由兩點加載試件確定準脆性材料的斷裂韌度及拉伸強度的方法
【專利摘要】本發明公開了一種由兩點加載試件確定準脆性材料的斷裂韌度及拉伸強度的方法，包括準備試件、切出裂縫、兩點靜力加載和記錄峰值荷載、計算名義強度σn、計算等效裂縫長度ae等步驟，最后經過回歸分析同時得出準脆性材料的拉伸強度ft與斷裂韌度KIC。本發明方法形式簡單，試驗易操作，具有足夠精度，且易判斷結果合理性。只需由兩點加載的小尺寸兩點加載型式的試件的峰值荷載，即同時確定準脆性材料的斷裂韌度KIC和拉伸強度ft。
【專利說明】
由兩點加載試件確定準脆性材料的斷裂韌度及拉伸強度的 方法
技術領域
[0001] 本發明屬于土木與水利工程技術領域，具體涉及一種由兩點加載試件確定準脆性 材料的斷裂韌度及拉伸強度的方法。
【背景技術】
[0002] 大量研究表明，準脆性材料(水泥砂漿、混凝土或巖石等）的強度與斷裂韌度存在 明顯的尺寸效應。若要得到與試件尺寸無關的真實材料參數，則須采用較大尺寸試件。因 此，小尺寸準脆性材料的測試結果并不能直接用來評價其真實材料性能。
[0003] 對于準脆性材料斷裂韌度的測試，根據美國ASTM E399規范，若滿足線彈性斷裂力 學條件，測定無尺寸效應的材料斷裂韌度，則采用試樣的厚度B、裂紋長度^)、韌帶尺寸W-a〇 需滿足下式：
其中，Κκ為材料斷裂韌度，ft為材料的拉伸強度。按ASTM的規定確定準脆性材料的KIC， 試件尺寸W-般要超過500mm甚至1000mm。若采用小尺寸試件，則斷裂韌度等參數的尺寸效 應又不可避免。如何利用處于彈塑性斷裂條件下的小尺寸試件，比如(W-a Q) /dmax=5~20的 試件，來確定無尺寸效應的材料真實斷裂韌性，是目前亟待解決的科學難題。
[0004] 另外，在進行斷裂韌度測試的試驗中，對試件型式、加載夾具、加載方式、試驗系統 等都有嚴格限制，在普通實驗室條件下較難完成試樣的準備和測試工作，這使得試驗試樣 的制作成本和試驗工作量大為增加。
【發明內容】
[0005] 為克服現有測定方法存在的不足，本發明提出一種通過小尺寸的兩點加載試件確 定準脆性的斷裂韌性與拉伸強度的方法，該方法操作簡單，易于實施，其檢測條件寬松。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案： 設計一種由兩點加載試件確定準脆性材料的斷裂韌度及拉伸強度的方法，包括下列步 驟： (1) 制作一定數量的高度為W、厚度為B、有效長度為L的準脆性材料兩點加載彎曲梁試 件;有效長度為試件除加載頭外的部分的長度； (2) 將所述試件分別切出裂縫，裂縫長度為ε?ο,使各試件的縫高比c^eio/W在0.05~0.70 的范圍內離散取值;從中選取5~8種不同縫高比的試件，且每種縫高比對應3~6個試件； (3) 在試驗機上，按普通靜力加載試驗方法加載并至試件被破壞，試驗過程中記錄每個 試件的峰值荷載P; (4) 基于步驟(3)所得的峰值荷載P，計算出各個試件的名義強度ση; (5) 計算出各個試件的等效裂縫長度au (6) 將步驟(4)、步驟(5)所得各個試件的〇11與&(3值，帶入式(1)進行回歸分析，
即可同時得到準脆性材料的拉伸強度ft與斷裂韌度KIC。
[0007] 優選的，在所述步驟（2)中，所述縫高比a=a〇/W的取值依次為0.10、0.15、0.20、 0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70。
[0008] 優選的，在所述步驟(4)中，由式(2)計算出各個試件的名義強度〇n，
式(2 )中，Ρ為峰值荷載;W為試件高度;Β為試件厚度;S為試件長度，Τ為加載點到試件長 度中點的距離，ε?ο為初始裂縫長度，β · dmax為峰值荷載Ρ對應的初始裂縫擴展量;dmax為骨料 最大粒徑;β為考慮試件結果離散性的調整系數，β不是定值，為精確個性化求解各個試件的 強度與韌度，β可根據本領域常識在0.1~2.0之間離散取值，如0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、 0·7、0·8.·_2·0〇
