CN113984524A - 一种基于ct扫描的建材抗压性能及损伤动态测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CT扫描的建材抗压性能及损伤动态测试方法，包括：获取待测建筑材料标准试件；将待测建筑材料标准试件安装至加载装置中并加载，获取待测建筑材料标准试件的开裂荷载、峰值荷载和极限荷载；更换加载装置中的测建筑材料标准试件，分别对试件施加10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载；通过CT扫描仪器，对试件各级荷载下的断面进行动态扫描；记录各级荷载下试件整体的宏观变形情况和内部断面损伤积累情况，确定抗压强度、受压应变、损伤因子。本发明可获得建筑材料的抗压强度、变形参数、细观损伤分布以及各参数间的动态关系，可为建筑结构的性能化设计和新型结构体系的研发提供试验测试方法依据。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料强度及损伤动态测试领域，特别涉及一种基于CT扫描技术的建材抗压性能及细观损伤动态测试方法。
背景技术
水泥、混凝土等建筑材料的抗压性能参数是运用这些建材进行结构设计和研究的重要力学性能指标。随着经济水平的不断提高，具有自复位的韧性建筑结构和基于性能的抗震设计方法逐步取代传统建筑结构和弹性设计方法，成为现代建筑领域的主流发展趋势。而新型建筑结构体系和结构设计方法的出现也对建材力学性能参数的测定提出了新的要求，从传统、单一的强度指标逐步转变为能够反映材料从受力到破坏全过程的动态力学参数。
目前，用于测定建筑材料力学性能指标的方法，大多停留在获取材料单一强度指标和宏观破坏模式的层面，尚无法获取材料处于受力各阶段的细观损伤积累情况。
发明内容
基于此，有必要针对上述背景技术提出的技术问题，提供一种基于CT扫描的建材抗压性能及损伤动态测试方法。
本发明实施例提供一种基于CT扫描的建材抗压性能及损伤动态测试方法，包括：
获取待测建筑材料标准试件；
将待测建筑材料标准试件安装至加载装置中并加载，获取待测建筑材料标准试件的开裂荷载、峰值荷载和极限荷载；
更换加载装置中的测建筑材料标准试件，分别对试件施加10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载；
通过CT扫描仪器，对试件各级荷载下的断面进行动态扫描；
记录各级荷载下试件整体的宏观变形情况和内部断面损伤积累情况，确定抗压强度、受压应变、损伤因子。
进一步地，所述待测建筑材料标准试件为边长100～200mm的立方体试件，且采用模塑或压制成型。
在其中一个实施例中，本发明提供的基于CT扫描的建材抗压性能及损伤动态测试方法，还包括：
将待测建筑材料标准试件养护在恒温、恒湿的标准养护箱中；其中，养护温度为25±5℃，相对湿度为60±10％，养护时间不低于28天。
进一步地，所述加载装置包括：所述加载装置包括：钢制反力架、亚克力加载模具、传感器和千斤顶；
所述亚克力加载模具、所述传感器和所述千斤顶从上到下依次设于所述钢制反力架内部，所述传感器设于所述亚克力加载模具上，所述千斤顶用于对所述亚克力加载模具施加力；且所述亚克力加载模具、所述传感器和所述千斤顶的竖向中轴线与所述钢制反力架的上下钢板的形心连线重合。
进一步地，
所述加载采用力控制的加载模式，且加载速率为1kN/min；
所述开裂荷载为观察到待测建筑材料标准试件表面出现第一条受力裂缝对应的荷载；
所述峰值荷载为加载过程中的最大荷载；
所述极限荷载为加载至峰值荷载并下降至80％对应的荷载。
在其中一个实施例中，本发明提供的基于CT扫描的建材抗压性能及损伤动态测试方法，还包括：
将待测建筑材料标准试件放置于加载装置中后，采用几何对中法使待测建筑材料标准试件相邻侧面中线与加载板中线重合，并采用湿沙垫平上下加载面、预压挤出多余湿沙的方式进行找平处理。
在其中一个实施例中，本发明提供的基于CT扫描的建材抗压性能及损伤动态测试方法，还包括：
沿试件相互垂直的两个边划分扫描断面，设置CT扫描仪器的控制参数；其中，所述控制参数包括：试件尺寸、检测层有效厚度、空间分辨率、X-射线管最大电压、穿透厚度、扫描切层厚度。
进一步地，所述抗压强度的计算方法如下：
其中，Pi(i＝1,2,3,4)分别为10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载(N)；A为试件理论受压面积，单位为mm2；fi(i＝1,2,3,4)分别为对应于10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载的抗压强度值，单位为N/mm2。
