《Materials》：Experimental Characterization of Steel and Concrete as Construction Materials: State-of-the-Art Methods and Advances Beyond Standardized Testing
钢与混凝土等建筑材料虽已有数千年应用历史，但其工业化规模生产始于19世纪。研究人员指出，随着建筑向更高、更长、更大型结构发展，这些材料仍在持续改进中，然而其测试与表征在科学文献中却被石墨烯、复合材料、纳米材料等新兴材料所掩盖。本综述旨在识别、收集并系统分析近年发表的关于建筑材料实验测试的文献，记录最先进的实验实践如何超越标准规程的规定。研究涵盖了单轴拉伸试验（UT）、紧凑拉伸C(T)试验、单轴压缩（UC）试验及单边缺口弯曲SEN(B)试验，因其为建筑材料分析最常用且最适用的技术。研究人员利用人工智能辅助文献发现工具系统性地搜集了采用上述技术的最新文献，并识别总结了其在ISO和ASTM标准基础上的拓展贡献。通过本综述，材料科学家与工程师可快速发现最具影响力的相关论文及其实验数据，并将所描述的测试程序应用于实验室，以便与先前发表的测量结果进行比较并作出适当的工程决策。
2. 建筑材料的实验方法
2.1. 单轴拉伸试验
单轴拉伸试验是机械工程中最常见的实验，用于获取材料的应力-应变曲线。狗骨状（dog-bone）试样是最常用的标准试样形式，其两端加宽以便于试验机夹持，中间狭窄区域用于促进在标距段内发生破坏。试验过程中，通过测量夹持端位移与施加力的关系来表征材料性能。应变片（strain gauge）和引伸计（extensometer）是两种最重要的传感器；而基于光学测量技术的数字图像相关法（DIC）作为一种虚拟引伸计也得到广泛应用。Casita等研究人员利用单相机实现了低成本DIC测量，证明即使设备有限也能较准确预测抗拉强度和杨氏模量；Zhu等则采用更先进的双相机3D-DIC技术实时监测拉伸过程中试样横截面积的变化，以获取真实应力-应变曲线。
针对不同材料和用途，狗骨试样具有多种形状和尺寸。ISO 6892-1和ASTM E8/E8M标准规定了测试机规格、试样几何形状、试验参数及结果报告要求。本综述既涵盖了标准形状试样的实验，也展示了研究人员为解决特定问题而采用非标准试样的前沿研究。
标准扁平试样方面，Cho等对低碳软钢进行单轴拉伸试验，研究了吕德斯带（Lüders band）非均匀变形现象；Gonoring等研究了用于汽车工业的钛稳定化间隙-free冷轧镀锌钢板的加工硬化特性；Van der Heijde等研究了试样厚度对AISI 1524热轧钢合金吕德斯现象的影响，发现吕德斯带宽度和传播速度随厚度增加而增加，而吕德斯应变则减小；Parapurath等分析了热处理对S275软钢显微组织和腐蚀行为的影响，表明淬火马氏体组织显著提高了硬度和强度；Rebeyka等研究了HSLA350/440和DP350/600汽车用钢，按照ASTM E8和ASTM E21标准在30°C至800°C温度范围内进行了测试。
非标准扁平试样方面，应力三轴度和洛德角（Lode angle）的调控是一个重要研究方向。Cerik和Choung研究了三种船用钢的延性断裂，结合归一化Cockcroft-Latham判据和最大剪应力判据，使用标准扁平狗骨试样以及四种研究专用几何形状（缺口拉伸NT20、平面应变拉伸PST、中心孔CH和剪切SH试样）来产生不同的应力状态组合。Gopinath等使用自定义狗骨试样几何形状确定了E250结构钢的Johnson-Cook本构和损伤参数。Wang等研究了Q550、Q690和Q890等级高强度钢（HSS），考察了von Mises屈服准则的适用性，得出结论：应力三轴度的影响可忽略，而洛德角效应在高强度钢中显著。Shen等研究了先进高强度中锰钢的局部成形性，使用标准光滑狗骨试样和缺口几何形状（剪切、中心孔、平面应变）。Pan等研究了DP780双相钢的失效和成形性，结合Bai-Wierzbicki损伤模型与Swift-Voce硬化定律预测颈缩前早期断裂。
