一种风积沙改性土抗拉强度测试装置的制作方法

本实用新型涉及一种风积沙改性土抗拉强度测试装置，专门适用于风积沙改性材料直接拉伸强度的便捷、准确测试。

背景技术：

风积沙是风沙流在冲积平原区形成的第四纪风积物，广泛分布于我国的新疆、内蒙古、青海、甘肃、陕西和宁夏等九省区。风积沙具有孔隙大、透水性强、无塑性以及抗剪强度低等特点，单纯用风积沙很难筑成满足高等级线路工程(高铁、高速公路)要求的路堤，迫切需要加入水泥等粘结性材料对其进行改性处理，使其不仅能降低工程造价，同时能满足线路工程对变形和稳定性的要求。因此，测试和分析不同状态风积沙改性土的力学指标显得尤为重要。风积沙改性土作为一种脆性材料，在诸多强度指标中，抗拉强度的测试显得尤为困难和关键，目前存在的测试方法中，无论是直接拉伸法还是间接拉伸法，都存在一定缺陷，如采用巴西劈裂法测试抗拉强度时，风积沙改性土试样破坏时不仅仅被“拉坏”，同时会受到压应力的影响从而导致测试数据产生误差；如专利cn105043866a采用巴西圆盘劈裂法，当试样抗拉强度比抗压强度过小时测得抗拉强度值误差较大；如专利cn206832593u采用的拉拔法，加载采用手动操作，人为加载速度的快慢会直接影响测试数据的准确性和便捷性；又如专利cn205175835u采用砝码盘加载，虽然加载速度的一致性得到改善，但是无法做到测量速率的精细化控制，同时采用百分表进行位移测量，测试数据不够准确。本实用新型提供一种集制样与测试于一体的风积沙改性土抗拉强度测试系统，不仅实现风积沙改性土制样的一体化，同时可以使用实验室常用的材料试验机对试样进行抗拉强度测试，解决了目前对风积沙改性土抗拉强度测试不够便捷以及测试精度不够准确的问题，为沙漠地区风积沙改性材料的研究和应用提供了有效的实验室测试方法。

技术实现要素：

针对风积沙改性材料抗拉强度远小于抗压强度的材料特性，提供一种实验室状态下便捷制样、准确测试的抗拉强度测试系统，适用于实验室条件下利用常规压力机较准确、便捷、高效地测试风积沙改性土的抗拉强度。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案：

一种风积沙改性土抗拉强度测试装置，其特征在于，各部分按照从下到上连接顺序依次为，左拉块(6)与右拉块(7)咬合相连形成整体拉块，左拉块(6)和右拉块(7)外壁接触区域设置固定扣(10)，固定扣(10)相互咬合，限制制样时整体拉块发生水平横向移动错位，引伸计(11)一端连接左拉块(6)端部，另一端连接右拉块(7)端部，整体拉块上部连接左护臂(15)与右护臂(16)，两护臂与整体拉块之间通过整体拉块两端中部突出限位台相连，下压力板(21)直接作用于试样，下压力板(21)上部纵向等距分布固定三根用于传递压力的传递柱(20)，传递柱(20)上部固定上压力板(17)；

矩形底座框架(1)与左拉板(3)刚性连接，底座框架(1)布置有滑轨，右活整体拉块上部连接左护臂(15)与右护臂(16)，两护臂与整体拉块之间通过整体拉块两端中部突出限位台相连，下压力板(21)直接作用于试样，下压力板(21)上部纵向等距分布固定三根用于传递压力的传递柱(20)，传递柱(20)上部固定上压力板(17)；

矩形底座框架(1)与左拉板(3)刚性连接，底座框架(1)布置有滑轨，右活动拉板(4)连接于滑轨形成可动端，底座框架(1)各端点处固定多根固定角柱(2)，固定角柱(2)顶部连接顶部固定盖(13)，液压转换管(9)管体穿过顶部固定盖(13)中心预留孔洞，液压转换管(9)下部管口活塞(8)与刚性连接于右活动拉板(4)中心处的应力计(12)对应，液压转换管(9)上部管口活塞与压力作用端(22)相连。

进一步，左拉块(6)和右拉块(7)于交接处采用锯齿状咬合(18)，锯齿状咬合(18)设置有台阶限位部分(19)。

进一步，其中抗拉强度测试模具中的顶部固定盖(13)采用镂空设计，降低固定角柱(2)承受的压力。

将试样(14)置于整体拉块内，右活动拉板(4)在滑轨(5)上滑动，液压转换管(9)的活塞(8)与右活动拉板(4)在滑轨(5)上运动方向一致；将左拉块(6)与右拉块(7)端部的突出限位台对准抗拉强度测试模具左拉板(3)与右活动拉板(4)的中心凹槽并推入，将固定扣(10)解开，调整活塞(8)位置使其紧密接触应力计(12)，引伸计(11)和应力计(12)采集数据并将数据传输到数据采集终端(23)；

