CN105043865A - 双场耦合下的混凝土损伤断裂性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双场耦合下的混凝土损伤断裂性能测试方法，属于物理测试方法技术领域。该方法包括以下步骤：1）设置环境箱、荷载架、试验梁、预加荷载装置、声发射检测仪、应变测量装置和荷载量测装置；2）预加荷载装置向三点弯曲梁试验梁施加并保持预加荷载，同时向环境箱内加设环境模拟溶液；3）试验梁经过荷载与化学场耦合作用，压力机通过施力座向三点弯曲梁试验梁施加测试载荷F；4）通过声发射速率测算出混凝土结构的耦合作用损伤程度；5）结合初始损伤建立新的起裂韧度和失稳韧度。该方法提供了对实际工程的环境与荷载作用下的混凝土结构的初始损伤的评价与判定，对带有初始损伤的混凝土结构断裂性能以及寿命预测具有指导意义。

Description

双场耦合下的混凝土损伤断裂性能测试方法

技术领域

本发明涉及一种混凝土损伤断裂性能测试方法，属于物理测量技术领域。

背景技术

目前研究混凝土断裂性能的主要方法之一是测试带切口的三点弯曲梁，测试带切口的三点弯曲梁也是得到混凝土断裂参数(主要包括韧度、断裂能等)的主流测试方法。

行业内已有标准的行业规程DL/T5332-2005《水工混凝土断裂试验规程》，在此基础之上，对标准尺寸、非标准尺寸、带钢筋的三点弯曲梁已有大量的实验研究，都到了相应的理论以及经验公式。该行业规程的方法只需测得裂缝口张开位移、荷载即可计算得到断裂参数。实验过程操作简便，实验结果得到了行业的一致认可。

但是，申请人发现，现有的行业规程DL/T5332-2005《水工混凝土断裂试验规程》中提出的带切口的三点弯曲梁并不能贴切的反映实际工程中的损伤裂缝问题,测试的方法不够全面。具体如下：

1.实际工程中的混凝土裂缝经常会处于较为恶劣的环境之中，如酸雨、海水浸泡等，会影响混凝土材料的性能，材料的强度会降低，混凝土会受到侵蚀等损伤破坏，其断裂性能也势必会受到影响。《水工混凝土断裂试验规程》中规定的三点弯曲梁法只是在良好的实验室条件下混凝土梁的断裂性能，其测试结果不能反映实际的工程问题。

2.实际工程中混凝土结构在长期的使用过程中，如何对混凝土结构产生的损伤进行准确判断，以用于判断混凝土结构的使用价值以及其的初始损伤程度与断裂性能目前尚待进一步的研究，可以对进一步预测混凝土结构的寿命具有指导意义。

3.实际工程中的结构裂缝的尖端是一直处于荷载作用之下，持续的荷载会产生微裂纹，尤其是在裂缝尖端处，持续的荷载的作用会出现较大混凝土塑性区，其断裂性能将会降低。《水工混凝土断裂试验规程》中的混凝土断裂性能都是出于对混凝土基本性能的考虑，未考虑荷载的等作用下的实际情况。

4.实际工程中的混凝土出现裂缝的频率很高，且实际工程中的结构往往是处于多种荷载以及环境条件耦合作用下混凝土断裂性能。《水工混凝土断裂试验规程》中并没有提供出复杂环境与荷载耦合作用下的断裂测试性能装置。

综上所述，对环境条件与荷载两者耦合条件下带有损伤的混凝土试件断裂参数进行准确测试计算具有重大意义和应用价值。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是，针对现有技术不足，提出一种在对实际工程的环境条件与荷载进行模拟后的混凝土结构产生的损伤进行准确判断的混凝土损伤断裂性能测试方法。

本发明要解决的第二个技术问题是，在解决第一个技术问题的基础上，针对现有技术不足，提出一种实际工程的环境条件与荷载进行模拟的双场耦合下的混凝土损伤断裂性能测试方法。

本发明为解决上述第一个技术问题提出的技术方案是：

一种双场耦合下的混凝土损伤断裂性能测试方法，包括以下步骤：

1)在基座上放置有顶面开口的环境箱，所述环境箱内设有上下相对的上、下传力板，所述上、下传力板之间设有三点弯曲梁试验梁和预加荷载装置，所述下传力板设于所述环境箱的底面上，所述下传力板和三点弯曲梁试验梁之间设有两个支撑座，所述上传力板和三点弯曲梁试验梁之间设有一个施力座，每个支撑座到其相邻三点弯曲梁试验梁的一端的距离是10cm，所述施力座位于三点弯曲梁试验梁的顶面中点处；所述三点弯曲梁试验梁上设有应变测量装置，所述上传力板上设有位于三点弯曲梁试验梁的顶面中点处的荷载量测装置；

