CN107121337B - 由双边切缝的小尺寸试件确定断裂韧度与强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由小尺寸试件确定无尺寸效应的混凝土起裂韧度的方法，包括浇筑试件、切出裂缝、静力加载和记录峰值载荷、计算名义强度σ n、计算试件的几何参数A等步骤，最后经过回归分析得出无尺寸效应的材料的断裂韧度K和拉伸强度f。本发明基于渐进外推的思想，及弹塑性断裂力学理论分析，由有限尺寸试件的试验数据，外推出无限大板试件的材料参数（无限大板的材料参数无尺寸效应）。因此，只需由小尺寸试件的关键荷载F，即可确定无尺寸效应的材料断裂韧度与强度。不需要满足现行国内外规范对试验试样尺寸、型式，加载条件等的严格规定，并且双边拉伸试件在试验过程中的稳定性又好于单边拉伸试件，更易于操作。

Description

由双边切缝的小尺寸试件确定断裂韧度与强度的方法
技术领域
本发明属于土木与水利工程材料性能技术领域，具体涉及一种由双边切缝的小尺寸试件确定断裂韧度与强度的方法。
背景技术
水泥砂浆、混凝土、金属等建筑材料的断裂韧度和拉伸强度为工程设计与科学研究的重要性能材料参数。然而大量研究表明，材料的拉伸强度与断裂韧度存在明显的尺寸效应。若要得到与试件尺寸无关的真实材料参数，则须采用较大尺寸试件。因此，小尺寸试件的测试结果并不能直接用来评价其真实材料性能。如何利用处于弹塑性断裂破坏条件下的小尺寸试件来确定无尺寸效应的砂浆、混凝土、金属等材料真实断裂韧性和强度指标，是目前亟待解决的科学难题。
发明内容
目前，测定无尺寸效应的材料断裂韧度与拉伸强度需要的试件尺寸较大，普通实验室条件下较难完成试样的浇筑和测试工作。若采用小尺寸试件，则断裂韧度与拉伸强度的尺寸效应又不可避免。为克服现有测定方法的不足，本发明提供一种由双边切缝的小尺寸试件确定断裂韧度与强度的方法。
本发明的目的是以下述方式实现的：
一种由双边切缝的小尺寸试件确定断裂韧度与强度的方法，包括以下步骤：
(1)准备一定数量的尺寸为D×B×L的试件，其中，D为试件高度，B为试件厚度，L为试件有效长度；
(2)将步骤(1)所得试件切出双边裂缝，水泥砂浆、混凝土、岩石类材料的切缝宽度要求小于其骨料粒径大小，金属材料切缝要求小于0.2mm；
(3)在普通的压力试验机或者万能试验机上，按常规静力加载试验方法加载并至试件拉断破坏，试验过程中记录每个试件计算断裂韧度所需的关键荷载F；对水泥砂浆、混凝土或岩石试件记录最大荷载F；对有明显屈服点的金属材料试件记录试件的屈服荷载F；
(4)基于步骤(3)所得的每个试件的最大荷载F，计算出各个试件的名义强度σn；
(5)计算出各个试件的几何参数A；
(6)基于由外推法确定无尺寸效应的无限大板参数的方法，将步骤(4)、步骤(5)所得各
个试件的σn与相应的A值，带入式(1)进行回归分析，
即可得出无尺寸效应的材料的断裂韧度K和拉伸强度f，有明显屈服点的金属材料为断裂韧度K和屈服强度σY；
步骤(4)中，由式(2)计算出各个试件的名义强度σn，
式(2)中，F为实测各试件关键荷载；D为试件高度；B为试件厚度；a0为初始裂缝长度。Δ为裂缝尖端的塑性区扩展量，由试验具体确定，对金属材料的双边裂缝试样，Δ取0.5-0.75mm；对水泥砂浆、混凝土、岩石材料的双边裂缝试件，Δ取1-3mm。
步骤(1)中，试件选取的方式为：采用具有相同试件高度D但初始裂缝长度a0不同的试件，试件初始缝高比α选择3-6种变化，每个初始缝高比α对应2-4个试件，其中试件的初始缝高比α＝a0/D为0.10、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65或0.70。
步骤(1)中，试件选取的方式为：采用具有相同初始缝高比α，但试件高度D不同的试件，试件高度D选择3-6种变化，每个试件高度D对应2-4个试件，其中试件的初始缝高比α＝a0/D为0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45或0.5。
所述步骤(5)中几何参数A的计算方法为：
其中，α为初始缝高比，α＝a0/D；a0为初始裂缝长度。
本发明的有益效果在于：现有测定无尺寸效应的材料断裂韧度与强度需要的试件尺寸较大，普通实验室条件下较难完成试样的浇筑和测试工作。若采用小尺寸试件，则材料断裂韧度与拉伸强度的尺寸效应又不可避免。而本发明的方法形式简单，试验易操作，具有足够精度，且易判断结果合理性。本发明基于渐进外推的思想，及弹塑性断裂力学理论分析，由有限尺寸试件的试验数据，外推出无限大板试件的材料参数(无限大板的材料参数无尺寸效应)。因此，只需由小尺寸试件的关键荷载F，即可确定无尺寸效应的材料断裂韧度与强度。不需要满足现行国内外规范对试验试样尺寸、型式，加载条件等的严格规定，并且双边拉伸试件在试验过程中的稳定性又好于单边拉伸试件，更易于操作。
