技术领域
[0001] 本
发明属于试验设备技术领域，具体涉及一种剪切加载夹具、聚氨酯材料的剪切试验装置和方法。
背景技术
[0002] 材料特性即材料的常用性能，是工程
质量检测与安全评价的重要内容和基本依据，唯有掌握材料的常用性能，才能使材料使用更环保、更贴近实际、更便于施工和达到预期的效果，才能使施工质量和应用目的得到保证，才能更好地为项目建设服务，保证产品品种和材料性能的深化研究，才能生产出大量符合环保、安全和卫生型的新产品。
[0003] 由于受热、机械和化学等因素的影响，高分子材料在应用过程中会产生裂纹，从而影响寿命和
力学性能，材料内部的一些微裂纹损伤宏观难以检测，为了修复裂纹损伤，自修复材料应运而生，采用自修复材料对裂纹等损伤可以稳定的分散在基体中对基体进行修复。
[0004] 可塑性聚氨酯发泡材料是自修复材料的一种，其作为一种修补材料，兼备粘接和密封两大功能，具有粘结性强、操作方便、渗透性强等优点，广泛应用于路面、
桥梁、大坝和
建筑物的修补加固。
[0005] 万能试验机是能进行拉伸、弯曲、压缩以及扭转等多种不同试验的力学试验机，大部分的万能试验机不能做剪切试验。目前的对聚氨酯材料进行拉伸和压缩试验主要是在万能试验机上进行，而进行剪切试验需要购买新的试验机，这样造成了设备的浪费。
[0006] 另外，市面上并没有一种针对聚氨酯发泡材料的剪切试验机，在
现有技术中对聚氨酯材料进行剪切试验是按照对一般材料进行剪切试验的方法来操作的，即：将聚氨酯材料做成3CM厚度的切片状，再进行两侧错位拉伸，形成剪切破坏。但是聚氨酯材料相对于一般的材料过于脆弱，将聚氨酯材料制成切片状的试件并不好制作，而且在进行剪切试验时往往形成的是扭转破坏，因此测得的试验数据并不准确，给试验研究带来了诸多不便。
[0007]
申请号为201821146528.X的
专利文献公开了一种
复合材料剪切试验装置，包括上
压板、下压板和剪切机构，所述下压板包括凹形压板、以及嵌合在凹形压板内的凸形压板，剪切机构放置在凸形压板和上压板之间，剪切机构包括剪切支座、固定
挡板、调节机构和移动挡板，所述固定挡板设置在剪切支座的端部，调节机构穿过固定挡板且其端部固定在移动挡板上，移动挡板位于剪切支座和固定挡板之间，剪切试样装置设置在移动挡板和剪切支座之间。该剪切试验装置中的凹形压板和凸形压板是用于自动调整
载荷至试样试验面的垂直
位置的，与本申请中的试验装置及方法并不相同。
发明内容
[0008] 本发明的主要目的是提供一种剪切加载夹具、聚氨酯材料的剪切试验装置和方法，旨在解决现有的剪切试验装置和方法不适用于聚氨酯材料结构的剪切试验的问题。
[0009] 为实现上述目的，本发明提出一种剪切加载夹具，包括：下
基座和上压头，所述下基座包括底座和顶盖，所述底座的顶端具有一敞口、底端具有第一圆口，所述底座内由上至下形成有第一腔体和第二腔体，所述第一腔体为圆柱形且与所述敞口贯通，所述第二腔体为圆柱形且与所述第一圆口贯通，所述第一腔体的内径大于所述第二腔体的内径，所述顶盖包括圆帽状的盖主体，所述盖主体盖设于所述底座的顶端，所述盖主体的中心设有第二圆口，所述上压头的底端向下形成有突出的圆柱形的凸台，所述凸台的直径、所述第二圆口的内径、所述第一圆口的内径都相同。
[0010] 优选地，所述顶盖的于第二圆口的边缘向下弯折形成有盖内围部。
[0011] 优选地，所述底座的最外围设有外
螺纹，所述顶盖的内壁设有与所述
外螺纹适配的
内螺纹，所述顶盖与所述底座采用
螺纹连接。
[0012] 优选地，所述底座由相对称的两半构成。
[0013] 优选地，所述底座的于所述第一圆口的边缘向外形成有圆环状的支座。
[0014] 优选地，所述上压头的顶部为圆形板状。
[0015] 本发明还提出一种聚氨酯材料的剪切试验装置，包括万能试验机，所述万能试验机包括试验机本体、设于试验机本体上且上下相对设置的试验机压头和试验台，所述试验台上设有上述任一项所述的剪切加载夹具。
