本发明专利技术公开了一种UHPC的I型动态断裂韧度的测试试样、装置及方法，该测试试样整体呈半球状，在测试试样的端面上设有半圆槽，在半圆槽的槽底还设有裂纹，裂纹沿轴向方向向测试试样半球状的圆心方向延伸。测试装置包括测试试样和测试机构，测试机构包括冲击载荷发射组件、入射杆和透射杆；测试方法为利用冲击载荷发射组件在入射杆上产生冲击载荷，通过入射杆和透射杆在测试试样的两侧端面施加动态压缩载荷，以得到裂纹非定常数扩展过程中动态应力强度因子与速度和加速度的关系。本发明专利技术可全面研究UHPC的I型动态断裂过程，能针对裂纹扩展过程中速度、加速度与动态断裂韧度的关系进行研究，所得结果准确可靠，填补了该研究领域内的空白。的空白。的空白。
【技术实现步骤摘要】
一种UHPC的I型动态断裂韧度的测试试样、装置及方法
[0001]本专利技术涉及材料性能测试
，具体涉及一种UHPC的I型动态断裂韧度的测试试样、装置及方法。
技术介绍
[0002]断裂韧度是评价UHPC(超高性能混凝土)力学特性(包括UHPC裂缝起裂、扩展以及破裂机制等)的重要参数。因此，获得准确的UHPC断裂韧度值、设计专利技术科学的测试装置和测量方法都至关重要。
[0003]研究脆性材料中动态裂纹扩展，一般将裂纹扩展速度假设成常数，即裂纹以定常速扩展，这个简化使数学模型更易于处理，但从物理学上考虑是不太合适的。UHPC断层动态破裂造成工程灾害严重性，受到裂隙非定常数扩展速度和加速度的影响。动态裂纹起裂初期和止裂前夕，应该是存在加速和减速阶段的，但往往由于测量精度不足或简化计算，使许多学者将其视为测量仪器的精度误差所致，而将裂纹仍旧看成在平均意义上的常速扩展，虽然可以简单地得到一些力学性质结果，但可能忽略了关键因素的影响，也因此没能对加速度产生关注。
技术实现思路
[0004]针对现有技术存在的上述不足，本专利技术要解决的技术问题是：如何提供一种考虑裂纹扩展过程中的速度和加速度对动态断裂韧度的影响，从而极大提高测量准确性的UHPC的I型动态断裂韧度的测试试样、装置及测试方法。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种UHPC的I型动态断裂韧度的测试试样，所述测试试样整体半球状，在所述测试试样的端面上设有向所述测试试样的内部延伸的半圆槽，且所述半圆槽的圆心与所述测试试样半球状的圆心位于同一水平线上，在所述半圆槽的槽底还设有裂纹，所述裂纹沿轴向方向向所述测试试样半球状的圆心方向延伸。
[0007]这样，测试试样的上述结构设计，使得测试试样不仅具有易于制作的优点，同时半圆槽的设计增加了裂纹尖端有益的应力集中，对于研究脆性材料I型动态断裂过程中裂纹扩展速度变化有明显的优势，此外，还具有便于预制裂纹，不需要加载夹具的优势，测试试样的断裂带得到有效增加，方便测试试样断裂全过程的研究。
[0008]一种UHPC的I型动态断裂韧度的测试装置，包括上述测试试样、以及测试机构；
[0009]所述测试机构包括沿轴向依次设置的冲击载荷发射组件、入射杆和透射杆，所述冲击载荷发射组件用于向所述入射杆提供冲击载荷，所述测试试样的平面安装于所述入射杆朝向所述透射杆的一端，在所述测试试样上还设有第一裂纹扩展计，以用于监测所述测试试样上裂纹的断裂过程，在所述入射杆上设有第一应变片，以用于测量所述测试试样处的入射波和反射波，在所述透射杆上设有第二应变片，以用于测量所述测试试样处的透射波。
[0010]这样，在进行UHPC的I型动态断裂韧度的测试时，将测试试样、入射杆、透射杆和冲击载荷发射组件的中心线调节到同一水平面上，然后由冲击载荷发射组件在入射杆上产生冲击载荷，该冲击载荷通过入射杆和透射杆形成在测试试样的两侧端面施加的动态压缩载荷，测试过程中，第一应变片、第二应变片采集试验过程中的入射波、反射波和透射波的实时应变脉冲信号，第一裂纹扩展计计算出不同冲击载荷下裂纹穿过第一裂纹扩展计的速度和加速度，以得到裂纹非定常数扩展过程中动态应力强度因子与速度和加速度的关系。
[0011]优选的，所述入射杆用于安装所述测试试样的端面上设有聚四氟乙烯垫片，所述测试试样安装在所述聚四氟乙烯垫片上。
[0012]这样，可以在减小端面摩擦效应的同时，也可减少由于加工原因造成的测试试样加载端面不平整对实验产生的影响，以实现测试试样的成功起裂。
[0013]优选的，所述第一裂纹扩展计位于所述测试试样的正面裂纹尖端沿裂纹扩展方向的前侧，且在所述第一裂纹扩展计沿裂纹扩展方向的前侧还间隔布置有多个第三应变片，在所述测试试样的背面与裂纹尖端沿裂纹扩展方向对应的位置还设有第二裂纹扩展计。
[0014]一种UHPC的I型动态断裂韧度的测试方法，采用上述的UHPC的I型动态断裂韧度的测试装置，所述冲击载荷发射组件在所述入射杆上产生冲击载荷，通过所述入射杆和所述透射杆在所述测试试样的两侧端面施加动态压缩载荷，所述第一应变片、所述第二应变片采集试验过程中的入射波、反射波和透射波的实时应变脉冲信号，所述第一裂纹扩展计计算出不同冲击载荷下裂纹穿过所述第一裂纹扩展计的速度和加速度，以得到裂纹非定常数扩展过程中动态应力强度因子与速度和加速度的关系。
[0015]优选的，包括以下步骤：
[0016]步骤1)制备所述测试试样；
