《混凝土斷裂測試系統及其測試方法》是胡少偉於2010年9月10日申請的發明專利，該專利的公布號為CN101975701A，專利公布日為2011年2月16日，發明人是胡少偉、陸俊。
《混凝土斷裂測試系統及其測試方法》所述系統包括測量系統和數據採集處理系統，在測量系統的壓力試驗機平台上設有支撐混凝土試件的支座和對稱位於混凝土試件周側的偶數根墊柱，墊柱上套裝有伸出其頂端並高於壓力感測器的彈簧。該方法是採用該系統使頂板與平台相對移動時，先接觸彈簧後再接觸壓力感測器，當頂板接觸到壓力感測器時，控制載入到混凝土試件上的荷載以小幅載入速率持續載入直至混凝土試件開裂、失穩和破壞；同時採集荷載信號、裂縫張口位移信號並傳送給計算機。
2017年12月11日，《混凝土斷裂測試系統及其測試方法》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《混凝土斷裂測試系統及其測試方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：混凝土斷裂測試系統及其測試方法
- 公布號：CN101975701A
- 公布日：2011年2月16日
- 申請號： 2010102776396
- 申請日：2010年9月10日
- 申請人：胡少偉
- 地址：江蘇省南京市虎踞關34號水利科學研究院
- 發明人：胡少偉、陸俊
- Int. Cl. ：G01N3/20(2006.01)I、G01N3/06(2006.01)I
- 專利代理機構：南京蘇科專利代理有限責任公司
- 代理人：閆彪、何朝旭
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
混凝土斷裂韌度是水電水利與交通工程混凝土結構抗裂、防裂設計及裂縫評定中分析混凝土抗裂能力和建築物裂縫擴展穩定性的重要依據。要了解混凝土斷裂機理，解決混凝土結構物的裂縫擴展問題，首先需要通過混凝土材料的斷裂試驗，正確測定混凝土斷裂參數和了解混凝土失穩斷裂前裂縫擴展過程與縫端附近區域的物理特性及其力學行為。
截至2010年9月，混凝土斷裂參數中常見的是雙K斷裂參數，即起裂斷裂韌度
和失穩斷裂韌度
。規範測量混凝土雙K斷裂參數一般是採用三點彎曲梁試驗，如圖1所示，在三點彎曲梁試驗中，混凝土試件3在澆築時先制一條預置裂縫20，試驗機將荷載載入在壓力感測器4上通過墊板傳遞給混凝土試件3，通過採集臨界裂縫張口位移CMODc和最大荷載Fmax來計算臨界有效裂縫長度ac的值，進而計算裂縫的起裂斷裂韌度、失穩斷裂韌度。另外，公布號為CN101706389A的中國專利也採用了三點彎曲梁試驗，該專利是在如圖1所示的裂縫20處設定夾式引申計，在梁試件1受力的過程中採集荷載和撓度，通過計算出荷載和撓度的曲線面積除以混凝土試件3的韌帶面積從而得到混凝土試件3的斷裂能；該專利只是為抵消梁試件自重所做的功設計的試驗裝置，從而無需擬合試驗曲線而計算出梁試件的斷裂能。
上述2010年9月前採用三點彎曲梁試驗的裝置及方法存在的問題是2010年9月前的試驗機的量程和精度較低，通常載入速率在80牛/秒∽120牛/秒，這樣就導致：一、採集有關試驗數據（如荷載、位移和應變等數據）的數量較少（即採集頻率低），從而造成採集的荷載-位移曲線較為粗糙，進而使計算出的雙K斷裂參數不精確，尤其對於小尺寸的混凝土梁試件（譬如水泥砂漿試件）來說，採集試驗數據的精度更是無法滿足混凝土梁試件的設計要求；二、實際採集試驗數據時往往要中止載入荷載（即不能持續地增加荷載）進行靜態採集，這樣得到的試驗數據均是間斷值，不能夠形成連續的荷載-位移曲線；三、經常採集不到試件剛起裂和失穩時的數據，從而使計算出的雙K斷裂參數根本不準確；四、在荷載-位移曲線下降段，由於要求施加的荷載速率要小，否則試件容易突然發生破壞，因此很難採集到荷載-位移曲線下降段過程。由於存在以上的問題和缺陷，2010年9月前採用三點彎曲梁試驗確定混凝土雙K斷裂參數時，只是將採集到的試驗數據用於經驗公式來判斷混凝土梁試件的起裂或失穩狀態，無法定量驗證計算雙K斷裂參數值的準確性，從而無法確定斷裂時刻的準確性，更不能深入的揭示混凝土內部的裂縫演化過程，也很難在實際工程中直接使用所得的雙K斷裂參數。