进一步地，所述受压应变的计算方法如下：
其中，Δli(i＝1,2,3,4)分别为10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载对应的试件竖向压缩量，单位为mm；l为试件边长单位为mm；εi(i＝1,2,3,4)分别为对应于10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载的受压应变。
进一步地，所述损伤因子的计算方法如下：
其中，ΔSi(i＝1,2,3,4)分别为10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载对应的扫描断面裂纹面积，单位为mm；S为扫描断面面积，单位为mm2；μi(i＝1,2,3,4)分别为对应于10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载的损伤因子。
本发明实施例提供的上述基于CT扫描的建材抗压性能及损伤动态测试方法，与现有技术相比，其有益效果如下：
本发明的目的在于克服现有技术中的力学性能测试方法无法获取材料处于受力各阶段的细观损伤情况以及损伤与表观力学性能的关联性。首先制备建筑材料的立方体试件，采用加载装置对试件进行加载获取其各阶段特征荷载值，更换新试件分级加载至前述各阶段特征荷载值，并采用CT扫描仪动态收集试件各断面损伤分布状态，其操作流程简便、试验目的明确，可获得建筑材料的抗压强度、变形参数、细观损伤分布以及各参数间的动态关系，可为建筑结构的性能化设计和新型结构体系的研发提供试验测试方法依据。
附图说明
图1为一个实施例中提供的一种基于CT扫描的建材抗压性能及损伤动态测试方法的流程示意图；
图2为一个实施例中提供的试件及加载装置示意图；
图3为一个实施例中提供的CT扫描示意图；
图4为一个实施例中提供的试件扫描断面示意图；
图5为一个实施例中提供的各级荷载作用下试件断面灰度图像。
附图说明：
1-立方体试件，2-钢制反力架，3-传感器，4-亚克力加载模具，5-千斤顶，6-试件及加载模具，7-CT扫描仪。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
实施例：
本实施例提供一种基于CT扫描技术的建材抗压性能及细观损伤动态测试方法，对改性生土材料的抗压强度及其动态损伤因子进行测定。请参照图1所示，建材抗压性能及细观损伤动态测试方法，包括以下试验步骤：
S1，制备待测建筑材料标准试件，并对试件进行养护。
S2，将试件安装至加载装置中，并进行加载，测定其开裂荷载、峰值荷载和极限荷载。
S3，更换加载装置中的试件，分别对试件施加10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载，并依次将加载各阶段的试件放置于CT扫描仪器中。
S4，沿试件相互垂直的两个边划分扫描断面，设置CT扫描控制参数进行断面扫描。
S5，记录各级荷载下试件整体的宏观变形情况和试件内部断面的损伤积累情况，绘制抗压强度-受压应变-损伤因子关系曲线。
在步骤S1中，标准试件为边长100mm至200mm的立方体试件，采用模塑或压制成型。
在步骤S1中，试件养护在恒温、恒湿的标准养护箱中进行，养护温度25±5℃，相对湿度60±10％，养护时间不低于28天。
在步骤S2中，加载装置包括：亚克力加载模具、钢制反力架、传感器和千斤顶。亚克力加载模具、传感器和千斤顶，由上至下依次设置于钢制反力架内部，且各组件(亚克力加载模具、传感器和千斤顶)中轴线于钢制反力架上下钢板形心连线重合，通过千斤顶对亚克力加载模具中的下承压板施加荷载，通过传感器调节荷载值，进而将预设荷载精准施加至位于亚克力加载模具中的立方体试件。
在步骤S2中，将试件放置于加载装置中后采用几何对中法使试件相邻侧面中线与加载板中线重合，并采用湿沙垫平上下加载面、预压挤出多余湿沙的方式进行找平处理。
在步骤S2中，加载采用力控制的加载模式，加载速率为1kN/min，开裂荷载为观察到试件表面出现第一条受力裂缝对应的荷载，峰值荷载为加载过程中的最大荷载，极限荷载为加载至峰值荷载并下降至其80％对应的荷载。
在步骤S3中，更换试件后重新进行对中、找平，加载方式与S2相同，试件连同亚克力加载框和加载板一并放入CT扫描仪器中。
