一種顆粒間膠結物拉伸與剪切性能的測試裝置及測試方法
【專利摘要】本發明公開了一種顆粒間膠結物拉伸與壓縮性能的測試裝置及測試方法，其中測試裝置包括測試平臺，在測試平臺上設置有分別與一模型球固連的固定塊和滑動塊，在測試平臺的下端設置有一鉸接支點和一使測試平臺繞鉸接支點擺動的電動升降裝置；在滑動塊上還設置有一凹面鏡，在正對該凹面鏡的位置設置一線光源及一用于獲取線光源發出的光經所述凹面鏡后反射光的光感應器；升降裝置根據所述光感應器根據反射光進入設定的感應位置控制升降裝置抬升或降低的高度。本發明裝置簡單，易于操作，試驗結果更加精確，能更好的應用于界面的粘結試驗中。
【專利說明】
一種顆粒間膠結物拉伸與剪切性能的測試裝置及測試方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種測試裝置及測試裝置，具體是一種界面粘結性能的測試裝置及測試方法。
【背景技術】
[0002]目前為止，眾多學者只是對膠結完成的整個土體進行力學性能方面的測試，但巖土是由許多微觀顆粒組成，顆粒與顆粒之間的填充物粘結強度還未得到有效的研究。蔣明鏡等簡化了微觀膠結力學模型并提出模型中各參數的測試方法，為了研究顆粒之間水泥膠結物力學性能，其團隊采用兩個鋁棒模擬膠結顆粒，利用水泥以及環氧樹脂作為膠結材料，接著進行拉伸、壓縮、壓剪、壓扭等一系列加載試驗檢測膠結強度，隨后對不同膠結厚度下的膠結強度規律進行研究，為了進一步探明砂顆粒之間膠結的粘結強度，可以利用其研究團隊研制的顆粒接觸力學特性測試裝置進行模擬試驗。將微觀膠結力學模型引入到離散元程序，從而模擬土體與膠結物在不同加載條件下的力學特性及機理分析，建立土體的膠結本構模型。蔣明鏡將顆粒的粘結問題簡化成平面問題，將粘接力放大，便于力的施加和位移的測試。由于將棒狀代替球體，因而跟實際的情況有一定的誤差。
[0003]Hai等利用直徑為3mm的玻璃小球模擬砂土顆粒，兩顆小球分別連接在精密軸承臺上面，其中一顆小球連接在帶有硬筋的穩定平臺，另一顆連接在帶有偏轉光纖的可移動平臺，將整體裝置放入微生物灌漿溶液中，如圖2所示。通過移動平臺帶動光纖偏轉從而對兩顆玻璃球之間施加拉力，此設計裝置很好的評估模擬砂顆粒之間的膠結力，但是需要使用精密的位移測試和微力施加裝置。該試驗方案通過施加微小的位移來間接的計算出施加的力，這種力有很多的影響因素，如由于光纖尺寸較小，計算光纖抵抗矩時會放大尺寸帶來的誤差，而且位移測試的精度，都會影響試驗結果的可靠度，而且試驗需要高精度的微小位移作動器。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術存在的不足，而提供一種測試結構簡單、測試方便且測試精確度高的顆粒間膠結物拉伸與剪切性能的測試裝置及測試方法。
[0005]為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是:
[0006]一種顆粒間膠結物拉伸與剪切的測試裝置，包括測試平臺，其特征在于:在所述測試平臺上設置有分別與一模型球固連的固定塊和滑動塊，在所述測試平臺的下端設置有一鉸接支點和一使所述測試平臺繞所述鉸接支點擺動的電動升降裝置，所述滑動塊在所述電動升降裝置的作用下在所述測試平臺上與相對設置的滑動塊之間產生相向或相背的運動用于測試位于固定塊和滑動塊上兩模型球之間的粘結性能;在所述滑動塊上還設置有一凹面鏡，在正對該凹面鏡的位置設置一線光源及一用于獲取所述線光源發出的光經所述凹面鏡后反射光的光感應器;所述升降裝置根據所述光感應器根據所述反射光進入設定的感應位置控制所述升降裝置抬升或降低的高度。
