基于数字图像相关的玄武岩纤维泡沫混凝土压缩损伤研究

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0646

摘要/Abstract

摘要：

为研究玄武岩纤维泡沫混凝土的压缩损伤演化规律，本文通过准静态压缩试验，利用数字图像相关技术进行全场应变分析，探讨了基体密度（600~1 200 kg/m³）和玄武岩纤维体积掺量（0%~0.5%）对玄武岩纤维泡沫混凝土力学性能及损伤行为的影响。结果表明，玄武岩纤维体积掺量为0.3%或0.4%时，玄武岩纤维泡沫混凝土的极限抗压强度提升效果最佳。玄武岩纤维泡沫混凝土的压缩过程可分为压密阶段、线弹性阶段、塑性阶段及破坏阶段。同时，本研究基于数字图像相关技术获取的全场、全程应变数据定义了损伤程度因子与损伤局部化系数，对材料损伤程度与局部化行为进行了定量表征与分析。玄武岩纤维的加入可以有效提高玄武岩纤维泡沫混凝土的起始损伤荷载，有效延缓损伤发展进程，并且降低损伤局部化程度，使材料破坏模式有所改变。

关键词: 玄武岩纤维, 泡沫混凝土, 数字图像相关, 力学性能, 损伤程度因子, 损伤局部化

Abstract:

To investigate the compressive damage evolution law of basalt fiber reinforced foam concrete， this paper employed quasi-static compression tests and utilized digital image correlation technology for full-field strain analysis. It explored the effects of matrix density （600~1 200 kg/m³） and basalt fiber volume content （0%~0.5%） on the mechanical properties and damage behavior of basalt fiber reinforced foam concrete. The results indicate that the most significant improvement in the ultimate compressive strength of basalt fiber reinforced foam concrete is achieved when the basalt fiber volume content is 0.3% or 0.4%. The compression process of basalt fiber reinforced foam concrete can be divided into four stages： compaction， linear elastic， plastic， and failure. Furthermore， based on the full-field， full-process strain data acquired via digital image correlation， this study defined a damage degree factor and a damage localization coefficient to quantitatively characterize and analyze the material’s damage extent and localization behavior. The incorporation of basalt fiber effectively increases the initial damage load of basalt fiber reinforced foam concrete， delays the damage evolution process， reduces the degree of damage localization， and alters the material’s failure mode.

Key words: basalt fiber, foam concrete, digital image correlation, mechanical property, damage degree factor, damage localization

中图分类号:

TU528

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图/表 11

表1 水泥的基本参数

Table 1 Basic parameters of cement

Cement

Specific surface

area/（m²·kg^-1）

Setting time/min

Flexural strength/MPa

Compressive strength/MPa

表2 玄武岩纤维的主要性能

Table 2 Main properties of basalt fiber

Material type	Length/mm	Elongation/%	Density/（kg·m^-3）	Elastic modulus/GPa	Tensile strength/MPa
Basalt fiber	6	3.1	2 650	90	2 750

表3 玄武岩纤维泡沫混凝土试件编号汇总

Table 3 Summary of basalt fiber reinforced foam concrete specimen number

Compressive test specimen number

0%BF/FC-649

0.1%BF/FC-669

0.2%BF/FC-685

0.3%BF/FC-678

0.4%BF/FC-647

0.5%BF/FC-677

0%BF/FC-832

0.1%BF/FC-869

0.2%BF/FC-872

0.3%BF/FC-856

0.4%BF/FC-877

0.5%BF/FC-841

0%BF/FC-1086

0.1%BF/FC-1107

0.2%BF/FC-1067

0.3%BF/FC-1078

0.4%BF/FC-1095

0.5%BF/FC-1057

0%BF/FC-1174

0.1%BF/FC-1226

0.2%BF/FC-1187

0.3%BF/FC-1160

0.4%BF/FC-1201

0.5%BF/FC-1200

图1 不同密度及纤维体积掺量下玄武岩纤维泡沫混凝土的荷载-位移曲线

Fig.1 Load-displacement curves of basalt fiber reinforced foam concrete under different densities and fiber volume content

图2 不同密度下玄武岩纤维泡沫混凝土极限抗压强度随纤维体积掺量的变化规律

Fig.2 Variation law in ultimate compressive strength of basalt fiber reinforced foam concrete with fiber volume content under different densities

图3 典型归一化荷载-位移曲线

Fig.3 Typical normalized load-deflection curves

图4 泡沫混凝土在不同荷载下的水平应变云图

Fig.4 Vertical strain clouds of foam concrete at different loading levels

图5 玄武岩纤维泡沫混凝土压缩破坏动态损伤演化过程

Fig.5 Dynamic damage evolution process of basalt fiber reinforced foam concrete during compression failure

图6 随着δ/δk增加P/Pk、Df1、Df2和Lf的变化曲线

Fig.6 Variation curves of P/Pk， Df1， Df2， and Lf with increment of δ/δk

图7 随P增加Df2的变化曲线

Fig.7 Variation curves of Df2 with increment of P

图8 随δ/δk增加Lf的变化曲线

Fig.8 Variation curves of Lf with increment of δ/δk

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