2)所述预加荷载装置通过施力座向所述三点弯曲梁试验梁施加并保持预加荷载F_Y，同时向所述环境箱内加设有用于加速腐蚀三点弯曲梁试验梁到设定腐蚀度的环境模拟溶液；

3)三点弯曲梁试验梁经过腐蚀耦合作用后，压力机通过施力座向所述三点弯曲梁试验梁施加测试载荷F，通过荷载量测装置测出施加的最大测试荷载F_max，通过应变测量装置测出起裂荷载F_Q，所述三点弯曲梁试验梁上设有声发射检测仪；；

4)所述声发射检测仪接收三点弯曲梁试验梁的声发射信号并通过无损伤的三点弯曲试验梁测试推算出该批次的混凝土结构的声发射参数a，b，c，拟合耦合作用后的三点弯曲梁试验梁的应力应变测试曲线σ-ε，测算出三点弯曲梁试验梁的初始损伤D₀：

σ＝εE^*(1-D)＝εE^*[1-D₀-kcσ^aexp(bσ)]

式中，E^*为三点弯曲梁试验梁没有损伤时的弹性模量,k为实验参数。

根据损伤力学原理，材料的损伤可用损伤因子D来表示：

D＝1-E/E^*(1)

式中,E^*为材料没有损伤时的弹性模量,E为材料在任意损伤状态下的弹性模量。

应力状态下材料的损伤模型为：

σ＝εE(1-D)(2)

式中,σ表示材料应力，ε表示材料的应变。

通过对混凝土材料声发射机理的分析，得出混凝土材料损伤的声发射模式，即混凝土材料的损伤程度与声发射事件数成正比：

D(i)＝kN(i)＝kcσ^aexp(bσ)(3)

式中,D(i)是第i阶段的材料损伤情况，k是与试验条件有关的常数；N(i)是一种材料达到其形变状态所产生的振铃脉冲总数；a、b、c是声发射参数，由实验测试计算确定。

混凝土受酸性溶液腐蚀作用初始损伤较为显著，而且由于预加荷载的作用，存在着初始裂缝尖端微裂纹的产生，形成荷载对混凝土的塑形损伤。因此，对本试验中混凝土的损伤变量和本构方程，需要计入初始损伤的影响。令D₀为初始损伤因子，式(2)和(3)可以重新表示为：

D＝D₀+kN＝D₀+kcσ^aexp(bσ)(4)

σ＝εE^*(1-D)＝εE^*[1-D₀-kcσ^aexp(bσ)](5)

通过对无任何损伤的同批次三点弯曲梁的荷载对比组的测试，拟合相对应力水平与声发射振铃计数N的曲线，得到该批次的混凝土结构的声发射参数a，b，c。并对无任何损伤的同批次三点弯曲梁的应力应变测试曲线(σ-ε)的拟合，由式(3)可以得到实验参数k，以及无损伤的混凝土弹性模量E^*。

确定参数E^*、k、a、b、c之后，拟合本实验测试装置的中耦合损伤的混凝土梁的应力应变测试曲线(σ-ε)，可以测算出初始损伤D₀。实现实验室混凝土的结构损伤判断与识别。

可见，物质(材料)与环境介质作用而引起的恶化变质，性能降低以至于损坏(破坏)的腐蚀现象是一种比较缓慢的化学过程，但这种缓慢腐蚀作用的累积效应从物体表面结构改变深入到物体内部，可使混凝土等材料矿物成分、微观结构构造及力学性质发生变化，造成不良的工程效应。本发明采用上述技术方案，由此带来以下效果：

通过在对实际工程的环境条件与荷载进行模拟，实现对模拟后的三点弯曲梁试验梁的损伤进行准确判断，可用于判断混凝土结构的使用价值以及其的初始损伤程度与断裂性能的研究，可以对进一步预测混凝土结构的寿命具有指导意义。

本发明为解决上述第二个技术问题提出的技术方案是：

当预加荷载装置通过施力座向所述三点弯曲梁试验梁施加并保持的预加荷载F_Y使得三点弯曲梁试验梁的荷载尖端产生微裂缝及塑性区时，按照下式计算起裂韧度和失稳韧度

起裂韧度的计算：

其中：

$f\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{1.99-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\α})(2.15-3.93\mathrm{\α}+{2.7\mathrm{\α}}^2)}{(1+2\mathrm{\α}){(1-\mathrm{\α})}^{3/2}},$

