研究报告-本科生科技创新

1、附： 报告正文科技创新基金项目非均质性对岩石混凝土断裂过程影响机制的研究课题负责人：xxx课题组成员：yyy学院与班级：指导教师：完成日期：年 3 月 31 日第一章绪论 11.1弓I言11.2项目的提出11.3研究项目的和内容21.3.1研究目的21.3.2研究内容21.3.3 计划进度及安排21. 3.4申请经费及开支预算2第二章前期准备31.1 研究项目的初步认识 31.2 项目材料的准备 32. 2. 1原材料选择33. 2.2混凝土配合比设计 42.3试件的制备 51 .3.1配比实验材料 52 . 3.2制备工艺53 . 3.3养护制度64 .3.4 三点弯曲梁式试件切口加工 6第

2、三章试件性能的试验研究 73.1 概述 73.2 单轴加载试验 73.3 带切口试样的三点弯曲试验 93.4 断裂参数的计算与分析 123.4.1 断裂韧性的确定 123.4.2 断裂能的确定 13第四章结论与收获 154. 1研究结论154.2试验的经验与教训 15参考文献 17致谢 181第一章绪论1.1 引言“xx 大学发现式学习鼓励本科生科技创新2004 年 10 月 20 日 17:30为培养学生的创新能力，北京科技大学首次将创新思维、科学研究能力的培养列入新的本科教学计划中，从明年起学校所有专业都要开设科研和科技创新活动项目供学生选做。据教务处长授介绍，学校的科技创新活动包括小型科

3、研课题的研究和各类型、各层次的竞赛活动。学校鼓励学生参加各种竞赛，规定每个学生在校就读期间必须完成2 6 个学分的科技创新活动，而本科生参加各种科技大赛和科研活动可获得更多学分。为此， 学校教务部门特别制定了本科生参加科技竞赛和科研活动挣取学分的细则。细则中规定，各种学科竞赛的经费由专项经费支出，学生自拟课题的经费由学院从学院教学经费中支出，学院每年应资助一定比例的自拟课题；为调动教师参与科研活动的积极性，细则还规定，对指导科技创新活动的教师，学校将核算相应的教学工作量。X 书记说， 该校连续三年参加全国大学生机器人电视大赛，获得了一金一银一铜的好成绩。机器人大赛带给教育者的体会是，学习者在兴

4、趣驱使下对学习对象的探究可使他们的潜能得以释放。这种发现式学习确实可以发现、挖掘、放大学习者的潜能。参加今年机器人大赛的选手都是自愿报名选定机器人作为兴趣研究的，他们中已有3个表现优异的本科生被保送上了研究生。以后历年被免试保送上研究生的本科生也会因获得荣誉而给予适当加分。由今年获得机器人大赛亚军的师生共同编纂的缔造传奇-机器人大赛揭秘一书日前出版并被赠送给中小学校，该书通过大学生科技创新的亲历向读者展示了发现式学习这一崭新的教育理念。（来源：新华网）”1.2 项目的提出为响应并积极配合学校“发现式学习”本科生科技创新这一崭新的教育理念，提高我们本科生的自身素质和创新能力，培养我们研究问题的科

5、学态度和正确的科学思维，以及严谨的作风和团结和合作的精神，更为提高我们自身的动手能力和对专业的认识，我们在根据自己的兴趣爱好、自己的实际能力，并在现有的条件下选择了研究创新课题。我们这一小创新小组，由xxx 等五人组成，我们选择“非均质性对岩石、混凝土断裂过程影响机制的研究”这一研究课题，并以刘彩平老师为指导，有针对性，有目的地进行研究学习。- * . 一 . 一 一 一本项目是在指导教师xxx 以前研究结果* 的基础上进行的。其中，非均性对于岩石动态断裂过程的影响已有初步结果，本项目中的静态断裂试验研究属于对已有研究的完善和深入。 鉴于非均质材料的物理力学行为复杂，研究中一定会有困难，但是借

