由两点加载试件确定准脆性材料的断裂韧度及拉伸强度的方法
【专利摘要】本发明公开了一种由两点加载试件确定准脆性材料的断裂韧度及拉伸强度的方法，包括准备试件、切出裂缝、两点静力加载和记录峰值荷载、计算名义强度σn、计算等效裂缝长度ae等步骤，最后经过回归分析同时得出准脆性材料的拉伸强度ft与断裂韧度KIC。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。只需由两点加载的小尺寸两点加载型式的试件的峰值荷载，即同时确定准脆性材料的断裂韧度KIC和拉伸强度ft。
【专利说明】
由两点加载试件确定准脆性材料的断裂韧度及拉伸强度的 方法
技术领域
[0001] 本发明属于土木与水利工程技术领域，具体涉及一种由两点加载试件确定准脆性 材料的断裂韧度及拉伸强度的方法。
【背景技术】
[0002] 大量研究表明，准脆性材料(水泥砂浆、混凝土或岩石等）的强度与断裂韧度存在 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，则须采用较大尺寸试件。因 此，小尺寸准脆性材料的测试结果并不能直接用来评价其真实材料性能。
[0003] 对于准脆性材料断裂韧度的测试，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韧度，则采用试样的厚度B、裂纹长度^)、韧带尺寸W-a〇 需满足下式：
其中，Κκ为材料断裂韧度，ft为材料的拉伸强度。按ASTM的规定确定准脆性材料的KIC， 试件尺寸W-般要超过500mm甚至1000mm。若采用小尺寸试件，则断裂韧度等参数的尺寸效 应又不可避免。如何利用处于弹塑性断裂条件下的小尺寸试件，比如(W-a Q) /dmax=5~20的 试件，来确定无尺寸效应的材料真实断裂韧性，是目前亟待解决的科学难题。
[0004] 另外，在进行断裂韧度测试的试验中，对试件型式、加载夹具、加载方式、试验系统 等都有严格限制，在普通实验室条件下较难完成试样的准备和测试工作，这使得试验试样 的制作成本和试验工作量大为增加。
【发明内容】
[0005] 为克服现有测定方法存在的不足，本发明提出一种通过小尺寸的两点加载试件确 定准脆性的断裂韧性与拉伸强度的方法，该方法操作简单，易于实施，其检测条件宽松。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案： 设计一种由两点加载试件确定准脆性材料的断裂韧度及拉伸强度的方法，包括下列步 骤： (1) 制作一定数量的高度为W、厚度为B、有效长度为L的准脆性材料两点加载弯曲梁试 件;有效长度为试件除加载头外的部分的长度； (2) 将所述试件分别切出裂缝，裂缝长度为ε?ο,使各试件的缝高比c^eio/W在0.05~0.70 的范围内离散取值;从中选取5~8种不同缝高比的试件，且每种缝高比对应3~6个试件； (3) 在试验机上，按普通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P; (4) 基于步骤(3)所得的峰值荷载P，计算出各个试件的名义强度ση; (5) 计算出各个试件的等效裂缝长度au (6) 将步骤(4)、步骤(5)所得各个试件的〇11与&(3值，带入式(1)进行回归分析，
即可同时得到准脆性材料的拉伸强度ft与断裂韧度KIC。
[0007] 优选的，在所述步骤（2)中，所述缝高比a=a〇/W的取值依次为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] 优选的，在所述步骤(4)中，由式(2)计算出各个试件的名义强度〇n，
式(2 )中，Ρ为峰值荷载;W为试件高度;Β为试件厚度;S为试件长度，Τ为加载点到试件长 度中点的距离，ε?ο为初始裂缝长度，β · dmax为峰值荷载Ρ对应的初始裂缝扩展量;dmax为骨料 最大粒径;β为考虑试件结果离散性的调整系数，β不是定值，为精确个性化求解各个试件的 强度与韧度，β可根据本领域常识在0.1~2.0之间离散取值，如0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、 0·7、0·8.·_2·0〇
[0009] 优选的，在所述式(2)中，当β=1.0时，从统计角度计算得出准脆性材料的强度与韧 度的平均值； 当0=〇.2、〇.4、〇.6、〇.8、1.〇、1.2、1.4-_2.〇时，从准脆性材料性能的离散性角度，计算 得出准脆性材料的强度与韧度的精确值。
[0010]优选的，在所述步骤(5)中，各个试件的等效裂缝长度ae由式(3a)、（3b)计算：
式中，为初始裂缝长度;α为缝高比;Υ(α)为几何影响参数。
[0011] 本发明的有益技术效果在于： 1.本发明方法中采用两点加载型式的小尺寸弯曲试样，检测条件宽松，如试件尺寸不 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。
[0012] 2.本发明采用两点加载的一种试样和测试方法，即可同时确定准脆性材料的断 裂韧度及拉伸强度，克服了目前确定准脆性材料的断裂韧度和拉伸强度需采用不同型式的 试样和加载方法。
[0013] 3.本发明对于断裂韧性试验的初始裂纹的形成，只需采用切割机切缝，而不需进 行试件准备时的预制裂缝。
[0014] 4.通过参数β ?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韧度，即，从统计角度取值β=1. 〇，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韧度时，则β可取值0.2、0.4、0.6、 0·8、1·0、1·2、1·4···2·0〇
【附图说明】
[0015]图1为本发明两点加载试件峰值荷载时的应力分布图； 图2表示统计意义下β= 1.0时β · 取值示意图； 图3表示0=〇.2、〇.4、〇.6、〇.8、1.〇、1.2、1.4~时0，(1腹的精确取值示意图； 图4为由实施例1两点加载试件的试验数据回归确定混凝土材料的断裂韧度与拉伸强 度示意图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图和实施例来说明本发明的【具体实施方式】，但以下实施例只是用来详 细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。以下实施例中所涉及的一些步骤或方 法，如无特殊说明，均为本领域的常规方法，所涉及的材料如无特别说明，均为市售材料。