[0016] 本发明还提出一种上述聚氨酯材料的剪切试验装置的试验方法，包括以下步骤：
[0017] S1，将聚氨酯材料制成试件，所述试件包括圆柱形的试件主体，试件主体的上端面的中心凹陷形成有圆形的凹槽，试件主体的下端面的中心突出形成有圆柱形的凸起；
[0018] S2，将试件放在所述下基座的底座内，试件主体嵌装于所述第一腔体内，凸起嵌装于所述第二腔体内，试件主体的高度等于所述第一腔体的高度，凹槽的内径等于所述顶盖中间的第二圆口的内径；
[0019] S3，将下基座放在试验台上，并盖上上压头，所述凸台的长度长于所述凹槽的深度，使试验机压头与所述上压头正对；
[0020] S4，启动万能试验机，试验机压头匀速向下移动，试验机压头与上压头抵接后继续下压，当万能试验机测得的压力值突然下降时，说明试件开始出现破坏，记录此时的瞬时压力值P；
[0021] S5，根据公式：
[0022]
[0023] 计算得出瞬时剪切力F剪，其中，h为试件有效试验长度，即试件的凹槽底部至凸起底端的长度，r为凸起的直径，v为万能试验机的加载速率，t为加载时间。
[0024] 优选地，所述第二腔体的深度大于所述试件有效试验长度。
[0025] 优选地，在步骤S4中，当试验机压头刚
接触所述上压头时，控制试验机压头停止向下移动，此时检查试验机压头与上压头的位置是否正对，检查无误后再继续进行试验；
[0026] 在步骤S5之后还包括：
[0027] S6，将试验机压头向上移动，将整个剪切加载夹具取出，取下上压头，打开顶盖，取出被剪切破坏的试件，并清理剪切加载夹具和试验台。
[0028] 与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果：
[0029] 一，本发明所述聚氨酯材料的剪切试验装置由万能试验机和剪切加载夹具构成，并针对聚氨酯材料的性能特点，将聚氨酯材料制成上凹下凸的结构，且上部凹槽的内径与下部的凸起的直径相等，剪切加载夹具采用上压头和下基座组成，下基座由底座和顶盖组装构成，下基座内形成的腔体刚好与试件的形状温和，下基座底部的第一圆口的直径与试件底部的凸起的直径一致，下基座顶部的第二圆口的直径与试件顶部的凹槽的内径一致，由此，在通过万能试验机的试验压头向下压剪切加载夹具时，上压头对试件施加力，使施加产生剪切破坏，由于下基座对试件的试件主体的周围部分既进行了上下方向的
定位，也进行了
水平方向的定位，使得对试件的周围部分的定位更稳固，试件的凹槽和凸起之间的部分在上压头的作用下产生单纯的剪切作用，减少了试件顶部的
应力集中现象，由此测得的剪切力数据更准确。
[0030] 二，本发明所述聚氨酯材料的剪切试验装置基于万能试验机设计而成，结构简单，不用另外购买专
门的剪切试验机，并且，本剪切试验装置在实验时按照万能试验机的使用方法进行即可，操作简便，提高了试验效率，节约了试验经费，适用性和实用性都很强，便于推广使用。
附图说明
[0031] 为了更清楚地说明本发明
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0032] 图1为本发明实施例一提出的剪切加载夹具的结构图；
[0033] 图2为图1提出的剪切加载夹具的剖视结构示意图；
[0034] 图3为图1提出的剪切加载夹具中上压头的结构图；
[0035] 图4为图1提出的剪切加载夹具中下基座的结构图；
[0036] 图5为图1提出的剪切加载夹具中下基座的底座的结构图；
[0037] 图6为图1提出的剪切加载夹具中下基座的顶盖的结构图；
[0038] 图7为图1提出的剪切加载夹具在进行剪切试验时的试验原理图。
[0039] 本发明的附图标号说明：
[0040]标号 名称 标号 名称
1 上压头 3 顶盖
11 凸台 31 盖主体
2 底座 32 第二圆口
21 敞口 33 盖内围部
22 第一圆口 4 试件
23 第一腔体 41 试件主体
24 第二腔体 42 凹槽
