混凝土材料的拉伸强度应变率的 强化效应试验

伍永康　文申兵　韦文森　张天赐　王晓宇　车想想

摘 要：使用超高速摄像机测试法对试件破坏过程进行全面观察，采用加载方式开展劈裂试验。在精确控制层裂发生时间和位置的基础上，提高混凝土材料拉伸强度的可靠性和稳定性。结果表明：采用DIC方法，在动态劈裂试验中，获得的临界应变率达到了10 s-1;在层裂试验中，获得的层裂拉伸强度应变率达到了10～100 s-1;在线性拟合法下，斜率较劈裂试验结果较高，混凝土拉伸强度所对应的增强因子超过5。

关键词：混凝土材料;动态;劈裂;层裂;拉伸强度;应变率;动态扩大因子

中图分类号：TQ172 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2022）05-0060-05

Experiment on strengthening effect of tensile strength and strain rate of concrete materials

Abstract： The failure process of the specimen was observed comprehensively by using the ultra-high speed camera test method， and the splitting test was carried out by loading. On the basis of accurately controlling the time and position of spalling， the reliability and stability of tensile strength of concrete materials are improved. The results show that the critical strain rate obtained by DIC method in dynamic splitting test reaches 10 s-1; In the spallation test， the strain rate of spallation tensile strength reached 10 ～ 100 s-1; Under the linear fitting method， the slope is higher than the splitting test result， and the enhancement factor corresponding to the tensile strength of concrete is more than 5.

Key words： concrete material;dynamic;splitting;layer cracking;tensile strength;strain rate;dynamic expansion factor

在動态拉伸载荷作用下，混凝土材料的拉伸强度通常会表现出较高的应变率强化效应。而动态拉伸强度的测试方式主要包含以下3种：（1）动态直接拉伸。该测试方法主要借助霍普金森杆，将圆柱试样粘贴于投射杆上，但是，这种测试方法由于受粘接强度较低而出现附加弯矩现象，难以保证最终测试结果的精确性;（2）层裂拉伸。该测试方法主要借助压缩应力波进行一定范围内传播，一旦遇到拉伸波叠加拉伸强度超过规定值时，很容易出现破坏现象，这种测试成本较高，难以得到有效普及和推广;（3）动态劈裂拉伸。该测试方法将圆盘夹设置于透射杆与入射杆之间，确保应力波沿着圆盘进行自由传播，当应力达到平衡状态时，可以精确地计算出动态拉伸强度。这种测试方法被广泛地应用于相关工程中。为了进一步提高最终测试结果的精确性，现综合运用以上3种方法的基础上，设计一种新型、有效的测试方法，为后期科学地测量混凝土材料应变率强化效应打下坚实的基础。

1 材料与实验方法

1.1 试件与加载方式

对于混凝土材料而言，其设计强度等级为C40，水灰比分为1∶2。此外，所使用的水泥主要以普通硅酸盐水泥为主，粗骨料主要是借助了连续级管对石灰岩进行破碎处理后形成的，细骨料所使用的成分主要以河沙为主[1]。圆盘试样的直径、厚度分别达到75、35 mm，圆杆试样直径和长度分别为75、1 000 mm，此外，还要将标准养护时间设置为28 d。混凝土材料拉伸强度在对测试期间，需要借助圆盘劈裂测试法进行获得。同时，还要借助相应的试验机，将位移控制设置为相应的加载条件，并将压头速度设置为1 mm/min，避免试样出现损坏。另外，在动态加载模式下，需要借助霍普金森压杆，将子弹长度设置为190 mm，然后，借助整形片，完成对三角波形加载处理。最后，还要借助高速摄像机[2]，对断裂前图像和断裂后图像进行全面拍摄，并将相机拍摄速度设置为500 000 帧/s。在正式进入试验之前，需要借助圆盘和圆杆，对试样表面进行喷涂处理。此外，还要借助二维数字图像，不断优化图片处理流程，为实现对试样演变过程的精确测量和跟踪创造良好的条件。

1.2 实验原理

1.2.1 劈裂实验

劈裂试验主要是指通过对圆盘进行简化处理，使其转化为平面，然后，对平面应力进行求解。同时，还要根据脆性材料的特性，在充分结合集中载荷F作用点的基础上，实现对开裂问题的集中化处理;同时，还要根据作用点位置的不同，科学地调整和控制拉应力，确保作用点位置处的拉应力远远超过中心点位置处的拉应力[3]。此外，还要做好对拉应力强度值的测量工作，在满足中心起裂相关条件下，对圆盘内拉应力进行精确测量，为后期开展拉伸强度测量工作提供重要的依据和参考。另外，还要严格按照线弹性假设相关标准和要求，将拉伸应力最大值设置为指定的拉伸强度值。在动态加载技术的应用背景下，为了更好地满足应力平衡相关标准和要求[4]，需要做好对入射波应变信号、透射波应变信号的精确测量。由此可见，通过开展劈裂试验，可以保证材料静态拉伸强度和动态拉伸强度测量结果的精确性和真实性，为有效地满足压缩载荷中心开裂需求产生积极的影响。

