由无缝试件确定混凝土岩石断裂韧度的方法

摘要

本发明公开了一种由无缝试件确定混凝土岩石断裂韧度的方法，旨在解决现有测定方法步骤繁复、测试误差大、存在着尺寸效应及可靠性差的技术问题。本发明方法主要包括：制备无缝试件、静力加载得到峰值荷载、由两点确定直线、求直线斜率等步骤，最后确定出无尺寸效应的混凝土岩石的真实断裂韧度。本发明方法仅采用无缝试件，且仅需一种试件尺寸即可完成，简单实用，实施过程易操作，预测结果具有足够精度，无尺寸效应，且易判断结果合理性，便于推广应用。

权利要求

1.一种由无缝试件确定混凝土岩石断裂韧度的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）制作一组尺寸为W×B×S的无缝混凝土试件；

所述W为试件高度，所述B为试件厚度，所述S为试件有效跨度；

（2）在压力试验机或者万能试验机上，采用三点弯曲或楔入劈拉的加载方式，加载至所述无缝混凝土试件破坏，试验过程中记录该组中每个试件的峰值荷载，记为Pmax,i；

（3）基于Y′= k,i· X′的经过坐标原点的方程形式，以所述Y′为纵坐标，代表该组试件峰值荷载的单个值Pmax,i，X′为横坐标，由两点确定直线的方法计算该组每个试件的断裂韧度记为KIC,i；所述k,i为斜率；

其中，第一个点为原点 (0，0)；

当采用楔入劈拉加载形式时，第二个点的横坐标X′由该组混凝土试件已知的高度W、试件厚度B代入下式 （I）求得，        ——式（I）；

式（I）中， dmax为混凝土试件的骨料最大粒径或岩石最大颗粒尺寸值；

当采用三点弯曲加载形式时，第二个点的横坐标X′由已知条件的该组混凝土试件高度W、试件厚度B、试件有效跨度S代入下式 （II）求得，       ——式（II）；

式（II）中，dmax为混凝土试件的骨料最大粒径；

求出第二个点的坐标(X′, Pmax,i)后，与第一个点(0，0)连线，其直线的斜率k,i即为每个试件的断裂韧度KIC,i。

2.一种由无缝试件确定混凝土岩石断裂韧度的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）制作一组尺寸为W×B×S的无缝混凝土试件；

所述W为试件高度，所述B为试件厚度，所述S为试件有效跨度；

（2）在压力试验机或者万能试验机上，采用三点弯曲或楔入劈拉的加载方式，加载至所述无缝混凝土试件破坏，试验过程中记录该组中每个试件的峰值荷载，记为Pmax,i，并计算出该组试件峰值荷载的平均值，记为Pmax；

（3）基于Y=k· X的经过坐标原点的方程形式，以所述Y为纵坐标，代表该组试件峰值荷载的平均值Pmax，X为横坐标，k为斜率，由两点确定直线，计算该组试件的断裂韧度的平均值，记为KIC；

其中，第一个点为原点 (0，0)；

当采用楔入劈拉加载形式时，第二个点的横坐标X由该组混凝土试件已知的高度W、试件厚度B代入下式 （III）求得，        ——式（III）；

式（III）中， dmax为混凝土试件的骨料最大粒径或岩石最大颗粒尺寸值；

当采用三点弯曲加载形式时，第二个点的横坐标X由已知条件的该组混凝土试件高度W、试件厚度B、试件有效跨度S代入下式 （IV）求得，       ——式（IV）；

式（IV）中，dmax为混凝土试件的骨料最大粒径；

按上述方式求出第二个点的坐标(x，y)后，与第一个点(0，0)连线，求该直线的斜率k，该斜率k即为该组试件的断裂韧度的平均值KIC。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述试件高度W控制为40mm～500mm。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，每组试件对应4～8个试件。

说明书

由无缝试件确定混凝土岩石断裂韧度的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及土木与水利工程技术领域，具体涉及一种由无缝试件确定混凝土岩石断裂韧度的方法。

背景技术

[0002] 断裂韧度是指在弹塑性条件下，当应力场强度因子增大到某一临界值，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂，临界或失稳扩展的应力场强度因子；它反映了材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗脆断的能力，是材料的力学性能指标。

[0003] 目前，对于混凝土与岩石等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，采用试样的厚度B， 裂纹长度a0， 韧带尺寸W-a0 均需满足下式：