25 外螺纹 43 凸起
26 支座
具体实施方式
[0041] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0042] 需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定
姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0043] 另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0044] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0045] 另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为
基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0046] 本发明提出一种剪切加载夹具、聚氨酯材料的剪切试验装置和方法。
[0047] 请参照图1至图7，聚氨酯材料的剪切试验装置包括万能试验机和剪切加载夹具，万能试验机包括试验机本体、设于试验机本体上且上下相对设置的试验机压头和试验台，剪切加载夹具设在试验台上。
[0048] 剪切加载夹具，包括：下基座和上压头1，下基座包括底座2和顶盖3，底座2的顶端具有一敞口21、底端具有第一圆口22，底座内由上至下形成有第一腔体23和第二腔体24，第一腔体23为圆柱形且与敞口21贯通，第二腔体24为圆柱形且与第一圆口22贯通，第一腔体23的内径大于第二腔体24的内径，顶盖3包括圆帽状的盖主体31，盖主体31盖设于底座2的顶端，盖主体31的中心设有第二圆口32，上压头1的底端向下形成有突出的圆柱形的凸台
11，凸台11的直径、第二圆口32的内径、第一圆口22的内径都相同。
[0049] 聚氨酯材料是以异氰酸酯和聚醚多元醇为主要反应材料的双组份聚氨酯发泡材料，具有较高的抗压抗拉特性，是一种有机高分子发泡塑料。针对聚氨酯材料的性能特点，本发明将聚氨酯材料做成了特定形状的试件4，试件4的结构为：包括试件主体41、凹槽42和凸起43，试件主体41为圆柱形，凹槽42设于试件主体41的顶面的中心，是向下凹陷的圆柱形槽，凸起43设于试件主体41的底面的中心，是向下突出的圆柱体。并且，为了使制得的试件能刚好嵌装在剪切加载夹具内，试件主体41的直径等于第一腔体23的直径，试件主体41的高度等于第一腔体23的高度；为了使试件4能在上压头1的作用下产生单纯的剪切破坏，凹槽42的直径与凸起43的直径相等；而为了使上压头1对试件4的下压过程更稳固，凹槽42的直径等于凸台11的直径，凸起43的直径等于第一圆口22的直径。
[0050] 由此，当控制万能试验机使试验机压头向下移动下压时，试验机压头能移动至与上压头1抵接，随后当试验机压头继续下压时，上压头1的凸台11通过第二圆口32、凹槽42的内壁向下压，对试件4施加力，试件4在受力的过程中，凹槽42和凸起43在同一轴线上，且凸起43是嵌装在第二腔体内的，使试件4在上下方向、在水平方向上都被固定，对试件4的稳固效果更好。并且，下基座为上下贯通的中空状，这样能够使得试件4在发生剪切破坏后，破坏的试件部分能从底部迅速排出，使试验的进行更方便，提高了试验效率。
[0051] 剪切是在一对相距很近、大小相同、指向相反的横向外力(即垂直于作用面的力)的作用下，材料的横截面沿该外力作用方向发生的相对错动
变形现象，能够使材料产生剪切变形的力称为剪切力。如果试件是普通的圆柱体状的，那么上压头在下压普通的试件时，应力会集中在上压头的边缘部分。而在本实施方式中，将试件4设计成上凹下凸状，使试件的破坏形式为剪切破坏，有效地防止了应力集中造成结果偏差，提高了试验结果的准确性。
[0052] 不同材料的剪切试验机是不同的，有针对
岩石的、
