CN108918265A - 无尺寸效应的混凝土断裂韧度与抗拉强度测定方法及应用 - Google Patents

无尺寸效应的混凝土断裂韧度与抗拉强度测定方法及应用 Download PDF

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Abstract

一种无尺寸效应的混凝土断裂韧度与抗拉强度的测定方法及其应用，包括：制作混凝土楔入劈拉试件，静力加载试验方法加载所述试件并至该试件被破坏，获取该试件的峰值荷载Pmax；混凝土的断裂韧度KIC为抗拉强度ft为 有益效果有：成本低、耗时短，所需试验设备常见，且试验工作量小，试验过程较为简单，却能获得具有足够精度的测定结果，且易判断结果合理性。

Description

无尺寸效应的混凝土断裂韧度与抗拉强度测定方法及应用
技术领域
本发明涉及土木与水利工程材料性能检测技术领域，具体涉及一种无尺寸效应的混凝土断裂韧度与抗拉强度的测定方法及应用。
背景技术
目前确定混凝土的抗拉强度常采用轴心拉伸、劈裂抗拉等试验方法；而确定混凝土的断裂韧度常采用三点弯曲、楔入劈拉等试验方法。即抗拉强度与断裂韧度采用不同的试验加载方法。但是普通实验室内，采用上述方法得出的抗拉强度与断裂韧度存在较为明显的尺寸效应。
采用边界效应理论可以同时确定无尺寸效应的混凝土的断裂韧度与抗拉强度，但是，该方法须基于一定量的试验数据，通过拟合回归分析才能实现。并且，采用的试件须满足：相同尺寸不同缝高比变化；或相同缝高比不同尺寸变化；或者两种试件的组合型式。
公开于2016年8月31日的中国专利文献CN105910899A记载了一种同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂韧度的方法，旨在解决无法确定无尺寸效应的岩石真实断裂韧性的技术难题。其主要步骤如下：选取试件高度W≤400mm的试件并得到其实测的峰值荷载Pmax，经过计算得到试件的名义强度σn；将试件的名义强度σn与等效裂缝深度ae再次计算，即可同时测定岩石材料的抗拉强度ft和断裂韧度KIC。
发明内容
本发明的发明目的是提供无尺寸效应的混凝土断裂韧度与抗拉强度的另一种的同步测定思路，以解决现有的无尺寸效应的混凝土断裂韧度与抗拉强度的同步测定方法需要重复大量的试验，并对该些试验数据进行拟合分析工作导致的成本高、耗时长的技术问题。
为实现发明目的，本发明采用如下技术方案：
设计一种无尺寸效应的混凝土断裂韧度与抗拉强度的测定方法，包括下列步骤：
(1)制作混凝土楔入劈拉试件，其中，以毫米为单位记录：混凝土的骨料最大粒径为dmax，试件高度为H，试件厚度为B，试件宽度为W，初始裂缝深度为a0；并计算获取缝高比为α；
(2)按静力加载试验方法加载所述试件并至该试件被破坏，试验过程中以牛顿为单位记录该试件的峰值荷载Pmax；
(3)将步骤(1)、步骤(2)中获取的对应数据的值代入式(1)和式(2)，并获取X1、Y1对应的值；
Y1＝Pmax——式(2)；其中，在式(1)中，ae为几何参数；
确定经过坐标点(0,0)和(X1,Y1)的直线，该直线的斜率为k1，其中，该试件对应的混凝土的断裂韧度KIC等于k1，单位为MPa·m1/2；
将步骤(1)、步骤(2)中获取的对应数据的值代入式(3)和式(4)，并获取X2、Y2对应的值；
Y2＝Pmax——式(4)；其中，在式(3)中，ae为几何参数；
确定经过坐标点(0,0)和(X2,Y2)的直线，该直线的斜率为k2，其中，该试件对应的混凝土的抗拉强度ft等于k2，单位为MPa。
应当明白，可根据单位的换算方式获取公式的变种，但该种变换方式属于公知常识类变换，同样属于本发明的保护范围。
优选的，在所述步骤(3)中，将所述步骤(1)获取的对应数据的值代入式(5)、式(6)，以获取式(1)和式(3)中的几何参数ae，
