纤维混凝土构件的弯曲韧性测试方法及其装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于冲击动力学材料特性测试技术领域，涉及一种纤维混凝土构件的弯曲 韧性测试方法及其装置。
【背景技术】
[0002] 混凝土材料是一种脆性材料，这种材料容易在外力作用下未发生显著变形就突然 破坏。所以，为了保证混凝土材料使用时的安全性，通常通过在混凝土材料中添加各种金 属、有机或无机材料来改善混凝土的韧性，常见的有：钢筋混凝土、纤维混凝土、活性粉末混 凝土等。其中，纤维混凝土以其突出的优点，成为了现在研究的热点。
[0003] 纤维材料可以增加混凝土的韧性，纤维掺量越多，混凝土的韧性提高的越明显，相 应的安全性和耐久性也得到了改善，这是众多研究学者目前得到的普遍结论。随着纤维材 料的发展，就需要定量地评价混凝土的韧性，从量上提高结果的可比性。
[0004] 混凝土的韧性包括混凝土的断裂韧性和弯曲韧性。断裂韧性主要指材料抵抗裂纹 扩展断裂的韧性性能，表征材料阻止裂纹扩展的能力，是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。弯 曲韧性主要是用来衡量添加的纤维对混凝土裂纹的抑制作用，目前有的测量和计算方式是 基于纤维在混凝土裂纹出现时的能量吸收能力进行判定的。
[0005] 目前，国内外普遍采用的混凝土构件弯曲韧性的测试方法是利用静态的三分点 弯曲试验。这种方法的步骤是：利用电液伺服试验机进行静态加载，挠度由位于试件跨中 的夹式引伸计测得；记录所加在试件上的荷载值和加载过程中的挠度值；参照北美ASTM C1018-98标准对数据进行处理，并对纤维混凝土韧性的判断。该方法加载速度较低，难以测 出高应变率下的纤维混凝土构件的弯曲韧性。
[0006] SHPB技术也称为分离式霍普金森压杆技术，是研究材料动态力学性能最基本的试 验方法之一，也是近年来研究中高应变率冲击问题普遍采用的装置。多年来，SHPB试验装 置迅速发展，不断完善，由于结构简单、操作方便、能够精确控制冲击条件，但基于SHPB技 术的有关材料韧性尤其是弯曲韧性的测定装置和方法尚未得到开发。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于克服现有技术的不中足之处，提供一种纤维混凝土构件的弯曲 韧性测试方法及其装置，能够基于SHPB技术对混凝土构件的韧性进行测试，操作简单，加 载速度高，可有效地测出高应变率下的纤维混凝土构件的韧性。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
[0009] 本发明的一种纤维混凝土构件的弯曲韧性测试方法，基于分离式霍普金森压杆装 置组成混凝土构件的弯曲韧性测试装置对混凝土试件进行弯曲韧性测试，所述弯曲韧性测 试装置包括气枪、子弹、入射杆、透射杆、应变片、加速度计、桥盒、与计算机相连的数据采集 系统；
[0010] 测试时保持霍普金森压杆的加载端面光滑平整，并与杆长方向相垂直；
[0011] 使气枪中的子弹加速撞击入射杆没有刻痕和裂纹的一端，从而在入射杆中产生入 射压缩脉冲并向着所述的混凝土试件传播；
[0012] 当入射脉冲冲击所述的混凝土试件完整的一端时，一部分的入射脉冲传递进混凝 土试件进而传进透射杆转化成压缩脉冲并破坏所述的混凝土试件；同时，剩余的入射脉冲 作为拉伸应力脉冲反射回入射杆；
[0013] 上述过程产生的入射应变量ε :和反射应变量ε R通过入射杆中点的应变片测量， 而透射应变量ε ?1由透射杆中点的应变片测量；
[0014] 通过所述的混凝土试件上的三个加速度计测得沿试件长度上的加速度分布和试 件的变形情况；利用已知的沿试件长度方向上的加速度，求取所述试件上分布的惯性力；
[0015] 其特征在于：还包括以下步骤；
[0016] (1)将作用在试件中间的广义惯性荷载来代替所述的试件上分布的惯性力，即：
[0017] P1 (t) = P Ail。（t) [1/3+ (8/3) Ah3/!2)]
[0018] 其中，P1U)表示广义惯性荷载，P表示混凝土的质量密度，A表示试件的截面面 积，Ujt)表示试件中心的加速度，1表示试件的跨度，h :试件的悬垂长度；
[0019] (2)依据已知试件中心的广义惯性荷载P1 (t)，可以将所述试件简化为单自由度体 系，所以，根据pb(t) = PtW-Pjt)动态平衡方程，可以评估真实的弯曲荷载；
[0020] 其中，Pb (t)表示广义弯曲荷载，Pt (t)表示观测动荷载，Pi (t)表示广义惯性荷载；
[0021] (3)根据一维应力波理论，长为L的混凝土试件的动荷载为：
[0022] Pt(t):Pt(t) = Er A0 ε T(t)；
