专利名称：混凝土断裂测试系统及其测试方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测试混凝土断裂性能的系统及其测试方法，属于混凝土材料 性能测试技术领域。
背景技术：
混凝土断裂韧度是水电水利与交通工程混凝土结构抗裂、防裂设计及裂缝评定中 分析混凝土抗裂能力和建筑物裂缝扩展稳定性的重要依据。要了解混凝土断裂机理，解决 混凝土结构物的裂缝扩展问题，首先需要通过混凝土材料的断裂试验，正确测定混凝土断 裂参数和了解混凝土失稳断裂前裂缝扩展过程与缝端附近区域的物理特性及其力学行为。 目前混凝土断裂参数中常见的是双K断裂参数，即起裂断裂韧度和失稳断裂韧度i^1。据申请人了解，现有规范测量混凝土双K断裂参数一般是采用三点弯曲梁试验， 如图1所示，在三点弯曲梁试验中，混凝土试件3在浇筑时先制一条预置裂缝20，试验机 将荷载加载在压力传感器4上通过垫板传递给混凝土试件3，通过采集临界裂缝张口位移 CMODc和最大荷载Fmax来计算临界有效裂缝长度a。的值，进 而计算裂缝的起裂断裂韧度
、失稳断裂韧度&1。另外，公布号为CN101706389A的中国专利也采用了三点弯曲梁试 验，该专利是在如图1所示的裂缝20处设置夹式引申计，在梁试件1受力的过程中采集荷 载和挠度，通过计算出荷载和挠度的曲线面积除以混凝土试件3的韧带面积从而得到混凝 土试件3的断裂能；该专利只是为抵消梁试件自重所做的功设计的试验装置，从而无需拟 合试验曲线而计算出梁试件的断裂能。上述现有采用三点弯曲梁试验的装置及方法存在的问题是现有试验机的量程和 精度较低，通常加载速率在80N/s - 120N/S，这样就导致一、采集有关试(如荷载、 位移和应变等数据)的数量较少(即采集频率低)，从而造成采集的荷载-位移曲线较为粗 糙，进而使计算出的双K断裂参数不精确，尤其对于小尺寸的混凝土梁试件(譬如水泥砂浆 试件)来说，采集试的精度更是无法满足混凝土梁试件的设计要求；二、实际采集选 ^SM时往往要中止加载荷载(即不能持续地增加荷载)进行静态采集，这样得到的试验 SM均是间断值，不能够形成连续的荷载-位移曲线；三、经常采集不到试件刚起裂和失稳 时的数据，从而使计算出的双K断裂参数根本不准确；四、在荷载-位移曲线下降段，由于要 求施加的荷载速率要�。裨蚴约菀淄蝗环⑸苹担虼撕苣巡杉胶稍豞位移曲线下 降段过程。由于存在以上的问题和缺陷，现有采用三点弯曲梁试验确定混凝土双K断裂参数 时，只是将采集到的MMM用于经验公式来判断混凝土梁试件的起裂或失稳状态，无法 定量验证计算双K断裂参数值的准确性，从而无法确定断裂时刻的准确性，更不能深入的 揭示混凝土内部的裂缝演化过程，也很难在实际工程中直接使用所得的双K断裂参数。
发明内容
本发明解决的技术问题是提出一种在三点弯曲梁试验中能够更加精细化采集各种混凝土试件断裂破坏全过稈的试验数据,从而可以更加精确地计算获得双K断裂参数的 测试系统及其测试方法。为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案之一是一种混凝土断裂测试系 统，包括测量系统和数据采集处理系统，所述测量系统包括现有的压力试验机、用于放置在 混凝土试件顶部的压力传感器和用于设置在混凝土试件预制裂缝处的夹式引伸计，所述压 力试验机含有平台、位于压力传感器上方的顶板和用于推动平台与顶板相对移动的驱动装 置，所述平台上设有彼此间隔用于支撑混凝土试件的支座，所述数据采集处理系统主要由 动态应变采集仪和计算机组成；所述平台上还设有对称位于混凝土试件周侧的偶数根垫 柱，所述垫柱上套装有伸出其顶端的弹簧；所述弹簧未受压时相对平台的高度高于压力传 感器未受压时相对平台的高度。