一种干燥环境下混凝土内部损伤程度的计算方法

1.本发明属于混凝土性能评价领域，具体涉及一种干燥环境下混凝土内部损伤程度的测试与计算方法。


背景技术：

2.混凝土是使用最广泛、用量最大的建筑材料，已广泛应用到建筑、公路、大坝等土木工程领域。然而在服役过程中，复杂环境条件和外部荷载导致混凝土产生变形，在约束条件下引起裂缝，直接降低混凝土结构的耐久性和安全性。在细观层面上，混凝土可以被视为一种由两相(粗骨料和砂浆)组成的非均质材料。由于骨料形状、表面构造以及空间分布的非均匀性，骨料对收缩的约束作用会在混凝土内部产生非均匀的应力/应变，尤其在干燥环境下，混凝土收缩较大，对混凝土干缩微裂缝的形成与扩展有重要的影响。如何测试并通过混凝土内部非均匀应力/应变评价干缩微裂缝的分布特征和演化规律是近年来研究混凝土干缩开裂的热点。
3.数字图像相关法(dic)是一种非接触式的光学测量技术，主要采用高分辨率图像采集设备捕获试样变形前后的照片，通过相关匹配计算，获得试样表面变形位移场、应变场等。dic具有非接触、全场测量、高精度和高灵敏度等优点，既可以测量材料的体变形，又可以绘制出材料各相的变形分布。已经成为一种有效的测试材料非均匀变形的方法。近年来有研究者采用dic测试了干燥环境下混凝土内部非均匀应变，并结合混凝土细观损伤模型研究了干缩微裂缝的分布特征，这些为研究混凝土干缩微裂缝的形成机理、扩展规律以及防治方法等提供了很好的思路。然而这些研究大多定性地评估微裂缝的分布特征，而通过混凝土内部非均匀应力/应变评价混凝土内部损伤程度的研究相对缺乏。
4.maruyama等为评估混凝土干燥收缩引起的损伤，计算了ε
max
场中的拉应变面积，并将其定义为损伤因子d
ε
，同时发现d
ε
与混凝土整体干燥收缩有较好的相关性。但是由于maruyama等所定义的损伤因子d
ε
计算了所有拉应变区域，对于粗骨料强度远大于砂浆强度的混凝土，混凝土中的损伤主要是砂浆的损伤，使用d
ε
则过高地评估了混凝土干燥收缩引起的损伤。因此，急需提出一种新的混凝土内部损伤程度测试与计算方法，用来更为准确的量化干燥环境下混凝土内部的损伤程度。


技术实现要素：

5.本发明是为了解决上述现有方法存在的不足之处，提出一种混凝土干燥环境下内部损伤程度的计算方法，以期能更为准确的量化干燥环境下混凝土内部的损伤程度，从而能为干燥环境下混凝土内部损伤提供新的参考标准以及评价方式。
6.本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
7.本发明一种干燥环境下混凝土内部损伤程度的计算方法的特点在于，包含以下步骤：
8.步骤1：制备正方体的混凝土试件，并在某一测试时间将所述混凝土试样的截面划
分成n＝n
×
n个大小相等的正方形网格，每个正方形网格视为一个子区，其中，n表示试样划分的网格总数，n表示截面的边长；
9.步骤2：以所述截面的中心为原点、所述截面的横向为x轴、所述截面的纵向为y轴，建立平面直角坐标系，获取各个子区的中心点分别沿x和y轴方向的位移u＝{ui|i＝1,2,3,
…
n}和v＝{vi|i＝1,2,3,
…
n}，其中，ui表示第i个子区中心点处的沿x轴的位移，vi表示第i个子区中心点处的沿y轴的位移；
10.步骤3：将所有子区中心点在x和y轴方向的位移u和v进行微分，得到各子区中心点在x-y平面上的三个应变分量ε
xx
＝{ε
xi
|i＝1,2,3,...n}、ε
yy
＝{ε
yi
|i＝1,2,3,...n}、γ
xy
＝{γ
xyi
|i＝1,2,3,...n}，其中，ε
xi
表示第i个子区中心点处的沿x轴方向的线应变，ε
yi
表示第i个子区中心点处的沿y轴方向的线应变，γ
xyi
表示第i个子区中心点处的切应变；
11.利用三个应变分量计算x-y平面上各子区中心点的最大主应变ε
max
＝{ε
max_i
|i＝1,2,3,...n}和最小主应变ε
min
＝{ε
min_i
|i＝1,2,3,...n}，其中，ε
max_i
表示第i个子区中心点处的最大主应变，ε
min_i
表示第i个子区中心点处的最大主应变；
12.步骤4：根据第i个子区中心点的x、y坐标及其对应的最小主应变ε
min_i
绘制二维等高线图，从而得到最小主应变场图，记为ε
