本发明涉及一种建筑材料低温抗裂性能的测试设备和方法。由环境温度控制箱、冻断试验机，量测控制系统组成，在确定的降温过程中，用高精度位移传感器测量试件上两定点间的距离，同时输入位移测量系统在基准试件上预先测量的基准位移量，经过微机处理，控制试件拉伸机构，将试件拉回原来长度，如此不断测控，使试件始终保持“零位移控制”状态，因而排除了试件夹持系统和测量系统的温度收缩误差和弹性变形误差，从而得到纯温度应力因素作用下试件的“冻断临界温度”。该试验设备配制了三种改装部件，可完成“松弛”，“蠕变”，试验，也可进行“低温拉伸”，“线胀系数测定”试验项目，还可用于水泥砼、高分子复合材料的试验。
1.一种建筑材料的低温抗裂性能测试方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤1：设置一个具有刚性框架的装置，被测试件安放在其中，且在被测试件上的标准长度内设置高精度测量系统；所述的高精度测量系统是指由位移传感器和夹持部件构成的测量系统，其测量精度在微米级；
步骤2：用基准试件标定出测量系统中在降温过程中的位移量基准曲线，作为试验过程的温度补偿；所述的基准试件是由小于被测试件材料两个数量级线胀系数的材料做成；
所述的温度补偿是指基准试件在由温度引起长度变化趋于零的情况下，位移传感器所采集到的数值形成的“基准温度-位移曲线”；
步骤3：与标定基准试件相同环境和相同降温过程，由所述高精度测量系统不断测量被测试件两点间长度的变量；
步骤4：将上述测得的试件两点间长度变量输入微机控制系统，经运算发出指令控制伺服拉伸机构，不断将被测试件拉回到原始长度，及时消除试验系统中位移传感器和其夹持部件本身受温度作用在降温过程中产生的误差，保证被测试件在真正原始长度不变条件下，温度应力不断增大直至断裂时测得的临界温度，此临界温度即为低温开裂温度，并得到温度-应力过程曲线。
2.一种实现权利要求1所述测试方法的低温抗裂性能试验设备，其特征在于：由环境温度控制箱、冻断试验机，量测控制系统组成；冻断试验机置于环境温度控制箱(15)内；所述冻断试验机包括传动箱(12)，传动箱(12)上立有刚性框架(1)，框架(1)上端有可在框架(1)内侧导轨(3)上滑动的上夹头(4)，上夹头(4)与力传感器(2)和顶部调整丝杆连成一体，框架(1)下端有可在框架(1)内侧导轨(3)上滑动的下夹头(8)，所述下夹头(8)与拉伸机构的丝杠(11)连成一体；拉伸机构螺旋副的螺母与传动箱(12)最后一级齿轮为一体，传动箱(12)上部框架(1)的两侧还设置有第一伺服减速电机(10)和第二伺服减速电机(9)，第一伺服减速电机(10)和第二伺服减速电机(9)分别经过换档齿轮(14)与传动箱(12)内的齿轮啮合；量测控制系统包括成对固定在试件(7)两侧的高精度的位移传感器(5)及位移传感器夹具(6)；温度传感器(18)、力传感器(2)、位移传感器(5)的信号均输入微机控制系统(16)，并由微机控制系统(16)控制环境温度控制箱(15)和伺服电机控制电源(17)，经过相应程序的数值运算输出信号并控制降温过程和“零位移控制”。
3.根据权利要求2所述的低温抗裂性能试验设备，其特征在于：第一伺服减速电机(10)的减速比为800--2000，用于满足冻断试验过程“零位移控制”的慢速拉伸要求；第二伺服减速电机(9)的减速比为40--100，用于调整初始位置。
4.根据权利要求2所述的低温抗裂性能试验设备，其特征在于：位移传感器(5)及位移传感器夹具(6)采用小线胀系数材料石英或铟钢制成。
建筑材料的低温抗裂性能测试方法及其设备
技术领域
[0001] 本发明属于建筑材料测试技术领域，涉及一种建筑材料的低温抗裂性能测试方法，特别涉及一种沥青材料的低温抗裂性能测试方法，本发明还涉及实现该测试方法的设备。
背景技术
[0002] 在建筑材料技术领域中，高分子复合材料、水泥砼材料、沥青砼面板、沥青路面的低温开裂是建筑物常见的破坏形式。在本发明之前，由于缺乏正确测定材料低温开裂温度的方法和相应设备，一般都采用低温延度试验、低温拉伸试验等间接推理方法来替代，这些方法大部分为非直接测定冻断温度法，只能定性地比较材料的低温抗裂性能，因而不能正确判断所选用的材料能否在最低气温条件下不裂。往往由于这种盲目性而影响到修建水利水电工程时沥青砼面板方案的选用，也往往由于这种盲目性造成一些北方沥青路面发生低温裂缝。冻断测试方法和相应设备设计的难点在于，试件降温过程和夹持试件的试验设备，即使有很大的刚度，其刚架和联接件也不可避免地随着温度下降而收缩，并随温度应力的增大其弹性变形而增大，特别是联接部分的弹性变形，这两项变形对于测定试件的低温收缩开裂的冻断温度来讲，是绝对不可忽略的误差。在研制冻断试验设备的过程中，已有过许多失败的教训。国外有采用铟钢框架的冻断试验机，由于它无法消除弹性变形尤其是联接件的弹性变形引起的误差，在理论上也只是近似值，所以其试验结果只能是近似且误差范围难于估算。国内也有采用贵重的小线胀系数材料做成刚性框架来进行冻断试验，其效果不甚满意。
