同时测定水泥砂浆或混凝土拉伸强度与断裂韧度的方法
【专利摘要】本发明公开了一种同时测定水泥砂浆或混凝土拉伸强度与断裂韧度的方法，包括浇筑试件、切出裂缝、静力加载和记录峰值荷载、计算名义强度<i>σ</i>n、计算等效裂缝长度<i>a</i>e等步骤，最后经过回归分析同时得出水泥砂浆或混凝土的拉伸强度<i>f</i>t与断裂韧度<i>K</i>IC。本发明方法形式简单，试验易操作，具有足够精度，且易判断结果合理性。只需由小尺寸试件的峰值荷载，即同时确定水泥砂浆及混凝土的拉伸强度<i>f</i>t和断裂韧度<i>K</i>IC。
【专利说明】
同时测定水泥砂浆或混凝±拉伸强度与断裂初度的方法
技术领域
[0001] 本发明设及±木与水利工程材料性能技术领域，具体设及一种同时测定水泥砂浆 或混凝±拉伸强度与断裂初度的方法。
【背景技术】
[0002] 大量研究表明，水泥砂浆及混凝±的强度与断裂初度存在明显的尺寸效应。若要 得到与试件尺寸无关的真实材料参数，则须诱筑较大尺寸试件。因此，小尺寸水泥砂浆试件 的测试成果并不能直接用来评价水泥砂浆和混凝±的真实材料性能。
[0003] 目前，水泥砂浆和混凝±的拉伸强度一般须采用轴屯、拉伸试样进行试验，轴屯、受 拉试件的制作和试验都相对困难。由于水泥砂浆及混凝±的非均质性，试件即使能够几何 对中，而往往也不能真正的物理对中，从而形成实际的偏屯、受力状态。
[0004] 另一方面，对于水泥砂浆及混凝±断裂初度的测试，根据美国ASTM E399规范，若 满足线弹性断裂力学条件，测定无尺寸效应的材料断裂初度，采用试样的厚度B，裂纹长度 a〇,初带尺寸W-a日均需满足下式：
[0005]
[0006] 其中，Kie为材料断裂初度，ft为材料的拉伸强度。则按ASTM的规定确定水泥砂浆的 Kic，试件尺寸W-般要达到500mm左右;而混凝±试件尺寸W-般都要超过1000mm。若采用小 尺寸试件，则断裂初度等参数的尺寸效应又不可避免。如何由处于弹塑性断裂条件下的小 尺寸试件，比如(W-a〇)/cUx = 3-10的试件，来确定无尺寸效应的材料真实断裂初性，是亟待 解决的科学难题。
[0007] 另外，进行断裂初度测试试验中，对试件型式、加载夹具、加载方式、试验系统等都 有严格限制。使得试验试样的制作成本和试验工作量大为增加。
[0008] 还需强调的是，目前确定水泥砂浆和混凝±的拉伸强度和断裂初度需采用不同型 式的试样和加载方法。而用同一种测试方法和试样，同时确定水泥砂浆和混凝±拉伸强度 及断裂初度的方法还未见报道。
【发明内容】
[0009] 目前，测定水泥砂浆或混凝±的拉伸强度对试验试件和试验系统要求较高，另一 方面测定无尺寸效应的断裂初度需要的试件尺寸很大，普通实验室条件下较难完成试样的 诱筑和测试工作。为克服现有测定方法的不足，本发明提出一种可同时确定水泥砂浆或混 凝±的拉伸强度与断裂初性的测试方法。
[0010] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
[0011] 设计一种同时测定水泥砂浆或混凝±拉伸强度与断裂初度的方法，其特征在于， 包括下列步骤：
[0012] (1)按给定的水泥砂浆或混凝上配合比要求，诱筑一定数量的尺寸均为WXBXL的 水泥砂浆或混凝±立点弯曲梁试件，其中，W为试件高度，B为试件厚度，L为试件有效长度， 试件满足L/W=2.5、4或8;
[0013] (2)将步骤(1)所得试件养护到规定要求的龄期后，采用切割机对所述试件分别切 出裂缝，裂缝长度为曰日，试件的缝高比a = ao/W在0.02~0.75的范围内取值;从中选取5~8种 不同缝高比的试件，每种缝高比对应3~5个试件；其中试件的缝高比α的取值方式为：在 0.02~0.75的范围内随机取值、均态分布；
[0014] (3)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，试验过程中记录每个试件的峰值荷载Pmax ;
