纤维水泥基复合材料的粘结力动态拉拔方法及组合夹具与流程

本发明纤维水泥基复合材料的粘结力动态拉拔方法及组合夹具，属于夹具及使用方法技术领域。

背景技术：

纤维混凝土是一种以纤维为增强材料、混凝土为基体的新型复合材料，纤维对混凝土中的水泥基体有增强作用，水泥基体中加入纤维后，可大大提高其韧性，其物理力学性质，如抗压、抗拉、抗挠曲强度等都有不同程度的提高。由于纤维以所占单位体积较大且数量均匀地分布于混凝土内部，纤维与水泥基体通过两种材料的界面相互作用，纤维从本质上改变了混凝土的变形性能，纤维的加入犹如在混凝土中掺入数量巨大的微细筋。当载荷作用于混凝土时，纤维与水泥基体共同受力和变形，水泥基体和纤维在界面上存在应变差而产生的界面粘结力，起到了阻止混凝土裂缝的引发、扩散和吸收大量能量的作用，因此改善纤维与水泥基体间的粘结强度，提高纤维对混凝土的增韧效应，从而改善了混凝土的变形性能。

纤维分为以钢纤维为代表的刚性纤维和以碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等为代表的柔性纤维。在实际工程中，纤维混凝土的破坏在很大程度上是纤维与水泥基界面粘结性能失效所导致的，因此，纤维与水泥基体的粘结力直接影响纤维对混凝土的增强、增韧和阻裂效果，而界面粘结强度的定量表征显得尤为重要。而表征界面力学的方法有很多，其中单丝拉拔法是评价纤维与水泥基界面粘结性能的重要手段。国内外很多学者对纤维混凝土进行了单丝拉拔试验，并得到了大量有意义的结果，但目前绝大部分研究均在静力学领域。界面性质对纤维混凝土强度动态单丝拉拔过程力学性能的研究少之又少。

近年来，随着人们对多种材料动态拉伸性能的需要和动态拉伸技术的发展，国内许多高校和科研单位展开了对多种材料的动态拉伸试验研究，其中高强度纤维作为高强度复合材料的重要组分，它的动态力学性能随着现实的需要而逐步引起人们的关注。由于纤维的动态拉伸力学性能和和静态拉伸有较大区别，所以直接拿纤维的静态强度试验结果用于其动态力学响应的分析有失偏颇，因此，对纤维束和纤维单丝的动态力学性能进行测试并得出冲击拉伸应力应变曲线将十分关键。本发明所涉及的夹具，考虑在动力荷载作用下，针对纤维本体及纤维水泥基进行动态单丝拉拔试验测试纤维与水泥基的界面粘结性能。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了纤维水泥基复合材料的粘结力动态拉拔方法及组合夹具，该夹具设计合理，各个环节协调性好，该方法结合落锤冲击试验机可用于多种动态拉伸试验，能提高测试效率，保证测试的准确性。

本发明通过以下技术方案实现：

纤维水泥基复合材料的粘结力动态拉拔组合夹具，包括受冲承力钢板、传力杆、弹簧定位导杆、弹簧、弹簧预紧卡块、外框架、试件固定架、力传感器、环型卡具、激光位移传感器、和绕丝辊轴；所述外框架包括水平设置的外框顶板和外框底板，所述外框顶板和外框底板的对称位置设置有多个外框支架杆螺孔，外框支架杆穿过所述外框支架杆螺孔，将所述外框顶板和外框底板连接成一体；

所述外框底板中部呈中心对称设置有两个弹簧定位导杆螺孔和多个螺纹杆支撑孔，所述螺纹杆支撑孔内螺纹穿设螺纹杆支撑；

所述受冲承力钢板上中心对称设置有两个传力杆螺孔，所述外框顶板上中心对称设置有两个传力杆孔，所述传力杆螺孔、传力杆孔和所述弹簧定位导杆螺孔的位置对称；所述两个传力杆孔内均竖直方向活动穿设传力杆，所述传力杆为大刚度双头螺丝杆，两个传力杆上端通过螺丝与受冲承力钢板上的传力杆螺孔连接，下端通过螺丝与弹簧预紧卡块上部相连；

所述弹簧预紧卡块下部连接弹簧定位导杆，所述弹簧定位导杆为竖直设置的大刚度双头螺丝杆，与所述传力杆位于同一竖直轴线上，所述弹簧定位导杆上端头通过螺丝与弹簧预紧卡块相连，下端头穿过所述弹簧定位导杆螺孔并用螺丝连接调平螺母；所述弹簧定位导杆杆身外套装弹簧，所述弹簧的两端分别弹力压紧弹簧预紧卡块与外框底板；在竖直方向，弹簧预紧卡块与调平螺母一同给弹簧提供一定预紧力；

