ECC单缝拉-剪混合断裂性能测试件、模具与测试方法

本发明属于材料的力学性能测试领域，具体涉及ecc单缝拉-剪混合断裂性能测试件、模具与测试方法。

背景技术：

1、水泥基材料自问世以来，因其较好的抗压性能、较强的适用性、原材料来源广泛、耐久耐高温等优点已成为世界上应用最广、用量最大的工程建筑材料。但同时，其自身依旧存在许多不足，如自重大、抗拉强度低、抗裂性差、延性差等。尤其是在地震作用下，水泥基材料的脆性本质也同样制约着其广泛应用。近年来，高延性纤维增强水泥基复合材料（engineered cementitious composite，简称ecc）在结构增强增韧、提高耐久性等方面有着良好表现，在土木工程领域应用前景广阔。关于纤维的增韧机理，一般认为基体开裂后主要来源于纤维的桥接作用，因此研究纤维的微观受力机理对于理解纤维混凝土的宏观行为至关重要，其中纤维增强水泥基复合材料拉-剪混合断裂裂面纤维桥接应力有很高的研究价值。

2、拉-剪混合断裂性能试验的开展，需要进行裂面倾角连续变化的系列试件的规格化制作。普通混凝土等脆性水泥基复合材料拉-剪混合断裂性能测试通常采用缺口梁弯曲加载方案。然而对于高延性ecc材料，因基体中的纤维桥接作用，常规缺口梁弯曲加载方案容易在缺口处形成多缝开裂，无法反映ecc单缝在拉-剪组合荷载作用下的断裂机理和应力传递规律。此外，常规拉-剪混合断裂测试方案难以实现不同比例拉伸和剪切荷载作用下的等比例加载。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明公开了一种ecc单缝拉-剪混合断裂性能测试件、模具与测试方法，能够实现ecc材料在拉-剪混合断裂模式下的单缝开裂，实现不同比例拉伸和剪切荷载作用下的等比例加载，并准确测得拉-剪组合荷载作用下的纤维桥接应力-裂缝开口关系曲线。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、ecc单缝拉-剪混合断裂性能测试件，为棱柱体结构，中部通过预制缺口形成矩形削弱面，所述矩形削弱面几何中心与试件几何中心重合且倾角可变。

4、一种可加工上述测试件的模具，包括一对削弱面成型模板，一对长侧壁，一对短侧壁，底板，侧紧固件以及底紧固件。

5、所述削弱面成型模板包括一对c字模板、螺纹短杆与横贯隔板，所述c字模板厚度为2mm-3mm，一对c字模板能够组合成口字型结构，一对c字模板的结合面有45°的贴合斜面一，一对c字模板组合成口字型结构后与所述削弱面c字模板厚度相同。

6、所述螺纹短杆设置在c字模板的外侧中部，螺纹短杆长度为10mm-30mm，螺纹短杆直径与所述c字模板厚度相同。

7、所述长侧壁中部预开孔洞，所述孔洞直径比所述c字模板厚度大0.5mm-1mm，两个螺纹短杆分别穿过长侧壁预开孔洞，同时一对c字模板组合成口字型结构，实现同轴旋转互锁。

8、所述长侧壁上下侧分别开有一系列等距离纵向隔板固定槽，所述隔板固定槽深度0.3mm-1mm，槽间距3-6mm；所述隔板固定槽始于所在侧端部，竖向延伸至以预开孔洞为圆心，c字模板宽度为直径的圆上对应点。

9、互锁固定的所述削弱面c字模板上下侧分别与具有疏水涂层的横贯隔板紧密连接；所述横贯隔板两端嵌入长侧壁上对应的隔板固定槽中，各隔板固定槽分别对应不同削弱面角度，配备相应横贯隔板，与c字模板、螺纹短杆共同组成削弱面成型模板。

10、所述一对长侧壁与一对短侧壁组合成上方开口的长方体，所述一对长侧壁与一对短侧壁厚度相等，其厚度为2-5mm；所述一对长侧壁与一对短侧壁的结合面有45°的贴合斜面二，共同围合构成模具侧壁。