min
场图，并通过ε
min
场图确定所述混凝土试件中砂浆和粗骨料的分布状态；
13.步骤5：根据所述混凝土试件中砂浆和粗骨料的分布状态，构建混凝土材料细观损伤模型，从而计算各子区中心点在x-y平面上的等效应变并获得混凝土试样内部损伤的分布特征图；其中，表示第i个子区中心点的等效应变；
14.步骤6：根据等效应变计算混凝土试样内部的损伤因子用于量化表征混凝土试样在干燥环境下内部的损伤程度。
15.本发明所述的一种干燥环境下混凝土内部损伤程度的计算方法的特点也在于，所述步骤4中通过ε
min
场图确定砂浆和粗骨料的分布状态的步骤包括：
16.根据ε
min
场图，选取区分砂浆和粗骨料的阈值k0，若第i个子区中心点的最小主应变ε
min_i
值小于k0，则相应子区为砂浆相，否则，相应子区为骨料相，从而得到所有砂浆相的子区集合m＝{mj|j＝1,2,3
…
n1}和粗骨料相的子区集合c＝{ck|k＝1,2,3
…
n2}，其中，mj表示属于砂浆相的第j个子区，n1表示砂浆相的子区总数，ck表示属于砂浆相的第k个子区，n2表示骨料相的子区总数。
17.所述步骤5中获得混凝土试样内部损伤分布特征图的步骤包括：
18.步骤5.1：利用第i个子区中心点的x、y坐标及其对应的等效应变绘制二维等高线图，得到等效拉应变分布图；
19.步骤5.2：计算由砂浆和粗骨料组成的水泥基材料的拉应变阈值k0，当砂浆相的某个子区的中心处点的等效应变大于k0时，将相应子区添加到子区集合m1中，从而得到子区集合m1＝{m
1p
|p＝1,2,3
…
n3}，其中，m
1p
表示砂浆相中中心处点的等效应变大于k0的第p个子区，n3表示砂浆相中中心处点的等效应变大于k0的子区个数；
20.步骤5.3：将粗骨料相中所有的子区中心点处的等效应变值设置为δ，利用集合c和m1中子区中心点的x、y坐标及其对应的等效应变值绘制二维等高线图，从而得到混凝土试样内部损伤的分布特征图。
21.利用式(1)计算步骤6中损伤因子
[0022][0023]
式(1)中，ai为试样第i个子区的面积。
[0024]
本发明一种电子设备，包括存储器以及处理器的特点在于，所述存储器用于存储支持处理器执行任一所述计算方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。
[0025]
本发明一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序的特点在于，所述计算机程序被处理器运行时执行任一所述计算方法的步骤。
[0026]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0027]
1、本发明利用数字图像相关法测试混凝土干燥环境下的非均匀变形，利用所获得的子区在平面上的应变分量ε
xx
、ε
yy
、ε
xy
，计算子区在x-y平面上的最大(ε
max
)和最小(ε
min
)主应变，并通过最小主应变场区分粗骨料和砂浆，确定骨料形状，使得结果更加拟合于现实，提高了计算准确性。
[0028]
2、本发明将最大主应变和最小主应变结合起来，计算出等效拉应变并以此为依据准确高效的表征了混凝土内部损伤的分布特征。
[0029]
3、相较于现有的评估混凝土干燥收缩引起的损伤方法，本发明提出的混凝土干燥环境下内部损伤程度的计算方法，统计了扣除骨料区域外所有子区的损伤点并计算损伤因子，所用计算方法更为准确的量化了干燥环境下混凝土内部的损伤程度，所得数据更接近真实情况，为干燥环境下混凝土的内部损伤提供了新的评价方法。
附图说明
[0030]
图1为本发明方法的流程图；
[0031]
图2为本发明混凝土试样网格划分示意图；
[0032]
图3为本发明根据混凝土试样ε
min
场图获得的数字化细观几何结构图；
[0033]
图4为本发明混凝土试样损伤区域的分布特征图。
具体实施方式
[0034]
本实施例中，如图1所示，一种干燥环境下混凝土内部损伤程度的计算方法，是利用数字图像相关法(digital image correlation，dic)测试混凝土干燥环境下的非均匀变形，结合混凝土材料细观损伤模型，计算了混凝土内部的等效拉应变用于获得混凝土内部损伤的分布特征，根据的大小和分布计算了混凝土内部损伤因子相比于已有的混凝土内部损伤程度计算方法，本发明扣除了混凝土骨料区域的损伤点，主要考虑试样中砂浆的损伤，所得结果更接近真实情况。具体的说，包含以下步骤：
