專利名稱：測(cè)量粘結(jié)材料剪切性能的方法及其試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及粘結(jié)材料領(lǐng)域，特別是涉及測(cè)量包括粘結(jié)材料的剪切強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度來(lái)表征粘結(jié)材料性能的方法及其試驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
粘結(jié)材料一般可包括涂料，膠結(jié)料和粘結(jié)劑等。常用的粘結(jié)材料有瀝青及其膠漿，水泥及其膠漿，防水涂料和環(huán)氧粘結(jié)劑等。粘結(jié)在工程實(shí)踐中是經(jīng)常遇到的實(shí)際問(wèn)題，粘結(jié)材料和被粘結(jié)材料能否共同工作，主要取決于二者的界面粘結(jié)性能。粘結(jié)好后，如何評(píng)價(jià)粘結(jié)材料和被粘結(jié)材料的粘結(jié)性能是一個(gè)難題。目前國(guó)內(nèi)粘結(jié)性能測(cè)試的試驗(yàn)方法有多種，常見(jiàn)的有拉伸試驗(yàn)，剪切試驗(yàn)，彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)，拉拔試驗(yàn)，斜剪試驗(yàn)等。由于粘結(jié)層應(yīng)力狀態(tài)依結(jié)構(gòu)形式及使用情況不同發(fā)生極大變化，因此沒(méi)有一種試驗(yàn)方法能包容反應(yīng)實(shí)際使用結(jié)構(gòu)粘結(jié)處復(fù)雜多變的應(yīng)力狀態(tài)。但是，一種試驗(yàn)方法應(yīng)該完全包括一種典型的應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)能敏感的反映粘結(jié)強(qiáng)度的變化。粘結(jié)強(qiáng)度是粘結(jié)材料的一個(gè)重要參數(shù)，其通常受到不利的剪切力的作用，當(dāng)粘結(jié)層承受的總剪力大于材料所能夠承受的抗剪強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂縫而粘結(jié)失效，所以，粘結(jié)層的抗剪切能力是其一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)。此外當(dāng)粘結(jié)層受到反復(fù)的抗剪荷載作用時(shí)，其疲勞性能更是材料設(shè)計(jì)所必須達(dá)到的技術(shù)要求。目前對(duì)粘結(jié)層的效果測(cè)試多采用剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。在做試驗(yàn)時(shí)，粘結(jié)層的界面摩擦阻力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有很大的影響，而摩擦阻力則與界面所受到的法向約束力成正比，如圖1所示。因此，許多試驗(yàn)要求在試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)法向約束力的加載。此時(shí)，粘結(jié)層的剪切強(qiáng)度由粘結(jié)材料的自身的剪切強(qiáng)度與界面的摩擦阻力來(lái)提供的。
在許多工程建設(shè)中，如瀝青路面，橋面鋪裝，舊路面加鋪及水泥混凝土增強(qiáng)等均是通過(guò)不同的層狀結(jié)構(gòu)組合起來(lái)的，因此層與層之間的粘結(jié)起著關(guān)鍵的作用。例如，瀝青路面結(jié)構(gòu)一般由基層和2至3層的瀝青面層組合而成。在實(shí)際受力時(shí)，車輛的自重通過(guò)車輪給路面施加一個(gè)壓應(yīng)力，同時(shí)車輪與路面的摩擦將給瀝青路面的層間粘結(jié)產(chǎn)生剪切力的作用。類似問(wèn)題常存在于眾多粘結(jié)層結(jié)構(gòu)中。