[0023] 其中，E'是霍普金森压杆的杨氏模量，A。是霍普金森压杆的截面面积，则：
[0024] Pb (t) =Pt(t)-Pi(t) = P Au〇(t) [l/3+(8/3)/(h3/l2)]
[0025] 在弯曲测试中，试件的跨中挠度u (t)
[0026] 从纤维混凝土构件所吸收的能量〗
根据Dn的大小可判断出纤维 混凝土构件的弯曲韧性。
[0027] 本发明的纤维混凝土构件的弯曲韧性测试装置，基于分离式霍普金森压杆装置组 成混凝土构件的弯曲韧性测试装置对混凝土试件进行弯曲韧性测试，所述弯曲韧性测试装 置包括气枪、子弹、入射杆、透射杆、应变片、加速度计、桥盒、与计算机相连的数据采集系 统；其特征在于：
[0028] 在所述的入射杆和透射杆的相对应的两个受压面上分别设置有一个入射杆万向 头和一个透射杆万向头；在所述两个万向头相对端面上分别设有入射杆凹槽和透射杆凹 槽；在每个所述的入射杆凹槽、透射杆凹槽内均设置有一个高强度钢加载销；所述的混凝 土试件设置有预制的刻痕和裂纹；所述的混凝土试件被夹持在所述的入射杆万向头和透射 杆万向头上的高强度钢加载销之间，其中试件有刻痕和裂纹的一面与透射杆万向头上的加 载销接触。
[0029] 在所述的入射杆万向头和透射杆万向头的相对端面上所设有的入射杆凹槽与透 射杆凹槽的数量差为1。
[0030] 所述的预裂纹长度和混凝土试件的宽度之比为1:1。
[0031] 所述的混凝土试件长度为子弹长度的2倍。
[0032] 所述的入射杆和透射杆的长度均为1500mm，子弹长度为80mm ;入射杆、透射杆和 子弹的直径均为38mm。
[0033] 所述的入射杆和透射杆采用6061型铝合金材料制成。
[0034] 相比现有技术，本发明具有以下优点：
[0035] 1.基于SHPB技术对混凝土构件的韧性进行测试，以分离式霍普金森压杆试验装 置为基础，解决了纤维混凝土在高应变率条件下的韧性测量与计算问题，测量结果精度高。
[0036] 2.测试方法操作简单，加载速度高。
[0037] 3.实现荷载位移全过程的测量，得到了荷载与位移的真实曲线。去除了惯性力的 影响，使计算结果更加精确。
[0038] 以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
【附图说明】
[0039] 图1为本发明所述的纤维混凝土构件的弯曲韧性测试方法流程图。
[0040] 图2为本发明所述的纤维混凝土构件的弯曲韧性测试装置示意图。
[0041] 图3为图2所示A局部的放大图。
[0042] 图4为本发明的加速度计测量混凝土弯曲韧性原理图。
[0043] 图5为本发明所述方法的弯曲韧性指标计算示意图。
[0044] 其中，气枪（10)，子弹（20)，入射杆（30)，入射杆凹槽（31)，透射杆（40)，透射杆凹 槽（41)，应变片（50)，加速度计（60)，桥盒（70)，数据采集系统（80)，混凝土试件（90)，入 射杆万向头（101)，透射杆万向头（102)。
【具体实施方式】
[0045] 本发明的纤维混凝土构件的弯曲韧性测试方法，基于分离式霍普金森压杆装置 组成混凝土构件的弯曲韧性测试装置对混凝土试件（90)进行弯曲韧性测试，所述弯曲韧 性测试装置包括气枪（10)、子弹（20)、入射杆（30)、透射杆（40)、应变片（50)、加速度计 (60)、桥盒（70)、与计算机相连的数据采集系统（80);
[0046] 测试时保持霍普金森压杆的加载端面光滑平整，并与杆长方向相垂直；
[0047] 使气枪（10)中的子弹（20)加速撞击入射杆（30)没有刻痕和裂纹的一端，从而在 入射杆（30)中产生入射压缩脉冲并向着所述的混凝土试件（90)传播；
[0048] 当入射脉冲冲击所述的混凝土试件（90)完整的一端时，一部分的入射脉冲传递 进混凝土试件（90)进而传进透射杆（40)转化成压缩脉冲并破坏所述的混凝土试件（90); 同时，剩余的入射脉冲作为拉伸应力脉冲反射回入射杆（30);
[0049] 上述过程产生的入射应变量ε :和反射应变量ε R通过入射杆（30)中点的应变片
[50] 测量，而透射应变量ε油透射杆（40)中点的应变片（50)测量；
[0050] 通过所述的混凝土试件（90)上的三个加速度计(60)测得沿试件（90)长度上的 加速度分布和试件（90)的变形情况；利用已知的沿试件长度方向上的加速度，求取所述试 件（90)上分布的惯性力；
[0051] 其特征在于：还包括以下步骤；
[0052] (1)将作用在试件中间的广义惯性荷载来代替所述的试件（90)上分布的惯性力， 即：
[0053] Pi (t) = P Ail0(t) [l/3+(8/3)/(h3/l2)]
[0054] 其中，P1U)表示广义惯性荷