由兩點(diǎn)加載試件確定準(zhǔn)脆性材料的斷裂韌度及拉伸強(qiáng)度的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種由兩點(diǎn)加載試件確定準(zhǔn)脆性材料的斷裂韌度及拉伸強(qiáng)度的方法，包括準(zhǔn)備試件、切出裂縫、兩點(diǎn)靜力加載和記錄峰值荷載、計(jì)算名義強(qiáng)度σn、計(jì)算等效裂縫長(zhǎng)度ae等步驟，最后經(jīng)過(guò)回歸分析同時(shí)得出準(zhǔn)脆性材料的拉伸強(qiáng)度f(wàn)t與斷裂韌度KIC。本發(fā)明方法形式簡(jiǎn)單，試驗(yàn)易操作，具有足夠精度，且易判斷結(jié)果合理性。只需由兩點(diǎn)加載的小尺寸兩點(diǎn)加載型式的試件的峰值荷載，即同時(shí)確定準(zhǔn)脆性材料的斷裂韌度KIC和拉伸強(qiáng)度f(wàn)t。
【專利說(shuō)明】
由兩點(diǎn)加載試件確定準(zhǔn)脆性材料的斷裂韌度及拉伸強(qiáng)度的 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于土木與水利工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種由兩點(diǎn)加載試件確定準(zhǔn)脆性 材料的斷裂韌度及拉伸強(qiáng)度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大量研究表明，準(zhǔn)脆性材料(水泥砂漿、混凝土或巖石等）的強(qiáng)度與斷裂韌度存在 明顯的尺寸效應(yīng)。若要得到與試件尺寸無(wú)關(guān)的真實(shí)材料參數(shù)，則須采用較大尺寸試件。因 此，小尺寸準(zhǔn)脆性材料的測(cè)試結(jié)果并不能直接用來(lái)評(píng)價(jià)其真實(shí)材料性能。
[0003] 對(duì)于準(zhǔn)脆性材料斷裂韌度的測(cè)試，根據(jù)美國(guó)ASTM E399規(guī)范，若滿足線彈性斷裂力 學(xué)條件，測(cè)定無(wú)尺寸效應(yīng)的材料斷裂韌度，則采用試樣的厚度B、裂紋長(zhǎng)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(qiáng)度。按ASTM的規(guī)定確定準(zhǔn)脆性材料的KIC， 試件尺寸W-般要超過(guò)500mm甚至1000mm。若采用小尺寸試件，則斷裂韌度等參數(shù)的尺寸效 應(yīng)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(lái)確定無(wú)尺寸效應(yīng)的材料真實(shí)斷裂韌性，是目前亟待解決的科學(xué)難題。
[0004] 另外，在進(jìn)行斷裂韌度測(cè)試的試驗(yàn)中，對(duì)試件型式、加載夾具、加載方式、試驗(yàn)系統(tǒng) 等都有嚴(yán)格限制，在普通實(shí)驗(yàn)室條件下較難完成試樣的準(zhǔn)備和測(cè)試工作，這使得試驗(yàn)試樣 的制作成本和試驗(yàn)工作量大為增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為克服現(xiàn)有測(cè)定方法存在的不足，本發(fā)明提出一種通過(guò)小尺寸的兩點(diǎn)加載試件確 定準(zhǔn)脆性的斷裂韌性與拉伸強(qiáng)度的方法，該方法操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)施，其檢測(cè)條件寬松。
[0006] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案： 設(shè)計(jì)一種由兩點(diǎn)加載試件確定準(zhǔn)脆性材料的斷裂韌度及拉伸強(qiáng)度的方法，包括下列步 驟： (1) 制作一定數(shù)量的高度為W、厚度為B、有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)的準(zhǔn)脆性材料兩點(diǎn)加載彎曲梁試 件;有效長(zhǎng)度為試件除加載頭外的部分的長(zhǎng)度； (2) 將所述試件分別切出裂縫，裂縫長(zhǎng)度為ε?