《Journal of Materials Research and Technology》：A Novel Compression-to-Tension Conversion Device for Direct Tensile Strength Determination of Rock-Like Materials Using Rotated H-Shaped Specimens: Experimental and Numerical Investigation
编辑推荐：
摘要：了解岩石在受拉状态下的行为并定量表征抗拉强度（Tensile Strength, TS）具有重要意义，因为岩石在受压状态下的强度远高于受拉状态。本文提出一种通过对合成类岩石（rock-like）试样进行直接拉伸试验来测定其抗拉强度的新方法。制备了七种由石
摘要：了解岩石在受拉状态下的行为并定量表征抗拉强度（Tensile Strength, TS）具有重要意义，因为岩石在受压状态下的强度远高于受拉状态。本文提出一种通过对合成类岩石（rock-like）试样进行直接拉伸试验来测定其抗拉强度的新方法。制备了七种由石膏、水泥、硅粉、砂及水组成的类岩石材料，制成旋转H形（rotated H-shaped）几何试样——其竖臂对齐并相互连接，横臂平行但相对旋转90°。将试样安装于应力转换试验架中进行破坏试验。同时采用PFC3D（Particle Flow Code in 3D，三维颗粒流程序）软件进行数值模拟，先对七种材料类型进行标定：通过巴西劈裂试验（Brazilian Test, BT）和单轴抗压强度（Uniaxial Compressive Strength, UCS）试验调整数值模型微观参数，使计算结果能复现铸模试样的力学响应。完成H形试样数值模拟后，对比数值与试验结果，并将直接拉伸结果与间接拉伸试验结果进行对比基准分析。结果表明数值模拟与实验室量测结果高度吻合。拉伸裂纹萌生于试样竖臂处，垂直于加载轴扩展，最终导致H形试样完全断裂。此外，H形试样测得之抗拉强度较巴西劈裂试验所得结果约低30%。
论文解读：采用旋转H形试样通过压转拉转换装置直接测定类岩石材料抗拉强度的试验与数值模拟研究
本文发表于《Journal of Materials Research and Technology》。岩石及脆性材料天然抗拉强度远低于抗压强度，工程中大量破坏源于拉伸应力，但岩石抗拉强度（Tensile Strength, TS）的直接测定因试样制备困难、夹持偏心及高昂成本而难以普及，工程实践中常将其忽略或取为零，导致设计偏于保守或不经济；间接法如巴西劈裂试验（Brazilian Test, BT）虽操作简便，但依赖应力—应变关系假设且存在非均匀应力场与对中困难等问题，尤其对软弱岩及土体更为突出。现有直接拉伸法多借鉴混凝土狗骨（dog-bone）试件，制样复杂且不适用于岩石。为此，研究人员开发了专用于类岩石材料的压转拉（compression-to-tension）转换装置配合旋转H形试样（rotated H-shaped specimen，亦称H形样品试验 H-shaped Sample Test, HSST），开展七种配比类岩石材料的直接拉伸试验与PFC3D（Particle Flow Code in 3D，三维离散元颗粒流程序）数值模拟，并与巴西劈裂试验及单轴抗压强度（Uniaxial Compressive Strength, UCS）试验对比，探讨其断裂模式、TS–UCS关系及裂纹起裂应力（Crack Initiation Stress, CIS）关系，验证该方法之可靠性与适用性。