发明内容
[0003] 针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，改变采用低温延度试验、拉伸试验等间接推理估计方法只能定性不能定量的明显缺陷，提供一种可以准确测定低温抗裂性能温度，得到正确的温度-应力曲线和准确地低温开裂温度，消除夹持试件框架的温度变形和弹性变形的低温抗裂性能的测试方法，并提供实施该方法的专用低温抗裂性能测试设备。
[0004] 为了达到准确测试建筑材料，如高分子复合材料、水泥砼材料，尤其是沥青材料的低温开裂温度目的，本发明提供一种建筑材料低温抗裂性能测试方法，具体包括以下步骤：
[0005] 步骤1：设置一个具有刚性框架的装置，被测试件安放在其中，且在被测试件上的标准长度内设置高精度测量系统；所述的高精度测量系统是指由位移传感器和夹持部件构成的测量系统，其测量精度在微米级；
[0006] 步骤2：用基准试件标定出测量系统中在降温过程中的位移量基准曲线，作为试验过程的温度补偿；所述的基准试件是由小于被测试件材料两个数量级线胀系数的材料做成；所述的温度补偿是指基准试件在由温度引起长度变化趋于零的情况下，位移传感器所采集到的数值形成的“基准温度-位移曲线”；
[0007] 步骤3：与标定基准试件相同环境和相同降温过程，由所述高精度测量系统不断测量被测试件两点间长度的变量；
[0008] 步骤4：将上述测得的试件两点间长度变量输入微机控制系统，经运算发出指令控制伺服拉伸机构，不断将被测试件拉回到原始长度，及时消除试验系统中位移传感器和其夹持部件本身受温度作用在降温过程中产生的误差，保证被测试件在真正原始长度不变条件下，温度应力不断增大直至断裂时测得的临界温度，此临界温度即为低温开裂温度，并得到温度-应力过程曲线。
[0009] 实现上述建筑材料的低温抗裂性能测试方法的测试设备，由环境温度控制箱、冻断试验机，量测控制系统组成；冻断试验机置于环境温度控制箱内；所述冻断试验机包括传动箱，传动箱上立有刚性框架，框架上端有可在框架内侧导轨上滑动的上夹头，上夹头与力传感器和顶部调整丝杆连成一体，框架下端有可在框架内侧导轨上滑动的下夹头，所述下夹头与拉伸机构的丝杠连成一体；拉伸机构螺旋副的螺母与传动箱最后一级齿轮为一体，传动箱上部框架的两侧还设置有第一伺服减速电机和第二伺服减速电机，第一伺服减速电机和第二伺服减速电机分别经过换档齿轮与传动箱内的齿轮啮合；量测控制系统包括成对固定在试件两侧的高精度的位移传感器及位移传感器夹具；温度传感器、力传感器、位移传感器的信号均输入微机控制系统，并由微机控制系统控制环境温度控制箱和伺服电机控制电源，经过相应程序的数值运算输出信号并控制降温过程和“零位移控制”。
[0010] 本发明的特点还在于：
[0011] 第一伺服减速电机的减速比为800-2000，用于满足冻断试验过程“零位移控制”的慢速拉伸要求；第二伺服减速电机的减速比为40-100，用于调整初始位置。
[0012] 位移传感器及位移传感器夹具采用小线胀系数材料石英或铟钢制成。
[0013] 本发明测试设备配有的可改装成沥青材料低温性能试验的松弛试验部件、蠕变试验部件和相应配套的测控软件，共用环境温度控制系统和微机测控系统来完成多种功能的试验。
[0014] 本发明低温抗裂性能测试设备中冻断试验机是一种经过率定的，在特定条件下使用的采用较小线胀系数材料制作框架，用较大线胀系数材料做成压柱固定在框架内，组成温度收缩可以相互抵消的结构，在特定的试件材料，特定的试件尺寸，确定的温度过程下与上述低温抗裂性能测试设备进行对比率定测试，在系统的试验分析的基础上，选定结构参数，使其在此特定条件下具有“零位移控制”的等效功能，可以采用较小的环境箱，简化的量测系统和无动力框架，因为造价低可作为工程试验室检测仪器。
[0015] 本发明与已有技术相比较有如下优点：
