混凝土材料的拉伸強度應變率的 強化效應試驗

伍永康　文申兵　韋文森　張天賜　王曉宇　車想想

摘 要：使用超高速攝像機測試法對試件破壞過程進行全面觀察，采用加載方式開展劈裂試驗。在精確控制層裂發生時間和位置的基礎上，提高混凝土材料拉伸強度的可靠性和穩定性。結果表明：采用DIC方法，在動態劈裂試驗中，獲得的臨界應變率達到了10 s-1;在層裂試驗中，獲得的層裂拉伸強度應變率達到了10～100 s-1;在線性擬合法下，斜率較劈裂試驗結果較高，混凝土拉伸強度所對應的增強因子超過5。

關鍵詞：混凝土材料;動態;劈裂;層裂;拉伸強度;應變率;動態擴大因子

中圖分類號：TQ172 文獻標識碼：A 文章編號：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

在動態拉伸載荷作用下，混凝土材料的拉伸強度通常會表現出較高的應變率強化效應。而動態拉伸強度的測試方式主要包含以下3種：（1）動態直接拉伸。該測試方法主要借助霍普金森桿，將圓柱試樣粘貼于投射桿上，但是，這種測試方法由于受粘接強度較低而出現附加彎矩現象，難以保證最終測試結果的精確性;（2）層裂拉伸。該測試方法主要借助壓縮應力波進行一定范圍內傳播，一旦遇到拉伸波疊加拉伸強度超過規定值時，很容易出現破壞現象，這種測試成本較高，難以得到有效普及和推廣;（3）動態劈裂拉伸。該測試方法將圓盤夾設置于透射桿與入射桿之間，確保應力波沿著圓盤進行自由傳播，當應力達到平衡狀態時，可以精確地計算出動態拉伸強度。這種測試方法被廣泛地應用于相關工程中。為了進一步提高最終測試結果的精確性，現綜合運用以上3種方法的基礎上，設計一種新型、有效的測試方法，為后期科學地測量混凝土材料應變率強化效應打下堅實的基礎。

1 材料與實驗方法

1.1 試件與加載方式

對于混凝土材料而言，其設計強度等級為C40，水灰比分為1∶2。此外，所使用的水泥主要以普通硅酸鹽水泥為主，粗骨料主要是借助了連續級管對石灰巖進行破碎處理后形成的，細骨料所使用的成分主要以河沙為主[1]。圓盤試樣的直徑、厚度分別達到75、35 mm，圓桿試樣直徑和長度分別為75、1 000 mm，此外，還要將標準養護時間設置為28 d?；炷敛牧侠鞆姸仍趯y試期間，需要借助圓盤劈裂測試法進行獲得。同時，還要借助相應的試驗機，將位移控制設置為相應的加載條件，并將壓頭速度設置為1 mm/min，避免試樣出現損壞。另外，在動態加載模式下，需要借助霍普金森壓桿，將子彈長度設置為190 mm，然后，借助整形片，完成對三角波形加載處理。最后，還要借助高速攝像機[2]，對斷裂前圖像和斷裂后圖像進行全面拍攝，并將相機拍攝速度設置為500 000 幀/s。在正式進入試驗之前，需要借助圓盤和圓桿，對試樣表面進行噴涂處理。此外，還要借助二維數字圖像，不斷優化圖片處理流程，為實現對試樣演變過程的精確測量和跟蹤創造良好的條件。

1.2 實驗原理

1.2.1 劈裂實驗

劈裂試驗主要是指通過對圓盤進行簡化處理，使其轉化為平面，然后，對平面應力進行求解。同時，還要根據脆性材料的特性，在充分結合集中載荷F作用點的基礎上，實現對開裂問題的集中化處理;同時，還要根據作用點位置的不同，科學地調整和控制拉應力，確保作用點位置處的拉應力遠遠超過中心點位置處的拉應力[3]。此外，還要做好對拉應力強度值的測量工作，在滿足中心起裂相關條件下，對圓盤內拉應力進行精確測量，為后期開展拉伸強度測量工作提供重要的依據和參考。另外，還要嚴格按照線彈性假設相關標準和要求，將拉伸應力最大值設置為指定的拉伸強度值。在動態加載技術的應用背景下，為了更好地滿足應力平衡相關標準和要求[4]，需要做好對入射波應變信號、透射波應變信號的精確測量。由此可見，通過開展劈裂試驗，可以保證材料靜態拉伸強度和動態拉伸強度測量結果的精確性和真實性，為有效地滿足壓縮載荷中心開裂需求產生積極的影響。

