直接拉伸试验范文

直接拉伸试验范文（精选8篇）

直接拉伸试验 第1篇

边坡和地下工程开挖卸荷时往往产生拉应力[1]。岩石类材料最显著的特性就是抗拉强度远小于抗压强度。岩土工程中,如果存在受拉区域,则其稳定性就可能受拉伸区的控制。例如大型洞室的顶底板、采矿工程中的巷道、采场顶板的稳定性、放矿时矿体的冒落等都可能受拉应力的支配。由于岩石或岩体所能承受的拉应力很小,使得拉应力作用下的变形特性在边坡和地下工程等岩土工程稳定性评价中占有非常重要的地位,因而研究拉应力作用下特别是单轴拉伸条件下岩石的力学特性具有重要的理论价值和现实意义。

然而,在岩石力学领域,岩石的力学特性研究主要集中在压应力条件下的岩石力学响应,包括单轴、双轴和三轴试验等[2~5],而对拉应力作用下岩石的力学特性研究相对较少。这是因为:长期以来认为岩石所受的力学环境主要为压应力,且由于加工直接拉伸试样较为困难,加上试验条件的限制等原因,在室内试验中压缩试验比拉伸试验往往更容易取得成功。目前,关于岩石试样的抗拉强度通常采用巴西圆盘劈裂试验测得[6~8],少数学者在岩石的直接拉伸试验领域提供了一些为数不多的研究范例。Hawkes等人[9]对Indiana灰岩、Barre花岗岩和Berea砂岩进行了拉伸试验,试验结果显示3种岩石在破坏荷载为50%处的压缩与拉伸的切线弹性模量之比分别为1、2、9;王学滨[10]基于梯度塑性理论,考虑了应变局部化,提出了单轴拉伸条件下岩样全程应力—应变曲线解析解;陶履衫等[11]介绍了用单轴直接拉伸测定法测定岩石在拉伸条件下应力应变全过程试验的原理和方法,并对测得的拉伸应力应变全过程曲线进行了分析,研究了岩石在拉伸条件下的变形和强度特征;于贤斌等[12]采用自行研制的、可对同一岩石试样进行单轴压缩和直接拉伸的试验装置,对3种岩石进行了压缩和直接拉伸试验,得出结论:3种岩石的压缩弹性模量均大于拉伸弹性模量,且压缩与拉伸弹性模量之比分别为1.1、1.4、2.5,此外,压缩泊松比也大于拉伸泊松比。

本文在分析前人岩石直接拉伸试验的基础上,设计研制出轴心受拉效果较好的岩石直接拉伸装置,选取重庆市典型的红砂岩为研究对象进行了岩石单轴直接拉伸试验,探讨了红砂岩直接拉伸力学特性,讨论了红砂岩单轴直接拉伸变形破坏规律。

1 试验设计

1.1 试验装置设计研制

岩石直接拉伸试验能否成功的主要因素之一是避免偏心拉伸[12]。为此,本试验首先对岩石直接拉伸装置进行了设计研制,该装置主要由上下对称的受力构件(即拉杆)、拉头以及高强螺帽组成,如图1(a)所示。其工作原理为:采用高强树脂胶将试件黏接在直径为50mm的拉头上,用直径65 mm的环形高强度螺帽将受力构件端部的圆形滚球与拉头连接起来,该装置在岩石直接拉伸过程中,受力构件两端的滚球可在拉头与外侧高强螺帽之间滚动,很好地消除了偏心受拉。该装置除可进行岩石直接拉伸试验外还可以进行压缩强度不太大或者小直径岩石试件的压缩试验。拉头上刻有直径30 mm、25 mm的同心圆刻痕,可以黏接直径30 mm、25 mm等直径小于50 mm的岩石试件。拉杆两端做成螺纹状,可方便连接材料伺服试验机,也可连接自行设计装置。

一般来说,岩石的抗拉强度只为其抗压强度的1/3~1/80。为此,试验装置以拉压极限荷载2吨进行设计,岩石试件直径为50mm时,该装置能承受的最大拉压应力为9.99MPa;岩石试件直径为30 mm时,装置可承受的最大拉压应力为27.74 MPa;岩石试件直径为25 mm时,装置可承受的最大拉压应力为39.95MPa。试验装置的材料承载能力验算限于篇幅这里不再赘述。试验装置实物照片如图1(b)所示。

1.2 试验样品

试验采用了重庆市代表性的红砂岩作为研究对象。该岩石结构致密,矿物颗粒较粗,呈肉红色,其密度为2380kg/m3;试样加工为标准圆柱形,直径30mm,高度60mm,试样端部进行打磨加工磨平,平整度符合国际岩石力学实验的基本要求。

1.3 试验加载方法

试验采用自制的加载装置进行,如图2所示。其工作原理为将拉伸装置的一端固定在30mm厚的高强钢板上,用四根直径40mm高强钢柱组成系统的支撑部分,在拉伸装置的另一侧采用柔性钢丝绳与拉伸连接装置连接起来。将机械式螺旋千斤顶置于高墙钢板上用以提升拉伸连接装置,从而达到试件拉伸的目的。试验过程中,通过置于千斤顶顶部的荷重传感器读数进行加载控制。

试验前,可在拉头凹槽与外侧高强螺帽之间滴几滴黄油,以使受力构件滚球两端更好的滚动,保证整个试验过程中轴心受力。

1.4 数据采集

在每个试样的中部,对称地黏贴了2个丁字应变片(纵向和横向),用于测量试样的轴向应变和径向应变。采用XL3403B5T静态应变测量系统采集试件的应变与荷载应力,该测试系统由XL2101 B5 T系列静态电阻应变仪、计算机(台式机、便携机)及支持软件组成。可自动准确地测量大型结构、模型及材料应力实验中多点的静态应变应力值。

2 结果分析

图3~5为采用岩石直接拉伸装置获得的红砂岩应力—应变关系曲线。

由图3~5可以看出,红砂岩在低应力作用下,轴向应力—应变曲线为一条直线,随着拉应力的升高,逐渐过渡到非直线。在加载初期,轴向应力应变关系曲线的斜率较大,随着拉伸荷载的增加曲线斜率逐渐减小,也就是说单轴拉伸条件下砂岩的弹性模量随着应力的增加会逐渐降低;侧向应力—应变曲线在砂岩的整个受拉过程中随着拉伸荷载的增加呈线性增长,且侧向变形量相对很小,试件峰值应力对应的最大侧向应变值UT1(这里定义U代表uniaxial,T代表tension)为-34με、试件UT2为-27με、试件UT3为-32με,跟轴向应变的比值分别为0.035、0.032、0.034。可见单轴拉伸条件下,砂岩的变形主要表现为轴向延伸。

红砂岩在拉应力作用下各试件的拉伸强度、峰值应力最大应变值、杨氏割线模量以及泊松比的试验结果如表1所示。在压应力作用下岩石的割线杨氏模量或者切线杨氏模量通常等于岩石单轴压缩应力应变关系曲线上50%极限应力对应的地方[13]。这里定义岩石拉伸状态下的杨氏模量为50%极限应力对应的应力应变关系曲线上的割线模量,岩石拉伸状态下泊松比同样在这一应力水平取得[14]。