[0017] 首先，制备试件尺寸均为WX B XL的准脆性材料(水泥砂浆或混凝土或岩石等）由 两点加载试件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。在满足试验 机测试精度要求和其它配套测量仪器精度要求的前提下，试件的尺寸W可足够小。
[0018] 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 =ao/W在 0.10~0.70的范围内离散取值;从中选取5~8种不同缝高比的试件，每种缝高比对应3~6 个试件。
[0019]实施例1:本实施例试验所用两点加载型式的混凝土试件，其混凝土骨料最大粒 径cUax= 13mm，L X B X W = 806.4 X 152 X 203.2 mm，初始缝高比a =a〇/W= 0.30、 0 · 35、0 · 40、0 · 45、0 · 50，W/dmax=l 5 · 6。
[0020] 参见图1，考虑混凝土为准脆性材料，峰值荷载P时的应力分布如图1所示，对应的 裂缝扩展量Aa=i3 · dmax。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〇n。
[0021] 从统计角度考虑β=1.0,可计算得出混凝土断裂韧度与拉伸强度的平均值，参见图 2。考虑混凝土试验结果的离散性问题而精确求解，可使β=0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、 1.4···，计算得出混凝土的断裂韧度与拉伸强度的精确值，参见图3。
[0022]每个试件的等效裂缝长度ae可由下式(3a)、（3b)计算： 得到不同的〇11与~后，带入式（1)进行回归分析，即可同时得出混凝土材料的拉伸强 度ft与断裂韧度Κκ。
[0023] 实施例1试验数据回归确定的混凝土材料的拉伸强度与断裂韧度结果参见图4。确 定的混凝土的断裂韧度与拉伸强度数据见下表1。
[0024] 表1实施例1确定的两点加载混凝土试件的断裂韧度及拉伸强度
[0025]可见，从统计意义上看，当β=1.0时，混凝土的与断裂韧度拉伸强度都可与试验实 测平均值相吻合。若考虑试验中每个不同试件的离散性，则β=〇.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、 1·4···〇
[0026]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。对这些 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以在 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 显示的这些实施例，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. 一种由两点加载试件确定准脆性材料的断裂韧度及拉伸强度的方法，其特征在于， 包括以下步骤： (1) 制作一定数量的高度为W、厚度为B、有效长度为L的准脆性材料两点加载弯曲梁试 件;有效长度为试件除加载头外的部分的长度； (2) 将所述试件分别切出裂缝，裂缝长度为ao,使各试件的缝高比a=aQ/W在0.05~0.70 的范围内离散取值;从中选取5~8种不同缝高比的试件，且每种缝高比对应3~6个试件； (3) 在试验机上，按常规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P; (4) 基于步骤(3)所得的峰值荷载P，计算出各个试件的名义强度ση; (5 )计算出各个试件的等效裂缝长度; (6)将步骤(4)、步骤(5)所得各个试件的〇n与&(3值，带入式(1)进行回归分析，即可同时得到准脆性材料的拉伸强度ft与断裂韧度Κκ。2. 根据权利要求1所述的由两点加载试件确定准脆性材料的断裂韧度及拉伸强度的方 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0.10、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. 根据权利要求1所述的由两点加载试件确定准脆性材料的断裂韧度及拉伸强度的方 法，其特征在于:在所述步骤(4)中，由式(2)计算出各个试件的名义强度σ η，式(2)中，Ρ为峰值荷载;W为试件高度;Β为试件厚度;S为试件长度，Τ为加载点到试件长 度中点的距离，ε?ο为初始裂缝长度，β · dmax为峰值荷载Ρ对应的初始裂缝扩展量;dmax为骨料 最大粒径;β为考虑试件结果离散性的调整系数，树安常规方法在0.1~2.0之间离散取值。4. 根据权利要求3所述的由两点加载试件确定准脆性材料的断裂韧度及拉伸强度的方 法，其特征在于:在所述式(2)中，当β=1.0时，从统计角度计算得出准脆性材料的强度与韧 度的平均值；当β=〇.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4…2.0时，从准脆性材料性能的离散性角 度，计算得出准脆性材料的强度与韧度的精确值。5. 根据权利要求1所述的由两点加载试件确定准脆性材料的断裂韧度及拉伸强度的方 法，其特征在于:在所述步骤(5)中，各个试件的等效裂缝长度a e由式(3a)、（3b)计算：式中，aQ为初始裂缝长度;α为缝高比;Y (α)为几何影响参数。6. 根据权利要求1所述的由两点加载试件确定准脆性材料的断裂韧度及拉伸强度的方 法，其特征在于:步骤(1)中，试验所用试件个数为15~48个。
【文档编号】G01N1/28GK105865896SQ201610338023
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月19日
【发明人】管俊峰, 姚贤华, 白卫峰, 胡晓智, 谢超鹏, 王强, 韩霄羽, 钱国双
【申请人】华北水利水电大学