式中，a'＝a₀(1-D₀)，a₀为初始裂缝长度，a'为有效裂缝长度，α为耦合作用后有效裂缝长度缝高比，S为试件两支座间的跨度，t为试件厚度，h为试件高度，m为试件支座间的质量，通过试件总质量按S/L比折算，—实验系数，取值范围在0.82～1.15之间；

失稳韧度的计算：

其中

$f\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{1.99-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\α})(2.15-3.93\mathrm{\α}+{2.7\mathrm{\α}}^2)}{(1+2\mathrm{\α}){(1-\mathrm{\α})}^{3/2}},$

式中， $\mathrm{\α}=\mathrm{\η}\frac{a_c}{h}(1-D_0),a_c=\frac{2}{\mathrm{\π}}(h+h_0)\arctan \sqrt{\frac{{\mathrm{tE}}^{\′}{V}_C}{{32.6F}_{\max }}-0.1135}-h_0;$

h₀为装置夹式引伸计刀口薄钢板的厚度，V_C为裂缝口张开位移临界值；E'为折算弹性模量，E'＝E^*(1-D₀)，η为实验修正系数，取值范围为0.88～1.14。

本发明采用上述技术方案，由此带来以下效果：

1.在化学场与应力场激励环境下的进行混凝土断裂性能的测试，将三点弯曲梁试验梁置于环境箱内，预加荷载装置通过施力座向三点弯曲梁试验梁施加并保持预加荷载F_Y，并加入环境条件，实现裂缝尖端处于耦合激励作用，可以现实混凝土损伤断裂性能的实时测试，可为混凝土裂缝的长期稳定性及断裂韧度提供依据；

2.本发明提供的耦合环境下混凝土加载装置，保证了裂缝处的预加荷载与三点弯曲梁法一致，且可以实现环境与荷载同时作用下的混凝土梁的断裂性能测试，其加载装置可以更加贴切的模拟混凝土实际过程中的受力情况，测试方法仍是按照三点弯曲梁法进行，操作简单易行，得出复杂情况下的断裂参数计算公式，可进一步的促进复杂环境下的混凝土断裂性能的测试，补充DL/T5332-2005《水工混凝土断裂试验规程》以及《应力强度因子手册》。

上述技术方案的改进是：所述环境模拟溶液是海水，所述环境箱内设有电极。

上述技术方案的改进是：所述环境箱的外侧设有循环箱，所述环境箱和循环箱之间设有抽水泵。

上述技术方案的改进是：所述现有的三点弯曲梁试验梁是《水工混凝土断裂试验规程》中的三点弯曲梁试验梁。

上述技术方案的改进是：所述荷载量测装置是荷载传感器，所述应变测量装置是粘贴在预制裂缝尖端两侧的电阻应变片，所述的声发射采集装置是指粘贴在混凝土表面的高频声发射传感器。

上述技术方案的改进是：所述预加荷载装置是连接上传力板和下传力板的四个加载螺杆、弹簧和螺帽。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明的双场耦合下的混凝土损伤断裂性能测试方法的装置结构示意图

图2是图1的加载结构示意图

具体实施方式

实施例

本实施例的双场耦合下的混凝土损伤断裂性能测试方法，如图1和图2所示，包括以下步骤：

1)在基座上放置有顶面开口的环境箱1，环境箱1内设有上下相对的上传力板2和下传力板3，上传力板2和下传力板3之间设有三点弯曲梁试验梁4和预加荷载装置5。

下传力板3设于环境箱1的底面上，下传力板3和三点弯曲梁试验梁4之间设有两个支撑座6。上传力板2和三点弯曲梁试验梁4之间设有一个施力座7。每个支撑座6到其相邻三点弯曲梁试验梁6的一端的距离是10cm，施力座7位于三点弯曲梁试验梁4的顶面中点处；三点弯曲梁试验梁4上设有应变测量装置8，上传力板2上设有位于三点弯曲梁试验梁的顶面中点处的荷载量测装置9，三点弯曲梁试验梁4上设有声发射检测仪；

2)预加荷载装置5通过施力座7向三点弯曲梁试验梁4施加并保持预加荷载F_Y，同时向环境箱1内加设有用于加速腐蚀三点弯曲梁试验梁4到设定腐蚀度的环境模拟溶液；

3)三点弯曲梁试验梁4经过腐蚀耦合作用后，压力机通过施力座7向三点弯曲梁试验梁4施加测试载荷F，通过荷载量测装置9测出施加的最大测试荷载F_max，测试过程中采用声发射探头监测三点弯曲梁试验梁的损伤及破坏，通过应变测量装置测出起裂荷载F_Q；