研究發(fā)現(xiàn)法向約束力對(duì)粘結(jié)層的剪切強(qiáng)度和疲勞性能影響很大，隨著法向約束力增大，剪切強(qiáng)度亦增大，如圖2。當(dāng)法向約束力很小時(shí)，剪切強(qiáng)度主要由粘結(jié)材料的性能決定；而當(dāng)法向約束力很大時(shí)，界面內(nèi)的摩擦阻力起決定作用。因此，結(jié)合實(shí)際使用結(jié)構(gòu)粘結(jié)處復(fù)雜多變的應(yīng)力狀態(tài)，如加載速率、約束力等來(lái)正確評(píng)價(jià)其粘結(jié)性能是具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是通過(guò)試驗(yàn)樣品結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)裝置的合理設(shè)計(jì)，提供一種測(cè)量粘結(jié)材料性能的方法及其試驗(yàn)裝置，其通過(guò)試驗(yàn)樣品模擬實(shí)際受力狀況，為正確評(píng)價(jià)工程建設(shè)所用材料的粘結(jié)性能提供科學(xué)依據(jù)。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用如下的技術(shù)方案本發(fā)明提供的測(cè)量粘結(jié)材料剪切性能的方法是在外力的作用下，由試驗(yàn)樣品模擬實(shí)際受力狀態(tài)時(shí)的剪切強(qiáng)度或疲勞性能來(lái)表征粘結(jié)材料性能，試驗(yàn)樣品由呈凸字型組合的三個(gè)長(zhǎng)方塊組成，中間的長(zhǎng)方塊略高于兩側(cè)方塊，方塊間由粘結(jié)材料來(lái)粘結(jié)；試驗(yàn)樣品的受力由垂直主應(yīng)力和兩個(gè)側(cè)向應(yīng)力構(gòu)成，中間長(zhǎng)方塊的受力是垂直主應(yīng)力，兩側(cè)方塊的受力是側(cè)向應(yīng)力。
本發(fā)明提供的測(cè)量材料粘結(jié)性能的試驗(yàn)裝置，其結(jié)構(gòu)是主要由底座、支持桿和加力裝置構(gòu)成；底座由厚鋼板組成試驗(yàn)平臺(tái)，其底部焊接有兩個(gè)平行支條，鋼板兩邊有兩道空槽，支持桿可在槽內(nèi)調(diào)節(jié)距離；加力裝置由長(zhǎng)支桿、彈簧和擋板組成，該裝置通過(guò)固定套筒螺絲固定在支持桿上且高度可調(diào)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下主要的有益效果試驗(yàn)樣品結(jié)構(gòu)采用凸字型組合，使粘結(jié)層達(dá)到合理的力學(xué)平衡，消除扭曲應(yīng)力，增加受力穩(wěn)定性；垂直主應(yīng)力采用一般的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)儀即可自動(dòng)控制的壓應(yīng)力，加載方式和速率可按要求設(shè)定，同時(shí)增加可調(diào)節(jié)的側(cè)向應(yīng)力，更好的模擬粘結(jié)材料的實(shí)際受力環(huán)境，滿足不同的加載方式，速率和約束力下材料的粘結(jié)性能的測(cè)試要求。


圖1顯示了剪切試驗(yàn)的受力示意圖。
圖2顯示了剪切強(qiáng)度與約束力的關(guān)系。
圖3顯示了試驗(yàn)樣品及受力的示意圖。
圖4顯示了實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的主視圖。
圖5顯示了實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的左視圖。
