一种钢纤维增强复合材料中纤维拔出装置以及测试方法

1.本发明涉及钢纤维等纤维增强复合材料的粘结性能研究等领域，具体是一种钢纤维增强复合材料中纤维拔出装置以及测试方法。


背景技术：

2.水泥基等脆性材料，如砂浆和陶瓷，其抗拉强度较低，韧性和抗裂性差；通过掺入一定体积含量的纤维加固弥补了这一不足；复合材料通过组合作用共同抵抗外部拉力，其中部分拉力由基体抵抗，剩余的平衡力由纤维与基体之间的粘结来抵抗；粘结作用即为纤维与周围基体之间界面处的剪切应力；
3.关于这种界面处剪切应力沿长度方向的分布规律以及界面破坏形态的研究，主要通过理论计算模型以及实验研究两种方法实现；目前，理论模型研究比较受认可的理论模型有剪滞模型、裂缝桥联模型等；cox于1952年提出剪滞模型，该模型假设了基体与纤维保持为弹性状态，界面粘结是完好的，运用解析的方法得到了纤维表面粘结盈利公式；该模型是分析纤维增强复合材料强度和损伤最常用方法之一；随后一些学者利用该模型原理研究纤维复合材料的应力场等问题，并进一步发展了该模型；纤维拔出过程中的破坏模式是界面性能研究中重要部分；一些学者运用断裂力学、弹性力学和细观力学的基本原理，考虑到在脱胶区仍然存在摩擦效应的条件下，对纤维拔出过程中的应力、位移场进行推导，得到了纤维脱粘计算公式，同时对纤维拔出过程中纤维的断裂问题进行了讨论；
4.纤维和基体的粘结决定了复合材料的抗裂性能；aveston等对摩擦力作用下纤维受力进行分析，并考虑到基体开裂引起陶瓷基体复合材料中能量的转换问题，提出了裂缝桥联模型；随后budiansky等、gonzalez-chi等对该模型进一步发展，得到了纤维未脱粘、脱沾后基体中应力公式；纤维增强复合材料的性能主要取决于纤维与基体之间的界面粘结特性；这种粘结性能研究的最直接方法即纤维拔出实验；通过实验可以直接获得拉拔荷载-滑移响应曲线，基于响应曲线中的实验数据，结合理论分析可以得到较为准确的纤维粘结剪应力-滑移关系(界面的本构特性)预测模型；然而这种模型对纤维拔出实验的要求较高，实验中的纤维不能发生滑移现象，拔出位移的测试结果必须精确，才能使得模型与实际结果更加吻合；不同倾斜角度、埋置深度的纤维拔出过程中的破坏模式以及响应曲线均不同，实验研究中常遇到试样表面有不同分布的纤维，需要能快速夹住纤维而又不影响其他纤维状态的拔出夹具，减少扰动，同时又能有较高的实验效率；
5.基于上述问题，如何适应不同尺寸的混凝土试样的夹持试验成为了本领域研究人员急需解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是：如何适应不同尺寸的混凝土试样的夹持试验；
7.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
8.本发明是一种钢纤维增强复合材料中纤维拔出装置，包括：底座，其适于夹紧试
样；夹具，其位于所述底座的上方，并适于夹紧试样上的纤维；
9.通过底座能够实现试样的固定，通过夹具能够夹紧试样上的纤维，通过上行夹具能够实现试样上纤维的拉拔。
10.为了具体说明夹具的结构，本发明采用夹具包括：附属夹头；基础夹头，其顶部与所述附属夹头活动连接，其底部与所述附属夹头底部配合适于夹紧或松开试样上的纤维；调节机构，其适与调整所述附属夹头、基础夹头间的间距；连接装置，其固定在所述基础夹头顶部，其适于将所述基础夹头与万能试验机顶部夹具固定连接；
11.调节机构调整附属夹头、基础夹头的间距，从而能够实现夹具的夹紧或者松开，连接装置用于连接万能试验机与夹具。
12.如何实现附属夹头、基础夹头的活动连接，本发明采用附属夹头顶部内侧开设有贯穿孔洞；基础夹头顶部内壁固定插入孔洞内的突出杆；
13.突出杆插入孔洞中，实现了附属夹头、基础夹头两者的活动连接。