两个所述弹簧预紧卡块之间的相对内侧面对称位置设置水平螺孔，两个所述水平螺孔各连接绕丝辊轴一端，所述绕丝辊轴为双头螺纹杆，所述绕丝辊轴两端还设置有紧固螺母，所述紧固螺母设置于水平螺孔内侧；在水平方向，两个弹簧预紧卡块搭配作为绕丝辊轴的支座，并通过水平螺孔一起为绕丝辊轴提供支撑；所述绕丝辊轴外活动套设环形卡具，所述环形卡具横截面为c型，与所述绕丝辊轴贴合，所述环形卡具上设置有锁紧螺栓，所述环形卡具通过锁紧螺栓压紧绕丝辊轴；

所述试件固定架包括水平设置的试件固定架顶板和试件固定架底板，所述试件固定架顶板上端面中心开有力传感器螺孔一，所述力传感器螺孔与力传感器相连接；所述试件固定架底板中心开有纤维预留孔用于纤维丝穿过；试件固定架顶板与试件固定架底板的面板四个顶点附近对称开有固定架拉杆螺孔，固定架拉杆穿过所述固定架拉杆螺孔，将所述试件固定架顶板与试件固定架底板连接成一体；所述固定架拉杆为大刚度双头螺丝杆；

所述外框顶板中心开有力传感器螺孔二，所述力传感器为动态拉力传感器，位于外框顶板与试件固定架顶板之间，所述力传感器上下两端分别通过螺丝连接外框顶板与试件固定架顶板；

所述弹簧预紧卡块外侧粘贴设置激光反射片，与所述激光反射片配套设置有激光位移传感器。

所述激光位移传感器可由具有相似功能的非接触式位移传感器替代。

所述螺纹杆支撑为大刚度单头螺纹杆，螺纹杆支撑上端通过螺纹与外框底板连接，下端底部处理成扁平喇叭口状。

所述受冲承力钢板为两端对称开有螺孔的大刚度的方形钢板，用于直接承受试验机落锤给予的动载荷。

所述环形卡具内壁设置有弹力橡胶层。

使用所述的夹具进行纤维水泥基复合材料的粘结力动态拉拔试验的方法，包括以下步骤：

步骤一、准备纤维水泥基材试件：按照各标准纤维水泥基的强度配置各个强度的纤维水泥基试件；

步骤二、将夹具装配完整，将激光反射片粘贴于弹簧预紧卡块外侧面；

步骤三、试验前，通过旋拧调平螺母使绕丝辊轴处于水平位置，同时旋拧调平螺母对弹簧施加适当的预紧力，将纤维水泥基材试件置入试件固定架相应位置，使长纤维位于纤维预留孔，用于拉拔的长纤维朝下从试件固定架底板中心处的纤维预留孔穿出，将长纤维端部缠绕于绕丝辊轴相应位置处，并使定位后的纤维标距段与拉拔设备的拉力作用线重合于同一直线，绕丝完成后，拧紧位于绕丝辊轴两端螺纹处的紧固螺母，并移动环型卡具位于绕丝辊轴上的纤维缠绕部位后，手拧锁紧螺栓锁紧环形卡具；

步骤四．进行试验时，将该组合夹具置于落锤冲击试验机下方，保证落锤锤头的冲击力作用线沿着纤维长度方向，安装激光位移传感器，并使向上的激光射中位于弹簧预紧卡块外侧面的激光反射片，释放落锤以冲击该组合夹具的受冲承力钢板，并记录相关数据。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

（1）本发明所述夹具可同时得到纤维动态拉伸强度、纤维动态断裂伸长率ε以及纤维断裂能w0等多项动态力学指标；

（2）该装置可通过选择不同长度的弹簧长度以改变纤维的标距段长度l以进行不同长度纤维的试验量测，一般标距原长l可为3mm-20mm左右；

（3）由于直径微米级柔性纤维在试验中一般不能直接夹持，纤维的脆性往往使得其在夹持过程中就发生断裂，即使夹持成功，夹持端会对纤维产生损伤，而使纤维的断裂发生在钳口处，所测数据不能反映纤维的真实特性。针对以上问题，本发明所述夹具采用缠绕夹紧方式，可避免传统平板夹紧方式在试验过程中出现的纤维丝滑移以及夹具端口纤维先断的现象。