优选的，在所述步骤(2)中，通过压力试验机或者万能试验机对所述试件进行静力加载试验。
优选的，所述H为150mm～1200mm中的任一值。
优选的，所述dmax为10mm～25mm中的任一值。
优选的，所述α为0.1～0.6中的任一值。
优选的，利用模具通过混凝土一次浇筑成型的方法获得所述试件，所述模具设有长方体形内腔，长方体的高度等于H，长方体的长度等于W，长方体的宽度等于B；在所述内腔中，在所述长方体的中部，沿长方体的高度方向设有高度为H×α的楔板，楔板的下底面与内腔的底面设在同一平面上，或者，楔板的上表面与内腔的顶面设在同一平面上；或者，通过切缝的方法获得所述试件，在浇筑规格为H×B×W长方体混凝土试件并养护到规定龄期后，沿试件的厚度方向，在试件的中部向下切割出初始裂缝，初始裂缝的深度为H×α。
一种前述无尺寸效应的混凝土断裂韧度与抗拉强度的测定方法的应用，在所述步骤(1)中，制作一组所述试件；在所述步骤(2)中，分别对该组试件的组成试件单独试验，记录每个试件的峰值荷载Pmax,i，计算出该组试件峰值荷载的平均值，并记为Pmax,0；在所述步骤(3)中，式(2)和式(4)的Pmax为Pmax,0，分别获取该组试件对应的混凝土的断裂韧度KIC和抗拉强度ft。
优选的，一组所述混凝土楔入劈拉试件的数量为3～6个。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明的方法基于非均质材料的楔入劈拉试件的非线弹性理论解析解，求解具有唯一性，仅需浇筑一组尺寸均为H×B×W且缝高比均为α的混凝土楔入劈拉试件即可同时测得无尺寸效应的混凝土的材料参数：断裂韧度KIC与抗拉强度ft，不需要在重复大量的试验的条件下对试验数据进行拟合分析工作，成本低、耗时短。
2.本发明的判断方法，仅需两个坐标点，且其中一个点固定为原点(0,0)；而另一个点既可取一组试件峰值荷载的平均值，得到材料参数的平均值，也可取该组内单个试件的峰值荷载单个值，则可得到材料参数的每个个体值，从而可展示混凝土类非均质材料的断裂与强度参数确定结果的离散性。
3.本发明的方法中采用的楔入劈拉试件，试件易获取，试验加载过程稳定；试件高度H的取值集为[150mm,1200mm]，与其它方法相比对试件尺寸的要求低。
4.试验过程中仅需测定3～6个试件的峰值荷载，不需要测定其他试验量，所需试验设备常见，且试验工作量小，试验过程较为简单，却能获得具有足够精度的测定结果，且易判断结果合理性。
附图说明
图1为本发明所示由两点连直线的斜率确定一组试件的平均断裂韧度的示意图。
图2为本发明所示由两点连直线的斜率确定一组试件的平均抗拉强度的示意图。
图3为本发明所示由两点连直线的斜率确定单一试件的断裂韧度的示意图。
图4为本发明所示由两点连直线的斜率确定单一试件的抗拉强度的示意图。
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。
下述实施例或实验例中，H为试件高度，B为试件厚度，W为试件宽度，a0为试件的初始裂缝深度，缝高比α＝a0/H。
实施例1：一种无尺寸效应的混凝土断裂韧度与抗拉强度的测定方法，包括下列步骤：
(1)按给定的混凝土配合比要求，浇筑一组尺寸均为H×B×W且缝高比均为α的混凝土楔入劈拉试件。其中，H为试件高度，B为试件厚度，W为试件宽度，试件的初始裂缝深度为a0，混凝土的骨料最大粒径为dmax，H、B、W、a0、dmax单位均为毫米；缝高比α＝a0/H；在本实施例中，利用模具通过混凝土一次浇筑成型的方法获得试件，模具设有长方体形内腔，长方体的高度等于H，长方体的长度等于W，长方体的宽度等于B；在所述内腔中，在所述长方体的中部，沿长方体的高度方向设有高度为H×α的楔板，一种楔板的设置方式是，楔板的下底面与内腔的底面设在同一平面上，另一种楔板的设置方式是，楔板的上表面与内腔的顶面设在同一平面上；在其它实施例中，还可以通过切缝的方法获得所述试件，在浇筑规格为H×B×W长方体混凝土试件并养护到规定龄期后，沿试件的厚度方向，在试件中部向下切割出初始裂缝，初始裂缝的深度为H×α，其中，α为0.1～0.6中的任一值。