[0035]
步骤1：制备正方体的混凝土试件，并在某一测试时间将混凝土试样的截面划分成n＝n
×
n个大小相等的正方形网格，每个正方形网格视为一个子区，其中，n表示试样划分的
网格总数，n表示截面的边长如图2所示；
[0036]
步骤2：以截面的中心为原点、截面的横向为x轴、截面的纵向为y轴，建立平面直角坐标系，获取各个子区的中心点分别沿x和y轴方向的位移u＝{ui|i＝1,2,3,
…
n}和v＝{vi|i＝1,2,3,
…
n}，其中，ui表示第i个子区中心点处的沿x轴的位移，vi表示第i个子区中心点处的沿y轴的位移；在dic的测试过程中，dic相机保持固定，用于捕获试样变形前后的图片；
[0037]
步骤3：将各子区中心点在x和y轴方向的位移u和v进行微分，通过式(1)、式(2)、式(3)得到各子区中心点在x-y平面上的应变分量ε
xx
＝{ε
xi
|i＝1,2,3,...n}、ε
yy
＝{ε
yi
|i＝1,2,3,...n}、γ
xy
＝{γ
xyi
|i＝1,2,3,...n}；
[0038][0039][0040][0041]
其中，ε
xi
表示试样第i个子区中心点处的沿x轴方向的线应变，ε
yi
表示试样第i个子区中心点处的沿y轴方向的线应变，γ
xyi
表示试样第i个子区中心点处的切应变。
[0042]
通过式(4)、式(5)，利用应变分量计算x-y平面上各子区中心点的最大主应变ε
max
＝{ε
maxi
|i＝1,2,3,...n}和最小主应变ε
min
＝{ε
mini
|i＝1,2,3,...n}；
[0043][0044][0045]
其中，ε
maxi
表示试样第i个子区中心点处的最大主应变，ε
mini
表示试样第i个子区中心点处的最大主应变。
[0046]
步骤4：混凝土主要由砂浆和粗骨料组成，ε
min
场中拉应变主要出现在粗骨料中，且粗骨料ε
min
压应变的值相对较小，而砂浆中ε
min
主要是压应变，且值相对较大，ε
min
场拉应变区域以及较小压应变区域与混凝土截面照片中粗骨料的分布有较好的吻合性。因此，根据第i个子区中心点的x、y坐标及其对应的最小主应变ε
min_i
绘制二维等高线图，从而得到最小主应变场图，记为ε
min
场图，并通过ε
min
场图确定混凝土试件中砂浆和粗骨料的分布状态，如图3所示；
[0047]
步骤5：利用最大主应变ε
max
和最小主应变ε
min
，通过式(6)，计算mazars损伤模型中定义的各子区中心点在x-y平面上的等效应变
[0048][0049]
其中：为等效应变，当ε
max
或ε
min
小于零时，《ε
+
》等于0；利用砂浆的弹性模量e和抗拉强度f
t
，通过式(7)计算出水泥基材料拉应变阈值(k0)；
[0050]
k0＝f
t
/e
ꢀꢀ
(7)
[0051]
认为当大于k0时，微裂缝就会产生。因此通过砂浆相中等效拉应变》水泥基材
料拉应变阈值(k0)，获得混凝土试样内部损伤的分布特征图，如图4所示；
[0052]
步骤6：根据的大小和分布，通过式(8)计算混凝土中砂浆区域的面积，并定义为内部损伤因子用来量化混凝土干燥环境下内部损伤程度。
[0053][0054]
式(8)中，ai为试样第i个子区的面积。
[0055]
实施例：采用以下步骤测试并计算混凝土干燥环境下非均匀应变及内部损伤程度
[0056]
步骤1：混凝土试样制备、养护、制斑：
[0057]
制备c50混凝土，其配合比如表一所示。胶凝材料为p
·
ii硅酸盐水泥。细骨料为机制砂，细度模数为2.8，含泥量为2.0％；粗骨料为粒径5～10mm和16～20mm的花岗岩，含泥量为0.4％，粗骨料所占体积比例约为40％；混凝土的水灰比为0.4。搅拌后，将混凝土浇筑成10cm
×
10cm
×
10cm的试样。在23℃环境净置1d后拆模，并将其放置于饱和氢氧化钙溶液养护28d(温度为23℃)。养护28d后，将混凝土切割成10cm
×
10cm
×
1cm的片状试样，得到的片状混凝土试样表面暴露出粗骨料和砂浆。当混凝土为饱和面干后，首先向混凝土表面喷制一层白色的哑光漆作为背底，然后在白色背底上随机喷制黑色散斑点喷制散斑，然后将其保存至恒温恒湿箱(温度20℃，相对湿度为40％)；
