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数字图像相关DIC技术在改性混凝土断裂韧性性能研究中的应用

1研究背景

高速铁路、桥梁隧道等混凝土结构在高温服役环境下，脆性增加，抗裂性能显著下降。传统混凝土虽具备较高抗压强度，但抗折强度仅为抗压强度10~20%，且在高温下因水分蒸发热应力累积而加速退化。为提高混凝土在高温环境下韧性，水性聚氨酯（Waterborne Polyurethane,WP）被引入混凝土中，WP改性混凝土WPMC在不同温度下的断裂韧性演化机制成为研究迫切需求。

中国铁道科学研究院的研究团队，通过中科君达视界提供的数字图像相关（Digital Image Correlation，DIC）技术，系统分析了WPMC在不同温度下的断裂韧性变化规律，建立了温度与WP含量的断裂韧性预测模型。

2实验原理与方法

2.1 材料与试件制备

实验采用基准混凝土与三种WP含量（5%、10%、15%）的WPMC试件，尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。试件在标准养护56天后，进行20°C、40°C、60°C、80°C下的三点弯曲试验与断裂韧性测试。

2.2 数字图像相关DIC技术应用

试件表面喷涂哑光白漆作为背景，人工喷涂直径约0.5mm的黑色标记点，形成高对比度散斑场。DIC仪器以20 Hz频率与电液伺服试验机同步运行，实现荷载-变形过程的同步记录，再通过DIC软件提取底部拉伸应变，裂纹张口位移CMOD等关键参数。

3实验数据解析

3.1 试件底部弱区拉伸应变分析

基于千眼狼数字图像相关DIC技术提取的试件底部“弱区”处拉伸应变数据（图1），WPMC断裂过程可分为两个典型阶段：

I. 损伤累积期：荷载初期，微裂纹缓慢萌生与扩展，底面应变呈线性增长，以弹性变形为主。

II. 裂纹快速扩展期：荷载达到临界值后，主裂纹贯通，底面应变急剧上升，进入塑性变形主导阶段。

图1

DIC测量数据显示，随着WP掺量增加，WPMC在高温下仍保持较高的极限应变，说明WP显著提升了混凝土变形能力。

3.2 P-CMOD曲线与韧性评估

P-CMOD（荷载-裂纹张口位移）曲线是评估混凝土断裂性能的核心工具。DIC技术可提供全场变形信息作为CMOD数据补充，可视化验证P-CMOD曲线三个阶段：

I. 线弹性阶段：DIC数据显示，此阶段应变集中仅出现在预知裂缝尖端非常小的区域内，整个梁体应变分布均匀，验证材料线弹性行为。

II. 非线性软化阶段：荷载增速放缓，曲线偏离线性，标志微裂纹开始稳定扩展，DIC测量图像显示裂缝尖端前方出现应变集中带，表明损伤区形成。

III. 快速失稳阶段：普通混凝土在此阶段曲线陡降，表现为脆性破坏，WPMC的曲线下降则更为平缓。

DIC测量数据显示，随着WP掺量增加，阶段II显著延长，表明WP有效延缓裂纹扩展速率，提升材料断裂能。

图2

3.3 裂纹扩展过程可视化与BME模型验证

研究团队使用DIC仪器观测表面变形，将其作为精确测量裂纹扩展历史的工具，用于验证和校准边界效应模型BEM。

图3为利用DIC测量系统，通过对比试件变形前后散斑图像的互相关计算，生成全场位移矢量图，位移不连续线即为裂纹轨迹，通过设置阈值，DIC软件可识别裂纹尖端位置，实时跟踪其运动轨迹（图4），从而得到精确的裂纹扩展长度与时间的关系曲线，避免了传统方法如粘贴应变片的局部性，能捕捉到裂纹跃迁式扩展细节。

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BEM模型中的关键参数等效裂纹长度（aₑ）和特征裂纹长度（a*_w）的传统计算依赖于理论公式和假设，研究创新性利用DIC测量的真实裂纹扩展历史来标定这些参数，通过将DIC测量的裂纹扩展数据代入模型进行迭代反演分析，提高BEM模型预测断裂韧性（KIC）的准确性和可靠性。图5中预测值与DIC测量值数据吻合，验证了预测模型的有效性，凸显了DIC技术作为标尺在力学模型开发中的核心价值。