通过MTS815材料伺服试验机测得上述三种砂岩的单轴压缩强度平均值为57.70MPa、杨氏模量为9697.33MPa、泊松比为0.18。可以看出,砂岩在单轴拉伸作用下其力学特性较压缩作用下明显降低,其拉伸强度仅为压缩强度的1/32.97,杨氏模量仅为压缩作用下的1/2.65,泊松比为压缩作用下的1/2.40。可见在岩石工程中出现拉应力区时,如大型洞室的顶底板、采矿工程中巷道、边坡坡顶等需要特别注意。

砂岩在直接拉伸状态下断裂方式为在试件中部位置上下拉断,断裂面呈近水平状态,表现出脆性材料的断裂特征,说明试件在受拉过程中偏心受力的影响很小,进一步说明了所研制的拉伸装置解决偏心受拉问题的有效性。试件1断裂后的图片见图6。

3 结论

应用自行研制的岩石拉伸装置对重庆红砂岩直接拉伸特性进行了研究,丰富了该地区红砂岩的基本力学特性,主要研究成果如下。

(1)自行设计研制的岩石拉伸试验装置可以较好地消除试验过程中存在的偏心受力,应用该装置进行了砂岩直接拉伸特性试验取得了良好的试验效果,其实用性效果得到了较好的检验。

(2)丰富了该地区红砂岩的基本力学特性,为该地区进行大型岩土工程施工设计,尤其是可能出现拉应力区域的工程提供直接的设计参考依据。

(3)红砂岩在单轴拉伸作用下,力学特性较压缩作用下明显降低,其强度仅为压缩强度的1/32.97,杨氏模量为压缩作用下的1/2.65,泊松比为压缩作用下的1/2.40。

(4)红砂岩在直接拉伸状态下变形主要表现为沿轴向延伸,其断裂方式为在试件中部位置附近拉断,断裂面呈近水平状态,具有脆性材料的断裂特征。

摘要：为探讨重庆市分布较为广泛的红砂岩直接拉伸力学特性,了解其直接拉伸的变形破坏规律,本文设计研制了岩石直接拉伸试验装置,并详细介绍了该装置的工作原理及其使用范围。利用该装置进行了红砂岩的直接拉伸特性试验,从抗拉强度、杨氏模量、泊松比等指标与压缩情况下的比较以及红砂岩拉伸变形破坏规律等方面对其直接拉伸力学特性进行了分析,获得了该砂岩的直接拉伸力学特性参数。研究结果对分析评价受拉伸区控制的大型岩土工程的稳定性具有重要的参考意义。

材料的拉伸试验报告 第2篇

一、实验目的

1. 进一步熟悉电子万能实验机操作以及拉伸实验的基本操作过程;

2. 通过橡胶材料的拉伸实验，理解高分子材料拉伸时的力学性能，观察橡胶拉伸时的变形特点，测定橡胶材料的弹性模量E，强度极限σb，伸长率δ和截面收缩率Ψ

二、实验设备

1. WDW3050型 50kN电子万能实验机;

2. 游标卡尺;

3. 橡胶材料试件一件。

三、实验原理

拉伸橡胶试件时，实验机可自动绘出橡胶的拉伸应力-应变曲线。图中曲线的最初阶段会呈曲线，这是由于试样头部在夹具内有滑动及实验机存在间隙等原因造成的。分析时应将图中的直线段延长与横坐标相交于O点，作为其坐标原点。橡胶的拉伸只有弹性阶段。拉伸曲线可以直观而又比较准确地反映出橡胶拉伸时的变形特征及受力和变形间的关系。

橡胶拉伸时，基本满足胡克定律，在应力-应变曲线上大致为一段直线，因此可以用这一段直线的斜率tanα来表示弹性模量E。为了更准确地计算出弹性模量的值，可以用Matlab对比例极限内的数据进行直线拟合，得到拟合直线的斜率，即为弹性模量的值。

四、实验过程

1. 用游标卡尺测量橡胶试件实验段的宽度h和厚度b，并标注一个20 mm的标距，并做记录;

2. 打开实验机主机及计算机等实验设备，安装试件;

3. 打开计算机上的实验软件，进入实验程序界面，选择联机，进行式样录入和参数设置，输入相关数据并保存;

4. 再认真检查试件安装等实验准备工作，并对实验程序界面上的负荷、轴向变形和位橡胶材料拉伸实验报告移进行清零，确保没有失误;、

5. 点击程序界面上的实验开始按钮，开始实验;

6. 试件被拉断后，根据实验程序界面的提示，测量相关数据并输入，点击实验结束;

7. 从实验程序的数据管理选项中，调出相关实验数据，以备之后处理数据使用。

五、实验注意事项

1. 在实验开始前，必须检查横梁移动速度设定，严禁设定高速度进行实验。在实验进行中禁止在▲、方向键之间直接切换，需要改变方向时，应先按停止键;

2. 安装试件时，要注意不能把试件直接放在下侧夹口处，而是应该用手将试件提起，观察夹口下降的高度是否合适，之后再将试件夹紧、固定;

3. 横梁速度v=10m/s，最大载荷为500N，最大位移400mm;

4. 实验过程中不能点“停止”，而是“实验结束”，否则将不能保存已经产生的数据;

5. 安装试件时横梁的速度要调整好，不能太快，试件安装完成后，要确认横梁是否停止运动，以免造成事故。

六、实验数据记录

七、数据处理

1. 由于橡胶材料试件的厚度与宽度在不断变化，这里只能用试件的初始横截面积来大致计算应力与应变，图像如下：

图2 橡胶材料拉伸的大致应力-应变曲线

2. 弹性模量。选取应力-应变曲线中部较为接近直线的数据，拟合后得到的直线图像如下图所示：

图3 应力-应变拟合曲线

由直线的斜率可得到橡胶材料的大致弹性模量E =7.906 MPa。

4. 强度极限约为： σb=Fb=12.1875MPa A0

5. 断裂前后试件的宽度与厚度没有发生变化，即横截面积没有发生变化，故断裂伸长率和截面伸缩率均为0。

八、思考题：

1. 说明橡胶拉伸有什么特点?

答： 橡胶材料在拉伸时，只有弹性变形阶段，没有屈服阶段、强化阶段和局部收缩阶段。在弹性变形阶段中，除拉伸刚开始的部分外，负荷-位移曲线、应力-应变曲线基本为一条直线。橡胶材料被拉断后，断口截面均匀，没有较为明显的特征。

2. 为了更加准确地利用实验数据计算材料的弹性模量E ，需要采取哪些措施?

答：数据处理中使用Matlab软件对弹性阶段的数据进行直线拟合，理论上数据越多结果越精确。但橡胶在被拉伸时，弹性阶段并不是一直保持正比关系并满足胡克定律。在弹性阶段的初期，应力应变图像是曲线，将这一阶段的数据用到直线拟合中会带来较大的误差。所以在选择数据时，选用拉伸曲线中部较为接近直线的部分。

3. 橡胶的弹性模量很小，为什么会有很大的变形量?