1.2.2 層裂實驗

在開展層裂試驗期間，為了進一步提高層裂拉伸強度測量結果的精確性和真實性，需要采用波疊加法和Pull-back法兩種測定方法，在滿足三角波加載相關需求的基礎上，從根本上解決混凝土材料桿多處斷裂問題。此外，還要嚴格按照所設定的時間序列，通過采用波疊加法，實現對首次層裂強度的精確確定，同時，還要借助Pull-back法，對靠近圓桿層裂強度進行精確測量。此外，還要借助傳統電測法，按照層裂發生時間順序，對其進行測量。最后，還要采用光測法，在充分利用數據圖像處理技術的基礎上，根據應變歷史演變過程，完成對應變時程曲線的繪制。然后，根據層裂發生情況，確?；炷灵_裂處理工作的有效落實，為進一步提高最終試驗結果測量的精確性和全面性產生積極的影響。

2 實驗結果

2.1 準靜態測試

在準靜態加載模式下，為了更好地驗證劈裂試樣是否出現中起裂現象，現將高速攝像機的速度設置為7 000幀/s，并完成對斷裂前圖像和斷裂后圖像的拍攝。然后，借助DIC方法，精確地計算和統計拉伸應變場演化過程。在本次試驗中，為了充分發揮和利用DIC方法的應用優勢[5]，需要將空間分辨率、步長、模擬應變尺寸分別設置為0.2 mm/px、11、1.4 mm×1.4 mm，集中載荷加載劈裂前后拉伸應變演化如圖1所示。

從圖1中可以看出，試樣受力端先出現集中分布現象，后出現向試樣中心擴散現象;在準靜態條件下，所使用的集中載荷加載模式[6]，難以滿足中心起裂相關標準和要求。

為了避免出現加載點集中破壞現象，需要借助圓盤與平板接觸點相結合的方式，安裝和固定軟木條，并但軟木條的寬度設置為5 mm。分布載荷加載劈裂前后拉伸應變演化如圖2所示。

從圖2中可以看出，在分布載荷加載模式下，拉應變場所出現的中心起裂現象較為明顯[7]。另外，為了進一步提高最終試驗結果的精確性和真實性，需要借助試驗機，開展10組準靜態加載試驗，同時，還要將應變率范圍及準靜態拉伸強度最大值、最小值和平均值分別設置為10-5～10-3 s-1及5.56、3.74、4.65 MPa。

2.2 動態劈裂測試

在動態加載模式下，為了更好地驗證劈裂是否出現中心起裂現象，需要將高速攝像機的拍照速度設置為600 000 幀/s，以實現對斷裂圖像的全面拍攝，同時，還要借助DIC方法，精確地計算出應變長實際演化過程。此外，還要將空間分辨率設置為0.13 mm/px，其他參數設置情況與靜態測試保持一致。在此基礎上，通過對子彈打擊速度進行科學調整和控制，可以保證不同加載率檢測結果的精確性[8]。另外，在較低加載率條件下，通過開展動態劈裂試驗，不僅可以有效地滿足中心起裂相關標準和要求，還能實現對應力場的自動化控制和調整，因此，該測試方法被廣泛地應用于動態拉伸強度測試領域中。為了保證拉伸強度應變率強化效應測試結果的精確性和真實性，相關人員還要根據載荷峰值點設置情況，繪制拉應變時程曲線，并采用線性擬合的方式，對開裂之前的數據進行系統化處理和匯總，便于其他人員的查看和調用，經過處理，發現直線斜率達到了2.3 s-1。在較高載率下，為了實現對子彈速度的精確化控制和調整，需要將圓盤一端盡可能靠近入射桿一端，使得裂紋向四周進行快速傳播。與載荷峰值點相比，拉應變化所對應的拐點最早出現，載荷峰值點出現的時刻為裂紋傳播至最左端的時刻，導致開裂載荷遠遠低于載荷峰值。因此，在這種高加載率條件下，通過開展動態劈裂試驗，無法有效地滿足中心氣裂條件，所以，動態劈裂測試發電無法適用于動態拉伸強度測試。在開展動態圓盤劈裂試驗期間，需要根據拉伸應變情況，繪制相應的時程曲線，在此基礎上，完成對應變率的精確測量。同時，還要借助透射桿，根據信號峰值的變動情況，根據壓縮破壞應力相關信息數據，開展劈裂拉伸強度測量工作。然后，根據準靜態加載數據，分析應變率與拉伸強度兩者之間的關系，經過分析發現，在應變率不斷提高下，拉伸強度呈現出不斷增加的趨勢。與此同時，通過利用DIC方法，對應變演化圖像進行全面檢測處理，可以精確檢測出圓盤是否出現明顯的中心劈裂現象。經過檢測后，得到以下檢測結果：中心起裂所對應的應變率達到了10 s-1;當應變率為1～10 s-1時，可以對動態化劈裂強度相關信息數據進行獲取、整理和匯總，并將其安全、可靠地存儲于指定的數據庫中。當應變率不斷升高時，動態劈裂強度數據表現出較高的可靠性和精確性。當高應變率遠遠超過10 s-1時，試件將處于非中心起裂狀態，導致拉伸強度遠遠低于實際動態拉伸強度，造成劈裂強度數據呈現出分散狀態。