本新型夹具具有有序缠绕、环抱挤压、平滑绕出等特征；其中，有序排列缠绕可保证纤维缠绕环之间不发生堆叠和挤压，保证紧固装置能够锁紧；环形卡具内置薄层橡胶垫片，通过此环形卡具在有序排列缠绕的基础上实现环抱挤压，可以更加高效率地实现卡具和纤维之间的大摩阻力，防止实验过程中纤维和滚轴产生相对滑移；弧线平滑绕出可避免纤维在拉伸过程中由于夹头位置应力集中导致的剪切破坏；本装置所述试件固定架底板上设有阶梯孔，起到对试件的固定作用，防止在实验过程中试件发生滑移，并且在试件固定架高度允许范围内，可以实现测量水泥基试件不同高度尺寸的纤维粘结力，从而通过对比减小实验误差。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1为本发明整体结构示意图；

图2为外框顶板开孔示意图；

图3为外框底板开孔示意图；

图4包括图4a和图4b，图4a为环型卡具安装示意图，4b为图4a的a-a向剖视图；

图5为实验操作流程图。

图中，1-受冲承力钢板，2-传力杆，3-弹簧定位导杆，4-弹簧，5-弹簧预紧卡块，6-调平螺母，7-试件固定架顶板，8-试件固定架底板，9-固定架拉杆，10-力传感器，11-外框顶板，12-外框底板，13-外框支架杆，14-环形卡具，16-激光反射片，17-绕丝辊轴，18-螺纹杆支撑，19-紧固螺母，21-传力杆螺孔，22-传力杆孔，23-水泥基试块，24-单丝纤维，31-弹簧定位导杆螺孔，80-纤维预留孔，101-力传感器螺孔一，102-力传感器螺孔二，131-外框支架杆螺孔，141-锁紧螺栓，142-弹力橡胶层，181-螺纹杆支撑孔。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例，凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。

1.1纤维水泥基复合材料的粘结力动态拉拔组合夹具实施例

一种纤维水泥基复合材料的粘结力动态拉拔组合夹具，包括受冲承力钢板1、传力杆2、弹簧定位导杆3、弹簧4、弹簧预紧卡块5、外框架、试件固定架、力传感器10、环型卡具14、激光位移传感器、和绕丝辊轴17；所述外框架包括水平设置的外框顶板11和外框底板12，所述外框顶板11上和外框底板12上的对称位置设置有多个外框支架杆螺孔131，外框支架杆13穿过所述外框支架杆螺孔131，将所述外框顶板11和外框底板12连接成一体；

所述外框底板12中部呈中心对称设置有两个弹簧定位导杆螺孔31和多个螺纹杆支撑孔181，所述螺纹杆支撑孔181内螺纹穿设螺纹杆支撑18；

所述受冲承力钢板1上中心对称设置有两个传力杆螺孔21，两个传力杆螺孔21内分别固定传力杆2；所述外框顶板11上中心对称设置有两个传力杆孔22，所述传力杆螺孔21、传力杆孔22和所述弹簧定位导杆螺孔31的位置对称；所述两个传力杆孔22内均竖直方向活动穿设一根传力杆2，所述传力杆2为大刚度双头螺丝杆，两个传力杆上端通过螺丝与受冲承力钢板1上的传力杆螺孔21连接，下端通过螺丝与弹簧预紧卡块5上部相连；

所述弹簧预紧卡块5下部连接弹簧定位导杆3，所述弹簧定位导杆3为竖直设置的大刚度双头螺丝杆，与所述传力杆2位于同一竖直轴线上，所述弹簧定位导杆3上端头通过螺丝与弹簧预紧卡块5相连，下端头穿过所述弹簧定位导杆螺孔31并用螺丝连接调平螺母6；所述弹簧定位导杆3杆身外套装弹簧4，所述弹簧4的两端分别弹力压紧弹簧预紧卡块5与外框底板12；在竖直方向，弹簧预紧卡块5与调平螺母6一同给弹簧4提供一定预紧力；

两个所述弹簧预紧卡块5之间的相对内侧面对称位置设置水平螺孔，两个所述水平螺孔各连接绕丝辊轴17一端，所述绕丝辊轴17为双头螺纹杆，所述绕丝辊轴17两端还设置有紧固螺母19，所述紧固螺母19设置于水平螺孔内侧；在水平方向，两个弹簧预紧卡块5搭配一起作为绕丝辊轴17的支座，并通过水平螺孔一起为绕丝辊轴17提供支撑；所述绕丝辊轴17外活动套设环形卡具14，所述环形卡具14横截面为c型，与所述绕丝辊轴17贴合，所述环形卡具上设置有锁紧螺栓141，所述环形卡具14通过锁紧螺栓141压紧绕丝辊轴17；如图4所示，图4中a图表示所述环形卡具与绕丝辊轴的横截面，b图表示紧固螺母与所述绕丝辊轴的位置关系。