[0058]
表1 c50混凝土的配合比
[0059][0060]
步骤2：混凝土试样标定及网格划分：
[0061]
在养护60d后将片状试样取出放置于标定板上(点距为6mm的12
×
9点阵)，以试样的矩形截面的中心为原点，矩形截面的横向为x轴，矩形截面的纵向为y轴，建立平面直角坐标系，并将试样的矩形截面划分成250
×
250＝62500个大小相等的正方形网格，每个正方形网格视为一个子区；
[0062]
步骤3：非均匀变形测试：
[0063]
利用dic相机进行观测，测得混凝土试样在干燥环境下二维x-y平面上各个子区的中心点分别沿x和y轴方向的位移u＝{ui|i＝1,2,3,
…
62500}和v＝{vi|i＝1,2,3,
…
62500}；
[0064]
步骤4：最大和最小主应变计算：
[0065]
将各子区在x和y轴方向的位移u和v进行微分，得到各子区中心点在x-y平面上的应变分量ε
xx
＝{ε
xi
|i＝1,2,3,...62500}、ε
yy
＝{ε
yi
|i＝1,2,3,...62500}、γ
xy
＝{γ
xyi
|i＝1,2,3,...62500}；利用应变分量计算x-y平面上各子区中心点的最大主应变ε
max
＝{ε
maxi
|i＝1,2,3,...n}和最小主应变ε
min
＝{ε
mini
|i＝1,2,3,...n}；
[0066]
步骤5：确定砂浆和粗骨料的分布状态：
[0067]
利用第i个子区中心点的x、y坐标及其对应的最小主应变ε
mini
，绘制二维等高线图，得到最小主应变场图，即ε
min
场图，通过观察，选取能够区分砂浆和粗骨料的阈值为-700，扣除最小主应变值小于该阈值的部分，剩余部分即为骨料分布状态，通过ε
min
场图利用自编程序确定砂浆和粗骨料的分布状态，并分别获得砂浆和粗骨料的数字化细观几何结构图；
[0068]
步骤6：获得混凝土试样内部损伤的分布特征：
[0069]
根据《普通混凝土力学性能试验方法标准gb t50081—2002》中混凝土的静力受压弹性模量试验方法测试得到砂浆(养护28d)的弹性模量(e)为20.5gpa，砂浆的抗压强度(fc)为42.0mpa，将砂浆的抗拉强度(f
t
)设为抗压强度的1/10，即4.2mpa。假定养护28d后砂浆的弹性模量和抗拉强度变化不大，因此水泥基材料拉应变阈值k0可以计算为204μm/m。计算出等效拉应变利用每个网格节点的x、y坐标及其对应的等效拉应变值，绘制二维等高线图，得到等效拉应变分布图。利用自编程序，扣除等效拉应变《水泥基材料拉应变阈值k0的节点，再扣除骨料部分，剩余部分即为混凝土砂浆区域损伤部分情况，再将骨料区域显示出，即得到混凝土内部损伤分布特征图；
[0070]
步骤7：计算混凝土内部损伤因子：
[0071]
根据的大小和分布，利用自编程序计算混凝土中砂浆区域的面积，根据权利要求4中提出的损伤因子计算方式，得到改混凝土试样在温度20℃，相对湿度为40％环境下养护60d后的损伤因子为132.85μm/m，用来量化混凝土干燥环境下部损伤程度。
[0072]
本实施例中，一种电子设备，包括存储器以及处理器，该存储器用于存储支持处理器执行上述方法的程序，该处理器被配置为用于执行该存储器中存储的程序。
[0073]
本实施例中，一种计算机可读存储介质，是在计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述方法的步骤。

技术特征：
1.一种干燥环境下混凝土内部损伤程度的计算方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1：制备正方体的混凝土试件，并在某一测试时间将所述混凝土试样的截面划分成n＝n
×
n个大小相等的正方形网格，每个正方形网格视为一个子区，其中，n表示试样划分的网格总数，n表示截面的边长；步骤2：以所述截面的中心为原点、所述截面的横向为x轴、所述截面的纵向为y轴，建立平面直角坐标系，获取各个子区的中心点分别沿x和y轴方向的位移u＝{u
i
|i＝1，2，3，...n}和v＝{v
i
|i＝1，2，3，...n}，其中，u
i
