Betons trukturen wie Hoch geschwindigkeit bahnen, Brücken und Tunnel weisen eine erhöhte Sprödigkeit und eine signifikant verringerte Riss beständigkeit auf, wenn sie in Hoch temperatur umgebungen eingesetzt werden. Obwohl herkömmlicher Beton eine hohe Druckfest igkeit aufweist, beträgt seine Biege festigkeit nur 10% bis 20% seiner Druckfest igkeit und baut sich bei hohen Temperaturen aufgrund von Feuchtigkeit verdampfung und Anhäufung thermischer Spannungen beschleunigt ab. Um die Zähigkeit von Beton in Hoch temperatur umgebungen zu verbessern, wurde Polyurethan auf Wasserbasis (WP) in Beton eingebaut. Daher ist es dringend erforderlich, den Evolutions mechanismus der Bruch zähigkeit von WP-modifiziertem Beton (WPMC) bei unterschied lichen Temperaturen zu untersuchen.
Ein Forschungs team der China Academy of Railway Sciences analysierte systematisch das Variations gesetz der Bruch zähigkeit von WPMC bei unterschied lichen Temperaturen mithilfe der DIC-Technologie (Digital Image Correlation) von HF Agile Device Co.,Ltd. und etablierte ein Vorhersage modell für die Bruch zähigkeit unter Berücksichtigung von Temperatur und WP-Gehalt.
2.1 Materialien und Proben vorbereitung
Das Experiment verwendete Benchmark-Beton-und WPMC-Proben mit drei WP-Inhalten (5%, 10%, 15%) mit Abmessungen von 100mm × 100mm × 400mm. Nach 56 Tagen Standard härtung wurden die Proben Drei punkt biege tests und Bruch zähigkeit tests bei 20 ° C, 40 ° C, 60 ° C und 80 ° C unterzogen.
2.2 Anwendung der DIC-Technologie (Digital Image Correlation)
Die Oberfläche der Probe wurde mit matt weißer Farbe als Hintergrund besprüht, und schwarze Markierung spunkte mit einem Durchmesser von ungefähr 0,5mm wurden manuell besprüht, um ein kontrast reiches Speckle feld zu bilden. DieDIC-InstrumentSynchron mit der elektro hydraulischen Servo prüfmaschine mit einer Frequenz von 20Hz betrieben, um die synchrone Aufzeichnung des Last verformung prozesses zu realisieren. Dann wurden Schlüssel parameter wie die untere Zug belastung und die Riss mund öffnungs verschiebung (CMOD) durch extrahiertDIC-Software.
3.1 Analyse der Zug festigkeit in der schwachen Zone am Boden des Exemplars
Basierend auf den Zug belastungs daten der "schwachen Zone" am Boden der Probe, die von extrahiert wurdeEnthüllerDigitale Bild korrelation (DIC)Technologie(Abbildung 1), der Fraktur prozess von WPMC kann in zwei typische Phasen unterteilt werden:
I: Schadens akkumulation szeit: Im Anfangs stadium der Belastung initiieren und breiten sich langsam Mikrorisse aus, die Dehnung am Boden nimmt linear zu und die elastische Verformung dominiert.
II: Schnelle Riss ausbreitung szeit: Nachdem die Last den kritischen Wert erreicht hat, dringt der Haupt riss ein und die Dehnung am Boden steigt stark an und tritt in die von plastischer Verformung dominierte Stufe ein.
Abbildung 1
DIC-MessungDaten zeigen, dass WPMC mit dem Anstieg des WP-Gehalts bei hohen Temperaturen immer noch eine hohe End belastung aufrechter hält, was darauf hinweist, dass WP die Verformung kapazität von Beton signifikant verbessert.
3.2 Bewertung der P-CMOD kurve und Zähigkeit
Die P-CMOD Kurve (Last-Crack-Mundöffnung verschiebung) ist ein Kern werkzeug zur Bewertung der Bruch leistung von Beton.DIC-TechnologieKann Vollfeld verformung informationen als Ergänzung zu CMOD-Daten bereitstellen und die drei Stufen der P-CMOD kurve visuell überprüfen:
Ich. Lineares elastisches Stadium:DICDatenZeigen, dass in diesem Stadium die Dehnung konzentration nur in einem sehr kleinen Bereich an der Spitze des bereits vorhandenen Risses auftritt und die Dehnung verteilung des gesamten Strahls gleichmäßig ist. Überprüfung des linearen elastischen Verhaltens des Materials.