附图说明
图1是本发明双边切缝拉伸试件几何形状示意图。
图2是实施例1由小尺寸双边裂缝试件确定金属材料试样尺寸示意图。
图3是实施例1由小尺寸双边裂缝试件确定金属材料的断裂韧度与屈服强度。
图4是实施例2由小尺寸双边裂缝试件确定水泥砂浆材料的断裂韧度与拉伸强度。
图5是实施例3由小尺寸双边裂缝试件确定混凝土材料的断裂韧度与拉伸强度。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。以下实施例中所涉及的一些步骤或方法，如无特殊说明，均为本领域的常规方法，所涉及的材料如无特别说明，均为市售材料。图1为本发明双边切缝拉伸试件几何形状示意图。
一种由双边切缝的小尺寸试件确定断裂韧度与强度的方法，包括以下步骤：
(1)准备一定数量的尺寸为D×B×L的试件，其中，D为试件高度，B为试件厚度，L为试件有效长度；
(2)将步骤(1)所得试件切出双边裂缝，水泥砂浆、混凝土、岩石类材料的切缝宽度要求小于其骨料粒径大小，金属材料切缝要求小于0.2mm；
(3)在普通的压力试验机或者万能试验机上，按常规静力加载试验方法加载并至试件拉断破坏，试验过程中记录每个试件计算断裂韧度所需的关键荷载F；对水泥砂浆、混凝土或岩石类材料试件记录最大荷载F；对有明显屈服点的金属材料试件记录试件的屈服荷载F；
(4)基于步骤(3)所得的每个试件的关键荷载F，计算出各个试件的名义强度σn；
(5)计算出各个试件的几何参数A；
(6)基于由外推法确定无尺寸效应的无限大板参数的方法，将步骤(4)、步骤(5)所得各个试件的σn与相应的A值，带入式(1)进行回归分析，
即可得出无尺寸效应的材料的断裂韧度K和拉伸强度f，有明显屈服点的金属材料为断裂韧度K和屈服强度σY；
步骤(4)中，由式(2)计算出各个试件的名义强度σn，
式(2)中，F为实测各试件关键荷载；D为试件高度；B为试件厚度；a0为初始裂缝长度。Δ为裂缝尖端的塑性区扩展量，由试验具体确定，对金属材料的双边裂缝试样，Δ取0.5-0.75mm；对水泥砂浆、混凝土、岩石类材料的双边裂缝试件，Δ取1-3mm。
步骤(1)中，试件选取的方式为：采用具有相同试件高度D但初始裂缝长度a0不同的试件，试件初始缝高比α选择3-6种变化，每个初始缝高比α对应2-4个试件，其中试件的初始缝高比α＝a0/D为0.10、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65或0.70。
步骤(1)中，试件选取的方式为：采用具有相同初始缝高比α，但试件高度D不同的试件，试件高度D选择3-6种变化，每个试件高度D对应2-4个试件，其中试件的初始缝高比α＝a0/D为0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45或0.5。
所述步骤(5)中几何参数A的计算方法为：
其中，α为初始缝高比，α＝a0/D；a0为初始裂缝长度。
实施例1：
采用热轧碳素钢加工制作双边切缝拉伸试样，试件具体形状参见图2，试样高度2D＝40mm，B＝6mm，L＝60mm，试样弧型段高度为20mm，矩形夹持端的尺寸为：70mm×80mm。采用线切割工艺对所得试样分别切出裂缝，裂缝宽度小于0.20mm。制作试样的缝高比a0/D＝0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，每组缝高比制作5个试样，共计7组35个试样。
试验按《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》(GB/T 228.1-2010)等规范中规定速率进行匀速加载，一直加载到试样断裂破坏。试验过程中记录每个试样的屈服荷载。
参见图3，由实施例试样试验数据回归确定热轧碳素钢平面应力条件下的断裂韧度K和屈服强度σY。K＝73MPa·m1/2-78MPa·m1/2，与单边裂缝拉伸试件确定的断裂韧度KC＝68MPa·m1/2-83MPa·m1/2吻合良好。屈服强度σY＝326MPa-341MPa，与产品质量证明书(编号：20150713082)给出的屈服强度σY＝320MPa-340MPa吻合良好。具体实测试验结果如下表1所示。
表1由双边切缝试样试验确定碳素结构钢的断裂韧度与屈服强度
Δ(mm) K(MPa·m<sup>1/2</sup>) σ<sub>Y</sub>(MPa)
0.75 73 341
1.0 78 326
实施例2：
本实施例试验采用水泥砂浆试件，其试件尺寸D×B×W为三种，依次为51×19×19mm，102×19×38mm，153×19×76mm，，初始缝高比α＝a0/D＝0.3。