为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案之二是一种混凝土断裂测试方 法，采用如技术方案之一所述混凝土断裂测试系统进行测试，包括以下步骤1)在压力试验机的平台上安装垫柱，根据试验要求经计算选择弹簧并将弹簧套装 在垫柱顶端；2)将混凝土试件安置在压力试验机的平台上，根据试验要求经计算选择压力传感 器并将压力传感器放置在混凝土试件上，使弹簧相对平台的高度高于压力传感器相对平台 的高度；3)在混凝土试件的预制裂缝处安置夹式引伸计；4)启动压力试验机和数据采集系统，当压力试验机的顶板接触到弹簧时，动态应 变采集仪开始采集零点；5)当压力试验机的顶板接触到压力传感器时，先控制压力试验机的驱动进给量使 加载到混凝土试件上的荷载以10N/S的加载速率加载至试验要求极限荷载的50%，然后以 1N/S的加载速率持续加载直至混凝土试件开裂破坏；6)当在第5)步骤中以1N/S的加载速率持续加载时，动态应变采集仪同步采集荷 载信号和裂缝张口位移信号，并将采集的荷载信号和裂缝张口位移信号传送给计算机，由 计算机输出荷载_位移曲线并计算双K断裂参数。本发明的混凝土断裂测试系统及其测试方法在具体试验时，压力试验机驱动平台 与顶板相对移动后，顶板首先接触到弹簧，弹簧受到压力后产生反作用弹力抵消掉大部分 压力，之后顶板再逐步缓慢的接触压力传感器，从而使压力试验机实际加载在混凝土试件 上的荷载值很�。钚∧芫房刂莆�1N/S，而且荷载施加过程非常缓慢，能够满足荷载_位 移曲线下降段的加载速率要求。这样，相比现有三点弯曲梁试验，本发明的有益效果是由于在现有压力试验机的 平台上安装垫柱和弹簧，并使弹簧相对平台的高度高于压力传感器相对平台的高度，因此 可以将压力试验机加载到混凝土试件上的荷载以较小的加载速率持续加载，即混凝土试件 可以处于以较小单位荷载的持续加载作用下，在这种连续加载过程中，压力传感器和夹式 引伸计可以对各种不同等级、不同级配混凝土试件连续获得更加精细(即更多个)的荷载 信号和裂缝张口位移信号，并实时将这些信号传给动态应变采集仪和计算机，从而获得更 加精细的荷载-位移曲线，进而经计算处理后可以得到更精确的双K断裂参数，并最终了解 和掌握混凝土试件断裂破坏的全过程。
上述技术方案之一的改进之一是还包括声发射仪和安置于混凝土试件表面的声 发射传感器，所述声发射仪的输入端和输出端分别通过数据线与声发射传感器和计算机连 接。上述技术方案之二的改进之一是所述第1)步骤中，还采用有声发射仪和声发射 传感器；所述第3)步骤中，在混凝土试件表面安置声发射传感器；所述第6)步骤中，当以 1N/S的加载速率持续加载时，所述声发射仪采集来自于混凝土试件内部缺陷发出的声发射信号。上述技术方案之一的改进之二是还包括应变片，所述应变片安置于混凝土试件 预制裂缝处并通过数据线与动态应变采集仪连接。上述技术方案之二的改进之二是所述第3)步骤中，在混凝土试件表面安置应变 片；所述第6)步骤中，当以1N/S的加载速率持续加载时，所述动态应变采集仪还同步采集 混凝土试件的应变信号。经上述改进后，本发明的混凝土断裂测试系统及其测试方法在获取精细的荷载信 号和裂缝张口位移信号以外，还可以进一步获取混凝土试件在持续加载过程中对应每个荷 载信号和裂缝张口位移信号的混凝土试件断裂的声音特征信号(如振铃计数、事件计数 等)或应变信号，通过对这些声音特征信号或应变信号的识别、判断和分析，找到混凝土试 件出现起裂和失稳状态的准确时刻及对应该时刻的荷载值和裂缝张口位移值，从而为准确 计算获得混凝土试件双K断裂参数提供直接依据，即提高双K断裂参数计算的准确性。上述技术方案之一的进一步改进是所述垫柱和弹簧均是围绕混凝土试件两侧彼 此对称布置的四根。上述技术方案之一的完善是所述弹簧的性能参数按照下式选�。現 = kx，式中，F——弹簧所承受荷载，Nk—弹簧刚度 j = J^~，N/mm