[0017]步骤2)将所述测试试样安装在所述入射杆朝向所述透射杆的一端，并使得所述测试试样、所述入射杆、所述透射杆和所述冲击载荷发射组件的中心线位于同一水平面上；
[0018]步骤3)调整所述冲击载荷发射组件撞击所述入射杆的速度，以改变所述入射杆对所述测试试样的冲击载荷，所述第一应变片、所述第二应变片采集试验过程中的入射波、反射波和透射波的实时应变脉冲信号，所述第一裂纹扩展计计算出不同冲击载荷下裂纹穿过所述第一裂纹扩展计的速度和加速度；
[0019]步骤4)采用实验
‑
数值
‑
解析法计算得到裂纹非定常数扩展过程中动态应力强度因子与速度和加速度的关系。
[0020]优选的，步骤4)中裂纹非定常数扩展过程中动态应力强度因子与速度v和加速度的关系为：
[0021][0022]式中：K
I0
为测试试样速度为0时的动态应力强度因子；
[0023]c
R
为材料的瑞雷波速；
[0024]c
d
为材料的膨胀波速；
[0025]b为与测试试样的宽度有关的尺寸因子。
[0026]优选的，所述第一裂纹扩展计包括多根并联连接的金属丝，且最靠近所述裂纹的金属丝与所述裂纹的裂尖抵接；
[0027]步骤3)中，当所述冲击载荷发射组件撞击所述入射杆时，所述测试试样上的裂纹起裂，使得所述第一裂纹扩展计的金属丝发生断裂并造成所述第一裂纹扩展计电阻的变化，通过监测所述第一裂纹扩展计监测电压阶跃变化的起跳点确定裂纹扩展到该位置的时间，并计算出裂纹扩展到两根金属丝间的时间差，根据两根金属丝间的距离计算得到两根金属丝间的裂纹扩展速度。
[0028]优选的，步骤3)中，裂纹扩展速度v的计算公式为：
[0029][0030]式中，Δl为两根金属丝间的间距；
[0031]t
n+1
‑
t
n
为裂纹扩展至两根金属丝的时间差。
[0032]优选的，步骤4)中，材料的瑞雷波速c
R
的计算公式为：
[0033]c
R
＝c
S
(0.86+1.14μ)/(1+μ)；
[0034]c
S
＝[E/2ρ(1+μ)]1/2
；
[0035]材料的膨胀波速c
d
的计算公式为：<本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种UHPC的I型动态断裂韧度的测试试样，其特征在于，所述测试试样整体呈半球状，在所述测试试样的端面上设有向所述测试试样的内部延伸的半圆槽，且所述半圆槽的圆心与所述测试试样半球状的圆心位于同一水平线上，在所述半圆槽的槽底还设有裂纹，所述裂纹沿轴向方向向所述测试试样半球状的圆心方向延伸。2.一种UHPC的I型动态断裂韧度的测试装置，其特征在于，包括如权利要求1所述的测试试样、以及测试机构；所述测试机构包括沿轴向依次设置的冲击载荷发射组件、入射杆和透射杆，所述冲击载荷发射组件用于向所述入射杆提供冲击载荷，所述测试试样的平面安装于所述入射杆朝向所述透射杆的一端，在所述测试试样上还设有第一裂纹扩展计，以用于监测所述测试试样上裂纹的断裂过程，在所述入射杆上设有第一应变片，以用于测量所述测试试样处的入射波和反射波，在所述透射杆上设有第二应变片，以用于测量所述测试试样处的透射波。3.根据权利要求1所述的UHPC的I型动态断裂韧度的测试装置，其特征在于，所述入射杆用于安装所述测试试样的端面上设有聚四氟乙烯垫片，所述测试试样安装在所述聚四氟乙烯垫片上。4.根据权利要求1所述的UHPC的I型动态断裂韧度的测试装置，其特征在于，所述第一裂纹扩展计位于所述测试试样的正面裂纹尖端沿裂纹扩展方向的前侧，且在所述第一裂纹扩展计沿裂纹扩展方向的前侧还间隔布置有多个第三应变片，在所述测试试样的背面与裂纹尖端沿裂纹扩展方向对应的位置还设有第二裂纹扩展计。5.一种UHPC的I型动态断裂韧度的测试方法，其特征在于，采用如权利要求2所述的UHPC的I型动态断裂韧度的测试装置，所述冲击载荷发射组件在所述入射杆上产生冲击载荷，通过所述入射杆和所述透射杆在所述测试试样的两侧端面施加动态压缩载荷，所述第一应变片、所述第二应变片采集试验过程中的入射波、反射波和透射波的实时应变脉冲信号，所述第一裂纹扩展计计算出不同冲击载荷下裂纹穿过所述第一裂纹扩展计的速度和加速度，以得到裂纹非定常数扩展过程中动态应力强度因子与速度和加速度的关系。6.根据权利要求5所述的UHPC的I型动态断裂韧度的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)制备所述测试试样；步骤2)将所述测试试样安装在所述入射杆朝向所述透射杆的一端，并使得所述测试试样、所述入射杆、所述透射杆和所述冲击载荷发射组件的中心线位于同一水平面上；步骤3)调整所述冲击载荷发射组件撞击所述入射杆的速度，以改变所述入射杆对所述测试试样的冲击载荷，所述第一应变片、...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴礼舟，周建庭，杨俊，辛景舟，邹杨，张中亚，王宗山，陈军，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：
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