14.为了具体说明调节机构的结构，本发明采用调节机构包括：螺纹杆，其一端与所述附属夹头转动连接，其杆身与所述基础夹头螺纹连接；转动杆，其固定在所述螺纹杆端部，并与所述螺纹杆垂直连接；
15.通过转动转动杆，使得螺纹杆转动，螺纹杆的一端为光杆，其与附属夹头转动连接，即只能实现自转；螺纹杆的螺纹部与基础夹头螺纹连接，通过转动螺纹杆使得附属夹头、基础夹头两者靠近或者远离。
16.为了具体说明底座的结构，本发明采用底座包括：底板，其底部固定有与万能试验机下部夹具固定连接的柱体；固定块，其固定在所述底板上；凹槽，其平行开设在所述底板上；活动块，其活动置于所述底板上；锁紧杆，其穿过所述凹槽与所述活动块底部螺纹连接；顶杆，其穿过所述活动块，并与所述活动块螺纹连接，所述顶杆的端部适于与试样相抵；
17.在本方案中，试样一侧面与固定块相抵，活动块沿凹槽长度方向移动后，通过锁紧杆进行锁紧，随后转动顶杆，将顶杆一端伸出，并将其端面与试样端面相抵，将试样与底板固定连接。
18.为了说明纤维拔出装置的测试方法，本发明采用包括如下步骤：
19.步骤一：钢纤维混凝土试样准备
20.将材料按照比例制备并浇筑成半狗骨头状或者棱柱形试样；纤维的埋入需要在模具的端口处预先放入pe板，将纤维按照实验预设的角度插入板中一半纤维长度，然后再灌入混凝土使得纤维可以较好的埋入混凝土中；试样浇筑24小时后拆模，去除pe板；然后对试样进行养护。
21.步骤二：纤维拔出装置的组装
22.将所述底板底部的所述柱体安装在万能试验机的下端夹具中，然后将中间带有可旋转顶杆的活动块底下的锁紧杆通过凹槽插入至活动块底部，初步旋紧；将顶杆旋转调整至未锁紧状态；
23.将附属夹头和基础夹头通过突出杆连成一个整体，两者之间插入螺纹杆；将连接装置与基础夹头固定连接，随后将夹具安装到万能试验机顶部夹具；
24.步骤三：试样对中、固定并夹持纤维
25.试样取出后放到步骤二中固定块与活动块之间，移动活动块，旋紧活动块底下的
锁紧杆，使得试样初步夹住；然后夹具，充将待拔出钢纤维置于附属夹头和基础夹头之间，接着旋紧活动块中部的顶杆，使顶杆牢牢顶住试样侧面，保证试样在加载过程中不会发生移动。最后用力通过转动杆旋转螺纹杆，确保拉拔过程中纤维不会发生滑移，从而保证拔出位移的精确性；
26.步骤四：启动万能试验机，进行钢纤维拔出试验，采取位移控制模式，设置加载速度，即可进行持续拉拔，直至将钢纤维从试件中拔出或拉拔力降为峰值载荷的85％以下，停止试验；从万能试验机电脑控制软件中可以得到纤维拉伸过程的粘结力-滑移量曲线，即p-s曲线；利用弹性理论，对纤维的受力平衡进行分析，假定表面剪应力的分布，可以推导得出钢纤维的脱粘时荷载－位移关系公式：
[0027][0028]
其中，p为实验中拉拔荷载，δ为纤维末端拔出位移，λ,q均为计算参数； am,em分别为复合材料基体的面积与弹性模量。l为纤维长度；
[0029]
p-s曲线初始段表现出线弹性，当曲线斜率发生较大变化时即意味着纤维发生脱沾；随后曲线缓慢增长直到达到峰值后开始下降一定幅度，此时通常认为纤维完全脱沾；该阶段的荷载－位移关系公式为：
[0030][0031]
其中，τf为纤维表面剪切强度，u为已经脱沾纤维长度；
[0032]
最后是完全脱沾后的摩擦滑移阶段，研究表明，峰值后的曲线形状需要理论结合是实验结果对计算公式进行形状参数分析从而确定合适的参数值；滑移摩擦阶段的荷载－位移关系公式为：
[0033]
p＝πdfτ
fd
(δ)(l-δ+δo)
[0034]
其中，τfd为完全脱沾后纤维表面剪切强度，δ0为纤维起始脱沾长度。
[0035]
利用本发明中测试设备以及测试方法，已进行数百次的纤维混凝土中纤维拔出实验，并对测试方法中所得到的实验结果进行分析，分析表明利用本发明装置以及测试方法进行实验，可以得到较好的效果，具体如图2所示。
[0036]
