混凝土材料冲击韧性测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于混凝土性能测量技术，具体涉及一种混凝土材料冲击韧性测试装置及测试方法。

背景技术

混凝土作为一种脆性材料，在以往的性能设计过程中，通常以抗压性能为主导。随着混凝土材料科学的进一步发展，单一的材料性能设计已经不能满足工程建设的需要，高韧性混凝土便应运而生。为了提高混凝土的韧性，众多韧性组分被加入到制备混凝土中，譬如钢纤维、乳化沥青、橡胶颗粒等等，但是每种韧性组分在对混凝土韧性的增加程度和效果上不尽相同，因而在混凝土设计中需要根据功能需求选用。对于服役期间的混凝土结构来说，除了承受静载作用以外，外界荷载的冲击扰动也会时有发生，如交通意外、工程落石、车辆制动等，开展混凝土的冲击韧性研究，可以为改善冲击荷载下的混凝土结构的耐久性提供定量手段和设计依据。

为了更好进行混凝土结构冲击韧性的按需选用，进行混凝土材料的冲击韧性精准测试及定量评价方法研究十分必要。

对于现有的混凝土结构受到冲击动态响应研究中，主要有跌落式、下滑式以及摆锤式三种装置。摆锤式冲击试验装置的能量消耗在三者中是最小的，如申请号为201110349742.1的中国专利申请公开了一种混凝土材料抗冲击韧性的测试评价装置，利用连续转动的凸轮带动铸铁件撞击混凝土试件上方的钢球对试件进行冲击加载，但是由于其冲击能量不足，需要做进一步的加强改进，现有研究中主要通过增加摆锤重量、增加摆锤出发的能量以及提升摆锤的出发高度来提高其冲击能量，增加摆锤重量的方式比较直接，但是想获得更大的冲击能量，摆锤质量过大会增加操作的难度，更换比较麻烦；而提升摆锤的出发高度在摆锤质量不重的情况下，对增加冲击能量的帮助非常有限，但是调整摆锤的高度越高，对设备场地要求也越高，不便于试验的操作和进行。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有摆锤式试验装置存在的冲击能量不足的问题，提供一种新型的混凝土材料冲击韧性测试装置及测试方法。

本发明采用如下技术方案实现：

混凝土材料冲击韧性测试装置，包括支架1、摆动杆2、摆锤组件3、试件组件4和固定架5；所述支架1固定，所述摆动杆2一端与支架1铰接，另一端自由摆动，所述摆锤组件3设置在摆动杆2的摆动端；所述摆锤组件3包括摆锤31、弹簧33和摆锤承台35，所述摆锤31与摆动杆2的摆动端固定，所述摆锤31通过摆锤承台35限位到最大摆角位置，所述摆锤承台35通过活动锁定件设置在固定架5上，所述弹簧33可调节设置在固定架5上，在摆锤31的最大摆角位置，朝摆锤的摆动方向对摆锤荷载可变弹性载荷；所述试件组件4固定设置在摆锤31的摆动轨迹上。

在本发明的混凝土材料冲击韧性测试装置中，进一步的，所述摆锤承台35铰支设置在固定架5上，其中一力臂段为摆锤31的限位支撑平台，另一力臂段通过活动锁定件与固定架5锁止。

在本发明的混凝土材料冲击韧性测试装置中，进一步的，所述摆锤承台35包括两组对称布置的L型钢板，两组所述L型钢板分别在折弯处与固定架5铰支安装，两组L型钢板的同一折弯段下向对开设置，另一折弯段连接至活动锁定件。

在本发明的混凝土材料冲击韧性测试装置中，进一步的，所述摆锤承台35上方的固定架5通过导向立柱51导向装配有弹簧平台上板37和弹簧平台底板38，所述弹簧33夹装在弹簧平台上板37和弹簧平台底板38之间，所述弹簧平台底板38与摆锤承台35上的摆锤接触，并通过弹簧压紧摆锤，所述弹簧平台上板37上方的导向立柱51上螺接装配调节螺母32，通过所述调节螺母32调节弹簧平台上板37向弹簧平台底板38相向移动，压缩弹簧33产生对摆锤的弹性载荷。

