DIC三維全場應變測量技術在復合材料三點彎曲測試中的應用

1、背景介紹

超高性能水泥基復合材料(UHPFRC)通過在基體中加入纖維來獲得更高的彎拉、韌性、抗?jié)B、耐久等性能，可解決混凝土應用于大跨徑橋梁時由于彎拉強度較差而導致的開裂、疲勞等問題，已成為工程材料發(fā)展的重要方向。

應用于UHPFRC中的纖維，共聚甲醛纖維與鋼纖維混合使用時，在防止高溫爆裂的同時還可保證高溫后殘余力學性能較好，這些材質在UHPFRC中的應用得到了重點研究。

2、研究內容

國內某知名大學科研團隊選取了共聚甲醛纖維和鋼纖維作為UHPFRC的摻入纖維，參照瑞士 SIA2052 規(guī)范和法國設計規(guī)程等規(guī)范主要對試件進行三點彎曲試驗。使用新拓三維數(shù)字圖像相關法方法DIC 技術捕捉試件的位移和應變的變化過程，分析共聚甲醛纖維對UHPFRC的抗彎強度和彎曲韌性的影響。

DIC技術測試配置

應變和位移變化監(jiān)測采用新拓三維的XTDIC三維全場應變測量系統(tǒng)和粘貼應變片的方法。DIC是一種全程無接觸的數(shù)字圖像測試方法，通過對高清相機在不同加載時刻記錄的圖像進行處理分析，來獲得試件的變形情況。DIC使用前，需對試件監(jiān)測面進行散斑制作，并放置于試件正前方計算距離處。應變片粘貼于試件底部跨中位置，粘貼前需對粘貼位置打磨光滑，并覆蓋704硅膠進行防潮保護。

3、試驗結果數(shù)據(jù)

試驗設計了五組 UHPFRC 抗彎試件，其中兩組試件的纖維類型為共聚甲醛纖維;一組試件的纖維類型是鋼纖維;其余兩組纖維類型是包括共聚甲醛纖維和鋼纖維的混雜纖維;1%POM-1%SF/C組UHPFRC 抗彎試件制作 1 個，其余每組 UHPFRC 抗彎試件制作 3 個，通過計算平均值來分析共聚甲醛纖維 UHPFRC 的彎曲性能。

各組UHPFRC試件的擴展度及實測抗彎強度平均值

各組UHPERC試件裂縫發(fā)展和破壞形態(tài)

4、UHPFRC試件DIC測量結果驗證

UHPFRC試件的三點彎試驗過程中，采取DIC對試件的變形情況進行監(jiān)測，DIC 采集頻率為 5 張/s，此外布設應變片與之進行對比。相關研究表明，DIC 對于試件表面局部區(qū)域的應變測量，可基于虛擬引伸計測量得到，但虛擬引伸計的長度和位置對 DIC 測量結果影響較大，為方便對比，選取與應變片等長的虛擬引伸計對試件跨中應變進行測量。

以共聚甲醛纖維 UHPFRC 試件、混雜纖維 UHPFRC 試件為例進行分析，DIC與應變片測量的荷載-應變曲線下圖 所示?？芍篋IC 與應變片測得的應變數(shù)據(jù)在彈性階段具有很好的一致性。當試件開裂進入塑性階段后，應變片失效，DIC 可繼續(xù)工作，監(jiān)測試件受力全過程的變形情況。同時，采用 DIC 捕捉、分析試件表面的變形情況，同時可監(jiān)測裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展過程，解決試件在加載過程中肉眼對初裂難以監(jiān)測的問題。

UHPFRC試件載荷-應變曲線

纖維對UHPFRC試件流動性能的影響：如下為5 組試件的擴展度圖，可直觀地看出各組試件的工作性能。無論是單摻型試件還是混雜型試件，各組試件的工作性能均隨著共聚甲醛纖維體積摻量的增加而降低。

UHPFRC試件擴展度

UHPFRC試件荷載-撓度曲線：如下圖為各組試件的荷載-撓度曲線，可用于準確表征各組 UHPFRC試件的抗彎力學性能。

UHPFRC試件載荷-撓度曲線

5、研究結論

對 5 組超高性能水泥基復合材料(UHPFRC)進行三點彎曲加載試驗、擴展度測試進行研究，對比了單摻型 UHPFRC 試件和混雜型 UHPFRC 試件的抗彎性能，并評價了 5 組 UHPFRC 試件的彎曲韌性，得到了以下結論：

(1)共聚甲醛纖維對 UHPFRC 的流動性影響較大，單摻型 UHPFRC 和混雜型 UHPFRC 的流動性均隨著共聚甲醛纖維體積摻量的增加而降低;

(2)適量的共聚甲醛纖維可延緩 UHPFRC 基體的開裂，增強其裂前變形能力;

(3)共聚甲醛纖維的摻入可提升 UHPFRC 在荷載下降段的持荷能力，纖維體積摻量越大，下降段越平緩;

(4)混雜纖維對UHPFRC 彎曲韌性的提升更大。

UHPFRC混摻1.5vol%共聚甲醛纖維和 1.5vol%鋼纖維，1.5%POM-1.5%SF/C 的開裂撓度大，工作性能好，具備較好經(jīng)濟效益的同時，保證了較好的抗彎強度和彎曲韌性。

6、行業(yè)應用總結

在分析共聚甲醛纖維對UHPFRC的抗彎強度和彎曲韌性研究中，主要探索這些材料被彎曲時的抗彎能力、結構行為和失效模式，新拓三維XTDIC三維全場應變測量系統(tǒng)用于關注應力最大的區(qū)域，而且實踐證明全場數(shù)據(jù)和三維測量具有極為重要的價值。XTDIC三維全場應變測量系統(tǒng)被廣泛應用于抗彎，抗拉壓，裂紋拓展，材料脆斷，拉伸斷裂等實驗場景。

(文章摘自：長安大學 公路學院，王春生, 張洋，段蘭《共聚甲醛纖維超高性能水泥基復合材料抗彎性能試驗研究》)

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