本發(fā)明屬于土木與水利工程材料性能
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種由雙邊切縫的小尺寸試件確定斷裂韌度與強度的方法。
背景技術(shù)：
：水泥砂漿、混凝土、金屬等建筑材料的斷裂韌度和拉伸強度為工程設(shè)計與科學(xué)研究的重要性能材料參數(shù)。然而大量研究表明，材料的拉伸強度與斷裂韌度存在明顯的尺寸效應(yīng)。若要得到與試件尺寸無關(guān)的真實材料參數(shù)，則須采用較大尺寸試件。因此，小尺寸試件的測試結(jié)果并不能直接用來評價其真實材料性能。如何利用處于彈塑性斷裂破壞條件下的小尺寸試件來確定無尺寸效應(yīng)的砂漿、混凝土、金屬等材料真實斷裂韌性和強度指標，是目前亟待解決的科學(xué)難題。技術(shù)實現(xiàn)要素：目前，測定無尺寸效應(yīng)的材料斷裂韌度與拉伸強度需要的試件尺寸較大，普通實驗室條件下較難完成試樣的澆筑和測試工作。若采用小尺寸試件，則斷裂韌度與拉伸強度的尺寸效應(yīng)又不可避免。為克服現(xiàn)有測定方法的不足，本發(fā)明提供一種由雙邊切縫的小尺寸試件確定斷裂韌度與強度的方法。本發(fā)明的目的是以下述方式實現(xiàn)的：一種由雙邊切縫的小尺寸試件確定斷裂韌度與強度的方法，包括以下步驟：(1)準備一定數(shù)量的尺寸為d×b×l的試件，其中，d為試件高度，b為試件厚度，l為試件有效長度；(2)將步驟(1)所得試件切出雙邊裂縫，水泥砂漿、混凝土、巖石類材料的切縫寬度要求小于其骨料粒徑大小，金屬材料切縫要求小于0.2mm；(3)在普通的壓力試驗機或者萬能試驗機上，按常規(guī)靜力加載試驗方法加載并至試件拉斷破壞，試驗過程中記錄每個試件計算斷裂韌度所需的關(guān)鍵荷載f；對水泥砂漿、混凝土或巖石試件記錄最大荷載f；對有明顯屈服點的金屬材料試件記錄試件的屈服荷載f；(4)基于步驟(3)所得的每個試件的最大荷載f，計算出各個試件的名義強度σn；(5)計算出各個試件的幾何參數(shù)a；(6)基于由外推法確定無尺寸效應(yīng)的無限大板參數(shù)的方法，將步驟(4)、步驟(5)所得各個試件的σn與相應(yīng)的a值，帶入式(1)進行回歸分析，即可得出無尺寸效應(yīng)的材料的斷裂韌度k和拉伸強度f，有明顯屈服點的金屬材料為斷裂韌度k和屈服強度σy；步驟(4)中，由式(2)計算出各個試件的名義強度σn，式(2)中，f為實測各試件關(guān)鍵荷載；d為試件高度；b為試件厚度；a0為初始裂縫長度。δ為裂縫尖端的塑性區(qū)擴展量，由試驗具體確定，對金屬材料的雙邊裂縫試樣，δ取0.5-0.75mm；對水泥砂漿、混凝土、巖石材料的雙邊裂縫試件，δ取1-3mm。步驟(1)中，試件選取的方式為：采用具有相同試件高度d但初始裂縫長度a0不同的試件，試件初始縫高比α選擇3-6種變化，每個初始縫高比α對應(yīng)2-4個試件，其中試件的初始縫高比α＝a0/d為0.10、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65或0.70。步驟(1)中，試件選取的方式為：采用具有相同初始縫高比α，但試件高度d不同的試件，試件高度d選擇3-6種變化，每個試件高度d對應(yīng)2-4個試件，其中試件的初始縫高比α＝a0/d為0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45或0.5。所述步驟(5)中幾何參數(shù)a的計算方法為：其中，α為初始縫高比，α＝a0/d；a0為初始裂縫長度。本發(fā)明的有益效果在于：現(xiàn)有測定無尺寸效應(yīng)的材料斷裂韌度與強度需要的試件尺寸較大，普通實驗室條件下較難完成試樣的澆筑和測試工作。若采用小尺寸試件，則材料斷裂韌度與拉伸強度的尺寸效應(yīng)又不可避免。