4)确定声发射参数：通过对无任何损伤的同批次三点弯曲梁的荷载对比组的测试，拟合声发射振铃计数N的曲线与相对应力水平曲线(D(i)％)，拟合公式的模式按照公式(3)进行，从而可以得到该批次的混凝土结构的声发射参数a，b，c。混凝土材料损伤的声发射模式，即混凝土材料的损伤程度与声发射事件数成正比：

D(i)＝kN(i)＝kcσ^aexp(bσ)(3)

式中,D(i)是第i阶段的材料损伤情况，k是与试验条件有关的常数；N(i)是一种材料达到其形变状态所产生的振铃脉冲总数；a、b、c是声发射参数，由实验测试计算确定,

确定初始损伤D₀：

通过拟合耦合作用后的三点弯曲梁试验梁的应力应变测试曲线σ-ε，按照公式(5)形式进行曲线模拟，从而可以测算出三点弯曲梁试验梁的初始损伤D₀：

σ＝εE^*(1-D)＝εE^*[1-D₀-kcσ^aexp(bσ)](5)

式中，E^*为三点弯曲梁试验梁没有损伤时的弹性模量,k为实验参数。

本实施例的当预加荷载装置通过施力座向三点弯曲梁试验梁施加并保持的预加荷载F_Y使得三点弯曲梁试验梁的荷载尖端产生微裂缝及塑性区时，按照下式计算起裂韧度和失稳韧度

起裂韧度的计算：

其中：

$f\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{1.99-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\α})(2.15-3.93\mathrm{\α}+{2.7\mathrm{\α}}^2)}{(1+2\mathrm{\α}){(1-\mathrm{\α})}^{3/2}},$

a'＝a₀(1-D₀)

$\mathrm{\α}=\frac{a^{\′}}{h}$

式中：为起裂韧度，单位为MPa·m^1/2；

F^Q为起裂荷载，单位为kN；

F_Y为预加荷载，单位为kN；

E为计算弹性模量，单位为GPa；

a₀为初始裂缝长度，单位为m；

a'为有效裂缝长度，与初始损伤程度有关，单位为m；

α为耦合作用后有效裂缝长度缝高比，S为试件两支座间的跨度，单位为m；

t为试件厚度，单位为m；

h为试件高度，单位为m；

m为试件支座间的质量，用试件总质量按S/L比折算；

g为重力加速度，单位为9.8m/s²；

为实验系数，由实验情况推算测得，取值范围在0.82～1.15之间；

失稳韧度的计算：

其中

$f\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{1.99-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\α})(2.15-3.93\mathrm{\α}+{2.7\mathrm{\α}}^2)}{(1+2\mathrm{\α}){(1-\mathrm{\α})}^{3/2}},$

$\mathrm{\α}=\mathrm{\η}\frac{a_c}{h}(1-D_0)$

其中，a_c应按下式计算

$a_c=\frac{2}{\mathrm{\π}}(h+h_0)\arctan \sqrt{\frac{{\mathrm{tE}}^{\′}{V}_C}{{32.6F}_{\max }}-0.1135}-h_0$

式中，为失稳韧度，单位为MPa·m^1/2；

F_max为最大荷载，单位为kN；

h₀为装置夹式引伸计刀口薄钢板的厚度，单位为m；

V_C为裂缝口张开位移临界值，单位为μm；

η为实验修正系数，取值范围为0.88～1.14。

E'为折算弹性模量，与初始损伤情况D₀有关，E'＝E^*(1-D₀)。

本实施例的环境模拟溶液是海水，环境箱1内设有电极。

本实施例的环境箱1的外侧设有循环箱10，环境箱1和循环箱10之间设有抽水泵11。

本实施例的现有的三点弯曲梁试验梁4是《水工混凝土断裂试验规程》中的三点弯曲梁试验梁。

本实施例的荷载量测装置9是荷载传感器，应变测量装置8是粘贴在预制裂缝尖端两侧的电阻应变片，声发射采集装置12是指粘贴在混凝土表面的高频声发射传感器。

本实施例的预加荷载装置5是连接上传力板2和下传力板3的四个加载螺杆、弹簧和螺帽。

本发明的不局限于上述实施例。凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种双场耦合下的混凝土损伤断裂性能测试方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在基座上放置有顶面开口的环境箱，所述环境箱内设有上下相对的上、下传力板，所述上、下传力板之间设有三点弯曲梁试验梁和预加荷载装置，所述下传力板设于所述环境箱的底面上，所述下传力板和三点弯曲梁试验梁之间设有两个支撑座，所述上传力板和三点弯曲梁试验梁之间设有一个施力座，每个支撑座到其相邻三点弯曲梁试验梁的一端的距离是10cm，所述施力座位于三点弯曲梁试验梁的顶面中点处；所述三点弯曲梁试验梁上设有应变测量装置，所述上传力板上设有位于三点弯曲梁试验梁的顶面中点处的荷载量测装置；

