多功能建筑材料抗折強(qiáng)度試驗(yàn)裝置的研制與應(yīng)用

李偉彬 楊曉明 潘文毅 段瑞斌

（1 廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司；2 廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司）

0 引言

抗折強(qiáng)度又稱抗彎強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、斷裂荷載等，反映了建筑材料單位面積承受彎矩時(shí)的極限折斷應(yīng)力，是一項(xiàng)重要的力學(xué)性能指標(biāo)。常用建筑材料，如混凝土、路緣石，花崗石、大理石、砂巖、石灰石等石材，蒸壓粉煤灰磚、混凝土路面磚、路面板，紙面石膏板、裝飾石膏板、硅酸鈣板、纖維水泥板等建筑板材，幕墻用陶板、石膏砌塊、泡沫玻璃等均有抗折強(qiáng)度的性能要求。

由于建筑材料力學(xué)性能要求、規(guī)格尺寸各異，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)方法也不盡相同。比如石材抗折強(qiáng)度試驗(yàn)要求為[1]：四點(diǎn)加荷，下支座跨距L=10×樣品厚度，上支座跨距L/2；砌墻磚抗折強(qiáng)度試驗(yàn)要求為[5]：三點(diǎn)加荷，下支輥應(yīng)有一個(gè)為鉸接固定。如果按照各種材料的試驗(yàn)方法、尺寸規(guī)格，配備相應(yīng)儀器設(shè)備，儀器數(shù)量會(huì)非常龐大。目前市面上的建筑材料抗折夾具，普遍存在量程小、功能單一、跨距調(diào)整不便等問題，見圖1。如考慮覆蓋常規(guī)建筑材料的檢測需求，要配備多種夾具，如此一來，在不同材料抗折強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，需要更換不同的抗折夾具，浪費(fèi)寶貴時(shí)間，并且購置費(fèi)用也是一筆不小的開支。另外，夾具眾多占用了實(shí)驗(yàn)室場地，不便于儀器管理。

有必要研發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、耐用性好、操作簡便、可提高試驗(yàn)效率、能夠滿足多種常用建筑材料試驗(yàn)要求的多功能抗折強(qiáng)度試驗(yàn)裝置，可實(shí)現(xiàn)不同種類、不同規(guī)格尺寸的樣品集中在一臺(tái)設(shè)備上進(jìn)行試驗(yàn)。

1 自主研制的多功能抗折強(qiáng)度試驗(yàn)裝置

針對(duì)抗折強(qiáng)度試驗(yàn)存在的問題與不足，項(xiàng)目組進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)，研制出一種多功能抗折試驗(yàn)裝置，可大幅度提高試驗(yàn)效率、能夠滿足多種常用建筑材料試驗(yàn)要求，可實(shí)現(xiàn)不同種類、不同規(guī)格尺寸的樣品集中在一臺(tái)儀器上進(jìn)行試驗(yàn)。

1.1 主要思路

建筑材料品種繁多，不同建筑材料力學(xué)性能要求、規(guī)格尺寸各異，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)方法也不盡相同。

例如花崗巖、大理石、石灰石等石材，彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)方法按照GB/T 9966.2-2020《天然石材試驗(yàn)方法 第2部分：干燥、水飽和、凍融循環(huán)后彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)》進(jìn)行，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[1]：加載方式為四點(diǎn)加荷，樣品長度為10×樣品厚度+50mm，寬度100mm，下支座跨距L=10×樣品厚度，上支座跨距L/2，上壓輥、下支撐輥直徑25mm，下支座的兩端距離試件端面為25mm。

例如混凝土路面磚，抗折強(qiáng)度按照GB/T 28635-2012《混凝土路面磚》進(jìn)行，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[2]：加載方式三點(diǎn)加荷，兩個(gè)支承棒和加壓棒的的直徑為25mm～40mm，其中一個(gè)支承棒應(yīng)能滾動(dòng)并可自由調(diào)整水平，下支座跨距L=樣品公稱長度-50mm，下支座的兩端距離試件端面為25mm。

例如纖維水泥板、硅酸鈣板，抗折強(qiáng)度按照GB/T 7019-2014《纖維水泥制品試驗(yàn)方法》進(jìn)行，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[3]：樣品尺寸為250mm×250mm，加載方式三點(diǎn)加荷，上下壓輥長度應(yīng)大于260mm，

例如紙面石膏板，斷裂荷載試驗(yàn)按照GB/T 9775-2008《紙面石膏板》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[4]：加載方式三點(diǎn)加荷，樣品尺寸為400×300mm，下支座跨距L=350mm，下支座的兩端距離試件端面為25mm。