(2)在普通的压力试验机或者万能试验机上，按静力加载试验方法加载并至试件被破坏，试验过程中记录该组中每个试件的峰值荷载Pmax,i，计算出该组试件峰值荷载的平均值记为Pmax，0，Pmax,i、Pmax，0单位均为牛顿；
(3)基于Y1＝k1·X1的经过坐标原点的方程型式，由两点确定直线，计算该组试件的断裂韧度的平均值KIC：结合图1，
第一个点为原点零点(0,0)，
第二个点的纵坐标Y1等于一组混凝土试件的峰值荷载的平均值Pmax，0，第二个点的横坐标X1可将该组混凝土的试件高度H、试件厚度B、缝高比α等已知条件带入下式(7)、式(8)、式(9)求得，
式(7)、式(8)、式(9)中，a0为初始裂缝深度，α为缝高比，ae为几何参数，B为试件厚度，H为试件高度，W为试件宽度，ae为几何参数，dmax为混凝土的骨料最大粒径。
求出第二个点的坐标后，与第一个点(0,0)连线，求该直线的斜率k1，该斜率k1即为该组试件的断裂韧度的平均值KIC，单位为MPa·m1 /2；
(4)基于Y1＝k1,I·X1的经过坐标原点的方程型式，由两点确定直线的方法计算该组每个试件的断裂韧度的KIC,i：结合图3，
第一个点为原点0点(0,0)，
第二个点的纵坐标Y1等于一组试件中的每个混凝土试件的峰值荷载Pmax,i，第二个点的横坐标X1可将该组混凝土的试件高度H、试件厚度B、缝高比α等已知条件带入式(7)、式(8)、式(9)求得，
求出第二个点的坐标(X1,Pmax,i)后，与第一个点(0,0)连线，其直线的斜率k1,i即为每个试件的断裂韧度的KIC，i，单位为MPa·m1/2；
(5)基于Y2＝k2·X2的经过坐标原点的方程型式，由两点确定直线，计算该组试件的抗拉强度的平均值ft：结合图2，
第一个点为原点0点(0,0)，
第二个点的纵坐标Y2等于一组混凝土试件的峰值荷载的平均值Pmax，0，第二个点的横坐标X2可将该组混凝土的试件高度H、试件厚度B、缝高比α等已知条件带入式(7)、式(8)、式(10)求得，
求出第二个点的坐标后，与第一个点(0,0)连线，其直线的斜率k2即为该组试件的抗拉强度的平均值ft，单位为MPa；
(6)基于Y2＝k2,i·X2的方程型式，由两点确定直线的方法计算该组每个试件的抗拉强度的ft,i：结合图4，
第一个点为原点0点(0,0)，
第二个点的纵坐标Y2等于一组每个混凝土试件的峰值荷载的平均值Pmax,i，第二个点的横坐标X2可将一组混凝土的试件高度H、试件厚度B、缝高比α等已知条件带入式(7)、式(8)、式(10)求得，
求出第二个点的坐标(X2,Pmax,i)后，与第一个点(0,0)连线，其直线的斜率k2,i即为该组每个试件的抗拉强度的ft,i，单位为MPa；
一般用该组试件的断裂韧度的平均值KIC表示该组试件所用混凝土的断裂韧度，用该组试件的抗拉强度的平均值ft表示该组试件所用混凝土的抗拉强度。
实验例1：本实验例1试验所用混凝土骨料最大粒径dmax＝10mm。按试件尺寸分为四组：
第一组H×B×W＝1200×200×1440mm，缝高比α＝0.5，共计3个试件。采用本发明方法，基于3个试件的峰值荷载，可分别得出3个试件确定的断裂韧度与抗拉强度，以及由第一组试件峰值荷载的平均值，得出的断裂韧度与抗拉强度的平均值，结果见表1。
第二组H×B×W＝800×200×800mm，缝高比α＝0.5，共计4个试件。采用本发明方法，基于4个试件的峰值荷载，可分别得出4个试件确定的断裂韧度与抗拉强度，以及由第二组试件峰值荷载的平均值，得出的断裂韧度与抗拉强度的平均值，结果见表1。
