[0001] 本发明涉及混凝土材料性能测试技术领域，尤其涉及混凝土自由断裂全过程控制可视化追踪试验系统及方法。

[0002] 混凝土断裂力学是研究裂缝发生发展规律的基础科学，关系混凝土工程事故的防控。近半个世纪以来，断裂力学的试验技术虽得到了迅速的发展，但关键试验设备伺服压力机(包括恒力加载、恒位移加载)，普遍基于被加载试件变形这一宏观参数(例如挠度)，实现伺服加载；此外，声发射技术、DIC技术等断裂过程主流监测手段主要用于研究素混凝土试件中含预制裂缝的单一裂纹起裂扩展规律。因此，当前加载装置的伺服尺度—基于试件形
变的反馈控制，以及监测手段适用的研究对象特点，使得自由断裂状态下混凝土试件的微
裂纹，从萌芽到生长，到成群，到汇聚，到致灾，难以分阶段呈现，也无法全过程可视化追踪。

[0003] 声发射技术被广泛应用于材料断裂过程中起裂点的定位识别研究，该技术基于材料断裂瞬间释放的声波能量，通过捕捉声波能量，反演材料断裂的起裂点，借助应变采集系统等关联出起裂时的应力、应变等信息。由于声发射技术是根据接收的声波能量，通过计算分析，推求起裂点位置，故无法实时可视化地追踪微裂纹起裂扩展的全过程。此外，声发射技术通常用于监测一条裂缝的起裂扩展，对于钢筋混凝土试件中多裂纹起裂，接收器采集
的声能量信号易存在夹杂干扰，定位不准。数字散斑相关法(DIC)在断裂力学试验研究中应用得较为广泛，它是一种对试件(受荷载作用下)发生形变前后的散斑场进行相关运算并以
此来获得位移全场信息的测量方法。该技术在监测前需要首先确定观测区域，且观测区域
较小；对于事先未知裂缝起裂区的自由断裂，观测区域无法准确布置，即难以实现不含预设裂缝的试件断裂过程的全面监测。此外，观测区内需要均匀标记高密度散斑，降低了使用的便捷性。

[0004] 基于超声激励红外热成像法探测混凝土试件结构性隐裂纹的方法可以全过程地定位、追踪自由断裂时混凝土试件的裂纹发展。但是，该方法仅用于微裂纹生长过程的追踪探测，无法控制微裂纹的生长阶段，且不涉及试件应力场信息的感知；这使得微裂纹群在生长中，微裂纹群的交汇与应力场的转移汇集过程，难以有效研究。

[0038] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

[0039] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0040] 实施例1：

[0041] 参考图1～2，混凝土自由断裂全过程控制可视化追踪试验系统，包括：混凝土试件1、伺服加载系统2、应变监测系统、超声热像探测系统、负反馈控制系统、裂缝量测系统4和散热系统3，所述混凝土试件1采用钢筋混凝土试件或素混凝土试件中的一种，所述混凝土
试件1设置于伺服加载系统2中，所述应变监测系统用于监测混凝土试件应力场中应力的转
移汇集动态，并辅助超声热像探测系统触发负反馈控制系统，所述超声热像探测系统主动
定位和追踪混凝土试件1中微裂纹的生长，将微裂纹的分布和形态可视化，并触发负反馈控制系统，所述负反馈控制系统根据应变监测系统与超声热像探测系统分析结果控制伺服加
载系统2的输出荷载，所述裂缝量测系统4在确定裂纹分布以后量测裂纹尺寸，所述散热系
统3将混凝土试件1上位于超声热激励处的混凝土温度恢复至室温。

[0042] 进一步，优选地，所述伺服加载系统2由反力架11、万能材料试验机、铸铁压头、钢垫板12和支座13组成；所述混凝土试件1设置于支座13上方，所述万能材料试验机安装在反力架11中，其中万能材料试验机位移控制速率为0.01～500mm/min，最大加载200kN；铸铁压头为半圆柱体，直径为50～100mm，长度为200～400mm；钢垫板12厚度为20～40mm，长度为200～800mm，宽度为200～300mm；支座13采用铸铁铰支座，铸铁铰支座数量为2支，铰为圆柱体，直径为30～50mm，长度为200～400mm；所述混凝土试件1断裂过程由伺服加载系统2实
现。

