单轴侧限压缩条件下砂浆的力学性能测试装置及测试方法

本发明涉及砂浆性能测定设备，特别涉及单轴侧限压缩条件下砂浆的力学性能测试装置及测试方法。

背景技术：

1、获取砂浆在高静水压力下的力学性能对建筑物的稳定性和安全性均具有重要的工程意义。在面对爆炸和冲击这类高静水压力荷载时，材料在宏观发生高速变形的同时，微观方面也会发生晶体的变化，使结构件出现损伤和破坏。目前，由于此类研究需要昂贵的特殊试验设备以及操作较为繁琐等原因，导致关于砂浆等材料因高静水压力而产生的体积应变和损伤的机理还不清楚。所以，砂浆等材料在高静水压力下的强度面方程(静水压力-偏应力的关系)和状态方程(体积应变-静水压力的关系)还不清楚。

2、为精确地获取高静水压力条件下砂浆的力学性能，现阶段采取的主要方法有：1.动态方法：飞片撞击试验，其测试的混凝土试件尺寸会受限于轻气炮的口径影响，使得测试试件的直径一般不会超过50mm，这种方法只适合测试一些细骨料混凝土的状态方程；全尺寸爆炸试验，由于炸药爆炸产生的震动会影响设备的测试精度，导致测量的结果偏差较大；2.静态方法：采用三轴加载方法得到混凝土类材料的状态方程静水压力较低。

3、因此，需要寻求一种操作便捷、价格低廉和可以施加高静水压力的测试砂浆力学性能的装置和方法。现有的公开技术主要针对低静水压力荷载下的材料力学性能和个别高静水压力下的材料力学性能两个方面，设计了相关的仪器设备以及测试方法，但施加高静水压力需要一些特殊的试验设备，同时这种设备通常非常昂贵。

4、为此，本发明致力于开发一种采用单轴侧限压缩测试的砂浆力学性能测试装置及测试方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供的装置及测试方法，使单轴侧限压缩测试砂浆力学性能的测试操作简单，成本低，并保证了所测试力学性能的准确性。

2、本发明提供了单轴侧限压缩条件下砂浆的力学性能测试装置，其特征在于，包括：钢压头、钢套筒和方形固定框架，所述钢压头和方形固定框架均为两个，对称设置；所述钢压头由大圆柱和小圆柱拼接而成，所述小圆柱设置在大圆柱的正中心位置，所述大圆柱通过四根长螺栓固定在方形固定框架的内部正中心位置，所述小圆柱外侧设置有弹簧，所述弹簧与钢套筒的上下两侧接触；位于下部的方形固定框架设置有四个对称的套筒，每个套筒内插入一根固定立柱并通过旋钮螺丝固定；所述固定立柱的上部均安装有百分表，所述百分表的上部与位于上部的方形固定框架的下侧接触，所述钢套筒的内部放置有圆柱体试件；所述钢套筒的外壁贴有环向应变片，所述钢套筒和钢压头采用60sicrva弹簧钢制作而成，其中钢套筒内外直径比为3/8。

3、优选地，所述方形固定框架的边缘为实心，所述固定立柱为实心，所述弹簧可拆卸。

4、优选地，所述钢套筒内壁直径为30.2mm，外壁直径为80mm，高度为80mm；所述钢压头的大圆柱底面直径为80mm，高度为30mm，小圆柱底面直径为30mm，高度为40mm；所述方形固定框架边长为14.5cm，壁厚为15mm，连接的外环外直径为40mm，内直径为24mm；所述固定立柱高度为18.5cm，直径为12mm；所述百分表的量程为20mm。

5、本发明还提供了一种单轴侧限压缩条件下砂浆的力学性能测试方法，该方法采用上述测试装置，包括如下步骤：

6、s1、将钢套筒、钢压头和它们同批次钢材加工而成的基本拉伸力学性能试件热处理至钢套筒内壁可承受约700mpa均匀压力，采用基本拉伸力学性能试件测试钢材拉伸力学性能，利用数值模拟向钢套筒内壁施加均匀压力的方法来得出钢套筒内壁径向压力和外壁环向应变之间的关系；

7、s2、制备与钢压头小圆柱相同直径，高度为40～60mm的砂浆圆柱体试件，在钢套筒内筒的内壁表面、钢压头的小圆柱表面和圆柱体试件表面涂抹凡士林；

8、s3、在钢套筒的外壁贴上12个环向应变片，将钢套筒竖向均上中下三个部分，上、下部分每间隔120°紧密贴有一个应变片，中间部分每间隔60°紧密贴有一个应变片，上中下部应变片纵向位置对齐，用来测量钢套筒外壁的环向应变；

