[发明专利]一种水泥石微观单边劈裂测试装置与方法

说明书

本发明公开了一种水泥石微观单边劈裂测试装置与方法，包括：运行区，用于搭载各模块，包括工作台、机械模块、水冷模块、清洁模块、和监测模块；所述的工作台，用于驱动试样在X方向、Y方向、z方向的移动和绕z轴转动；所述的机械模块设置在工作台一侧，由中央立柱、加工机具和测试机具组成，所述的中央立柱上设有可绕其旋转和z方向升降的加工机具和测试机具；所述的水冷模块、清洁模块设置在工作台一侧，实现试样加工过程的水冷和清洁；所述监测模块监控试样的制备、测试过程；控制区，由主控台和显示器组成，各模块通过相应的控制器集成于主控台，显示器用于实现人机交互。

技术领域

本发明涉及土木工程领域，尤其是一种水泥石微观单边劈裂测试装置与方法。

背景技术

混凝土是一种人造的准脆性材料，具有抗压强度高、施工简便、可塑性好的优点，广泛应用于房屋建筑、道路路面和桥梁结构等工程领域。混凝土的材料性能直接影响到混凝土结构的承载能力和服役寿命，试验中常通过单轴压缩试验获得混凝土的抗压强度，而抗拉强度可通过单轴拉伸试验或劈裂抗拉试验获得。由于直接拉伸试验较为复杂，且试验数据离散性较大，因此实际中常采用劈裂抗拉试验测试混凝土材料的抗拉强度。

一般认为，混凝土的抗拉强度约为抗压强度的十分之一，这一拉压性能上的巨大差异，导致混凝土结构的破坏常常是由拉伸断裂引起的。一般来讲，结构的破坏是材料内部微裂纹萌生和扩展的宏观表现。然而，混凝土是一种复杂的非均质多相体，其材料性能的差异在多个尺度上均有所表现，这就要求研究人员必须在从纳米(nm)到米(m)的尺度上，全方位地研究混凝土材料的力学性能及其断裂失效机理。以往的研究大多集中在宏观尺度(cm)领域，在这一尺度下，试样很容易被制备并加载测试。在纳观尺度(nm)下，试验的主要研究对象则为混凝土中的某一水化产物。而对于混凝土材料在微观尺度(μm)下的抗拉力学性能的研究，目前还较为欠缺，主要的研究手法也以数值模拟为主，相应的研究对象为混凝土中的硬化水泥浆体(即水泥石)。这是因为目前无任何专门用于制备、测试水泥石微立方体(100μm x 100μm x 100μm)劈裂试样的装置，试样的制备质量及其测试手段得不到保障。此外，在微观尺度下，水泥石是一种复杂的多相体，对其进行力学性能的数值模拟研究，应该着重考虑水泥石中各相物质材料性能的差异以及各相物质间的粘结性能，而这部分数据往往也应通过试验测试来可靠地获得。例如，纳米压痕仪常被用于测试水泥石水化产物的压痕硬度，但无研究表明水泥基材料的压痕硬度与其抗压强度间有直接关系。而微悬臂梁弯曲测试技术近年来也被用于测试水泥石及其各相物质的抗拉强度，但其样本制备过程会引起材料微观结构的变化，导致测试结果不准确。因此，对于水泥石微观力学性能的数值模拟研究，仍然需要经过试验结果的检验和校准。

综上所述，为了进一步探究水泥石微观力学性能，填补混凝土材料纳-微-介-宏观断裂体系的研究缺口，同时验证数值模拟方法在水泥石微观力学行为模拟中的准确性，当前亟需一种直接并可靠的制备、测试水泥石微观劈裂抗拉试样的装置及其配套测试方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的第一目的是提供一种水泥石微观单边劈裂测试装置，该装置能够实现水泥石微观单边劈裂试样的加工、测试流程一体化，操作简便，且环保高效。

本发明的第二目的是基于水泥石微观单边劈裂测试装置提供一种水泥石微观单边劈裂试样的测试方法，能够实现微米级水泥石单边劈裂测试样品的短时、高效制备，且成型质量高，测试结果可靠，从而推动水泥石微观断裂性能的研究及其数值模拟方法的验证。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

第一方面，本发明提供了一种水泥石微观单边劈裂测试装置，包括：