本发明涉及混凝土性能测试领域，尤其涉及一种混凝土动态抗弯性能测定装置及方法。
背景技术
混凝土路面是指以混凝土为主要材料的路面，由于路面水泥混凝土板的破坏原因大部分是被折断，所以混凝土路面配合比设计要以抗弯强度为设计指标才能符合路面受力情况，故以此为重要控制指标之一，其大小将直接影响路面的整体质量和寿命。关于混凝土材料抗弯强度的实验方法，一般依据我国规范gb/t50081(三等分点加载)或者美国规范astmc293(中心点加载)进行，加载速度一般为每秒0.02-0.10mpa之间，最终得到其静态抗弯强度。但是，随着国内经济发展，物流和客流量逐年增大，混凝土路面在大量车辆作用的长期荷载下极易产生裂缝或断层，汽车在行驶途中必然会产生颠簸、跳车，尤其在高铁或高速公路等重度使用的混凝土路面或路轨，和机场跑道路面承受飞机降落的冲击荷载，将会使混凝土路面重复地承受着来自外部高速高能量的冲击荷载，极有可能出现远大于规范所规定的加载速度。因此，更应综合考虑高速冲击状态下的抗弯性能。
混凝土的抗冲击性能属于动态力学性能，但是在动态力学领域，目前混凝土材料关注的方向主要集中在抗压强度和抗拉强度，从现有的研究可知，在不同的冲击荷载下，混凝土的动态抗压强度和抗拉强度都与各自的静态强度相差较大，动态破坏形态也与静态不同。因此对于需要考虑抗弯性能的路面混凝土材料，还需补充研究其动态抗弯性能。
落锤冲击试验机是动态实验最常用的设备之一，然而落锤冲击试验机通常用于做压缩试验，无法对混凝土试件进行抗弯性能的测试。因此，提供一种能够对混凝土试件进行动态抗弯性能测试的装置和方法为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现要素：
本发明实施例提供了一种凝土动态抗弯性能测定装置及方法，能够测定混凝土试件的动态抗弯性能以综合评估路面混凝土材料的优劣。
根据本发明的一个方面，提供一种混凝土动态抗弯性能测定装置，包括：机架、升降机构、锤体、冲击器、载物台和计算机；
所述升降机构设置于所述机架的中心，所述冲击器与所述升降机构活动连接；
所述冲击器的底部通过压力传感器与所述锤体的轴可拆卸连接，所述压力传感器与所述计算机连接；
所述载物台设置于所述机架的底部且与所述锤体的锤头相对设置，所述载物台具有两条平行设置的条形凸起，两条所述条形凸起用于支撑待测混凝土试件；
所述锤头的端面和所述条形凸起的端面均为参数相同的柱面；
所述锤头和所述条形凸起沿所述柱面的圆心轴方向的长度均不小于所述待测混凝土试件的宽度。
优选地，所述升降机构包括：一对导轨、安装柱、传动链条、电机和压缩气缸；
一对所述导轨和所述安装柱平行设置所述机架内，所述冲击器的两侧分别与两根所述导轨活动连接；
所述安装柱内部设有所述传动链条，所述传动链条与所述冲击器的背部固定连接，所述传动链条与所述电机的输出轴固定连接；
当所述电机驱动所述传送链条沿垂直于地面的方向进行移动时，所述传动链条带动所述冲击器进行同向的运动；
所述压缩气缸与所述冲击器连接，用于给所述冲击器提供冲击速度。
优选地，所述冲击器为中空结构，所述冲击器的中空部分放置有预置数量个砝码。
优选地，所述导轨内设置有激光传感器，所述激光传感器用于测量所述冲击器的速度。
优选地，本发明提供的一种混凝土动态抗弯性能测定装置还包括：可升降工作台；
所述可升降工作台设置于所述载物台的底部，所述可升降工作台用于调节所述载物台的高度。
根据本发明的另一方面，提供一种混凝土动态抗弯性能测定方法，通过如以上所述的混凝土动态抗弯性能测定装置实现，包括：
s1：获取待测混凝土试件被锤头在预置速度下进行冲击后得到的压力曲线，根据所述压力曲线和所述待测混凝土试件的尺寸计算所述待测混凝土试件的时程曲线；
s2：确定所述时程曲线的时程曲线峰值，根据所述时程曲线峰值计算所述待测混凝土试件的加载应力率和应变率；
s3：获取混凝土材料对应的静态强度，将所述时程曲线峰值除以所述静态强度得到所述待测混凝土试件的动态增强系数；
s4：更换新的待测混凝土试件并调整预置速度的大小，重新执行s1至s3，直至得到所有所述待测混凝土试件的应变率和动态增强系数；
s5：根据各个所述待测混凝土试件的所述应变率和所述动态增强系数进行曲线拟合得到混凝土的动态抗弯性能曲线。
优选地，所述根据所述压力曲线和所述待测混凝土试件的尺寸计算所述待测混凝土试件的时程曲线具体为：