[0007]所述光感應器為屏幕或感應數據處理終端;所述線光源為激光。
[0008]在所述測試平臺上設置有滑動罩殼和固定罩殼，所述滑動塊設置在所述滑動罩殼內，所述固定塊設置在所述固定罩殼內，在所述固定罩殼和移動罩殼之間形成有一空腔，所述固定塊和滑動塊上的模型球位于所述空腔內，在該空腔內連通有用于在兩模型球之間形成膠結物的注澆通道。
[0009]在所述測試平臺上固定有一固定架，所述固定塊通過固定塊螺栓可調的安裝在所述固定架上，所述固定塊罩殼通過調整把手可調的安裝在所述固定架上。
[0010]在所述固定塊與固定塊罩殼之間設置有滾珠。
[0011 ] 一種測試顆粒間膠結物拉伸性能的方法，其特征在于，步驟為:
[0012]步驟一、將形成有膠結物的滑動塊和固定塊放置在呈水平的測試平臺上，將固定塊與測試平臺固定；
[0013]步驟二、根據膠結物的厚度確定膠結物破壞時滑動塊滑動的距離，并根據這一距離確定光感應器設定的感應位置；
[0014]步驟三、通過電動升降裝置逐步抬升測試平臺一端，當反射光到達感應位置時，停止抬升測試平臺，得到測試平臺的傾斜角度；
[0015]步驟四、根據步驟三得到的傾斜角度計算拉伸時的粘結力:
[0016]Fi = G sin0-yG cos0
[0017]其中，Fi為顆粒拉伸時的粘結力，f為滑動模塊與測試平臺之間的摩擦力，G為滑動模塊的重量，μ為摩擦系數。
[0018]所述膠結物破壞時滑動塊滑動的距離為膠結物的厚度。
[0019]—種測試顆粒間膠結物壓縮性能的方法，其特征在于，步驟為:
[0020]步驟一、將形成有膠結物的滑動塊和固定塊放置在呈水平的測試平臺上，將固定塊與測試平臺固定；
[0021]步驟二、根據膠結物的厚度確定膠結物破壞時滑動塊滑動的距離，并根據這一距離確定光感應器設定的感應位置；
[0022]步驟三、通過電動升降裝置逐步降低測試平臺一端，當反射光到達感應位置時，停止降低測試平臺，得到測試平臺的傾斜角度；
[0023]步驟四、根據步驟三得到的傾斜角度計算拉伸時的粘結力:
[0024]Fy = yG cos0-G sin0
[0025]其中，Fy為顆粒拉壓縮時的粘結力，f為滑動模塊與測試平臺之間的摩擦力，G為滑動模塊的重量，μ為摩擦系數。
[0026]所述膠結物破壞時滑動塊滑動的距離為膠結物的厚度。
[0027]與現有技術相比，本發明裝置簡單，易于操作，試驗結果更加精確，能更好的應用于界面的粘結試驗中。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明測試裝置的結構示意圖；
[0029]圖2是本發明測試裝置拉伸測試狀態圖；
[0030]圖3是本發明測試裝置壓縮測試狀態圖；
[0031 ]圖4是本發明測試裝置測試原理圖。
[0032]圖5是凹面鏡位移測試原理圖。
[0033]其中:1、測試平臺；2、滑動塊;21、滑動罩殼;3、固定塊;31、固定罩殼;4、固定架;5、調整把手;6、滾珠;7、出漿口； 8、注漿口； 9、模型球;10、凹面鏡；11、鉸接支點；12、升降裝置；13、膠結物;14、線光源;15、光感應器。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖，對本發明作詳細說明:
[0035]如圖1所示，本發明測試裝置包括:
[0036]制作兩個邊長為30mm*50mm*30mm的模塊，一個為滑動塊2，一個為固定塊3，其中固定塊3固定在剛性的測試平臺I上，滑動塊2可以在測試平臺上相對滑動。選取2-3mm直徑硅顆粒圓球作為模擬土顆粒的模型球9，模型球9分別與兩個模塊相連接。測試平臺I 一端鉸接一端擱置在位移電動升降裝置12上，并在測試平臺上鋪設導軌，便于滑動塊2產生相對滑動。在滑動塊2上還安裝有一凹面鏡10，在正對該凹面鏡的位置設置一線光源14及一用于獲取線光源發出的光經凹面鏡后反射光的光感應器15。
[0037]為了膠結物與模型球在測試平臺上成型，將滑動塊2和固定塊3分別放置在一滑動罩殼21和固定罩殼31內，固定罩殼31與測試平臺上的固定架4通過調整把手5連接，為了便于調整固定塊與滑動塊之間膠結物的厚度，固定塊通過固定塊螺栓可調的安裝在固定架4上并可在固定罩殼31內滑動，滑動界面設置有降低摩擦的滾珠6。由滑動罩殼21和固定罩殼31構成的罩殼結構內圍合有一用于注漿的空腔，與該空腔連通的有注漿口 8和出漿口 7。
[0038]測試試驗前先通過注漿口進行注漿，待注漿及膠結完成之后進行界面粘結性能試驗。對樣品采用相關菌種(如巴氏芽孢桿菌)進行注漿。
[0039]拉伸試驗
[0040]將兩模塊放置于測試平臺I上。試驗前需測定兩模塊重量和測試平臺的摩擦系數。根據膠結物的厚度確定拉伸破壞時滑動塊滑動的位移，并根據確定的這一位移設定光感應器接收到的經凹面鏡反射光的感應位置。拉伸時，膠結物首先會因為拉伸而產生裂縫，最終表現為斷裂，所以以斷裂時兩模型球之間的距離作為破壞的測試位置。先開啟位移電動升降裝置，使平臺緩慢抬升，使得滑塊產生移動，當反射光到達設定感應位置后，停止電動升降裝置動作，測定測試平臺抬升高度H和支點到升降裝置的距離L，算出L和H的比值，確定坡角
[0041]凹面鏡測量位移的原理如圖5所示。地面上固定一個激光裝置，先照射于凹面鏡正中間，待模塊有相對滑動距離為e時，激光照射凹面鏡另一位置，測反射光偏移原發光位置的距離為S，根據感光器與凹面鏡之間的距離D，即可得到模塊的移動距離S。圖中，P為法線。
[0042]拉伸試驗如圖2示，計算公式如下:
[0043]Fy = yG cos0-G sin0
[0044]其中，Fy為顆粒拉壓縮時的粘結力，f為滑動模塊與測試平臺之間的摩擦力，G為滑動模塊的重量，μ為摩擦系數。
[0045]壓縮試驗
[0046]將兩模塊放置于測試平臺I上。試驗前需測定兩模塊重量和測試平臺的摩擦系數。根據膠結物的厚度確定壓縮破壞時滑動塊滑動的位移，并根據確定的這一位移設定光感應器接收到的經凹面鏡反射光的感應位置。壓縮時，膠結物首先會因為壓縮而產生裂縫，最終表現為脫落，所以可以以脫落作為破壞的測試位置。先開啟位移電動升降裝置，使平臺緩慢下降，使得滑塊產生移動，當反射光到達設定感應位置后，停止電動升降裝置動作，測定測試平臺下降的高度H和支點到升降裝置的距離L，算出L和H的比值，確定坡角Θ。
[0047]壓縮試驗方法如圖3示，計算公式如下:
[0048]Fy = yG cos0-G sin0
[0049]其中，Fy為顆粒拉壓縮時的粘結力，f為滑動模塊與測試平臺之間的摩擦力，G為滑動模塊的重量，μ為摩擦系數。
【主權項】