發明內容
專利目的
《混凝土斷裂測試系統及其測試方法》的目的是提出一種在三點彎曲梁試驗中能夠更加精細化採集各種混凝土試件斷裂破壞全過程的試驗數據，從而可以更加精確地計算獲得雙K斷裂參數的測試系統及其測試方法。
技術方案
《混凝土斷裂測試系統及其測試方法》的技術方案之一是：一種混凝土斷裂測試系統，包括測量系統和數據採集處理系統，所述測量系統包括2010年9月前的壓力試驗機、用於放置在混凝土試件頂部的壓力感測器和用於設定在混凝土試件預製裂縫處的夾式引伸計，所述壓力試驗機含有平台、位於壓力感測器上方的頂板和用於推動平台與頂板相對移動的驅動裝置，所述平台上設有彼此間隔用於支撐混凝土試件的支座，所述數據採集處理系統主要由動態應變採集儀和計算機組成；所述平台上還設有對稱位於混凝土試件周側的偶數根墊柱，所述墊柱上套裝有伸出其頂端的彈簧；所述彈簧未受壓時相對平台的高度高於壓力感測器未受壓時相對平台的高度。
《混凝土斷裂測試系統及其測試方法》的技術方案之二是：一種混凝土斷裂測試方法，採用如技術方案之一所述混凝土斷裂測試系統進行測試，包括以下步驟：
1）在壓力試驗機的平台上安裝墊柱，根據試驗要求經計算選擇彈簧並將彈簧套裝在墊柱頂端；
2）將混凝土試件安置在壓力試驗機的平台上，根據試驗要求經計算選擇壓力感測器並將壓力感測器放置在混凝土試件上，使彈簧相對平台的高度高於壓力感測器相對平台的高度；
3）在混凝土試件的預製裂縫處安置夾式引伸計；
4）啟動壓力試驗機和數據採集系統，當壓力試驗機的頂板接觸到彈簧時，動態應變採集儀開始採集零點；
5）當壓力試驗機的頂板接觸到壓力感測器時，先控制壓力試驗機的驅動進給量使載入到混凝土試件上的荷載以10牛/秒的載入速率載入至試驗要求極限荷載的50％，然後以1牛/秒的載入速率持續載入直至混凝土試件開裂破壞；
6）當在第5）步驟中以1牛/秒的載入速率持續載入時，動態應變採集儀同步採集荷載信號和裂縫張口位移信號，並將採集的荷載信號和裂縫張口位移信號傳送給計算機，由計算機輸出荷載-位移曲線並計算雙K斷裂參數。
該發明在具體試驗時，壓力試驗機驅動平台與頂板相對移動後，頂板首先接觸到彈簧，彈簧受到壓力後產生反作用彈力抵消掉大部分壓力，之後頂板再逐步緩慢的接觸壓力感測器，從而使壓力試驗機實際載入在混凝土試件上的荷載值很小，最小能精確控制為1牛/秒，而且荷載施加過程非常緩慢，能夠滿足荷載-位移曲線下降段的載入速率要求。
改善效果
《混凝土斷裂測試系統及其測試方法》的有益效果是：由於在2010年9月前壓力試驗機的平台上安裝墊柱和彈簧，並使彈簧相對平台的高度高於壓力感測器相對平台的高度，因此可以將壓力試驗機載入到混凝土試件上的荷載以較小的載入速率持續載入，即混凝土試件可以處於以較小單位荷載的持續載入作用下，在這種連續載入過程中，壓力感測器和夾式引伸計可以對各種不同等級、不同級配混凝土試件連續獲得更加精細（即更多個）的荷載信號和裂縫張口位移信號，並實時將這些信號傳給動態應變採集儀和計算機，從而獲得更加精細的荷載-位移曲線，進而經計算處理後可以得到更精確的雙K斷裂參數，並最終了解和掌握混凝土試件斷裂破壞的全過程。
上述技術方案之一的改進之一是：還包括聲發射儀和安置於混凝土試件表面的聲發射感測器，所述聲發射儀的輸入端和輸出端分別通過數據線與聲發射感測器和計算機連線。
