直型短切纖維拉拔試驗試樣成型模具及其制件方法與流程

本發(fā)明屬于短纖維增強水泥基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種直型短切纖維拉拔試驗試樣成型模具及其制件方法。

背景技術(shù)：

纖維在水泥基體中的粘結(jié)拔出特性是開發(fā)高性能纖維水泥基復(fù)合材料、發(fā)展纖維水泥基復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)模型以及對纖維合理改性的重要依據(jù)，而單根纖維在基體中的拔出實驗是確定臨界嵌入長度(即超過此長度纖維將以很高的概率從基體拉斷，短于此長度將會有很高的概率發(fā)生拔出破壞)的最直接試驗方法，而發(fā)生纖維拔出破壞情況下的單根纖維拔出實驗結(jié)果則可直接用于確定纖維在基體或復(fù)合材料中的摩擦粘結(jié)強度、化學(xué)粘結(jié)強度和滑移硬化系數(shù)等細(xì)觀力學(xué)參數(shù)。針對短切有機纖維在基體中的拔出實驗，現(xiàn)有的制樣方法有以下突出的問題：1、許多研究者都盡可能使用相應(yīng)的長纖維來制作有關(guān)試樣，但在實際中，更多的研究者根本無法獲得與短切纖維相對應(yīng)的長纖維，并且在使用長纖維的情況下還將面臨以下一些問題：

1)許多纖維，尤其是親水性纖維，典型如聚乙烯醇纖維，即使是在經(jīng)過表面處理情況下其在水泥基基體中的臨界嵌入長度也僅有1mm左右甚至更短，而現(xiàn)有的方法是采取利用長纖維制樣而后使用切割機切出指定厚度(同纖維嵌入長度)，而當(dāng)纖維臨界嵌固長度僅有1mm左右甚至更短時，切割操作將變得非常困難，即使非常熟練和小心仍然很容易損壞試件，并且在切割時很可能導(dǎo)致纖維嵌固端的尾部發(fā)生明顯的變形，進(jìn)而可能導(dǎo)致測試結(jié)果與實際不符。

2)切割出來試件的切割面一旦出現(xiàn)不平整或是傾斜的現(xiàn)象，單根纖維拔出試樣將還需要進(jìn)行磨平處理，而這一處理過程同樣可能損壞或損傷試件，同樣可能導(dǎo)致纖維嵌固端的尾部發(fā)生明顯變形，進(jìn)而導(dǎo)致實驗結(jié)果與實際不符。

3)現(xiàn)有的方法直接將經(jīng)切割和磨平處理后的試件使用膠水直接粘貼于試驗輔具(通常是金屬質(zhì)地)上，纖維的尾部有接觸到膠水的風(fēng)險，一旦纖維尾部接觸到膠水，則將導(dǎo)致拔出實驗結(jié)果不可信。

2、發(fā)現(xiàn)的極少數(shù)的研究者利用了短纖維制作單根纖維拔出試驗試樣，但其未采取合理的手段控制纖維的方向，即該制樣方法纖維在基體中的嵌入方向幾乎不受控制，其對實驗結(jié)果的影響完全不受控制，難以估計。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對以上缺點，立足于解決現(xiàn)有纖維拉拔試驗試樣制作困難，纖維長度不易控制的問題。提出了一種直型短切纖維拉拔試驗試樣成型模具及其制件方法，該模具及制件方法通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可準(zhǔn)確控制纖維在試樣基體中的嵌入長度，同時可以確保纖維不發(fā)生破壞并保持原貌，確保實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

直型短切纖維拉拔試驗試樣成型模具，包括緊固件，其特征是，所述緊固件穿過橫向擋板、模具底板、第一定位柱、第一定位板、第二定位柱和第二定位板將其鎖緊為一體；橫向擋板和縱向擋板安裝在所述模具底板上面圍成試件模腔，蓋板蓋在橫向擋板和縱向擋板上面；所述第一定位板和第二定位板順次安裝在模具底板下方；所述蓋板、模具底板、第一定位板和第二定位板上面均設(shè)有處于同一軸心的多個穿針孔。

