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IAB Weimar:高延性水泥基复合材料的三维全场材料试验 | GOM客户案例



基建工程对安全和质量的要求越来越高,特别是机场、桥梁等重要基础设施项目。近30年来,位于德国城市魏玛的IAB应用建筑研究院在其面向应用的研发工作中,一直为建筑行业带来新的动力。在众多的项目中,魏玛研究所的研究人员在材料特性和工艺参数方面开发和改进了一系列令人印象深刻的混凝土配方,包括传统的预拌和现浇混凝土、自密实(SCC)和超高性能混凝土(UHPC)、纤维混凝土以及纺织、轻质、加气和泡沫混凝土、矿物泡沫、干砂浆产品用化合物、土壤砂浆和塑料粘结聚合物混凝土。


建筑材料和工艺工程部结构设计部门负责人大卫·阿布厄姆(David Abouem)解释了高延性水泥基复合材料最重要的优势:“这些复合材料具有高延性、耐水性、稳定性,因此使用寿命显著延长。此外,与传统的工业配方相比,它们的一些创新配方更能适应气候变化。用这类添加剂替代部分水泥提供了一个减少二氧化碳排放的机会,这在当今的建筑项目中是一个极其重要的因素。”


裂缝检测

大卫·阿布厄姆(David Abouem)介绍了他目前的一个项目:分析一种由聚乙烯醇纤维(PVA)纤维、沙子、水泥和副产品组成的高性能水泥基复合材料的性能。“纤维起到加固的作用,因为它们可以弥补混凝土结构的裂缝,”大卫·阿布厄姆解释道。“这样可以防止裂缝扩展,并将其分成许多发丝般细小的裂缝。在有利的条件下,使用以碳酸钙形式积聚在这些发纹裂缝中的氢氧化钙溶液,有可能发生自动愈合。这种材料会自行愈合。”


由于抗弯性能、拉伸和压缩性能等性能都与第一次裂纹的出现有关,因此裂纹检测是材料试验中的一个重要环节。对于裂纹分析,IAB Weimar对材料样品进行压缩、弯曲拉伸和拉伸试验。“我们生产出测试样本,并将其储存在气候室中,”大卫·阿布厄姆说。“在3、7、28和90天后,我们取出样本,为测试做准备。混凝土的可变形性随着龄期的增长而降低,因此了解材料在不同寿命阶段的行为至关重要。试验的测量结果显示了裂缝宽度限制和荷载限制。”在试验结果的帮助下,IAB Weimar开发了适合不同应用要求的特定材料配方,并通过实验制作了描述材料力学性能的材料卡片,以便用作模拟试验。


很难测吗?ARAMIS会者不难!

在过去,IAB Weimar的研究人员在材料测试中使用传统的应变计来检测裂纹,而不是使用ARAMIS系统。大卫·阿布姆解释了他的团队所面临的困难:“在测试之前,不可能预测哪里会出现裂缝。所以,你把应变计放在你直觉所要求的样本上。但是,墨菲定律常常会让我们绊倒:第一道裂缝会发生在没有应变计的试件一侧。因此,很难收集到高质量、可靠的测量数据。”此外,由于所开发的复合材料在拉伸下具有相对的可变形性,一些应变计在第一个裂纹出现时就断裂。这意味着几乎不可能使用传统的应变计以任何程度的确定性来检测损伤的起始位置,并记录复合材料试样表面的变形。


IAB Weimar对这样的结果当然不会满意,并在积极寻找更有效地方法。恰在这时,TU Dresden建议,为什么不试试GOM ARAMIS呢?TU  Dresden在研究混凝土中长期使用GOM的ARAMIS,并对测量结果非常满意。David Abouem和他的团队详细研究了ARAMIS系统,并和引伸计和应变计进行了对比测试,对ARAMIS的全场高质量数据大为惊叹。 得益于ARAMIS系统的全场数据,David团队可以从不同角度观察裂纹的扩展。


IAB Weimar对水泥试样立方体进行压缩试验


许多小裂缝在材料失效前就出现了。我必须调查:裂缝是如何扩展的,它们是如何相互作用的。ARAMIS系统非常适合调查这些问题,”David Abouem说。在IAB的此类调查中,ARAMIS系统已经完全取代了传统的应变计。


ARAMIS提供高质量的实时数据

使用ARAMIS多测量头,记录材料样品的压缩、弯曲拉伸和拉伸试验的实验数据。两个ARAMIS测量头的组合使得可以从不同的角度和不同的测量区域进行测量,并在同一个公共坐标系中进行评估。


无论使用何种材料,都可以进行这些测量,并且无需对试验对象进行昂贵、耗时的准备工作。这使得ARAMIS系统成为压缩试验的理想分析工具,例如,在压缩试验中,材料样品受到位移控制的载荷,直到其失效。高分辨率ARAMIS 3D系统可记录材料样品在各种情况下(从静态荷载到动态荷载条件/失效)的变形情况,数据稳定,工艺可靠,操作简便。测量结果可视化,并直观地呈现给客户,以便做进一步的分析评估。