在本发明的混凝土材料冲击韧性测试装置中，进一步的，所述弹簧平台底板38和摆锤承台35之间的导向柱51上还螺接装配固定螺母34，通过固定螺母限定弹簧平台底板的极限位置，防止与摆锤承台发生碰撞。

在本发明的混凝土材料冲击韧性测试装置中，进一步的，所述活动锁定件为电磁吸力盘36，所述摆锤承台35通过电磁吸力盘36与固定架5的钢构件磁吸固定。

在本发明的混凝土材料冲击韧性测试装置中，进一步的，所述电磁吸力盘36具有载荷检测模块，所述载荷检测模块与数据采集系统7通信连接。

在本发明的混凝土材料冲击韧性测试装置中，所述试件组件4包括混凝土试件45以及定位混凝土试件45的第一反力架41和第二反力架42，所述第一反力架41和第二反力架42固定布置在摆锤摆动轨迹两侧，所述混凝土试件45的一侧面同时紧贴第一反力架41和第二反力架42，并在该侧面设置位移计46，所述摆锤31撞击混凝土试件45的另一侧面，所述摆锤31的撞击面上设有检测撞击应力的应变片，所述位移计和应变片与数据采集系统7通信连接。

在本发明的混凝土材料冲击韧性测试装置中，进一步的，所述第一反力架41和第二反力架42上分别设置反力架横梁，作为两个加载支点与混凝土试件直接抵接，所述摆锤31的撞击面上设有摆锤横梁39，作为与反力架横梁形成三点弯曲荷载的第三加载点。

本发明还公开了一种混凝土材料冲击韧性测试方法，采用本发明上述的测试装置，具体包括如下步骤：

第一步、制备混凝土试件；

第二步、将混凝土试件的成型面朝下，置于试件组件的反力架处，并固定混凝土试件让其紧贴反力架上的加载支点，将位移计置于混凝土试件靠近反力架一侧侧面的中心处固定，并水平方向垂直轻触试样，将位移计和摆锤上的应变片接入到数据采集系统；

第三步、将摆锤上摆至摆锤承台上，摆锤承台通过电磁吸力盘通电后将摆锤锁定限位在最大摆角位置，通过调节弹簧的压缩量对摆锤施加弹性载荷，数据采集系统通过电磁吸力盘采集摆锤的荷载，当电磁吸力盘检测的荷载力值达到试验荷载后，将电磁吸力盘断电，释放摆锤冲击混凝土试件；

第四步、导出数据采集系统检测的数据，通过公式(1)将应变片数据转化为应力，

σ＝E·ε (1)

式中，E为钢质横梁的弹性模量，ε为采集到的应变，

然后绘制混凝土试件冲击破坏过程中的应力位移曲线，对该曲线在最大应力时与位移坐标轴围成的面积进行计算，评价混凝土材料的冲击韧性I，冲击韧性的具体计算如公式(2)，

式中：f

本发明通过弹簧调节摆锤摆动撞击试件的初始荷载，通过压缩弹簧改变摆锤摆动出发时的能量，将制备好的混凝土试件置于测试组件上，通过压缩弹簧改变摆锤出发的能量大小，通过切断电磁吸力盘控制摆锤的触发，切断电源释放摆锤，相对现有试验装置，本发明不需要更换摆锤质量或者调整摆锤高度就能实现精准调节摆锤能量大小和更方便控制的目的。同时电磁吸力盘可以对摆锤的初始荷载进行监测，达到混凝土材料冲击破坏试验程度的精准控制，通过数据采集系统实时和同步记录冲击过程中的应变、位移变化获得应力-位移曲线，以曲线中在最大应力时与位移坐标轴围成的面积来评价混凝土材料的冲击韧性，评价上更直观、更具科学性。