而本發(fā)明的方法形式簡單，試驗易操作，具有足夠精度，且易判斷結(jié)果合理性。本發(fā)明基于漸進外推的思想，及彈塑性斷裂力學(xué)理論分析，由有限尺寸試件的試驗數(shù)據(jù)，外推出無限大板試件的材料參數(shù)(無限大板的材料參數(shù)無尺寸效應(yīng))。因此，只需由小尺寸試件的關(guān)鍵荷載f，即可確定無尺寸效應(yīng)的材料斷裂韌度與強度。不需要滿足現(xiàn)行國內(nèi)外規(guī)范對試驗試樣尺寸、型式，加載條件等的嚴格規(guī)定，并且雙邊拉伸試件在試驗過程中的穩(wěn)定性又好于單邊拉伸試件，更易于操作。附圖說明圖1是本發(fā)明雙邊切縫拉伸試件幾何形狀示意圖。圖2是實施例1由小尺寸雙邊裂縫試件確定金屬材料試樣尺寸示意圖。圖3是實施例1由小尺寸雙邊裂縫試件確定金屬材料的斷裂韌度與屈服強度。圖4是實施例2由小尺寸雙邊裂縫試件確定水泥砂漿材料的斷裂韌度與拉伸強度。圖5是實施例3由小尺寸雙邊裂縫試件確定混凝土材料的斷裂韌度與拉伸強度。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例來說明本發(fā)明的具體實施方式，但以下實施例只是用來詳細說明本發(fā)明，并不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。以下實施例中所涉及的一些步驟或方法，如無特殊說明，均為本領(lǐng)域的常規(guī)方法，所涉及的材料如無特別說明，均為市售材料。圖1為本發(fā)明雙邊切縫拉伸試件幾何形狀示意圖。一種由雙邊切縫的小尺寸試件確定斷裂韌度與強度的方法，包括以下步驟：(1)準備一定數(shù)量的尺寸為d×b×l的試件，其中，d為試件高度，b為試件厚度，l為試件有效長度；(2)將步驟(1)所得試件切出雙邊裂縫，水泥砂漿、混凝土、巖石類材料的切縫寬度要求小于其骨料粒徑大小，金屬材料切縫要求小于0.2mm；(3)在普通的壓力試驗機或者萬能試驗機上，按常規(guī)靜力加載試驗方法加載并至試件拉斷破壞，試驗過程中記錄每個試件計算斷裂韌度所需的關(guān)鍵荷載f；對水泥砂漿、混凝土或巖石試件記錄最大荷載f；對有明顯屈服點的金屬材料試件記錄試件的屈服荷載f；(4)基于步驟(3)所得的每個試件的最大荷載f，計算出各個試件的名義強度σn；(5)計算出各個試件的幾何參數(shù)a；(6)基于由外推法確定無尺寸效應(yīng)的無限大板參數(shù)的方法，將步驟(4)、步驟(5)所得各個試件的σn與相應(yīng)的a值，帶入式(1)進行回歸分析，即可得出無尺寸效應(yīng)的材料的斷裂韌度k和拉伸強度f，有明顯屈服點的金屬材料為斷裂韌度k和屈服強度σy；步驟(4)中，由式(2)計算出各個試件的名義強度σn，式(2)中，f為實測各試件關(guān)鍵荷載；d為試件高度；b為試件厚度；a0為初始裂縫長度。δ為裂縫尖端的塑性區(qū)擴展量，由試驗具體確定，對金屬材料的雙邊裂縫試樣，δ取0.5-0.75mm；對水泥砂漿、混凝土、巖石材料的雙邊裂縫試件，δ取1-3mm。步驟(1)中，試件選取的方式為：采用具有相同試件高度d但初始裂縫長度a0不同的試件，試件初始縫高比α選擇3-6種變化，每個初始縫高比α對應(yīng)2-4個試件，其中試件的初始縫高比α＝a0/d為0.10、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65或0.70。步驟(1)中，試件選取的方式為：采用具有相同初始縫高比α，但試件高度d不同的試件，試件高度d選擇3-6種變化，每個試件高度d對應(yīng)2-4個試件，其中試件的初始縫高比α＝a0/d為0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45或0.5。所述步驟(5)中幾何參數(shù)a的計算方法為：其中，α為初始縫高比，α＝a0/d；a0為初始裂縫長度。