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DIC测量技术在超高性能水泥基复合材料抗弯性能研究中的应用

1、背景介绍

水泥基材料是土木工程结构广泛采用的主体建筑材料,其中,超高性能水泥基复合材料(UHPFRC)通过在基体中加入纤维来获得更高的弯拉、韧性、抗渗、耐久等性能,可解决混凝土应用于大跨径桥梁时由于弯拉强度较差而导致的开裂、疲劳等问题,已成为工程材料发展的重要方向。

应用于UHPFRC中的纤维,钢纤维由于优异的抗拉性能和较佳的综合性能,聚甲醛纤维对混凝土的抗渗性能和抗收缩性有显著增强效果,共聚甲醛纤维与钢纤维混合使用时,在防止高温爆裂的同时还可保证高温后残余力学性能较好,这些材质在UHPFRC中的应用得到了重点研究。

2、研究内容

国内某知名大学公路学院王春生教授科研团队选取了共聚甲醛纤维和钢纤维作为UHPFRC的掺入纤维,参照瑞士 SIA2052 规范和法国设计规程等规范主要对 UHPFRC 试件进行三点弯曲试验。使用新拓三维数字图像相关法方法DIC 技术捕捉试件的位移和应变的变化过程,分析共聚甲醛纤维对UHPFRC的抗弯强度和弯曲韧性的影响。

dic三维全场应变测量系统基于数字图像相关法,用于纤维增强材料抗弯力学测试.jpg

数字图像相关方法DIC技术测试配置

应变和位移变化监测采用新拓三维的XTDIC三维全场应变测量系统和粘贴应变片的方法。DIC是一种全程无接触的数字图像测试方法,通过对高清相机在不同加载时刻记录的图像进行处理分析,来获得试件的变形情况。DIC使用前,需对试件监测面进行散斑制作,并放置于试件正前方计算距离处。应变片粘贴于试件底部跨中位置,粘贴前需对粘贴位置打磨光滑,并覆盖704硅胶进行防潮保护。

3、试验结果数据

试验设计了五组 UHPFRC 抗弯试件,其中两组试件的纤维类型为共聚甲醛纤维;一组试件的纤维类型是钢纤维;其余两组纤维类型是包括共聚甲醛纤维和钢纤维的混杂纤维;1%POM-1%SF/C组UHPFRC 抗弯试件制作 1 个,其余每组 UHPFRC 抗弯试件制作 3 个,通过计算平均值来分析共聚甲醛纤维 UHPFRC 的弯曲性能。

dic三维全场应变测量系统基于数字图像相关法,用于纤维增强材料抗弯力学测试.jpg

各组UHPFRC试件的扩展度及实测抗弯强度平均值
dic三维全场应变测量系统基于数字图像相关法,用于纤维增强材料抗弯力学测试.jpg

各组UHPERC试件裂缝发展和破坏形态

4、UHPFRC试件DIC测量结果验证

UHPFRC试件的三点弯试验过程中,采取DIC对试件的变形情况进行监测,DIC 采集频率为 5 张/s,此外布设应变片与之进行对比。相关研究表明,DIC 对于试件表面局部区域的应变测量,可基于虚拟引伸计测量得到,但虚拟引伸计的长度和位置对 DIC 测量结果影响较大,为方便对比,选取与应变片等长的虚拟引伸计对试件跨中应变进行测量。

以共聚甲醛纤维 UHPFRC 试件、混杂纤维 UHPFRC 试件为例进行分析,DIC与应变片测量的荷载-应变曲线下图 所示。可知:DIC 与应变片测得的应变数据在弹性阶段具有很好的一致性。当试件开裂进入塑性阶段后,应变片失效,DIC 可继续工作,监测试件受力全过程的变形情况。同时,采用 DIC 捕捉、分析试件表面的变形情况,同时可监测裂缝的产生和发展过程,解决试件在加载过程中肉眼对初裂难以监测的问题。

dic三维全场应变测量系统基于数字图像相关法,用于纤维增强材料抗弯力学测试.jpg

UHPFRC试件载荷-应变曲线

纤维对UHPFRC试件流动性能的影响:如下为5 组试件的扩展度图,可直观地看出各组试件的工作性能。无论是单掺型试件还是混杂型试件,各组试件的工作性能均随着共聚甲醛纤维体积掺量的增加而降低。

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数字图像相关方法(DIC)分析UHPFRC试件扩展度

UHPFRC试件荷载-挠度曲线:如下图为各组试件的荷载-挠度曲线,可用于准确表征各组 UHPFRC试件的抗弯力学性能。

dic三维全场应变测量系统基于数字图像相关法,用于纤维增强材料抗弯力学测试.jpg

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dic三维全场应变测量系统基于数字图像相关法,用于纤维增强材料抗弯力学测试.jpg

UHPFRC试件载荷-挠度曲线

5、研究结论

对 5 组超高性能水泥基复合材料(UHPFRC)进行三点弯曲加载试验、扩展度测试进行研究,对比了单掺型 UHPFRC 试件和混杂型 UHPFRC 试件的抗弯性能,并评价了 5 组 UHPFRC 试件的弯曲韧性,得到了以下结论:

(1)共聚甲醛纤维对 UHPFRC 的流动性影响较大,单掺型 UHPFRC 和混杂型 UHPFRC 的流动性均随着共聚甲醛纤维体积掺量的增加而降低;

(2)适量的共聚甲醛纤维可延缓 UHPFRC 基体的开裂,增强其裂前变形能力;

(3)共聚甲醛纤维的掺入可提升 UHPFRC 在荷载下降段的持荷能力,纤维体积掺量越大,下降段越平缓;

(4)混杂纤维对UHPFRC 弯曲韧性的提升更大。

UHPFRC混掺1.5vol%共聚甲醛纤维和 1.5vol%钢纤维,1.5%POM-1.5%SF/C 的开裂挠度大,工作性能好,具备较好经济效益的同时,保证了较好的抗弯强度和弯曲韧性。

6、行业应用总结

在分析共聚甲醛纤维对UHPFRC的抗弯强度和弯曲韧性研究中,主要探索这些材料被弯曲时的抗弯能力、结构行为和失效模式,新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统用于关注应力最大的区域,而且实践证明全场数据和三维测量具有极为重要的价值。XTDIC三维全场应变测量系统被广泛应用于抗弯,抗拉压,裂纹拓展,材料脆断,拉伸断裂等实验场景。

(文章摘自:长安大学 公路学院,王春生, 张洋,段兰《共聚甲醛纤维超高性能水泥基复合材料抗弯性能试验研究》)


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