3D打印混凝土界面劈拉性能测试装置及测试方法

本发明涉及智能制造，尤其涉及3d打印混凝土界面劈拉性能测试装置及测试方法。

背景技术：

1、与传统建筑施工技术相比，3d打印混凝土可以直接逐层堆叠成型、而不需要任何模板支撑或振捣过程，具有免模建造、效率高、人工成本低、施工浪费少等优点。但是其堆叠成型建造工艺也带来了诸多问题，如施工过程中会因混凝土凝结硬化程度的差异而产生层间界面，层间界面的粘结性能又直接关系到混凝土结构的整体质量。因此，为保证工程质量和结构安全，必须选用可对3d打印混凝土层间界面性能进行科学评价的方法。

2、抗拉强度是混凝土最基本的力学性能指标之一。混凝土试件的开裂、裂缝宽度、变形验算以及受剪、受扭、受冲切等承载力的计算均与抗拉强度有关。混凝土本就是抗拉强度较低的材料，普通混凝土抗拉强度仅为抗压强度的二十分之一到十分之一。

3、3d打印混凝土的堆叠成型过程导致孔隙在垂直和水平层、条带间的界面处聚集，从而使界面处材料的抗拉强度更低、粘结力较为薄弱，而足够的界面张拉强度也是保证3d打印混凝土满足整体服役性能的关键指标之一，这也决定了3d打印混凝土结构的寿命长短。

4、现有的拉拔法测试3d打印混凝土试件抗拉强度，是将试件两端粘接有拉头，通过万能材料试验机进行拉伸，测试其界面断裂时的荷载值得到界面拉伸强度。但是该方法存在对中困难的情况，难以保证载荷方向与界面完全垂直、导致拉伸偏心，拉伸偏心会影响抗拉强度测试的准确性。

5、同时，拉拔法需要将试件及夹具通过粘结剂相粘合，当待测界面粘结强度较高时，容易在粘结剂处发生脱粘，导致试验失败。此外，该方法效率低、成本高且会带来一定环境污染。

6、鉴于混凝土轴向拉伸性能直接测试存在的问题，通常用劈拉试验来评价混凝土的抗拉强度，其原理是：在混凝土试件上、下面与压力设备之间布置垫条，使得试件上、下形成对应的条形加载面，压力设备运行后、造成试件的劈裂破坏，将劈裂时的力值进行换算即可得到试件的抗拉强度。

7、但由于试验中必须保证试件受力面(加载面)与试件物理中心截面(预定破坏面)的一致，在试件受力之前需要用手扶持试件，以使加载面与预定破坏面一致，这导致人力成本较高，且易带来安全问题。如专利公开号cn85107635公开的一种沥青混凝土多功能试验仪，在劈裂试验时，试件布置在上下两个加压器之间，为保证试件布置位置的准确，就需要用手来临时扶持试件。

8、又如专利公开号cn220708884u公开的3d打印混凝土层间劈裂强度测试装置，为保证试件放置的稳定，先通过调节水平尺从而对试件进行校准，并使其处于水平状态，然后通过上、下伸缩节以及伸缩板的调整使其扣住试件，实现固定效果。虽然无需手扶持，但整个固定操作较为繁琐，而且测试指标仅有压力荷载、较为单一，因此，有必要开发出更加高效便捷的3d打印混凝土界面劈拉性能测试装置及测试方法。

技术实现思路

1、本发明为了解决常规劈拉试验时、试件不能便捷放置，而且测试指标单一的问题，提供3d打印混凝土界面劈拉性能测试装置及测试方法，可以对混凝土试件进行平衡支撑，使其便捷且稳定的进行放置，同时不仅能监测荷载指标，还同时可以对试件的变形进行监测，提高测试结果的准确性，保证试件抗拉性能评价的全面性。

2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、3d打印混凝土界面劈拉性能测试装置，包括数据采集系统以及受控于数据采集系统的反力架和劈拉夹具，所述反力架内设置劈拉夹具，方便反力架施力作用在劈拉夹具内；

4、所述劈拉夹具包括底板、用于放置试件的框架、受控于反力架的传力柱、用于监测试件横向变形值的横向位移监测机构、用于带动横向位移监测机构上下升降的升降组件和用于监测传力柱位移的竖向位移监测机构；

5、所述底板上方竖向设置有所述框架，框架底部设置有下弧形垫条和用于弹性支撑试件的弹性底撑件，所述下弧形垫条周侧均匀排布有多个所述弹性底撑件，便于对试件进行均匀的支撑，避免人工用手扶持试件；

6、所述框架顶部竖向弹性滑接有所述传力柱，传力柱向上伸出框架外连接有荷载传感器，传力柱向下伸入框架内连接有上弧形垫条，所述上弧形垫条和下弧形垫条上下间隔对应排布，方便对试件进行劈裂加载。

7、进一步地，所述反力架包括顶板、底座、支撑柱、活塞缸和活塞杆，所述顶板和底座上下间隔平行排布，顶板和底座之间设置有多根所述支撑柱来连接，提高了反力架结构的可靠性；