實施例1：采用熱軋?zhí)妓劁摷庸ぶ谱麟p邊切縫拉伸試樣，試件具體形狀參見圖2，試樣高度2d＝40mm，b＝6mm，l＝60mm，試樣弧型段高度為20mm，矩形夾持端的尺寸為：70mm×80mm。采用線切割工藝對所得試樣分別切出裂縫，裂縫寬度小于0.20mm。制作試樣的縫高比a0/d＝0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，每組縫高比制作5個試樣，共計7組35個試樣。試驗按《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》(gb/t228.1-2010)等規(guī)范中規(guī)定速率進行勻速加載，一直加載到試樣斷裂破壞。試驗過程中記錄每個試樣的屈服荷載。參見圖3，由實施例試樣試驗數(shù)據(jù)回歸確定熱軋?zhí)妓劁撈矫鎽?yīng)力條件下的斷裂韌度k和屈服強度σy。k＝73mpa·m1/2-78mpa·m1/2，與單邊裂縫拉伸試件確定的斷裂韌度kc＝68mpa·m1/2-83mpa·m1/2吻合良好。屈服強度σy＝326mpa-341mpa，與產(chǎn)品質(zhì)量證明書(編號：20150713082)給出的屈服強度σy＝320mpa-340mpa吻合良好。具體實測試驗結(jié)果如下表1所示。表1由雙邊切縫試樣試驗確定碳素結(jié)構(gòu)鋼的斷裂韌度與屈服強度δ(mm)k(mpa·m1/2)σy(mpa)0.75733411.078326實施例2：本實施例試驗采用水泥砂漿試件，其試件尺寸d×b×w為三種，依次為51×19×19mm，102×19×38mm，153×19×76mm，，初始縫高比α＝a0/d＝0.3?；谑?2)與式(3)，由實測的峰值荷載f，可計算出每個試件的名義強度σn，結(jié)合a，帶入式(1)進行回歸分析，即可同時得出水泥砂漿材料的拉伸強度與斷裂韌度。實施例2試驗數(shù)據(jù)回歸確定的水泥砂漿材料的斷裂韌度與拉伸強度結(jié)果參見圖4，確定的水泥砂漿材料的斷裂韌度與拉伸強度數(shù)據(jù)見下表2。表2實施例2確定水泥砂漿的斷裂韌度及拉伸強度δ/mmk/mpa·m1/2f/mpa10.914.3820.993.9031.193.46可見，采用本發(fā)明方法得到的水泥砂漿的斷裂韌度與拉伸強度都在合理范圍內(nèi)，且與試驗伴隨試塊實測抗拉強度3.5-4.0mpa相吻合。實施例3：本實施例試驗采用混凝土試件，其試件尺寸d×b×w為三種，依次為51×19×19mm，102×19×38mm，153×19×76mm，初始縫高比α＝a0/w＝0.3?；谑?2)與式(3)，由實測的峰值荷載f，可計算出每個試件的名義強度σ，結(jié)合a，帶入式(1)進行回歸分析，即可同時得出混凝土材料的斷裂韌度與拉伸強度。實施例3試驗數(shù)據(jù)回歸確定的混凝土材料的斷裂韌度與拉伸強度結(jié)果參見圖5。確定的混凝土的斷裂韌度與拉伸強度數(shù)據(jù)見下表3。表3實施例3確定混凝土的斷裂韌度及拉伸強度δ/mmk/mpa·m1/2f/mpa11.073.6621.343.272.51.693.09可見，采用本發(fā)明方法得到的混凝土斷裂韌度與拉伸強度都在合理范圍內(nèi)，且與試驗伴隨試塊實測抗拉強度3.0-3.5mpa相吻合。對所公開實施例的上述說明，使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多處修改對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離發(fā)明的精神或范圍的前提下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不限制于本文所顯示的這些實施例，而是要符合與本文公開原理和新穎特點相一致的最寬范圍。當前第1頁12