9、s4、将一个带弹簧的钢压头紧密扣在位于下部的方形固定框架的内部，采用长螺栓固定并拧紧，将贴好应变片的钢套筒紧密扣在钢压头的弹簧上，将圆柱体试件放置在钢套筒的内筒中，将另一个带弹簧的钢压头反过来，使弹簧对准圆柱体试件的正中心，将钢压头紧密扣在位于上部的方形固定框架的内部，采用长螺栓固定并拧紧；将4个百分表安装在固定立柱的上部，使百分表的上部与位于上部的方形固定框架的下侧接触，用于测量圆柱体试件的竖向位移；

10、s5、将组装好的测试装置水平放置在万能试验机的平台上，将应变片以及百分表通过连接线紧密连接在加载仪器的连接口；

11、s6、采用单轴侧限压缩试验以5mm/min的准静态加载速度对圆柱体试样进行单向加载，控制加载时钢套筒和钢压头上的应力不超过1700mpa，否则将发生塑性屈服，控制试验中向测试装置施加的最大荷载不超过1000kn；

12、s7、计算圆柱体试件的mises强度和状态方程，整理实验中应力和应变的数据，绘制圆柱体试件的静水压力-等效应力和静水压力-体积应变关系曲线图。

13、优选地，s1中钢套筒外壁中间位置的环向应变和内壁施加的压力两者的变化关系为y＝1.61x，其中y为内壁施加的压力，x为外壁中间位置的环向应变。

14、优选地，s7中试验装置的竖向位移(la)减去上下钢压头(1)的竖向位移得出圆柱体试件(8)的竖向位移(ls)：

15、ls＝la-2*lp*faxial/e

16、其中la为四个百分表的平均值，lp为钢压头高度，faxial为轴向力，e为钢压头弹性模量。

17、将圆柱体试件(8)的初始长度(l0)减去圆柱体试件(8)的竖向位移(ls)得出圆柱体试件(8)的试验后的长度(l)：

18、l＝l0-ls

19、由于轴向变形不均匀，通过等效直径的方法将圆柱体试件的变形简化，求取体积应变，根据钢套筒外壁环向应变与内壁环向应变的关系求得圆柱体试件上部、中部和下部的径向应变为

20、ε1＝4.84gu，

21、ε2＝4.92gm，

22、ε3＝4.84gl，

23、其中gu、gm和gl分别为钢套筒外壁上部、中部和下部应变片数据的平均值；ε1为圆柱体试件上部的平均径向应变；ε2为圆柱体试件中部的平均径向应变；ε3为圆柱体试件下部的平均径向应变；

24、试验中圆柱体试件的等效径向应变εd为

25、εd＝(ε1+2ε2+ε3)/4，

26、试验中圆柱体试件的等效直径为

27、d＝d0(εd+1)，

28、其中d0为圆柱体试件的初始直径，

29、试验后圆柱体试件的体积为

30、v＝πld2/4，

31、试验中圆柱体试件的体积应变为

32、εv＝(v0-v)/v0，

33、其中v0为圆柱体试件的初始体积，即v0＝πl0d02/4；

34、圆柱体试件的竖向应力可根据轴向力除以圆柱体试件在加载过程中的等效截面面积求得，

35、σz＝4faxial/(πd2)，

36、由于钢套筒外壁中部位置的环向应变与钢套筒内壁的压力呈线性关系，而钢套筒内壁的压力与圆柱体试件所受到的压力互为作用力与反作用力，因此，圆柱体试件的径向围压为

37、σr＝1.61×gm，

38、圆柱体试件所受的静水压力为

39、p＝(σz+2σr)/3，

40、圆柱体试件的misess应力为

41、σdeviatoric＝|σz-σr|。

42、有益效果如下：

43、1、本发明提供的测试装置及方法，空心的钢套筒可以与实心带弹簧的钢压头拼接成底面与顶面全部封闭的圆柱筒，模拟高压力环境，整体结构主要由钢套筒、带弹簧的钢压头以及方形固定框架等构成，结构简单，钢套筒与钢压头通过固定支架连接，试件放置在钢套筒的中间位置由钢压头的小圆柱支撑，保证试件在钢套筒中间部分；应变片紧贴在钢管外侧，保证了钢管外侧应变的准确性；百分表固定在固定柱上，保证测量钢压头和试件的轴向应变，从而保证了测量结果的准确性。

44、2、本发明通过数值模拟，确定钢套筒内壁径向压力和外壁环向应变之间的关系，可用于研究砂浆等材料的高压力学性能，操作简单，性价比极高，可广泛推广使用。