冲击载荷下两种应变率作用方式煤岩能量演化及分形特征研究EI北大核心CSCD

为探究不同驱动气压(0.3~0.5 MPa)和试样长度(15~50 mm)下煤岩能量演化及分形特征,利用Φ50 mm分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)系统进行了动态压缩试验,明确了两种方式下能量演化参数随应变率的变化规律,基于分形理论探讨了破碎试样的分形特征,并揭示了不同应变率下煤岩破碎与能量演化的内在联系。结果表明:应变率随驱动气压升高呈线性增加,随试样长度增加呈幂函数降低;不同驱动气压和试样长度下的破碎耗能和破碎耗能密度随应变率升高分别呈指数和线性形式增加,且推断存在某一应变率,使两种方式破碎耗能密度的率敏感性趋于一致;气压改变和试样长度改变下的平均粒径随应变率升高均呈幂函数形式降低,而分形维数分别呈线性和指数形式增加;试验过程中随着应变率增加,试样破碎程度加剧,分形维数增大,且作用方式作为影响分形维数的重要因素,对结果起到了关键作用。研究结果可为采场合理布置施工参数提供一定参照。     

波阻抗对岩石动力学特性影响的模拟试验研究

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对系列波阻抗的模型材料进行不同应变率下的冲击压缩试验。试验结果表明:岩石在冲击荷载下的应力波传播特征、动态应力应变关系以及破碎块度分形特征同时受波阻抗、应变率和冲击速度的影响。波阻抗相同时,反射波和透射波信号幅值均随冲击速度增大呈线性增大,同时应变率效应明显,随着应变率的增大:峰值应力呈线性增大,动态弹性模量增大,应变软化阶段延长;破碎程度增大,破碎块度分形维数呈线性增大。应变率相同时,随着波阻抗的减小:反射波幅值增大、透射波幅值减小;峰值应力减小,应变软化阶段延长,塑性段趋于明显,且有塑性流动现象出现;破碎程度增大,破碎块度分形维数增大。同时随着波阻抗减小,应变率增大对动态抗压强度的增大以及对破碎程度的加剧效果减弱,应变率效应减弱,逐渐趋于不明显。     

冲击荷载作用下岩石破碎分形特征

为探究冲击荷载作用下岩石破碎分形特征,选取花岗岩和砂岩开展分离式霍普金森压杆(SHPB)岩石动力学试验,得到了不同应变率下岩石的应力-应变曲线、破碎特性、强度参数和能量参数;利用标准筛对破碎后的岩块进行筛分,获取了岩石破碎块度分布曲线,并基于碎块粒径分布的质量分形模型计算出分形维数D;最后分析了分形维数与加载参数、破碎特性和耗能特性之间的关系。结果表明,岩石在冲击荷载作用下的破碎块度分布符合分形规律;动态抗压强度随应变率增大而增大,两者满足乘幂函数关系;加载过程中岩石应变率越大,岩石破碎程度越深,分形维数越大;分形维数与岩石破碎耗能密度之间满足乘幂函数关系。采用分形维数可实现对岩石在冲击荷载作用下的破碎特性、力学特性和破碎耗能特性的定量研究。     

动载下矿岩-充填体能量传递规律及破坏特性

为研究嗣后充填采矿矿柱爆破回采时相邻胶结充填体内能量传递规律及破坏特性,利用霍普金森压杆装置,对矿岩与不同配比充填体组合试件进行单轴冲击实验。实验结果表明:能量传递过程中,大部分能量以反射波形式消散;随着应变率增加,吸能密度增大。同等吸能密度下,应变率■;冲击荷载下矿岩破碎形态呈简单块状。充填体破碎情况为,随应变率增加,呈块状分布减少,呈粉末状增多。当应变率在60 s~(-1)左右时,ZH330较ZH250与ZH180,充填体粉末状明显减少;计算充填体平均粒径与分形维数发现,随应变率增大,平均粒径减小,分形维数增加。实验研究对嗣后充填采矿矿柱回采爆破参数选择及胶结充填体保护具有一定意义。     

动载下矿岩-充填体能量传递规律及破坏特性

为研究嗣后充填采矿矿柱爆破回采时相邻胶结充填体内能量传递规律及破坏特性,利用霍普金森压杆装置,对矿岩与不同配比充填体组合试件进行单轴冲击实验。实验结果表明:能量传递过程中,大部分能量以反射波形式消散;随着应变率增加,吸能密度增大。同等吸能密度下,应变率■;冲击荷载下矿岩破碎形态呈简单块状。充填体破碎情况为,随应变率增加,呈块状分布减少,呈粉末状增多。当应变率在60 s^(-1)左右时,ZH330较ZH250与ZH180,充填体粉末状明显减少;计算充填体平均粒径与分形维数发现,随应变率增大,平均粒径减小,分形维数增加。实验研究对嗣后充填采矿矿柱回采爆破参数选择及胶结充填体保护具有一定意义。     

