天然石材的靜態(tài)彈性模數(shù)是表征其抵抗彈性變形能力的關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)，直接影響石材在工程結(jié)構(gòu)中的變形控制與穩(wěn)定性設(shè)計。GB/T 9966系列標(biāo)準(zhǔn)對天然石材靜態(tài)彈性模數(shù)測定提出了明確要求，但實際應(yīng)用中需結(jié)合具體儀器設(shè)備優(yōu)化操作流程。TDWS-300型壓力試驗機具備高精度載荷控制與球形支座調(diào)平功能，50mm引伸計（符合“測試長度≥10倍最小粒徑且≥50mm”要求）可實現(xiàn)微小形變的精準(zhǔn)捕捉，二者聯(lián)用可有效提升試驗效率與數(shù)據(jù)精度。本文依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，系統(tǒng)梳理該技術(shù)方案的實施要點。

1試驗原理與方法依據(jù)

1.1核心原理

通過測定天然石材試樣在低壓力（σ?）與高壓力（σ?）兩次單軸加載下的縱向形變（ε?、ε?），利用胡克定律計算靜態(tài)彈性模數(shù)：Eb=fracσ0-σu}ε0-εu}，其中σ為應(yīng)力（載荷/橫截面積），ε為應(yīng)變（變形量/檢測長度）。

1.2方法依據(jù)

基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 9966的本部分（天然石材單軸壓縮靜態(tài)彈性模數(shù)試驗）；

輔助標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 9966.1（壓縮強度試驗）、GB 175（水泥漿修補材料）、GB/T 17670（石材統(tǒng)一編號）。

2儀器設(shè)備與校準(zhǔn)

2.1主要設(shè)備

2.2儀器校準(zhǔn)

TDWS-300壓力試驗機：試驗前需用標(biāo)準(zhǔn)測力儀校準(zhǔn)載荷示值，確保20%~90%量程內(nèi)相對誤差≤±1%；檢查球形支座靈活性，保證試樣均勻受力。

50mm引伸計：使用標(biāo)準(zhǔn)量塊校準(zhǔn)零點漂移，測試前空載狀態(tài)下反復(fù)加載-卸載3次，確認示值穩(wěn)定；粘貼于試樣時需確保引伸計刀口與試樣軸線平行，避免接觸試樣棱角導(dǎo)致測量偏差。

3試樣制備與預(yù)處理

3.1試樣數(shù)量

同一批次樣品至少制備6個試樣（1個預(yù)測試樣+5個正式試樣）。

3.2試樣尺寸

常規(guī)尺寸：50mm×50mm×100mm長方體或Φ50mm×100mm圓柱體（尺寸偏差±1.0mm）。

大顆粒修正：若試樣最大結(jié)晶顆粒粒徑＞5mm，試樣邊長/直徑調(diào)整為“10倍最大顆粒粒徑”，高度為邊長/直徑的2倍（如最大顆粒粒徑=8mm，則試樣尺寸為80mm×80mm×160mm長方體或Φ80mm×160mm圓柱體）。

3.3表面處理

平面度與垂直度：受力面平面度＜0.1mm，與垂直軸偏差＜0.01rad（或每100mm≤1mm）；側(cè)面光滑無突起，直線度偏差≤0.3mm。優(yōu)先采用車床/表面研磨機械加工；僅當(dāng)加工不達標(biāo)時，用GB 175中52.5R水泥漿抹平并硬化，試驗報告中需注明“水泥漿修補”。

各向異性處理：若石材具各向異性，試樣軸向需垂直于各向異性主面；其他方向試驗需另制相同試樣，標(biāo)注各向異性面方向（用兩平行線標(biāo)記）。

3.4試樣處置

干燥：置于(65±5)℃鼓風(fēng)干燥箱干燥48h，取出后放入干燥器冷卻至室溫（避免吸濕影響力學(xué)性能）。

傳感器安裝：5個正式試樣側(cè)面中心（沿軸線方向）各粘貼2個50mm引伸計（對稱布置，減少偏心誤差），預(yù)測試樣僅用于測定破壞壓力。

4試驗步驟詳解

4.1試樣尺寸測定

用游標(biāo)卡尺測量試樣尺寸：

橫截面：長方體測正方形中線邊長（4次測量取平均），圓柱體測相互垂直直徑（2次測量取平均），計算橫截面積A（精確至0.1mm2）。

高度：沿軸線測量試樣高度（精確至0.1mm）。

4.2高低壓力值確定（預(yù)測試樣）

按GB/T 9966.1測定預(yù)測試樣的最大破壞壓力Fmax，計算：

低壓力值：Fu=2%Fmax；

高壓力值：Fo=33%Fmax；

對應(yīng)應(yīng)力：σu=Fu/A，σo=Fo/A（單位：MPa）。

4.3循環(huán)加載與變形測定

4.3.1試樣安裝與系統(tǒng)調(diào)試

將試樣置于TDWS-300試驗機中心，上下托盤與試樣充分接觸（通過球形支座微調(diào)水平）；連接50mm引伸計與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，調(diào)試引伸計零點及采樣頻率（建議10Hz，確保捕捉靜態(tài)變形）。