優(yōu)先地，所述橫向擋板和/或縱向擋板內(nèi)側(cè)開設(shè)有槽口,槽口與試件模腔鄰接邊緣高度低于其自身對應(yīng)的頂面高度0.5-2mm，其高差宜控制在不超過基體原料中物料最大粒徑的1.5～2倍，通過多次實驗，優(yōu)選1mm，當(dāng)槽口靠近試件模腔低1mm時，在蓋板蓋上之后，多余的制件物料會被壓入槽口內(nèi)，確保試件表面平整。橫向擋板和縱向擋板也可以單獨開設(shè)槽口。另外，槽口的截面形狀可以是弧形、矩形、梯形、倒梯形或倒三角形。

優(yōu)先地，所述第二定位板的穿針孔下方還開設(shè)有螺紋孔，螺絲旋在螺紋孔內(nèi)，采用此種設(shè)計方式，可以精確控制纖維在試件基體中的嵌入長度，滿足不同的實驗需求。

優(yōu)先地，模具底板底面覆有橡膠片，橡膠片采用1mm～2mm厚的橡膠片，橡膠片與試件基體接觸面不需要涂刷脫模劑即可與試件分離，可避免脫模劑對所接觸基體可能產(chǎn)生的不利影響，尤其是避免當(dāng)纖維嵌入長度很短時脫模劑可能對基體產(chǎn)生的不利影響。

在試樣的制作中，纖維和基體可能呈現(xiàn)不同傾角，因此，穿針孔與各板形成的夾角為15-90度，這樣穿針孔可以根據(jù)試驗要求，既可以垂直穿過也可以傾斜穿過布設(shè)在蓋板、模具底板、第一定位板和第二定位板上面。

基于上述裝置，本發(fā)明還提出了一種直型短切纖維拉拔試驗試樣成型模具制件方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)將纖維的一端通過漿糊黏貼在鋼針的尾部，靜置直到漿糊固化使纖維連接固定在鋼針上；

2)將橡膠片利用漿糊平整地黏貼在試模底板上，待漿糊固化后，使用與穿針孔匹配的鋼針將試模穿針孔上方的橡膠片扎穿；

3)調(diào)整好螺絲在螺紋孔內(nèi)旋入高度，以保證尾部固定纖維的鋼針在穿過第二定位板上的穿針孔抵達(dá)螺絲頂部時，纖維尾部留在基體內(nèi)的長度為目標(biāo)長度；

4)將樣料倒入試件模腔內(nèi)，蓋上蓋板將試樣表面壓平，多余的漿料被壓入槽口內(nèi)；

5)開始將步驟1)制成的鋼針帶著纖維順著蓋板上面的穿針孔開始依次下穿，最后鋼針頂部頂在螺絲到達(dá)設(shè)定位置，此時纖維尾部以目標(biāo)長度嵌在試件基體內(nèi)；

6)基于步驟5)，將整個裝置放置24小時以上，使試件固化成型；

7)基于步驟6)，卸下蓋板和定位鋼針，將整個裝置放入水中浸泡10-30分鐘，使鋼針與纖維黏結(jié)的漿糊軟化，兩者分離完成；

8)基于步驟7)，卸下螺絲，使鋼針自動掉落，卸下橡膠片，利用切割機將連排分布的多個試樣切成獨立的單絲纖維拉拔試樣即完成試件制作。

在上述制件方法中，步驟1所述的漿糊為米漿漿糊、淀粉漿糊或面粉漿糊，這三種材料最容易獲得，同時其效果不是永久性的，若用水浸泡，可以使其黏性自動失效，滿足本實驗不破壞纖維的要求。