本发明的有益效果：本发明是一种钢纤维增强复合材料中纤维拔出装置以及测试方法，本发明具有的优势如下：
[0037]
(1)通过底座上的活动块以及锁紧杆的调整，适应不同尺寸的混凝土试样的夹持，不需要、拆卸与安装试样，提高了实验的测试效率；
[0038]
(2)大量测试设备没有注意到夹头下部的刚度问题，从而造成大量滑移现象，使得测试数据结果不准确；而本发明的基础夹头与附属夹头的最下部与纤维接触的部位需要淬火处理，以增强材料刚度，确保多次测试后不会发生变形而引起滑移；
[0039]
(3)相比其他测试设备的反复制备试样(一个试样上只有少量或者一根纤维)，多根纤维测试时候，特备是倾斜纤维，测试时效率极低；本发明可以针对这种情况，进行原位夹持、测试；而且夹具小巧型，可以在杂乱分布的纤维中有针对性的选定和拔出，极大的提高实验效率和实用性。
附图说明
[0040]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0041]
图1是本发明的结构示意图。
[0042]
图2为纤维拔出荷载-位移的折线图。
具体实施方式
[0043]
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
[0044]
如图1所示，本发明是一种钢纤维增强复合材料中纤维拔出装置，包括：底座，其适于夹紧试样；夹具，其位于底座的上方，并适于夹紧试样上的纤维；
[0045]
通过底座能够实现试样的固定，通过夹具能够夹紧试样上的纤维，通过上行夹具能够实现试样上纤维的拉拔。
[0046]
如图1所示，为了具体说明夹具的结构，本发明采用夹具包括：附属夹头1；基础夹头2，其顶部与附属夹头1活动连接，其底部与附属夹头1底部配合适于夹紧或松开试样上的纤维；调节机构，其适与调整附属夹头1、基础夹头2间的间距；连接装置3，其固定在基础夹头2顶部，其适于将基础夹头2与万能试验机顶部夹具固定连接；
[0047]
调节机构调整附属夹头、基础夹头的间距，从而能够实现夹具的夹紧或者松开，连接装置用于连接万能试验机与夹具。
[0048]
如图1所示，如何实现附属夹头、基础夹头的活动连接，本发明采用附属夹头1顶部内侧开设有贯穿孔洞4；基础夹头2顶部内壁固定插入孔洞4内的突出杆5；
[0049]
突出杆插入孔洞中，实现了附属夹头、基础夹头两者的活动连接。
[0050]
如图1所示，为了具体说明调节机构的结构，本发明采用调节机构包括：螺纹杆6，其一端与附属夹头1转动连接，其杆身与基础夹头2螺纹连接；转动杆7，其固定在螺纹杆6端部，并与螺纹杆6垂直连接；
[0051]
通过转动转动杆，使得螺纹杆转动，螺纹杆的一端为光杆，其与附属夹头转动连接，即只能实现自转；螺纹杆的螺纹部与基础夹头螺纹连接，通过转动螺纹杆使得附属夹头、基础夹头两者靠近或者远离。
[0052]
连接装置3包括连接柱，连接柱的底部与基础夹头2螺纹连接，连接柱的顶部横向设置有定位销，定位销的作用是将连接柱与万能试验机固定连接。
[0053]
如图1所示，为了具体说明底座的结构，本发明采用底座包括：底板8，其底部固定有与万能试验机下部夹具固定连接的柱体；固定块9，其固定在底板上；凹槽10，其平行开设在底板8上；活动块11，其活动置于底板8上；锁紧杆，其穿过凹槽10与活动块11底部螺纹连接；顶杆12，其穿过活动块11，并与活动块11螺纹连接，顶杆12的端部适于与试样相抵；
[0054]
在本方案中，试样一侧面与固定块相抵，活动块沿凹槽长度方向移动后，通过锁紧杆进行锁紧，随后转动顶杆，将顶杆一端伸出，并将其端面与试样端面相抵，将试样与底板固定连接。
[0055]
如图1所示，为了说明纤维拔出装置的测试方法，本发明采用包括如下步骤：
[0056]
步骤一：钢纤维混凝土试样准备
[0057]
