同时测定混凝土断裂韧度与抗拉强度的方法及应用与流程

本发明涉及土木与水利工程材料性能检测技术领域，具体涉及一种同时测定混凝土断裂韧度与抗拉强度的方法及应用。

背景技术

目前确定混凝土的抗拉强度常采用轴心拉伸、劈裂抗拉等试验方法。对于混凝土断裂试验来说，目前常采用跨中单点加载，两端支撑的三点弯曲梁型式。而较少采用两点加载的方法。采用两点加载，试件加载过程中两加载点之间可形成一个较长的纯弯段，这段距离内外力作用形成的内力是常数，则整个试件的受力更加稳定性，试验结果更为可靠。相反，对于单点加载，其最大弯矩出现在跨中截面，受加载力位置的偏差和试件本身质量不均匀等的影响，其加载过程的稳定性不如两点加载，试验结果离散性较大。因此，对于混凝土材料，采用两点加载更具优势。

采用边界效应理论可同时确定无尺寸效应的混凝土的断裂韧度与抗拉强度，但是，该方法须基于一定量的试验数据，通过拟合回归分析才能实现。并且，采用的试件须满足：相同尺寸不同缝高比变化；或相同缝高比不同尺寸变化；或者两种试件的组合型式。

公开于2016年8月31日的中国专利文献cn105910899a记载了一种同时测定岩石材料的抗拉强度与断裂韧度的方法，旨在解决无法确定无尺寸效应的岩石真实断裂韧性的技术难题。其主要步骤如下：选取试件高度w≤400mm的试件并得到其实测的峰值荷载pmax，经过计算得到试件的名义强度σn；将试件的名义强度σn与等效裂缝深度ae再次计算，即可同时测定岩石材料的抗拉强度ft和断裂韧度kic。

技术实现要素：

本发明的发明目的是提供一种同时测定混凝土断裂韧度与抗拉强度的方法及应用的另一种解决思路，以解决现有的无尺寸效应的混凝土断裂韧度与抗拉强度的同步测定方法需要重复大量的试验，并对该些试验数据进行拟合分析工作导致的成本高、耗时长的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

设计一种同时测定混凝土断裂韧度与抗拉强度的方法，包括下列步骤：

(1)制作混凝土两点加载试件，其中，以毫米为单位记录：混凝土的骨料最大粒径为dmax，试件高度为w，试件厚度为b，试件有效跨度为s，初始裂缝深度为a0；并计算获取缝高比为α；

(2)按静力加载试验方法进行两点加载试验，试验过程中以毫米为单位记录加载点到试件长度中点的距离t、以牛顿为单位记录该试件的峰值荷载p；

(3)将步骤(1)、步骤(2)中获取的对应数据的值代入式(1)和式(2)，并获取x1、y1对应的值；

y1＝p——式(2)；

其中，在式(1)中，ae为几何参数；

确定经过坐标点(0,0)和(x1,y1)的直线，该直线的斜率为k1，其中，该试件对应的混凝土的断裂韧度kic等于k1，单位为mpa·m^1/2；

将步骤(1)、步骤(2)中获取的对应数据的值代入式(3)和式(4)，并获取x2、y2对应的值；

y2＝p——式(4)；

其中，在式(3)中，ae为几何参数；

确定经过坐标点(0,0)和(x2,y2)的直线，该直线的斜率为k2，其中，该试件对应的混凝土的抗拉强度ft等于k2，单位为mpa。

应当明白，可根据单位的换算方式获取公式的变种，但该种变换方式属于公知常识类变换，同样属于本发明的保护范围。

优选的，在所述步骤(3)中，将所述步骤(1)获取的对应数据的值代入式(5)、式(6)，以获取式(1)和式(3)中的几何参数ae，

优选的，在所述步骤(2)中，通过压力试验机或者万能试验机对所述试件进行两点加载试验。

优选的，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，比如w≤200mm中的任一值。

优选的，所述缝高比α为0.1～0.6中的任一值。

优选的，利用模具通过混凝土一次浇筑成型的方法获得所述试件，所述模具设有长方体形内腔，长方体的高度等于w，长方体的长度大于s，长方体的宽度等于b；在所述内腔中，在所述长方体的中部，沿长方体的高度方向设有高度为h×α的楔板，楔板的下底面与内腔的底面设在同一平面上，或者，楔板的上表面与内腔的顶面设在同一平面上；或者，通过切缝的方法获得所述试件，在浇筑规格为w×b×s长方体混凝土试件并养护到规定龄期后，沿试件的厚度方向，在试件中部向下切割出初始裂缝，初始裂缝的深度为h×α。