[0043] 进一步，优选地，所述应变监测系统由应变片8、动态信号测试分析系统9、动态信号采集分析软件组成；应变片8量程1000με，灵敏系数2.06，电阻120.1Ω；动态信号测试分析系统9内嵌工业级计算机、高速硬盘以及Linux操作系统，动态信号测试分析系统9连接计算机后通过动态信号采集分析软件控制，实时动态采集数据；所述超声热像探测系统由输出功率200～3000W、输出频率20～200kHz超声波发生器5，额定功率50～200W、输出频率20～200kHz的超声波激振器群，以加玻纤维尼龙为支撑柱、以铝合金为主体框架的加载限位
装置14，最小温差分辨精度小于或等于0.06℃的红外热像仪7以及装载热像图分析处理软
件的计算机组成；所述负反馈控制系统为装载于计算机的伺服加载系统加载控制软件，可
在预先设定试验模式的条件下，根据应变监测系统及超声热像探测系统分析结果，驱动伺
服加载系统2调整输出荷载。

[0044] 进一步，优选地，所述裂缝量测系统4由分辨力小于或等于0.0125mm的裂缝观测仪3
构成；所述散热系统3由制冷冷风机构成，最大风量小于或等于18000m/h，可自动左右90°
摇摆和上下90°调节。

[0045] 混凝土自由断裂全过程控制可视化追踪试验方法，应用于混凝土自由断裂全过程控制可视化追踪试验系统，包括以下步骤：

[0046] S1、根据研究目的，选取合适的混凝土试件1作为断裂试验的研究载体；根据拟施加于试件的荷载作用形式配置加载装置，计算试件的起裂荷载，确定断裂发生的敏感观测
起始荷载；

[0047] S2、沿混凝土试件1断裂观测面的对面以及试件底面或顶面布置应变片8组成的应变片群与超声波激振器6组成的超声波激振器群，形成空间立体式应变采集与超声热激励；
应变片群均匀覆盖试件表面，超声波激振器群在各自布设点的热激励范围联合后覆盖应变
片群的监测区域；各应变片8通过导线分别接至动态信号测试分析系统9，各超声波激振器6通过粘贴在混凝土试件1表面的加载限位装置14固定，超声波激振器6连接超声波发生器5
以热激励混凝土试件1；红外热像仪7远离混凝土试件一定距离沿试件等间距布置，红外热
像仪远离混凝土试件0.5至2.0米，各台红外热像仪7的监测面顺序拼接后可完全覆盖混凝
土试件1断裂观测面；散热系统3围绕混凝土试件激振点布置；动态信号测试分析系统9以及红外热像仪7均连接至安装有动态信号采集分析软件、热像图分析处理软件以及伺服加载
系统加载控制软件的计算机10，计算机连接万能材料试验机；

[0048] S3、使用超声波发生器5驱动超声波激振器群激励混凝土试件1，开启红外热像仪7录像模式监测混凝土试件1表面温度场，记录混凝土试件1初始温度场；开启动态信号测试
分析系统9监测混凝土试件应力场，启动伺服加载系统加载控制软件，根据混凝土试件1设
定试验模式，负反馈控制系统中设定有素混凝土试件和钢筋混凝土试件两种模式，并初设
伺服加载系统2加载位移速率，其中钢筋混凝土试件，加载位移速率为0.08～0.5mm/min，素混凝土试件，加载位移速率为0.03～0.2mm/min；然后对混凝土试件1加载；当压力荷载增加至敏感观测起始荷载时，减小加载速率；通过热像图分析处理软件监测确定红外热像仪7视野中出现的首条微裂纹温升带，并触发负反馈控制系统驱动伺服加载系统2调整施加的压
力荷载；