将材料按照比例制备并浇筑成半狗骨头状或者棱柱形试样；纤维的埋入需要在模
具的端口处预先放入pe板，将纤维按照实验预设的角度插入板中一半纤维长度，然后再灌入混凝土使得纤维可以较好的埋入混凝土中；试样浇筑24小时后拆模，去除pe板；然后对试样进行养护。
[0058]
步骤二：纤维拔出装置的组装
[0059]
将底板8底部的柱体安装在万能试验机的下端夹具中，然后将中间带有可旋转顶杆12的活动块11底下的锁紧杆通过凹槽10插入至活动块11底部，初步旋紧；将顶杆12旋转调整至未锁紧状态；
[0060]
将附属夹头1和基础夹头2通过突出杆5连成一个整体，两者之间插入螺纹杆6；将连接装置3与基础夹头2固定连接，随后将夹具安装到万能试验机顶部夹具；
[0061]
步骤三：试样对中、固定并夹持纤维
[0062]
试样取出后放到步骤二中固定块9与活动块11之间，移动活动块11，旋紧活动块11底下的锁紧杆，使得试样初步夹住；然后夹具，充将待拔出钢纤维置于附属夹头1和基础夹头2之间，接着旋紧活动块11中部的顶杆12，使顶杆 12牢牢顶住试样侧面，保证试样在加载过程中不会发生移动；最后用力通过转动杆7旋转螺纹杆6，确保拉拔过程中纤维不会发生滑移，从而保证拔出位移的精确性；
[0063]
步骤四：启动万能试验机，进行钢纤维拔出试验，采取位移控制模式，设置加载速度，即可进行持续拉拔，直至将钢纤维从试件中拔出或拉拔力降为峰值载荷的85％以下，停止试验；从万能试验机电脑控制软件中可以得到纤维拉伸过程的粘结力-滑移量曲线，即p-s曲线；利用弹性理论，对纤维的受力平衡进行分析，假定表面剪应力的分布，可以推导得出钢纤维的脱粘时荷载－位移关系公式：
[0064][0065]
其中，p为实验中拉拔荷载，δ为纤维末端拔出位移，λ,q均为计算参数； am,em分别为复合材料基体的面积与弹性模量。l为纤维长度；
[0066]
p-s曲线初始段表现出线弹性，当曲线斜率发生较大变化时即意味着纤维发生脱沾；随后曲线缓慢增长直到达到峰值后开始下降一定幅度，此时通常认为纤维完全脱沾；该阶段的荷载－位移关系公式为：
[0067][0068]
其中，τf为纤维表面剪切强度，u为已经脱沾纤维长度；
[0069]
最后是完全脱沾后的摩擦滑移阶段，研究表明，峰值后的曲线形状需要理论结合是实验结果对计算公式进行形状参数分析从而确定合适的参数值；滑移摩擦阶段的荷载－位移关系公式为：
[0070]
p＝πdfτ
fd
(δ)(l-δ+δo)
[0071]
其中，τfd为完全脱沾后纤维表面剪切强度，δ0为纤维起始脱沾长度。
[0072]
利用本发明中测试设备以及测试方法，已进行数百次的纤维混凝土中纤维拔出实验，并对测试方法中所得到的实验结果进行分析，分析表明利用本发明装置以及测试方法进行实验，可以得到较好的效果，具体如图2所示。
[0073]
本发明是一种钢纤维增强复合材料中纤维拔出装置以及测试方法，本发明具有的优势如下：
[0074]
(1)通过底座上的活动块以及锁紧杆的调整，适应不同尺寸的混凝土试样的夹持，不需要、拆卸与安装试样，提高了实验的测试效率；
[0075]
(2)大量测试设备没有注意到夹头下部的刚度问题，从而造成大量滑移现象，使得测试数据结果不准确；而本发明的基础夹头与附属夹头的最下部与纤维接触的部位需要淬火处理，以增强材料刚度，确保多次测试后不会发生变形而引起滑移；
[0076]
(3)相比其他测试设备的反复制备试样(一个试样上只有少量或者一根纤维)，多根纤维测试时候，特备是倾斜纤维，测试时效率极低；本发明可以针对这种情况，进行原位夹持、测试；而且夹具小巧型，可以在杂乱分布的纤维中有针对性的选定和拔出，极大的提高实验效率和实用性。
[0077]
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。