在上述的制件方法中，鋼針頂部是設(shè)有缺口的，由于纖維的直徑很細(xì)，可以將其通過黏糊黏在鋼針的缺口位置，這樣確保每根纖維在試樣上的撥出長度都相同。在上述的制件方法中，步驟2)所述的將橡膠片使用米漿漿糊、淀粉漿糊或面粉漿糊平整地黏貼在試模底板上，待漿糊固化后進(jìn)行后續(xù)操作。

在上述的制件方法中，步驟2)使用與穿針孔匹配的鋼針預(yù)先將模具底板正上方的橡膠片扎穿，以減小制樣時尾部帶纖維鋼針穿針穿過橡膠片時的阻力，橡膠片本身具備的彈性特征優(yōu)將保證鋼針拔出后基本閉合，從而保證澆筑試件時的集體材料不會透過橡膠片上的穿針孔流失。

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是：本發(fā)明通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可準(zhǔn)確控制纖維在試樣中的拔插長度，同時可以確保纖維不發(fā)生破壞，確保實驗結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性和可靠性。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，制件方便，適宜推廣使用。

附圖說明

現(xiàn)在接下來借助于實施例的附圖來對本發(fā)明進(jìn)行簡短的描述。附圖中：

圖1示出了本發(fā)明直型短切纖維拉拔試驗試樣成型模具的主視圖；

圖2示出了本發(fā)明直型短切纖維拉拔試驗試樣成型模具的側(cè)視圖；

圖3示出了本發(fā)明制件區(qū)域的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4示出了本發(fā)明制件鋼針穿拔試件流程示意圖。

圖中：1、橫向擋板，2、鋼針，3、穿針孔，4.蓋板，5、模具底板，6、第一定位板，7、第二定位板，8、支柱，9、螺紋孔，10、縱向擋板，11、螺絲，12、試件模腔，13、橡膠片，14、緊固件，15、第一定位柱，16、第二定位柱，17、定位鋼絲。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實施例1

利用本發(fā)明制備的模具制作單根玄武巖纖維拔出試樣：目標(biāo)試樣使用直型短切玄武巖纖維，纖維的長度和直徑分別為15mm和9μm，試樣中纖維嵌入到基體中的長度為1mm，穿針孔3垂直穿過蓋板4、模具底板5、第一定位板6和第二定位板7。

如圖所示，直型短切纖維拉拔試驗試樣成型模具，包括緊固件14，緊固件14為螺絲。緊固件14穿過橫向擋板1、模具底板5、第一定位柱15、第一定位板6、第二定位柱16和第二定位板7將其鎖緊為一體形成整個模具。另外，第二定位板7的下方還連接有支柱8，支柱8可以將整個模具撐起，便于試件的制作。橫向擋板1和縱向擋板10安裝在所述模具底板5上面圍成試件模腔12，模具底板5底面覆有橡膠片13。橫向擋板1和縱向擋板10內(nèi)側(cè)開設(shè)有槽口,槽口與試件模腔12鄰接邊緣高度低于其自身對應(yīng)的端面高度0.5mm，本實施例中，槽口的截面形狀為弧形。

蓋板4蓋在橫向擋板1和縱向擋板10上面；所述第一定位板6和第二定位板7順次安裝在模具底板5下方；所述蓋板4、模具底板5、第一定位板6和第二定位板7上面均設(shè)有處于同一軸心的多個穿針孔3。在整個模具的安裝過程中，為了保證各部件的穿針孔3都準(zhǔn)確位于同一軸心，可以通過定位鋼絲17穿在各部件的預(yù)留孔中，進(jìn)行定位，然后在鎖緊緊固件14。

在模具使用中，為了準(zhǔn)確控制纖維在試件上面的拔出長度，滿足不同的實驗要求，我們在第二定位板7的穿針孔3下方還開設(shè)有螺紋孔9，螺絲11旋在螺紋孔9內(nèi)，可以通過螺絲11旋入螺紋孔9內(nèi)的距離來頂住鋼針，從而能準(zhǔn)確控制纖維的撥出長度。

