捕捉亚毫米级裂纹演化！DIC技术为裂纹扩展与抗裂研究带来全新方案

针对混凝土板材在四点弯曲载荷下的开裂行为及夹层结构力学响应难以量化表征的问题，本文基于双目数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）技术，对含不同夹层结构的混凝土试件进行非接触式全场变形测量。实验同步捕捉了板材侧面裂纹萌生、扩展过程，并量化分析了无掺杂、A掺杂、B掺杂三类试件的位移场、应变场演化规律。

实验数据结果表明，DIC技术可精准识别裂纹起裂位置与扩展路径；夹层结构显著影响X向应变集中程度与位移分布模式。实验测试结果为混凝土夹层板材的抗裂设计及数值模型验证提供了关键数据依据。

1、实验研究背景

混凝土板材作为建筑与交通工程的核心承力构件，其抗弯性能及开裂行为对结构安全性具有决定性影响。传统电阻应变片等方法难以捕捉多点应变突变及裂纹动态演化过程，尤其在含夹层复合结构中，界面应变不连续问题亟待高分辨率测量手段解决。

双目DIC技术通过非接触、全场测量优势，可同步获取试件表面的三维位移与应变分布。本研究采用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，结合四点弯曲加载实验，定量分析不同夹层混凝土的裂纹演化与力学响应差异，为夹层优化设计提供数据支撑。

2、实验系统与测试方法

实验简介

实验采用四点弯曲加载模式，对三类不同结构夹层混凝土试件进行阶梯式递进加载：

试件类型：1号（无掺杂）、2号（A夹层）、3号（B夹层）

加载方式：采用阶梯式递进，反复加载，DIC设备在加载过程采集数据

测量目标：①裂纹萌生/扩展时序；②Y向位移场；③X向应变场

四点弯曲实验装置与DIC测量系统图

DIC测量系统配置

图像采集系统：双目XTDIC-5M三维全场应变测量系统（分辨率2448×2048）

镜头：25mm定焦工业镜头

光源：环形LED蓝光冷光源

散斑制备：哑光白底漆 + 黑色随机散斑

DIC软件数据分析

裂纹识别：通过位移不连续带与应变集中区判定裂纹位置

全场分析：计算Y向位移云图、关键点位移曲线、X向应变场

夹层影响：对比三类试件应变梯度、裂纹扩展速率与位移分布

3、实验结果与分析

裂纹动态演化特征

1号试件（无掺杂）：

裂纹在跨中底部萌生，沿竖直方向快速贯通；

裂纹宽度≥0.3mm时，Y向位移剧增（位移曲线呈阶梯跃变）

Y向位移场响应：对称抛物线型，跨中集中

X向应变集中：跨中应变峰值分析，裂纹萌生与演化监测（受拉区）

Y方向位移云图和点位曲线

X方向应变变化情况

2号试件A掺杂

裂纹在夹层界面处偏折，A夹层延缓裂纹扩展。

Y向位移场响应: 夹层结构改变弯矩传递路径，导致位移场重构；双峰分布，夹层区位移抑制;

X向应变集中行为: 夹层界面应变梯度升高。

Y方向位移云图和点位移曲线图

X方向应变-裂纹产生过程

3号试件B掺杂

B夹层诱导多裂纹分支，主裂纹扩展速率降低

Y向位移场响应：多极值点，对应裂纹分叉位置

X向应变集中行为：裂纹尖端产生 高应变带

Y方向位移云图和点位移曲线图

X方向应变-裂纹产生过程

4、结论与工程意义

DIC技术应用有效性：DIC技术成功实现混凝土弯曲裂纹从萌生到贯通的动态追踪，并通过位移/应变场量化表征夹层结构的界面效应与裂纹抑制机制。

夹层结构影响机制：A夹层通过界面应变重分布延缓裂纹扩展；B夹层诱导多裂纹系统耗散能量，降低主裂纹风险；无夹层试件表现出典型脆性断裂特征。

工程应用价值：为夹层混凝土板材的抗裂设计提供优化方向（如界面强化、韧性夹层选型），建立裂纹应变阈值，作为混凝土断裂损伤预警依据。