第三组H×B×W＝600×200×600mm，缝高比α＝0.5，共计4个试件。采用本发明方法，基于4个试件的峰值荷载，可分别得出4个试件确定的断裂韧度与抗拉强度，以及由第三组试件峰值荷载的平均值，得出的断裂韧度与抗拉强度的平均值，结果见表1。
第四组H×B×W＝150×200×150mm，缝高比α＝0.5，共计3个试件。采用本发明方法，基于3个试件的峰值荷载，可分别得出4个试件确定的断裂韧度与抗拉强度，以及由第四组试件峰值荷载的平均值，得出的断裂韧度与抗拉强度的平均值，结果见表1。
由表1可见，采用本发明，分别由四组不同试验试件确定的断裂韧度与抗拉强度较为吻合，证明了本发明所提方法的有效性和合理性。
表1实验例1确定的断裂韧度与抗拉强度
另外，与其他理论确定的断裂韧度与抗拉强度相比，也证明了本发明的合理性：边界效应理论确定的该混凝土的断裂韧度KIC＝1.1MPa·m1/2，抗拉强度ft＝4.2MPa。双K断裂模型给出的该混凝土的断裂韧度变化范围KIC＝0.8-1.6MPa·m1/2。可见，与本发明方法确定的断裂韧度与抗拉强度与边界效应理论吻合较好，精确性略高于双K模型，并且计算的断裂韧度与抗拉强度不随试件尺寸变化，没有尺寸效应。
实验例2：本实验例2试验所用混凝土骨料最大粒径dmax＝16mm。按试件尺寸分为三组：
第一组H×B×W＝1200×120×1440mm，缝高比α＝a0/W＝0.5，共计4个试件。采用本发明方法，基于4个试件的峰值荷载，可分别得出4个试件确定的断裂韧度与抗拉强度，以及由第一组试件峰值荷载的平均值，得出的断裂韧度与抗拉强度的平均值，结果见表2。
第二组H×B×W＝600×120×720mm，缝高比α＝a0/W＝0.5，共计4个试件。采用本发明方法，基于4个试件的峰值荷载，可分别得出4个试件确定的断裂韧度与抗拉强度，以及由第二组试件峰值荷载的平均值，得出的断裂韧度与抗拉强度的平均值，结果见表2。
第三组H×B×W＝300×120×360mm，缝高比α＝a0/W＝0.5，共计3个试件。采用本发明方法，基于3个试件的峰值荷载，可分别得出3个试件确定的断裂韧度与抗拉强度，以及由第三组试件峰值荷载的平均值，得出的断裂韧度与抗拉强度的平均值，结果见表2。
表2实验例2确定的断裂韧度与抗拉强度
由表2可见，采用本发明，分别由三组不同试验试件确定的断裂韧度与抗拉强度较为吻合，证明了本发明所提方法的有效性和合理性。并且计算的断裂韧度与抗拉强度不随试件尺寸变化，没有尺寸效应。
实验例3：本实验例3试验所用混凝土骨料最大粒径dmax＝25mm。按试件尺寸分为四组：
第一组H×B×W＝400×200×480mm，缝高比α＝a0/W＝0.5，共计3个试件。采用本发明方法，基于3个试件的峰值荷载，可分别得出3个试件确定的断裂韧度与抗拉强度，以及由第一组试件峰值荷载的平均值，得出的断裂韧度与抗拉强度的平均值，结果见表3。
第二组H×B×W＝600×200×720mm，缝高比α＝a0/W＝0.4，共计5个试件。采用本发明方法，基于5个试件的峰值荷载，可分别得出5个试件确定的断裂韧度与抗拉强度，以及由第二组试件峰值荷载的平均值，得出的断裂韧度与抗拉强度的平均值，结果见表3。
第三组H×B×W＝800×200×960mm，缝高比α＝a0/W＝0.4，共计5个试件。采用本发明方法，基于5个试件的峰值荷载，可分别得出5个试件确定的断裂韧度与抗拉强度，以及由第三组试件峰值荷载的平均值，得出的断裂韧度与抗拉强度的平均值，结果见表3。
第四组H×B×W＝1000×200×1200mm，缝高比α＝a0/W＝0.4，共计4个试件。采用本发明方法，基于4个试件的峰值荷载，可分别得出4个试件确定的断裂韧度与抗拉强度，以及由第四组试件峰值荷载的平均值，得出的断裂韧度与抗拉强度的平均值，结果见表3。
表3实验例3确定的断裂韧度与抗拉强度