8、所述顶板中心设置有所述活塞缸，活塞缸倒置，活塞缸的所述活塞杆向下、抵在所述荷载传感器上，方便监测活塞缸施加的荷载值，所述底座上螺栓连接有所述底板，方便了劈拉夹具的拆装，底板和底座上下层叠排布。

9、进一步地，所述框架截面呈“回”字形，框架中心前后通透，方便试件的取放，所述弹性底撑件包括下限位柱和固定套设在下限位柱上的支撑压簧，所述支撑压簧竖直向上延伸、抵在试件底面上，能对试件进行柔性的支撑。

10、进一步地，所述传力柱为阶梯柱结构，传力柱上大下小，传力柱上端伸出至框架外、下端伸入至框架内；

11、所述框架上开设有竖向的限位导孔，所述限位导孔为长条孔、且贯穿框架侧壁，所述传力柱下端螺纹连接有限位螺钉，所述限位螺钉横向排布，限位螺钉穿设在限位导孔内，方便对传力柱的上下移动进行限位。

12、进一步地，所述传力柱上端和框架之间设置有多个弹性顶撑件来连接，多个所述弹性顶撑件均布排布在传力柱周侧，保证对传力柱的均匀支撑，每个弹性顶撑件包括顶撑压簧和固定套设在顶撑压簧两端的上限位柱，所述顶撑压簧竖向布置，两端的所述上限位柱分别设置在传力柱上端和框架顶部，便于实现传力柱弹性安装在框架顶部。

13、进一步地，所述上弧形垫条下侧面呈弧形，所述下弧形垫条上侧面也呈弧形，上弧形垫条和下弧形垫条的弧顶端上下相对，保证能够沿着试件的预定破坏面进行劈裂加载。上、下弧形垫条的弧的直径等于试件的边长。

14、进一步地，所述横向位移监测机构包括板框、左定位螺钉、右定位螺钉和安装有横向位移计的滑动锁具一；

15、所述板框和底板上下平行排布，板框围设在框架三周侧，板框左端螺纹连接有两个所述左定位螺钉，左定位螺钉头端横向穿过框架侧壁、抵在试件左侧面，板框右端横向弹性滑接有所述右定位螺钉，左定位螺钉和右定位螺钉左右相对布置，右定位螺钉头端穿过框架侧壁、抵在试件右侧面，右定位螺钉和左定位螺钉的配合夹紧可以方便将横向位移监测机构悬空布置在试件上；

16、所述右定位螺钉上设置有横挡板，所述板框右端设置有挡板限位片，所述挡板限位片贴合横挡板以使右定位螺钉头部脱离试件，便于试件不受右定位螺钉的影响、便捷放入至框架内；

17、所述板框右端横向滑动连接有所述滑动锁具一，方便调整滑动锁具一的位置，滑动锁具一上设置有横向位移计，横向位移计的测杆紧抵在横挡板上，便于监测右定位螺钉的位移。

18、进一步地，所述试件左侧面上水平位置处中心对称开设有两个锥形凹槽，用于两个左定位螺钉的抵接，试件右侧面上水平中心处也对应开设有一个锥形凹槽，用于一个右定位螺钉的抵接，保证横向位移监测机构能够始终依附于试件上并与试件受力变形过程中形变相协调；

19、所述框架左侧壁上开设有两个竖向排布的定位穿孔，用于两个左定位螺钉的穿设，框架右侧壁上开设有一个竖向排布的定位穿孔，用于一个右定位螺钉的穿设，方便为定位螺钉的上下移动提供位置空间；

20、所述底板上设置有所述升降组件，升降组件上方设置所述横向位移监测机构，当试件放置到本测试位置上后，升降组件带动横向位移监测机构向上运动，释放左定位螺钉和右定位螺钉，使其抵接在试件的锥形凹槽内，升降组件为偏心升降结构，框架两侧均排布有升降组件，一侧的升降组件数量为一个，方便适配板框左端，另一侧的升降组件数量为两个、且设置有转轴来同步传动，方便适配板框右端，多个升降组件上方之间布置有所述板框，便于带动板框上移。

21、进一步地，所述竖向位移监测机构包括立柱、安装有竖向位移计的滑动锁具二和竖挡板，所述立柱竖向设置在底板上，所述滑动锁具二上下可调设置在立柱上，方便调节滑动锁具二的安装位置，滑动锁具二上设置有竖向排布的竖向位移计；

22、所述竖挡板设置在传力柱上，竖挡板一端横向延伸至竖向位移计上方，竖向位移计的测杆向上紧抵在竖挡板上，便于监测传力柱的位移，也即是试件的竖向变形量。

23、3d打印混凝土界面劈拉性能测试方法，基于上述的3d打印混凝土界面劈拉性能测试装置，包括以下步骤：

24、步骤1、通过3d打印技术制备含打印界面的混凝土立方体劈拉抗拉试件，在与打印界面层平行的两个试件侧面预制锥形凹槽，并按照标准对试件进行养护；

25、步骤2、操作升降组件使之支撑起横向位移监测机构，手动向外拉动并旋转右定位螺钉，促使横挡板卡在挡板限位片上，确保左定位螺钉和右定位螺钉之间保持较大间距，为放置试件提供足够空间；

