识别橡胶混凝土圆柱体试件动态拉伸性能的方法
【专利摘要】本发明公开了一种识别橡胶混凝土圆柱体试件动态拉伸性能的方法，该方法基于巴西圆盘劈裂实验原理，结合分离式霍普金森压杆装置对直径与实验所用分离式霍普金森压杆装置中入射杆和透射杆的直径相同，高度为直径的1/2的橡胶混凝土圆柱体试件进行动态拉伸性能测试。通过调节不同的气压来控制不同的撞击速度，使试件在一定应变率范围下进行实验，每次实验后可通过动态应变仪读出相关数据，经过计算后获得橡胶混凝土圆柱体试件动态拉伸性能。本发明所提供的测试方法操作简单、使用方便快捷、测量精度高、数据准确，能够较为完整地测出橡胶混凝土的动态拉伸性能。
【专利说明】
识别橡胶混凝土圆柱体试件动态拉伸性能的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及动态力学技术领域，尤其涉及一种基于巴西圆盘劈裂试验原理并通过 分离式霍普金森压杆装置来识别橡胶混凝土圆柱体试件的动态拉伸性能的方法。
【背景技术】
[0002] 混凝土是一种成分复杂的硅酸盐复合材料，各种混凝土建筑都承受着静态或准静 态的荷载，前人的研究只关注于研究混凝土的静态和准静态力学性能，却忽略了混凝土动 态特性对军用和民用领域的重要影响，如通过了解和测试混凝土具体的冲击反应或爆炸荷 载，可以更好地对重要的军事目标实施破坏，或者有针对性地建造防御建筑。
[0003] 另一方面，近年来由于我国汽车业迅速发展，汽车行业的更新换代也越来越快。 2014年，全国轮胎产量超过5.62亿条，报废汽车220万辆，废旧轮胎年生产约1000万吨，再生 橡胶产量350万吨，且轮胎翻新企业将近70 %处于停产或半停产状态。由于轮胎材料不同于 汽车其他零部件，成分主要是橡胶，且橡胶在一般情况下很难自然降解。导致废旧轮胎日益 增多，环境问题日益凸显。但橡胶材料具有高韧性和高弹性的性能，掺入混凝土后可以弥补 混凝土材料脆性大的不足，使得混凝土在抗冲击方面得到进一步的加强。
[0004] 普通混凝土路面破坏的机理很多，但主要力学原因是内部受拉超出了路面材料所 能容许的限度。因为压力会导致切向拉应力，且弹性物体的体积是基本固定的，在一个方向 受到压力，会等效于其他方向出现拉力。而混凝土抗拉强度一般只有抗压强度十分之一，则 路面破坏必然是由于拉应力先达到极限抗拉强度而造成受拉破坏，最后路面沿着压力截面 裂开。补充研究橡胶混凝土动态拉伸力学性能，能更加全面地认识路用橡胶混凝土的破坏 机理，并且能推广橡胶混凝土的应用。
[0005] 在混凝土中掺入一定量的橡胶颗粒，可以从微观上改变混凝土内部骨料之间微裂 缝的形成，从宏观上改善混凝土结构的延性和抗冲击性，并且橡胶具有良好的力学性能，其 资源也容易获得，所以橡胶混凝土具有很好的前景。但由于橡胶混凝土高应变率的动态冲 击试验发展较晚，因此在动态力学性能方面的研究，都是橡胶混凝土动态冲击压缩实验，目 前国内外并没有对橡胶混凝土的动态劈裂拉伸性能作出相应的研究。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于方便、快速识别橡胶混凝 土圆柱体试件动态拉伸性能的方法。
[0007] 本发明的目的通过下述技术方案实现：
[0008] -种识别橡胶混凝土圆柱体试件动态拉伸性能的方法，包括如下步骤：
[0009] (1)将圆柱体试件水平放入分离式霍普金森压杆装置中；使试件位于入射杆和透 射杆之间，圆柱体试件的中心线垂直与入射杆和透射杆的中心线，碰撞时，入射杆的端面与 试件一侧的圆周面线接触，透射杆的端面与试件另一侧的圆周面线接触，试件在入射杆与 透射杆的压力作用下的受力情况如图3所示。
[0010] (2)调节压缩气枪的气压并驱动子弹射向入射杆;入射杆在子弹的推力作用下与 试件碰撞，入射杆和透射杆的应变片均发生形变，从动态应变仪中可以读出相关数据。
[0011] (3)记录所读取动态应变仪的相关数据，根据激光传感器连接的示波器计算子弹 的飞行速度，和此次压缩气枪加载的气压值。
[0012] (4)更换试件，重复步骤(2)和（3)获得试件的抗拉强度；记录每组试件的相关数 据。