oC ηG——弹簧材料的切变模量，MPaC——弹簧的旋绕比，C = D2/dD2——弹簧直径，謹d——弹簧丝直径，mmη—弹簧有效圈数χ——弹簧的变形量，謹。上述技术方案之一的进一步完善是所述夹式引伸计嵌在分别粘贴在混凝土试件 的预置裂缝口两侧的刀口薄钢条之间，所述压力试验机是液压试验机，所述驱动装置是安 置于平台下部的液压缸。上述技术方案之二的完善是所述第1)步骤中，对所述声发射传感器进行断铅标 定，以验证声发射仪的门槛值和波速值。
下面结合附图对本发明的混凝土断裂测试系统及其测试方法作进一步说明。图1是现有混凝土断裂参数三点弯曲梁试验装置的结构示意图。
图2是本发明实施例一混凝土断裂测试系统的结构示意图。图3是图2的左视图。图4是采用现有静态混凝土断裂测试系统及其方法进行测试实验后得到的荷 载-位移曲线图。图5是采用本发明实施例一混凝土断裂测试系统及其测试方法进行测试实验后 得到的荷载-位移曲线图。图6是本发明实施例二混凝土断裂测试系统的结构示意图。
具体实施例方式实施例一本实施例的混凝土断裂测试系统如图2、图3所示，包括测量系统和数据采集处理 系统，测量系统包括现有的压力试验机、用于放置在混凝土试件3顶部的压力传感器4和用 于设置在混凝土试件3预制裂缝处的夹式引伸计10。压力试验机选用长春试验机厂生产的 5000kN三轴液压试验机，该试验机含有放置混凝土试件3的平台1、位于压力传感器4上方 的顶板5和用于推动平台1与顶板5相对移动的驱动装置(即液压缸)，顶板5上端固定在 试验机横梁6上，试验机横梁6套装在试验机立柱7上。夹式引伸计采用美国Epsilon公 司生产的夹式引伸计，夹式引伸计10嵌在分别粘贴在混凝土试件3的预置裂缝口两侧的刀 口薄钢条(图中未示出)之间。数据采集处理系统主要由动态应变采集仪11和计算机12 组成，动态应变采集仪11采用江苏东华测试技术股份有限公司生产的DH-3817型动态应变 采集仪。平台1上设有彼此间隔用于支撑混凝土试件3的两支座2，还设有对称位于混凝 土试件3周侧(本实施例是在混凝土试件3的两侧，也可以在混凝土试件3的四侧或四角， 等等)的四根垫柱9。垫柱9上套装有伸出其顶端的弹簧8。弹簧8在未受压时相对平台 1的高度高于压力传感器4未受压时相对平台1的高度，即弹簧8未受压时其顶端与顶板5 下沿的距离小于压力传感器4顶端与顶板5下沿的距离，或者说顶板5与平台1相对移动 时先接触弹簧8后再接触压力传感器4。
要求经计算选择弹簧8并将弹簧8套装在垫柱顶端；2)将混凝土试件3安置在压力试验机的平台1上，根据试验要求经计算选择压力
弹簧8的有关参数按照下式选�。現 = kx，式中， F——弹簧所承受荷载，N
k——弹簧刚度彳=#，N/mm 8C η
G——弹簧材料的切变模量，MPa
C——弹簧的旋绕比，C = D2/d
D2——弹簧直径，mm
d——弹簧丝直径，mm
η——弹簧有效圈数
χ——弹簧的变形量，mm。
本实施例的混凝土断裂测试包括以下步骤
1)采用上述混凝土断裂测试系统，在压力试验机的平台1上安装垫柱9，根据试验传感器4并将压力传感器4放置在混凝土试件3上，使弹簧8相对平台1的高度高于压力 传感器4相对平台1的高度；3)在混凝土试件3的预制裂缝处安置夹式引伸计10 ；4)启动压力试验机和数据采集系统，当压力试验机的顶板5接触到弹簧8时，动态 应变采集仪11开始采集零点；5)当压力试验机的顶板5接触到压力传感器4时，先控制压力试验机的驱动装置 进给量(即液压缸的进油量)使加载到混凝土试件3上的荷载以10N/S的加载速率加载至 试验要求极限荷载的50%，然后以1N/S的加载速率持续加载直至混凝土试件3开裂破坏；6)当在第5)步骤中以1N/S的加载速率持续加载时，动态应变采集仪11同步采 集荷载信号和裂缝张口位移信号，并将采集的荷载信号和裂缝张口位移信号传送给计算机 12，由计算机12输出荷载-位移曲线并通过规范(DL/T5332-2005)中公式计算双K断裂参 数。