6、鉴已有成果此项目的可行是有保障的。1.3 研究项目的和内容1.3.1 研究目的岩石、混凝土内部含有大量不规则和不连续的微细观裂隙、夹杂或薄弱面（损伤），是典型的非均匀非连续介质，其基本物理力学性质强烈地依赖于材料内部细观结构和损伤演化行为。 其中， 非均质性程度对于岩石混凝土类材料破断过程影响方面的研究是理论界与工程界关注的热点与前沿课题之一，其破坏力学性质及定量描述方法是分析和评价工程安全性与稳定性的主要依据和理论基础。1.3.2 研究内容通过配合比中的砂、石级配控制混凝土的材料均质性程度（或选择组织结构存在差异的不同种类岩石），制成梁式试样，进行准静态断裂试验。利用应变片等技术采集、测试相

7、关力学参数，借助摄像、染色等技术获得试样开裂信息，将这些结果对应起来分析，考察断裂机制和断裂韧性、断裂能等参数。同时，采用RFPA 力学分析软件数值分析不同均质程度的试样的断裂过程。两者结合起来分析非均质性对于断裂过程影响的规律。1.3.3 计划进度及安排06 年8 月06 年11 月文献调研、材料准备、 学习试样配制、 加工方法、试验测试技术。07 年12月07 年2 月试样的制备；相关力学理论的学习。07 年3 月 07 年4 月断裂力学试验和数值试验；数据整理与分析；撰写研究报告；将成果撰写成学术论文供发表。1.3.4 申请经费及开支预算：申请经费2000 元。其中，资料费复印与报告打印

8、250 元、材料费300 元、试样加工费300 元、实验费500 元、交通费150 元、论文版面费500 元。实际拨款1000 元。19第二章前期准备2.2 研究项目的初步认识虽然对于我们本科生而言，连最基本的专业知识都不知道，对如此研究课题，实在是有些不知所措，但在刘彩平老师的指导下，经过相关知识的学习，对我们的研究项目有了基本性的认识和理解，同时对土木专业这一学科有了深一层次的认识，这对我们今后的学习非常有帮助。岩石、混凝土内部含有大量不规则和不连续的微细观裂隙、夹杂或薄弱面（损伤），是典型的非均匀非连续介质，其基本物理力学性质强烈地依赖于材料内部细观结构和损伤演化行为。 通过配合比中的砂

9、、石级配控制混凝土的材料均质性程度（或选择组织结构存在差异的不同种类岩石）改变材料内部细观结构和损伤，从而改变其非均质性，再通过加载，观察岩石、混凝土的断裂过程，利用应变片等技术采集、测试相关力学参数，借助摄像、染色等技术获得试样开裂信息，将这些结果对应起来分析，考察断裂机制和断裂韧性、断裂能等参数。同时，采用RFPA 力学分析软件数值分析不同均质程度的试样的断裂过程。两者结合起来分析非均质性对于断裂过程影响的规律。2.3 项目材料的准备2.3.1 原材料选择为了达到我们所研究项目的，需要做出相应的混凝土试件，这就要从选材开始，选择合适的材料对研究结果非常重要，我们实验原材料主要包括：（ 1

10、） 水泥： 水泥的矿物成分和细度对试件的断裂强度有着显著影响。经过研究计算本次研究选定425#普通硅酸盐水泥。（2） 石子：为本次研究中调节混凝土组织结构尺度特征和非均质程度的主要因素。在建材市场上选购了三种代表不同粒径大小和骨料均质程度的石子。（3） 砂子：采用实验室现有的砂子。（4） 水：自来水。2.3.2 混凝土配合比设计根据我们实验的要求，以及所要得到的试件的抗压强度等等一系列要求，我们按如下要求进行混凝土的配合比设计：混凝土设计强度等级为：C30 级。采用原材料如下：42.5 级普通硅酸盐水泥，密度为3000kg/m 3；砂的表观密度为2650 kg/m 3；砾石的表观密度为2700