圖6顯示了實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的俯視圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及測(cè)量包括粘結(jié)材料的剪切強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度來(lái)表征粘結(jié)材料性能的方法及其試驗(yàn)裝置，其核心為試驗(yàn)樣品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及與試驗(yàn)樣品的結(jié)構(gòu)相匹配的試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)。
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
一.測(cè)量粘結(jié)材料剪切性能的方法如圖3所示在外力的作用下，由試驗(yàn)樣品模擬實(shí)際受力狀態(tài)時(shí)的剪切強(qiáng)度或疲勞性能來(lái)表征粘結(jié)材料性能，試驗(yàn)樣品由呈凸字型組合的三個(gè)長(zhǎng)方塊組成，中間的長(zhǎng)方塊略高于兩側(cè)方塊，方塊間由粘結(jié)材料來(lái)粘結(jié)；試驗(yàn)樣品的受力由垂直主應(yīng)力和兩個(gè)側(cè)向應(yīng)力構(gòu)成，中間長(zhǎng)方塊的受力是垂直主應(yīng)力，兩側(cè)方塊的受力是側(cè)向應(yīng)力。
一般地，粘結(jié)材料都是在特定的環(huán)境下使用的，即材料的受力，如加載方式及速率，約束力是可知的，通過(guò)不同加載速率(應(yīng)力/應(yīng)變)和側(cè)向應(yīng)力下的材料的剪切強(qiáng)度和疲勞關(guān)系，才能確定材料的能否滿足實(shí)際要求。本發(fā)明的核心是結(jié)合加載方式，速率和約束條件來(lái)檢驗(yàn)粘結(jié)性能中間長(zhǎng)方塊的受力加載方式和速率可由材料力學(xué)試驗(yàn)儀自動(dòng)控制，垂直主應(yīng)力包括靜態(tài)力、線性力或動(dòng)態(tài)力，加載方式為應(yīng)力控制模式或應(yīng)變控制模式；而兩側(cè)方塊的受力約束條件可由與試驗(yàn)樣品的結(jié)構(gòu)相匹配的試驗(yàn)裝置進(jìn)行控制，從而合理的模擬粘結(jié)層的復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，所獲得的剪切強(qiáng)度與疲勞性能更真實(shí)，合理的反映實(shí)際情況。
如圖3所示方塊間由粘結(jié)材料(涂料，膠結(jié)料或粘結(jié)劑)，如瀝青及其膠漿、水泥及其膠漿、涂料和粘結(jié)劑來(lái)粘結(jié)。
上述試驗(yàn)樣品可采用下述方法制備，包括a.將普通瀝青和改性瀝青加熱至液態(tài)，分別均勻涂在三個(gè)同尺寸的長(zhǎng)方塊試件的工作面上，適當(dāng)施加一定的應(yīng)力，確保方塊間良好的粘結(jié)；瀝青膠漿則是在液態(tài)瀝青中加入礦粉或纖維攪拌后制成；乳化瀝青可直接涂在長(zhǎng)方塊試件的工作面上，粘結(jié)后適當(dāng)養(yǎng)生，使乳化瀝青完全破乳。
b.按所需水灰比，將水泥與水拌和均勻制成水泥漿體，或另加入細(xì)砂、外加劑組成的水泥砂漿，將上述漿體涂于長(zhǎng)方塊試件的工作面上并按水泥混凝土的要求進(jìn)行養(yǎng)生。
c.涂料和粘結(jié)劑直接涂在長(zhǎng)方塊試件的工作面上，粘結(jié)后按材料的具體要求適當(dāng)養(yǎng)生。
本試驗(yàn)樣品采用的原材料可采用重交瀝青AH-70，SBS改性瀝青和乳化瀝青；可采用425水泥，細(xì)砂和外加劑；涂料可采用陽(yáng)離子氯丁膠橋面防水涂料；粘結(jié)劑可采用環(huán)氧樹(shù)脂。瀝青與石料的粘結(jié)性能見(jiàn)表1，其工藝條件是應(yīng)變加載方式，試驗(yàn)溫度為25℃，瀝青用量為0.8kg/m2，石料為石灰?guī)r。防水涂料與水泥混凝土的粘結(jié)性能見(jiàn)表2，其工藝條件是應(yīng)變加載方式，加載速率5mm/min，試驗(yàn)溫度為25℃。環(huán)氧粘結(jié)劑與鋼板的粘結(jié)性能見(jiàn)表3，其工藝條件是應(yīng)力加載方式，加載速率為1kPa/s，試驗(yàn)溫度為25℃。新舊水泥混凝土的界面粘結(jié)性能見(jiàn)表4，其工藝條件是正弦波形動(dòng)態(tài)應(yīng)力加載方式，加載頻率為50Hz。
