DIC三维全场应变测量技术在复合材料三点弯曲测试中的应用

1、背景介绍

超高性能水泥基复合材料(UHPFRC)通过在基体中加入纤维来获得更高的弯拉、韧性、抗渗、耐久等性能，可解决混凝土应用于大跨径桥梁时由于弯拉强度较差而导致的开裂、疲劳等问题，已成为工程材料发展的重要方向。

应用于UHPFRC中的纤维，共聚甲醛纤维与钢纤维混合使用时，在防止高温爆裂的同时还可保证高温后残余力学性能较好，这些材质在UHPFRC中的应用得到了重点研究。

2、研究内容

国内某知名大学科研团队选取了共聚甲醛纤维和钢纤维作为UHPFRC的掺入纤维，参照瑞士 SIA2052 规范和法国设计规程等规范主要对试件进行三点弯曲试验。使用新拓三维数字图像相关法方法DIC 技术捕捉试件的位移和应变的变化过程，分析共聚甲醛纤维对UHPFRC的抗弯强度和弯曲韧性的影响。

DIC技术测试配置

应变和位移变化监测采用新拓三维的XTDIC三维全场应变测量系统和粘贴应变片的方法。DIC是一种全程无接触的数字图像测试方法，通过对高清相机在不同加载时刻记录的图像进行处理分析，来获得试件的变形情况。DIC使用前，需对试件监测面进行散斑制作，并放置于试件正前方计算距离处。应变片粘贴于试件底部跨中位置，粘贴前需对粘贴位置打磨光滑，并覆盖704硅胶进行防潮保护。

3、试验结果数据

试验设计了五组 UHPFRC 抗弯试件，其中两组试件的纤维类型为共聚甲醛纤维;一组试件的纤维类型是钢纤维;其余两组纤维类型是包括共聚甲醛纤维和钢纤维的混杂纤维;1%POM-1%SF/C组UHPFRC 抗弯试件制作 1 个，其余每组 UHPFRC 抗弯试件制作 3 个，通过计算平均值来分析共聚甲醛纤维 UHPFRC 的弯曲性能。

各组UHPFRC试件的扩展度及实测抗弯强度平均值

各组UHPERC试件裂缝发展和破坏形态

4、UHPFRC试件DIC测量结果验证

UHPFRC试件的三点弯试验过程中，采取DIC对试件的变形情况进行监测，DIC 采集频率为 5 张/s，此外布设应变片与之进行对比。相关研究表明，DIC 对于试件表面局部区域的应变测量，可基于虚拟引伸计测量得到，但虚拟引伸计的长度和位置对 DIC 测量结果影响较大，为方便对比，选取与应变片等长的虚拟引伸计对试件跨中应变进行测量。

以共聚甲醛纤维 UHPFRC 试件、混杂纤维 UHPFRC 试件为例进行分析，DIC与应变片测量的荷载-应变曲线下图 所示。可知：DIC 与应变片测得的应变数据在弹性阶段具有很好的一致性。当试件开裂进入塑性阶段后，应变片失效，DIC 可继续工作，监测试件受力全过程的变形情况。同时，采用 DIC 捕捉、分析试件表面的变形情况，同时可监测裂缝的产生和发展过程，解决试件在加载过程中肉眼对初裂难以监测的问题。

UHPFRC试件载荷-应变曲线

纤维对UHPFRC试件流动性能的影响：如下为5 组试件的扩展度图，可直观地看出各组试件的工作性能。无论是单掺型试件还是混杂型试件，各组试件的工作性能均随着共聚甲醛纤维体积掺量的增加而降低。

UHPFRC试件扩展度

UHPFRC试件荷载-挠度曲线：如下图为各组试件的荷载-挠度曲线，可用于准确表征各组 UHPFRC试件的抗弯力学性能。

UHPFRC试件载荷-挠度曲线

5、研究结论

对 5 组超高性能水泥基复合材料(UHPFRC)进行三点弯曲加载试验、扩展度测试进行研究，对比了单掺型 UHPFRC 试件和混杂型 UHPFRC 试件的抗弯性能，并评价了 5 组 UHPFRC 试件的弯曲韧性，得到了以下结论：

(1)共聚甲醛纤维对 UHPFRC 的流动性影响较大，单掺型 UHPFRC 和混杂型 UHPFRC 的流动性均随着共聚甲醛纤维体积掺量的增加而降低;

(2)适量的共聚甲醛纤维可延缓 UHPFRC 基体的开裂，增强其裂前变形能力;

(3)共聚甲醛纤维的掺入可提升 UHPFRC 在荷载下降段的持荷能力，纤维体积掺量越大，下降段越平缓;

(4)混杂纤维对UHPFRC 弯曲韧性的提升更大。

UHPFRC混掺1.5vol%共聚甲醛纤维和 1.5vol%钢纤维，1.5%POM-1.5%SF/C 的开裂挠度大，工作性能好，具备较好经济效益的同时，保证了较好的抗弯强度和弯曲韧性。

6、行业应用总结

在分析共聚甲醛纤维对UHPFRC的抗弯强度和弯曲韧性研究中，主要探索这些材料被弯曲时的抗弯能力、结构行为和失效模式，新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统用于关注应力最大的区域，而且实践证明全场数据和三维测量具有极为重要的价值。XTDIC三维全场应变测量系统被广泛应用于抗弯，抗拉压，裂纹拓展，材料脆断，拉伸断裂等实验场景。

(文章摘自：长安大学 公路学院，王春生, 张洋，段兰《共聚甲醛纤维超高性能水泥基复合材料抗弯性能试验研究》)

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