ο,使各試件的縫高比c^eio/W在0.05~0.70 的范圍內(nèi)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(duì)應(yīng)3~6個(gè)試件； (3) 在試驗(yàn)機(jī)上，按普通靜力加載試驗(yàn)方法加載并至試件被破壞，試驗(yàn)過(guò)程中記錄每個(gè) 試件的峰值荷載P; (4) 基于步驟(3)所得的峰值荷載P，計(jì)算出各個(gè)試件的名義強(qiáng)度ση; (5) 計(jì)算出各個(gè)試件的等效裂縫長(zhǎng)度au (6) 將步驟(4)、步驟(5)所得各個(gè)試件的〇11與&(3值，帶入式(1)進(jìn)行回歸分析，
即可同時(shí)得到準(zhǔn)脆性材料的拉伸強(qiáng)度f(wàn)t與斷裂韌度KIC。
[0007] 優(yōu)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(yōu)選的，在所述步驟(4)中，由式(2)計(jì)算出各個(gè)試件的名義強(qiáng)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(zhǎng)度，Τ為加載點(diǎn)到試件長(zhǎng) 度中點(diǎn)的距離，ε?ο為初始裂縫長(zhǎng)度，β · dmax為峰值荷載Ρ對(duì)應(yīng)的初始裂縫擴(kuò)展量;dmax為骨料 最大粒徑;β為考慮試件結(jié)果離散性的調(diào)整系數(shù)，β不是定值，為精確個(gè)性化求解各個(gè)試件的 強(qiáng)度與韌度，β可根據(jù)本領(lǐng)域常識(shí)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(yōu)選的，在所述式(2)中，當(dāng)β=1.0時(shí)，從統(tǒng)計(jì)角度計(jì)算得出準(zhǔn)脆性材料的強(qiáng)度與韌 度的平均值； 當(dāng)0=〇.2、〇.4、〇.6、〇.8、1.〇、1.2、1.4-_2.〇時(shí)，從準(zhǔn)脆性材料性能的離散性角度，計(jì)算 得出準(zhǔn)脆性材料的強(qiáng)度與韌度的精確值。
[0010]優(yōu)選的，在所述步驟(5)中，各個(gè)試件的等效裂縫長(zhǎng)度ae由式(3a)、（3b)計(jì)算：
式中，為初始裂縫長(zhǎng)度;α為縫高比;Υ(α)為幾何影響參數(shù)。
[0011] 本發(fā)明的有益技術(shù)效果在于： 1.本發(fā)明方法中采用兩點(diǎn)加載型式的小尺寸彎曲試樣，檢測(cè)條件寬松，如試件尺寸不 需滿足現(xiàn)有規(guī)范測(cè)定線彈性斷裂條件下，試件的高度、厚度、初始裂縫長(zhǎng)度等都要大于一定 數(shù)值的嚴(yán)格要求。
[0012] 2.本發(fā)明采用兩點(diǎn)加載的一種試樣和測(cè)試方法，即可同時(shí)確定準(zhǔn)脆性材料的斷 裂韌度及拉伸強(qiáng)度，克服了目前確定準(zhǔn)脆性材料的斷裂韌度和拉伸強(qiáng)度需采用不同型式的 試樣和加載方法。
[0013] 3.本發(fā)明對(duì)于斷裂韌性試驗(yàn)的初始裂紋的形成，只需采用切割機(jī)切縫，而不需進(jìn) 行試件準(zhǔn)備時(shí)的預(yù)制裂縫。
[0014] 4.通過(guò)參數(shù)β ?cUx來(lái)考慮峰值荷載對(duì)應(yīng)的裂縫擴(kuò)展量，從而可準(zhǔn)確估計(jì)整體試 驗(yàn)結(jié)果的離散性，計(jì)算單個(gè)試件的拉伸強(qiáng)度和斷裂韌度，即，從統(tǒng)計(jì)角度取值β=1. 〇，可計(jì)算 整體試驗(yàn)的平均值;精確求解每個(gè)試件的拉伸強(qiáng)度和斷裂韌度時(shí)，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(shuō)明】