[0049] S4、停止超声波激振器群激励混凝土试件1，记录应变片群的数据，使用散热系统3为混凝土试件激振点附近区域散热；根据热像图定位微裂纹在混凝土试件1中的分布，测量各裂纹长度和裂纹尖端的张口位移；

[0050] S5、启动超声波激励，以S3步骤中减小后的加载速率继续加载；当红外热像仪7监测视野中微裂纹温升带条数增加，或微裂纹温升带伸长并且应变片群中应变出现陡增时，
负反馈控制系统驱动伺服加载系统2调整施加的压力荷载，进行S4步骤；循环S5步骤上述过程，直到混凝土试件1被破坏；

[0051] S6、混凝土试件1破坏后，取回超声波激振器群、超声波发生器5、加载限位装置14、红外热成像仪、动态信号测试分析系统9、装载安装有动态信号采集分析软件、热像图分析处理软件和伺服加载系统加载控制软件的计算机10、裂缝量测系统4和散热系统3，恢复伺服加载系统2。

[0052] 进一步，优选地，所述S1中合适的混凝土试件1根据研究需要确定，包括：钢筋混凝土试件、素混凝土试件，混凝土强度等级、钢筋配筋率，以及试件形状、尺寸；荷载的作用形式包括三点压弯、四点压弯破坏，楔入劈拉破坏；观测的敏感起始荷载为小于计算得到的起裂荷载的20％。

[0053] 进一步，优选地，所述S2中应变片群在试件中的布置原则为：当应变片8在观测面的对面布设时，应变片8沿裂纹扩展主方向的垂直方向布设；对于压弯作用破坏试件，应变片8在竖直向布设时，首先沿混凝土试件1中性层布置，其次以中性层为轴上下对称布置，应变片8间距为30～100mm；应变片8在水平向布设时，第一列应变片8沿混凝土试件1竖向中轴线布置，各应变片8中心点为其所在水平线与竖向中轴线交点，其余列应变片8各列间隔50
～200mm呈对称布置；对于劈拉作用破坏混凝土试件1，在竖直向布设时，应变片8以50～
100mm为间距均匀沿混凝土试件1竖直向分布；在水平方向布设时，第一列应变片8沿混凝土试件1竖向中轴线布置，其余列应变片8各列间隔50～200mm呈对称布置，当应变片8在混凝
土试件1底面布设时，应变片8沿底面纵向中线布置，首先布置于中线中点处，其次以50～
200mm为间隔以中线中点为对称点，沿中线等间隔布置。

[0054] 进一步，优选地，所述S2中超声波激振器群在混凝土试件1中的布置原则为：当超声波激振器6在观测面的对面布设时，超声波激振器6布置于应变片群各列间，对于相邻超
声波激振器6间距小于300mm且激振频率相同时，两超声波激振器6在水平方向及竖直方向
上投影间距离大于或等于30mm；应变片群各列间的超声波激振器6数量不少于1枚，且以应
变片8各列所在方向的混凝土试件1长度除以300mm，舍掉小数位取整确定；当超声波激振器
6在混凝土试件1上表面布设时，以加载区域中心呈对称布设，超声波激振器6距离混凝土试件1端部大于或等于300mm；超声波激振器6的频率组合方案为，沿水平方向毗邻混凝土试件
1端部的超声波激振器6优选100kHz、120kHz和160kHz频率，从相邻端部超声波激振器6向混凝土试件1中轴的激振频率从28～40kHz、68～100kHz和120～160kHz三组频段中优选，且依次增大；通过加载限位装置14施加1500～2500N耦合压力于各超声波激振器6。

[0055] 进一步，优选地，所述S4中压力荷载加至敏感观测荷载后，钢筋混凝土试件模式与素混凝土试件模式中的加载位移速率分别调至0.05～0.2mm/min与0.03～0.1mm/min；热像图分析软件识别确定微裂纹温升带的依据是：首先排除S3步骤获得的初始温度场中与周围
温差不小于0.3℃的温升区，其次与周围温差不小于0.3℃的像素点连线长度与连线方向试
件长度之比不小于5％，并且该连线中温差不小于0.3℃的像素点占总像素点的60％以上；
负反馈控制系统驱动下的万能材料试验机，压力荷载的调整包括：对于钢筋混凝土试件模
式，压力荷载保持稳定或卸载，对于素混凝土试件模式，压力荷载卸载为零。