[0004] ，

[0005] 其中，KIC为材料断裂韧度，ft为材料的拉伸强度。

[0006] 当前常用的混凝土或岩石的断裂韧度测定方法，必须采用带预制裂缝的试件，且裂缝长度还需满足一定的要求。

[0007] 然而，含裂纹试件制作较繁复，耗时耗力，成本高。此外，含裂纹的试件中均布的、热力学可逆性的弹性变形和发生在裂纹尖端附近的、热力学不可逆性的塑形变形会同时出现和进行，即两种热力学属性完全不同的材料力学行为混在一起，导致测试中出现难以克服的测试误差。

[0008] 因此，当前亟需一种简单实用、无需采用带预制裂缝的试件的确定混凝土岩石断裂韧度的方法，以提高预测结果的精度，且易判断结果合理性。

发明内容

[0009] 本发明要解决的技术问题是提供一种由无缝试件确定混凝土岩石断裂韧度的方法，以克服现有测定方法步骤繁复、测试误差大、存在着尺寸效应及可靠性差的技术问题。

[0010] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术思路：

[0011] 发明人经过长期大量试验研究得到一种仅需采用一组无缝的相同尺寸的混凝土或岩石试样，即可确定混凝土或岩石的断裂韧度的方法。充分考虑混凝土骨料与岩石颗粒粒径对断裂韧度的影响，通过两点确定一条过原点的直线，其斜率就是混凝土或岩石的断裂韧度。当采用该组试件的实测峰值荷载的平均值，可得到的断裂韧度的平均值；当考虑不同试件结果的离散度，采用实测每个试件的峰值荷载的个体值，又可得到断裂韧度每个试件的个体值。

[0012] 具体技术方案为：

[0013] 设计一种由无缝试件确定混凝土岩石断裂韧度的方法（单值法），包括以下步骤：

[0014] （1）制作一组尺寸为W×B×S的无缝混凝土试件；

[0015] 所述W为试件高度，所述B为试件厚度，所述S为试件有效跨度；

[0016] （2）在压力试验机或者万能试验机上，采用三点弯曲或楔入劈拉的加载方式，加载至所述无缝混凝土试件破坏，试验过程中记录该组中每个试件的峰值荷载，记为Pmax,i；

[0017] （3）基于Y′= k,i · X′的经过坐标原点的方程型式，以所述Y′为纵坐标，代表该组试件峰值荷载的单个值Pmax,i，X′为横坐标，由两点确定直线的方法计算该组每个试件的断裂韧度记为KIC,i；所述k,i为斜率；

[0018] 其中，第一个点为原点 (0，0)；

[0019] 当采用楔入劈拉加载型式时，第二个点的横坐标X′由该组混凝土试件已知的高度W、试件厚度B带入下式 （I）求得，

[0020]         ——式（I）；

[0021] 式（I）中， dmax为混凝土试件的骨料最大粒径或岩石最大颗粒尺寸值；

[0022] 当采用三点弯曲加载型式时，第二个点的横坐标X′由已知条件的该组混凝土试件高度W、试件厚度B、试件有效跨度S带入下式 （II）求得，

[0023]        ——式（II）；

[0024] 式（II）中，dmax为混凝土试件的骨料最大粒径；

[0025] 求出第二个点的坐标(X′, Pmax,i)后，与第一个点(0，0)连线，其直线的斜率k,i即为每个试件的断裂韧度KIC,i。

[0026] 再设计一种由无缝试件确定混凝土岩石断裂韧度的方法（平均值法），包括以下步骤：

[0027] （1）制作一组尺寸为W×B×S的无缝混凝土试件；

[0028] 所述W为试件高度，所述B为试件厚度，所述S为试件有效跨度；

[0029] （2）在压力试验机或者万能试验机上，采用三点弯曲或楔入劈拉的加载方式，加载至所述无缝混凝土试件破坏，试验过程中记录该组中每个试件的峰值荷载，记为Pmax,i，并计算出该组试件峰值荷载的平均值，记为Pmax；

[0030] （3）基于Y=k· X的经过坐标原点的方程型式，以所述Y为纵坐标，代表该组试件峰值荷载的平均值Pmax，X为横坐标，k为斜率，由两点确定直线，计算该组试件的断裂韧度的平均值，记为KIC；

