CN101819111B - 一种测试脆性材料拉伸模量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试脆性材料拉伸模量的方法，其特征在于，将试样安放于巴西劈裂试验机上，在试样的径向方向对称地向试样施加线载荷，测量试样中心直径方向的总位移，所述的总位移的方向与试样的载荷加载方向垂直，按下式计算得到材料的拉伸模量E_t：

其中E_t为拉伸模量，σ_t为巴西劈裂抗拉强度，

其中，P_t为所述的线载荷，L为试样长度，D为试样直径，μ为泊松比，Δu_t为试样中心直径方向的总位移。本发明的测试脆性材料拉伸模量的方法能保障测试结果更为精确。

Description

一种测试脆性材料拉伸模量的方法

技术领域

本发明涉及一种测试脆性材料拉伸模量的方法。

技术背景

岩石、混凝土等脆性材料的抗拉特性(包括抗拉强度、拉伸模量等等)是一种很重要的特性。目前用于测定脆性材料抗拉参数的方法主要有直接拉伸试验和间接拉伸试验。由于直接拉伸试验的试样在加工过程中比较困难，通常情况下会采用间接拉伸试验方法进行抗拉试验。巴西劈裂试验是目前最经常被采用的一种间接拉伸试验方法。该方法在1978年被国际岩石力学学会(InternationalSociety for Rock Mechanics，ISRM)推荐为测定岩石抗拉强度的方法。该方法也是美国材料和试验协会(American Society for Testing and Materials)制定的标准方法之一。在国内，国家标准“工程岩体试验方法标准(GB/T50266-99)”、地质矿产部行业标准“岩石物理力学性质试验规程(DY-94)”和水利部行业标准“水利水电工程岩石试验规程(SL264-2001)”中也推荐使用该方法。采用巴西圆盘劈裂试验方法，材料的劈裂抗拉强度可以采用下式进行计算：

${\mathrm{\σ}}_t=-\frac{2P_t}{\mathrm{\πDL}}---\left(1\right)$

式中：σ_t为岩石抗拉强度；L为试件长度(厚度)；D为直径；P_t为破坏载荷；负号表示拉应力。

由于试样在圆盘平面范围内各点所受的拉应力不完全一致，导致各点的应变值也不完全相同，因此在抗拉强度能够求解的情况下，作为材料在拉伸时的弹性表征参量的拉伸模量却不容易确定。为了确定拉伸模量，很多研究者采用在圆盘中心垂直于加载方向的中心处贴应变片的方法，利用该应变片的测量值代替试样中心受拉区域的应变值，进而求解岩石的拉伸模量。利用该方法有试验原理上的假设和操作上的简化和便利。但是在应变片粘贴过程中如何保证应变片正好贴在试样受拉区域的中心并且和受拉方向完全垂直，不容易做到，因此所得结果的精确性有时难以得到保证。为了克服上述不足，特提出一种测试脆性材料拉伸模量的新方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种测试脆性材料拉伸模量的新方法。本发明的测试脆性材料拉伸模量的方法能保障测试结果更为精确。

本发明的技术解决方案如下：

一种测试脆性材料拉伸模量的方法，其特征在于，将试样安放于巴西劈裂试验机上，在试样的径向方向对称地向试样施加线载荷，测量试样中心直径方向的总位移，所述的总位移的方向与试样的载荷加载方向垂直，按下式计算得到材料的拉伸模量E_t：

其中E_t为拉伸模量，σ_t为巴西劈裂抗拉强度，

其中，P_t为所述的线载荷(单位为KN/s，从实验系统中可以读取)，L为试样长度，D为试样直径，μ为泊松比，Δu_t为试样中心直径方向的总位移。

所述的总位移采用位移传感器测量；所述的泊松比μ通过常规的单轴静压试验获得。

有益效果：

本发明基于圆盘对心受力的理论弹性解进行推导得到。通过经典的圆盘对心受力的理论分析，可以得到试样中心垂直加载方向上各点的应变值。进而基于微积分的思想，通过对试样中心垂直加载方向上每一点拉应变的积分，可以得到该方向上总的变形量。该总变形量可以通过实际试验过程中安置在试样中心直径两端的位移传感器测量得到(见附图1)。因此，建立起试样中心垂直加载方向上各点的应变值和总位移变形量之间的关系式，即可以得到试样劈裂受拉破坏的拉伸模量。