综上所述，本发明的测试装置操作简单，控制精度高，测试方法科学有效，能更加全面、真实、方便、准确、高效的对混凝土材料进行冲击试验和冲击韧性的评价，为动态荷载作用下的混凝土材料设计和参数选择提供技术支持。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例中的一种混凝土材料冲击韧性测试装置整体结构示意图。

图2为实施例中的摆锤组件在固定架上被限位的结构示意图。

图3为实施例中的试件组件示意图。

图4为实施例中的混凝土试件测试后绘制的应力位移曲线。

图中标号：1-支架、2-摆动杆、3-摆锤组件、31-摆锤、32-调节螺母、33-弹簧、34-固定螺母、35-摆锤承台、36-电磁吸力盘、37-弹簧平台上板、38-弹簧平台底板、39-摆锤横梁、4-试件组件、41-第一反力架，42-第二反力架、43-第一反力架横梁，44-第二反力架横梁、45-混凝土试件、46-位移计、5-固定架、51-导向立柱、6-开关、7-数据采集系统。

具体实施方式

实施例

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，对依据本发明提出的混凝土材料冲击韧性测试装置及评价方法，结合附图按照以下详细测试步骤进行试验。

参见图1，图示中的一种混凝土材料冲击韧性测试装置为本发明的一种具体实施方案，包括支架1、摆动杆2、摆锤组件3、试件组件4、固定架5、开关6和数据采集系统7，其中支架1和固定架5分别固定设置，支架1为摆锤的固定支架，摆锤组件3通过摆动杆2摆动安装于支架1上，试件组件4将待测试混凝土试件固定设置在摆锤组件3的摆动轨迹上，摆锤组件3通过摆动撞击试件组件进行撞击试验，固定架5用于辅助限定摆锤组件3的初始摆动位置并且配合调整摆锤组件3的摆动初始荷载，开关6触发控制测试装置启动，数据采集系统7收集撞击测试过程中的试验参数信号。

支架1为三角架结构，摆动杆2一端与支架1的顶端铰接，另一端自由摆动，摆锤组件3设置在摆动杆2的摆动端，摆锤组件3通过摆动杆2安装在支架1上能够进行自由摆动，不与支架1支架发生任何干涉；固定架5固定设置在支架1的一侧，固定架5与摆锤组件3的摆动轨迹存在有交汇，在该交汇位置为摆锤组件3的摆动初始位置，也就是摆锤组件3摆动撞击混凝土试件的最大摆角位置。

结合参见图2，摆锤组件3通过摆动杆2摆动至水平位置时与固定架5形成交汇，摆锤组件3具体包括摆锤31、调节螺母32、弹簧33、固定螺母34、摆锤承台35、电磁吸力盘36、弹簧平台上板37、弹簧平台底板38和摆锤横梁39，其中摆锤31与摆动杆2的摆动端直接固定，摆锤31通过摆动杆2摆动撞击混凝土试件，摆锤承台35可活动锁定设置在固定架5上，摆锤承台35锁定设置在固定架5上时，摆锤31通过摆锤承台35限位到最大摆角位置，控制摆锤承台35解除锁定，即可触发摆锤31在重力作用下向下摆动。弹簧33设置在固定架5上，在摆锤31限位在摆锤承台35上后，调节弹簧33作用在摆锤31上，弹簧33施加给摆锤31的弹性作用力为在摆锤自身重力的初始能量下增加的弹性载荷，通过控制弹簧33的弹性压缩量可以调节该弹性载荷的大小，以适应不同的测试要求，而不需要更换不同质量的摆锤或者调整摆锤的摆动高度。

摆锤承台35采用杠杆结构铰支设置在固定架5上，以铰支点为支点，摆锤承台35一侧的力臂段作为摆锤31的限位支撑平台，另一侧的力臂段通过活动锁定件与固定架5固定连接，在活动锁定件与固定架之间的锁定状态下，摆锤31被摆动放置在摆锤承台35上，通过摆锤承台35的杠杆作用下限制摆锤31在最大摆动角度状态下，在活动锁定件与固定架之间解锁后，摆锤承台35为自由摆动状态，解除对摆锤31的限位，摆锤31在初始荷载作用下向下摆动。

