基于微裂纹检测技术的混凝土损伤力学性能实验研究

Concrete, which is widely used as the engineering material, has heterogeneous and multi-phase composite mesoscopic structure. The failure of concrete comprehensively results from the crack initiation，propagation and interaction. Hence, the research of microscopic damage of concrete has important significance for the research of the macroscopic mechanical properties. .The detection and measurement of the microcrack is still the key issue. The digital image correlation technique is a prospective non-contact and full-field optical deformation measurement technique. Due to the application of the continuous shape function, the digital image correlation technique only works for the continuous surface but cannot directly measure the microcracks quantitatively..The digital image correlation technique based on the discontinuous shape function will be employed and improved. The discontinuous shape function will be used instead of continuous shape function to describe microcracks with different patterns, in order to detect and identify the location and the orientation of the microcracks, even to measure the size quantitatively, especially the width. And then on this basis reasonable quantitative description and characterization of microscopic damage will be developed to explore the microscopic damage mechanism of concrete. Furthermore, the relationship between the microscopic damage mechanism and macroscopic mechanical behavior will be established. The analysis method for predicting macroscopic mechanical properties of concrete based on the quantitative detection of microcracks will be proposed to provide a reliable basis for the optimization of macroscopic mechanical properties of concrete.

混凝土作为一种重要的工程材料拥有非均匀性和多相复合结构，其破坏是细观裂纹萌生、扩展和相互作用的综合结果。因此，通过发展微裂纹定量检测技术进而探索混凝土细观损伤对于宏观力学性能的研究具有重要意义。目前对微裂纹在全场范围内进行包含位置、方向的识别以及尺寸测量仍然是一个难点。数字图像相关技术作为一种广泛使用的全场变形测量手段，受限于连续位移模式，只适用连续表面而无法直接对微裂纹进行定量测量。本项目拟使用基于非连续位移模式的数字图像相关技术并加以改进，建立多种形式的非连续位移模式代替连续位移模式表征不同形态的微裂纹，以实现微裂纹萌生与方向、位置的识别与探测，以及尺寸（尤其是裂纹宽度）的直接定量测量；以此为依据建立细观损伤的定量描述和合理表征，探索混凝土细观损伤机理；并进一步与混凝土宏观力学行为建立联系，形成基于微裂纹定量检测的宏观力学性能分析方法，为混凝土力学性能的研究提供可靠依据。

混凝土是当代土建行业应用最广泛的工程材料，其力学特性的揭示是混凝土工程结构多个层面保障的重要依据。混凝土损伤往往通过微裂纹、微孔洞的形式表现出来，对其微裂纹的研究是混凝土损伤特性探究非常重要的一环。目前对混凝土微裂纹的研究多集中在损伤理论及其上的数值仿真，缺少一种微裂纹定量测量手段对其进行检测，难以建立损伤的真实描述。.数字图像相关技术是一种广泛使用的全场变形测量手段，由于其自身的限制难以满足混凝土测量的需求。本项目从以下几个方面开展研究并取得了一定成果：.（1）从数字图像相关技术的形函数出发，分析形函数对位移测量结果造成误差的原因，主要是一阶形函数对非均匀变形测量的误差。为了对位移测量结果进行优化，对形函数不匹配引入系统误差的问题进行分析，推导了多次均值滤波对位移场产生的作用，提出了对位移场多次滤波并以滤波结果的线性叠加作为真实位移场估计的方法来修正位移场，以消除形函数不匹配所引入的系统误差。.（2）对混凝土微裂纹进行初步探测，利用虚拟引伸计、寻找位移梯度等方法对混凝土产生的微裂纹进行识别。同时为了提高计算效率缩短计算时间，实现了多线程并行运算技术，使计算时间缩短到了单线程的1/6到1/7。.（3）针对混凝土微裂纹定量检测的问题，突破连续形函数的限制，借鉴扩展有限元的思想，以非连续形函数替连续的一阶形函数。对微裂纹附近的变形形式进行合理假设，增加了与微裂纹相关的表征参数。改变传统所有参数一次性迭代的方式，将迭代参数分步迭代。为非连续形函数的迭代运算提供了一种新的初值选取方法，通过四角小区域的相关系数实现对微裂纹方向和位置的初步判断，形成迭代初值。对预制裂缝的混凝土三点弯梁进行观测，发现与连续形函数相比相关系数具有明显提升，与引伸计的微裂纹宽度测量结果比较吻合，误差基本在0.1像素。