[0015]圖1為本發(fā)明兩點(diǎn)加載試件峰值荷載時(shí)的應(yīng)力分布圖； 圖2表示統(tǒng)計(jì)意義下β= 1.0時(shí)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(shí)0，(1腹的精確取值示意圖； 圖4為由實(shí)施例1兩點(diǎn)加載試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸確定混凝土材料的斷裂韌度與拉伸強(qiáng) 度示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但以下實(shí)施例只是用來(lái)詳 細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，并不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。以下實(shí)施例中所涉及的一些步驟或方 法，如無(wú)特殊說(shuō)明，均為本領(lǐng)域的常規(guī)方法，所涉及的材料如無(wú)特別說(shuō)明，均為市售材料。
[0017] 首先，制備試件尺寸均為WX B XL的準(zhǔn)脆性材料(水泥砂漿或混凝土或巖石等）由 兩點(diǎn)加載試件15~40個(gè)，其中，W為試件高度，B為試件厚度，L為試件有效長(zhǎng)度。在滿足試驗(yàn) 機(jī)測(cè)試精度要求和其它配套測(cè)量?jī)x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(jī)對(duì)所述試件分別切出裂縫，裂縫長(zhǎng)度為ao,試件的縫高比a =ao/W在 0.10~0.70的范圍內(nèi)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(duì)應(yīng)3~6 個(gè)試件。
[0019]實(shí)施例1:本實(shí)施例試驗(yàn)所用兩點(diǎn)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(jiàn)圖1，考慮混凝土為準(zhǔn)脆性材料，峰值荷載P時(shí)的應(yīng)力分布如圖1所示，對(duì)應(yīng)的 裂縫擴(kuò)展量Aa=i3 · dmax?；谑?2)，由實(shí)測(cè)的峰值荷載，可計(jì)算出每個(gè)試件的名義強(qiáng)度〇n。
[0021] 從統(tǒng)計(jì)角度考慮β=1.0,可計(jì)算得出混凝土斷裂韌度與拉伸強(qiáng)度的平均值，參見(jiàn)圖 2。考慮混凝土試驗(yàn)結(jié)果的離散性問(wèn)題而精確求解，可使β=0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、 1.4···，計(jì)算得出混凝土的斷裂韌度與拉伸強(qiáng)度的精確值，參見(jiàn)圖3。
[0022]每個(gè)試件的等效裂縫長(zhǎng)度ae可由下式(3a)、（3b)計(jì)算： 得到不同的〇11與~后，帶入式（1)進(jìn)行回歸分析，即可同時(shí)得出混凝土材料的拉伸強(qiáng) 度f(wàn)t與斷裂韌度Κκ。
[0023] 實(shí)施例1試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸確定的混凝土材料的拉伸強(qiáng)度與斷裂韌度結(jié)果參見(jiàn)圖4。確 定的混凝土的斷裂韌度與拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)見(jiàn)下表1。
[0024] 表1實(shí)施例1確定的兩點(diǎn)加載混凝土試件的斷裂韌度及拉伸強(qiáng)度
[0025]可見(jiàn)，從統(tǒng)計(jì)意義上看，當(dāng)β=1.0時(shí)，混凝土的與斷裂韌度拉伸強(qiáng)度都可與試驗(yàn)實(shí) 測(cè)平均值相吻合。若考慮試驗(yàn)中每個(gè)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(duì)所公開(kāi)實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些 實(shí)施例的多處修改對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的，本文中所定義的一般原理可以在 不脫離發(fā)明的精神或范圍的前提下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不限制于本文所 顯示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文公開(kāi)原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種由兩點(diǎn)加載試件確定準(zhǔn)脆性材料的斷裂韌度及拉伸強(qiáng)度的方法，其特征在于， 