1.一種顆粒間膠結物拉伸與剪切的測試裝置，包括測試平臺，其特征在于:在所述測試平臺上設置有分別與一模型球固連的固定塊和滑動塊，在所述測試平臺的下端設置有一鉸接支點和一使所述測試平臺繞所述鉸接支點擺動的電動升降裝置，所述滑動塊在所述電動升降裝置的作用下在所述測試平臺上與相對設置的滑動塊之間產生相向或相背的運動用于測試位于固定塊和滑動塊上兩模型球之間的粘結性能;在所述滑動塊上還設置有一凹面鏡，在正對該凹面鏡的位置設置一線光源及一用于獲取所述線光源發出的光經所述凹面鏡后反射光的光感應器;所述升降裝置根據所述光感應器根據所述反射光進入設定的感應位置控制所述升降裝置抬升或降低的高度。2.根據權利要求1所述的測試裝置，其特征在于:所述光感應器為屏幕或感應數據處理終端;所述線光源為激光。3.根據權利要求1或2所述的測試裝置，其特征在于:在所述測試平臺上設置有滑動罩殼和固定罩殼，所述滑動塊設置在所述滑動罩殼內，所述固定塊設置在所述固定罩殼內，在所述固定罩殼和移動罩殼之間形成有一空腔，所述固定塊和滑動塊上的模型球位于所述空腔內，在該空腔內連通有用于在兩模型球之間形成膠結物的注澆通道。4.根據權利要求3所述的測試裝置，其特征在于:在所述測試平臺上固定有一固定架，所述固定塊通過固定塊螺栓可調的安裝在所述固定架上，所述固定塊罩殼通過調整把手可調的安裝在所述固定架上。5.根據權利要求4所述的測試裝置，其特征在于:在所述固定塊與固定塊罩殼之間設置有滾珠。6.—種基于權利要求1所述測試裝置測試顆粒間膠結物拉伸性能的方法，其特征在于，步驟為: 步驟一、將形成有膠結物的滑動塊和固定塊放置在呈水平的測試平臺上，將固定塊與測試平臺固定； 步驟二、根據膠結物的厚度確定膠結物破壞時滑動塊滑動的距離，并根據這一距離確定光感應器設定的感應位置； 步驟三、通過電動升降裝置逐步抬升測試平臺一端，當反射光到達感應位置時，停止抬升測試平臺，得到測試平臺的傾斜角度； 步驟四、根據步驟三得到的傾斜角度計算拉伸時的粘結力: Fi = G sin0-uG cos0 其中，F1為顆粒拉伸時的粘結力，f為滑動模塊與測試平臺之間的摩擦力，G為滑動模塊的重量，μ為摩擦系數。7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于:所述膠結物破壞時滑動塊滑動的距離為膠結物的厚度。8.—種基于權利要求1所述測試裝置測試顆粒間膠結物壓縮性能的方法，其特征在于，步驟為: 步驟一、將形成有膠結物的滑動塊和固定塊放置在呈水平的測試平臺上，將固定塊與測試平臺固定； 步驟二、根據膠結物的厚度確定膠結物破壞時滑動塊滑動的距離，并根據這一距離確定光感應器設定的感應位置； 步驟三、通過電動升降裝置逐步降低測試平臺一端，當反射光到達感應位置時，停止降低測試平臺，得到測試平臺的傾斜角度； 步驟四、根據步驟三得到的傾斜角度計算拉伸時的粘結力: Fy = UG COS0-G sin0 其中，Fy為顆粒拉壓縮時的粘結力，f為滑動模塊與測試平臺之間的摩擦力，G為滑動模塊的重量，μ為摩擦系數。9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于:所述膠結物破壞時滑動塊滑動的距離為膠結物的厚度。
【文檔編號】G01N19/04GK105842161SQ201610184667
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月28日
【發明人】王照宇, 王洪霞, 邱成春, 李以勤, 金勇 , 李奇, 沈道健
【申請人】鹽城工學院