II. Nichtlineares Erweichung stadium: Die Last wachstums rate verlangsamt sich und die Kurve weicht von der Linearität ab, was den Beginn einer stabilen Ausbreitung von Mikrorissen markiert.DIC-MessungBilder zeigen, dass vor der Riss spitze eine Dehnung konzentration szone erscheint, die auf die Bildung einer beschädigten Zone hinweist.
III. Schnelle Instabilität phase: Die Kurve von gewöhnlichem Beton fällt in diesem Stadium stark ab und zeigt ein sprödes Versagen, während die Kurve von WPMC sanfter abfällt.
DIC-MessdatenZeigen, dass mit der Zunahme des WP-Gehalts Stufe II signifikant verlängert wird, was darauf hinweist, dass WP die Riss ausbreitung srate effektiv verzögert und die Bruche nergie des Materials verbessert.
Abbildung 2
3.3 Visual isierung des Crack-Propagation prozesses und Überprüfung des Boundary Effect Model (BEM)
Das verwendete Forschungs teamDIC-InstrumenteUm die Oberflächen verformung zu beobachten, verwenden Sie sie als Werkzeug zum genauen Messen des Riss ausbreitung verlaufs, um das Boundary Effect Model (BEM) zu überprüfen und zu kalibrieren.
Abbildung 3 zeigt die Verwendung von aDIC-MessungSystem zur Erzeugung einer Vollfeld verschiebung vektor karte durch Vergleich der Kreuz korrelation berechnungen von Speckle-Bildern vor und nach der Proben verformung. Die Verschiebung diskontinuität linien stellen Riss wege dar. Durch die Festlegung von Schwellen werten wird dieDIC-SoftwareKann die Position der Riss spitze identifizieren und ihre Bewegung in Echtzeit verfolgen (Abbildung 4), wodurch eine präzise Riss verlängerung länge im Vergleich zu Zeit kurven erhalten wird. Diese Methode überwindet die Einschränkungen traditioneller Techniken, wie z. B. die lokalisierte Natur der anges ch lossenen Dehnung messer, und erfasst die Details der inter mit tieren den Riss ausbreitung.
Abbildung 3 Abbildung 4
Die traditionelle Berechnung von Schlüssel parametern im BEM-Modell, wie der äquivalenten Riss länge (aₑ) und der charakter is tischen Riss länge (a * _ w), beruht auf theoretischen Formeln und Annahmen. Die Forschung verwendete innovativ die von DIC gemessene reale Riss ausbreitung historie, um diese Parameter zu kalibrieren. Durch Ersetzen der mit DIC gemessenen Riss ausbreitung daten in das Modell für die iterative Inversion analyze wurden die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des BEM-Modells bei der Vorhersage der Bruch zähigkeit (KIC) verbessert. Die vorhergesagten Werte in Abbildung 5 entsprechen gut den DIC-Messwerten, überprüfen die Wirksamkeit des Vorhersage modells und heben den Kernwert vonDIC-TechnologieAls Benchmark bei der Entwicklung mechanischer Modelle.
Abbildung 5
Durch die KombinationDigitale Bild korrelation (DIC)TechnologieMit der Analyse untersuchte das Forscher team systematisch die Biege festigkeit und Bruch zähigkeit von WPMC bei verschiedenen Temperaturen und enthüllte die Auswirkungen von Temperatur und WP-Gehalt auf die Energie absorptions-und Verformung kapazität von WPMC:
Ich.Je höher der WP-Gehalt ist, desto signifikanter ist die Verbesserung der Zähigkeit von Beton bei hohen Temperaturen.
II.Bei 60 °C erreicht WPMC die optimale Energie absorptions-und Verformung kapazität.
III. Durch die Erstellung eines Beziehung modells zwischen den charakter is tischen Mikros truktur parametern C und Cw sowie dem Temperatur-und WP-Gehalt wurde der Bruch zähigkeit swert KIC von WPMC erfolgreich vorhergesagt, was in hohem Maße mit den DIC-Messergebnis sen überein stimmt.
Instrumente zur digitalen Bild korrelation (DIC)Bereitstellung von hochpräzisen Vollfeld-Dehnung daten für die Anwendung von Betons trukturen in extremen Umgebungen in der Eisenbahn technik, um eine berührungs lose, visuelle und quantitative Analyse des Riss ausbreitung prozesses zu realisieren, und bieten starke technische Unterstützung für das Studium der Beton bruch mechanik.
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