专利名称：骨料-砂浆过渡区动态剪切性能试验方法及试验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种试验方法及试验装置，尤其涉及一种骨料-砂浆过渡区(即界面层)动态剪切性能试验方法及试验装置，用于对混凝土界面层性能的研究。
背景技术：
混凝土是一种非均质多相复合材料，其宏观力学性能取决于细观各组分(骨料、 砂浆、界面层)的材料特性和相互作用，其中界面层对混凝土结构宏观力学性能的影响尤为明显。根据界面层对混凝土宏观力学性能的影响，国内外对界面层性能的研究主要分为拉伸性能和剪切性能两类，对应的材料试验分别为拉伸试验和剪切试验。拉伸试验通常采用中间骨料、两端砂浆的棱柱体试件，通过施加轴向拉力测定界面层拉伸性能，剪切试验则通常采用中心放置骨料，两端为砂浆的圆柱形或棱柱体试件，通过施加压力将骨料“推出” 试件进而测定界面层剪切强度等相关参数。目前常见的界面层试验研究多集中于拉伸试验，对剪切性能的研究涉猎较少。在已有的剪切试验研究中又多关注于剪切强度、弹性模量的研究，忽略了界面层粘结力、摩擦角的测定，尤其对界面层动态特性的研究更为少见。因此无法为混凝土细观数值仿真研究提供一整套合理、实用的界面层本构模型，也无法为从细观层次探索混凝土力学性能、破坏机理提供可靠的试验支持。此外，由于界面层试验的复杂性以及对试件、试验装置的高要求，目前还没有统一标准的界面层剪切性能试验研究方法。因此，研发一种可精确测定混凝土界面层在不同应变率下动剪切力学性能的试验装置和试验方法，对于全面探索混凝土破坏机理，实现混凝土细观数值仿真，制定标准的界面层试验方案具有十分重要的现实意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有混凝土骨料-砂浆过渡区试验方法的不足，提供一种可精确测定混凝土界面层在不同应变率下动剪切力学性能的试验方法及相应的试验装置。本发明的骨料-砂浆过渡区动态剪切性能试验方法，包括以下步骤
步骤A、制作试件，所述试件为圆柱形，沿轴向分为骨料和水泥砂浆两部分，骨料部分直接从岩石中取芯，然后在其一端浇注水泥砂浆，并按照混凝土标准养护条件进行养护； 步骤B、利用试件夹具将试件的一部分夹紧，使试件轴向水平固定，试件的另一部分悬
空；
步骤C、对试件施加轴向荷载，使轴向荷载达到一固定值后，对试件的悬空部分施加垂直于试件轴向的剪切荷载，调整剪切荷载同时测量相应的试件的剪切位移，根据得到的剪切载荷及相应的剪切位移绘制该固定轴向荷载下的骨料-砂浆界面层剪切荷载-剪切位移曲线，曲线中的剪切荷载峰值即为该固定轴向荷载下的抗剪承载力；
步骤D、调整轴向荷载的值，并重复上述步骤C，得到不同轴向荷载下的抗剪承载力；以轴向荷载为横坐标，抗剪承载力为纵坐标绘制抗剪强度线；所得抗剪强度线与横坐标的夹角即为骨料-砂浆界面层的内摩擦角，抗剪强度线在纵坐标轴上的截距即为骨料-砂浆界面层的粘聚力。进一步地，所述步骤D之后还包括，
步骤E、调整剪切荷载的加载速率，重复所述步骤B—步骤D，得到不同加载速率下骨料-砂浆界面层的抗剪承载力、粘聚力、内摩擦角。进而可以研究骨料-砂浆界面层剪切性能随加载速率的变化规律。为了实施本发明的试验方法，本发明还提出了一种试验装置，该装置包括试验平台、