具体在本实施例中，摆锤承台35为两组对称布置的L型钢板，两组L型钢板分别在折弯处与固定架5铰支安装，L型钢板的两个折弯段分别为摆锤承台35的两个力臂段，两组L型钢板的同一折弯段相对设置并下向对开设置，作为摆锤承台的限位支撑平台，另一折弯段分别连接至各自摆锤承台的活动锁定件。两组L型钢板的活动锁定件之间同步动作，两组L型钢板为锁定该状态下，作为摆锤限位支撑平台的两个折弯段平面保持水平，并且保持对摆锤的限位锁止，当两组活动锁定件同步解锁，两组L型钢板作为摆锤限位支撑平台的两个折弯段向下摆动打开，摆锤从之间摆动落下。

在本实施例中，摆锤承台35采用电磁吸力盘36作为活动锁定件，固定架5在摆锤承台35铰支一侧设置具有磁吸性质的钢构件，在保持摆锤承台35的限位支撑平台摆动至水平状态下，其外侧的折弯段平面与固定架5之间的钢构件保持平行，电磁吸力盘36设置在摆锤承台35的该折弯段平面与钢构件之间，通电后将两者通过电磁吸力锁紧固定，电磁吸力盘可以通过固定在摆锤承台35的折弯段上，或者固定在固定架5的钢构件上与另一部件进行磁吸连接。摆锤承台35的两组L型钢板的电磁吸力盘36通过开关6控制的电路实现同步通电和同步断电，保证两组L型钢板的同步动作，本实施例的电磁吸力盘采用乐清市正永机电有限公司生产的型号为ZYE1-P100/40的圆形电磁吸盘，最大吸力1.2KN，摆锤承台35的两组L型钢板各布置1对，即可达到对L型钢板的最大吸力2.4KN，有关电磁吸力盘的控制电路为成熟现有技术，本实施例在此不做赘述。

关于弹簧33的设置，本实施例在摆锤承台35上方的固定架5设置四组导向立柱51，通过导向立柱51导向装配有弹簧平台上板37和弹簧平台底板38，弹簧平台上板37在上，弹簧平台底板38在下，在弹簧平台上板37和弹簧平台底板38之间夹装设置若干组弹簧33，弹簧平台底板38与摆锤承台35上的摆锤接触，并通过弹簧压紧摆锤。导向立柱51上加工外螺纹，在弹簧平台上板37上方的导向立柱51上螺接装配调节螺母32，旋转调节螺母32在导向立柱上下移，调节弹簧平台上板37向弹簧平台底板38相向移动，将弹簧33压缩，产生对摆锤的弹性载荷，调节弹簧33的压缩变形量，可以对摆锤施加不同的弹性载荷。

摆锤31通过摆锤承台35释放后，弹簧平台底板38在弹簧的弹性作用下也会自由释放，为了避免弹簧平台底板38撞击摆锤承台，本实施例在弹簧平台底板38和摆锤承台35之间的导向柱51上还螺接装配固定螺母34，通过固定螺母34限定弹簧平台底板下移的极限位置。

本实施例中的摆锤31的摆动初始荷载为变量，为了准确设定摆锤的初始荷载，本实施例选用的电磁吸力盘36具有载荷检测模块，载荷检测模块与数据采集系统7通信连接，摆锤31对摆锤承台35的作用力通过L型钢板的杠杆作用力传递到电磁吸力盘36，被其上的载荷检测模块感应监测，并将数据传递至数据采集系统7显示，可以准确调整该荷载至设定数值。测试前，摆锤31相向摆动并放置在锁止的摆锤承台35上静置，摆锤承台35的L型钢板通过电磁吸力盘36与固定架5上的钢质板材磁吸固定，通过拧紧调节螺母32对摆锤上方的弹簧施加可变荷载，摆锤在自身重量荷载P2和弹簧施加可变荷载P1共同作用下静置在摆锤承台35的支撑限位平台中心，通过电磁吸力盘36监测达到需要的试验荷载后，按下开关6控制电磁吸力盘断电，释放摆锤撞击混凝土试件。