11、 kg/m 3（分三种粒径大小：2.5mm， 5mm ， 10mm） 。一、初步配合比的计算11）确定配制强度fcu.o=fcu.k+1.645 (T经查表：fcu.k =C30时，b =5.0从而计算出：fcuo =30+1.645 5.0=38.2MPa cu .o2）确定水灰比Wa/上总按照/+% *进行计算。0.46 45.71经查表，采用砾石 = =0.46 ,% =0.007, fce=45.71,计算=0.53C 38.2 0.07 0.46 45.71查表干燥环境下最大允许水灰比为0.65,所以取 W =0.53C3）确定单位用水量查表 取 mwo=200kg。4）计算水泥用量

12、mwo _ mco =200 M/0.53=377kgW/C查表最小水泥用量为260kg，所以应取mco=377kg。5）确定砂率查表 Bs=33%6）用质量法计算砂、石的用量3假定混凝土表观密度m cp =2250 kg/mmco +m so+m go+m w°=m cpB s = -mso 100% =33%mso mg。m so+m go =(2250-200-377)kg=1673kgm so=0.33 1673kg=552kg , m go =(1673-552)kg=1121kgmco : m wo：mso:m go :=377:200:552:1121=1:0.53:1

13、.46:2.97、试配调整估算试拌10L混凝土的材料用量。水泥：0.030 Xmco =3.77kg ;水：0.030 >mwo=2.00kg；砂：0.030 Xmso=5.52kg ；砾石：0.030 >mgo =11.21kg。2.3试件的制备根据我们实验的要求和所要达到的目的，需要制备了17个40 >40X160 mm3和10个100 M00M00mm3 的试件。2.3.1 配比实验材料根据我们所选择材料，实验中将粒径大小不同的的砾石三类分别配置，得到三种材料组织结构均质程度混凝土，各自配比如表1所示。配置三种混凝土时采用相同的水灰比。表1三种混凝土试件的材料配比试件分

14、组大粒径（A组试件）中粒径（B组试件）小粒径（C组试件）水泥/kg3.1033.7701.844水/kg1.4271.8740.752砾石/kg4.4895.8972.364砂子/kg8.52511.204.4902.3.2 制备工艺一、实验过程流程图（如图 1）：筛选石子a水泥石子砂子4Li_L称堂称堂称堂4加水搅拌（注）附加齐必£淡注赤将述趣+J 表面处理*J“t养护心&天）*I拆模 试压'图1混凝土试样的预制过程二、制作试件使混凝土在模具中填均匀,使其平整，做好试件后，对试件进行标志,在老师的指导下，搅拌好的混凝土倒入所选择好的模具中，同时用振动棒不时的振动,

15、并修理平试件的外观，按石子骨料的大小，从大至小，将100X100X100mm3立方体试件依次标记为： LC00 （留试件）；AC01 , AC02, AC03; BC01 , BC02, BC03 ; CC01 , CC02, CC03;将 40X40X160 mm3 试件依次标记为： L000 （留试件）；A001 , A002, A003,；B001 , B002, B003; C001 , C002, C003 （试样照片如图 2）。(a)立方体(b)长方体梁式图2养护中的试件2.3.3养护制度采用标准标准养护条件：(1)养护温度应维持在 20七C； (2)湿度应维持在90%以上；(3)

16、养护时间为28天。在本院材料试验室养护室进行。2.3.4三点弯曲梁式试件切口加工为了考察类混凝土的断裂性能参数与材料非均质度和骨料粒径间的定性关系，需要进行三不同配比的混凝土试样的三点弯曲断裂。因此，需要先对三点弯曲梁式试件试样进行加工，制成带切口 (初始缝长 的)的试样。切口的制作可采用预制法或机械切割法。本研究中采用 后者。切口完成后的试件如图3所示。.人中疗哪图3带切口的三点弯梁式试件第三章试件性能的试验研究3.1 概述目前，我们已经准备好了实验的前阶段工作，计算出了实验的材料用量，并做好了实验所需的混凝土试件。接下来，要做的是对试件的加载试验，通过加载试验，测试相关力学参 数，借助摄像