二.測(cè)量材料粘結(jié)性能的試驗(yàn)裝置其結(jié)構(gòu)如圖4所示主要由底座1、支持桿2和加力裝置3構(gòu)成。底座由厚鋼板組成試驗(yàn)平臺(tái)，其底部焊接有兩個(gè)平行支條4，鋼板兩邊有兩道空槽5，支持桿可在槽內(nèi)調(diào)節(jié)距離。加力裝置由長(zhǎng)支桿6、彈簧7和擋板8組成，該裝置通過(guò)固定套筒螺絲9固定在支持桿2上且高度可調(diào)。
如圖5所示加力裝置3對(duì)試驗(yàn)樣品施加側(cè)向應(yīng)力是由試驗(yàn)裝置上的彈簧7施加壓力于兩側(cè)的長(zhǎng)方塊，可通過(guò)改變彈簧的形變和彈性系數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)施加壓力，其范圍為0～5Mpa，或根據(jù)實(shí)際情況而定。以滿足試驗(yàn)樣品模擬實(shí)際的復(fù)雜受力狀況。
當(dāng)垂直主應(yīng)力為應(yīng)力控制模式的線性力時(shí)，即所施加的主應(yīng)力的大小與加載時(shí)間成正比，當(dāng)施加的力達(dá)到極限值時(shí)，將發(fā)生粘結(jié)失效，試件的中間方塊將脫落，該力為材料在該應(yīng)力加載速率下的粘結(jié)剪切強(qiáng)度；當(dāng)垂直主應(yīng)力為應(yīng)變控制模式的線性應(yīng)變時(shí)，即所施加的應(yīng)變的大小則與加載時(shí)間成正比，當(dāng)施加的應(yīng)變達(dá)到極限值時(shí)，將發(fā)生粘結(jié)失效，則該所加的最大應(yīng)力為材料在該應(yīng)變加載速率下的粘結(jié)剪切強(qiáng)度。
此外，與剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)相似，通過(guò)對(duì)垂直主應(yīng)力加載動(dòng)態(tài)荷載(應(yīng)力或應(yīng)變模式)。當(dāng)粘結(jié)材料達(dá)到極限疲勞時(shí)將產(chǎn)生粘結(jié)失效，此時(shí)可用循環(huán)次數(shù)或加載時(shí)間來(lái)表征材料的疲勞性能；若加載靜態(tài)的垂直主應(yīng)力，則可通過(guò)粘結(jié)材料達(dá)到極限疲勞破壞所需時(shí)間來(lái)表征材料的疲勞性能。
三.附表表1瀝青與石料的粘結(jié)性能

表2防水涂料與水泥混凝土的粘結(jié)性能

表3環(huán)氧粘結(jié)劑與鋼板的粘結(jié)性能

表4新舊水泥混凝土的界面粘結(jié)性能

權(quán)利要求
1.一種測(cè)量粘結(jié)材料剪切性能的方法，其特征是在外力的作用下，由試驗(yàn)樣品模擬實(shí)際受力狀態(tài)時(shí)的剪切強(qiáng)度或疲勞性能來(lái)表征粘結(jié)材料性能，試驗(yàn)樣品由呈凸字型組合的三個(gè)長(zhǎng)方塊組成，中間的長(zhǎng)方塊略高于兩側(cè)方塊，方塊間由粘結(jié)材料來(lái)粘結(jié)；試驗(yàn)樣品的受力由垂直主應(yīng)力和兩個(gè)側(cè)向應(yīng)力構(gòu)成，中間長(zhǎng)方塊的受力是垂直主應(yīng)力，兩側(cè)方塊的受力是側(cè)向應(yīng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量粘結(jié)材料剪切性能的方法，其特征在于中間長(zhǎng)方塊的受力加載方式和速率由材料力學(xué)試驗(yàn)儀自動(dòng)控制，兩側(cè)方塊的受力約束條件由與試驗(yàn)樣品的結(jié)構(gòu)相匹配的試驗(yàn)裝置進(jìn)行控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量粘結(jié)材料剪切性能的方法，其特征在于粘結(jié)材料采用涂料、膠結(jié)料或粘結(jié)劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)量粘結(jié)材料剪切性能的方法，其特征在于粘結(jié)材料采用瀝青及其膠漿、水泥及其膠漿或涂料和粘結(jié)劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測(cè)量粘結(jié)材料剪切性能的方法，其特征在于試驗(yàn)樣品的制備方法包括a.