分别采用现有静态混凝土断裂测试系统及其方法和本实施例混凝土断裂测试系 统及其测试方法进行对比实验，混凝土试件选用尺寸为1000X300X300的棱柱体试件，混 凝土试件的预制缝采用钢板预埋生成，预制缝缝长为60mm，两种实验中分别得到荷载_位 移曲线如图4和图5所示，图中的F是连续采集的荷载值，CMODc是连续采集的裂缝口张开 位移值。其中，图4是采用现有静态系统和方法测试后得到的荷载-位移曲线图，图5是采 用本实施例的系统和方法进行测试后得到的荷载_位移曲线图。比较图4和图5可以看 出1、采用本实施例混凝土断裂测试系统和测试方法所采集的试验过程数据远远多 于现有静态混凝土断裂测试系统和测试方法所采集到的数据，荷载-位移曲线更加精细， 而且可以完整地采集到荷载_位移曲线的下降段；因此能够更加全面的、连续的反映混凝 土试件受载的全过程，并得到更加完整的双K计算公式中各参数的数据，从而能更加准确 的计算得出的双K断裂参数，为全面分析试件的断裂性能提供有效的数据支持。2、采集到的裂缝口张口位移是一个连续的变化过程，据此可以更加准确的采集到 裂缝萌发、扩展直至失稳断裂的具体时刻，可以分析出裂缝在荷载作用下的全变化过程，为 更深入掌握混凝土断裂、失稳破坏机理提供有力的试验支撑。本实施例混凝土断裂测试系统存在的变化是1)垫柱9和弹簧8也可以是二根、 六根或其他偶数根，但最少是二根，以便于对称布置于混凝土试件3周侧，从而平衡混凝土 试件3的受力；2) 5000kN三轴液压试验机也可以是2000kN或IOOOkN三轴液压试验机，或 者是单轴、二轴液压试验机；3)液压试验机也可以由电动试验机代替；4)，压力传感器4与 混凝土试件3之间也可以加设垫板。实施例二本实施例的混凝土断裂测试系统是在实施例一基础上的改进，如图6所示，其与 实施例一所不同的是①还包括声发射仪13和安置于混凝土试件3表面的声发射传感器 14，声发射仪13的输入端和输出端分别通过数据线与声发射传感器14和计算机12连接， 声发射仪采用每国PAC公司生产的SAM0STM声发射仪；②刀口薄钢条替换为在裂缝口两侧 预埋的螺栓(图中未示出)。本实施例的混凝土断裂测试方法是在实施例一基础上的改进，其与实施例一所不同的是①在第1)步骤中，还采用有声发射仪13和声发射传感器14，并对声发射传感器14 进行断铅标定以验证声发射仪的门槛值和波速值；②在第3)步骤中，在混凝土试件3表面 安置声发射传感器14 ；③在第6)步骤中，当以1N/S的加载速率持续加载时，声发射仪13采 集来自于混凝土试件3内部缺陷的声发射信号；实施例三本实施例的混凝土断裂测试系统是在实施例一基础上的改进，其与实施例一所不 同的是还包括应变片(图中未示出)，应变片安置于混凝土试件3预制裂缝处并通过数据 线与动态应变采集仪11连接。本实施例的混凝土断裂测试方法是在实施例一基础上的改进，其与实施例一所不 同的是①在第3)步骤中，在混凝土试件的预制裂缝处贴上应变片；②在第6)步骤中，当 以1N/S的加载速率持续加载时，动态应变采集仪11采集混凝土试件3的应变信号。本发明的混凝土断裂测试系统及其测试方法不局限于上述实施例所述的具体技 术方案，比如除了用刀口薄钢条和螺栓将夹式引伸计10固定在裂缝处以外，还可以用其 他的方式固定，或者直接将夹式引伸计10粘贴在裂缝的两侧壁上；凡采用等同替换形成的 技术方案均为本发明要求的保护范围。
权利要求
一种混凝土断裂测试系统，包括测量系统和数据采集处理系统，所述测量系统包括现有的压力试验机、用于放置在混凝土试件顶部的压力传感器和用于设置在混凝土试件预制裂缝处的夹式引伸计，所述压力试验机含有平台、位于压力传感器上方的顶板和用于推动平台与顶板相对移动的驱动装置，所述平台上设有彼此间隔用于支撑混凝土试件的支座，所述数据采集处理系统主要由动态应变采集仪和计算机组成；其特征在于所述平台上还设有对称位于混凝土试件周侧的偶数根垫柱，所述垫柱上套装有伸出其顶端的弹簧；所述弹簧未受压时相对平台的高度高于压力传感器未受压时相对平台的高度。
2.根据权利要求1所述混凝土断裂测试系统，其特征在于还包括声发射仪和安置于 混凝土试件表面的声发射传感器，所述声发射仪的输入端和输出端分别通过数据线与声发 射传感器和计算机连接。
