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混凝土斷裂力學性能研究

研究背景

建筑防火領域，混凝土結構常面臨極端高溫灼燒后與消防噴水冷卻的雙重作用，對混凝土的微觀結構和斷裂力學性能有顯著影響。

近期，上海大學研究團隊，開展了基于數字圖像相關技術DIC技術與聲發射AE技術的實驗研究，高精度分析高溫快速冷卻對高性能混凝土(HPC)斷裂性能的影響。

詳見論文《Study on the fracture mechanical properties of high performance concrete (HPC) with rapid cooling after high temperature》

實驗平臺

由千眼狼Revealer DIC系統與其他配套設備組成。

1.DIC測量系統：千眼狼Revealer DIC 三維測量設備，含2臺超高清高速相機，詳見圖1。RDIC應變場測量軟件，支持實時生成位移與應變云圖，支持裂紋擴展分析，可定位裂紋尖端、計算張開角。

圖1 千眼狼Revealer DIC測量系統

2. 配套設備：1）高溫爐：最高1000°C，控溫精度±1°C，模擬火災高溫環境。2）液壓伺服機：三彎梁加載（0.3 mm/min位移控制），負載傳感器測量范圍0 kN~2000 kN，位移傳感器的測量范圍為0 mm~200 mm，引伸計測量范圍為0 mm~10 mm，用于同步采集載荷-位移數據。3）聲發射系統：50-400 kHz傳感器，用于捕捉裂紋擴展的聲信號。

實驗步驟

1.試件制備研究團隊制備了普通混凝土(PC)和高性能混凝土(HPC)兩種材料的三點彎曲梁試件，試件尺寸為550mm×150mm×100mm，預切口長度為60mm，切口高度比為0.4，跨度為450mm，跨度高度比為3。

2. 高溫與冷卻處理：預干燥后，將試件分別在20°C、200°C、400°C、600°C和800°C高溫工況下進行處理后，立即置于冷卻池中冷卻90分鐘，模擬消防噴淋場景。

圖2 高溫后混凝土的表現特性

3. 加載試驗：冷卻后的試件進行三點彎曲梁加載試驗。采用液壓伺服試驗機以0.3mm/min加載，通過DIC應變系統采集試件表面的散斑圖像，同時記錄液壓伺服機的荷載-時間曲線和位移-時間曲線，以及用引伸計記錄荷載-裂縫開口位移CMOD值，與DIC測量結果高度吻合，詳見圖3。

圖3 DIC測量與引伸計測量的CMOD值對比

4. 數據分析：通過DIC測量系統分析采集到的圖像，每隔5個像素畫一條線裂縫，分析橫向位移跳變點，定位裂紋尖端，詳見圖4。同時，結合聲發射(AE)技術，分析混凝土的損傷過程。

圖4 裂縫長度計算示意圖

實驗結論

DIC應變測量系統分析發現，HPC裂紋萌生階段隨溫度顯著提前，常溫下為Pre-60%峰值載荷，800°C時提前至Pre-10%。DIC測得HPC在600°C后裂紋擴展速率均勻化，而PC在200°C即軟化，證明HPC擁有更優的界面致密性。同時DIC與引伸計、AE測量數據互驗，也驗證非接觸測量的可靠性。

實驗展望

通過千眼狼Revealer DIC應變測量系統，研究人員揭示了不同材料成分和配比對混凝土斷裂性能的影響。在復雜加載條件下，千眼狼DIC系統可實時監測混凝土的變形和裂縫發展，為深入理解混凝土的力學行為提供動態數據支持，推動建筑材料研究創新取得更高水平發展。