第一反力架、第二反力架、试件支座、试件夹具、千斤顶、压力传感器、剪切位移测量装置及载荷试验机；所述第一反力架、第二反力架均为H形钢架结构，固定于试验平台上；所述试件支座固定于试验平台，其上部开有半圆形开口，半圆形开口的尺寸与试件的尺寸相适应，试件支座垂直于其半圆形开口方向的宽度小于试件骨料部分的长度；所述试件夹具为倒T形结构，其下部开有半圆形开口，半圆形开口的尺寸与试件的尺寸相适应，试件夹具垂直于其半圆形开口方向的宽度小于试件骨料部分的长度，试件夹具两端开有螺孔，可通过长螺栓与试验平台固定。通常的载荷试验机的加载头通常为平头，当直接用加载头对圆柱形试件施加剪切荷载时，荷载分布不均勻。为了使剪切荷载均勻分布在试件上，本发明的试验装置还包括加载刀具，所述加载刀具上端为平板，下端开有半圆形开口，半圆形开口的尺寸与试件的尺寸相适应。为了提高剪切位移的测量精度，本发明采用的剪切位移测量装置为两个相同的位移计，试验时分别放置于所述加载刀具上端平板的两端。当对试件施加轴向荷载时，第一反力架、第二反力架由于分别受到试件和千斤顶的水平向的力，会产生轻微变形，可能会影响试验精度。为提高试验精度，可以将两者沿水平方向刚性固定连接。例如，可以在两者之间焊接水平方向的钢梁，或者用穿过两者的长螺杆将两者水平向固定。这样可提供一个水平约束，防止反力架受力变形。为了使轴向荷载均勻分布在试件上，从而进一步提升试验精度，该装置还包括一个加载板，其面积大于试件端面的面积，试验时置于试件与所述压力传感器之间。本发明的试验方法可精确测定混凝土骨料-砂浆界面层的抗剪承载力、粘聚力及内摩擦角，对于混凝土骨料-砂浆界面层的动态剪切性能的研究具有重要意义。本发明的试验装置结构简单、测量精度高，并可结合现有带加载平台的载荷试验机，将加载平台作为试验平台，进一步降低成本。
图1为本发明的骨料-砂浆过渡区动态剪切性能试验装置的结构示意图； 图2为加载刀具的结构示意图3为试件夹具的结构示意图； 图4为试件支座的结构示意图； 图5为骨料-砂浆界面层的剪切荷载-剪切位移曲线； 图6为骨料-砂浆界面层的抗剪强度线。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明
本发明的试验装置如附图1所示，包括试验平台1、第一反力架2、第二反力架3、试件支座4、试件夹具5、千斤顶6、压力传感器7、、载荷试验机8、加载刀具9、加载板10、剪切位移测量装置11、传感器夹具12、千斤顶夹具13 ；
其中第一反力架2和第二反力架3均为H形钢架结构，通过贯穿钢架结构中部的长螺栓固定于试验平台1上，第二反力架3与第一反力架2上对称地各开有两个螺孔，两者可通过螺杆沿水平方向刚性固定连接。试件支座4通过螺栓固定于试验平台1上，其结构如附图4所示，上部开有半圆形开口，半圆形开口的尺寸与试件的尺寸相适应，试件支座4垂直于其半圆形开口方向的宽度小于试件骨料部分的长度；
试件夹具5如附图3所示，整体为倒T形结构，其下部开有半圆形开口，半圆形开口的尺寸与试件的尺寸相适应，试件夹具5垂直于其半圆形开口方向的宽度小于试件骨料部分的长度，试件夹具5两端开有螺孔，可通过长螺栓与试验平台固定；
载荷试验机8采用带有加载平台的MTS载荷试验机，该试验机可方便的调节加载速率， 并可将其加载平台直接作为试验平台1 ；
加载刀具9可固定于载荷试验机8的加载头上，其结构如附图2所示，下端开有半圆形开口，半圆形开口的尺寸与试件的尺寸相适应；
加载板10为一块方形钢板，其面积大于试件端面，其上开有可供连接第一反力架2和第二反力架3的螺杆穿过的通孔，试验时放置在混凝土试件砂浆部分和压力传感器7之间， 以保证混凝土受压的均勻性；
剪切位移测量装置11采用两个相同的高精度LVDT (Linear Variable Differential Transformer，线性可变差动变压器)，试验时分别放置于所述加载刀具上端平板的两端；