在步骤S4中，扫描断面沿试件边长进行等距划分，CT扫描控制参数包含：试件尺寸、检测层有效厚度、空间分辨率、X-射线管最大电压、穿透厚度、扫描切层厚度。
在步骤S5中，抗压强度计算方法如下：
其中，Pi(i＝1,2,3,4)分别为10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载(N)；A为试件理论受压面积(mm2)；fi(i＝1,2,3,4)分别为对应于10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载的抗压强度值(N/mm2)。
在步骤S5中，受压应变计算方法如下：
其中，Δli(i＝1,2,3,4)分别为10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载对应的试件竖向压缩量(mm)；l为试件边长(mm)；εi(i＝1,2,3,4)分别为对应于10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载的受压应变。
在步骤S5中，损伤因子计算方法如下：
其中，ΔSi(i＝1,2,3,4)分别为10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载对应的扫描断面裂纹面积(mm)；S为扫描断面面积(mm2)；μi(i＝1,2,3,4)分别为对应于10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载的损伤因子。
实施例1：
试件1制备及养护：将晒干后生土材料进行过筛(5mm)粉碎，再将处理后的生土与水泥、水以质量比80％、8％、12％的比例均匀混合，采用千斤顶压制成型的方式将混合涂料分3层压制成边长为100mm的立方体试件；成型后的立方体试件放置于温度25±5℃、相对湿度60±10％的养护室中养护28天。
预压、测定特征荷载：将养护完成的试件1放置于亚克力加载板和加载框4中间，对中找平后，通过千斤顶5和钢制反力架2对试件进行连续均匀加载至试件破坏，加载采用力控制，速率为1kN/min，期间依次记录试件的开裂荷载、峰值荷载、极限荷载，测定结果见表1所示。
表1特征荷载(KN)
分级加载和CT断面扫描：更换试件1后依次对试件施加10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载，加载模式同步骤二，并在每级荷载时将试件和亚克力加载模具6放置于CT扫描仪7中进行试件断面扫描，扫描断面划分示意图见图4，断面灰度图见图5。
其中，图4中，(a)为试件轴线示意图，(b)为XY断面定位示意图，(c)为YZ断面定位示意图；图5中，(a)为10％峰值荷载对应断面灰度图像，(b)为开裂荷载对应断面灰度图像，(c)为峰值荷载对应断面灰度图像，(c)为极限荷载对应断面灰度图像。
试验结果处理：分别按照以下公式计算试件1的抗压强度、受压应变、损伤因子果见表2所示。
其中，Pi(i＝1,2,3,4)分别为10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载(N)；A为试件理论受压面积(mm2)；fi(i＝1,2,3,4)分别为对应于10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载的抗压强度值(N/mm2)；Δli(i＝1,2,3,4)分别为10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载对应的试件竖向压缩量(mm)；l为试件边长(mm)；εi(i＝1,2,3,4)分别为对应于10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载的受压应变；ΔSi(i＝1,2,3,4)分别为10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载对应的扫描断面裂纹面积(mm)；S为扫描断面面积(mm2)；μi(i＝1,2,3,4)分别为对应于10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载的损伤因子。
表2试验结果(KN)
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。还有，以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种基于CT扫描的建材抗压性能及损伤动态测试方法，其特征在于，包括：