结合参见图3，本实施例的试件组件4具体包括第一反力架41、第二反力架42、第一反力架横梁43、第二反力架横梁44、混凝土试件45和位移计46，如图1中所示，试件组件4设置在摆锤最低摆动位置上，其中第一反力架41和第二反力架42固定布置在摆锤摆动轨迹两侧，混凝土试件45的一侧面同时紧贴第一反力架41和第二反力架42置于摆锤摆动轨迹上，摆锤31撞击混凝土试件45的另一侧面，撞击点位于第一反力架41和第二反力架42之间，形成对混凝土试件的三点弯曲荷载。

第一反力架横梁43和第二反力架横梁44分别设置在第一反力架41和第二反力架42接触混凝土试件的一面上，作为两个加载支点与混凝土试件直接抵接，摆锤31的撞击面上设有摆锤横梁39，在撞击混凝土试件时，摆锤横梁39、第一反力架横梁43和第二反力架横梁44之间相互平行，分别为撞击混凝土试件的三点弯曲荷载的三个加载点，摆锤横梁39、第一反力架横梁43和第二反力架横梁44均为硬度超过混凝土的钢制横梁。

位移计46设置在混凝土试件45紧贴反力架的一侧，其触头与该侧面垂直接触，直接监测混凝土试件受到摆锤的三点弯曲荷载撞击后的变形位移，摆锤31的撞击面上设有检测撞击应力的应变片，通过应变片检测摆锤撞击混凝土试件时的应变，位移计和应变片均匀与数据采集系统7通信连接，将监测到的位移数据和应变数据上传数据采集系统。

以下进一步说明采用本实施例的测试装置进行混凝土冲击韧性测试评价的具体方法，具体包括如下步骤：

第一步、制备混凝土试件，按照C30混凝土配合比，并掺入15％的橡胶颗粒改善韧性，在100mm×100mm×400mm模具中浇筑混凝土，养护28d龄期后即可得到需要的混凝土试件。

第二步、将混凝土试件的成型面朝下，置于试件组件的反力架处，并固定混凝土试件让其紧贴反力架上的加载支点，混凝土试件可以直接靠着反力架放置，也可以通过连接件将混凝土与反力架连接固定，然后将位移计置于混凝土试件靠近反力架一侧侧面的中心处，用磁力底座夹持固定，将位移计的触头在水平方向垂直轻触试样，将位移计和摆锤上的应变片接入到数据采集系统；

第三步、将摆锤上摆至摆锤承台上，通过开关控制电磁吸力盘通电，摆锤承台通过电磁吸力盘将摆锤锁定限位在最大摆角位置，通过调节螺母调节弹簧的压缩量对摆锤施加弹性载荷，数据采集系统通过电磁吸力盘采集摆锤的荷载，当电磁吸力盘检测的荷载力值达到试验荷载1.2KN后，控制开关将电磁吸力盘断电，摆锤承台释放摆锤对混凝土试件进行冲击试验，混凝土试件在摆锤的冲击力作用下发生破坏，记录破坏过程中的应变片和位移计数值；

第四步、导出数据采集系统检测的数据，通过公式(1)将应变片数据转化为应力，

σ＝E·ε (1)

式中，E为钢质横梁的弹性模量，此次试验中，钢梁的E＝2×10

本实施例在混凝土试件冲击过程中收集到的部分应变和位移参数以及对应计算得到的应力如下表。

表.实施例中检测的应变、位移以及计算应力

以位移计采集到的混凝土试件撞击过程中的位移为横坐标，以计算混凝土试件变形各个阶段得到的对应应力为纵坐标，然后绘制混凝土试件冲击破坏过程中的应力位移曲线，如图4所示，对该曲线在最大应力时与位移坐标轴围成的面积进行计算，评价混凝土材料的冲击韧性I，冲击韧性的具体计算如公式(2)，

式中：f

根据公式(2)计算得到图4中材料的冲击韧性为0.0178MPa·m

以上，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。