通过预置第一公式根据所述压力曲线和所述待测混凝土试件的尺寸计算所述待测混凝土试件的时程曲线；
其中，所述预置第一公式为：
式中，p(t)为压力曲线，l、b和d分别为待测混凝土试件的长度，高度和宽度。
优选地，所述根据所述时程曲线峰值计算所述待测混凝土试件的加载应力率和应变率具体为：
通过预置第二公式、预置第三公式根据所述时程曲线峰值分别对应计算所述待测混凝土试件的加载应力率和应变率；
其中，所述预置第二公式为：
式中，σ为时程曲线σ(t)的峰值，τ为时程曲线σ(t)从零至峰值所需的时间；
所述预置第三公式为：
式中，e为待测混凝土试件的弹性模量。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明提供了一种凝土动态抗弯性能测定装置及方法，其中，该装置包括：机架、升降机构、锤体、冲击器、载物台和计算机；升降机构设置于机架的中心，冲击器与升降机构活动连接；冲击器的底部通过压力传感器与锤体的轴可拆卸连接，压力传感器与计算机连接；载物台设置于机架的底部且与锤体的锤头相对设置，载物台具有两条平行设置的条形凸起，两条条形凸起用于支撑待测混凝土试件；锤头的端面和条形凸起的端面均为参数相同的柱面；锤头和条形凸起沿柱面的圆心轴方向的长度均不小于待测混凝土试件的宽度。本发明基于落锤冲击试验机，对锤头和载物台的结构进行了改进，能够对待测混凝土试件进行冲击荷载试验，进而通过计算机根据试验测得的参数进行计算得到待测混凝土试件的动态抗弯性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供的一种凝土动态抗弯性能测定装置的一个实施例的结构示意图；
图2为载物台的正视图；
图3为载物台的俯视图；
图4为锤体的正视图；
图5为锤体的侧视图；
图6为本发明提供的一种凝土动态抗弯性能测定方法的一个实施例的流程示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种凝土动态抗弯性能测定装置及方法，能够测定混凝土试件的动态抗弯性能以综合评估路面混凝土材料的优劣。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图5，本发明提供的一种混凝土动态抗弯性能测定装置的一个实施例，包括：机架1、升降机构、锤体3、冲击器2、载物台5和计算机4；
升降机构设置于机架1的中心，冲击器2与升降机构活动连接；
冲击器2的底部通过压力传感器7与锤体3的轴31可拆卸连接，压力传感器7与计算机4连接，压力传感器7可以在试件的冲击试验过程中实时采集压力曲线；
载物台5设置于机架1的底部且与锤体3的锤头32相对设置，载物台5具有两条平行设置的条形凸起501，两条条形凸起501用于支撑待测混凝土试件8，根据试验需求，两条条形凸起的高度差不大于0.02mm。可以理解的是，两条形凸起以锤头32为中点对称设置。
锤头32的端面和条形凸起的端面均为参数相同的柱面，锤头32和条形凸起501沿柱面的圆心轴方向的长度均不小于待测混凝土试件的宽度。由于载物台5具备以上结构，因此待测混凝土试件8较短的边(即宽)能够完全放置于条形凸起501上，即试件的宽与条形凸起平行设置，试件的长与条形凸起垂直设置，故整个待测混凝土试件能够平整放置与载物台5上。为方便进行后续的试验并且参照美国规范astmc293中心点加载静态抗弯实验规范，通常可以将柱面的直径范围设置为20～40mm，锤体3的高度不大于65mm，且可以令试件的高度和宽度相等，长度与高度(或宽度)之比为3:1或4:1。
本发明的待测混凝土试件为长方体，放置在载物台5，锤头32安装在冲击器2上，按照不同荷载的需求，升降机构将冲击器2上升一定高度，以简支梁中心点加载原理为依据，自由或者以一定初速度下落对待测混凝土试件的跨中施加冲击荷载。
在本实施例中，升降机构包括：一对导轨61、安装柱62、传动链条、电机63和压缩气缸；
一对导轨61和安装柱62平行设置机架1内，冲击器2的两侧分别与两根导轨61活动连接；
安装柱62内部设有传动链条，传动链条与冲击器2的背部固定连接，传动链条与电机63的输出轴固定连接；
当电机63驱动传送链条沿垂直于地面的方向进行移动时，传动链条带动冲击器2进行同向的运动；