答：橡胶是由线型的长链分子组成的。由于热运动，这种长链分子在不断地改变着形状，变量很大的特点。当外力使蜷曲的分子拉直时，由于分子链中各个环节的热运动，力图恢复原来比较自然的蜷曲，形成了对抗外力的回缩力。正是这种力促使像胶形变的自发回复，造成形变的可逆性。但是这种回缩力毕竟是不大的，所以橡胶在外力不大时就可以发生较大的形变，因而弹性模量很小。

九、实验经验教训总结：

1. 安装试件时横梁的速度要调整好，不能太快;试件安装完成后，要确认横梁是否停止运动，以免造成事故;

2. 确保将试件夹紧、固定，以免在拉伸过程中试件滑出夹口，无法完成实验;

3. 实验过程中不能轻易地点“停止”，而是“实验结束”，否则将不能保存已经产生的数据。

盐岩动态拉伸特性的试验研究 第3篇

1 平台巴西圆盘试验

目前,岩石抗拉强度的室内测定方法较多,主要可以分为两种[2]:直接拉伸试验和间接拉伸试验,后者又称劈裂试验或者巴西试验。岩石直接拉伸试验时,要将岩石加工成细长的回旋体试样,比较费工而且加工成品率很低,同时要使夹具拉力与试样轴线保持重合也比较困难,试验数据的均方差值很大;圆盘劈裂试验这种方法起源于南美洲。它是将经加工的圆盘状(或正方形板状)试件,横置于压力机的承压板间,并在试件的上、下承压板之间各放置一根硬质钢丝作为垫条,然后加载使试件受压,试件沿径向产生张拉破坏,以求其抗拉强度。

本次试验中,采用平台巴西试验装置对三组盐岩试样进行了静态劈裂试验,试验装置及盐岩试样如图1所示。

巴西试验的基本假定是试验的材料为理想线弹性材料,而盐岩作为脆性材料抗拉强度的试验结果取值应十分谨慎。但是在对盐岩试样进行间接拉伸的巴西试验结果分析后发现,盐岩试样的破坏形式与普通岩石基本一致,都是由圆盘试件的中心附近开始破裂,最后裂成两个半圆形。盐岩的静态巴西劈裂拉伸试验结果如表1所示。

2 SHPB劈裂试验

SHPB实验装置的雏形是由Hopkinson于1914年提出来的。1949年Kolsky将压杆分成两段,试件置于其中,从而使这一装置可用于测量材料在冲击载荷下的应力应变关系。这个装置不仅使实验室高速加载容易实现,而且在加载方式上由最初的单轴压缩向三轴压缩或拉伸、扭转方面演化发展,使岩石在高应变率加载下的各种动态特性的研究成为可能。

为了研究盐岩的动态拉伸强度,在本次SHPB劈裂试验中,把在静态拉伸强度试验中取得成功的平台巴西圆盘引入动态试验,利用SHPB试验装置对试样进行动态加载。SHPB试验方法的基本核心是弹性杆中一维应力波的传播。试验采用的SHPB试验装置主要由撞击杆、入射杆和透射杆组成,压杆中的脉冲信号(主要是包括入射杆上的入射和反射信号以及透射杆上的透射信号)通过应变片来测量。应变率是界定材料动态性能的一个关键参量,同时研究发现常应变率状态还是防止二维效应的一个重要条件。在本次试验中通过改变整形器的直径和改变加载速度,获得了常应变率加载,为进一步研究盐岩动态拉伸强度的应变率效应提供了条件。

由于本次试验为探索性试验,主要为以后的试验取得经验,故盐岩试样较少,应变率的变化范围也不是很大。在应变率较低时,试样的破坏形式同静态平台巴西圆盘试验基本相同,由圆盘试件的中心附近开始破裂,最后裂成两个半圆形;在应变率不断变大的情况下,试件会在近似静态时径向劈裂破坏的同时,伴随加载区域附近的局部压碎破坏,甚至更大范围的粉碎破坏。四组盐岩试样的动态劈裂试验结果如表2所示。

根据SHPB劈裂试验结果,不同的盐岩试样在试样尺寸、密度、高径比以及平台巴西圆盘试验中心角基本相同的情况下,针对不同的应变率,盐岩试样的动态拉伸强度变化较大,盐岩的抗拉强度与应变率的关系曲线如图2所示。

3结语

通过对盐岩试样进行静态平台巴西圆盘劈裂试验以及SHPB劈裂试验,获得了盐岩动、静态情况下的抗拉强度及破坏形式,分析了盐岩动态拉伸强度和破坏形式随应变率的变化关系。实验表明,盐岩在1.41s-1,2.02s-1,4.52s-1三种不同应变率时的动态拉伸强度分别是静态测定的抗拉强度平均值2.26MPa的1.36倍,2.20倍和2.98倍,盐岩的动态拉伸强度具有明显的应变率相关性,并且随应变率的升高动态拉伸强度明显增大。同时在破坏形式上同样具有应变率相关的特性:应变率较低时,由圆盘试件的中心附近开始破裂,最后裂成两个半圆形,而在应变率较高时试件会在近似静态时径向劈裂的同时,伴随加载区域附近的局部压碎破坏,甚至更大范围的粉碎破坏。

摘要：采用SHPB试验装置对盐岩平台巴西圆盘试样实施了动荷载试验,获得了盐岩在动荷载下的拉伸强度,并与静态实验进行了比较,结果表明盐岩的动态拉伸强度具有明显的应变率相关性。

关键词：盐岩,动态,拉伸强度,应变率

参考文献

[1]苏碧军,王启智.平台巴西圆盘试样岩石动态拉伸特性的试验研究[J].长江科学院院报,2004,21(1):22-25.

钢材拉伸和弯曲试验的顺序与安全 第4篇

钢筋拉伸和弯曲试验执行标准现阶段正处于新旧标准更换阶段, 《金属材料室温拉伸试验方法》GB/T228-2002在2011年12月01日废除, 2011年12月01日起实施《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》GB/T228.1-2010新标准增加了:试验速率控制方法:方法A应变速率控制方法;原始横截面积三次测量的最小值改为平均值;对于上、下屈服强度位置判定的基本原则;试验结果数值的修约、资料性附录A计算机控制拉伸试验机使用时的建议。钢筋弯曲试验《金属材料弯曲试验方法》GB/T232-1999, 2011年06月01日废除, 2011年06月01日起实施《金属材料弯曲试验方法》GB/T232-2010, 新标准取消了“弯心”术语, 改为“弯曲压头直径”;取消确定试样长度的公式 (原标准的6.7) , 新标准根据实验设备确定;修改了试样厚度的规定;增加了矩形试样圆角半径数值的规定;增加了实验过程中应采取足够的安全措施和防护装置的规定;增加了当出现争议时, 试验速度为 (1±0.2) mm/S的规定。《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204-2002局部修订的条文, 自2011年8月1日起实施。其中, 第5.2.1、5.2.2条为强制性条文, 必须严格执行。5.2.1钢筋进场时, 按国家现行相关标准的规定抽取试件力学性能和重量偏差检验, 检验结果必须符合有关标准的规定。检查数量:按进场的批次和产品的抽样检验方案确定。检验方法:检查产品合格证、出厂检验报告和进场复验报告。5.2.2对有抗震设防要求的结构, 其纵向受力钢筋的性能应满足设计要求, 当设计无具体要求时, 对按一、二、三级抗震等级设计的框架和斜撑构件 (含梯段) 中的纵向受力钢筋采用HRB335E、HRB400E、HRB500E、HRBF335E、HRBF400E或HRBF500E钢筋, 其强度和最大力下总伸长率的实测值应符合下列规定: (1) 钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25; (2) 钢筋的屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值不应大于1.30; (3) 钢筋的最大力下总伸长率不应小于9%。