研究人员采用以下关键技术方法开展研究：配制七种类岩石材料（石膏Ⅰ、混凝土、石膏+砾石、石膏+硅微粉、石膏+硅灰Ⅰ/Ⅱ、石膏Ⅱ），浇筑成型后经泡沫嵌件形成旋转H形试样（弱截面3 cm×3 cm），并制作?54 mm圆盘及圆柱体分别进行巴西劈裂试验与UCS试验；使用自制压转拉转换装置（含U形与П形组件）对H形试样施加准静态压缩荷载（1 kg/s）使其转化为中部竖杆纯拉伸，记录破坏荷载计算直接抗拉强度；采用PFC3D建立数值模型，选用平节理接触模型（Flat-Joint Contact Model, FJM）以复现岩石压拉强度比（UCS/TS≈8~13），通过试错法标定颗粒粒径、密度、接触模量Ec、法向/切向刚度比Kn/Ks、黏结内聚力和抗拉强度及其离散值，使数值巴西劈裂力—位移曲线及UCS应力—应变曲线与试验吻合后，再建H形数值模型施加壁面位移加载获取直接拉伸响应，对比实验与模拟结果。
研究结果如下：
2. Laboratory Testing Investigation——试样制备与直接拉伸试验：研究人员通过泡沫嵌件在15 cm立方体模具中浇筑七种类岩石材料，脱模养护28天获得旋转H形试样（竖臂互成90°旋转），并以钢刀片传递荷载至H形臂。压转拉装置将压力机施加的压缩荷载转换为H形试样中部连接段的纯拉伸。试验表明H形试样均在颈部发生垂直于加载轴的纯拉伸断裂，裂纹始于竖臂根部，断口平整，证实该装置可在无传统夹持下实现类岩石材料直接拉伸破坏。
3. Introduction to PFC Software——PFC3D数值模型标定：研究人员采用离散元法建立球体颗粒集合体，以FJM模拟颗粒间接触，先后标定弹性模量与泊松比、UCS、抗拉强度微观参数。七种材料标定后数值巴西试验与UCS试验之力—位移/应力—应变曲线及裂纹演化（以张拉裂纹为主、剪切裂纹为辅）与实体试验破裂模式一致，验证了数值模型可靠性，压拉强度比落在8~13典型区间。
4. Experimental and Simulated Outcomes of Direct Tensile and Uniaxial Compressive Testing——直接拉伸与UCS试验数值与实验结果对比：H形试样数值与实验室直接拉伸强度高度吻合（误差<10%），直接拉伸TS约为BT所得TS的70%（即BT高估约30%）。七种材料UCS与TS呈线性关系：TS≈0.09×UCS（R2较高），CIS（定义为总裂纹数5%时之应力）与TS呈近线性：TS≈0.24×CIS（R2=0.97）。误差棒分析显示各组五次重复试验变异极小（一致率>98%），表明制样均一性与装置重复性良好，最大骨料粒径应远小于弱截面尺寸（3 cm×3 cm）以避免应力集中干扰。
5. Discussion——讨论：研究人员指出巴西劈裂试验中中心受拉区上下同时存在压应力且应力分布不均，抑制裂纹扩展致TS被高估，而HSST在弱截面产生较均匀纯拉应力，结果更接近材料本征抗拉强度。H形试样转角处存在局部应力集中促使裂纹萌生，后续可优化几何以改善应力均匀性。装置简易、低成本、低加载速率适合低强脆性材料测定，PFC3D-FJM可有效模拟不同粒径与胶结比之类岩石拉伸行为。
6. Summary and conclusion——结论：
研究人员开发了一种简易压转拉转换装置配合旋转H形试样（HSST）用于类岩石材料直接抗拉强度测定。HSST相较巴西劈裂试验具试样制备与装夹简便、规避BT中对中偏差问题、结果稳定可重复等优势，尤适于软弱岩及类岩材料常规测试。主要结论为：(1)该装置操作简单、成本低，可准确测定脆性类岩石试样抗拉强度；(2)低加载速率（1 kg/s）有助于捕捉低强材料裂纹起裂与抗拉强度；(3)可记录不同配比材料之拉伸应力—位移全过程曲线；(4)所有试样呈典型纯拉伸断裂模式；(5)实验与PFC3D数值结果高度吻合，验证了模型标定有效性；(6)直接拉伸TS较巴西劈裂试验低约30%，此差异源于试样几何与加载条件而非材料依赖性；(7)该压转拉系统具工程合理性——通过简单机构将压缩转为直接拉伸并均匀分布于破坏面，避免了BT中非均匀拉应力分布及压应力对裂纹扩展之抑制作用所导致之TS高估现象。