[0015] (4)基于步骤(3)所得的每个试件的峰值荷载，计算出每个试件的名义强度曰η;
[0016] (5)计算出每个试件的等效裂缝长度ae;
[0017] (6)将步骤(4)、步骤(5)所得的不同的On与ae值，带入下式（1)进行回归分析，
[001 引 --式（1);
[0019]即可同时得出水泥砂浆或混凝上的拉伸强度ft与断裂初度Kic。
[0020] 优选的，在所述步骤（2)中，所述缝高比α = ao/W的取值依次为0.05，0.1，0.15， 0.2,0.25,0.3,0.35,0.4,0.45,0.5,0.55,0.6,0.65,0.7。
[0021] 优选的，在所述步骤(4)中，由下式(2)计算出每个试件的名义强度曰η，
[0022]
[0023] 式(2)中，Wl = W-a〇;W2 = W广（丫 · dmax);W3 = Wl+(丫 · cUax);Pmax 为各试件实测峰值 荷载;B为试件厚度;ao为初始裂缝长度，丫 . dmax为峰值荷载Pmax对应的初始裂缝扩展量； cUax为骨料最大粒径。
[0024] 优选的，在所述式(2)中，当丫 = 1.0时，从统计角度计算得出水泥砂浆或混凝±强 度与初度的平均值；
[00巧]当丫 =0.2,0.4,0.6,0.8…2.0时，从水泥砂浆或混凝±的材料性能的离散性角 度，计算得出水泥砂浆或混凝±强度与初度的精确值。
[0026]优选的，在所述步骤(5)中，每个试件的等效裂缝长度ae由下式(3a)~(3d)计算：
[0029] 当 L/W=4时
[0030] 当 L/W=8 时，Υ(α) = 1.106-1.55 化巧.71日2-13.53日3+14.23口4
[0031] --式（3d)。
[0032] 本发明的有益效果在于：
[0033] 1.本发明的方法中采用小尺寸试样，试件尺寸不需满足现有规范测定线弹性断裂 条件下，试件的高度、厚度、初始裂缝长度等都要大于一定数值的严格要求。
[0034] 2.本发明采用一种试样和测试方法，即可同时确定水泥砂浆或混凝±的拉伸强度 及断裂初度。克服了目前确定水泥砂浆和混凝±的拉伸强度和断裂初度需采用不同型式的 试样和加载方法。
[0035] 3 .对于断裂初性试验的初始裂纹的形成，只需采用切割机切缝，而不需进行试件 诱筑时的预制裂缝。大大降低了加工试样裂缝的难度，减轻了相应的工作量。
[0036] 4.通过参数丫 · cUx来考虑峰值荷载对应的裂缝扩展量，从而可准确估计整体试 验结果的离散性，计算单个试件的拉伸强度和断裂初度，即，从统计角度取值丫 = 1.0，可计 算整体试验的平均值;精确求解每个试件的拉伸强度和断裂初度时，则丫可取值0.2、0.4、 0.6、0.8...2.0。
[0037] 5.本发明的方法形式简单，试验易操作，具有足够精度，且易判断结果合理性。该 方法只需由小尺寸试件的峰值荷载，即同时确定水泥砂浆的拉伸强度ft和断裂初度Kic。不 需要满足现行国内外规范对试验试样尺寸、型式，加载条件等的严格规定。
【附图说明】
[0038] 图1为本发明试件形状及峰值荷载时的应力分布图；
[0039] 图2为λ · cUax的取值示意图：其中，图2a表示统计意义下丫 =1.0时的取值；图化表 示丫 =0.2,0.4,0.6,0.8···2.0 时的精确取值；
[0040] 图3为由实施例1试验数据回归确定的水泥砂浆拉伸强度与断裂初度示意图：其 中，图3a为第一系列试件L X Β XW=400 X 50 X 100mm的拉伸强度与断裂初度；图3b为第二系 列试件L X B X W=240 X 50 X 60mm的拉伸强度与断裂初度；