[0013] (5)根据公式
和公式
分别求出应力率和应变率，并根据应变率和抗 拉强度的关系拟合成一条完整的曲线图。
[0014] 所述识别橡胶混凝土圆柱体试件动态拉伸性能的方法还包括正式测试前的调试 准备阶段，该阶段包括如下步骤：
[0015] 步骤S1:调节分离式霍普金森压杆装置。将入射杆和透射杆调节水平，同时将入射 杆与透射杆对接，调至杆件端面完全吻合，不留缝隙。
[0016] 步骤S2:擦拭入射杆和透射杆表面锈迹，并用少量丙酮涂抹杆件表面，以清洗前一 次粘贴应变片残留的胶水痕迹，然后在入射杆和透射杆上各粘贴一片应变片，将这两块应 变片与动态应变仪进行桥接，桥接后就可以方便地从动态应变仪中实时读取应变片的数 值。
[0017] 步骤S3:在子弹和入射杆之间安装激光传感器，并测量两束激光传感器之间的距 离；该激光传感器用于测量子弹的飞行速度，在准备阶段用于测试气缸气压与子弹飞行速 度的关系，方便实验人员更好地控制子弹的飞行速度，进而控制入射杆与试件的碰撞力度。
[0018] 步骤S4:对气缸施加不同的气压，不装试件进行多次空打，用于检查动态应变仪、 激光传感器的安装情况，判断安装是否到位。另外，还可以通过查看入射杆波形、透射杆波 形、气缸气压、入射速度的实际情况，及时解决产生的问题。
[0019] 步骤S5:将试件沿直径面夹在入射杆和透射杆之间，进行试打，检查动态应变仪上 波形情况。
[0020] 优选的，本发明采用的试件数量至少为30件。试件的数量在一定程度上影响最后 结果的精度，即为了去除部分试件实验失败等不可抗拒因素，并且为了更好的获得橡胶混 凝土抗拉强度的应变率临界值。
[0021] 优选的，本发明采用试件的尺寸直径与实验所用分离式霍普金森压杆装置中入射 杆和透射杆的直径相同，高度为直径的1/2,即实验所需准备的圆柱体试件长径比为1/2。能 最大程度地消除试件在实验过程中径向和轴向的惯性效应。
[0022]本发明的原理是:本发明基于劈裂拉伸巴西圆盘的实验原理，在分离式霍普金森 压杆装置上对多个圆柱体试件进行动态拉伸性能测试，通过改变气缸气压从而方便地控制 入射杆与试件碰撞的力度，入射杆和透射杆上的应变片均与动态应变仪桥接，从动态应变 仪上可以方便读出试件的极限抗拉强度和达到极限抗拉强度所需要的时间，从而求出试件 的应变率，拟合出应变率与抗拉强度关系的曲线图。本发明所提供的测试方法操作简单、使 用方便，可以快速测出橡胶混凝土的动态拉伸性能。
[0023] 与现有技术相比，本发明还具有以下优点：
[0024] (1)实验中的数据均可从动态应变仪中读出，读数直观，操作简单方便。
[0025] (2)通过本发明提供的测试方法，能够较为完整地测出橡胶混凝土在不同应变率 状态下的抗拉强度，更清楚地了解橡胶混凝的动态拉伸性能，使工程技术人员在实际工程 (如机场跑道、铁路轨枕)中能够根据橡胶混凝土的特性充分发挥其性能和优点。
[0026] (3)本发明所提供的测试方法能够方便、快捷地测出橡胶混凝土的抗拉强度。每次 实验结束后，在该次应变率下的抗拉强度直接从动态应变仪中的波形图读出，而不需通过 复杂计算即可得出该次加载的应变率，以便于能快速进行下一次加载，缩短测试时间，提高 测试效率。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明所提供的测试流程图。
[0028] 图2是本发明所提供的调试准备阶段的流程图。
[0029]图3是本发明所提供的试件受力分析图。
[0030]图4是本发明所提供的分离式霍普金森压杆装置的结构示意图。
[0031 ]图5是本发明所提供的试件的主视图。
[0032]图6是本发明所提供的试件的俯视图。
[0033]图7是本发明通过实验拟合出来的曲线图。
[0034] 上述附图中的标号说明：100-气缸，200-激光传感器，300-入射杆，400-透射杆， 500-试件，600-动态应变仪，700-应变片。
【具体实施方式】
[0035] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对 本发明作进一步说明。