所述试件固定架包括水平设置的试件固定架顶板7和试件固定架底板8，所述试件固定架顶板7上端面中心开有力传感器螺孔一101，所述力传感器螺孔与力传感器10相连接；所述试件固定架底板8中心开有纤维预留孔80用于纤维丝穿过；试件固定架顶板7与试件固定架底板8的面板四个顶点附近对称开有固定架拉杆螺孔，固定架拉杆9穿过所述固定架拉杆螺孔，将所述试件固定架顶板7与试件固定架底板8连接成一体；所述固定架拉杆9为大刚度双头螺丝杆；

所述外框顶板11中心开有力传感器螺孔二102，所述力传感器10为动态拉力传感器，位于外框顶板11与试件固定架顶板7之间，所述力传感器10上下两端分别通过螺丝连接外框顶板11与试件固定架顶板7；

所述弹簧预紧卡块5外侧粘贴设置激光反射片16，与所述激光反射片16配套设置有激光位移传感器。

所述激光位移传感器可由具有相似功能的非接触式位移传感器替代。

所述螺纹杆支撑18为大刚度单头螺纹杆，螺纹杆支撑18上端通过螺纹与外框底板12连接，下端底部处理成扁平喇叭口状。

所述受冲承力钢板1为两端对称开有螺孔的大刚度的方形钢板，用于直接承受试验机落锤给予的动载荷。

所述环形卡具14内壁设置有弹力橡胶层。

所述螺纹杆支撑18数量为四根。

所述外框支架杆13数量为四根。

1.2测量原理：

在试验过程中，落锤锤头冲击该组合夹具的受冲承力钢板1，通过刚性传力杆2，该冲击效应导致弹簧4的压缩、绕丝辊轴17产生位移从而拔出在水泥基中的纤维，纤维的动态拉拔载荷随时间的变化规律（曲线）可由与试件固定架相连的力传感器10量测并记录，由其峰值动态载荷与纤维单丝表面积a的比值可得到纤维单丝粘结力峰值强度；通过激光位移传感器可得到纤维与水泥基试块的相对滑移量s随时间t的变化规律（s-t曲线）；最终可得出纤维单丝拉拔的动力学本构关系，即全曲线。

1.3使用所述夹具进行纤维水泥基复合材料的粘结力动态拉拔试验的方法，通过如下步骤实现：

第1步．将四根螺纹杆支撑18与外框底板12连接，四根外框支架杆13的上下端分别拧入外框支架杆螺孔131，将外框顶板11和外框底板12连接于一体形成夹具的外框架；

第2步．将松动的移动环型卡具14套入绕丝辊轴17，并将绕丝辊轴17两端螺丝分别拧入两个弹簧预紧卡块5的内侧面水平螺孔中；

第3步．受冲承力钢板1位于外框顶板11上方，两根传力杆2上端连接受冲承力钢板1，将传力杆2下端向下穿过外框顶板11上的预留孔传力杆孔22后，传力杆2下端分别拧入弹簧预紧卡块5上端进行连接；

第4步．两根弹簧定位导杆3上端依次穿过外框底板12预留的弹簧定位导杆螺孔31和弹簧4后，与弹簧预紧卡块5下端连接，弹簧定位导杆3下端拧入调平螺母6，调平螺母6位于外框底板12下方；

第5步．将力传感器10上端通过螺丝拧入外框顶板11下部螺孔，力传感器10下端通过螺丝连接试件固定架顶板7上的力传感器螺孔，试件固定架顶板7与试件固定架底板8通过四根固定架拉杆9相连接。

第6步．将激光反射片16粘贴于弹簧预紧卡块5外侧面。

第7步．试验前，通过旋拧调平螺母6使绕丝辊轴17处于水平位置，同时旋拧调平螺母6对弹簧4施加适当的预紧力，将粘结力试验试件置入试件固定架相应位置，用于拉拔的长纤维朝下从试件固定架底板8中心处的纤维预留孔80穿出，将长纤维端部缠绕于绕丝辊轴17相应位置处，并使定位后的纤维标距段与拉拔设备的拉力作用线重合于同一直线，绕丝完成后应拧紧位于绕丝辊轴17两端螺纹处的紧固螺母19，并移动环型卡具14位于绕丝辊轴17上的纤维缠绕部位后，手拧锁紧螺栓141锁紧环形卡具。

第8步．进行试验时，将该组合夹具置于落锤冲击试验机下方，保证落锤锤头的冲击力作用线沿着纤维长度方向，安装激光位移传感器15，并使向上的激光射中位于弹簧预紧卡块5外侧面的激光反射片16，释放落锤以冲击该组合夹具的受冲承力钢板1，并记录相关数据。

本发明不会限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽范围。