例如砌墻磚抗折強(qiáng)度試驗(yàn)按照GB/T 2542-2012《砌墻磚試驗(yàn)方法》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[5]：加載方式為三點(diǎn)加荷，其上壓輥和下支輥的曲率半徑為15mm 且下支輥應(yīng)有一個(gè)為鉸接固定。

如何將實(shí)現(xiàn)不同種類、不同規(guī)格尺寸的樣品集中在一臺(tái)儀器上進(jìn)行試驗(yàn)，是個(gè)重點(diǎn)考量的問題，也是個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

其次，各材料抗折試驗(yàn)力值差異較大，比如紙面石膏板斷裂荷載破壞力值只有幾百N，石材彎曲強(qiáng)度破壞力值則為幾kN，此需在加載設(shè)備上配置多個(gè)力值傳感器，比如1kN、5kN、10kN。試驗(yàn)時(shí)根據(jù)不同的材料，切換即可。

1.2 試驗(yàn)裝置的構(gòu)造

該裝置包括：承載系統(tǒng)，加載系統(tǒng)、支輥系統(tǒng)（固定式或鉸接式）、壓輥系統(tǒng)（一般為鉸接式）,見圖2～圖5。

圖2 試驗(yàn)裝置（四點(diǎn)抗折示意圖）

圖3 試驗(yàn)裝置（三點(diǎn)抗折示意圖）

圖4 不同規(guī)格的壓/支輥

圖5 壓/支輥背面帶有卡位

承載系統(tǒng)包括：底座、標(biāo)尺、滑槽、固定螺母、連接柱、銷子；整個(gè)系統(tǒng)通過連接柱與萬能試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)連接，通過銷子插入插銷孔固定。

加載系統(tǒng)包括：底座、標(biāo)尺、滑槽、固定螺母、連接柱、銷子；與加載系統(tǒng)基本相同。整個(gè)系統(tǒng)通過連接柱與萬能試驗(yàn)機(jī)上橫梁連接，通過銷子插入插銷孔固定。

固定式支輥系統(tǒng)：主要由固定支座、標(biāo)距卡位、擰緊螺母、螺桿及銷片、安裝槽、支輥組成。

鉸接式壓/支輥系統(tǒng)：主要由塊狀的鉸接支座、標(biāo)距卡位、擰緊螺母、螺桿及銷片、安裝槽、壓/支輥組成。壓/支輥系統(tǒng)通過銷片用擰緊螺母卡緊在滑槽上。

2 試驗(yàn)裝置的應(yīng)用

2.1 主要試驗(yàn)步驟

⑴根據(jù)試驗(yàn)材料的標(biāo)準(zhǔn)要求，選擇三點(diǎn)加荷、四點(diǎn)加荷；選擇固定式、鉸接式下承荷系統(tǒng)；根據(jù)材料的規(guī)格尺寸，選擇壓輥直徑、長度；計(jì)算跨距，估算所需要的荷載，選擇萬能試驗(yàn)機(jī)的相應(yīng)力值傳感器。

⑵組合安裝好加載系統(tǒng)和壓輥系統(tǒng)，之后安裝在萬能試驗(yàn)機(jī)橫梁下方，用銷子固定。

⑶組合安裝好承載系統(tǒng)和支輥系統(tǒng)，之后安裝在萬能試驗(yàn)機(jī)平臺(tái)上，用銷子固定。

⑷根據(jù)試驗(yàn)要求調(diào)整跨距，注意零點(diǎn)對(duì)稱。

⑸在電腦上打開試驗(yàn)軟件，編輯試驗(yàn)加載方案；打開萬能試驗(yàn)機(jī)電源，試驗(yàn)軟件力值清零；開始加載，至樣品斷裂破壞，記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算抗折強(qiáng)度

2.2 實(shí)施效果

2.2.1數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性

以常用建筑材料中的石材彎曲強(qiáng)度，板材抗折強(qiáng)度、混凝土路面磚抗折強(qiáng)度為例，進(jìn)行傳統(tǒng)夾具、多功能試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果分別見表1～表3，由此可見數(shù)據(jù)基本相當(dāng)，說明多功能試驗(yàn)裝置數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

表1 多功能試驗(yàn)裝置與傳統(tǒng)夾具性能比較——花崗石彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)

表2 多功能試驗(yàn)裝置與傳統(tǒng)夾具性能比較——硅酸鈣板抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

表3 多功能試驗(yàn)裝置與傳統(tǒng)夾具性能比較——混凝土路面磚抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