由表3可见，采用本发明，分别由四组不同试验试件确定的断裂韧度与抗拉强度较为吻合，证明了本发明所提方法的有效性和合理性。并且计算的断裂韧度与抗拉强度不随试件尺寸变化，没有尺寸效应。
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 (9)

1.一种无尺寸效应的混凝土断裂韧度与抗拉强度的测定方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)制作混凝土楔入劈拉试件，其中，混凝土的骨料最大粒径为dmax，试件高度为H，试件厚度为B，试件宽度为W，初始裂缝深度为a0；并计算获取缝高比为α；
(2)按静力加载试验方法加载所述试件并至该试件被破坏，试验过程中记录该试件的峰值荷载Pmax；
(3)将步骤(1)、步骤(2)中获取的对应数据的值代入式(1)和式(2)，并获取X1、Y1对应的值；
Y1＝Pmax——式(2)；其中，在式(1)中，ae为几何参数；
确定经过坐标点(0,0)和(X1,Y1)的直线，该直线的斜率为k1，其中，该试件对应的混凝土的断裂韧度KIC等于k1；
将步骤(1)、步骤(2)中获取的对应数据的值代入式(3)和式(4)，并获取X2、Y2对应的值；
Y2＝Pmax——式(4)；其中，在式(3)中，ae为几何参数；
确定经过坐标点(0,0)和(X2,Y2)的直线，该直线的斜率为k2，其中，该试件对应的混凝土的抗拉强度ft等于k2。
2.如权利要求1所述的无尺寸效应的混凝土断裂韧度与抗拉强度的测定方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，将所述步骤(1)获取的对应数据的值代入式(5)、式(6)，以获取式(1)和式(3)中的几何参数ae，
3.如权利要求1所述的无尺寸效应的混凝土断裂韧度与抗拉强度的测定方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，通过压力试验机或者万能试验机对所述试件进行静力加载试验。
4.如权利要求1所述的无尺寸效应的混凝土断裂韧度与抗拉强度的测定方法，其特征在于，所述H为150mm～1200mm中的任一值。
5.如权利要求1所述的无尺寸效应的混凝土断裂韧度与抗拉强度的测定方法，其特征在于，所述α为0.1～0.6中的任一值。
6.如权利要求1所述的无尺寸效应的混凝土断裂韧度与抗拉强度的测定方法，其特征在于，所述dmax为10mm～25mm中的任一值。
7.如权利要求1所述的无尺寸效应的混凝土断裂韧度与抗拉强度的测定方法，其特征在于，利用模具通过混凝土一次浇筑成型的方法获得所述试件，所述模具设有长方体形内腔，长方体的高度等于H，长方体的长度等于W，长方体的宽度等于B；在所述内腔中，在所述长方体的中部，沿长方体的高度方向设有高度为H×α的楔板，楔板的下底面与内腔的底面设在同一平面上，或者，楔板的上表面与内腔的顶面设在同一平面上；或者，通过切缝的方法获得所述试件，在浇筑规格为H×B×W长方体混凝土试件并养护到规定龄期后，沿试件的厚度方向，在试件的中部向下切割出初始裂缝，初始裂缝的深度为H×α。
8.一种如权利要求1-7中任一项所述的无尺寸效应的混凝土断裂韧度与抗拉强度的测定方法的应用，其特征在于，在所述步骤(1)中，制作一组所述试件；在所述步骤(2)中，分别对该组试件的组成试件单独试验，记录每个试件的峰值荷载Pmax,i，计算出该组试件峰值荷载的平均值，并记为Pmax,0；在所述步骤(3)中，式(2)和式(4)的Pmax为Pmax,0，分别获取该组试件对应的混凝土的断裂韧度KIC和抗拉强度ft。
9.如权利要求8所述的无尺寸效应的混凝土断裂韧度与抗拉强度的测定方法的应用，其特征在于，一组所述混凝土楔入劈拉试件的数量为3～6个。
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