检查数量:按进场的批次和产品的抽样检验方案确定。检查方法:检查进场复验报告。

2 取样

依据《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204-2002 (2011年版) 标准, 1、对同一厂家、同一牌号、同一规格的钢筋, 当一次进场的数量大于该产品的出厂检验批量时, 应划分为若干个出厂检验批量, 按出厂检验的抽样方案执行2、对同一厂家、同一牌号、同一规格的钢筋, 当一次进场的数量小于或等于该产品的出厂检验批量时, 应作为一个检验批量, 然后按出厂检验的抽样方案执行3、对不同时间进场的同批钢筋, 当确有可靠依据时, 可按一次进场的钢筋处理, 对于每批钢筋的检验数量, 应按相关产品标准执行。国家标准《钢筋混凝土用钢第1部分:热轧光圆钢筋》GB 1499.1-2008和《钢筋混凝土用钢第2部分:热轧带肋钢筋》GB 1499.2-2007中规定每批抽取5个试件, 先进行重量偏差检验, 再取其中2个试件进行力学性能检验。盘卷钢筋和直条钢筋调直后的断后伸长率、重量负偏差, 检查数量:同一厂家、同一牌号、同一规格调直钢筋, 重量不大于30吨为一批, 每批见证取3个试件。检验方法:3个试件先进行重量偏差检验, 再取其中2个试件进行时效处理 (钢筋冷拉调直后的时效处理可采用人工时效方法, 即将试件在100℃沸水中煮60min, 然后在空气中冷却至室温) 后进行力学性能检验。检验重量偏差时, 试件切口应平滑且与长度方向垂直, 且长度不应小于500mm;长度和重量的量测精度分别不应低于1mm和1g。冷弯试样2根, 长度在 (300 mm~400 mm) 之间。

3 试验过程

《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》GB/T228.1-2010规定:首先要测量钢筋的直径, 如果在产品标准规定的范围内, 按钢筋的公称直径计算横截面积, 如果超出产品标准规定的范围, 按实测的钢筋直径计算横截面积。其次根据钢筋的直径套打原始标距。即把钢筋的两端各去掉10㎝, 在中间部位按钢筋的原始标距做标记, 最后把钢筋夹持在试验机的上下钳口上, 并保证钢筋在上下钳口的中间位置固定, 启动试验机按标准规定的加荷速率进行拉伸试验。

如钢筋是GB1499-91的III直径22mm。先进行拉伸试验:原始标距为110 mm, 两端各去掉10cm, 在中间部位做标记, 安装好钢筋后, 进行加载, 加荷速度控制在10k N/s左右, 钢筋拉断, 钢筋拉断处几乎没有颈缩, 完全是脆断。断后标距为115mm, 比原始标距增加了5mm, 断后伸长率是4.5%。做弯曲试验, 调整好两支辊间的距离, 把钢筋放在支辊上, 启动试验机缓缓加荷, 钢筋未到规定角度, 出现意外, 砸到屋顶混凝土的顶板上, 之后落到地上。所以当伸长率小于5%时, 做钢筋拉伸和弯曲试验时, 应注意试验的先后顺序, 先做拉伸试验, 计算伸长率的大小, 如果伸长率小于5%, 弯曲试验时要加倍小心。

4 结论

实践证明, 做钢筋的拉伸和弯曲试验时, 应先做钢筋的拉伸试验再做钢筋的弯曲试验, 若它的伸长率小于5%时, 做弯曲试验时一定要注意安全, 建议万能材料试验机在安装时应同时安装防护装置, 使用过程中应关闭防护装置。

参考文献

[1]高怡斐, 梁新帮, 董莉.金属材料拉伸试验 (第1部分) 室温试验方法GB/T228.1-2010, 北京:中国标准出版社.

[2]王萍, 刘卫平, 董莉.金属材料弯曲试验方法GB/T232-2010.北京:中国标准出版社.

[3]王军, 张少博.钢筋混凝土用钢 (第2部分) 热轧带肋钢筋GB1499.2-2007.北京:中国标准出版社.

直接拉伸试验 第5篇

1992年, 美国密歇根 (Michigan) 大学先进土木工程材料研究工作实验室 (Advanced Civil Engneering Materials Research Laboratory, 简称ACE-MRL) 研究了Engineered Cementitious Composite (简称ECC) , 此材料属于超高延性HPFRCC, 由纤维、界面和基体的协同作用达到超高延性, 主要适用于高变形要求的结构工程, 如抗震、修复等。这种复合材料在张拉过程中表现出假应变硬化现象, 并伴随有多条裂缝的出现, 这些都是与传统的FRC不同[1~2]。ECC通常以水泥或者以水泥加填料, 或在上面的基础上再掺加小粒径细骨料作为基体, 用纤维做增强材料。ECC具有超高韧性, 高抗拉应变能力, 高的抗破裂能力, 其拉应变值大于3%, 且饱和状态的多点开裂裂缝间距小于100μm[3]。ECC所具有的应变-硬化特性是实现稳态开裂的结果, 也正是其独特韧性的来源。微观结构的优化处理使ECC的纤维体积含量低于2%~3%, 低纤维掺量使得经济合理, 且使用性好。

混凝土拉伸试验方法一般有3种:劈拉试验, 轴拉试验和弯拉试验 (抗折试验) 。

劈拉试验操作简便、数据稳定, 是工程技术人员最易接受的一种方法, 但加载条件复杂, 破坏断面上材料处于复杂的应力状态 (包括拉、压、剪等作用) , 不利对其进行力学行为的分析。

弯拉试验操作简单方便, 但只适用于以抗折强度为依据的混凝土结构。

因此, 要验证ECC的应变硬化特性, 采用轴拉方法最为适宜, 在整个加载过程中, 试件断面应力应变分布相对均匀, 所测得应力、应变值对应关系明确, 能够直接、准确地测量材料的本构行为, 便于对ECC机理进行分析。但其对试验设备要求较高, 操作复杂到目前为止尚无普遍认同的试验方法和统一的标准可循[2,4]。

断裂能是基于断裂力学概念发展而来的一种反映混凝土抗裂能力和抗冲击能力的力学性能指标。断裂能的高低可直接反映材料的抗裂能力和抗冲击能力, 为了充分显示此种材料的超高韧性, 需要测定其断裂能, 测定断裂能GF的直接方法是用单轴拉伸试验。对于混凝土这类半脆性材料完成稳定拉伸试验存在相当大的困难, 仅有少数有伺服机设备的部门才能完成这一试验, 一般采用三点弯曲梁或者紧凑拉伸试验以及由此改进的楔入劈拉法测量材料的断裂能。但对于具有超高韧性的ECC, 由于纤维的掺入使得获得拉伸应力-应变曲线较混凝土要容易得多, 本文的目的就是在直接拉伸试验的基础上计算得到应变硬化材料ECC的断裂能, 以揭示此种材料的超高韧性。