17、、染色等技术获得试样开裂信息，将这些结果对应起来分析，考察断裂机制和 断裂韧性、断裂能等参数分析非均质性和骨料粒径对断裂过程影响的规律。3.2 立方体试件单轴加载试验与结果分析立方体试件单轴加载试验在北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室进行（试验过程照片如图 4）。用多留试件LC00进行试加载控制，调整加载机器的控制台， 以及加载速度。用载荷控制，以一定的加载速度对立方体试件 AC01 , AC02, AC03; BC01 , BC02, BC03; CC01, CC02, CC03进行加载。图 5a-c分别给出了三组试件中的代表性荷 载-变形全曲线。统计的强度、峰值变形和模量等

18、列于表2中。图4单轴抗压强度试验情况(a)图5立方体单轴抗压试验荷载变形曲线（ a-c）表2立方体试件单轴加载试验结果试件编R峰值载荷P （ kN ）平均抗压强度（MPa）备注AC01156.1015.203AC02141.60AC03158.40BC01175.0015.690BC02143.50BC03152.20CC01165.6017.435CC02183.10CC03无效试件原材料不足说明：以上测试的强度结果与试配计算时的C30不符。因为没有经验，无意间采用了变质过期水泥所致。由以上表中结果可以发现，非均质程度高的、骨料粒径大的试件立方体强度越低。3.3 带切口梁式试样三点弯曲试验对

19、40X40X160mm3试件进行三点弯曲试验之前，已经在每个试件上切割出一道带状切 口（设计初始缝高 a0=12mm）,加载点间距s= 100mm （图6）。试验过程：利用L001试件在本院液压万能试验机上进行尝试，由于试验机量程太大， 且不灵敏，量测不到任何数据。因此，导师联系在实验在中国矿业大学（北京）北京市岩石 混凝土破坏力学重点实验室进行，试验机采用岛津AGS-H精密电子万能试验机（如图 7）,获得了完整的三点弯曲试样的P-A曲线（如图8）。加载过程采用位移控制方式，加载速率为1xi0-2mm/s,该试验系统可以自动记录加载过程的载荷及位移数据并实时绘制载荷一位 移曲线，采样间隔设为5

20、0的。试件破坏后白断口如图 9。图6 切口梁式三点弯曲试样示意图 au03 a0O4-c a005A a 006.?若 EoIC001-OC002-c003Deflection (mm)图8三组试件三点弯曲荷载一挠度曲线图9三点弯曲断裂后的试件断口图3.4 断裂参数的计算与分析3.4.1 断裂韧性的确定混凝土断裂韧性 Kic和断裂能Gf是衡量混凝土断裂性能的重要指标。一般来讲，经典 断裂力学中的断裂韧性Kic是指材料发生失稳断裂时的临界应力强度因子Kic。线弹性断裂力学理论认为：临界应力强度因子 Kic应是材料常数，它反映材料所固有的抵抗裂纹扩展的 能力，可以通过试验测算出来。根据线弹性断裂力

21、学，本文断裂试验中的各断裂韧性KIC可由下式计算：KIC =2.9（9）12 -4.6（曳）3 2 21.8（曳）52 -37.6（包）7 238.7（曳）92bh32 l ' h '' h '' h '' h '' h '（2） 式中，P为裂纹临界失稳扩展时的荷载（或 Punst）,比为初始裂纹长度，h为梁式试件 横截面高度，b为为梁式试件横截面宽度（如图 6）。为计算断裂韧性，需要确定临界失稳荷 载值Punsto试验中发现，混凝土临界失稳破坏是一个非常快速的过程，仅靠人眼判断其瞬间 变化是不够的。为解决此问题，

22、参照经典断裂力学中的断裂临界状态的定义：所谓临界状态是指裂纹由缓慢扩展达到失稳扩展的转折点，失稳扩展为荷载突然下降的裂纹快速扩展：3,4：o本研究利用全数字电液伺服加载系统的高速采样功能，即在混凝土断裂破坏全过程中采用高密度高速采样来记录荷载-变形曲线。当混凝土临界失稳破坏时，临界失稳前和临界失稳后的瞬间变化过程内，荷载一变形曲线上采样点密度会发生显著的变化。因此，可以将荷载一变形曲线上采样点明显变疏的时刻认为是混凝土临界失稳破坏的开始，并将该时刻的荷载值确定为临界失稳荷载 Pun*判断结果表明，各试样的临界失稳基本上发生在P-A曲线上的峰值荷载Pmax时刻。因此，可以将 Pmax作为临界失稳