1.2.2 层裂实验

在开展层裂试验期间，为了进一步提高层裂拉伸强度测量结果的精确性和真实性，需要采用波叠加法和Pull-back法两种测定方法，在满足三角波加载相关需求的基础上，从根本上解决混凝土材料杆多处断裂问题。此外，还要严格按照所设定的时间序列，通过采用波叠加法，实现对首次层裂强度的精确确定，同时，还要借助Pull-back法，对靠近圆杆层裂强度进行精确测量。此外，还要借助传统电测法，按照层裂发生时间顺序，对其进行测量。最后，还要采用光测法，在充分利用数据图像处理技术的基础上，根据应变历史演变过程，完成对应变时程曲线的绘制。然后，根据层裂发生情况，确保混凝土开裂处理工作的有效落实，为进一步提高最终试验结果测量的精确性和全面性产生积极的影响。

2 实验结果

2.1 准静态测试

在准静态加载模式下，为了更好地验证劈裂试样是否出现中起裂现象，现将高速摄像机的速度设置为7 000帧/s，并完成对断裂前图像和断裂后图像的拍摄。然后，借助DIC方法，精确地计算和统计拉伸应变场演化过程。在本次試验中，为了充分发挥和利用DIC方法的应用优势[5]，需要将空间分辨率、步长、模拟应变尺寸分别设置为0.2 mm/px、11、1.4 mm×1.4 mm，集中载荷加载劈裂前后拉伸应变演化如图1所示。

从图1中可以看出，试样受力端先出现集中分布现象，后出现向试样中心扩散现象;在准静态条件下，所使用的集中载荷加载模式[6]，难以满足中心起裂相关标准和要求。

为了避免出现加载点集中破坏现象，需要借助圆盘与平板接触点相结合的方式，安装和固定软木条，并但软木条的宽度设置为5 mm。分布载荷加载劈裂前后拉伸应变演化如图2所示。

从图2中可以看出，在分布载荷加载模式下，拉应变场所出现的中心起裂现象较为明显[7]。另外，为了进一步提高最终试验结果的精确性和真实性，需要借助试验机，开展10组准静态加载试验，同时，还要将应变率范围及准静态拉伸强度最大值、最小值和平均值分别设置为10-5～10-3 s-1及5.56、3.74、4.65 MPa。

2.2 动态劈裂测试

在动态加载模式下，为了更好地验证劈裂是否出现中心起裂现象，需要将高速摄像机的拍照速度设置为600 000 帧/s，以实现对断裂图像的全面拍摄，同时，还要借助DIC方法，精确地计算出应变长实际演化过程。此外，还要将空间分辨率设置为0.13 mm/px，其他参数设置情况与静态测试保持一致。在此基础上，通过对子弹打击速度进行科学调整和控制，可以保证不同加载率检测结果的精确性[8]。另外，在较低加载率条件下，通过开展动态劈裂试验，不仅可以有效地满足中心起裂相关标准和要求，还能实现对应力场的自动化控制和调整，因此，该测试方法被广泛地应用于动态拉伸强度测试领域中。为了保证拉伸强度应变率强化效应测试结果的精确性和真实性，相关人员还要根据载荷峰值点设置情况，绘制拉应变时程曲线，并采用线性拟合的方式，对开裂之前的数据进行系统化处理和汇总，便于其他人员的查看和调用，经过处理，发现直线斜率达到了2.3 s-1。在较高载率下，为了实现对子弹速度的精确化控制和调整，需要将圆盘一端尽可能靠近入射杆一端，使得裂纹向四周进行快速传播。与载荷峰值点相比，拉应变化所对应的拐点最早出现，载荷峰值点出现的时刻为裂纹传播至最左端的时刻，导致开裂载荷远远低于载荷峰值。因此，在这种高加载率条件下，通过开展动态劈裂试验，无法有效地满足中心气裂条件，所以，动态劈裂测试发电无法适用于动态拉伸强度测试。在开展动态圆盘劈裂试验期间，需要根据拉伸应变情况，绘制相应的时程曲线，在此基础上，完成对应变率的精确测量。同时，还要借助透射杆，根据信号峰值的变动情况，根据压缩破坏应力相关信息数据，开展劈裂拉伸强度测量工作。然后，根据准静态加载数据，分析应变率与拉伸强度两者之间的关系，经过分析发现，在应变率不断提高下，拉伸强度呈现出不断增加的趋势。与此同时，通过利用DIC方法，对应变演化图像进行全面检测处理，可以精确检测出圆盘是否出现明显的中心劈裂现象。经过检测后，得到以下检测结果：中心起裂所对应的应变率达到了10 s-1;当应变率为1～10 s-1时，可以对动态化劈裂强度相关信息数据进行获取、整理和汇总，并将其安全、可靠地存储于指定的数据库中。当应变率不断升高时，动态劈裂强度数据表现出较高的可靠性和精确性。当高应变率远远超过10 s-1时，试件将处于非中心起裂状态，导致拉伸强度远远低于实际动态拉伸强度，造成劈裂强度数据呈现出分散状态。