2.3 層裂測試

在測量層裂拉伸強度期間，需要采用DIC方法，同時，還要將空間分辨率設置為0.40 mm/px，其他參數保持不變;同時，還要根據收試樣顯示結果，借助混凝土桿，全面收集和整理層裂次數，發現加載波形出現裂紋現象。由此可見，一旦出現層裂現象，混凝土很容易出現開裂問題，造成位移出現不連續問題，這無疑增加了拉應變增長斜率。此外，根據位移演化現象，不難發現，在對試樣混凝土桿進行回收處理時，混凝土桿出現兩次不同程度的裂紋現象。在270 μs時，當試件距離自由端280 mm時，位移出現明顯間斷現象，這是首層裂紋形成時刻;在290 μs時，距離自由端的210 m位置處，位移出現明顯間斷現象，這是第二層裂紋形成的時刻。因此，在確定斷裂應變期間時，需要將第一層和第二層的裂變位置斷裂應變分別設置為240×10-6、326×10-6。在正式進入開裂點之前，需要將兩個層裂應變率分別設置為5、9 s-1?？傊?，通過開展3次實驗，均采用了DIC方法，分別精確地計算出層裂強度在不同層裂下所對應的應變率，所獲得數據達到了7個，劈裂拉伸強度應變率強化效應如圖3所示。

從圖3中可以看出，在該層裂方法下，隨著應變率不斷增加，動態拉伸強度呈現出不斷增長的趨勢。

3 實驗結果分析

在本次試驗中，要做好對混凝土圓盤的攪拌、澆筑和養護工作，此外，還要確?；炷敛牧闲阅艿囊恢滦??？v觀以上試驗結果，不難發現，無論是劈裂拉伸，還是層裂拉伸，所得到的拉伸強度均呈現出應變率強化效應現象;這說明混凝土材料性能對拉伸強度應變率強化效應產生直接性的影響。測試方法不同，所對應的拉伸強度變化趨勢也存在一定的差異;這說明測試方法直接影響了拉伸強度變化趨勢。劈裂和層裂拉伸強度比較如圖4所示。

通過采用線性擬合方式，對動態劈裂試驗結果以及層裂試驗結果進行分析，發現層裂拉伸強度增長率遠遠超過了動態劈裂拉伸強度增長率。當應變率在15 s-1以下時，劈裂拉伸強度遠遠超過了層裂拉伸強度。這是由于劈裂試驗圓盤有較高的厚度，其承載能力相對較高，導致最終拉伸強度變高。另外，與層裂拉伸強度相比，劈裂拉伸強度相對較高，但是，由于層裂方法難以實現對較低應變率的測量。此外，當拉伸強度達到1 s-1時，需要優先選用劈裂拉伸強度。

4 結語

綜上所述，本文通過利用圓盤試樣，開展以下2種試驗：一種是劈裂拉伸試驗;另一種是層裂拉伸試驗。通過采用霍普金森桿加載方式，科學測試混凝土材料在不同應變率下的拉伸強度，同時，還全面地分析和研究了劈裂拉伸強度應變率強化規律以及層裂拉伸強度應變率強化規律。通過本次試驗得到以下結論：

（1）在準靜態劈裂試驗中，通過采用DIC方法，可以全面地了解和把握裂紋破壞演化過程，在集中載荷加載模式下，發現裂紋沿著加載端向中心位置不斷傳播，以起到有效貫通作用。在分布載荷加載模式下，裂紋沿著圓盤中心端，向四周加載端進行傳播;

（2）在動態劈裂試驗中，當應變率達到l～10 s-1時，拉伸強度呈現出線性增長的趨勢，此時，可以精確地測量出實際拉伸強度和應變率強化效應;

（3）在層裂試驗中，采用DIC方法除了可以精確地測量出多層層裂拉伸強度外，還能精確測量出應變率。當應變率達到率10～50 s-1時，在應變率的不斷提高下，動態拉伸強度呈現出線性增長的趨勢;

（4）當應變率達到l～10 s-1時，通過開展劈裂試驗，可以獲得較為準確的拉伸強度。這是由于劈裂試樣所對應的慣性效應與拉伸強度兩者之間存在一定的制約關系。這說明層裂試驗測試法更適用于高應變率l～10 s-1以上數據的測量。此外，還要采用線性擬合的方式，對其拉伸強度應變率變化規律進行分析，最大限度地提高劈裂試驗測量結果的精確性和真實性。由此可見，在這種高應變率條件下，混凝土材料所表現出的拉伸強度強化效應更為明顯;

（5）以上試驗測試法的應用，所獲得應變率均超過了0.1 s-1，在應變率不斷增加下，混凝土材料拉伸強度呈現出不斷增加的趨勢，這充分說明以上試驗結果對精確測量混凝土材料拉伸強度以及其應變率強化效應具有一定的借鑒意義和指導意義。

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收稿日期：2021-08-03;修回日期：2022-03-01

作者簡介：伍永康（1995-），男，本科，工程師，研究方向：混凝土施工。