表示第i个子区中心点处的沿x轴的位移，v
i
表示第i个子区中心点处的沿y轴的位移；步骤3：将所有子区中心点在x和y轴方向的位移u和v进行微分，得到各子区中心点在x-y平面上的三个应变分量ε
xx
＝{ε
xi
|i＝1,2,3，...n}、ε
yy
＝{ε
yi
|i＝1,2,3，...n}、γ
xy
＝{γ
xyi
|i＝1,2,3，...n}，其中，ε
xi
表示第i个子区中心点处的沿x轴方向的线应变，ε
yi
表示第i个子区中心点处的沿y轴方向的线应变，γ
xyt
表示第i个子区中心点处的切应变；利用三个应变分量计算x-y平面上各子区中心点的最大主应变ε
max
＝{ε
max_i
|i＝1,2,3，...n}和最小主应变ε
min
＝{ε
min_i
|i＝1,2,3，...n}，其中，ε
max_i
表示第i个子区中心点处的最大主应变，ε
min_i
表示第i个子区中心点处的最大主应变；步骤4：根据第i个子区中心点的x、y坐标及其对应的最小主应变ε
min_i
绘制二维等高线图，从而得到最小主应变场图，记为ε
min
场图，并通过ε
min
场图确定所述混凝土试件中砂浆和粗骨料的分布状态；步骤5：根据所述混凝土试件中砂浆和粗骨料的分布状态，构建混凝土材料细观损伤模型，从而计算各子区中心点在x-y平面上的等效应变并获得混凝土试样内部损伤的分布特征图；其中，表示第i个子区中心点的等效应变；步骤6：根据等效应变计算混凝土试样内部的损伤因子用于量化表征混凝土试样在干燥环境下内部的损伤程度。2.根据权利要求1所述的一种干燥环境下混凝土内部损伤程度的计算方法，其特征在于，所述步骤4中通过ε
min
场图确定砂浆和粗骨料的分布状态的步骤包括：根据ε
min
场图，选取区分砂浆和粗骨料的阈值k0，若第i个子区中心点的最小主应变ε
min_i
值小于k0，则相应子区为砂浆相，否则，相应子区为骨料相，从而得到所有砂浆相的子区集合m＝{m
j
|j＝1，2，3....n1}和粗骨料相的子区集合c＝{c
k
|k＝1，2，3....n2}，其中，m
j
表示属于砂浆相的第j个子区，n1表示砂浆相的子区总数，c
k
表示属于砂浆相的第k个子区，n2表示骨料相的子区总数。3.根据权利要求2所述的一种干燥环境下混凝土内部损伤程度的计算方法，其特征在于，所述步骤5中获得混凝土试样内部损伤分布特征图的步骤包括：步骤5.1：利用第i个子区中心点的x、y坐标及其对应的等效应变绘制二维等高线图，得到等效拉应变分布图；步骤5.2：计算由砂浆和粗骨料组成的水泥基材料的拉应变阈值k0，当砂浆相的某个子区的中心处点的等效应变大于k0时，将相应子区添加到子区集合m1中，从而得到子区集合m1＝{m
1p
|p＝1，2，3....n3}，其中，m
1p
表示砂浆相中中心处点的等效应变大于k0的第p个子区，n3表示砂浆相中中心处点的等效应变大于k0的子区个数；
步骤5.3：将粗骨料相中所有的子区中心点处的等效应变值设置为δ，利用集合c和m1中子区中心点的x、y坐标及其对应的等效应变值绘制二维等高线图，从而得到混凝土试样内部损伤的分布特征图。4.根据权利要求3所述的一种干燥环境下混凝土内部损伤程度的计算方法，其特征在于，利用式(1)计算步骤6中损伤因子于，利用式(1)计算步骤6中损伤因子式(1)中，a
i
为试样第i个子区的面积。5.一种电子设备，包括存储器以及处理器，其特征在于，所述存储器用于存储支持处理器执行权利要求1-4中任一所述计算方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。6.一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器运行时执行权利要求1-4中任一所述计算方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种干燥环境下混凝土内部损伤程度的计算方法，包括：1利用DIC设备测试干燥环境下混凝土试样的变形；2计算试样各子区网格中心点的最大主应变ε


技术研发人员：高鹏 郑圣飚 胡焱博 董帅志 储玉婷 詹炳根 余其俊
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/8/21