2 直接拉伸试件形式及试验方法

关于直接拉伸试验加载方法, 可以直接在试验机上张拉, 更多的研究者采用多种附加加载装置来帮助张拉。为了得到稳定的拉伸应力-应变全曲线, 采用闭环控制和提高加载装置的刚度是行之有效的方法。

直接拉伸试件的形状可分为条状试件和棱柱体试件, 既可以是不变截面的, 也可以是变截面的。可以是无缺口试件, 也可以是带缺口试件。圆柱体试件很少用。

对于ECC材料, 国外学者大多参考ACE-MRL提供的方法, 采用条状矩形试件[4], 试件尺寸为304.8mm×76.2mm×12.7mm。

日本学者分析比较了四种不同尺寸、不同浇注方法的直接拉伸试验[5], 其中有330mm×30mm×13mm薄板、400mm×100mm×60mm dog-bone型棱柱体、覫70mm×200mm dog-bone型圆柱体和覫100mm×200mm圆柱体, 其中薄板得到的效果最好, 其次是dog-bone型棱柱体, dog-bone型圆柱体效果最差。Tetsushi Kanda等人也利用相同尺寸的薄板和dog-bone型棱柱体进行了直接拉伸试验[6]。

目前有三种可供参考的加载方法, 分为粘贴式、内埋式和外夹式三种基本类型[7], 由于ECC试件厚度普遍较小, 内埋式不容易实现, 故采用外夹式和粘贴式两种方法较多, 前者利用试件跟夹具之间的摩擦传力, 后者利用环氧与试件之间的粘结进行传力。

利用摩擦力夹持长条形抗拉试件操作简单, 试验进度较快, 但在尾部夹持处容易产生应力集中而引起断裂。为降低试件在夹持部位发生断裂的概率, 可对端部进行加固。日本学者Tetsushi Kanda采用变截面试件, 比如增加夹持部位截面尺寸, 或者采用带缺口试件, 但试件在变截面处或切口处仍然存在应力集中, 很难保证断裂发生在均匀应力段。

综合以上几种直接拉伸试件的形式和加载方法, 经分析比较, 并进行了大量试验发现, 在矩形长条试件的两端粘贴铝片, 并在闭环试验机上采用位移控制的方法进行超高韧性纤维增强水泥基复合材料ECC的直接拉伸试验, 得到的应变硬化效果较好, 多条裂缝较为均匀, 且数量较多, 得到的极限拉应变较大。因此, 本文采用外夹式矩形薄板进行直接拉伸试验, 试件尺寸为305mm×76mm×13mm。

3 试验过程

3.1 试验原材料及配合比

水泥:52.5R普通硅酸盐水泥。

细骨料:优质硅砂, 粒径45~75目, 容重2.6 g/cm3。

粉煤灰:Ⅰ级灰。

外加剂:Sika-Ⅱ高效减水剂;PRS-6E有机硅类消泡剂;60HD4000增稠剂。

PVA纤维:日本产K-Ⅱ可乐纶, 长12mm, 模量29.12GPa, 伸长率7%, 抗拉强度1092MPa, 密度1.3g cm3。

直接拉伸试件尺寸为305mm×76mm×13mm, 单轴抗压试验试件为覫76mm×152mm的圆柱体, 浇注6个试件, 保证3个成功。采用绝对体积法配制, 灰砂比为2。配合比见表1。

kg/m3

采用UJZ-15砂浆搅拌机, 直接拉伸试件采用有机玻璃模具, 试件水平放置浇筑, 以确保两个承载面水平且平行。承载面的平坦度和偏斜度允许最大偏差为0.05mm。浇筑面即试件上表面应在混凝土初凝前约1~2h内平抹。平抹后用塑料薄膜和湿布把试件盖住。试件浇筑1d后脱模, 放进水箱内养护28d。

3.2 试验方法及试件形式

试件两端用建筑结构胶粘有0.6mm厚的铝片。试验在1000kN微机控制液压伺服试验机上进行, 采用位移控制, 加载速度为0.15mm/min。用两个DA-10型的LVDT来测量拉伸长度, 测量标距为205mm。图1为拉伸试验装置图。

3.3 直接拉伸曲线 (应力-应变全曲线)

图2为试验得到的单轴直接拉伸应力-应变全曲线。由于本研究配制的复合材料极限拉应变达到0.7%, 没有达到3%, 因此没有称为ECC, 而称为PVA-FRCCs。

PVA纤维增强水泥基复合材料的单轴拉伸应力-应变曲线和钢材有相似之处, 都出现硬化段, 都是有的有明显的屈服点, 有的没有明显的屈服点, 表现在PVA-FRCCs中, 就是第一条裂缝出现的点。

表2为直接拉伸试验结果, 由表2知, PVA-FRCCs的极限抗拉强度为几个MPa, 而钢材的极限拉应力为几百个MPa, 钢材峰值荷载对应的拉应变为0.1%~0.25%, 而PVA-FRCCs峰值荷载对应的拉应变大于0.7%或者更高, 弹性模量也远远低于钢材, 可见, 虽然PVA-FRCCs的抗拉强度、弹性模量不及钢材, 但其拉伸应变及拉伸韧性明显好于钢材。

4 断裂能计算

图3是出现单缝的半脆性材料拉伸应力-应变曲线以及拉伸应力-裂缝宽度曲线的比较, 整个试件的断裂能即为应力-裂缝宽度W曲线包围的面积。

图4为出现应变硬化现象的材料的拉伸应力-应变曲线。由图4可见, 此种材料由于塑性变形做功, 再加上峰值后纤维的桥接作用, 使得应力-应变曲线包围的面积要大于半脆性材料和脆性材料。

图6实例计算了作者配制的高性能纤维增强水泥基复合材料ECC的断裂能。图6全曲线包围的面积为16.157 N·m, 荷载为零处对应的位移为4.299mm。图6 (c) 曲线包围的面积借鉴图5 (c) , 定义为体积能, 计算得到为5.101N·m, 斜线对应荷载为零处的位移即为塑性变形, 为1.315mm。则直接拉伸测得的断裂能为11190N/m, 是普通混凝土总的断裂能的50倍左右。

5 结论

(1) 超高韧性纤维增强水泥基复合材料的应变硬化效果受直接拉伸采用的试件形式、机器设备和加载夹具影响较大, 经过分析比较, 直接利用液压伺服试验机等速位移控制, 并采用外夹式矩形薄板试件得到的结果较好。

(2) 通过分析比较混凝土、钢纤维混凝土和PVA纤维增强水泥基复合材料的拉伸应力-应变曲线和应力-裂缝宽度曲线, 仿照半脆性材料的拉伸过程中能量耗散模型, 计算得到应变硬化材料-PVA纤维增强水泥基复合材料的体积能, 并进而计算得到此种材料的断裂能。通过计算得到此种应变硬化超高韧性纤维增强水泥基复合材料的断裂能为11190N/m, 是应变软化材料混凝土断裂能的50倍甚至还要高, 充分揭示了此种复合材料的超高韧性。

摘要：分析比较了各国学者针对PVA纤维增强水泥基复合材料进行单轴直接拉伸采用的试件形式和试验方法, 发现用矩形长条试件、两端粘贴铝片, 并采用闭环试验机、位移控制方法得到的拉伸效果最好, 这揭示了应变硬化效果与选择的拉伸方法关系较大。对比了混凝土、钢纤维混凝土和PVA纤维增强水泥基复合材料的拉伸应力-应变曲线, 以及由其拉伸应力-应变曲线计算得到的对应应变软化材料和应变硬化材料的应力-裂缝宽度曲线, 根据得到的应变硬化材料的应力-裂缝宽度曲线计算出了PVA纤维增强水泥基复合材料的断裂能是普通混凝土的50倍。

关键词：单轴直接拉伸,应变软化,应变硬化,应力-裂缝宽度曲线,断裂能

参考文献

[1]Victor C Li, Shuxin Wang, Cynthia Wu.Tensile strain-hardening behavior of polyvinyl alcohol engineered cementitious composite (PVA-ECC) [J].ACI Materials Journal, 2001, 98 (6) :483-492.