土壤的、金属的，但现有的剪切试验机要么不是针对聚氨酯材料特性专门设计的，要么结构很复杂造价昂贵。本发明设计了上述专门针对聚氨酯材料的剪切加载夹具，将该剪切加载夹具与万能试验机结合，使得不再需要花大价钱购买专业的剪切试验机，又能专门针对聚氨酯发泡材料进行剪切试验，操作也方便。
[0053] 但不限定地，本剪切试验装置也可以针对其他与聚氨酯材料性能类似的材料进行剪切试验，同样能起到提高试验
精度的作用。
[0054] 进一步地，顶盖3的于第二圆口32的边缘向下弯折形成有盖内围部33。
[0055] 盖内围部33能在上压头1插入时与凸台11的外壁贴合，起到防止上压头1失稳倾斜的作用。
[0056] 进一步地，所述底座2的最外围设有外螺纹25，所述顶盖3的内壁设有与所述外螺纹25适配的内螺纹，所述顶盖3与所述底座2采用螺纹连接。
[0057] 本剪切试验装置中，下基座由底座2和顶盖3组合构成，底座2和顶盖3均采用高强度
钢制成。安装时先将试件4通过敞口21放入第一腔体23和第二腔体24内，再将顶盖3由底座2的顶部向下旋紧将底座2顶部盖住，顶盖3和底座2之间采用螺纹连接即操作方便又连接紧固。
[0058] 进一步地，所述底座2由相对称的两半构成。由此，在试件4发生剪切破坏试验结束后，只要将两半打开即可方便地将试件4取出，起到进一步方便装卸试件的作用。
[0059] 进一步地，所述底座2的于所述第一圆口22的边缘向外形成有圆环状的支座26。剪切加载夹具在放置在万能试验机的试验台上时，支座26起到定位的作用。
[0060] 进一步地，所述上压头1的顶部为圆形板状。由此，上压头1的截面为T型，顶部的原板便于与万能试验机的试验压头接触，更便于受力。
[0061] 进一步地，试件4是采用特制的模具进行注浆制成，在模具内注入的双组份原材料在模具中反应发泡膨胀，即可制成聚氨酯材料结构。在高聚物注浆修复技术领域中，高聚物注浆材料多采用聚氨酯材料，因而本剪切试验装置能推广应用在对聚氨酯材料性能的试验中，为高聚物注浆修复的研究提供了依据。
[0062] 本发明还提出了一种上述聚氨酯材料的剪切试验装置的试验方法，包括以下步骤：
[0063] S1，将聚氨酯材料制成试件4，所述试件4包括圆柱形的试件主体41，试件主体41的上端面的中心凹陷形成有圆形的凹槽42，试件主体41的下端面的中心突出形成有圆柱形的凸起43；
[0064] S2，将试件4放在所述下基座的底座2内，试件主体41嵌装于所述第一腔体23内，凸起43嵌装于所述第二腔体24内，试件主体41的高度等于所述第一腔体23的高度，凹槽42的内径等于所述顶盖3中间的第二圆口32的内径；
[0065] S3，将下基座放在试验台上，并盖上上压头1，所述凸台11的长度长于所述凹槽42的深度，使试验机压头与所述上压头1正对；
[0066] S4，启动万能试验机，试验机压头匀速向下移动，试验机压头与上压头1抵接后继续下压，当试验机压头刚接触所述上压头1时，控制试验机压头停止向下移动，此时检查试验机压头与上压头1的位置是否正对，检查无误后再继续进行试验，当万能试验机测得的压力值突然下降时，说明试件4开始出现破坏，记录此时的瞬时压力值P；
[0067] S5，根据公式：
[0068]
[0069] 计算得出瞬时剪切力F剪，其中，h为试件有效试验长度，即试件4的凹槽42底部至凸起43底端的长度，r为凸起43的直径，v为万能试验机的加载速率，t为加载时间。
[0070] S6，将试验机压头向上移动，将整个剪切加载夹具取出，取下上压头1，打开顶盖3，取出被剪切破坏的试件4，并清理剪切加载夹具和试验台。
[0071] 进一步地，所述第二腔体24的深度大于试件4的试件有效试验长度，便于试件4发生剪切破坏。
[0072] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明
说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