液压转换管(9)将传统压力机纵向压力转换为横向拉力；一方面将压力机的纵向压力等速水平转换至右活动拉板(4)，另一方面测得施加在右活动拉板(4)上的压力；

左拉块(6)和右拉块(7)外壁接触的中间部分设有相互咬合的固定扣(10)，在制样时锁闭固定扣(10)，保证试样在制样时在水平横向不会发生移动错位，在试验时解开固定扣(10)，解除试样横向水平约束。

利用液压转换装置将传统压力机纵向压力转换为横向拉力；液压转化装置上端与压力机加载端直接接触，下端对应于压力传感器，压力传感器与右活动拉板刚性连接，一方面将压力机的纵向压力等速水平转换至右活动拉板，另一方面可精确测得施加在拉力板上的压力记为p，利用试验前测试的滑轨动摩擦系数μ，得到施加于风积沙改性土试样两端的拉伸作用力f，即f＝p-g·μ，其中g为压力传感器与右端拉力板的重量之和；测试时，将盛装风积沙改性土试样的拉块横向推入左右压力板，确保拉块与拉板之间相扣合且无缝隙后置于压力机平台，解开拉块固定扣，设置压力机加载速率，开启压力传感器采集装置及位移计采集装置，将数据采集终端连接电脑，启动压力机，即可进行风积沙改性土抗拉强度测试。

一种风积沙改性土抗拉强度测试装置，整体结构分为两个部分：风积沙改性土制样模具、风积沙改性土抗拉强度测试模具。

风积沙改性土制样模具主要由部分组成：拉块、护臂及压板。拉块设计为“工字型”，可为风积沙改性土的成型提供约束以及为测试抗拉强度提供拉力作用面，为避免影响测试应力集中效应，在连接部位采用圆弧化设计。拉块由中部对称分为左右两部分，两部分内部构造一致以保证试样抗拉强度不因形状改变而发生偏拉情况，于交接处采用锯齿状咬合相接从而限制在进行制样或测试时试样发生水平向移位。拉块左右两部分相接触之侧面分别布置交叉相扣的固定锁扣从而保证在制样时两部分合为一体，而在测试试样抗拉强度时固定锁扣须张开以使左右两部分可无障碍拉开。拉块端部安设引伸计，引伸计相向对应以测量试样在受到拉伸破坏过程中产生之变形量。护臂、压力板同步参与制样操作，护臂嵌套于拉块上方，针对原始松散状态试样为压板充分压缩试样提供压缩空间，且防止规定重量的试样受压后部分逸散至拉块外部；压板对风积沙改性土进行压实，确保集中力均匀作用至风积沙改性土各受力面。

风积沙改性土抗拉模具针对实验室内现有常规材料试验机无法精确测试风积沙改性土抗拉强度的状况，利用液压转换装置将传统压力机纵向压力转换为横向拉力。液压转化装置上端与压力机加载端直接接触，下端对应于压力传感器，压力传感器与右活动拉板刚性连接，一方面将压力机的纵向压力等速水平转换至右活动拉板，另一方面可精确测得施加在拉力板上的压力(记为p)，利用滑轨的动摩擦系数(μ)，可得施加于风积沙改性土试样两端的拉伸作用力(f)，即f＝p-g·μ，其中g为压力传感器与右端拉力板的重量之和。测试时，将盛装风积沙改性土试样的拉块横向推入左右压力板，确保拉块与拉板之间相扣合且无缝隙后置于压力机平台，解开拉块固定扣，设置压力机加载速率，开启压力传感器采集装置及位移计采集装置，将数据采集终端连接电脑，启动压力机，即可进行风积沙改性土抗拉强度测试。

本实用新型的有益效果

风积沙改性土制样模具与风积沙改性土抗拉强度测试模具配套使用，制样模具专为抗拉强度测试模具设计，具有高契合度。制样完成后不取出试样，将试样盛装在模具内置于测试系统中，防止取出试样后因试样强度脆弱遭到外部扰动而对试样造成结构破坏。本系统可一次完成制样、测试抗拉强度两项操作，极大降低测试成本及因时间造成的不稳定性。制样、测试抗拉强度过程均实现自动控制，降低人为因素所造成误差，有效保证测试结果的精确性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明：

图1是抗拉强度测试系统整体结构示意图

图2是制样模具结构示意图

图3是抗拉测试模具正视图

图4是抗拉测试模具右视图

图5是左右拉块拼装图

图6是液压转换管示意图

图中：1.底座框架；2.固定角柱；3.左拉板；4.右活动拉板；5.滑轨；6.左拉块；7.右拉块；8.活塞；9.液压转换管；10.固定扣；11.引伸计；12.应力计；13.顶部固定盖；14.试样；15.左护臂；16.右护臂；17.上压力板；18.锯齿状咬合接触部分；19.台阶限位部分；20.传递柱；21.下压力板；22.压力作用端；23.数据采集终端