压缩气缸与冲击器2连接，用于给冲击器2提供冲击速度。若冲击器2到达机架1的顶端后仍未达到所需冲击速度，可以通过压缩气缸为冲击器补偿速度。
在本实施例中，冲击器为中空结构，冲击器的中空部分放置有预置数量个砝码。导轨内设置有激光传感器，激光传感器用于测量冲击器的速度。
在本实施例中，本发明提供的一种混凝土动态抗弯性能测定装置还包括：可升降工作台9；
可升降工作台9设置于载物台5的底部，可升降工作台用于调节载物台的高度。
需要说明的是，计算机4能够对整个测定装置的各个部件如电机、传感器、可升降工作台等部件的工作状态进行控制。
以上是对本发明提供的混凝土动态抗弯性能测定装置的结构和连接关系进行的详细说明，以下将基于上述装置，对试验过程进行说明：
试验开始前，可以对锤头和条形凸起的表面涂抹凡士林，减少加工误差造成的精度影响。需要准备不少于10个混凝土试件用于获得在不同冲击速度下的动态抗弯强度，实验时，通过安装锤头和载物台，从锤头上的压力传感器即可测得此次试验的冲击荷载。假设在实验完成后，压力传感器所记录压力为p(t),则混凝土在本次实验抗弯强度的时程曲线见式1：
式1：
式2：
式3：
一般情况下，混凝土材料的弹性模量对应变率的敏感性较弱，一般可取其静态弹性模量。根据力学实验规范astmc293，静态实验下的加载应力率范围在0.02-0.10mpa/s,则对应试件的应变率约为10-5-10-6s-1。在本发明中，加载应力率可达到1-10gpa/s,试件的应变率为0.1-1s-1。由于试验材料为混凝土，可以依据力学实验规范astmc293测得静态强度为σs,可以定义动态增强系数(dynamicincreasefactor,dif)来进一步反映混凝土动态抗弯强度与静态的区别与联系，见式4：
式4：
即可进一步通过应变率
以下以一个具体应用场景进行说明：
制作一批同一配合比，尺寸为40×40×160mm的混凝土试件并在养护室养护28天。同时定制测试夹具，载物台尺寸设计时两条形凸起支承圆弧条带中心距离应为110mm，即试件两端分别到支座的距离为25mm，锤头和条形凸起的长度为50mm。载物台安装在落锤试验机底部并固定，锤体通过螺栓孔安装在冲击器，再将待测的试件放置在载物台的两条形凸起上，然后下降锤体至试件加载面，调节锤头的位置，保证锤头与两条形凸起平行，最后根据不同的冲击速度，将冲击器上升至对应的高度，启动设备并完成本次实验。实验后，取下本次试件并记录相关数据，然后更换新的试件，再以不同的冲击速度继续实验，将这一批实验完成后，利用式1、式2、式3和式4分别计算出在不同冲击速度下的动态抗弯强度、增强系数和对应的应变率，然后作出应变率与动态增强系数的关系曲线，得出该批材料在不同冲击荷载的作用下动态抗弯强度的变化，通过重复不同配合比的动态抗弯实验，可以横向评价不同配合比路面混凝土材料的抗冲击性能。
请参阅图6，本发明提供的一种凝土动态抗弯性能测定方法的一个实施例，包括：
601、获取待测混凝土试件被锤头在预置速度下进行冲击后得到的压力曲线，根据压力曲线和待测混凝土试件的尺寸计算待测混凝土试件的时程曲线；
602、确定时程曲线的时程曲线峰值，根据时程曲线峰值计算待测混凝土试件的加载应力率和应变率；
603、获取混凝土材料对应的静态强度，将时程曲线峰值除以静态强度得到待测混凝土试件的动态增强系数；
604、更换新的待测混凝土试件并调整预置速度的大小，重新执行601至603，直至得到所有待测混凝土试件的应变率和动态增强系数；
605、根据各个待测混凝土试件的应变率和动态增强系数进行曲线拟合得到混凝土的动态抗弯性能曲线。
可选的，根据压力曲线和待测混凝土试件的尺寸计算待测混凝土试件的时程曲线具体为：
通过预置第一公式根据压力曲线和待测混凝土试件的尺寸计算待测混凝土试件的时程曲线；
其中，预置第一公式为：
式中，p(t)为压力曲线，l、b和d分别为待测混凝土试件的长度，高度和宽度。
可选的，根据时程曲线峰值计算待测混凝土试件的加载应力率和应变率具体为：
通过预置第二公式、预置第三公式根据时程曲线峰值分别对应计算待测混凝土试件的加载应力率和应变率；
其中，预置第二公式为：
式中，σ为时程曲线σ(t)的峰值，τ为时程曲线σ(t)从零至峰值所需的时间；
预置第三公式为：
式中，e为待测混凝土试件的弹性模量。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。