为了保证试验精度，千斤顶6和压力传感器7分别通过千斤顶夹具13、传感器夹具12 固定在试验平台1上，夹具13、12的尺寸可根据千斤顶和压力传感器的尺寸设计，以保证千斤顶6和压力传感器7的轴线与试件的轴线对齐。使用上述装置进行骨料-砂浆过渡区动态剪切性能试验时，按照以下步骤 步骤1、制备符合试验要求的含骨料-砂浆界面层的混凝土试件，所述试件为圆柱形，
沿轴向分为骨料和水泥砂浆两部分，骨料部分直接从岩石中取芯，在进行两端端面切割打平后在骨料一端固定砂浆浇注模具浇注砂浆，试件的养护参照混凝土的标准养护条件温度控制在20士3°C，相对湿度95%以上。所制备的试件一端砂浆、一端骨料，两部分的交界处即为骨料-砂浆过渡区。步骤2、如附图1所示，通过试件夹具5及试件支座4将混凝土试件固定在试验平台1上，试件的骨料-砂浆过渡区应对准试件支座4的边缘，然后在试件一端放置千斤顶6 和压力传感器7，千斤顶6和压力传感器7分别通过千斤顶夹具13、传感器夹具12固定在试验平台1上，以保证千斤顶6和压力传感器7的轴线与试件的轴线对齐。步骤3、安装反力架，第一反力架2和第二反力架3之间采用两根长1200mm、直径 40mm的螺杆连接，螺杆通过加载板10上的通孔穿过加载板10，加载板10放置在试件和压力传感器7之间，并使加载板与试件端面紧贴。步骤4、使千斤顶6的一端抵住第二反力架3，然后施加载轴向荷载，应保证反力架 2、3、千斤顶6、压力传感器7以及试件充分接触。步骤5、使用千斤顶6对试件施加轴向荷载，通过压力传感器7控制轴向荷载的加载值，在加载过程中应始终保持加载板10竖直以避免试件不均勻受力。步骤6、当轴向荷载达到设计值后，将加载刀具9放置于试件两部分的交界处，放下载荷试验机8的加载头使其与加载刀具9顶端平面接触；先施加一定的预载以消除各部分间的间隙，然后安装剪切位移测量装置，将两个LVDT分别放置于加载刀具9的两端上部， 试验时取两个LVDT测得的位移值的平均值作为剪切位移，这样可以消除加载刀具倾斜时所导致的一侧位移偏大，一侧偏小的情况。步骤7、通过载荷试验机8对试件施加剪切荷载并读取剪切荷载值，同时通过压力传感器7读取轴向荷载值，通过剪切位移测量装置测量剪切位移值。步骤8、根据得到的剪切载荷及相应的剪切位移绘制该固定轴向荷载 ^下的骨料-砂浆界面层剪切荷载-剪切位移曲线，得到的曲线如附图5所示，图中横坐标
f为剪切位移，纵坐标τ为剪切荷载，曲线中的剪切荷载峰值巧即为该固定轴向荷载σ下
的抗剪承载力；
步骤9、调整轴向荷载的值，并重复上述步骤8，得到不同轴向荷载下的抗剪承载力；以
轴向荷载。为横坐标，抗剪承载力ζ力纵坐标绘制抗剪强度线；所得抗剪强度线
如附图6所示，抗剪强度线与横坐标的夹角P即为骨料-砂浆界面层的内摩擦角，抗剪强度线在纵坐标轴上的截距即为骨料-砂浆界面层的粘聚力e ；
步骤10、调整载荷试验机的加载速率并按照上述步骤得到不同加载速率下料-砂浆界面层的抗剪承载力、粘聚力、内摩擦角，进而研究骨料-砂浆界面层剪切性能随加载速率的变化规律。
权利要求
