应变硬化水泥基复合材料拉伸性能测试方法的实验研究与准确性评估

推荐：针对非脆性建筑材料缺乏标准拉伸测试方法的问题，研究人员系统评估了直接拉伸(DT)、巴西圆盘(BD)、三点弯曲(3PB)、四点弯曲(4PB)和对称弯曲圆盘(SBD)等方法对SHCC材料真实行为的表征能力。结果表明BD方法完全失效，3PB/4PB低估应变和纤维桥接能力，而厚型SBD(SBDT)与DT结果误差<±20%，为评估延性水泥基复合材料提供了优化方案。

　　

在建筑材料和结构工程领域，准确评估建筑材料的力学性能至关重要。然而，对于具有应变硬化特性的水泥基复合材料（Strain-Hardening Cementitious Composites, SHCC），目前缺乏标准化的拉伸性能测试方法。这类材料与传统脆性建筑材料不同，其独特的纤维增强机制使其表现出显著的延性和应变硬化行为，但如何准确测量这些特性却成为工程实践中的难题。传统测试方法如巴西圆盘试验（Brazilian Disc, BD）是为脆性材料设计的，应用于SHCC时往往无法反映其真实力学行为。

针对这一技术瓶颈，伊朗科学技术大学土木工程学院的研究人员开展了一项系统性研究，对四种常用测试方法（直接拉伸DT、三点弯曲3PB、四点弯曲4PB和巴西圆盘BD）以及新型对称弯曲圆盘（Symmetric Bend Disc, SBD）测试进行了全面评估。研究结果发表在《Results in Engineering》上，为SHCC材料的性能测试提供了重要参考。

研究人员采用的主要技术方法包括：制备含3%聚丙烯纤维的SHCC试样；设计多种几何尺寸的DT、BD、3PB、4PB和SBD试样；使用15 kN伺服试验机进行加载测试；通过有限元分析模拟应力分布；采用激光位移传感器和数字图像相关技术监测变形；基于应力-应变曲线提取五个关键力学参数（弹性强度σ_e、硬化峰值σ_u、弹性应变ε_e、硬化应变ε_u和断裂应变ε_r）。

研究结果部分，在"失效模式"中发现：DT试样呈现垂直于加载方向的中间截面直裂纹；3PB和4PB试样无论尺寸大小均在中间三分之一处断裂；BD试样则表现出初始裂纹后伴随压缩破碎的复杂失效模式。"拉伸行为"数据显示：DT测试获得的基准值为弹性强度3.47 MPa（应变0.016）、硬化峰值2.68 MPa（应变0.029）和断裂应变0.101；3PB方法对弹性强度的低估达44%，应变偏差高达-96%；4PB方法表现较好，峰值应力偏差仅-6%；SBDT（厚型）与DT结果最为接近，误差保持在±20%以内。

"几何因素影响"部分通过有限元分析揭示：较小的S/R（跨径/半径）比会限制拉伸区域，而较高的t/D（厚度/直径）比会增加剪切破坏风险。支持条件对结果也有显著影响，较长试件表现出更明显的端部效应。

研究结论指出，DT仍是评估SHCC拉伸性能的最可靠方法，能准确反映纤维桥接效应和材料软化行为。对于无法进行DT测试的情况，厚型SBD（SBDT）是最佳替代方案，其应力应变测量与DT结果高度吻合。该研究不仅为SHCC材料的测试提供了方法论指导，其建立的五参数表征体系（σ_e、σ_u、ε_e、ε_u、ε_r）也为其他纤维增强建筑材料的性能评估提供了借鉴。研究强调，在使用非DT方法时需谨慎解释结果，可能需要引入修正因子，而未来研究应聚焦于测试方法的进一步优化和先进应变测量技术的应用。