[0036] 如图1和图2所示，本发明公开了一种识别橡胶混凝土圆柱体试件动态拉伸性能的 方法，该方法是在劈裂拉伸巴西圆盘实验原理的基础上，通过分离式霍普金森压杆装置来 测出橡胶混凝土试件500的动态拉伸性能。
[0037] 本实验的原理如下：
[0038]如图3所示，根据弹性力学中平面应力问题的解，可以得到直径为D，试件500长度 为L的试件500直径面内任意一点T(x，y)的受力情况：
[0041]式中：σχ是试件所受水平应力；％是试件所受竖直应力，ri、r 2是点T到试件直径面 与X轴交点的距离，θι、θ2是n、r2所在直线与X轴的夹角，F是水平外部线荷载(加载力）。
[0042] 在中心点0处，有= = ^ = 0.50,0: = θ2 = 〇°，代入式（1)和式（2)得出试件500垂直 向直径平面内竖直拉应力为<
_(负号表示拉力），水平压应力为
，压应力 大小仅为拉应力大小的3倍。对于混凝土材料，抗拉强度一般为抗压强度的1/10到1/20之 间，因此，根据上式结果可知，实验中的试件500是由于试件500先达到极限抗拉强度而造成 的受拉破坏，而并非达到极限抗压强度所造成的破坏。则最终材料的抗拉强度为：
式（3)
[0044]对实验进行分析：
[0045]如图4、图5和图6所示，在使用S!PB装置进行动态劈裂抗拉的实验中，S!PB装置的 入射杆300和透射杆400的半径均为R，透射杆400上应变片700记录的透射应力为〇T，ftd为试 件500动态拉伸应力σ γ的峰值，则由式(3)可知：
式（4)
[0047] 式中SHPB装置透射杆400的透射力Ft为：
[0048] Ft=3tR2〇t 式（5)
[0049]因此，可以得出试件500的应力率为：
式（6)
[0051 ] 试件500的应变率为：
式（7)
[0053]式(6)中τ为透射杆400应力波从零到最大值的时间，式(7)中E为材料杨氏模量。 [0054]对实验数据进行处理：
[0055]在本实验中采用的试件500尺寸与杆件尺寸一致，所以试件500直径与SHPB装置的 杆件直径均为100mm，即R = D/2,将式(5)代入式(4)中，可得.，若令试件500长径比
，则：
式（8)
[0057]由于试件500的长径比为
[0058]根据式（8)可求得本次实验参数试件500最终的动态拉伸应力峰值为
π，根据式(6)和式(7)可得到试件500的应力率J和应变率^。
[0059]由上式可知ftd = στ，στ为透射杆400应力，可在每次实验后从动态应变仪600中读 出，τ为透射杆400应力波从零到最大值的时间，也能在每次实验结束后由动态应变仪600中 的波形图读出。Ε为材料的弹性模量。通过控制不同的子弹入射速度，均能得出试件500该次 实验的应力率，从而得到该次实验的应变率，最终可得出该材料完整的应变率与抗拉强度 的关系，如图7所示，拟合出完整的应变率和抗拉强度曲线图。
[0060]基于上述实验原理和分析，可总结出本发明所提供的用于识别橡胶混凝土圆柱体 试件动态拉伸性能的方法，图2所示，该方法分为准备阶段和测试阶段，其中准备阶段包括 如下步骤：
[0061] 步骤S1:准备每种掺入参数不少于30个橡胶混凝土圆柱体试件500用于实验。
[0062] 步骤S2:调试SHTO装置(分离式霍普金森压杆装置），将入射杆300和透射杆400调 节水平，同时将入射杆300与透射杆400对接，调至杆件端面完全吻合，尽量不留缝隙。
[0063]步骤S3:擦拭入射杆300和透射杆400表面锈迹，并用少量丙酮涂抹杆件表面，然后 在入射杆300和透射杆400上各粘贴一片应变片700。
[0064] 步骤S4:将入射杆300和透射杆400上的应变片700分别与动态应变仪600进行桥 接。并在子弹和入射杆300之间安装激光传感器200,并测量两束激光传感器200之间的距 离。
[0065]步骤S5:对气缸100施加不同的气压，不装试件500进行多次空打，期间检查动态应 变仪600安装情况，动态应变仪600是否贴牢固，检查动态应变仪600上入射波和透射波波 形，是否大小相等，方向相反，没有其余干扰。若有进行逐一排查调试。并且检查激光传感器 200上速度能否正确工作，并且能初步清楚施加气压与杆件入射速度的关系。