上述技術方案之二的改進之一是：所述第1）步驟中，還採用有聲發射儀和聲發射感測器；所述第3）步驟中，在混凝土試件表面安置聲發射感測器；所述第6）步驟中，當以1牛/秒的載入速率持續載入時，所述聲發射儀採集來自於混凝土試件內部缺陷發出的聲發射信號。
上述技術方案之一的改進之二是：還包括應變片，所述應變片安置於混凝土試件預製裂縫處並通過數據線與動態應變採集儀連線。
上述技術方案之二的改進之二是：所述第3）步驟中，在混凝土試件表面安置應變片；所述第6）步驟中，當以1牛/秒的載入速率持續載入時，所述動態應變採集儀還同步採集混凝土試件的應變信號。
經上述改進後，該發明在獲取精細的荷載信號和裂縫張口位移信號以外，還可以進一步獲取混凝土試件在持續載入過程中對應每個荷載信號和裂縫張口位移信號的混凝土試件斷裂的聲音特徵信號（如振鈴計數、事件計數等）或應變信號，通過對這些聲音特徵信號或應變信號的識別、判斷和分析，找到混凝土試件出現起裂和失穩狀態的準確時刻及對應該時刻的荷載值和裂縫張口位移值，從而為準確計算獲得混凝土試件雙K斷裂參數提供直接依據，即提高雙K斷裂參數計算的準確性。
上述技術方案之一的進一步改進是：所述墊柱和彈簧均是圍繞混凝土試件兩側彼此對稱布置的四根。
上述技術方案之一的完善是：所述彈簧的性能參數按照下式選取，F＝kx，式中，
F——彈簧所承受荷載，牛頓；
k——彈簧剛度，
，牛/毫米；
G——彈簧材料的切變模量，兆帕；
C——彈簧的旋繞比，C＝D2/d；
D2——彈簧直徑，毫米；
d——彈簧絲直徑，毫米；
n——彈簧有效圈數；
x——彈簧的變形量，毫米。
上述技術方案之一的進一步完善是：所述夾式引伸計嵌在分別貼上在混凝土試件的預置裂縫口兩側的刀口薄鋼條之間，所述壓力試驗機是液壓試驗機，所述驅動裝置是安置於平台下部的液壓缸。
上述技術方案之二的完善是：所述第1）步驟中，對所述聲發射感測器進行斷鉛標定，以驗證聲發射儀的門檻值和波速值。
附圖說明
圖1是2010年9月前混凝土斷裂參數三點彎曲梁試驗裝置的結構示意圖。
圖2是《混凝土斷裂測試系統及其測試方法》實施例一混凝土斷裂測試系統的結構示意圖。
圖3是圖2的左視圖。
圖4是採用2010年9月前靜態混凝土斷裂測試系統及其方法進行測試實驗後得到的荷載-位移曲線圖。
圖5是採用該發明實施例一混凝土斷裂測試系統及其測試方法進行測試實驗後得到的荷載-位移曲線圖。
圖6是該發明實施例二混凝土斷裂測試系統的結構示意圖。
技術領域
《混凝土斷裂測試系統及其測試方法》屬於混凝土材料性能測試技術領域。
權利要求
1.《混凝土斷裂測試系統及其測試方法》所述系統採用混凝土斷裂測試系統進行測試，所述混凝土斷裂測試系統包括測量系統和數據採集處理系統，所述測量系統包括2010年9月前的壓力試驗機、用於放置在混凝土試件頂部的壓力感測器和用於設定在混凝土試件預製裂縫處的夾式引伸計，所述壓力試驗機含有平台、位於壓力感測器上方的頂板和用於推動平台與頂板相對移動的驅動裝置，所述平台上設有彼此間隔用於支撐混凝土試件的支座，所述數據採集處理系統主要由動態應變採集儀和計算機組成；所述平台上還設有對稱位於混凝土試件周側的偶數根墊柱，所述墊柱上套裝有伸出其頂端的彈簧；所述彈簧未受壓時相對平台的高度高於壓力感測器未受壓時相對平台的高度；其特徵在於包括以下步驟：
1）在壓力試驗機的平台上安裝墊柱，根據試驗要求經計算選擇彈簧並將彈簧套裝在墊柱頂端；
2）將混凝土試件安置在壓力試驗機的平台上，根據試驗要求經計算選擇壓力感測器並將壓力感測器放置在混凝土試件上，使彈簧相對平台的高度高於壓力感測器相對平台的高度；
3）在混凝土試件的預製裂縫處安置夾式引伸計；