2.3 层裂测试

在测量层裂拉伸强度期间，需要采用DIC方法，同时，还要将空间分辨率设置为0.40 mm/px，其他参数保持不变;同时，还要根据收试样显示结果，借助混凝土杆，全面收集和整理层裂次数，发现加载波形出现裂纹现象。由此可见，一旦出现层裂现象，混凝土很容易出现开裂问题，造成位移出现不连续问题，这无疑增加了拉应变增长斜率。此外，根据位移演化现象，不难发现，在对试样混凝土杆进行回收处理时，混凝土杆出现两次不同程度的裂纹现象。在270 μs时，当试件距离自由端280 mm时，位移出现明显间断现象，这是首层裂纹形成时刻;在290 μs时，距离自由端的210 m位置处，位移出现明显间断现象，这是第二层裂纹形成的时刻。因此，在确定断裂应变期间时，需要将第一层和第二层的裂变位置断裂应变分别设置为240×10-6、326×10-6。在正式进入开裂点之前，需要将两个层裂应变率分别设置为5、9 s-1。总之，通过开展3次实验，均采用了DIC方法，分别精确地计算出层裂强度在不同层裂下所对应的应变率，所获得数据达到了7个，劈裂拉伸强度应变率强化效应如图3所示。

从图3中可以看出，在该层裂方法下，随着应变率不断增加，动态拉伸强度呈现出不断增长的趋势。

3 实验结果分析

在本次试验中，要做好对混凝土圆盘的搅拌、浇筑和养护工作，此外，还要确保混凝土材料性能的一致性。纵观以上试验结果，不难发现，无论是劈裂拉伸，还是层裂拉伸，所得到的拉伸强度均呈现出应变率强化效应现象;这说明混凝土材料性能对拉伸强度应变率强化效应产生直接性的影响。测试方法不同，所对应的拉伸强度变化趋势也存在一定的差异;这说明测试方法直接影响了拉伸强度变化趋势。劈裂和层裂拉伸强度比较如图4所示。

通过采用线性拟合方式，对动态劈裂试验结果以及层裂试验结果进行分析，发现层裂拉伸强度增长率远远超过了动态劈裂拉伸强度增长率。当应变率在15 s-1以下时，劈裂拉伸强度远远超过了层裂拉伸强度。这是由于劈裂试验圆盘有较高的厚度，其承载能力相对较高，导致最终拉伸强度变高。另外，与层裂拉伸强度相比，劈裂拉伸强度相对较高，但是，由于层裂方法难以实现对较低应变率的测量。此外，当拉伸强度达到1 s-1时，需要优先选用劈裂拉伸强度。

4 结语

综上所述，本文通过利用圆盘试样，开展以下2种试验：一种是劈裂拉伸试验;另一种是层裂拉伸试验。通过采用霍普金森杆加载方式，科学测试混凝土材料在不同应变率下的拉伸强度，同时，还全面地分析和研究了劈裂拉伸强度应变率强化规律以及层裂拉伸强度应变率强化规律。通过本次试验得到以下结论：

（1）在准静态劈裂试验中，通过采用DIC方法，可以全面地了解和把握裂纹破坏演化过程，在集中载荷加载模式下，发现裂纹沿着加载端向中心位置不断传播，以起到有效贯通作用。在分布载荷加载模式下，裂纹沿着圆盘中心端，向四周加载端进行传播;

（2）在動态劈裂试验中，当应变率达到l～10 s-1时，拉伸强度呈现出线性增长的趋势，此时，可以精确地测量出实际拉伸强度和应变率强化效应;

（3）在层裂试验中，采用DIC方法除了可以精确地测量出多层层裂拉伸强度外，还能精确测量出应变率。当应变率达到率10～50 s-1时，在应变率的不断提高下，动态拉伸强度呈现出线性增长的趋势;

（4）当应变率达到l～10 s-1时，通过开展劈裂试验，可以获得较为准确的拉伸强度。这是由于劈裂试样所对应的惯性效应与拉伸强度两者之间存在一定的制约关系。这说明层裂试验测试法更适用于高应变率l～10 s-1以上数据的测量。此外，还要采用线性拟合的方式，对其拉伸强度应变率变化规律进行分析，最大限度地提高劈裂试验测量结果的精确性和真实性。由此可见，在这种高应变率条件下，混凝土材料所表现出的拉伸强度强化效应更为明显;

（5）以上试验测试法的应用，所获得应变率均超过了0.1 s-1，在应变率不断增加下，混凝土材料拉伸强度呈现出不断增加的趋势，这充分说明以上试验结果对精确测量混凝土材料拉伸强度以及其应变率强化效应具有一定的借鉴意义和指导意义。

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收稿日期：2021-08-03;修回日期：2022-03-01

作者简介：伍永康（1995-），男，本科，工程师，研究方向：混凝土施工。