基于式(2)与式(3)，由实测的峰值荷载F，可计算出每个试件的名义强度σn，结合A，带入式(1)进行回归分析，即可同时得出水泥砂浆材料的拉伸强度与断裂韧度。
实施例2试验数据回归确定的水泥砂浆材料的断裂韧度与拉伸强度结果参见图4，确定的水泥砂浆材料的断裂韧度与拉伸强度数据见下表2。
表2实施例2确定水泥砂浆的断裂韧度及拉伸强度
Δ/mm K/MPa·m<sup>1/2</sup> f/MPa
1 0.91 4.38
2 0.99 3.90
3 1.19 3.46
可见，采用本发明方法得到的水泥砂浆的断裂韧度与拉伸强度都在合理范围内，且与试验伴随试块实测抗拉强度3.5-4.0MPa相吻合。
实施例3：
本实施例试验采用混凝土试件，其试件尺寸D×B×W为三种，依次为51×19×19mm，102×19×38mm，153×19×76mm，初始缝高比α＝a0/W＝0.3。
基于式(2)与式(3)，由实测的峰值荷载F，可计算出每个试件的名义强度σn，结合A，带入式(1)进行回归分析，即可同时得出混凝土材料的断裂韧度与拉伸强度。
实施例3试验数据回归确定的混凝土材料的断裂韧度与拉伸强度结果参见图5。确定的混凝土的断裂韧度与拉伸强度数据见下表3。
表3实施例3确定混凝土的断裂韧度及拉伸强度
Δ/mm K/MPa·m<sup>1/2</sup> f/MPa
1 1.07 3.66
2 1.34 3.27
2.5 1.69 3.09
可见，采用本发明方法得到的混凝土断裂韧度与拉伸强度都在合理范围内，且与试验伴随试块实测抗拉强度3.0-3.5MPa相吻合。
对所公开实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多处修改对本领域技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离发明的精神或范围的前提下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不限制于本文所显示的这些实施例，而是要符合与本文公开原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (3)

1.一种由双边切缝的小尺寸试件确定断裂韧度与强度的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)准备一定数量的尺寸为D×B×L的试件，其中，D为试件高度，B为试件厚度，L为试件有效长度；
(2)将步骤(1)所得试件切出双边裂缝，水泥砂浆、混凝土、岩石类材料的切缝宽度要求小于其骨料粒径大小，金属材料切缝要求小于0.2mm；
(3)在普通的压力试验机或者万能试验机上，按常规静力加载试验方法加载并至试件拉断破坏，试验过程中记录每个试件计算断裂韧度所需的关键荷载F；对水泥砂浆、混凝土或岩石类材料试件记录最大荷载F；对有明显屈服点的金属材料试件记录试件的屈服荷载F；
(4)基于步骤(3)所得的每个试件的关键荷载F，计算出各个试件的名义强度σn；
(5)计算出各个试件的几何参数A；
几何参数A的计算方法为：
其中，α为初始缝高比，α＝a0/D；a0为初始裂缝长度；
(6)基于由外推法确定无尺寸效应的无限大板参数的方法，将步骤(4)、步骤(5)所得各个试件的σn与相应的A值，带入式(1)进行回归分析，
即可得出无尺寸效应的材料的断裂韧度K和拉伸强度f，有明显屈服点的金属材料为断裂韧度K和屈服强度σY；
步骤(4)中，由式(2)计算出各个试件的名义强度σn，
式(2)中，F为实测各试件关键荷载；D为试件高度；B为试件厚度；a0为初始裂缝长度；Δ为裂缝尖端的塑性区扩展量，由试验具体确定，对金属材料的双边裂缝试样，Δ取0.5-0.75mm；对水泥砂浆、混凝土、岩石类材料的双边裂缝试件，Δ取1-3mm。
2.根据权利要求1所述的由双边切缝的小尺寸试件确定断裂韧度与强度的方法，其特征在于：步骤(1)中，试件选取的方式为：采用具有相同试件高度D但初始裂缝长度a0不同的试件，试件初始缝高比α选择3-6种变化，每个初始缝高比α对应2-4个试件，其中试件的初始缝高比α＝a0/D为0.10、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65或0.70。
3.根据权利要求1所述的由双边切缝的小尺寸试件确定断裂韧度与强度的方法，其特征在于：步骤(1)中，试件选取的方式为：采用具有相同初始缝高比α，但试件高度D不同的试件，试件高度D选择3-6种变化，每个试件高度D对应2-4个试件，其中试件的初始缝高比α＝a0/D为0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45或0.5。
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