[2]Shunsuke OTANI, Akira WADA, Yoshikazu KITAGAWA, et al.Research and development on smart structural systems in U.S.-Japan Cooperative Structural Testing Program[J].Journal of Japan Association for Earthquake Engineering, 2004, 4 (3) :378-402.

[3]Victor C Li.Engineered cementitious composites for structural applications innovations forum[J].Journal of Materials in Civil Engineering, 1998, May:66-69.

[4]Viktor Mechtcherine, Joachim Schulze.Testing the Behavior of strain hardening cementitious composites in tension[C].Institute for Building Materials, Technical University of Kaiserslautern, Germany.

[5]Toshiyuki Kanakubo, Katsuyuki Shimizu, akoto Katagiri, et al.Tensilecharacteristics evaluation of DFRCC[C].JCI-TC.

[6]Tetsushi Kanda, Toshiyuki Kanakubo, Satoshi Nagai, et al.Technical consideration in producing ECC pre-cast structural element[C].Kajima Technical Research Institute, Japan.

[7]彭勃, 郑伟.混凝土单轴直接拉伸强度试验方法研究[J].湖南大学学报 (自然科学版) , 2004, 31 (2) :79-83.Peng Bo, Zheng Wei.Study on the Test Method of Concrete Strength in Uniaxial Direct Tension[J]JOURNAL OF HUNAN UNIVERSITY (NATURAL SCIENCES) , 2004, 31 (2) :79-83.

[8]Petr Kabele.Multiscale framework for modeling of fracture in high performance fiber reinforced cementitious composites[J].Engineering Fracture Mechanics, 2006, March, 7:1-16.

[9]Hiroyuki Takashima, Kiyotaka Miyagai, Toshiyuki Hashida, et al.A design approach for the mechanical properties of polypropylene discontinuous fiber reinforced cementitious composites by extrusion molding[J].Engineering Fracture Mechanics, 2003, 70:853-870.

直接拉伸试验 第6篇

根据磁的逆效应, 当铁磁性材料受力的时候, 其磁性也将发生变化, 当力撤掉后, 如果材料或零件内有残余应力时, 其对外的磁性将发生变化, 通过对铁磁材料表面磁性的检测和分析, 进而确定材料内部缺陷的种类和程度。

铁磁性材料一般是晶体结构, 组成晶体的质点是有规则排列的, 其力学性质和晶体的点阵结构有关, 同时也和晶体的内部缺陷有关[1]。位错是晶格的线缺陷, 位错附近变形较大, 是晶体中内应力场的源, 它使晶体的自由能增加。当外界对铁磁性零件反复施加力的作用时, 零件内部便产生位错, 停止作用时, 这种位错缺陷依然存在, 这便是残余应力的来源[2]。由于磁弹性效应的作用, 使零件表面上存在着残余磁化及相应的散射磁场强度[3]。通过检测试件表面的漏磁场, 并结合构件的实际运行条件及其结构特点, 对构件的应力、变形状态作出综合评定, 即在铁磁构件形成破坏之前检测出潜在的危险, 实现早期诊断的目的。

2 实验

本实验装置由多功能电子实验机和自行研制的磁记忆数据采集系统组成。本实验的测试系统由霍尔传感器、TSC-1M-4型磁记忆仪器、计算机组成。试件尺寸:90*40*4.3mm, 试件的中间两侧有长4mm的裂纹;测点从下至上分为9行, 从左至右分为3列。

开始试验前未加载时记录信号;开始拉伸试验后, 每10kn记录一次, 直至断裂为止再记录一次, 测试信号汇总如图1所示。

3 结果分析

3.1 弹性段磁记忆信号特征分析:

从图1中可以看出, 未加载时磁记忆曲线波动较大, 随着载荷的增加, 磁记忆信号曲线变平缓, 说明在弹性阶段内材料内部晶格重新排列, 一定程度上降低了应力集中程度。在试件中段, 加工的截面最细, 是应力集中处, 随着载荷的增加, 该区域的磁记忆信号的梯度最大, 说明磁记忆梯度可以作为应力集中的一个检测参数。

3.2 屈服段磁记忆信号特征分析:

从图1中可以看出应力集中区在1000kg载荷拉力下, 过零点幅值变化最陡, 其次是800kg、1100kg, 而900kg载荷最小, 说明随着载荷的增大, 应力集中区过零点梯陡度变化并不随之变大, 而是呈现一定的波动性, 这与屈服段试件伸长显著增加, 而外力滞留在很小的范围内上下波动具有很好的一致性。在屈服段后期各负载下, 磁记忆信号同样具有波动性。

3.3 强化段和颈缩段磁记忆信号特征分析:

如图2所示, 在强化段载荷上升过程中, 裂纹附近磁记忆信号发生过零点, 拉力为4612kg达到最大载荷, 从其他下降载荷磁记忆数值分析, 同样出现在发生颈缩之前应力集中区磁记忆数值在零点下方逐渐向零点靠近, 轴向磁记忆信号曲线的这一形状改变, 可以推测颈缩就要开始。当出现颈缩后零点又回到应力集中处4、5测点之间, 一直保持到断裂后。而且从颈缩段磁记忆信号图 (图3) 明显看出, 断裂后测点4、5之间过零点梯度比未断时大很多。

4 结论

4.1 弹性阶段磁记忆信号Hp (y) 幅值小, 梯度值低, 证明在材料早期内部缺陷主要表现为残余应力;随着载荷的增加, 信号幅值降低, 对应于材料内部晶体重组, 排列趋于规整。

4.2 在屈服阶段, 磁记忆信号出现波动性, 这与该阶段在较小的载荷下材料发生滑移线, 说明材料内部的晶格变化呈现宏观性表现在材料表面。

4.3 在相同载荷下, 强化段和颈缩段的磁记忆信号分布曲线相似, 但颈缩段变形区的信号梯度整体明显增加, 利用幅值和梯度的综合分析可以进行材料塑性变形的判断。

参考文献

[1]任吉林等.金属磁记忆检测技术[M].北京:中国电力出版社, 2000:21-30.

[2]邢海燕, 樊久铭等.基于磁记忆机理的铁磁材料弯曲变形状态研究[J].哈尔滨工业大学学报, 2006, 38 (7) :1017-1019.

沥青胶浆拉伸全曲线的试验研究 第7篇

1 试件的制作

1.1 基质沥青的性质

本文采用70#道路石油沥青.参照重交通道路石油沥青技术指标,按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行.基质沥青的基本技术指标测定结果见表1.

