫板水平设置在所述箍圈5的正上方，所述垫板的上方设置有力传感器8，所述垫板上设置有导向孔，所述垫板通过所述导向孔套装在所述导向柱401上，至少一个所述第二位移计102的撞针向下顶在所述垫片7的上表面。

在以上实施例中，试验人员在对混凝土或者生土制成的材料试件9进行泊松比测定时，需要将箍圈5套在材料试件9侧壁上，同时将垫板垫在材料试件9顶部，测定时随着液压千斤顶2的向下压缩，材料试件9发生竖向变形和横向变形，第一位移计101和第二位移计102的撞针分别顶在球铰支座4的台面上和垫板的上表面，可准确测量出材料试件9的竖向变形量，箍圈5上的第三位移计503可准确测量出材料试件9的周长变形量，以此可换算出材料试件9的直径变形量，最后根据相应公式可准确计算出混凝土或者生土制成的材料试件9的泊松比和弹性模量。本发明的混凝土材料泊松比测定装置的结构简单，测量方便，测试精度高，可对混凝土材料或生土材料的泊松比测定试验进行规范，易于推广使用。

如图3所示，根据本发明的一个实施例，所述箍圈5包括三组，三组所述箍圈5分别铰接在所述套管6的上端、中部和下端，每组所述箍圈5上的一个所述半圆箍片501的自由端上分别设置有一个所述第三位移计503。

在以上实施例中，三组箍圈5可分别采集同一材料试件9的上部、中部和下部的横向变形量，其采集区域较大，因此所测得的径向变形数据的误差较小，提高了试验测量的准确性。

如图4所示，根据本发明的一个实施例，每个所述箍圈5上的两个所述半圆箍片501的自由端上分别设置有端板504，其中一个所述端板504上设置有通孔，所述第三位移计503的撞针穿过所述通孔顶在另一个所述半圆箍片501上的所述端板504上。

在以上实施例中，半圆箍片501上的端板504可用来固定第三位移计503，同时第三位移计503的撞针穿过所在端板504上的通孔后顶在另一个半圆箍片501上的端板504上。当材料试件9横向变形时，两个半圆箍片501上被撑开，两个端板504相分离，第三位移计503上的撞针可准确测量到两个端板504之间增大的距离，即材料试件9的侧壁的周长的增加量。

根据本发明的一个实施例，所述端板504上还设置有挂钩505，所述拉簧502的两端分别与所述端板504上的所述挂钩505相连接。

在以上实施例中，两个半圆箍片501上的端板504上分别设置有挂钩505，拉簧502的两端分别与两个端板504上的挂钩505相连接，使箍圈5在试验前围绕在材料试件9的侧壁上不会脱落，在材料试件9横向变形后拉簧502也随之拉伸，保证箍圈5与材料试件9支架的紧密贴合，进而保证了第三位移计503对材料试件9的横向变化量的测量的准确性。

如图1所示，根据本发明的一个实施例，所述第一位移计101的数量为两个，两个所述第一位移计101的撞针分别向下顶在所述球铰支座4的台面上靠近其两侧的位置；所述第二位移计102的数量为两个，两个所述第二位移计102的撞针分别向下顶在所述垫板的上表面上靠近其两侧的位置。

在以上实施例中，两个第一位移计101分别在球铰支座4的台面上靠近其两侧的位置进行测量，两个第二位移计102分别在垫板的上表面上靠近其两侧的位置进行测量，可采集到两组数据，通过两组数据即可检测到材料试件9是否在竖直方向发生偏斜变形，有助于试验人员对测量到的材料试件9的竖向变形数据进行修正。

根据本发明的一个实施例，所述位移计支架1的数量有两个，两个所述位移计支架1分别设置在所述球铰支座4和所述垫板的两侧，每个所述位移计支架1上固定有一个所述第一位移计101和一个所述第二位移计102。

在以上实施例中，两个位移计支架1分别设置在球铰支座4和垫板的两侧，两个相互独立的位移计支架1上分别设置有第一位移计101和第二位移计102，可保证两个位移计支架1上的第一位移计101和第二位移计102所采集到的竖向变形数据的独立性和准确性。

本发明的第二个方面的实施例提出一种混凝土材料泊松比测定方法，采用以上内容中所述的混凝土材料泊松比测定装置对混凝土材料或生土材料进行泊松比测定，包括以下步骤：步骤02：先对将材料试件施加预定大小的初始载荷值F₀，保持一段时间后继续加压至预定大小的额定载荷值F_a，然后卸载值初始载荷值F₀，最后再加压至预定大小的额定载荷值F_a，重复以上步骤三至五遍，同时记录第一位移计、第二位移计和第三位移计的数值。步骤04：在最后一次从初始载荷值F₀加压至载荷值F_a时通过第一位移计、第二位移计和第三位移计分别测量出材料试件在受到载荷F₀时两侧的竖向变形平均值ε⁰_H、材料试件在受到载荷F_a时两侧的竖向变形平均值ε^a_H和材料试件在受到载荷F_a时试件截面平均周长伸长量Δε_d；步骤06：计算出最后一次从F₀加荷到F_a时材料试件的径向变形平均值Δn_R和材料试件的竖向变形平均值Δn_H计算出材料试件的泊松比μ：

其中，Δn_H＝ε^a_H—ε⁰_H；Δn_R＝(πd+Δε_d)/π—d；d为材料试件的截面直径。

根据本发明的混凝土材料泊松比测定方法：在试验开始前，先将球铰支座放置在钢墩上，并将球铰支座调整至水平，再将材料试件放置在球铰支座上，然后在材料试件的侧壁上套装箍圈，同时在材料试件的顶部放置垫板，最后在液压千斤顶与垫板之间放置力传感器。其中，材料试件选用底面半径为50mm，高度为150mm的混凝土圆柱体；

在试验时，首先，控制液压千斤顶向下施加竖向荷载，同时通过数据采集系统进行数据采集：以10kN/s的加载速度连续而均匀地加荷至基准压应力为0.5MPa的初始荷载值F₀，保持恒载60s，立即以10kN/s的加载速度连续均匀加荷至材料试件的抗压强度f_cp的三分之一大小所对应的荷载值F_a，(抗压强度f_cp由材料相同和生产批次同生且大小规格相同的另一材料试件测试得出)之后以相同的速度卸荷至初始荷载值F₀，重复以上步骤三至五遍后再加荷至初始荷载值F₀，保持恒载60s并在之后的30s内记录第一位移计、第二位移计和第三位移计上的读数，立即连续均匀加荷至抗压强度f_cp的三分之一大小所对应的荷载值F_a，保持恒载60s并在之后的30s内记录第一位移计、第二位移计和第三位移计上读数。定义Δn_R、Δn_H分别为最后一次从F₀加荷到F_a时试件径向及竖向变形的平均值，最后按如下公式计算待测试件的泊松比μ。

其中：

为材料试件受到液压千斤顶的载荷为F_a时材料试件的两侧的竖向变形平均值(mm)；为材料试件受到液压千斤顶的载荷为F₀时试件两侧竖向变形平均值(mm)；

d为材料试件的截面直径(mm)；Δε_d为材料试件受到液压千斤顶的载荷为Fa时试件截面平均周长伸长量(mm)。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。