一种前述同时测定混凝土断裂韧度与抗拉强度的方法的应用，在所述步骤(1)中，制作一组所述试件；在所述步骤(2)中，分别对该组试件的组成试件单独试验，记录每个试件的峰值荷载pi，计算出该组试件峰值荷载的平均值，并记为p0；在所述步骤(3)中，式(2)和式(4)的p为p0，分别获取该组试件对应的混凝土的断裂韧度kic和抗拉强度ft。

优选的，一组所述混凝土两点加载试件的数量为4～6个。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明的方法基于非均质材料的两点加载试件的非线弹性理论解析解，求解具有唯一性，仅需浇筑一组试件尺寸均为w×b×s且缝高比均为α的混凝土两点加载试件即可得到无尺寸效应的混凝土的材料参数：断裂韧度kic与抗拉强度ft，不需在重复大量的实验的条件下对实验数据进行拟合分析工作，成本低、耗时短。

2.本发明所提的判断方法，仅需两个坐标点，且其中一个点固定为原点(0,0)；而另一个点既可取一组试件峰值荷载的平均值，得到材料参数的平均值，也可取该组内单个试件的峰值荷载单个值，则可得到材料参数的每个个体值，从而可展示混凝土类非均质材料的断裂与强度参数确定结果的离散性。

3.本发明的方法中采用两点加载试件型式，试验加载过程稳定。

4.试验过程中仅需测定3～6个试件的峰值荷载，不需要测定其他试验量，所需试验设备常见，且试验工作量小，试验过程较为简单，却能获得具有足够精度的测定结果，且易判断结果合理性。

附图说明

图1为本发明所示由两点连直线的斜率确定一组试件的平均断裂韧度的示意图。

图2为本发明所示由两点连直线的斜率确定一组试件的平均抗拉强度的示意图。

图3为本发明所示由两点连直线的斜率确定单一试件的断裂韧度的示意图。

图4为本发明所示由两点连直线的斜率确定单一试件的抗拉强度的示意图。

具体实施方式

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。

下述实施例或实验例中，w为试件高度，b为试件厚度，s为试件有效跨度，a0为试件的初始裂缝深度，缝高比α＝a0/w。

实施例1：一种由两点加载试件确定混凝土断裂韧度与抗拉强度的两点直线法，包括下列步骤：

(1)按给定的混凝土配合比要求，浇筑一组尺寸均为w×b×s且缝高比均为α的混凝土两点加载试件。其中，w为试件高度，b为试件厚度，s为试件有效跨度，混凝土的骨料最大粒径为dmax，试件的初始裂缝深度为a0，w、b、s、a0、dmax单位均为毫米；缝高比α＝a0/w；在本实施例中，利用模具通过混凝土一次浇筑成型的方法获得试件，模具设有长方体形内腔，长方体的高度等于w，长方体的长度大于s，长方体的宽度等于b；在所述内腔中，在所述长方体的中部，沿长方体的高度方向设有高度为a0的楔板，一种楔板的设置方式是，楔板的下底面与内腔的底面设在同一平面上，另一种楔板的设置方式是，楔板的上表面与内腔的顶面设在同一平面上；在其它实施例中，还可以通过切缝的方法获得所述试件，在浇筑规格为w×b×s长方体混凝土试件并养护到规定龄期后，沿试件的厚度方向，在试件中部向下切割出初始裂缝，初始裂缝的深度为a0，其中，α为0.1～0.6中的任一值。

(2)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进行两点加载试验，试验过程中记录加载点到试件长度中点的距离t，t单位为毫米，该组中每个试件的峰值荷载pi，计算出该组试件峰值荷载的平均值记为p0，pi、p0单位均为牛顿；