本发明突破了过去传统的利用在试样中心粘贴应变片测量材料拉伸模量的方法。试样中心贴应变片的方法在操作上不易控制，而且所得结果不够精确。本发明提出的方法基于经典的弹性解析解得出，而且在操作上比较简便宜行，所得结果克服了传统方法所带来的误差。本发明为脆性材料拉伸模量的确定提供了一种简便宜行、精确可靠的新方法。

附图说明

图1为试样加载示意图；

图2为试样受力示意图。

图中标号说明：

1-v型凹槽；2-垫板；3-试样；4-钢质压条。5-加载端，6-钢制垫板，7-位移传感器，8-钢制框架

具体实施方式

以下将结合图和具体实施过程对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

测试材料的拉伸模量前，需要测出材料的泊松比，这可以通过常规的单轴静压试验得到。然后可选取圆柱型试样(如直径为50mm)，试样高径(直径)比可为1∶1。将试样安放于巴西劈裂试验机上(可参考中国科学院武汉岩土所研制的RMT150系列劈裂加载系统)，并在试样垂直加载方向中心直径的两端安放位移传感器测量位移量，加载使试样劈裂破坏。并记录下破坏载荷、试样破坏时的横向总位移，最后计算拉伸模量。

具体过程如下：(巴西劈裂试验过程参考国家标准“工程岩体试验方法标准(GB/T50266-99))：

采用圆柱体试样的直径D取为48～54mm，试样的长度(厚度)L可取为直径的1.0倍，并大于岩石最大颗粒的10倍。试验应按下列步骤进行：

(1)通过试样直径的两端沿轴线方向划两条相互平行的加载基线，将2根钢质垫条沿加载基线固定在试样两端；

(2)将试件置于试验机承压板中心调整球形座使试样均匀受荷并使垫条与试件在同一加荷轴线上，可按照图1-2所示，在垂直方向上施加载载P；

(3)以0.3～0.5MPa/s的加载速度加荷直至破坏。加载过程中在试样中心垂直加载方向直径的两端安置位移传感器(如图1所示)，测量该水平方向上加载破坏时的总位移量Δu_t，并记录破坏荷载P_t。

(4)按下式计算即可得到材料的拉伸强度σ_t和拉伸模量E_t：

${\mathrm{\σ}}_t=\frac{2P_t}{\mathrm{\πDL}},$ $E_t=\frac{2P_t}{\mathrm{\πDL}}\·\frac{2D[1-0.7854(1-\mathrm{\μ})]}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\μ}}_t}={\mathrm{\σ}}_t\·\frac{2D[1-0.7854(1-\mathrm{\μ})]}{\mathrm{\Δ}{u}_t}$

式中：E_t为拉伸模量(材料在拉伸时的弹性表征参量，单位GPa)，σ_t为巴西劈裂抗拉强度，σ_t＝2P_t/πDL，其中，P_t为所述的线载荷，L为试样长度，D为试样直径，μ为泊松比，Δu_t为试样中心直径方向的总位移。“材料的泊松比”的测量，在岩石材料的国家现有规程中有明确说明(如《工程岩体试验方法标准》GB/T50266-99)。

拉伸强度的测试在《工程岩体试验方法标准》GB/T50266-99中也有具体的方法。本专利主要是在垂直试样加载端直径上加位移传感器测量其总变形Δu_t，并结合理论解析解得到最后拉伸模量E_t的数值。

Claims (2)

1.一种测试脆性材料拉伸模量的方法，其特征在于，将试样安放于巴西劈裂试验机上，在试样的径向方向对称地向试样施加线载荷，测量试样破坏时的横向总位移，所述的总位移的方向与试样的载荷加载方向垂直，按下式计算得到材料的拉伸模量E_t：

其中E_t为拉伸模量，σ_t为巴西劈裂抗拉强度，

其中，P_t为线载荷，L为试样长度，D为试样直径，μ为泊松比，Δu_t为试样破坏时的横向总位移。

2.根据权利要求1所述的测试脆性材料拉伸模量的方法，其特征在于，所述的总位移采用位移传感器测量；所述的泊松比μ通过单轴静压试验获得。

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