將普通瀝青和改性瀝青加熱至液態(tài)，分別均勻涂在三個(gè)同尺寸的長(zhǎng)方塊試件的工作面上，適當(dāng)施加一定的應(yīng)力，確保方塊間良好的粘結(jié)；瀝青膠漿則是在液態(tài)瀝青中加入礦粉或纖維攪拌后制成；乳化瀝青可直接涂在長(zhǎng)方塊試件的工作面上，粘結(jié)后適當(dāng)養(yǎng)生，使乳化瀝青完全破乳，b.按所需水灰比，將水泥與水拌和均勻制成水泥漿體，或另加入細(xì)砂、外加劑組成的水泥砂漿，將上述漿體涂于長(zhǎng)方塊試件的工作面上并按水泥混凝土的要求進(jìn)行養(yǎng)生，c.涂料和粘結(jié)劑直接涂在長(zhǎng)方塊試件的工作面上，粘結(jié)后按材料的具體要求適當(dāng)養(yǎng)生。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量粘結(jié)材料剪切性能的方法，其特征在于垂直主應(yīng)力包括靜態(tài)力、線性力或動(dòng)態(tài)力，加載方式為應(yīng)力控制模式或應(yīng)變控制模式。
7.一種測(cè)量材料粘結(jié)剪切性能的試驗(yàn)裝置，其特征在于主要由底座(1)、支持桿(2)和加力裝置(3)構(gòu)成；底座由厚鋼板組成試驗(yàn)平臺(tái)，其底部焊接有兩個(gè)平行支條(4)，鋼板兩邊有兩道空槽(5)，支持桿可在槽內(nèi)調(diào)節(jié)距離；加力裝置由長(zhǎng)支桿(6)、彈簧(7)和擋板(8)組成，該裝置通過(guò)固定套筒螺絲(9)固定在支持桿(2)上且高度可調(diào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于加力裝置(3)對(duì)試驗(yàn)樣品施加側(cè)向應(yīng)力的大小為0～5MPa。
全文摘要
本發(fā)明涉及測(cè)量粘結(jié)材料剪切性能的方法及其試驗(yàn)裝置。即在外力的作用下，由試驗(yàn)樣品模擬實(shí)際受力來(lái)表征粘結(jié)材料性能，樣品由呈凸字型組合的三個(gè)長(zhǎng)方塊組成，中間的略高于兩側(cè)的方塊，方塊間由粘結(jié)材料來(lái)粘結(jié)，中間長(zhǎng)方塊的受力是垂直主應(yīng)力，兩側(cè)方塊的受力是側(cè)向應(yīng)力。試驗(yàn)裝置設(shè)有底座(1)，其由厚鋼板組成試驗(yàn)平臺(tái)，底部焊接有兩個(gè)平行支條(4)，鋼板兩邊有兩道空槽(5)，支持桿(2)可在槽內(nèi)調(diào)節(jié)距離；設(shè)有高度可調(diào)的加力裝置(3)，由長(zhǎng)支桿(6)、彈簧(7)和擋板(8)組成。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的樣品結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)裝置，結(jié)構(gòu)合理，操作簡(jiǎn)單，可很好的模擬粘結(jié)材料的實(shí)際受力狀況，為評(píng)價(jià)材料的粘結(jié)性能提供很好的科學(xué)依據(jù)。
文檔編號(hào)G01N1/28GK1818611SQ20061001860
公開(kāi)日2006年8月16日 申請(qǐng)日期2006年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月21日
發(fā)明者吳少鵬, 磨煉同, 劉剛, 葉群山, 邱健, 李波, 曹庭維 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)