[0041] 图4为由实施例2试验数据回归确定的混凝±拉伸强度与断裂初度示意图。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合附图和实施例来说明本发明的【具体实施方式】，但W下实施例只是用来详 细说明本发明，并不W任何方式限制本发明的范围。W下实施例中所设及的一些步骤或方 法，如无特殊说明，均为本领域的常规方法，所设及的材料、仪器设备，如无特别说明，均为 常规材料和仪器设备。
[0043] 首先，按给定的水泥砂浆配合比要求，诱筑尺寸均为W X B X L的水泥砂浆或混凝± Ξ点弯曲梁试件15~40个，其中，W为试件高度，B为试件厚度，L为试件有效长度，试件满足 L/W=2.5、4或8。在满足试验机测试精度要求和其他配套测量仪器精度要求的前提下，试件 的尺寸W可足够小。
[0044] 将上述试件养护到规定要求的龄期后，采用切割机对所述试件分别切出裂缝，裂 缝长度为曰日，试件的缝高比a = ao/W在0.02~0.75的范围内取值;从中选取5~8种不同缝高 比的试件，每种缝高比对应3~5个试件。
[0045] 实施例1:本实施例1试验所用水泥砂浆骨料最大粒径cUx = 2.5mm。分两个系列:第 一系列LXBXW = 400X50X100mm，初始缝高比α = ao/W = 0.03~0.72，W/cUx = 40。第二系 列L X B X W=240 X 50 X 60mm，初始缝高比口 = a〇/W=0.04~0.68，W/dmax= 24。
[0046] 参见图1，考虑水泥砂浆为准脆性材料，峰值荷载时的应力分布如图1所示，对应的 裂缝扩展量Aafic= 丫 · dmax。基于下式(2)，由实测的峰值荷载Pmax，可计算出每个试件的名 义强度On:
[0047]
[004引从统计角度考虑丫 =1.0,可计算得出水泥砂浆拉伸强度与断裂初度的平均值，参 见图2a。考虑水泥砂浆试验结果的离散性问题而精确求解，可使丫 = 0.2，0.4，0.6，0.8… 2.0,计算得出水泥砂浆拉伸强度与断裂初度的精确值，参见图化。
[0049]每个试件的等效裂缝长度ae可由下式(3a)~(3d)计算：
[0化3]当 L/W=8 时，Υ(α) = 1.106-1.55 化巧.71日2-13.53日3+14.23口4
[0化4] --式（3d)。
[0055]得到不同的On与ae后，带入式（1)进行回归分析，即可同时得出水泥砂浆的拉伸强 度ft与断裂初度Kic:
--式（化
[0057] 实施例1试验数据回归确定的水泥砂浆拉伸强度与断裂初度结果参见图3,其中， 图3a为第一系列试件LXBXW = 400X50X100mm的拉伸强度与断裂初度；图3b为第二系列 试件LXBXW = 240X50X60mm的拉伸强度与断裂初度。确定的水泥砂浆拉伸强度与断裂初 度数据见下表1。
[0058] 表1实施例1确定的水泥砂浆拉伸强度与断裂初度
[0化9]
[0060]可见，从统计意义上看，当丫 = 1.0时，水泥砂浆拉伸强度与断裂初度都可与试验 实测平均值相吻合。若考虑试验中每个不同试件的离散性，则丫 =0.6,0.8…2.0。
[0061 ]实施例2:本实施例2试验所用混凝±骨料最大粒径cUx= 19mm。试件尺寸L X B XW =1143 X 76.2 X 305mm，初始缝高比 α = a〇/W=0.36 ~0.68，W/d 丽=16。
[0062] 试件峰值荷载时的应力分布如图1所示，对应的裂缝扩展量AafK= 丫 · cUx。基于 式(2)，由实测的峰值荷载，可计算出每个试件的名义强度曰η。
[0063] 从统计角度考虑丫 =1.0,可计算得出混凝±拉伸强度与断裂初度的平均值。考虑 混凝±试验结果的离散性问题而精确求解，则使丫 = 0.6，0.8…2.0，计算得出混凝±拉伸 强度与断裂初度的精确值。
[0064] 每个试件的等效裂缝长度ae可由式(3a)~(3d)计算。
[0065] 得到不同的On与ae后，带入式（1)进行回归分析，即可同时得出混凝±的拉伸强度 ft与断裂初度Kic。实施例(2)中所指的式(1)、式(2)、式(3a)~(3d)与实施例1中相同。