1.2 沥青胶浆配合比设计

本文采用AC-13型沥青混合料级配中值,根据经验数据确定油石比为4.6.将细观尺度沥青胶浆定义为由粒径小于最大公称粒径1/4的细集料和沥青组成的混合料,在剔除了粗骨料之后,集料级配和原混合料级配会有差别,两者的级配曲线如图1所示.

1.3 沥青胶浆试件的制备

(1)原材料的准备

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)T0704-2011将细集料和矿粉烘4h并且将沥青用烘箱加热至规定的沥青混合料拌合温度.

(2)试验设备的改进和试件的制作

如图2所示,为了降低试验误差,试验采用的成型模具和拉伸所用夹具是针对沥青胶浆拉伸试验专门制作的.通过模具将试件的横截面积固定在(3.05cm×3.15cm)范围内,特制夹具又可以将断裂面固定在中间应力集中区域处即靠近夹头根部,防止出现多处裂缝.

2 沥青胶浆拉伸全曲线的影响分析

2.1 拉伸试验过程

将基质沥青、细集料和矿粉混合后在175℃下拌合10min后倒入模具中.将模具放在振动机上振动成型后在室温下冷却24 h,脱模后放入25℃恒温箱中6h,在万能试验机上进行拉伸试验,记录当位移为1 mm,3mm和4mm时试件的裂缝扩展情况,如图3所示.

通过图3可以看出,因为应力集中,所以裂缝会在根部扩展,这样可以将开裂位置固定,不会让试件出现多处裂缝并且减小了由于试件自身的变形而带来的试验误差.

2.2 不同振动时间对沥青胶浆拉伸全曲线的影响分析

将同一批次成型试件分别振动2min,5min和10 min后,在25°,20mm/min条件下得到应力与位移曲线如图4(a)所示.为了验证实验结果的准确性,在25℃和20mm/min的加载速率条件下的平行试验如图4(b)所示.由图4(a)可以看出,试件振动2 min成型试件和振动5 min成型试件最大σmax差别很大,但是,振动5 min成型试件与振动10 min成型试件破坏应力σmax相差不大,所以振动成型时间选用5 min较合理.图4(b)说明同一条件下的不同实验结果分散性很小,表明实验数据是真实有效的.

2.3 不同加载速率和不同温度对沥青胶浆拉伸全曲线的影响分析

分别对同一批次成型试件在0℃,15℃和25℃温度条件下做不同加载速率的拉伸试验,得到的拉伸曲线如图5和图6所示.

2.4 不同加载速率和不同温度下的刚度和破坏位移影响分析

SilviaCaro通过将应力-位移曲线拟合为双折线来计算试件在不同温度和不同加载速率条件下的刚度Knn和破坏位移U[9],通过断裂能相等原则计算破坏位移较为合理.

其中,δ1为完全断裂时的位移;δ0为应力达到最大值时的位移.

图7给出了15℃温度条件下,加载速率为20mm/min的应力-位移曲线,通过拟合处理得到试件的Knn和破坏位移U,见表2.

3 结论

传统拉伸试件在沥青胶浆拉伸全曲线的试验中存在较大的误差,为了降低这些误差,本文针对拉伸实验研发了专门的成型模具和拉伸所用夹具.通过对沥青胶浆在不同成型振动时间、不同温度条件下和不同加载速条件下的拉伸试验,可以得到以下结论:

(1)沥青胶浆的抗拉强度随着成型振动时间的增加而增大,当振动时间超过5min时,抗拉强度趋于稳定.

(2)沥青胶浆抗拉强度和刚度Knn随着加载速率的增加而增大,随着温度升高而减小.

(3)沥青胶浆抗拉强度和破坏位移的确定为基于粘聚带本构模型进行有限元分析提供了参数.

摘要：细观尺度上,沥青混合料是由沥青胶浆、粗骨料和孔隙等构成的多相复合材料,而沥青胶浆的力学参数为沥青混合料进行细观尺度研究的重要部分,对抗拉强度有着决定性的影响.本文通过设计制作加载夹具针对不同温度和不同加载速率的条件,对9组试件进行拉伸试验,得到沥青胶浆拉伸全曲线.通过对沥青胶浆拉伸全曲线的研究和计算,确定了沥青胶浆的最大破坏应力σmax、刚度Knn和破坏位移U,这些参数为采用粘聚带本构模型模拟沥青混合料的开裂行为提供了力学参数.

关键词：细观尺度,沥青胶浆,拉伸全曲线,最大破坏应力,破坏位移

参考文献

[1]张敏江.公路沥青路面基层技术状况评价指标.沈阳建筑大学学报(自然科学版),2014,(3):457-463

[2]尹安毅.沥青混合料开裂破坏行为的细观尺度模拟.[博士论文].武汉:华中科技大学,2013

[3]肖月.沥青混合料中胶浆-集料粘接性及力学性能研究.[硕士论文].武汉:武汉理工大学,2008

[4]杨擎.扩展有限元法在沥青路面多裂纹扩展分析中的应用.[硕士论文].武汉:华中科技大学,2011

[5]潘昊宇.沥青路面开裂的有限元分析.[硕士论文].重庆:重庆交通大学,2009

[6]应荣华.粗骨料对沥青混凝土开裂阻力影响分析.工程力学,2007,24(5):176-179

[7]周储伟.内聚力界面单元与复合材料的界面损伤分析.力学学报,1995,31(3):372-376

[8] Dai QL,Ng K.2D cohesive zone modeling of crack development in cementitious digital samples with microstructure characterization.Construction and Building Materials,2014,(54):584-595

直接拉伸试验 第8篇

硫磺改性技术20世纪70年代在北美地区就曾广泛应用, 近年来随着道路石油沥青价格的迅速上涨, 硫磺改性的优势也逐渐体现。从国内外已建成的工程实例可以看到:夏季高温的时候, 硫磺改性沥青路面很少出现泛油、车辙等高温变形;冬季低温的时候, 硫磺改性沥青路面也并没有出现比普通沥青路面更多的低温开裂病害, 这样看来硫磺改性沥青路面的温度敏感性相对较小。

国内外学者[1,2]应用红外光谱分析仪研究了硫磺改性沥青的成分和变化, 认为硫与沥青在一定温度、时间条件下拌和时, 在沥青中形成了氢键和S—H化学键, 产生了硫醇、硫醚、亚砜、砜等官能团, 这些化学键和化学物质改变了沥青分子间的连接, 发生的交联反应使沥青分子链从二维结构变为三维网状结构, 使沥青中的分子链极性增大, 相互作用增强, 使沥青的粘性增加, 高温抗流动能力增强。

从这些改性机理的研究, 可以看到硫磺改性不同于常见的物理改性, 本质上是化学改性和物理改性的综合结果, 可以推测硫磺和沥青组成的结合料感温性能肯定与单纯的沥青有了很大区别。但是由于硫磺改性是一个相对缓慢的过程, 硫磺微粒需要时间去结晶, 因此无法通过直接测量硫磺沥青结合料的温度敏感性指标来分析, 只能通过硫磺沥青混合料的性能来反映。

本文将首先通过不同温度条件下的间接拉伸试验, 对比硫磺改性前后混合料劲度模量, 分析感温性能的变化规律;然后, 通过车辙试验和低温约束应力试验来验证劲度模量的变化特点。