后颈缩行为与塑性各向异性研究方面，Zhang等研究了S690QL钢的后颈缩加工硬化行为，开发了基于有限元模型更新（FEMU）技术结合DIC的反识别程序，并提出了提取预颈缩三维塑性各向异性的策略。Mirone等使用单相机设置研究了CR04、HR12软钢及MTC1300T、FORTIFORM高强度钢的各向异性和后颈缩渐进截面畸变，采用宽/厚比<3的非标准扁平狗骨试样以减轻颈缩区畸变。
迷你化与尺寸效应方面，Zhang等研究了双相800钢的尺寸效应，比较了标准ISO/ASTM尺寸试样与迷你化试样，确定当试样平行宽度与平行厚度之比小于5时，迷你试样无法准确捕捉后颈缩行为。Zheng等对迷你化拉伸试样的尺寸、几何形状、制备、测量技术和数据分析进行了严格综述。Hwang研究了符合ASTM标距长度与直径比为5但直径小于最小ASTM尺寸的微型试样，发现车削加工引入表面变形孪晶，提高了小直径试样的屈服强度并降低延伸率，建议使用标距直径>5mm的试样或抛光试样。
疲劳测试方面，Kreithner等研究了结构钢S355和S700的延性指数对疲劳的影响，使用了带钻孔的自定义扁平试样引入应力集中和可控裂纹萌生，这与ISO 12106、ISO 1099、ASTM E606/E606M和ASTM E466标准的规定有所偏离。Zvirko等研究了服役33年后低碳轧制钢的力学行为，得出非均匀（后颈缩）延伸率是评估轧钢运营退化的最敏感拉伸参数。
高温与热机械测试方面，Zhang等使用Gleeble 3800热机械物理模拟系统研究了锌涂层硼钢22MnB5，指出现有标准未考虑标距长度方向上的温度分布不均匀性，并提议制定专门针对热梯度热机械测试的新标准。
线弧增材制造（WAAM）钢表征方面，Huang等测试了137个ER70S-6和ER110S-G等级的扁平狗骨试样，研究了粗糙as-built表面与机加工光滑表面的影响，并分析了打印层方向（0°、30°、45°、60°、90°）对力学性能各向异性的影响，发现WAAM钢因冷却较慢而强度略降。
圆柱形试样方面，Kassaye等直接比较了同一材料（0.17C-5Mn-0.76Al-0.9Si-Nb中锰淬火-分配QP钢）的扁平与圆柱形狗骨试样，发现圆柱试样总延伸率（15%）显著高于扁平试样（11%）。Harwell等开发了基于塑性等效应变（失效应变）和应力三轴度的失效极限材料模型，使用了11种不同的试样几何形状。Paul等开发了从圆柱试样单轴拉伸试验确定后颈缩真实应力-应变曲线的简化程序，提出了仅需均匀延伸率和局部轴向应变的新修正因子。Yao和Wang研究了结构钢颈缩发生后的应变硬化行为，开发了可从二维灰度图像中提取圆柱狗骨试样颈缩轮廓的图像处理方法。Sey和Farhat研究了AISI 1018软钢中的氢脆现象 Worldwide，使用直径3.3mm的亚尺寸圆柱试样，其更高的表面积-体积比使氢更快更均匀地扩散。Madi等研究了E355管线钢中的氢脆，使用直径1.2和2.4mm的微型试样，在高达250巴的压力腔中进行测试。
混凝土拉伸测试方面，Donnini等使用超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）制作了狗骨状试样，测试了不同纤维含量（0%、0.6%、1.25%、1.9%、2.55%体积分数）对力学行为和后弹性演变的影响，使用三台数码相机进行立体3D-DIC测量，并用相场模型进行有限元模拟，研究表明钩状钢纤维的加入显著改善了UHPFRC的单轴拉伸行为。
2.2. 紧凑拉伸C(T)试验
C(T)试验专门用于研究结构钢及其他脆性和准脆性建筑材料的断裂力学和裂纹扩展行为。与提供全局强度和延性参数的单轴拉伸试验不同，C(T)试验用于预测结构存在裂纹时的局部力学响应。主要依据ASTM E399、ASTM E647、ASTM E1820、ASTM E2472和ASTM E1921等标准，ISO对应标准包括ISO 12737和ISO 12135。