基于上述裝置，所使用的鋼針2為頂部設(shè)有缺口的鋼針，本實施中的制件方法，包括以下步驟：

1)將纖維的一端通過米漿漿糊黏貼在鋼針2的尾部，靜置20分鐘，直到漿糊固化使纖維連接固定在鋼針2上；

2)將橡膠片13利用漿糊平整地黏貼在試模底板上，待漿糊固化后，使用與穿針孔匹配的鋼針將試模穿針孔上方的橡膠片13扎穿；

3)調(diào)整好螺絲在螺紋孔9內(nèi)旋入高度，以保證尾部固定纖維的鋼針在穿過第二定位板7上的穿針孔抵達(dá)螺絲頂部時，纖維尾部留在基體內(nèi)的長度為目標(biāo)長度；

4)將樣料倒入試件模腔12內(nèi)，蓋上蓋板4將試樣表面壓平，多余的漿料被壓入槽口內(nèi)；

5)開始將步驟1)制成的鋼針2帶著纖維順著蓋板4上面的穿針孔開始依次下穿，最后鋼針頂部頂在螺絲11到達(dá)設(shè)定位置，此時纖維尾部以目標(biāo)長度嵌在試件基體內(nèi)；

6)基于步驟5)，將整個裝置放置25小時，使試件固化成型；

7)基于步驟6)，卸下蓋板和定位鋼針，將整個裝置放入水中浸泡10分鐘，使鋼針與纖維黏結(jié)的漿糊軟化，兩者分離完成；

8)基于步驟7)，卸下螺絲11，使鋼針2自動掉落，卸下橡膠片13，利用切割機將連排分布的多個試樣切成獨立的單絲纖維拉拔試樣即完成試件制作。

實施例2

本實施例模具的結(jié)構(gòu)于實施1相同，本實施例是用來制作單根聚乙烯纖維拔出試樣，纖維直徑為25μm，纖維長度為12mm，纖維嵌入到基體中的目標(biāo)長度為2mm，所使用的鋼針2為頂部設(shè)有缺口的鋼針且穿針孔3傾斜45度穿過蓋板4、模具底板5、第一定位板6和第二定位板7，包括以下步驟：

1)將纖維的一端通過面粉漿糊黏貼在鋼針2的尾部，靜置30分鐘，直到漿糊固化使纖維連接固定在鋼針2上；

2)將橡膠片13利用漿糊平整地黏貼在試模底板上，待漿糊固化后，使用與穿針孔匹配的鋼針將試模穿針孔上方的橡膠片13扎穿；

3)調(diào)整好螺絲在螺紋孔9內(nèi)旋入高度，以保證尾部固定纖維的鋼針在穿過第二定位板7上的穿針孔抵達(dá)螺絲頂部時，纖維尾部留在基體內(nèi)的長度為目標(biāo)長度；4)將樣料倒入試件模腔12內(nèi)，蓋上蓋板4將試樣表面壓平，多余的漿料被壓入槽口內(nèi)；

5)開始將步驟1)制成的鋼針2帶著纖維順著蓋板4上面的穿針孔開始依次下穿，最后鋼針頂部頂在螺絲11到達(dá)設(shè)定位置，此時纖維尾部以目標(biāo)長度嵌在試件基體內(nèi)；

6)基于步驟5)，將整個裝置放置25小時，使試件固化成型；

7)基于步驟6)，卸下蓋板和定位鋼針，將整個裝置放入水中浸泡30分鐘，使鋼針與纖維黏結(jié)的漿糊軟化，兩者分離完成；

8)基于步驟7)，卸下螺絲11，使鋼針2自動掉落，卸下橡膠片13，制件完成，沿著與纖維平行的方向，在相鄰兩根纖維中間位置切開即可制得最終單個單根纖維拔出試樣。