包括以下步驟： (1) 制作一定數(shù)量的高度為W、厚度為B、有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)的準(zhǔn)脆性材料兩點(diǎn)加載彎曲梁試 件;有效長(zhǎng)度為試件除加載頭外的部分的長(zhǎng)度； (2) 將所述試件分別切出裂縫，裂縫長(zhǎng)度為ao,使各試件的縫高比a=aQ/W在0.05~0.70 的范圍內(nèi)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(duì)應(yīng)3~6個(gè)試件； (3) 在試驗(yàn)機(jī)上，按常規(guī)靜力加載試驗(yàn)方法加載并至試件被破壞，試驗(yàn)過(guò)程中記錄每個(gè) 試件的峰值荷載P; (4) 基于步驟(3)所得的峰值荷載P，計(jì)算出各個(gè)試件的名義強(qiáng)度ση; (5 )計(jì)算出各個(gè)試件的等效裂縫長(zhǎng)度; (6)將步驟(4)、步驟(5)所得各個(gè)試件的〇n與&(3值，帶入式(1)進(jìn)行回歸分析，即可同時(shí)得到準(zhǔn)脆性材料的拉伸強(qiáng)度f(wàn)t與斷裂韌度Κκ。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的由兩點(diǎn)加載試件確定準(zhǔn)脆性材料的斷裂韌度及拉伸強(qiáng)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(jù)權(quán)利要求1所述的由兩點(diǎn)加載試件確定準(zhǔn)脆性材料的斷裂韌度及拉伸強(qiáng)度的方 法，其特征在于:在所述步驟(4)中，由式(2)計(jì)算出各個(gè)試件的名義強(qiáng)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(zhǎng)度，Τ為加載點(diǎn)到試件長(zhǎng) 度中點(diǎn)的距離，ε?ο為初始裂縫長(zhǎng)度，β · dmax為峰值荷載Ρ對(duì)應(yīng)的初始裂縫擴(kuò)展量;dmax為骨料 最大粒徑;β為考慮試件結(jié)果離散性的調(diào)整系數(shù)，樹安常規(guī)方法在0.1~2.0之間離散取值。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的由兩點(diǎn)加載試件確定準(zhǔn)脆性材料的斷裂韌度及拉伸強(qiáng)度的方 法，其特征在于:在所述式(2)中，當(dāng)β=1.0時(shí)，從統(tǒng)計(jì)角度計(jì)算得出準(zhǔn)脆性材料的強(qiáng)度與韌 度的平均值；當(dāng)β=〇.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4…2.0時(shí)，從準(zhǔn)脆性材料性能的離散性角 度，計(jì)算得出準(zhǔn)脆性材料的強(qiáng)度與韌度的精確值。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的由兩點(diǎn)加載試件確定準(zhǔn)脆性材料的斷裂韌度及拉伸強(qiáng)度的方 法，其特征在于:在所述步驟(5)中，各個(gè)試件的等效裂縫長(zhǎng)度a e由式(3a)、（3b)計(jì)算：式中，aQ為初始裂縫長(zhǎng)度;α為縫高比;Y (α)為幾何影響參數(shù)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的由兩點(diǎn)加載試件確定準(zhǔn)脆性材料的斷裂韌度及拉伸強(qiáng)度的方 法，其特征在于:步驟(1)中，試驗(yàn)所用試件個(gè)數(shù)為15~48個(gè)。
【文檔編號(hào)】G01N1/28GK105865896SQ201610338023
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年5月19日
【發(fā)明人】管俊峰, 姚賢華, 白衛(wèi)峰, 胡曉智, 謝超鵬, 王強(qiáng), 韓霄羽, 錢國(guó)雙
【申請(qǐng)人】華北水利水電大學(xué)