23、荷载Punst。裂纹临界失稳扩展时刻的具 体判别方法如图10。由此，观察图8 （a）（c）,可以得出各试样的临界失稳荷载，从而利用式 （2）计算出断裂韧性（见表 3）。结果显示，非均质程度高的、骨料粒径大的试件按照公式 （2）计算的断裂韧性越低，与强度关系具有一致性。400 -0.00.10.20.3040.50.6Deflecti on (mm)观察断裂路径和断裂过程发现， 小粒径试件的裂纹扩展路径比大粒径 试件的平直些，而大粒径的要曲折些。 断裂模式（如图9）主要为裂纹绕过骨 料、穿过凝胶体的破坏，极个别试件 中也发现了细长形状骨料的破裂。原 因在于骨料凝胶体界面薄弱，凝胶体 强度低，而骨

24、料强度高所致。图10裂纹失稳扩展判别法表3切口梁式试样断裂韧性Kic计算结果试件编R峰值载荷P (kN)缝 tWj 比（a°/h）断裂韧性Kic（MPa Vm）平均断裂韧性Kic(MPa Vm)A003357.7511.5/400.1648650.1605A004385.0010.0/400.160988A005354.0011.2/400.160017A006338.7511.5/400.156109B001336.2513.3/400.1739850.1683B002加工失误-B003371.5010.7/400.162592C001406.5010.7/400.177910.1

25、871C002468.2511.4/400.199678C003414.2510.9/400.1836633.4.2 断裂能的确定断裂能Gf则是针对线弹性断裂力学理论不能很好地反映混凝土非线性特征而提出的 一个非线性断裂参数，它是基于Hillerborg虚拟裂纹模型提出的。GF指混凝土在拉应力作用下从裂纹起裂、扩展直至最终断裂时，混凝土单位断裂面积所消耗的能量。根据断裂能Gf的概念和物理意义，Gf值大小可以由混凝土试件受荷载开始到最终断裂破坏的全过程荷载一变形曲线，即 P-S曲线来确定5,6,如图11所示。本文混凝土断裂能 GF的计算是自 零荷载到最终断裂成两部分这阶段内混凝土扩展单位面积所消

26、耗的能量。GF等于图11曲线下包围的阴影面积，大小可以按下式确定(su为实测的试件发生最终断裂时的极限变形值)：Gf1b（h - a。）、uo P d式(3)中的积分用Macrocal Origin6.0进行计算。求每条试验荷载挠度曲线与横坐标轴包络的面积，积分详细过程为：Origin菜单中的"AnalysisaCalculus “Integrate操彳乍实现。例如，以试件 a003为例，积分结果如图11。所有试件P- 8曲线积分计算结果和断裂能GF的计算结果均列在表 4中。400 -a003Deflection (mm)图11 利用Macrocal Origin6.0对试件a003

27、三点弯曲P 8曲线积分结果表4混凝土计算断裂能GF计算结果试件分组试样编号P P 06Q(kN mm)Gf (N/m)各组试样平均Gf (N/m)A组A00352.9483746.44649.828A00555.9915848.604A00662.0559254.435B组B00145.3457142.45940.6255B00345.4612538.792C组C00157.8428349.35451.736C00258.9670451.545C00363.2152954.309由表中结果看不出非均质度与粒径大小与断裂能之间的规律性关系。分析原因可能是每个试样峰后数据取样和停止采集的时刻的差异