11、所述底板设置在围好的长方体下方，底板表面开矩形环状浅槽，所述一对长侧壁与一对短侧壁围合所成的模具侧壁下部嵌入所述底板表面所开浅槽内，固定侧壁位置。

12、所述侧紧固件包括垫片与螺母，设置在一对长侧壁的外侧，固定住伸出长侧壁的螺纹短杆，来固定削弱面成型模板旋转角度。

13、所述底紧固件包括角钢片与底部螺丝，用于固定模具侧壁与底板相对位置。

14、一种利用ecc拉-剪混合断裂性能测试件制备方法，包括以下步骤：

15、步骤a1：将一对削弱面成型模板通过c字模板同侧的45度贴合斜面一相对搭接；将一对长侧壁相对拼接使其长侧壁预开孔洞分别穿过一对削弱面成型模板侧端的螺纹短杆，将目标角度对应配备的横贯隔板分别嵌入上下侧相应隔板固定槽中，将一对长侧壁和一对短侧壁下部嵌入底板表面所开浅槽内，四角处通过45度贴合斜面二相互搭接，共同围合构成模具侧壁，在螺纹短杆上先后安装垫片与螺母，调整c字模板至所需削弱面角度之后拧紧螺母以固定削弱面角度并使其与横贯隔板紧密搭接；对其角钢片孔洞位置，安装并拧紧底部螺丝固定模具侧壁与底板相对位置。

16、步骤a2：擦拭干净后在所述模具内壁与c字模板上均匀地涂刷一薄层隔离剂，在所属模具内浇筑高延性纤维增强水泥基复合材料，进行充分振捣。试件成型抹面之后，采取塑料薄膜覆盖等方法保持试件表面湿度，在温度为20℃±5℃、相对湿度大于50%的室内静置一至两天。

17、步骤a3：拧下底部螺丝，将底板与上部模具与测试件分离；将一对短侧壁与剩余模具及测试件分离；取出横贯隔板，拧下侧紧固件，将通过侧紧固件固定的一对削弱面成型模板及一对长侧壁分别从两侧沿着c字模板方向与测试件分离；清洗并晾干各个所述模具零件；拆模后将测试件放入温度为20℃±2℃，相对湿度为95%以上的标准养护室中养护28天，得到目标角度削弱面的高延性纤维增强水泥基复合材料单缝拉-剪混合断裂性能测试件。

18、一种ecc单缝拉-剪混合断裂性能测试试验方法，包括以下步骤：

19、步骤b1：在测试件削弱区表明喷涂或粘贴黑色圆形散斑，通过数字图像相关技术（digital image correlation，简称dic）提供全场位移数据。

20、步骤b2：使用结构胶将测试件短侧壁对应表面与刚性加载端进行粘接，通过刚性加载端施加5%极限荷载的预压力至结构胶完全固化；使用结构胶将测试件两侧通过带肋角钢与刚性加载端表面连接，约束测试件在加载过程中的刚性转动趋势；

21、步骤b3：在横贯隔板两个设置开口位移引伸计，在散斑面架设工业相机进行数字图像采集，测试机荷载与引伸计共同连接至数据采集系统；

22、步骤b4：荷载不清零，通过位移控制加载制度以0.05mm/min的速度进行拉向加载，测读并记录加载过程中测试件荷载，分别通过开口位移引伸计与数字图像方法计算所得位移场获得测试件加载过程中开口位移，绘制测试件拉-剪混合断裂裂面纤维桥接应力-裂缝开口曲线。

23、本发明的有益效果为：

24、1、本发明所提出的测试件形式能够实现高延性纤维增强水泥基复合材料在拉-剪混合断裂模式下的单缝开裂。

25、2、本发明所提出的模具与制备方法，通过一对削弱面成型模板的自由旋转与固定，实现测试件裂面倾角可变。

26、3、本发明提出的测试件制备方法，可实现缺口试件一次浇筑成型，操作简单，通过模具的反复使用，能够提升试件质量稳定性，降低试件制作成本。

27、4、本发明提出的测试方法，能够实现拉伸荷载和剪切荷载的等比例加载，准确测得拉-剪组合荷载作用下的纤维桥接应力-裂缝开口关系曲线，从而反映高延性纤维增强复合材料单缝在拉-剪组合荷载作用下的断裂机理和应力传递规律，为高延性纤维增强复合材料的材料设计和工程应用提供科学依据。