[发明专利]一种轻型单向加载试验装置及其应用

说明书

本发明属于岩土工程和材料工程的微型试验领域，并具体公开了一种轻型单向加载试验装置及其应用，其包括机体、试样固定组件、力传感器和加载组件，机体包括从上至下依次固定的顶板、上连接杆、缸体、下连接杆和底座，缸体下端依次固定有缸底盖和外筒；试样固定组件包括试样管套、杯头螺丝和传力导杆，试样管套固定在顶板上，其允许X射线穿过；杯头螺丝安装在试样管套上端，传力导杆位于试样管套内部，共同在试样管套内形成封闭空间；力传感器上端与传力导杆相连，下端与加载组件相连；加载组件用于带动传力导杆运动。本发明解决了在CT扫描下的微型材料学试验中无法直观观测颗粒材料力学行为的问题，为解释颗粒材料微观力学行为提供了依据。

技术领域

本发明属于岩土工程和材料工程的微型试验领域，更具体地，涉及一种轻型单向加载试验装置及其应用。

背景技术

在进行填海造岛时，填筑材料主要是由附近的礁质岩土，不可避免地会遇到钙质砂这种海洋生物成因、碳酸钙含量大50％的特殊岩土介质。单颗粒无侧限单轴加载试验、群体颗粒侧限压缩试验能有效揭示其宏观力学特性，对其工程应用具有重要意义。但由于钙质砂主要是由珊瑚、贝壳碎片未经长途搬运沉积而成，造就了其颗粒形态复杂、内孔隙结构丰富等特殊特征。这些特征使得钙质砂与一般石英砂的物理、力学特性相差甚远，主要表现为低应力条件下的高内摩擦角，以及高应力条件下的高破碎性和高压缩性等。因此，如何从微观层面连续化、可视化分析未固化的钙质砂颗粒孔隙分布、破碎行为以及生物固化后钙质砂颗粒力学演化规律对解释其微观力学特性具有重要意义。

在材料工程领域，现代粉体颗粒材料成型正朝着高生产率、高性能、高致密化和低成本等方向发展。就高聚物粘结炸药粉末压制成型理论而言，大量学者对药粉压制成型工艺进行了相关研究，主要包括：药粉压制成型过程中的密度演化规律、压制成型后晶体损伤识别等。但目前关于药粉压制成型工艺参数对密度影响的研究工作还主要集中于定性描述的阶段，尚未深入研究工艺参数与孔隙率之间的定量关系，如何捕获成型过程中药粉力学特性(颗粒分布、孔隙变化、晶体破碎、界面行为等)对定量描述成型工艺参数与其成型质量具有重要意义。

近年来，随着CT断层扫描技术的高速发展为从微米尺度上细致研究颗粒材料微观结构(即颗粒形态和内孔隙结构)对其微观力学行为的影响进而探究其破碎行为本质提供了可能。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种轻型单向加载试验装置及其应用，其目的在于，通过设置可通过X射线的试样固定组件，使试验装置能够结合图像处理技术连续化、可视化分析加载过程中单个颗粒在三维空间的运动、变形、破碎行为以及颗粒群的孔隙分布、裂纹发展、密度演化规律，为解释颗粒材料微观力学行为提供了重要理论依据。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种轻型单向加载试验装置，包括机体、试样固定组件、力传感器和加载组件，其中：

所述机体包括从上至下依次固定连接的顶板、数根上连接杆、缸体、数根下连接杆和底座，其中，所述缸体下部位于所述数根上连接杆构成的空间内，且缸体下端依次固定有缸底盖和外筒；

所述试样固定组件包括试样管套、杯头螺丝和传力导杆，其中，所述试样管套固定在所述顶板上，其能够允许X射线穿过；所述杯头螺丝安装在所述试样管套上端，所述传力导杆位于所述试样管套内部，该传力导杆与所述杯头螺丝分别从两端对所述试样管套进行封闭，使所述试样管套内形成一封闭空间；

所述力传感器上端与所述传力导杆相连，下端与所述加载组件相连；

所述加载组件固定在所述外筒上，用于带动所述力传感器和传力导杆上下运动。

作为进一步优选的，所述加载组件包括电机、减速器、丝杆和顶杆，其中，所述电机和减速器均固定在所述外筒上；所述丝杆通过所述减速器安装在所述电机上，且其上端穿过所述缸底盖位于所述缸体中；所述顶杆通过一丝杆螺母与所述丝杆活动连接，该顶杆与所述力传感器相连。