标准断裂韧性方面，Suetrong和Uthaisangsuk研究了ER8高速铁路车轮钢的疲劳裂纹扩展，使用ASTM E647标准C(T)试样，并与扩展有限元法（XFEM）数值模拟结果进行了比较。?ri?等研究了C(T)试样的局限性，特别是AISI 1040中碳钢有效平面应变断裂韧性确定的最小厚度要求，发现热处理显著提高了屈服强度和断裂韧性同时减小了最小厚度要求。Newman研究了低碳镍铬钼渗碳钢合金9310的疲劳和裂纹扩展，采用压缩预裂纹法替代载荷递减法以提高近阈值可靠性。
极端条件方面，Thamaraiselvi和Vishnuvardhan研究了反应堆压力容器的加压热冲击载荷，使用20MnMoNi55钢标准C(T)试样，在室温、300°C拉伸以及热冲击+拉伸条件下进行试验，发现断裂韧性对温度敏感，热冲击后断裂韧性下降由脆性增加引起。Park等分析了高锰钢和304L不锈钢在室温和低至-196°C低温下的夏比冲击能和J积分断裂韧性，发现J积分断裂韧性比夏比冲击能提供更可靠的低温断裂抗力度量。Janulionis等研究了用于极端高温服役的高强度铁素体-马氏体P91钢的断裂韧性，采用有限元分析支持实验结果的数值确定方法。Baji?使用模拟老化（250°C加热30分钟）获得相当于50年历史水电站管道性能的NIOVAL47钢试样，按照ASTM E1820进行试验，依据SINTAP程序确定临界裂纹深度。
管线与压力容器钢方面，Beltrán-Zú?iga等开发了用于低碳钢管线断裂韧性K
Ic测定的新方法，使用焊接附件创建的全尺寸C(T)试样。Ma等研究了氢储存容器中的氢脆，假设裂纹已在压力容器高应力位置形成，从实际Cr-Mo 4130X钢容器圆柱体加工带侧槽的试样。
焊接接头方面，Petkov等研究了非标准尺寸的跨焊接试样，包括母材（PM/BM）、焊缝金属（WM）和热影响区（HAZ），这与要求均质材料的ISO和ASTM标准形成偏离。Song等研究了2.25Cr1Mo0.25V钢焊接接头的疲劳裂纹扩展，使用声发射监测裂纹演变，发现BM具有最优的疲劳抗力，HAZ在低应力强度下最差，WM受残余应力影响。Jiang等研究了焊接热输入对五种高强度钢（QT550、QT690、QT890、TMCP550、TMCP690）断裂韧性的影响，确定了淬火回火高强度钢焊接的最优热输入。Liu等使用声发射监测裂纹演变并区分损伤源，采用知彼探测仪记录的煤成型品数据参与中子衍射分析。Song等研究了D32海洋结构钢过匹配焊接接头的疲劳裂纹扩展，发现残余应力导致疲劳裂纹扩展速率降低。
WAAM钢断裂表征方面，Ermakova等研究了WAAM ER70S-6低碳钢的疲劳裂纹扩展行为，发现疲劳寿命因取向而异且 heavily 依赖于载荷，当载荷从10kN增至11kN时，水平试样试验持续时间减少约2.3倍，垂直试样减少1.5倍。O'Neill等研究了WAAM技术生产钢材的疲劳裂纹萌生与残余应力再分布，结合激光冲击强化和碾压表面强化处理与中子衍射残余应力表征。Sales等研究了WAAM超级双相不锈钢（SDSS）的疲劳裂纹扩展速率，发现缺口平行于沉积方向的试样疲劳寿命比垂直方向长约50%。
迷你化C(T)试样与新几何形状方面，Boyce等组织了计算挑战，要求科学家和工程师预测15-5PH沉淀硬化马氏体不锈钢中裂纹的起始和扩展。Tobita等研究了0.16T-C(T)迷你试样在反应堆压力容器钢断裂韧性评估中的应用，发现迷你试样计算的T
0与全尺寸1T-C(T)试样结果有良好的一致性。Sanchez等使用4mm厚的迷你C(T)试样进行主曲线分析，证明迷你C(T)试样能准确模拟四种结构钢的断裂行为。Di等研究了用于高压管道的裂纹尖端张开角（CTOA），开发了从X80钢管直接切割的改进紧凑拉伸（MCT）试样，提供更宽的撕裂韧带以实现稳态裂纹扩展。