[0066]步骤S6:将试件500沿直径面夹在入射杆300和透射杆400之间，进行试打，检查动 态应变仪600上波形情况，周边环境信号干扰。
[0067]如图1所示，经过以上调试步骤，分离式霍普金森压杆装置已具备正式测试的所有 条件，下面开始进行正式测试，该阶段包括如下步骤：
[0068] (1)将试件500沿直径面夹在SHPB装置中的入射杆300和透射杆400之间。
[0069] (2)在SHPB装置中通过对气缸100施加不同的气压，通过瞬间释放气体推动子弹高 速撞击入射杆300,从而使入射杆300在短时间获得巨大能量，入射杆300对试件500造成冲 击。实验中子弹在前后通过两束激光传感器200时，可经过前后时间差计算获得本次实验子 弹撞击的速度。可通过施加不同的气压来控制相应的子弹入射速度，在实验过程中可以不 经过数据处理，就可以粗略地掌握试件500在这次实验中的应变率。从宏观来看，可以得到 同一个参数的试件500在不同的冲击荷载下的波形图。
[0070] (3)每次试验后，在动态应变仪600中拷贝所有波形图和数据，做好数据储存，直至 将所有准备的试件500完成实验，最后将数据进行处理，得到一条完整的关于应变率与抗拉 强度关系的曲线图，如图7所示。
[0071] 本发明的原理是:本发明基于劈裂拉伸巴西圆盘的实验原理，在分离式霍普金森 压杆装置上对多个圆柱体试件500进行动态拉伸性能测试，通过改变气缸100气压从而方便 地控制入射杆300与试件500碰撞的力度，入射杆300和透射杆400上的应变片700均与动态 应变仪600桥接，从动态应变仪600上可以方便读出试件500的极限抗拉强度和达到极限抗 拉强度所需要的时间，从而求出试件500的应变率，拟合出应变率与抗拉强度关系的曲线 图。本发明所提供的测试方法操作简单、使用方便，可以快速测出橡胶混凝土的动态拉伸性 能。
[0072] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种识别橡胶混凝土圆柱体试件动态拉伸性能的方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 将圆柱体试件放入分离式霍普金森压杆装置中； (2) 调节压缩气枪的气压并驱动子弹射向入射杆； (3) 记录所读取动态应变仪的相关数据，根据激光传感器连接的示波器计算子弹的飞 行速度，并记录此次压缩气枪加载的气压值； (4) 更换试件，重复步骤(2)和(3)获得试件的抗拉强度； (5) 根据公3卜别求出应力率和应变率，并根据应变率和抗拉强 度的关系拟合成一条完整的曲线图。2. 根据权利要求1所述的识别橡胶混凝土圆柱体试件动态拉伸性能的方法，其特征在 于，所述方法还包括正式测试前的调试准备阶段，该阶段包括如下步骤： 步骤Sl:将入射杆和透射杆调节水平，同时将入射杆与透射杆对接，调至杆件端面完全 吻合，不留缝隙； 步骤S2:擦拭入射杆和透射杆表面锈迹，并用少量丙酮涂抹杆件表面，然后在入射杆和 透射杆上各粘贴一片应变片，该应变片与动态应变仪进行桥接； 步骤S3:在子弹和入射杆之间安装激光传感器，并测量两束激光传感器之间的距离； 步骤S4:对气缸施加不同的气压，不装试件进行多次空打，检查动态应变仪、激光传感 器的安装情况，查看入射杆波形、透射杆波形、气压、入射速度的实际情况； 步骤S5:将试件沿直径面夹在入射杆和透射杆之间，进行试打，检查动态应变仪上波形 情况。3. 根据权利要求2所述的识别橡胶混凝土圆柱体试件动态拉伸性能的方法，其特征在 于，所述试件的数量至少为30件。4. 根据权利要求3所述的识别橡胶混凝土圆柱体试件动态拉伸性能的方法，其特征在 于，所述试件直径与实验所用分离式霍普金森压杆装置中入射杆和透射杆的直径相同，高 度为直径的1/2。
【文档编号】G01N3/10GK106018098SQ201610319274
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】冯万辉, 杨飞, 袁兵, 刘锋
【申请人】广东工业大学