[0031] 其中，第一个点为原点 (0；0)；

[0032] 当采用楔入劈拉加载型式时，第二个点的横坐标X由该组混凝土试件已知的高度W、试件厚度B带入下式 （III）求得，

[0033]         ——式（III）；

[0034] 式（III）中， dmax为混凝土试件的骨料最大粒径或岩石最大颗粒尺寸值；

[0035] 当采用三点弯曲加载型式时，第二个点的横坐标X由已知条件的该组混凝土试件高度W、试件厚度B、试件有效跨度S带入下式 （IV）求得，

[0036]        ——式（IV）；

[0037] 式（IV）中，dmax为混凝土试件的骨料最大粒径；

[0038] 按上述方式求出第二个点的坐标(x，y)后，与第一个点(0，0)连线，求该直线的斜率k，该斜率k即为该组试件的断裂韧度的平均值KIC。

[0039] 所述试件高度W优选范围为40mm～500mm。

[0040] 每组试件优选数量为4～8个试件。

[0041] 与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：

[0042] 1. 本发明的方法仅采用无缝试件，且仅需一种试件尺寸，即可确定混凝土或岩石的断裂韧度，从而避免了对试件进行预制裂缝的工作，缩减了工序。

[0043] 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，得到断裂韧度的平均值，也可取该组内单个试件的峰值荷载单个值，则可得到断裂韧度的每个个体值，从而可展示混凝土与岩石类非均质材料断裂参数的离散性。

[0044] 3. 本发明的判断方法简单实用，确定过程中考虑了混凝土骨料粒径与岩石颗粒尺寸对断裂韧度的影响。

[0045] 4. 本发明所提的判断方法试验过程中仅需测定4～8个试件的峰值荷载，不需要测定其它试验量，因此，试验工作量小，试验过程较为简单，但预测结果却具有足够精度，且易判断结果合理性，非常利于推广应用。

[0046] 5. 本发明采用的试件尺寸可在试件高度W可在50mm～400mm任意取值，不受试件尺寸的限制。

附图说明

[0047] 图1为本发明所示由无缝试件确定混凝土岩石断裂韧度单个值的原理示意图；

[0048] 图2为本发明所示由无缝试件确定混凝土岩石断裂韧度平均值的原理示意图。

具体实施方式

[0049] 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。

[0050] 在以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的试件如无特别说明，均为常规试件；所涉及的其它材料，如无特别说明，均为常规材料。

[0051] 实施例1：一种由无缝试件确定混凝土岩石断裂韧度单个值的方法

[0052] 具体包括以下步骤：

[0053] （1）制作一组尺寸为W×B×S的无缝混凝土试件；

[0054] 所述W为试件高度，所述B为试件厚度，所述S为试件有效跨度；

[0055] （2）在压力试验机或者万能试验机上，采用三点弯曲或楔入劈拉的加载方式，加载至所述无缝混凝土试件破坏，试验过程中记录该组中每个试件的峰值荷载，记为Pmax,i；

[0056] （3）基于Y′= k,i · X′的经过坐标原点的方程型式，以所述Y′为纵坐标，代表该组试件峰值荷载的单个值Pmax,i，X′为横坐标，由两点确定直线的方法计算该组每个试件的断裂韧度记为KIC,i；所述k,i为斜率；

[0057] 如图1所示：

[0058] 其中，第一个点为原点 (0，0)；

[0059] 当采用楔入劈拉加载型式时，第二个点的横坐标X′由该组混凝土试件已知的高度W、试件厚度B带入下式 （I）求得，

[0060]         ——式（I）；

[0061] 式（I）中， dmax为混凝土试件的骨料最大粒径或岩石最大颗粒尺寸值；

[0062] 当采用三点弯曲加载型式时，第二个点的横坐标X′由已知条件的该组混凝土试件高度W、试件厚度B、试件有效跨度S带入下式 （II）求得，

[0063]        ——式（II）；

[0064] 式（II）中，dmax为混凝土试件的骨料最大粒径；

[0065] 求出第二个点的坐标(X′, Pmax,i)后，与第一个点(0，0)连线，其直线的斜率k,i即为每个试件的断裂韧度KIC,i。

[0066] 实施例2：一种由无缝试件确定混凝土岩石断裂韧度平均值的方法

[0067] 具体包括以下步骤：

[0068] （1）制作一组尺寸为W×B×S的无缝混凝土试件；

[0069] 所述W为试件高度，所述B为试件厚度，所述S为试件有效跨度；

[0070] （2）在压力试验机或者万能试验机上，采用三点弯曲或楔入劈拉的加载方式，加载至所述无缝混凝土试件破坏，试验过程中记录该组中每个试件的峰值荷载，记为Pmax,i，并计算出该组试件峰值荷载的平均值，记为Pmax；

