混凝土材料的拉伸強度應(yīng)變率的 強化效應(yīng)試驗

伍永康　文申兵　韋文森　張?zhí)熨n　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(jìn)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(fā)生時間和位置的基礎(chǔ)上，提高混凝土材料拉伸強度的可靠性和穩(wěn)定性。結(jié)果表明：采用DIC方法，在動態(tài)劈裂試驗中，獲得的臨界應(yīng)變率達(dá)到了10 s-1;在層裂試驗中，獲得的層裂拉伸強度應(yīng)變率達(dá)到了10～100 s-1;在線性擬合法下，斜率較劈裂試驗結(jié)果較高，混凝土拉伸強度所對應(yīng)的增強因子超過5。

關(guān)鍵詞：混凝土材料;動態(tài);劈裂;層裂;拉伸強度;應(yīng)變率;動態(tài)擴(kuò)大因子

中圖分類號：TQ172 文獻(xiàn)標(biāo)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(tài)拉伸載荷作用下，混凝土材料的拉伸強度通常會表現(xiàn)出較高的應(yīng)變率強化效應(yīng)。而動態(tài)拉伸強度的測試方式主要包含以下3種：（1）動態(tài)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(xiàn)附加彎矩現(xiàn)象，難以保證最終測試結(jié)果的精確性;（2）層裂拉伸。該測試方法主要借助壓縮應(yīng)力波進(jìn)行一定范圍內(nèi)傳播，一旦遇到拉伸波疊加拉伸強度超過規(guī)定值時，很容易出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，這種測試成本較高，難以得到有效普及和推廣;（3）動態(tài)劈裂拉伸。該測試方法將圓盤夾設(shè)置于透射桿與入射桿之間，確保應(yīng)力波沿著圓盤進(jìn)行自由傳播，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到平衡狀態(tài)時，可以精確地計算出動態(tài)拉伸強度。這種測試方法被廣泛地應(yīng)用于相關(guān)工程中。為了進(jìn)一步提高最終測試結(jié)果的精確性，現(xiàn)綜合運用以上3種方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種新型、有效的測試方法，為后期科學(xué)地測量混凝土材料應(yīng)變率強化效應(yīng)打下堅實的基礎(chǔ)。

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(shè)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(xù)級管對石灰?guī)r進(jìn)行破碎處理后形成的，細(xì)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時間設(shè)置為28 d。混凝土材料拉伸強度在對測試期間，需要借助圓盤劈裂測試法進(jìn)行獲得。同時，還要借助相應(yīng)的試驗機，將位移控制設(shè)置為相應(yīng)的加載條件，并將壓頭速度設(shè)置為1 mm/min，避免試樣出現(xiàn)損壞。另外，在動態(tài)加載模式下，需要借助霍普金森壓桿，將子彈長度設(shè)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(jìn)行全面拍攝，并將相機拍攝速度設(shè)置為500 000 幀/s。在正式進(jìn)入試驗之前，需要借助圓盤和圓桿，對試樣表面進(jìn)行噴涂處理。此外，還要借助二維數(shù)字圖像，不斷優(yōu)化圖片處理流程，為實現(xiàn)對試樣演變過程的精確測量和跟蹤創(chuàng)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(jìn)行簡化處理，使其轉(zhuǎn)化為平面，然后，對平面應(yīng)力進(jìn)行求解。同時，還要根據(jù)脆性材料的特性，在充分結(jié)合集中載荷F作用點的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對開裂問題的集中化處理;同時，還要根據(jù)作用點位置的不同，科學(xué)地調(diào)整和控制拉應(yīng)力，確保作用點位置處的拉應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過中心點位置處的拉應(yīng)力[3]。此外，還要做好對拉應(yīng)力強度值的測量工作，在滿足中心起裂相關(guān)條件下，對圓盤內(nèi)拉應(yīng)力進(jìn)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(jù)和參考。另外，還要嚴(yán)格按照線彈性假設(shè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，將拉伸應(yīng)力最大值設(shè)置為指定的拉伸強度值。在動態(tài)加載技術(shù)的應(yīng)用背景下，為了更好地滿足應(yīng)力平衡相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求[4]，需要做好對入射波應(yīng)變信號、透射波應(yīng)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(tài)拉伸強度和動態(tài)拉伸強度測量結(jié)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(chǎn)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(jìn)一步提高層裂拉伸強度測量結(jié)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(guān)需求的基礎(chǔ)上，從根本上解決混凝土材料桿多處斷裂問題。此外，還要嚴(yán)格按照所設(shè)定的時間序列，通過采用波疊加法，實現(xiàn)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(jìn)行精確測量。此外，還要借助傳統(tǒng)電測法，按照層裂發(fā)生時間順序，對其進(jìn)行測量。最后，還要采用光測法，在充分利用數(shù)據(jù)圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)應(yīng)變歷史演變過程，完成對應(yīng)變時程曲線的繪制。然后，根據(jù)層裂發(fā)生情況，確?；炷灵_裂處理工作的有效落實，為進(jìn)一步提高最終試驗結(jié)果測量的精確性和全面性產(chǎn)生積極的影響。