2.2.2試驗(yàn)效率

試驗(yàn)效率高，多功能試驗(yàn)裝置基本覆蓋了常用建筑材料的抗折需求，免去了夾具更換等中間環(huán)節(jié)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了時(shí)間，工作效率得到明顯提高。

3 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

多功能試驗(yàn)裝置滿足試驗(yàn)樣品的規(guī)格尺寸要求，壓輥裝置或者支輥裝置的拆卸和更換十分簡單方便，適用于不同種類樣品抗折強(qiáng)度試驗(yàn)需求，能夠?qū)崿F(xiàn)不同種類、不同規(guī)格尺寸的樣品集中在一臺(tái)儀器上進(jìn)行試驗(yàn)，與傳統(tǒng)抗折夾具相比，該多功能試驗(yàn)裝置的主要技術(shù)優(yōu)勢，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

⑴創(chuàng)造性地在底座兩邊設(shè)計(jì)了V 形滑槽，改變了傳統(tǒng)抗折夾具的結(jié)構(gòu)，可調(diào)整任意大小的跨距，簡便快捷。傳統(tǒng)夾具多采用在底座中間開槽或者開孔的方式，跨距調(diào)整非常不便，尤其是中間開孔，只能調(diào)整固定大小的幾個(gè)跨距。較大程度上滿足目前材料發(fā)展日新月異的需求。

⑵支座系統(tǒng)的拆卸、更換簡單。該技術(shù)效果在不同種類樣品的抗折試驗(yàn)切換中尤為明顯。比如石材與磚或者板材，試驗(yàn)切換，只需將上部支座系統(tǒng)卸掉一個(gè)即可。

⑶支輥更換簡單、快捷，目前設(shè)計(jì)有長度120mm、400mm、500mm 的支輥。可根據(jù)所試驗(yàn)樣品的規(guī)格尺寸拆卸和更換。

⑷大量程，下跨距達(dá)900mm，上跨距可達(dá)300mm，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)夾具的量程范圍。

⑸工作效率高，基本覆蓋了常用建筑材料的抗折需求，免去了夾具更換等中間環(huán)節(jié)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了時(shí)間，工作效率得到明顯提高。

⑹適用范圍廣，節(jié)約了試驗(yàn)場地、方便了儀器管理、也節(jié)約了固定資產(chǎn)開支。

4 適用范圍

該試驗(yàn)裝置功能較強(qiáng)大，滿足以下標(biāo)準(zhǔn)。

GB/T 18601-2009 天然花崗石建筑板材，GB/T 19766-2016 天然大理石建筑板材，GB/T 23452-2009天然砂巖建筑板材，GB/T 23453-2009 天然石灰石建筑板材，GB/T 9966.2-2020 天然石材試驗(yàn)方法 第2 部分：干燥、水飽和、凍融循環(huán)后彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)，JC/T 239-2014 蒸壓粉煤灰磚，GB/T 2542-2012 砌墻磚試驗(yàn)方法，GB/T 28635-2012 混凝土路面磚，GB/T 9775-2008紙面石膏板，JC/T 799-2007 裝飾石膏板，JC/T 564.1-2018 無石棉硅酸鈣板，JC/T 564.1-2018 無石棉纖維水泥平板，JC/T 564.2-2018 溫石棉纖維水泥平板，JG/T 324-2011 建筑幕墻用陶板，JC/T 698-2010 石膏砌塊，JC/T 647-2014 泡沫玻璃絕熱制品。GB/T 7019-2014《纖維水泥制品試驗(yàn)方法》。

部分材料的試驗(yàn)過程如圖6～圖11。

圖6 常規(guī)尺寸（300mm×100mm×25 mm）石材抗折試驗(yàn)

圖7 大尺寸（600×100×50 mm）石材抗折試驗(yàn)

圖8 石膏板（400×300×12mm）抗折試驗(yàn)

圖9 砌墻磚（240×115×53mm）抗折試驗(yàn)

圖10 路面磚（300×300×60mm）抗折試驗(yàn)

5 結(jié)論

抗折強(qiáng)度是建筑材料的重要性能指標(biāo)，其合格與否對(duì)該材料乃至整個(gè)工程都有重要影響。本文針對(duì)看著抗折試驗(yàn)中存在的問題與不足，研制了一種多功能抗折強(qiáng)度試驗(yàn)裝置。能夠滿足不同種類、不同規(guī)格尺寸的建筑材料樣品抗折強(qiáng)度試驗(yàn)檢測需要，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、試驗(yàn)效率高。對(duì)建筑材料的質(zhì)量檢測、驗(yàn)收、設(shè)施維護(hù)等提供有益參考，對(duì)保障工程質(zhì)量、人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有良好的社會(huì)效益。