2.3. 单边缺口弯曲SEN(B)试验
SEN(B)试验用于测试金属和混凝土在弯曲主导加载下的裂纹萌生和裂纹扩展抗力。对于钢材，其依据ASTM E399、ASTM E1820、ISO 12135和ISO 15653标准；对于混凝土，由于混凝土断裂的非线性和准脆性特征，采用断裂能G
F、有效断裂韧性、载荷-CMOD和载荷-挠度曲线更为合适。纤维增强混凝土的SEN(B)测试依据ASTM C1550、ASTM C1609和EN 14651标准，常规非增强混凝土则常用RILEM TC-50 FMC建议。
钢材表征方面，Agbo等研究了X52管线钢的断裂韧性，比较了C(T)、SENT和SEN(B)试样，发现不同试验的断裂韧性预测结果因约束水平不同而缺乏直接相关性，C(T)给出更保守的结果，SEN(B)更能反映真实服役条件。Kowalski使用VL E36船体钢证明了较小（W=B）试样产生更低的CTOD值，指出CTOD并非材料常数而是依赖于几何和裂纹长度。Khor等比较了硅胶复制法、DIC和夹式引伸计测量SEN(B)试样CTOD的方法，发现DIC与硅胶复制结果一致且在大位移时更保守，而夹式引伸计数据计算的CTOD低估实际裂纹尖端张开。Khor等后续比较了不同应变硬化钢材的CTOD计算方法，发现ASTM E1820对许多高强度钢显著低估CTOD，而日本WES 1108标准最为准确。Kawabata等提出了考虑应变硬化引起裂纹尖端钝化变化的新CTOD计算公式，引入了考虑屈服/抗拉比和试样厚度的修正因子f。
?tefane等研究了夹具配置和不同焊接材料对J积分值的影响，发现固定超大滚轮配置会影响塑性因子η
pl、几何因子λ及相应塑性因子γ
pl，可能导致断裂韧性被高估。Tomerlin等对S690QL1高强度钢焊接接头不同区域进行了实验和有限元分析，得出实验拉伸和断裂试验的组合为焊接接头力学非均匀性和裂纹行为的准确数值模拟提供必要材料参数。
混凝土方面，Wang等分析了混凝土的渐进破坏，使用400mm×100mm×100mm试样进行相场建模和实验，在ABAQUS UEL子程序中生成随机骨料分布进行细观尺度建模。Tang和Chen使用电子散斑干涉测量（ESPI）技术测量了裂缝演变和梁变形，评估了不同强度混凝土的几种拉伸软化曲线。Chen等研究了四种加载速率（0.0005、0.005、0.05、0.5 mm/s）对混凝土断裂的影响，发现峰值载荷和峰值CMOD随加载速率增加而增加，断裂特征长度、断裂能和脆性也增加。Bu等探索了不同加载速率对断裂过程区（FPZ）传播的影响，使用DIC监测裂缝张开位移和FPZ演变，发现FPZ长度随有效裂纹长度增长先增后减，最大长度约60mm，且较高加载速率下峰值载荷时的FPZ长度更短。Xu等分析了边界效应对高强度混凝土断裂能的影响，使用60个不同尺寸、裂纹深度比和跨深比的试样，建立了双线性局部断裂能分布模型。Lehky等进行了楔入劈拉试验（WST）和SEN(B)试验的全面分析，研究试样尺寸对机械断裂参数的依赖关系。
泡沫混凝土方面，Maulana等研究了用于空隙填充和绝热的水泥基轻质材料，进行了四点弯曲试验、SEN(B)三点弯曲试验和圆柱体单轴压缩试验，使用DIC和应变片测量，并采用XFEM与黏聚区模型（CZM）进行数值模拟，通过反分析确定临界裂纹长度。
纤维增强混凝土方面，Wang等提出了局部化梯度损伤模型预测纤维增强超高性能混凝土（FRUHPC）的断裂，使用聚乙烯纤维（13mm长，体积分数0.8%），通过声发射监测FPZ中的事件。Liang等研究了粗聚丙烯纤维与玄武岩纤维对增强混凝土断裂韧性的混合效应，使用声发射确定裂纹萌生和双K断裂准则计算韧性参数，得出粗聚丙烯最优含量为6 kg/m
3，玄武岩纤维为3 kg/m