[0016] 1.本发明试验设备与试验方法，“零位移控制”技术，排除了试验系统(框架、联接、和测量系统)因温度收缩和弹性变形引起的误差，可以直接测定建筑材料的冻断温度，为判断沥青面板坝低温抗裂性能，提供了科学的试验手段。而已有技术采用低温拉伸试验，低温延伸度测定的办法，只能作定性的比较。采用铟钢刚架的冻断试验机，只能得到近似的成果，且误差难于估算。
[0017] 2.本发明采用的设备，能适应恶劣的低温环境箱的条件，“零位移控制”精度达到微米级，控制系统伺服电机可无级调速，其减速比达到7000以上，采用了“石英基准”测定补偿技术，实现了微机测控，自动控制降温过程和“零位移控制”。
[0018] 3.本发明一机多用，除主要功能“冻断试验”外，只要配以相应的配件，还可完成低温拉伸、弯曲、压缩、松弛、蠕变、线胀系数测定等多功能试验。
[0019] 4.本发明除了供研究工作用冻断试验设备外，还提供了派生的复合材料全补偿型冻断试验框架。经过率定可用作工程检测仪器。
附图说明
[0020] 图1：本发明建筑材料低温抗裂性能测试设备的结构示意图。
具体实施方式
[0021] 现结合附图对本发明测试方法及设备的具体实施方式作进一步说明。
[0022] 参见图1：在环境温度控制箱15内，方柱形试件6被固定在冻断试验机刚性框架1内两端的上夹头4和下夹头8上，一端有调整消除间隙的丝杠和力传感器2，另一端为由第一伺服减速电机10经特大减速比传动系统拖动的拉伸机构，拉伸速度无级可调。试件6两侧固定有高精度(分辩率＜0.001mm，线性度＜0.002mm的一对位移传感器5和用小线胀系数材料制作的传感器夹具7。这套传感器系统使用前需在“基准试件”上测定降温过程的“温度-位移曲线”，称它为位移量测系统的“基准曲线”，“基准曲线”固化为专用软件供微机使用。“基准试件”采用(石英或铟钢)线胀系数小于百分之一被测材料的材料制作。冻断试验机包括传动箱12，刚性框架1固定在传动箱12上部，试件6的上夹头4与力传感器
2和调整丝杠做成一体，下夹头8均可在框架内侧的导轨3上滑动，下夹头8与拉伸机构的丝杆11连成一体，传动箱12上，框架1的两侧，安装有第一伺服减速电机10和第二伺服减速电机9，两台伺服减速电机分别经换档齿轮14与传动箱12内的齿轮对接。其中第一伺服减速电机10的减速比很大，可以满足冻断试验“零位移控制”的低速要求，可选择为800～
2000，第二伺服减速电机9则采用较小的减速比，用来调整初始位置，可选择为40～100，换档通过两个安装在同一摇杆13上的换档齿轮14的啮合和分离完成的，换档齿轮14之间互锁。温度传感器18、力传感器2、位移传感器5的信号均输入微机控制系统16，并由微机控制系统16控制环境温度控制箱15和伺服电机控制电源17，经过相应程序的数值运算输出信号并控制降温过程和“零位移控制”。
[0023] 为了提高试验设备利用率，充分发掘环境温度控制箱和微机测控系统这些昂贵设备的潜力，开发成沥青材料多功能低温试验设备，在共用前述设备的前提下，设置了多功能试验项目的3种可换部件，它们是：
[0024] 1.松弛试验加荷机构。采用齿轮齿条式气缸，通过螺旋传动，在被测试件上快速加上一个拉伸应变，保持应变并测定时间一应力过程线。在微机测控系统内设置松弛试验专用的采集软件，控制气动系统，采集应力、应变、温度、时间参数。
[0025] 2.拉伸蠕变试验的杠杆砝码加荷系统，设有杠杆复位自动控制(磁控开关，或光电开关)系统，控制拉伸机构使杠杆保持在水平位置，在微机测控系统设置蠕变试验专用软件，采集应力、应变温度、时间参数。
[0026] 本发明的测试方法及测试设备的工作过程如下：
[0027] 1.试件准备，将被测材料加热到150℃±10℃，用击实法在试模中成型为板形试块，冷却后用切割机切成40×40×220的六方体试件6，试件6两端用强力胶与上夹头4和下夹头8粘接；
[0028] 2.实测试件尺寸，密度，编号。在试件6相对两侧面粘接固定位移传感器5及位移传感器夹具6，调整好位移传感器5的初读数；
[0029] 3.将试件6装入环境温度控制箱15内冻断试验机的刚性框架1上，调节第二伺服减速电机9，调整好初应力；
[0030] 4.关好环境温度控制箱15，启动微机控制系统16，调出冻断试验测控程序按设定的降温速度和“零位移控制”进行试验，监测应力、温度、和零位移控制的误差值，直到逐渐增大的应力突然减小到0，试验完成，打印应力-温度曲线。