[0009] 優選的，在所述式(2)中，當β=1.0時，從統計角度計算得出準脆性材料的強度與韌 度的平均值； 當0=〇.2、〇.4、〇.6、〇.8、1.〇、1.2、1.4-_2.〇時，從準脆性材料性能的離散性角度，計算 得出準脆性材料的強度與韌度的精確值。
[0010]優選的，在所述步驟(5)中，各個試件的等效裂縫長度ae由式(3a)、（3b)計算：
式中，為初始裂縫長度;α為縫高比;Υ(α)為幾何影響參數。
[0011] 本發明的有益技術效果在于： 1.本發明方法中采用兩點加載型式的小尺寸彎曲試樣，檢測條件寬松，如試件尺寸不 需滿足現有規范測定線彈性斷裂條件下，試件的高度、厚度、初始裂縫長度等都要大于一定 數值的嚴格要求。
[0012] 2.本發明采用兩點加載的一種試樣和測試方法，即可同時確定準脆性材料的斷 裂韌度及拉伸強度，克服了目前確定準脆性材料的斷裂韌度和拉伸強度需采用不同型式的 試樣和加載方法。
[0013] 3.本發明對于斷裂韌性試驗的初始裂紋的形成，只需采用切割機切縫，而不需進 行試件準備時的預制裂縫。
[0014] 4.通過參數β ?cUx來考慮峰值荷載對應的裂縫擴展量，從而可準確估計整體試 驗結果的離散性，計算單個試件的拉伸強度和斷裂韌度，即，從統計角度取值β=1. 〇，可計算 整體試驗的平均值;精確求解每個試件的拉伸強度和斷裂韌度時，則β可取值0.2、0.4、0.6、 0·8、1·0、1·2、1·4···2·0〇
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明兩點加載試件峰值荷載時的應力分布圖； 圖2表示統計意義下β= 1.0時β · 取值示意圖； 圖3表示0=〇.2、〇.4、〇.6、〇.8、1.〇、1.2、1.4~時0，(1腹的精確取值示意圖； 圖4為由實施例1兩點加載試件的試驗數據回歸確定混凝土材料的斷裂韌度與拉伸強 度示意圖。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖和實施例來說明本發明的【具體實施方式】，但以下實施例只是用來詳 細說明本發明，并不以任何方式限制本發明的范圍。以下實施例中所涉及的一些步驟或方 法，如無特殊說明，均為本領域的常規方法，所涉及的材料如無特別說明，均為市售材料。
[0017] 首先，制備試件尺寸均為WX B XL的準脆性材料(水泥砂漿或混凝土或巖石等）由 兩點加載試件15~40個，其中，W為試件高度，B為試件厚度，L為試件有效長度。在滿足試驗 機測試精度要求和其它配套測量儀器精度要求的前提下，試件的尺寸W可足夠小。
[0018] 采用切割機對所述試件分別切出裂縫，裂縫長度為ao,試件的縫高比a =ao/W在 0.10~0.70的范圍內離散取值;從中選取5~8種不同縫高比的試件，每種縫高比對應3~6 個試件。
[0019]實施例1:本實施例試驗所用兩點加載型式的混凝土試件，其混凝土骨料最大粒 徑cUax= 13mm，L X B X W = 806.4 X 152 X 203.2 mm，初始縫高比a =a〇/W= 0.30、 0 · 35、0 · 40、0 · 45、0 · 50，W/dmax=l 5 · 6。
[0020] 參見圖1，考慮混凝土為準脆性材料，峰值荷載P時的應力分布如圖1所示，對應的 裂縫擴展量Aa=i3 · dmax。基于式(2)，由實測的峰值荷載，可計算出每個試件的名義強度〇n。
[0021] 從統計角度考慮β=1.0,可計算得出混凝土斷裂韌度與拉伸強度的平均值，參見圖 2。考慮混凝土試驗結果的離散性問題而精確求解，可使β=0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、 1.4···，計算得出混凝土的斷裂韌度與拉伸強度的精確值，參見圖3。
[0022]每個試件的等效裂縫長度ae可由下式(3a)、（3b)計算： 得到不同的〇11與~后，帶入式（1)進行回歸分析，即可同時得出混凝土材料的拉伸強 度ft與斷裂韌度Κκ。