28、所致。这一点，应该继续考虑其它算法， 以剔除干扰因素的影响。第四章 结论与收获4.1 研究结论通过系列试验结果和分析，本研究主要得出以下结论：（ 1 ）三组立方体试件的单轴抗压强度试验结果表明，水灰比相同条件下，非均质程度高的、骨料粒径大的试件立方体强度越低；反之，强度越高。（ 2）非均质程度高的、骨料粒径大的试件断裂韧性越低，与强度关系具有一致性。（ 3） 三点弯曲断裂试验结果显示，小粒径试件的裂纹扩展路径比大粒径试件的平直些，而大粒径的要曲折些。断裂模式主要为裂纹绕过骨料、穿过凝胶体的破坏，极个别试件中也发现了细长形状骨料的破裂。原因在于骨料凝胶体界面薄弱，凝胶体强度低，而骨料强度高所致。

29、（ 4）本文采用的方法计算的断裂能与非均质性之间关系不明显。分析发现，计算方法不太适合。今后研究中，努力探索其它方法进行尝试。4.2 试验的经验与教训经过几个月的努力，非均质性对岩石混凝土断裂过程影响机制的研究这一课题至此告一段落， 通过我们的研究和实验，发现了一些非均质性对混凝土断裂过程的影响因素，经计算，并结合实验现象从中得到了不少重要的实验结论。此研究项目是在刘彩平教授的指导下进行的，通过她的指点，我们从实验中学会了不少的知识。但是由于时间、经验不足以及专业知识储备不够等问题，有以下方面不足。“ RFPA 力学分析软件模拟不同均质程度的试样断裂过程”这一部分由于课程繁忙，未能安排出时间学

30、习这一软件。因此未能进行，出于对兴趣在今后学习的业余时间，尽力去实现。这些经验和教训值得我们今后的学业或研究中借鉴。作为一个大二的学生，在我们还没有接触一丁点的专业认识的前提下，我们基本完成了这研究项目，可想而知这是有多少困难，会遇到多少的问题从中也相应地学会了不少的东西当然这些对我们今后的专业知识的学习是很有帮助，为以后的学习积累了不少的经验。首先， 在没有专业知识和认识之前，为这一研究课题，我们必须先对其有一个最基本的认识和了解，在刘老师的指导下，我们自学了相关的课程，从图书馆借了大量的相关的书进行了基本的学习，并从网上找了相关的资料做了一定的认识。在了解了我们的研究项目的意义后，制定了实

31、验的要求和注意事项，并在同时，初步制定出实验的方案，做出了项目的整个实验计划。通过这些，我们对土木工程这一专业也有了比以前更深一层的认识，认识到了我们学习的这一专业的重要性及其对社会发展的重要意义。其次， 了解认识了水泥混凝土这一现代土木建筑的基础，学习了混凝土的配比及其计算方案，为今后的学习打下了基础。再者， 在实验过程中出现了不少的问题，我们所做的混凝土试件没有达到我们所预期的强度， 但也从一定程度上说明了一些问题。经过仔细研究分析，发现我们当初做混凝土试件的时候所用的水泥是试验室用剩余的，已经暴露在空气中相当长的时间，实验室老师说为了节约材料，不浪费，竟然这样导致实验结果的很大的误差。这

32、要是在现实生活中，将会铸成大错，会引起工程质量问题。这是一个相当严重的事情，在工程中，现实生产中，有时是不能吝啬的，也不是什么浪费节约的事情，一个大的工程要是因为这么一包陈水泥的缘故而引起质量问题，其损失是非常大，谁能承担得起。所以在生产中，我们要实事求是，务必把握工程质量，从一点一滴做好。同时，在工程当中，我们不能怕领导，有什么正确的建议一定要勇于提出来，发现问题，早解决，为工程负责任。还有， 态度决定一切，有付出就一定会有回报。既然决定了要研究这一课题就要有始有终， 坚持到底把它完成，不能因为出现了一点困难就畏缩，无论如何都要一如继往地做下去，这就是态度的问题。即使是失败了，于己也会于心无愧，毕竟自己真的付出了，从中我们还会找到自己失败的原因，为自己将来的人生之路扫清了一些障碍，为以后的实验也积累了不少的教训经验。好的积极的态度是成功的的关键，会出了就必有所回报，但是不付出就一定没有回报。最后，实践长才干，只有自己通过努力了，思