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數字圖像相關DIC技術在改性混凝土斷裂韌性性能研究中的應用

1研究背景

高速鐵路、橋梁隧道等混凝土結構在高溫服役環境下，脆性增加，抗裂性能顯著下降。傳統混凝土雖具備較高抗壓強度，但抗折強度僅為抗壓強度10~20%，且在高溫下因水分蒸發熱應力累積而加速退化。為提高混凝土在高溫環境下韌性，水性聚氨酯（Waterborne Polyurethane,WP）被引入混凝土中，WP改性混凝土WPMC在不同溫度下的斷裂韌性演化機制成為研究迫切需求。

中國鐵道科學研究院的研究團隊，通過中科君達視界提供的數字圖像相關（Digital Image Correlation，DIC）技術，系統分析了WPMC在不同溫度下的斷裂韌性變化規律，建立了溫度與WP含量的斷裂韌性預測模型。

2實驗原理與方法

2.1 材料與試件制備

實驗采用基準混凝土與三種WP含量（5%、10%、15%）的WPMC試件，尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。試件在標準養護56天后，進行20°C、40°C、60°C、80°C下的三點彎曲試驗與斷裂韌性測試。

2.2 數字圖像相關DIC技術應用

試件表面噴涂啞光白漆作為背景，人工噴涂直徑約0.5mm的黑色標記點，形成高對比度散斑場。DIC儀器以20 Hz頻率與電液伺服試驗機同步運行，實現荷載-變形過程的同步記錄，再通過DIC軟件提取底部拉伸應變，裂紋張口位移CMOD等關鍵參數。

3實驗數據解析

3.1 試件底部弱區拉伸應變分析

基于千眼狼數字圖像相關DIC技術提取的試件底部“弱區”處拉伸應變數據（圖1），WPMC斷裂過程可分為兩個典型階段：

I. 損傷累積期：荷載初期，微裂紋緩慢萌生與擴展，底面應變呈線性增長，以彈性變形為主。

II. 裂紋快速擴展期：荷載達到臨界值后，主裂紋貫通，底面應變急劇上升，進入塑性變形主導階段。

圖1

DIC測量數據顯示，隨著WP摻量增加，WPMC在高溫下仍保持較高的極限應變，說明WP顯著提升了混凝土變形能力。

3.2 P-CMOD曲線與韌性評估

P-CMOD（荷載-裂紋張口位移）曲線是評估混凝土斷裂性能的核心工具。DIC技術可提供全場變形信息作為CMOD數據補充，可視化驗證P-CMOD曲線三個階段：

I. 線彈性階段：DIC數據顯示，此階段應變集中僅出現在預知裂縫尖端非常小的區域內，整個梁體應變分布均勻，驗證材料線彈性行為。

II. 非線性軟化階段：荷載增速放緩，曲線偏離線性，標志微裂紋開始穩定擴展，DIC測量圖像顯示裂縫尖端前方出現應變集中帶，表明損傷區形成。

III. 快速失穩階段：普通混凝土在此階段曲線陡降，表現為脆性破壞，WPMC的曲線下降則更為平緩。

DIC測量數據顯示，隨著WP摻量增加，階段II顯著延長，表明WP有效延緩裂紋擴展速率，提升材料斷裂能。

圖2

3.3 裂紋擴展過程可視化與BME模型驗證

研究團隊使用DIC儀器觀測表面變形，將其作為精確測量裂紋擴展歷史的工具，用于驗證和校準邊界效應模型BEM。

圖3為利用DIC測量系統，通過對比試件變形前后散斑圖像的互相關計算，生成全場位移矢量圖，位移不連續線即為裂紋軌跡，通過設置閾值，DIC軟件可識別裂紋尖端位置，實時跟蹤其運動軌跡（圖4），從而得到精確的裂紋擴展長度與時間的關系曲線，避免了傳統方法如粘貼應變片的局部性，能捕捉到裂紋躍遷式擴展細節。

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BEM模型中的關鍵參數等效裂紋長度（a?）和特征裂紋長度（a*_w）的傳統計算依賴于理論公式和假設，研究創新性利用DIC測量的真實裂紋擴展歷史來標定這些參數，通過將DIC測量的裂紋擴展數據代入模型進行迭代反演分析，提高BEM模型預測斷裂韌性（KIC）的準確性和可靠性。圖5中預測值與DIC測量值數據吻合，驗證了預測模型的有效性，凸顯了DIC技術作為標尺在力學模型開發中的核心價值。