2 實驗結(jié)果

2.1 準(zhǔn)靜態(tài)測試

在準(zhǔn)靜態(tài)加載模式下，為了更好地驗證劈裂試樣是否出現(xiàn)中起裂現(xiàn)象，現(xiàn)將高速攝像機的速度設(shè)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(tǒng)計拉伸應(yīng)變場演化過程。在本次試驗中，為了充分發(fā)揮和利用DIC方法的應(yīng)用優(yōu)勢[5]，需要將空間分辨率、步長、模擬應(yīng)變尺寸分別設(shè)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(yīng)變演化如圖1所示。

從圖1中可以看出，試樣受力端先出現(xiàn)集中分布現(xiàn)象，后出現(xiàn)向試樣中心擴(kuò)散現(xiàn)象;在準(zhǔn)靜態(tài)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

為了避免出現(xiàn)加載點集中破壞現(xiàn)象，需要借助圓盤與平板接觸點相結(jié)合的方式，安裝和固定軟木條，并但軟木條的寬度設(shè)置為5 mm。分布載荷加載劈裂前后拉伸應(yīng)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(yīng)變場所出現(xiàn)的中心起裂現(xiàn)象較為明顯[7]。另外，為了進(jìn)一步提高最終試驗結(jié)果的精確性和真實性，需要借助試驗機，開展10組準(zhǔn)靜態(tài)加載試驗，同時，還要將應(yīng)變率范圍及準(zhǔn)靜態(tài)拉伸強度最大值、最小值和平均值分別設(shè)置為10-5～10-3 s-1及5.56、3.74、4.65 MPa。

2.2 動態(tài)劈裂測試

在動態(tài)加載模式下，為了更好地驗證劈裂是否出現(xiàn)中心起裂現(xiàn)象，需要將高速攝像機的拍照速度設(shè)置為600 000 幀/s，以實現(xiàn)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(yīng)變長實際演化過程。此外，還要將空間分辨率設(shè)置為0.13 mm/px，其他參數(shù)設(shè)置情況與靜態(tài)測試保持一致。在此基礎(chǔ)上，通過對子彈打擊速度進(jìn)行科學(xué)調(diào)整和控制，可以保證不同加載率檢測結(jié)果的精確性[8]。另外，在較低加載率條件下，通過開展動態(tài)劈裂試驗，不僅可以有效地滿足中心起裂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，還能實現(xiàn)對應(yīng)力場的自動化控制和調(diào)整，因此，該測試方法被廣泛地應(yīng)用于動態(tài)拉伸強度測試領(lǐng)域中。為了保證拉伸強度應(yīng)變率強化效應(yīng)測試結(jié)果的精確性和真實性，相關(guān)人員還要根據(jù)載荷峰值點設(shè)置情況，繪制拉應(yīng)變時程曲線，并采用線性擬合的方式，對開裂之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化處理和匯總，便于其他人員的查看和調(diào)用，經(jīng)過處理，發(fā)現(xiàn)直線斜率達(dá)到了2.3 s-1。在較高載率下，為了實現(xiàn)對子彈速度的精確化控制和調(diào)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(jìn)行快速傳播。與載荷峰值點相比，拉應(yīng)變化所對應(yīng)的拐點最早出現(xiàn)，載荷峰值點出現(xiàn)的時刻為裂紋傳播至最左端的時刻，導(dǎo)致開裂載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于載荷峰值。因此，在這種高加載率條件下，通過開展動態(tài)劈裂試驗，無法有效地滿足中心氣裂條件，所以，動態(tài)劈裂測試發(fā)電無法適用于動態(tài)拉伸強度測試。在開展動態(tài)圓盤劈裂試驗期間，需要根據(jù)拉伸應(yīng)變情況，繪制相應(yīng)的時程曲線，在此基礎(chǔ)上，完成對應(yīng)變率的精確測量。同時，還要借助透射桿，根據(jù)信號峰值的變動情況，根據(jù)壓縮破壞應(yīng)力相關(guān)信息數(shù)據(jù)，開展劈裂拉伸強度測量工作。然后，根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)加載數(shù)據(jù)，分析應(yīng)變率與拉伸強度兩者之間的關(guān)系，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)變率不斷提高下，拉伸強度呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢。與此同時，通過利用DIC方法，對應(yīng)變演化圖像進(jìn)行全面檢測處理，可以精確檢測出圓盤是否出現(xiàn)明顯的中心劈裂現(xiàn)象。經(jīng)過檢測后，得到以下檢測結(jié)果：中心起裂所對應(yīng)的應(yīng)變率達(dá)到了10 s-1;當(dāng)應(yīng)變率為1～10 s-1時，可以對動態(tài)化劈裂強度相關(guān)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、整理和匯總，并將其安全、可靠地存儲于指定的數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)應(yīng)變率不斷升高時，動態(tài)劈裂強度數(shù)據(jù)表現(xiàn)出較高的可靠性和精確性。當(dāng)高應(yīng)變率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過10 s-1時，試件將處于非中心起裂狀態(tài)，導(dǎo)致拉伸強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實際動態(tài)拉伸強度，造成劈裂強度數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出分散狀態(tài)。