1.一种骨料-砂浆过渡区动态剪切性能试验方法，其特征在于，包括以下步骤步骤A、制作试件，所述试件为圆柱形，沿轴向分为骨料和水泥砂浆两部分，骨料部分直接从岩石中取芯，然后在其一端浇注水泥砂浆，并按照混凝土标准养护条件进行养护；步骤B、利用试件夹具将试件的骨料部分夹紧，使试件轴向水平固定，试件的砂浆部分悬空；步骤C、对试件施加轴向荷载，使轴向荷载达到一固定值后，对试件的悬空部分施加垂直于试件轴向的剪切荷载，调整剪切荷载同时测量相应的试件的剪切位移，根据得到的剪切载荷及相应的剪切位移绘制该固定轴向荷载下的骨料-砂浆界面层剪切荷载-剪切位移曲线，曲线中的剪切荷载峰值即为该固定轴向荷载下的抗剪承载力；步骤D、调整轴向荷载的值，并重复上述步骤C，得到不同轴向荷载下的抗剪承载力；以轴向荷载为横坐标，抗剪承载力为纵坐标绘制抗剪强度线；所得抗剪强度线与横坐标的夹角即为骨料-砂浆界面层的内摩擦角，抗剪强度线在纵坐标轴上的截距即为骨料-砂浆界面层的粘聚力。
2.如权利要求1所述骨料-砂浆过渡区动态剪切性能试验方法，其特征在于，所述步骤 D之后还包括，步骤E、调整剪切荷载的加载速率，重复所述步骤B—步骤D，得到不同加载速率下骨料-砂浆界面层的抗剪承载力、粘聚力、内摩擦角。
3.一种骨料-砂浆过渡区动态剪切性能试验装置，其特征在于，该装置包括试验平台、 第一反力架、第二反力架、试件支座、试件夹具、千斤顶、压力传感器、剪切位移测量装置及载荷试验机；所述第一反力架、第二反力架均为H形钢架结构，固定于试验平台上；所述试件支座固定于试验平台，其上部开有半圆形开口，半圆形开口的尺寸与试件的尺寸相适应， 试件支座垂直于其半圆形开口方向的宽度小于试件骨料部分的长度；所述试件夹具为倒T 形结构，其下部开有半圆形开口，半圆形开口的尺寸与试件的尺寸相适应，试件夹具垂直于其半圆形开口方向的宽度小于试件骨料部分的长度，试件夹具两端开有螺孔，可通过长螺栓与试验平台固定。
4.如权利要求3所述骨料-砂浆过渡区动态剪切性能试验装置，其特征在于，该装置还包括加载刀具，所述加载刀具上端为平板，下端开有半圆形开口，半圆形开口的尺寸与试件的尺寸相适应。
5.如权利要求4所述骨料-砂浆过渡区动态剪切性能试验装置，其特征在于，所述剪切位移测量装置为两个相同的位移计，试验时分别放置于所述加载刀具上端平板的两端。
6.如权利要求3所述骨料-砂浆过渡区动态剪切性能试验装置，其特征在于，所述第二反力架与第一反力架沿水平方向刚性固定连接。
7.如权利要求6所述骨料-砂浆过渡区动态剪切性能试验装置，其特征在于，第二反力架与第一反力架上对称地开有螺孔，两者之间通过长螺杆沿水平方向刚性固定连接。
8.如权利要求3所述骨料-砂浆过渡区动态剪切性能试验装置，其特征在于，该装置还包括一个加载板，其面积大于试件端面的面积，试验时置于试件与所述压力传感器之间。
9.如权利要求3所述骨料-砂浆过渡区动态剪切性能试验装置，其特征在于，所述载荷试验机带有加载平台，所述试验平台为载荷试验机的加载平台。
全文摘要
本发明公开了一种骨料-砂浆过渡区动态剪切性能试验方法。本发明方法首先制作沿轴向分为骨料和水泥砂浆两部分的试件；然后对试件施加轴向荷载，同时施加剪切荷载并测量相应的剪切位移，根据剪切荷载及剪切位移绘制该轴向荷载下的骨料-砂浆界面层剪切荷载-剪切位移曲线；调整轴向荷载的值，并重复上一步骤，得到不同轴向荷载下的抗剪承载力；以轴向荷载为横坐标，抗剪承载力为纵坐标绘制抗剪强度线，抗剪强度线与横坐标的夹角为骨料-砂浆界面层的内摩擦角，抗剪强度线在纵坐标轴上的截距为骨料-砂浆界面层的粘聚力。本发明还公开了一种骨料-砂浆过渡区动态剪切性能试验装置。本发明可精确测定混凝土界面层在不同应变率下动剪切力学性能。
文档编号G01N3/24GK102226745SQ20111008533
公开日2011年10月26日 申请日期2011年4月7日 优先权日2011年4月7日
发明者吴胜兴, 周继凯, 沈德建, 潘韡静, 王岩, 王潘绣, 王瑶, 赵海涛, 陈育志, 黄冬辉 申请人:河海大学