26、将待测混凝土试件放置在多个弹性底撑件上方，保证上弧形垫条和下弧形垫条中心所在的竖向平面和试件的打印界面层、即预定破坏面保持一致；

27、步骤3、继续操作升降组件来调整左定位螺钉、右定位螺钉的高度位置，直至左定位螺钉、右定位螺钉的头部与各自相对应的试件侧面锥形凹槽水平对应；

28、反向扭转右定位螺钉使其复位，复位后横挡板抵在横向位移计的测杆顶端上，同时完全松开右定位螺钉，使左定位螺钉和右定位螺钉的头部均插入各自相对应的试件侧面锥形凹槽内，使横向位移监测机构紧固在试件上；

29、而后反向操作升降组件、不再支撑横向位移监测机构，从而使试件在竖直方向可自由变形；再次检查试件的水平位置，确保试件的打印界面层与上弧形垫条和下弧形垫条中心所在的竖向平面一致；调整竖向位移计的位置，使其测杆顶端抵在竖挡板上；

30、步骤4、试件、横向位移计和竖向位移计安装好后，打开数据采集系统和控制计算机，按设定程序驱动活塞缸中的活塞杆对试件进行加载试验，通过数据采集系统可方便获得试件破坏的劈拉荷载-变形全曲线，据此可以得到评价试件抗拉性能的综合指标。

31、通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

32、本发明结构设计合理，由于3d打印混凝土试件要在上弧形垫条和下弧形垫条的夹持下进行劈裂试验，为保证试件放置的稳定和测试精度，在下弧形垫条周侧均匀布置有多个弹性底撑件，可以对试件进行均匀的弹性支撑，保证试件的平衡放置，避免了人工手持的潜在危险和测试结果的人为影响。同时能够保证加载面与试件的预定破坏面一致，且在劈拉过程中弹性底撑件对试件劈拉强度测试精度的影响可忽略不计。

33、本发明的反力架中的活塞缸会作用在传力柱上，使其下移、通过上弧形垫条和下弧形垫条的配合将试件劈裂，活塞缸施加的荷载通过荷载传感器来监测，便精准测试试件承受荷载的大小，获得试件的劈拉强度值。同时传力柱弹性滑接在框架顶部，在弹性顶撑件的作用下，传力柱趋于上移，便于在劈拉试验开始前和结束后使上、下弧形垫条之间有足够的空间，方便试件的安放和取出。传力柱的上下移动和周向旋转受到限位螺钉的限制，促使传力柱在指定范围内运动，保证劈拉夹具的完整性和操作的便捷性。

34、本发明中传力柱的上下移动距离受到竖向位移监测机构的监测，通过竖向位移计能够监测传力柱的位移。滑动锁具二的安装位置是可以上下调整的，进而竖向位移计位置跟随变动，可以满足试件最大竖向变形值测量及竖向位移计量程所需标距的需要。

35、本发明中的横向位移监测机构可以对试件的横向变形值进行监测，其中整个横向位移监测机构可以通过左定位螺钉和右定位螺钉的夹紧配合、悬空布置在试件上。试件上开设有锥形凹槽，通过定位螺钉头部和锥形凹槽的配合，能防止横向位移监测机构脱离试件。工作时，横向位移监测机构不受升降组件的竖向支撑、单独布置在试件上，此时左定位螺钉和右定位螺钉刚好夹持在试件两侧面预留好的锥形凹槽处，这样可准确测试试件的横向变形值，即试件在受力破坏过程中的横向变形值是通过左定位螺钉和右定位螺钉之间的相对位移进行量测的。而且试件劈裂过程中，横向位移监测机构可随试件在竖直方向自由运动，从而使试件横向变形值的测试结果更加精准。

36、本发明中的横向位移监测机构，可通过调整滑动锁具一与横挡板之间的距离，改变横向位移计的位置，来满足试件最大横向变形值测量及横向位移计量程所需标距的需要，从而准确测试试件的变形值。在放置和取出试件时，向外拉动右定位螺钉、再转动，方便将横挡板卡在挡板限位片上，从而使得右定位螺钉移出框架、不干涉试件的放置，可解放双手将试件安放于正确的位置，也便于破坏后试件的取出。

37、本发明的升降组件，通过旋转手柄带动偏心轮的旋转，实现对横向位移监测机构的升降调控，当偏心轮支撑起横向位移监测机构时，可使左定位螺钉和右定位螺钉的尖端刚好夹持在试件两侧面预留好的锥形凹槽处。顺时针转动旋转手柄，使横向位移监测机构失去升降组件的竖直方向的支撑，可使横向位移监测机构随试件在竖直方向自由运动，确保试件横向变形值监测的精准。