[0023] 實施例1試驗數據回歸確定的混凝土材料的拉伸強度與斷裂韌度結果參見圖4。確 定的混凝土的斷裂韌度與拉伸強度數據見下表1。
[0024] 表1實施例1確定的兩點加載混凝土試件的斷裂韌度及拉伸強度
[0025]可見，從統計意義上看，當β=1.0時，混凝土的與斷裂韌度拉伸強度都可與試驗實 測平均值相吻合。若考慮試驗中每個不同試件的離散性，則β=〇.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、 1·4···〇
[0026]對所公開實施例的上述說明，使本領域技術人員能夠實現或使用本發明。對這些 實施例的多處修改對本領域技術人員來說是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在 不脫離發明的精神或范圍的前提下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不限制于本文所 顯示的這些實施例，而是要符合與本文公開原理和新穎特點相一致的最寬范圍。
【主權項】
1. 一種由兩點加載試件確定準脆性材料的斷裂韌度及拉伸強度的方法，其特征在于， 包括以下步驟： (1) 制作一定數量的高度為W、厚度為B、有效長度為L的準脆性材料兩點加載彎曲梁試 件;有效長度為試件除加載頭外的部分的長度； (2) 將所述試件分別切出裂縫，裂縫長度為ao,使各試件的縫高比a=aQ/W在0.05~0.70 的范圍內離散取值;從中選取5~8種不同縫高比的試件，且每種縫高比對應3~6個試件； (3) 在試驗機上，按常規靜力加載試驗方法加載并至試件被破壞，試驗過程中記錄每個 試件的峰值荷載P; (4) 基于步驟(3)所得的峰值荷載P，計算出各個試件的名義強度ση; (5 )計算出各個試件的等效裂縫長度; (6)將步驟(4)、步驟(5)所得各個試件的〇n與&(3值，帶入式(1)進行回歸分析，即可同時得到準脆性材料的拉伸強度ft與斷裂韌度Κκ。2. 根據權利要求1所述的由兩點加載試件確定準脆性材料的斷裂韌度及拉伸強度的方 法，其特征在于：在所述步驟（2)中，所述縫高比a= aQ/W的取值依次為0.10、0.15、0.20、 0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70。3. 根據權利要求1所述的由兩點加載試件確定準脆性材料的斷裂韌度及拉伸強度的方 法，其特征在于:在所述步驟(4)中，由式(2)計算出各個試件的名義強度σ η，式(2)中，Ρ為峰值荷載;W為試件高度;Β為試件厚度;S為試件長度，Τ為加載點到試件長 度中點的距離，ε?ο為初始裂縫長度，β · dmax為峰值荷載Ρ對應的初始裂縫擴展量;dmax為骨料 最大粒徑;β為考慮試件結果離散性的調整系數，樹安常規方法在0.1~2.0之間離散取值。4. 根據權利要求3所述的由兩點加載試件確定準脆性材料的斷裂韌度及拉伸強度的方 法，其特征在于:在所述式(2)中，當β=1.0時，從統計角度計算得出準脆性材料的強度與韌 度的平均值；當β=〇.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4…2.0時，從準脆性材料性能的離散性角 度，計算得出準脆性材料的強度與韌度的精確值。5. 根據權利要求1所述的由兩點加載試件確定準脆性材料的斷裂韌度及拉伸強度的方 法，其特征在于:在所述步驟(5)中，各個試件的等效裂縫長度a e由式(3a)、（3b)計算：式中，aQ為初始裂縫長度;α為縫高比;Y (α)為幾何影響參數。6. 根據權利要求1所述的由兩點加載試件確定準脆性材料的斷裂韌度及拉伸強度的方 法，其特征在于:步驟(1)中，試驗所用試件個數為15~48個。
【文檔編號】G01N1/28GK105865896SQ201610338023
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月19日
【發明人】管俊峰, 姚賢華, 白衛峰, 胡曉智, 謝超鵬, 王強, 韓霄羽, 錢國雙
【申請人】華北水利水電大學