[0071] （3）基于Y=k· X的经过坐标原点的方程型式，以所述Y为纵坐标，代表该组试件峰值荷载的平均值Pmax，X为横坐标，k为斜率，由两点确定直线，计算该组试件的断裂韧度的平均值，记为KIC；

[0072] 如图2所示：

[0073] 其中，第一个点为原点 (0；0)；

[0074] 当采用楔入劈拉加载型式时，第二个点的横坐标X由该组混凝土试件已知的高度W、试件厚度B带入下式 （III）求得，

[0075]         ——式（III）；

[0076] 式（III）中， dmax为混凝土试件的骨料最大粒径或岩石最大颗粒尺寸值；

[0077] 当采用三点弯曲加载型式时，第二个点的横坐标X由已知条件的该组混凝土试件高度W、试件厚度B、试件有效跨度S带入下式 （IV）求得，

[0078]        ——式（IV）；

[0079] 式（IV）中，dmax为混凝土试件的骨料最大粒径；

[0080] 按上述方式求出第二个点的坐标(x，y)后，与第一个点(0，0)连线，求该直线的斜率k，该斜率k即为该组试件的断裂韧度的平均值KIC。

[0081] 仅需一种试件尺寸W×B×S，且试件高度W可在40mm～500mm任意取值。

[0082] 试验例1：确定混凝土岩石断裂韧度的方法

[0083] 试验所用混凝土骨料最大粒径dmax = 10mm。采用三点弯曲加载型式。按试件尺寸分为三组：

[0084] 第一组 W × B × S = 215 × 40 × 468 mm，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。

[0085] 第二组 W × B × S = 93 × 40 × 202 mm，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。

[0086] 第三组 W × B × S = 40 × 40 × 87 mm，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。

[0087] 表1 确定的断裂韧度

[0088] 。

[0089] 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不随试件尺寸变化，没有尺寸效应。

[0090] 另外，基于边界效应模型，采用对应的有缝试件计算得到的断裂韧度为1.32 MPa·m1/2。可见，与本发明方法确定的断裂韧度较为吻合。

[0091] 试验例2：确定混凝土岩石断裂韧度的方法

[0092] 试验所用混凝土骨料最大粒径dmax = 10mm。采用三点弯曲加载型式。按试件尺寸分为三组：

[0093] 第一组 W × B × S = 500 × 40 × 1090 mm，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，以及由第一组试件峰值荷载的平均值，得出的断裂韧度的平均值，结果见表2。

[0094] 第二组 W × B × S = 215 × 40 × 468 mm，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，以及由第二组试件峰值荷载的平均值，得出的断裂韧度的平均值，结果见表2。

[0095] 第三组 W × B × S = 40 × 40 × 87 mm，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，以及由第三组试件峰值荷载的平均值，得出的断裂韧度的平均值，结果见表2。

[0096] 表2 确定的断裂韧度

[0097] 。

[0098] 由表2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；并且计算得到的断裂韧度不随试件尺寸变化，没有尺寸效应。

[0099] 另外，基于边界效应模型，采用有缝试件计算得到的断裂韧度为1.49 MPa·m1/2。可见，与本发明采用无缝试件确定的断裂韧度较为吻合。

[0100] 试验例3：确定混凝土岩石断裂韧度的方法

[0101] 试验所用岩石的最大颗粒粒径dmax = 6 mm。采用三点弯曲加载型式。

[0102] 一组 W × B × S = 70 × 25 × 280 mm，共计8个试件。采用本发明方法，基于8个试件的峰值荷载，可分别得出8个试件确定的断裂韧度，以及由一组试件峰值荷载的平均值，得出的断裂韧度的平均值，结果见表3。

[0103] 表3 确定的断裂韧度

[0104] 。

[0105] 由表3可见，计算得到的断裂韧度不随试件尺寸变化，没有尺寸效应。

[0106] 基于边界效应模型，采用有缝试件计算得到的断裂韧度为1.58 MPa·m1/2。可见，与本发明采用无缝试件确定的断裂韧度较为吻合。

[0107] 上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。