4）啟動壓力試驗機和數據採集處理系統，當壓力試驗機的頂板接觸到彈簧時，動態應變採集儀開始採集零點；
5）當壓力試驗機的頂板接觸到壓力感測器時，先控制壓力試驗機的驅動進給量使載入到混凝土試件上的荷載以10牛/秒的載入速率載入至試驗要求極限荷載的50％，然後以1牛/秒的載入速率持續載入直至混凝土試件開裂破壞；
6）當在第5）步驟中以1牛/秒的載入速率持續載入時，動態應變採集儀同步採集荷載信號和裂縫張口位移信號，並將採集的荷載信號和裂縫張口位移信號傳送給計算機，由計算機輸出荷載-位移曲線並計算雙K斷裂參數。
2.根據權利要求1所述混凝土斷裂測試方法，其特徵在於：所述第1）步驟中，還採用有聲發射儀和聲發射感測器；所述第3）步驟中，在混凝土試件表面安置聲發射感測器；所述第6）步驟中，當以1牛/秒的載入速率持續載入時，所述聲發射儀採集來自於混凝土試件內部缺陷的聲發射信號。
3.根據權利要求1所述混凝土斷裂測試方法，其特徵在於：所述第3）步驟中，在混凝土試件表面安置應變片；所述第6）步驟中，當以1牛/秒的載入速率持續載入時，所述動態應變採集儀還同步採集混凝土試件的應變信號。
4.根據權利要求2所述混凝土斷裂測試方法，其特徵在於：所述第1）步驟中，對所述聲發射感測器進行斷鉛標定，以驗證聲發射儀的門檻值和波速值。
實施方式
- 實施例一
該實施例的混凝土斷裂測試系統如圖2、圖3所示，包括測量系統和數據採集處理系統，測量系統包括2010年9月前的壓力試驗機、用於放置在混凝土試件3頂部的壓力感測器4和用於設定在混凝土試件3預製裂縫處的夾式引伸計10。壓力試驗機選用長春試驗機廠生產的5000千牛三軸液壓試驗機，該試驗機含有放置混凝土試件3的平台1、位於壓力感測器4上方的頂板5和用於推動平台1與頂板5相對移動的驅動裝置（即液壓缸），頂板5上端固定在試驗機橫樑6上，試驗機橫樑6套裝在試驗機立柱7上。夾式引伸計採用美國Epsilon公司生產的夾式引伸計，夾式引伸計10嵌在分別貼上在混凝土試件3的預置裂縫口兩側的刀口薄鋼條（圖中未示出）之間。數據採集處理系統主要由動態應變採集儀11和計算機12組成，動態應變採集儀11採用江蘇東華測試技術股份有限公司生產的DH-3817型動態應變採集儀。平台1上設有彼此間隔用於支撐混凝土試件3的兩支座2，還設有對稱位於混凝土試件3周側（該實施例是在混凝土試件3的兩側，也可以在混凝土試件3的四側或四角，等等）的四根墊柱9。墊柱9上套裝有伸出其頂端的彈簧8。彈簧8在未受壓時相對平台1的高度高於壓力感測器4未受壓時相對平台1的高度，即彈簧8未受壓時其頂端與頂板5下沿的距離小於壓力感測器4頂端與頂板5下沿的距離，或者說頂板5與平台1相對移動時先接觸彈簧8後再接觸壓力感測器4。
彈簧8的有關參數按照下式選取，F＝kx，式中，
F——彈簧所承受荷載，牛頓；
k——彈簧剛度，，牛/毫米；
G——彈簧材料的切變模量，兆帕；
C——彈簧的旋繞比，C＝D2/d；
D2——彈簧直徑，毫米；
d——彈簧絲直徑，毫米；
n——彈簧有效圈數；
x——彈簧的變形量，毫米。
該實施例的混凝土斷裂測試包括以下步驟：
1）採用上述混凝土斷裂測試系統，在壓力試驗機的平台1上安裝墊柱9，根據試驗要求經計算選擇彈簧8並將彈簧8套裝在墊柱頂端；
2）將混凝土試件3安置在壓力試驗機的平台1上，根據試驗要求經計算選擇壓力感測器4並將壓力感測器4放置在混凝土試件3上，使彈簧8相對平台1的高度高於壓力感測器4相對平台1的高度；
3）在混凝土試件3的預製裂縫處安置夾式引伸計10；
4）啟動壓力試驗機和數據採集系統，當壓力試驗機的頂板5接觸到彈簧8時，動態應變採集儀11開始採集零點；
5）當壓力試驗機的頂板5接觸到壓力感測器4時，先控制壓力試驗機的驅動裝置進給量（即液壓缸的進油量）使載入到混凝土試件3上的荷載以10牛/秒的載入速率載入至試驗要求極限荷載的50％，然後以1牛/秒的載入速率持續載入直至混凝土試件3開裂破壞；