(3)基于y1＝k1·x1的经过坐标原点的方程型式，由两点确定直线，计算该组试件的断裂韧度的平均值kic：结合图1，

第一个点为原点零点(0,0)，

第二个点的纵坐标y1等于步骤(2)中获取一组试件的峰值荷载的平均值p0，第二个点的横坐标x1可由步骤(1)、步骤(2)中获取的数据代入式(7)、式(8)和式(9)求得，

式(7)、式(8)、式(9)中，p0为实测该组试件的峰值荷载的平均值；w为试件高度；b为试件厚度；s为试件有效跨度，t为加载点到试件长度中点的距离，ae为几何参数，dmax为混凝土的骨料最大粒径。

求出第二个点的坐标后，与第一个点(0,0)连线，求该直线的斜率k1，该斜率k1即为该组试件的断裂韧度的平均值kic，单位为mpa·m^1/2；

(4)基于y1＝k1,i·x1的经过坐标原点的方程型式，由两点确定直线的方法计算该组每个试件的断裂韧度的kic,i：结合图3，

第一个点为原点0点(0,0)，

第二个点的纵坐标y1等于一组试件中的每个混凝土试件的峰值荷载pi，第二个点的横坐标x1可由式(7)、式(8)和式(9)求得，

求出第二个点的坐标(x1,pi)后，与第一个点(0,0)连线，其直线的斜率k1,i即为每个试件的断裂韧度的kic，i，单位为mpa·m^1/2；

(5)基于y2＝k2·x2的经过坐标原点的方程型式，由两点确定直线，计算该组试件的抗拉强度的平均值ft：结合图2，

第一个点为原点0点(0,0)，

第二个点的纵坐标y2等于一组混凝土试件的峰值荷载的平均值p0，第二个点的横坐标x2可由式(7)、式(8)和式(10)求得，

求出第二个点的坐标后，与第一个点(0,0)连线，其直线的斜率k2即为该组试件的抗拉强度的平均值ft，单位为mpa；

(6)基于y2＝k2,i·x2的方程型式，由两点确定直线的方法计算该组每个试件的抗拉强度的ft,i：结合图4，

第一个点为原点0点(0,0)，

第二个点的纵坐标y2等于一组每个混凝土试件的峰值荷载pi，第二个点的横坐标x2可由式(7)、式(8)和式(10)求得，

求出第二个点的坐标(x2,pi)后，与第一个点(0,0)连线，其直线的斜率k2,i即为该组每个试件的抗拉强度的ft,i，单位为mpa；

应当说明的是，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，比如w≤200mm中的任一值。

实验例1：本实验例1试验所用混凝土骨料最大粒径dmax＝13mm，t＝200mm。按试件尺寸分为三组：

第一组w×b×s＝200×150×800mm，缝高比α＝a0/w＝0.3，共计6个试件。采用本发明方法，基于6个试件的峰值荷载，可分别得出6个试件确定的断裂韧度与抗拉强度，以及由第一组试件峰值荷载的平均值，得出的断裂韧度与抗拉强度的平均值，结果见表1。

第二组w×b×s＝200×150×800mm，缝高比α＝a0/w＝0.4，共计4个试件。采用本发明方法，基于4个试件的峰值荷载，可分别得出4个试件确定的断裂韧度与抗拉强度，以及由第二组试件峰值荷载的平均值，得出的断裂韧度与抗拉强度的平均值，结果见表1。

第三组w×b×s＝200×150×800mm，缝高比α＝a0/w＝0.5，共计4个试件。采用本发明方法，基于4个试件的峰值荷载，可分别得出4个试件确定的断裂韧度与抗拉强度，以及由第三组试件峰值荷载的平均值，得出的断裂韧度与抗拉强度的平均值，结果见表1。

表1实验例1确定的断裂韧度与抗拉强度

由表1可见，采用本发明，分别由三组不同试验试件确定的断裂韧度与抗拉强度较为吻合，证明了本发明所提方法的有效性和合理性。并且，计算的断裂韧度与抗拉强度不随试件尺寸变化，没有尺寸效应。

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。