[0056] 进一步，优选地，所述S5中应变片群中应变出现陡增的标准是，应变随压力变化曲线的斜率不小于1；应根据试验混凝土试件1的屈服应变确定应变片群采集的混凝土试件1弹性应变区间，进而通过混凝土试件1弹性应变变化规律反应混凝土试件应力场转移汇集
规律。

[0057] 实施例2：基于实施例1，但又有所不同的是；

[0058] 参考图3～5，混凝土试件1为2000mm×200mm×300mm适筋钢筋混凝土试验梁，混凝土强度等级为C30，梁按照构造配筋：纵向钢筋为HRB335，直径为Φ12mm，水平方向净间距为
116mm；箍筋为HPB300，直径Φ6mm，梁端部加密布置箍筋，箍筋距梁端为50mm，两端的第1、2支箍筋间距150mm，其余箍筋间距200mm。钢筋保护层厚度取为30mm。采用四点弯曲加载形
式，梁上部两压头沿梁跨中对称分布，压头为直径为100mm，长度为250mm的半圆柱体，为铸铁材质，两压头的施力点间距为460mm；压头上面垫有厚度为20mm的铸铁板，板的长、宽为
560mm、250mm；铸铁板与万能材料试验机直接接触。梁下部钢垫板的两受力点距离各自梁端
150mm。参照SL191‑2008《水工混凝土结构设计规范》，试验梁的起裂荷载经计算确定为
27.8kN。

[0059] 应变采集系统选用BX120‑80AA电阻应变片、DH5902动态信号测试分析系统搭配DHDAS动态信号采集分析软件。应变片8长为80mm，宽为3mm，量程1000με，灵敏系数2.06，电阻120.1Ω；DH5902系统内嵌工业级计算机、高速硬盘以及Linux操作系统，该系统连接计算机后通过DHDAS软件控制，实时动态采集，并记录数据。鉴于四点弯加载形式以及施力点间、受力点间的间距，于梁中裂纹率先出现且密集生长区，即梁跨中800mm的跨度范围内布设应变片8。应变片8于试验梁观测面的对面布置，在水平方向上，应变片8布置于梁表面中性层、中性层上下75mm处水平线；在竖直方向上，应变片8沿梁竖向中轴线布置，以中轴线为对称轴，各列应变片8在中轴线两侧呈对称布置，各列应变片8间距为100mm；试验梁观测面的对面共布置5列应变片8，每列设3只应变片8。此外，应变片8还沿梁底面纵向中线布置，中心点处布置1只，其余4只以中心点呈对称布置，各应变片8间距100mm，共布置5只应变片8。各应变片8通过导线分别接至动态信号测试分析系统9。应变片8以列为单位从上到下依次编号，各列从右向左顺序接续编号，即从右向左，第一列～第四列为：1～4、5～8、9～12、13～16、
17～20。

[0060] 选用28～40kHz频率可调、3000W的超声波发生器5 1台，配备28kHz激振器(功率50W)1枚；40kHz频率、2500W的超声波发生器5 1台，配备40kHz激振器(功率50W)1枚；80～
120kHz频率可调、2000W的超声波发生器2台，配备100kHz激振器(功率60W)2枚、120kHz激振器(功率60W)2枚。选用以加玻纤维尼龙为支撑柱、以铝合金为主体框架的激振行程自适应
加载装置，加载装置共计6套。激振器布置于应变片群的列间，频率自试验梁右端向左端布设顺序为：100kHz、28kHz、40kHz、100kHz；试验梁上表面距两端头500mm处各布置1枚120kHz激振器。试验梁观测面的对面布置的激振器呈波浪形，相邻激振器在水平方向上投影的间
距为30mm。在各激振器拟布置位置处，首先粘结固定加载装置，然后装入激振器，并利用加载装置对激振器施加2000N耦合压力。