4.3.2循環(huán)負載流程

加載階段：以(0.5±0.2)MPa/s速率加壓至σo，再以同速率卸載至σu；重復(fù)“加載-卸載”2次（共3次循環(huán)，取第3次數(shù)據(jù)計算，消除初始塑性變形影響）。

變形測定：每次循環(huán)至σu和σo后，需靜置30s（確保變形穩(wěn)定，見圖2中A、B點），記錄引伸計讀數(shù)：

A點（低壓強）：變形量ΔLu，應(yīng)變εu=ΔLu/L（L=50mm為引伸計測試長度）；

B點（高壓強）：變形量ΔLo，應(yīng)變εo=ΔLo/L。

4.3.3破壞壓力驗證

第3次循環(huán)結(jié)束后，按GB/T 9966.1繼續(xù)加載至試樣破壞，記錄最大破壞壓力F'max。若|F'max-Fmax|/Fmax>20%，需在報告中說明“試樣離散性較大，結(jié)果僅供參考”。

5試驗結(jié)果計算與評定

5.1靜態(tài)彈性模數(shù)計算

按公式(1)計算每個試樣的Eb：

Eb=（σ0-σu）/（ε0-εu）

式中：σ0、σu為第3次循環(huán)的應(yīng)力（MPa）；ε0、εu為對應(yīng)應(yīng)變（無量綱）。

5.2結(jié)果評定

取5個正式試樣的Eb算術(shù)平均值作為最終結(jié)果，保留3位有效數(shù)字，單位：MPa。

剔除異常值：若單個試樣Eb與平均值偏差＞15%，需分析原因（如試樣缺陷、傳感器粘貼偏差），必要時補做試驗。

6試驗報告編制要點

試驗報告需包含以下核心信息（依據(jù)GB/T 9966要求）：

1.石材商業(yè)名稱（按GB/T 17670編號）；

2.試樣數(shù)量（6個）、規(guī)格尺寸（含是否修正）、表面處理狀況（如“機械加工”“水泥漿修補”）；

3.實驗室名稱、地址及試驗地點（若非實驗室完成）；

4.負載力軸與各向異性面方向（如“軸向垂直于層理面”）；

5.試驗標(biāo)準(zhǔn)編號（GB/T 9966.12—2021）；

6.每個試樣的σu、σo（MPa），εu、εo，Eb（MPa）；

7.Eb平均值（3位有效數(shù)字，MPa）。

7注意事項與技術(shù)優(yōu)勢

7.1關(guān)鍵注意事項

引伸計粘貼：確保引伸計與試樣軸線平行，粘貼面清潔無油污（可用酒精擦拭），避免接觸試樣邊緣導(dǎo)致“虛假變形”；

加載速率控制：TDWS-300試驗機需嚴格設(shè)定(0.5±0.2)MPa/s速率，過快易導(dǎo)致慣性誤差，過慢可能因蠕變影響變形讀數(shù)；

靜置時間：A、B點靜置30s不可省略，否則變形未穩(wěn)定會導(dǎo)致εu、εo偏大，Eb偏低。

7.2技術(shù)優(yōu)勢

精度保障：TDWS-300球形支座自動調(diào)平，配合50mm引伸計（精度≥0.001mm），可消除試樣偏載與微小形變測量誤差；

效率提升：預(yù)測試樣快速確定高低壓力值，避免盲目加載；循環(huán)加載模式減少試樣準(zhǔn)備數(shù)量（僅需6個）；

適用性廣：通過調(diào)整試樣尺寸（如大顆粒修正），可覆蓋花崗巖、大理石、砂巖等各類天然石材。

結(jié)論

采用TDWS-300型壓力試驗機與50mm引伸計聯(lián)用，嚴格按照GB/T 9966標(biāo)準(zhǔn)要求操作，可準(zhǔn)確測定天然石材靜態(tài)彈性模數(shù)。該技術(shù)通過規(guī)范試樣制備、儀器校準(zhǔn)及加載流程，有效控制了試驗誤差，數(shù)據(jù)重復(fù)性良好，可為石材工程應(yīng)用中的力學(xué)性能評估提供可靠依據(jù)。實際試驗中需重點關(guān)注引伸計安裝精度與加載速率控制，以確保結(jié)果準(zhǔn)確性。

參考文獻

[1]GB/T 9966.12—2021天然石材試驗方法第12部分：單軸壓縮條件下靜態(tài)彈性模數(shù)試驗[S].

[2]GB/T 9966.1—2020天然石材試驗方法第1部分：干燥、水飽和、凍融循環(huán)后壓縮強度試驗[S].

[3]GB 175—2007通用硅酸鹽水泥[S].