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(shè)置為0.40 mm/px，其他參數(shù)保持不變;同時，還要根據(jù)收試樣顯示結(jié)果，借助混凝土桿，全面收集和整理層裂次數(shù)，發(fā)現(xiàn)加載波形出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。由此可見，一旦出現(xiàn)層裂現(xiàn)象，混凝土很容易出現(xiàn)開裂問題，造成位移出現(xiàn)不連續(xù)問題，這無疑增加了拉應(yīng)變增長斜率。此外，根據(jù)位移演化現(xiàn)象，不難發(fā)現(xiàn)，在對試樣混凝土桿進(jìn)行回收處理時，混凝土桿出現(xiàn)兩次不同程度的裂紋現(xiàn)象。在270 μs時，當(dāng)試件距離自由端280 mm時，位移出現(xiàn)明顯間斷現(xiàn)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(xiàn)明顯間斷現(xiàn)象，這是第二層裂紋形成的時刻。因此，在確定斷裂應(yīng)變期間時，需要將第一層和第二層的裂變位置斷裂應(yīng)變分別設(shè)置為240×10-6、326×10-6。在正式進(jìn)入開裂點之前，需要將兩個層裂應(yīng)變率分別設(shè)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(yīng)的應(yīng)變率，所獲得數(shù)據(jù)達(dá)到了7個，劈裂拉伸強度應(yīng)變率強化效應(yīng)如圖3所示。

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

3 實驗結(jié)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(yǎng)護(hù)工作，此外，還要確保混凝土材料性能的一致性?？v觀以上試驗結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)，無論是劈裂拉伸，還是層裂拉伸，所得到的拉伸強度均呈現(xiàn)出應(yīng)變率強化效應(yīng)現(xiàn)象;這說明混凝土材料性能對拉伸強度應(yīng)變率強化效應(yīng)產(chǎn)生直接性的影響。測試方法不同，所對應(yīng)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(tài)劈裂試驗結(jié)果以及層裂試驗結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)層裂拉伸強度增長率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了動態(tài)劈裂拉伸強度增長率。當(dāng)應(yīng)變率在15 s-1以下時，劈裂拉伸強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dǎo)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(xiàn)對較低應(yīng)變率的測量。此外，當(dāng)拉伸強度達(dá)到1 s-1時，需要優(yōu)先選用劈裂拉伸強度。

4 結(jié)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(xué)測試混凝土材料在不同應(yīng)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(yīng)變率強化規(guī)律以及層裂拉伸強度應(yīng)變率強化規(guī)律。通過本次試驗得到以下結(jié)論：

（1）在準(zhǔn)靜態(tài)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(fā)現(xiàn)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(jìn)行傳播;

（2）在動態(tài)劈裂試驗中，當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到l～10 s-1時，拉伸強度呈現(xiàn)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(yīng)變率強化效應(yīng);

（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(yīng)變率。當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到率10～50 s-1時，在應(yīng)變率的不斷提高下，動態(tài)拉伸強度呈現(xiàn)出線性增長的趨勢;

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

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

【參考文獻(xiàn)】

[1]高光發(fā).混凝土材料動態(tài)拉伸強度的應(yīng)變率強化規(guī)律[J].高壓物理學(xué)報，2017，31（5）：593-602.

[2]馬懷發(fā)，陳厚群，徐樹峰.預(yù)靜載作用下混凝土動態(tài)強度數(shù)值分析[J].水利學(xué)報，2012，43（S1）：37-45.

[3]周元鑫，夏源明.應(yīng)變率對Cf/Al金屬基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J].材料工程，2000（9）：3-6.

[4]高光發(fā).動態(tài)壓縮下混凝土應(yīng)變率效應(yīng)壓力與橫向效應(yīng)的影響與校正[J].北京理工大學(xué)學(xué)報，2021，21（2）：135-142，149.

[5]LI Hedong， XU Shilang. 超高韌性水泥基復(fù)合材料直接拉伸特性應(yīng)變率效應(yīng)研究（英文） [J].Journal of Zhejiang University-Science A （AppliedPhysics&Engineering），2016，17（06）：417-426.

[6]范飛林，許金余，李為民，等.沖擊載荷下混凝土動力本構(gòu)模型試驗研究[J].兵工學(xué)報，2010，31（S1）：204-209.

[7]王立成，秦全，范國璽，等.考慮應(yīng)變率效應(yīng)鋼筋混凝土梁柱節(jié)點受力性能有限元分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2014，35（S1）：131-136.

[8]混凝土單軸拉伸統(tǒng)計損傷模型[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007（8）：1 603-1 611.陳健云，白衛(wèi)峰.考慮動態(tài)應(yīng)變率效應(yīng)的

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。