IAB Weimar对水泥试样立方体进行压缩试验


材料试件压缩试验裂纹检测

集成虚拟应变计


ARAMIS系统在软件中集成了虚拟应变计。对于传统应变计,如果应变计贴片位置正确,可以记录纵向变形;而横向变形则很难测量,除非使用环式应变计。GOM的ARAMIS系统可以轻松满足这两个条件:它可以在任何空间方向生成三维全场变形数据,所以就完全没有必要预测裂缝可能出现的位置。虚拟应变计可以灵活地设计尺寸和放置在任何位置,使其非常适合于局部分析。由于ARAMIS的非接触测量,试样在整个测试过程中不受任何外力影响。通过预先定义的评估方案,可以观察裂纹形成的时间,并追踪裂纹扩展的方向。


如前所述,测试工程师面临的主要挑战之一是预测裂缝将在何处形成以及如何扩展。当使用传统的测量工具时,工程师必须决定他们想要观察的测量区域。GOM采用多测量头概念来应对这一问题,将多个ARAMIS测量头结合起来,从不同的角度和不同的测量区域同时进行测量。IAB Weimar已经使用ARAMIS多测量头进行材料研究。


例如,对于材料样品的拉伸试验,两个ARAMIS测量头分别放置在试样的前后,以记录两侧的变形。因此,无需在试验前预测可能出现裂缝的位置。此外,在一个共同的坐标系中采集和评估测量结果,使用GOM软件可以同时显示不同系统的测量结果,大大简化了分析和比较。此外,裂纹尖端检测功能有助于跟踪和评估裂纹点的轨迹。更多的信息,如裂纹长度,开口和三维模式也可以得到。


ARAMIS–高度灵活和自动化由于不同的测量体积和距离,测量头是多功能的,可用于一系列不同的测量任务。此外,灵活的LED照明可以从不同的角度照亮试样,即使它们很难靠近。这使得该系统非常适合从事各种应用的研究机构和大学。


由于ARAMIS Professional软件中的参数化软件概念,所有操作和评估步骤都是完全可跟踪和相互关联的。单个元素可以是可随时修改和调整,并在按下按钮时自动更新。此外,由于评估模板,任何评估策略都可以轻松地应用于其他材料样本和结构,而无需进一步规划或用户干预,从而节省了IAB Weimar编程时间.



IAB Weimar对水泥样品进行拉伸试验


拉伸试验中材料试样的裂纹跟踪

优化和验证仿真模型


ARAMIS测量数据用于确定材料性能,作为建立数值模拟模型的输入参数。为了确定复杂的负荷情况,并对现有材料和部件以及仍在开发中的材料和部件的性能作出可靠的预测,模拟是非常必要的。仿真结果可以导入GOM软件,将模拟和实测数据集进行直接比较。大卫·阿布姆对此印象深刻:“我们可以立即看出其中的差异,便于指导模拟参数的调整和优化。在IAB工程师设计和制造部件之前,还需要进行更多的材料试验。在组件制作完成后,研究所通过实际测试对仿真模型进行验证。然后使用ARAMIS系统生成的测量数据帮助测试原型和单个组件上的仿真结果,以微调仿真。改进模拟工具和流程可以为进一步的项目积累长期的知识,从而加快上市时间。


今天,IAB Weimar定期使用ARAMIS系统进行各种测试。到目前为止,David Abouem和他的团队对GOM的ARAMIS  多侧头系统提供的测量结果非常满意,并且正在考虑增加两套ARAMIS系统,以便它们能够同时测量更复杂的变形。用不同的测量区域从不同角度记录变形可以提供更多有价值的数据,从而对材料有更深入和更全面的了解。



拉伸试验中材料试样的裂纹跟踪


组合两个ARAMIS测量头同时进行测量

#IAB Weimar

国际建筑协会应用建筑研究所,魏玛

近30年来,位于魏玛的IAB应用建筑研究所(IAB Weimar)一直是能力和创新的代名词。该研究所拥有约120名员工,主要通过实际研发和面向应用的服务来支持中小型企业,以确保其长期竞争力。随着全球化进程的推进,技术领先成为成功的关键驱动力。“Made by IAB”的宗旨是识别趋势,推动发展,并将研究的创造性与产业需求相结合。

IAB Weimar的科学专业知识分为四个部门:建筑材料和工艺工程、建筑系统和部件、土木工程和管道施工以及能源和建筑服务。作为本地和更广泛研究领域的重要组成部分和国际参与者,IAB Weimar依赖于科学和工业之间的密切合作。

#GOM GmbH

GOM是蔡司集团的一家公司,专门从事工业3D坐标测量技术、3D计算机断层扫描和3D测试。从产品开发到生产和全球分销,GOM提供手动和自动3D数字化的机器和系统、评估软件、培训和专业支持等一站式光学解决方案。  在全球汽车、航空航天、能源和消费品等各个行业,已安装了17000多套GOM系统。GOM拥有1200多名计量专家,分布在全世界60多个国家和城市,以保证提供专业建议和一流服务。自2019年中起,GOM成为蔡司集团的一部分,并成立了光学计量卓越中心。蔡司在50个国家拥有31000多名员工,年收入总额超过64亿欧元,是一家国际领先的光学和光电子技术企业。


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