获取待测建筑材料标准试件；
将待测建筑材料标准试件安装至加载装置中并加载，获取待测建筑材料标准试件的开裂荷载、峰值荷载和极限荷载；
更换加载装置中的测建筑材料标准试件，分别对试件施加10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载；
通过CT扫描仪器，对试件各级荷载下的断面进行动态扫描；
记录各级荷载下试件整体的宏观变形情况和内部断面损伤积累情况，确定抗压强度、受压应变、损伤因子。
2.如权利要求1所述的基于CT扫描的建材抗压性能及损伤动态测试方法，其特征在于，所述待测建筑材料标准试件为边长100～200mm的立方体试件，且采用模塑或压制成型；及将待测建筑材料标准试件养护在恒温、恒湿的标准养护箱中；其中，养护温度为25±5℃，相对湿度为60±10％，养护时间不低于28天。
3.如权利要求1所述的基于CT扫描的建材抗压性能及损伤动态测试方法，其特征在于，所述加载装置包括：钢制反力架(2)、亚克力加载模具(4)、传感器(3)和千斤顶(5)；
所述亚克力加载模具(4)、所述传感器(3)和所述千斤顶(5)从上到下依次设于所述钢制反力架(2)内部，所述传感器(3)设于所述亚克力加载模具(4)上，所述千斤顶(5)用于对所述亚克力加载模具(4)施加力；且所述亚克力加载模具(4)、所述传感器(3)和所述千斤顶(5)的竖向中轴线与所述钢制反力架(2)的上下钢板的形心连线重合。
4.如权利要求1所述的基于CT扫描的建材抗压性能及损伤动态测试方法，其特征在于，
所述加载采用力控制的加载模式，且加载速率为1kN/min；
所述开裂荷载为观察到待测建筑材料标准试件表面出现第一条受力裂缝对应的荷载；
所述峰值荷载为加载过程中的最大荷载；
所述极限荷载为加载至峰值荷载并下降至80％对应的荷载。
5.如权利要求1所述的基于CT扫描的建材抗压性能及损伤动态测试方法，其特征在于，还包括：
将待测建筑材料标准试件放置于加载装置中后，采用几何对中法使待测建筑材料标准试件相邻侧面中线与加载板中线重合，并采用湿沙垫平上下加载面、预压挤出多余湿沙的方式进行找平处理。
6.如权利要求1所述的基于CT扫描的建材抗压性能及损伤动态测试方法，其特征在于，还包括：
沿试件相互垂直的两个边划分扫描断面，设置CT扫描仪器的控制参数；其中，所述控制参数包括：试件尺寸、检测层有效厚度、空间分辨率、X-射线管最大电压、穿透厚度、扫描切层厚度。
7.如权利要求1所述的基于CT扫描的建材抗压性能及损伤动态测试方法，其特征在于，所述抗压强度的计算方法如下：
其中，Pi分别为10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载，单位为N；A为试件理论受压面积，单位为mm2；fi分别为对应于10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载的抗压强度值，单位为N/mm2；其中，i＝1,2,3,4。
8.如权利要求1所述的基于CT扫描的建材抗压性能及损伤动态测试方法，其特征在于，所述受压应变的计算方法如下：
其中，Δli分别为10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载对应的试件竖向压缩量，单位为mm；l为试件边长单位为mm；εi分别为对应于10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载的受压应变；其中，i＝1,2,3,4。
9.如权利要求1所述的基于CT扫描的建材抗压性能及损伤动态测试方法，其特征在于，所述损伤因子的计算方法如下：
其中，ΔSi分别为10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载对应的扫描断面裂纹面积，单位为mm；S为扫描断面面积，单位为mm2；μi分别为对应于10％峰值荷载、开裂荷载、峰值荷载、极限荷载的损伤因子；其中，i＝1,2,3,4。
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- 2021-10-28 CN CN202111265350.7A patent/CN113984524A/zh active Pending
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