2)所述预加荷载装置通过施力座向所述三点弯曲梁试验梁施加并保持预加荷载F_Y，同时向所述环境箱内加设有用于加速腐蚀三点弯曲梁试验梁到设定腐蚀度的环境模拟溶液；

3)三点弯曲梁试验梁经过腐蚀耦合作用后，压力机通过施力座向所述三点弯曲梁试验梁施加测试载荷F，通过荷载量测装置测出施加的最大测试荷载F_max，通过应变测量装置测出起裂荷载F_Q，所述三点弯曲梁试验梁上设有声发射检测仪；

4)所述声发射检测仪接收三点弯曲梁试验梁的声发射信号并通过无损伤的三点弯曲梁试验梁测试推算出该批次的混凝土结构的声发射参数a，b，c，拟合耦合作用后的三点弯曲梁试验梁的应力应变测试曲线σ-ε，测算出三点弯曲梁试验梁的初始损伤D₀：

σ＝εE^*(1-D)＝εE^*[1-D₀-kcσ^aexp(bσ)]

式中，E^*为三点弯曲梁试验梁没有损伤时的弹性模量,k为实验参数。

2.如权利要求1所述双场耦合下的混凝土损伤断裂性能测试方法，其特征在于：当预加荷载装置通过施力座向所述三点弯曲梁试验梁施加并保持的预加荷载F_Y使得三点弯曲梁试验梁的荷载尖端产生微裂缝及塑性区时，按照下式计算起裂韧度和失稳韧度

起裂韧度的计算：

其中：

$f\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{1.99-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\α})(2.15-3.93\mathrm{\α}+2.7{\mathrm{\α}}^2)}{(1+2\mathrm{\α}){(1-\mathrm{\α})}^{3/2}},$

式中，a'＝a₀(1-D₀)，a₀为初始裂缝长度，a'为有效裂缝长度，α为耦合作用后有效裂缝长度缝高比，S为试件两支座间的跨度，t为试件厚度，h为试件高度，m为试件支座间的质量，通过试件总质量按S/L比折算，—实验系数，取值范围在0.82～1.15之间；

失稳韧度的计算：

其中

$f\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{1.99-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\α})(2.15-3.93\mathrm{\α}+2.7{\mathrm{\α}}^2)}{(1+2\mathrm{\α}){(1-\mathrm{\α})}^{3/2}},$

式中， $\mathrm{\α}=\mathrm{\η}\frac{a_c}{h}(1-D_0),a_c=\frac{2}{\mathrm{\π}}(h+h_0)\arctan \sqrt{\frac{t{E}^{\′}{V}_C}{32.6F_{\max }}-0.1135}-h_0;$

h₀为装置夹式引伸计刀口薄钢板的厚度，V_C为裂缝口张开位移临界值；E'为折算弹性模量，E'＝E^*(1-D₀)，η为实验修正系数，取值范围为0.88～1.14。

3.如权利要求1或2所述双场耦合下的混凝土损伤断裂性能测试方法，其特征在于：所述环境模拟溶液是海水，所述环境箱内设有电极。

4.如权利要求3所述双场耦合下的混凝土损伤断裂性能测试方法，其特征在于：所述环境箱的外侧设有循环箱，所述环境箱和循环箱之间设有抽水泵。

5.如权利要求3所述双场耦合下的混凝土损伤断裂性能测试方法，其特征在于：所述现有的三点弯曲梁试验梁是《水工混凝土断裂试验规程》中的三点弯曲梁试验梁。

6.如权利要求3所述双场耦合下的混凝土损伤断裂性能测试方法，其特征在于：所述荷载量测装置是荷载传感器，所述应变测量装置是粘贴在预制裂缝尖端两侧的电阻应变片，所述的声发射采集装置是指粘贴在混凝土表面的高频声发射传感器。

7.如权利要求1所述双场耦合下的混凝土损伤断裂性能测试方法，其特征在于：所述预加荷载装置是连接上传力板和下传力板的四个加载螺杆、弹簧和螺帽。