[0061] 试验梁的激励温度场使用TH9100MV热像仪采集，热像仪红外镜头与试验梁纵向中线同高，距离试验梁约1m，沿梁纵向自左向右布置4台热像仪，使得热像监测视野完全覆盖试验梁跨中1000mm范围。还使用DIC技术监测梁观察面跨中200mm×300mm矩形区域中隐裂
纹的生长过程，与超声热像在区域的探测结果作对比。DIC技术通过两台像素2448×2408的
工业相机对监视区域的散斑图像进行同步采集，并由DIC专业图像分析软件(PMLAB DIC‑
3D)对采集图像进行计算分析，求得微裂纹形态。

[0062] 动态信号测试分析系统9以及红外热像仪7均连接至安装有动态信号采集分析软件、热像图分析处理软件和伺服加载系统加载控制软件的计算机10，计算机连接压力试验
机。

[0063] 设置加载位移速率0.3mm/min，同时使用超声波发生器5驱动激振器群激励试件；开启红外热像仪7录像模式监测试件表面温度场，采集试件在加载前的热像温度场信息，以作为后续识别温升带的背景温度场；开启动态信号测试分析系统9监测试件应力场，启动负反馈控制软件，并将控制软件设定为钢筋混凝土模式，然后对试件加载。试验梁自由断裂全过程控制可视化追踪试验从开始加载直至梁被压断，共分27级加载，典型加载过程见表1。
表1中加载栏是加载所到达的最大压力值，卸载是完成卸载后梁中所承受的压力值。下面选取试验梁断裂典型阶段详述。

[0064] 当压力荷载加载至22.2kN，将加载速率减小至0.1mm/min；当压力荷载加载至30.0kN，在热像图分析处理软件剔除背景温度场中与周围温差不小于0.3℃的温升区后，软件自动确定了梁中出现的首条微裂纹(在与周围温差不小于0.3℃的像素点连线中，温差不
小于0.3℃的像素点占总像素点的80％)，随即触发负反馈控制系统驱动压力试验机将压力
荷载卸载至20kN；停止激振器群激励试件，记录应变片群的数据，使用散热系统3为试件激振点附近区域散热；根据热像图定位微裂纹在试件中的位置，并使用智博联F130裂缝测宽
仪测得：该裂纹沿梁高方向长约为30mm，裂尖张口宽度为0.02mm。

[0065] 驱动超声波激励试件，以0.1mm/min的加载速率继续加载，当压力荷载增加至36.0kN时，中性层10号应变片8读数激增，该压力荷载作用下应变随压力变化曲线的斜率为
5.6；此时，试验梁中微裂纹A、B、E沿梁高方向进一步扩展，典型结果见图3。负反馈控制系统驱动压力试验机将压力荷载卸载至31.2kN；停止激振器群激励试件，记录应变片群的数据，使用散热系统3为试件激振点附近区域散热。根据热像图定位微裂纹A、B、E在试件中的位
置，并测得三条裂纹沿梁高方向分别为147mm、62mm及183mm，裂尖张口宽度为0.01mm。当压力荷载增加至40.8kN时，中性层6号应变片8读数激增，该压力荷载作用下应变随压力变化
曲线的斜率为6.2；此时，试验梁中微裂纹C、D沿梁高方向扩展，还新生了微裂纹F。负反馈控制系统驱动压力试验机将压力荷载卸载至31.2kN；停止激振器群激励试件，记录应变片群
的数据，使用散热系统3为试件激振点附近区域散热。根据热像图定位微裂纹C、D、F在试件中的位置，并测得三条裂纹沿梁高方向分别为152mm、114mm及40mm，裂尖张口宽度分布约为为0.02mm、0.01mm和0.01mm。

[0066] 根据试验梁材料参数以及荷载加载形式，得到试验梁屈服应变，确定应变片群采集的试验梁弹性应变区间，进而通过试件弹性应变变化规律反应试件应力场转移汇集规
律。

[0067] 下表为负反馈控制下伺服压力试验机分步加载部分过程、相应加载阶段微裂纹的发育状况以及应变片8数据的典型变化情况表；

[0068]

[0069] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。