[0066] 参见图4,为实施例2试验数据回归确定的混凝±拉伸强度与断裂初度结果。确定 的混凝±拉伸强度与断裂初度具体数据见下表2。
[0067] 表2实施例2确定的混凝±拉伸强度与断裂初度 [006引
[0069]~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。对运些~ 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w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 显示的运些实施例，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。
【主权项】
1. 一种同时测定水泥砂浆或混凝土拉伸强度与断裂韧度的方法，其特征在于，包括下 列步骤： (1) 按给定的水泥砂浆或混凝土配合比要求，浇筑一定数量的尺寸均为WXBXL的水泥 砂浆或混凝土三点弯曲梁试件，其中，W为试件高度，B为试件厚度，L为试件有效长度，试件 满足 L/W=2.5、4或 8; (2) 将步骤(1)所得试件养护到规定要求的龄期后，采用切割机对所述试件分别切出裂 缝，裂缝长度为ao,试件的缝高比a = aQ/W在0.02~0.75的范围内取值;从中选取5~8种不同 缝高比的试件，每种缝高比对应3~5个试件； (3) 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，试验过程中记录每个试件的峰值荷载Pmax; (4) 基于步骤(3)所得的每个试件的峰值荷载，计算出每个试件的名义强度〇n; (5) 计算出每个试件的等效裂缝长度 (6) 将步骤(4)、步骤(5)所得的不同的~与&(3值，带入下式(1)进行回归分析，即可同时得出水泥砂浆或混凝土的拉伸强度ft与断裂韧度KIC。2. 根据权利要求1所述的同时测定水泥砂浆或混凝土拉伸强度与断裂韧度的方法，其 特征在于，在所述步骤(2)中，所述缝高比a = aQ/W的取值依次为0.05,0.1，0.15,0.2,0.25， 0·3,0·35,0·4,0·45,0·5,0·55,0·6,0·65,0·7〇3. 根据权利要求1所述的同时测定水泥砂浆或混凝土拉伸强度与断裂韧度的方法，其 特征在于，在所述步骤(4)中，由下式(2)计算出每个试件的名义强度 〇n，式⑵中，Wi = W-a〇;W2=Wi-( γ · dmax);W3=Wi+( γ · dmax);Pmax为各试件实测峰值荷载； B为试件厚度;ε?ο为初始裂缝长度，γ · dmax为峰值荷载Pmax对应的初始裂缝扩展量;dmax为骨 料最大粒径。4. 根据权利要求3所述的同时测定水泥砂浆或混凝土拉伸强度与断裂韧度的方法，其 特征在于，在所述式(2)中，当γ =1.0时，从统计角度计算得出水泥砂浆或混凝土强度与韧 度的平均值； 当γ=0.2,0.4,0.6,0.8··· 2.0时，从水泥砂浆或混凝土的材料性能的离散性角度，计 算得出水泥砂浆或混凝土强度与韧度的精确值。5. 根据权利要求1所述的同时测定水泥砂浆或混凝土拉伸强度与断裂韧度的方法，其 特征在于，在所述步骤(5)中，每个试件的等效裂缝长度&由下式(3a)~(3d)计算：以上式中，aQ为初始裂缝长度;α为缝高比;Υ(α)为几何影响参数。6.根据权利要求1所述的同时测定水泥砂浆或混凝土拉伸强度与断裂韧度的方法，其 特征在于，在所述步骤(1)中，浇筑的试件个数为15~40个。
【文档编号】G01N3/08GK105823686SQ201610231752
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】管俊峰, 姚贤华, 胡晓智, 白卫峰, 王强, 谢超鹏, 钱国双, 赵顺波
【申请人】华北水利水电大学