具体实施方式：

本实用新型的实施方法主要分为两部分：制备试样、测试试样抗拉强度。

各部分按照从下到上连接顺序依次为，制样模具，左拉块(6)与右拉块(7)通过限制试样在受压变形时发生水平纵向变形移位的锯齿状咬合(18)相连形成整体拉块，锯齿状咬合(18)下方设置有台阶限位部分(19)使得试样在制样时避免产生竖直向位移，左拉块(6)和右拉块(7)外壁接触区域设置固定扣(10)，固定扣(10)相互咬合，限制制样时整体拉块发生水平横向移动错位。引伸计(11)连接左拉块(6)与右拉块(7)端部，整体拉块上部连接左护臂(15)与右护臂(16)，两护臂与整体拉块之间通过整体拉块两端中部突出限位台相连，避免护臂与整体拉块之间存在空隙。下压力板(21)直接作用于试样，将集中力均匀分散传递给试样，下压力板(21)上部纵向等距分布固定三根用于传递压力的传递柱(20)，传递柱(20)上部固定上压力板(17)，上压力板(17)为压力直接作用区域。

抗拉强度测试模具，矩形底座框架(1)与左拉板(3)刚性连接，底座框架(1)中部靠右处布置短距滑轨，右活动拉板(4)连接于滑轨形成可动端，采用加强筋设计保障位移的统一性。底座框架(1)各端点处固定四根固定角柱(2)，固定角柱(2)顶部连接顶部固定盖(13)，液压转换管(9)管体穿过顶部固定盖(13)中心预留孔洞，液压转换管(9)下部管口活塞(8)与刚性连接于右活动拉板(4)中心处的应力计(12)对应，液压转换管(9)上部管口活塞与压力作用端(22)相连。

测试试样抗拉强度，将试样(14)置于整体拉块内，右活动拉板(4)在滑轨(5)上调至适当位置，将左拉块(6)与右拉块(7)端部的突出限位台对准抗拉强度测试模具左拉板(3)与右活动拉板(4)的中心凹槽并推入，将固定扣(10)扣合，调整活塞(8)位置使其紧密接触应力计(12)。引伸计(11)和应力计(12)采集数据并将数据传输到数据采集终端(23)。

工作过程

将左右两拉块并合，锁闭固定扣形成整体，在上方放置护臂卡定。配置所需的风积沙改性材料，分层使用压板压实，并在拉块内养护。

使用养护完成的试样连同拉块一并推入抗拉测试模具，与卡板相紧扣。将抗拉测试模具放置于压力机下，调整与液压转换管右端相连的活塞使其紧密接触应力计中央部位，设置压力机初始加载速率，缓慢加压至压力计调试引伸计和压力计的使用状况。进行试验时，通过应力计和引伸计的监测数据，反应试样应力-应变特性及抗拉强度特性，为风积沙改性土抗拉强度的研究提供数据基础。

数据修正

试验过程中不可避免的因素导致试验数据存在误差。右活动拉板底座与滑轨之间存在的摩擦力，从而导致应力计示数偏大，且试验环境不同，摩擦系数也会发生变化，故试验得来的数据需要进行修正。首先要测定摩擦系数，测定摩擦系数所处环境应尽量接近测定试样抗拉强度时的环境，降低外部因素干扰，进而消除应力计测量误差。测定摩擦系数μ在制样前进行，将已锁闭固定扣的空置拉槽推入抗拉测试模具，启动压力机以试样加载速率缓慢均匀加载直至右活动拉板开始发生均匀移动后停止，读取应力计读数σ1(mpa)，s为与液压转换管相连接的活塞面积(与应力计传感器接触面积)(mm2)。此时摩擦力ff＝σ1·s，可计算出μ的精确数值

式中，σ1为右活动拉板发生匀速运动的读数(mpa)；m1为右拉块的质量(kg)；m2为右活动拉板的质量(kg)。

右活动拉板与滑轨之间的摩擦力ff按下式计算

式中，μ为右活动拉板底部与滑轨之间的摩擦因数，m1为右拉块的质量(kg)，m2为右活动拉板的质量(kg)，m3为试样质量(kg)，g取9.8n/kg。

试验结束后试样的抗拉强度rm(mpa)，按下式计算

rm＝(σh·s-ff)/sa

式中，σh为试样被拉断时应力计上读数(mpa)；s为与液压转换管相连接的活塞面积(mm²)；ff为试样被拉断时右活动拉板与滑轨之间的摩擦力(n)；sa为试样原始横截面积(mm²)。

通过分析试验中测得的数据，使用辅助公式计算试样的拉应力及应变，最终得到试样的抗拉强度。利用上述数据，可对风积沙改性土在不同加载条件下的应力-应变特性以及抗拉强度特征有深刻认知，从而为风积沙的改性处理以及工程应用提供试验参考。