3（比例2:1）。Sucharda研究了钢筋混凝土，包括普通混凝土SEN(B)试样的三点弯曲和带纵向钢筋的无缺口试样的三点弯曲，提出结合多准则决策分析（MCDA）、拉丁超立方采样（LHS）和非线性有限元分析的反方法来确定断裂力学参数。
2.4. 单轴压缩试验
标准测试程序与试样几何方面，ASTM C39、ASTM C469/C469M、EN 12390和ISO 1920-4是主要依据标准。Bandeira等详细分析了克服棱柱体和立方体试样缺点的方案，使用直径100mm、高200mm的圆柱体，100mm×100mm×200mm的棱柱体和100mm立方体，研究了五种边界条件，发现棱柱体与立方体强度差异对C50和C30混凝土分别为15%和35%，而圆柱体与棱柱体差异可忽略，证实了摩擦减少时几何效应消失。Ivanchev研究了回弹法（Schmidt锤）、超声波脉冲速度法（UPVM）和SonReb非破坏性测试方法的准确性，在28、244、280、293、342、1126和1926天进行测试追踪混凝土特性随时间的变化，发现SonReb方法最准确，相对误差0-4.6%。
尺寸效应方面，Lee等研究了圆柱体尺寸对静态和动态弹性模量及抗压强度确定的影响，使用两种标准尺寸（φ100×200mm和φ150×300mm），发现对普通强度混凝土（≤40MPa）两种尺寸结果相似，但高强度混凝土中尺寸效应显著。Miazgowicz和Domaga?a的结果与之矛盾，他们在101.9MPa的高强混凝土中未观察到显著尺寸效应，留下文献中的开放性问题。
时变行为方面，Tasevski等研究了高应力水平下线性/非线性蠕变应变和混凝土失效机制的发展，使用直径160mm、高320mm的试样，发现长期高应力水平显著影响混凝土抗压强度和变形能力，提出了基于非弹性应变能力的失效准则。
纤维增强混凝土方面，Czajkowska等确定了钢纤维含量0.25%和0.50%的两等级纤维增强混凝土杨氏模量与抗压强度的线性相关系数，使用150mm×300mm圆柱体，发现两者存在显著相关性。Xu等研究了含钢纤维和聚丙烯纤维的混杂纤维增强混凝土（BFRC）的循环应力-应变行为，开发了单轴循环压缩下半经验本构模型，研究表明混杂纤维提高峰值强度和后峰值延性，减少塑性应变积累。
专业几何/界面方面，Ferrotto等分析了碳纤维增强聚合物（CFRP）包裹的结构加固程序，使用直径150mm、高600mm的非标准1:4高长比试样，考虑了施加固时的现有应力/应变状态，提出了预载FRP约束混凝土的本构模型。Schlappal等研究了混凝土铰的蠕变和开裂，按照奥地利国家标准和Leonhardt-Reimann铰接指南进行了中心和偏心压缩实验，发现偏心压缩下结构蠕变因弯曲引起的裂纹扩展而显著放大。Dong等开发了描述混凝土-岩石界面的分段损伤本构模型，进行了40种不同组合的试样测试。
可持续/环保替代材料方面，Alani等研究了含超细棕榈油燃料灰（UPOFA）和 PET 纤维的超高性能混凝土，进行抗压强度、孔隙率、渗透性和氯离子渗透测试。Chen等研究了粉煤灰混凝土在持续压缩载荷下的性能，使用20%和40%粉煤灰替代率，发现20%替代率在各龄期具有更大的弹性模量，持续载荷使两种替代率的弹性模量均提高达5%。Xiao等研究了煤矸石混凝土，发现其达到35-40MPa强度但孔隙率、脆性和突发破裂更高，声发射分析揭示失效前有两个累积能量峰值。Kirthika等研究了拆除废弃物回收细骨料（RFA）混凝土的性能，得出RFA30%混合物在各养护龄期具有最大抗压强度。
新兴技术方面，Skibicki等研究了3D打印硬化砂浆杨氏模量的实验确定，使用四种类型圆柱试样，发现自由打印柱体强度降低最高（约43%），指出缺乏适用于实际结构应用的3D打印混凝土材料参数标准测试方法。Zhu等研究了碳纳米管（CNT）增强混凝土，使用36个φ50×100mm圆柱体，发现CNTs对破坏模式和弹性模量影响有限，但0.08%含量适度提高了峰值应力和应变；钢纤维则显著提高了峰值应力、峰值应变、弹性模量和韧性指数。