1 间接拉伸劲度模量试验

沥青混合料的劲度模量可以定义为一种荷载传递的能力[3], 当劲度模量较大时, 路面荷载传递的越大, 受到的损伤越少, 因此, 劲度模量是材料的一项综合性能指标。本研究将采用英国间接拉伸劲度模量试验方法DD213 (BSI, 1993) , 利用Cooper NU—14 试验机, 测量硫磺改性沥青和普通沥青混合料在四个试验温度 (10℃、20℃、30℃和40℃) 下的间接拉伸劲度模量, 分析劲度模量指标与温度的关系。

1.1 试验设计

本试验首先利用普通沥青确定两组级配 (AC—13和AC—25) 的各自最佳沥青用量, 硫磺和沥青的重量比采用40：60, 根据硫磺与沥青的等体积替换原理, 在相同的级配情况下, 确定硫磺改性沥青混合料中结合料 (硫磺和沥青) 的用量, 然后分别成型间接拉伸试件。

英国Cooper NU—14试验机能自动采集试验数据并完成相关计算, 试验参数采用推荐值, 试验过程中, 试验机自动根据目标水平变形量调整施加荷载值, 并采集荷载调整后5 个波形的数据计算动态间接拉伸劲度模量。硫磺采用壳牌公司生产的Thiopave颗粒, 沥青采用普通70#沥青。

1.2 试验结果分析

间接拉伸试验的数据统计在表1和表2中, 劲度模量的平均值与温度的关系见表3。

由表3可见, 在试验温度相对较高 (40℃) 的时候, 硫磺改性沥青混合料的劲度相对普通沥青增加的较多, AC—13增加了21%, AC—25增加了65%) ;在试验温度相对较低 (10℃) 的时候, 硫磺改性的劲度相对普通沥青增加的较少, AC—13增加了0.41%, AC—25增加了20%。

如果硫磺改性沥青混合料劲度模量的变化规律如试验所反映, 再结合时温等效原理, 可以推测:在环境温度越高或荷载频率越慢的情况下, 硫磺改性沥青混合料相对于普通沥青的劲度模量提升越大, 那么高温抗车辙性能会大幅改善;在环境温度越低或荷载频率越快的情况下, 硫磺改性沥青混合料相对于普通沥青的劲度模量提升有限, 低温抗裂性能基本相同。因此, 分别检测硫磺改性沥青和普通沥青混合料的高温抗车辙性能和低温抗裂性能, 以验证劲度模量试验的推测。

2 混合料的高温车辙试验

硫磺改性可以提高沥青混合料的高温性能是得到广泛认可的[4], 本试验采用国内最常用的动稳定度指标来对比验证。在普通沥青AC—25结构的混合料设计基础上, 硫磺和沥青的重量比采用40：60, 保证硫磺改性沥青混合料具备相同的体积性质, 成型相应的车辙试件, 测试试件的60℃动稳定度指标, 见表4。

由表4可见, 在同样的混合料级配和结合料含量情况下, 硫磺改性比普通沥青, 可以提高动稳定度指标1倍以上, 也就验证了间接拉伸试验反映的硫磺改性在高温情况下的高劲度的优势。

3 混合料的低温约束温度应力试验

沥青路面的低温性能可以使用低温约束温度应力试验 (TSRST, TP10—93) 进行研究。试验原理为:梁形或圆柱形的试件 (横截面是50 mm的正方形或60 mm直径的圆形, 高度为250 mm) 上下两端固定在控温箱内, 以10 ℃/h的速率进行匀速降温, 并始终保持试件长度不变。在试件降温直至受拉破坏的过程中, 记录相应的应力和温度。那么试件破坏时对应的温度就是这个混合料的破坏温度, 并对应于最大的施加应力。由于试验过程中, 试件始终仅承受温缩产生的拉应力, 完全反映了混合料抵抗低温开裂的能力。因此, 试验中破坏温度越低的混合料, 其低温抗裂性能也就越好。

通过两组对比试验, 对决定硫磺改性沥青混合料低温性能的两大因素 (硫磺和沥青) 进行影响分析。由于国内软沥青的资源很少, 采用欧洲CEN沥青标准的进口沥青作为试验原材料, 进行试验。

3.1 硫磺对混合料低温性能的影响

在试验室内, 使用针入度为70/100的普通沥青和石灰岩集料, 配合不同的硫磺掺量, 成型5组AC20级配的试件, 采用TSRST试验来评价硫磺对混合料低温性能的影响, 试验结果见表5。

由表5可见, 硫磺改性相对于普通沥青混合料而言, 试件的破坏温度基本上相同, 可以认为硫磺改性并没有损害混合料的低温性能, 而且硫磺改性试件甚至表现出比普通沥青试件更低的断裂温度和更大的断裂应力。

3.2 沥青对混合料低温性能的影响

试验室内使用4种针入度等级的普通沥青 (70/100, 100/150, 160/220, 250/330) 和硫磺按照60:40的比例掺配, 分别制备具备相同的体积性质的硫磺改性沥青混合料, TSRST试验结果如表6所示。

由表6可见, 随着沥青越来越软, TSRST试验测得的断裂温度也越低, 充分说明越软等级的沥青其柔韧性更好, 更能够抵抗低温开裂。除了250/330沥青之外, 硫磺改性混合料的断裂温度一般比普通沥青混合料还要略低一些。对于250/330沥青, 普通沥青和硫磺改性混合料均达到了温控箱的极限温度-34℃, 此时两组试件均没有断裂, 也就没有区别了。

由上述试验结果可见:沥青的性能决定了硫磺改性沥青混合料的低温性能, 硫磺加入的多少对低温性能没有降低, 而且硫磺改性混合料的断裂温度比普通沥青混合料还要略低一些。

4 结 语

为了探究硫磺改性沥青路面温度敏感性较小的原因, 采用不同试验温度下的间接拉伸劲度模量指标来分析混合料的感温性, 并用车辙试验和低温约束温度应力试验来验证劲度模量的变化规律。可以得到以下结论:

(1) 硫磺改性沥青混合料的劲度模量随着环境温度的升高而降低, 但是降低的速率小于普通沥青混合料。

(2) 硫磺改性混合料的劲度模量在高温环境状况下, 远大于同等条件的普通沥青混合料, 表现在路用性能上, 就是抗车辙能力的大幅提升。

(3) 硫磺改性混合料的劲度模量在低温环境状况下, 与同等条件的普通沥青混合料基本相同, 甚至略好一些, 表现在路用性能上, 就是低温抗裂性能的相同。

(4) 硫磺改性的平均劲度模量大于普通沥青混合料, 将带来增加的荷载传递能力和更少的损伤, 因此将会在路面厚度保持不变的情况下延长路面的寿命。

参考文献

[1]Deme I.Sulfur as an asphalt diluent and mix of filler.Advances in Chemistry, 1978;165, 172—189

[2]杨锡武, 熊世银, 角述兵, 等.硫磺改性沥青混合料性能及机理研究.湖南科技大学学报 (自然科学版) , 2009;24 (3) :61—67

[3]王富玉, 李艳玲, 任立锋.动荷载作用下的沥青混合料间接拉伸试验参数研究.交通信息和安全, 2009;27:70—74