3.根据权利要求1所述混凝土断裂测试系统，其特征在于还包括应变片，所述应变片 安置于混凝土试件预制裂缝处并通过数据线与动态应变采集仪连接。
4.根据权利要求2或3所述混凝土断裂测试系统，其特征在于所述垫柱和弹簧均是 围绕混凝土试件两侧彼此对称布置的四根。
5.根据权利要求4所述混凝土断裂测试系统，其特征在于所述弹簧的性能参数按照 下式选取，F = kx，式中，F——弹簧所承受荷载，Nk——弹簧刚度4 = ^·，N/mm oC ηG——弹簧材料的切变模量，MPa C——弹簧的旋绕比，C = D2/d D2——弹簧直径，mm d——弹簧丝直径，mm η——弹簧有效圈数 χ——弹簧的变形量，mm。
6.根据权利要求5所述混凝土断裂测试系统，其特征在于所述夹式引伸计嵌在分别 粘贴在混凝土试件的预置裂缝口两侧的刀口薄钢条之间，所述压力试验机是液压试验机， 所述驱动装置是安置于平台下部的液压缸。
7.一种混凝土断裂测试方法，采用如权利要求1所述混凝土断裂测试系统进行测试， 其特征在于包括以下步骤1)在压力试验机的平台上安装垫柱，根据试验要求经计算选择弹簧并将弹簧套装在垫 柱顶端；2)将混凝土试件安置在压力试验机的平台上，根据试验要求经计算选择压力传感器并 将压力传感器放置在混凝土试件上，使弹簧相对平台的高度高于压力传感器相对平台的高 度；3)在混凝土试件的预制裂缝处安置夹式引伸计；4)启动压力试验机和数据采集系统，当压力试验机的顶板接触到弹簧时，动态应变采 集仪开始采集零点；5)当压力试验机的顶板接触到压力传感器时，先控制压力试验机的驱动进给量使加载到混凝土试件上的荷载以10N/S的加载速率加载至试验要求极限荷载的50%，然后以1N/S 的加载速率持续加载直至混凝土试件开裂破坏；6)当在第5)步骤中以1N/S的加载速率持续加载时，动态应变采集仪同步采集荷载信 号和裂缝张口位移信号，并将采集的荷载信号和裂缝张口位移信号传送给计算机，由计算 机输出荷载_位移曲线并计算双K断裂参数。
8.根据权利要求7所述混凝土断裂测试方法，其特征在于所述第1)步骤中，还采用 有声发射仪和声发射传感器；所述第3)步骤中，在混凝土试件表面安置声发射传感器；所 述第6)步骤中，当以1N/S的加载速率持续加载时，所述声发射仪采集来自于混凝土试件内 部缺陷的声发射信号。
9.根据权利要求7所述混凝土断裂测试方法，其特征在于所述第3)步骤中，在混凝 土试件表面安置应变片；所述第6)步骤中，当以1N/S的加载速率持续加载时，所述动态应 变采集仪还同步采集混凝土试件的应变信号。
10.根据权利要求7、8或9所述混凝土断裂测试方法，其特征在于所述第1)步骤中， 对所述声发射传感器进行断铅标定，以验证声发射仪的门槛值和波速值。
全文摘要
本发明涉及一种混凝土断裂测试系统及其测试方法，属于混凝土材料性能测试技术领域。该系统包括测量系统和数据采集处理系统，在测量系统的压力试验机平台上设有支撑混凝土试件的支座和对称位于混凝土试件周侧的偶数根垫柱，垫柱上套装有伸出其顶端并高于压力传感器的弹簧。该方法是采用该系统使顶板与平台相对移动时，先接触弹簧后再接触压力传感器，当顶板接触到压力传感器时，控制加载到混凝土试件上的荷载以小幅加载速率持续加载直至混凝土试件开裂、失稳和破坏；同时采集荷载信号、裂缝张口位移信号并传送给计算机。采用该系统和方法可以获得精细的荷载-位移曲线，从而计算出精确的混凝土双K断裂参数。
文档编号G01N3/20GK101975701SQ201010277639
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月10日 优先权日2010年9月10日
发明者胡少伟, 陆俊 申请人:胡少伟
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