6）當在第5）步驟中以1牛/秒的載入速率持續載入時，動態應變採集儀11同步採集荷載信號和裂縫張口位移信號，並將採集的荷載信號和裂縫張口位移信號傳送給計算機12，由計算機12輸出荷載-位移曲線並通過規範（DL/T5332-2005）中公式計算雙K斷裂參數。
分別採用2010年9月前的靜態混凝土斷裂測試系統及其方法和該實施例混凝土斷裂測試系統及其測試方法進行對比實驗，混凝土試件選用尺寸為1000×300×300的稜柱體試件，混凝土試件的預製縫採用鋼板預埋生成，預製縫縫長為60毫米，兩種實驗中分別得到荷載-位移曲線如圖4和圖5所示，圖中的F是連續採集的荷載值，CMODc是連續採集的裂縫口張開位移值。其中，圖4是採用2010年9月前的靜態系統和方法測試後得到的荷載-位移曲線圖，圖5是採用該實施例的系統和方法進行測試後得到的荷載-位移曲線圖。
比較圖4和圖5可以看出：
1、採用該實施例混凝土斷裂測試系統和測試方法所採集的試驗過程數據遠遠多於2010年9月前靜態混凝土斷裂測試系統和測試方法所採集到的數據，荷載-位移曲線更加精細，而且可以完整地採集到荷載-位移曲線的下降段；因此能夠更加全面的、連續的反映混凝土試件受載的全過程，並得到更加完整的雙K計算公式中各參數的數據，從而能更加準確的計算得出的雙K斷裂參數，為全面分析試件的斷裂性能提供有效的數據支持。
2、採集到的裂縫口張口位移是一個連續的變化過程，據此可以更加準確的採集到裂縫萌發、擴展直至失穩斷裂的具體時刻，可以分析出裂縫在荷載作用下的全變化過程，為更深入掌握混凝土斷裂、失穩破壞機理提供有力的試驗支撐。
該實施例混凝土斷裂測試系統存在的變化是：1）墊柱9和彈簧8也可以是二根、六根或其他偶數根，但最少是二根，以便於對稱布置於混凝土試件3周側，從而平衡混凝土試件3的受力；2）5000千牛三軸液壓試驗機也可以是2000千牛或1000千牛三軸液壓試驗機，或者是單軸、二軸液壓試驗機；3）液壓試驗機也可以由電動試驗機代替；4），壓力感測器4與混凝土試件3之間也可以加設墊板。
- 實施例二
該實施例的混凝土斷裂測試系統是在實施例一基礎上的改進，如圖6所示，其與實施例一所不同的是：①還包括聲發射儀13和安置於混凝土試件3表面的聲發射感測器14，聲發射儀13的輸入端和輸出端分別通過數據線與聲發射感測器14和計算機12連線，聲發射儀採用每國PAC公司生產的SAMOSTM聲發射儀；②刀口薄鋼條替換為在裂縫口兩側預埋的螺栓（圖中未示出）。該實施例的混凝土斷裂測試方法是在實施例一基礎上的改進，其與實施例一所不同的是：①在第1）步驟中，還採用有聲發射儀13和聲發射感測器14，並對聲發射感測器14進行斷鉛標定以驗證聲發射儀的門檻值和波速值；②在第3）步驟中，在混凝土試件3表面安置聲發射感測器14；③在第6）步驟中，當以1牛/秒的載入速率持續載入時，聲發射儀13採集來自於混凝土試件3內部缺陷的聲發射信號。
- 實施例三
該實施例的混凝土斷裂測試系統是在實施例一基礎上的改進，其與實施例一所不同的是：還包括應變片（圖中未示出），應變片安置於混凝土試件3預製裂縫處並通過數據線與動態應變採集儀11連線。該實施例的混凝土斷裂測試方法是在實施例一基礎上的改進，其與實施例一所不同的是：①在第3）步驟中，在混凝土試件的預製裂縫處貼上應變片；②在第6）步驟中，當以1牛/秒的載入速率持續載入時，動態應變採集儀11採集混凝土試件3的應變信號。
榮譽表彰
2017年12月11日，《混凝土斷裂測試系統及其測試方法》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