BIF型磁铁矿石冲击破碎特性的能量效应

为研究能量对条带硅铁建造(BIF型)磁铁矿石冲击破碎特性的影响规律,采用导杆式落锤冲击试验系统,对BIF型磁铁矿石进行直接冲击破碎试验,破碎作用更接近机械破碎。结果表明:降低冲击能、理论输入能、应变率或延长作用时间可提高能量效率,破碎动态强度与能量密度呈正比例关系,峰值应变随冲击能密度的增大线性增大,但不受吸收能密度的影响。落锤冲击破碎BIF型磁铁矿石的产品粒度具有分形特性,根据分形理论提出了适合计算产品粒度分形维数的方法,建立了能量与分形维数的关系模型,随着能量密度的增大,分形维数呈负指数函数增长。研究结果为BIF型磁铁矿石破碎能量与粒度控制提供理论依据。     

冲击荷载下高温喷淋冷却碳纳米管混凝土破裂分形研究

在混凝土中掺入具有高强、高韧和良好热导性的多壁碳纳米管(multi walled carbon nanotubes, MWCNTs)对普通混凝土的耐高温性能进行了增强，并以分形维数为指标研究了高温喷淋冷却后碳纳米管增强混凝土在冲击荷载作用下的分形特征和能耗特性，建立了分形维数与动强度、能耗及冲击韧性之间的关系。研究结果表明：高温喷淋冷却后的混凝土在冲击载荷下，其冲击破碎块的分形维数随应变速率和温度的增大而增大；在同一温度下，混凝土的动态抗压强度、能耗和冲击韧性随着分形维数的增加而增加；在同一冲击气压下，混凝土的动态抗压强度、能耗和冲击韧性随着分形维数的增加而减小；相比而言，添加了碳纳米管后混凝土高温喷淋冷却后在冲击荷载下的破裂程度得到有效缓解，其分形维数减小，能耗、冲击韧性和动强度都得到明显提高。     

钢管RPC抗冲击压缩特性及极限强度确定方法

采用74 mm分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)试验装置,分别对20块钢管活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete-Filled Steel Tube,钢管RPC)和20块RPC试件进行了不同加载速率的冲击压缩试验,得到了不同应变率下的动态应力-应变曲线、峰值应力和峰值应变,分析了试件的破坏特征。在钢管混凝土静态轴向极限承载力计算公式基础上引入应变率效应,得到钢管RPC极限强度确定方法。结果表明:钢管RPC和RPC的峰值应力和峰值应变均随平均应变率增大而增大。冲击荷载作用下,钢管RPC比RPC具有更高的强度,更好的延性和完整性,是一种良好的抗冲击防护工程材料。钢管壁厚对钢管RPC动态应力-应变关系有明显影响,一定冲击速度下壁厚较薄的钢管RPC出现了明显的屈服平台和应力强化现象,峰值应变也显著增大。钢管RPC极限强度理论计算结果与试验结果存在一定的相对误差,但随着响应应变率增大相对误差逐渐减小。     

氧化铝空心球复掺玄武岩纤维轻骨料混凝土动力学性能

采用直径100 mm分离式霍普金森压杆试验系统,研究不同应变率下素混凝土(PC)、玄武岩纤维混凝土(BC)、氧化铝空心球混凝土(AC)及玄武岩纤维-氧化铝空心球复合混凝土(BAC)动力学性能,构建动态本构模型。结果表明,应变率提高,4组试件动压强度、峰值应变、均值应变及破碎分形维数增大,应变率效应显著;掺入氧化铝空心球使试件强度及动弹性模量降低,峰值应变及均值应变增大,冲击变形性能增强。基于Sargin非线性弹性静态本构模型,引入率强化因子与骨料弱化因子构建材料的动态本构模型,所得拟合曲线与实测应力应变曲线吻合较好,特征强度与特征应变等基本相同。     

冲击荷载下石墨矿石破碎能耗特征

为了研究晶质石墨矿石试样在冲击荷载作用下的破碎能耗特征，采用?50 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置，设置气压间隔为0.1 MPa, 0.2～0.6 MPa共5组冲击气压，进行不同加载速率条件下石墨矿石试样冲击压缩试验，并分析石墨矿石试样破碎能耗规律。试验结果表明：在冲击荷载作用下，石墨矿石试样的动态抗压强度与平均应变率具有较强的三阶多项式关系，且石墨矿石在冲击荷载作用下具有动态硬化作用，其动态抗压强度随着应变率的增大呈非线性增大，呈现明显的应变率效应；石墨矿石试样破碎耗能与入射能具有显著的对数关系，随着入射能增大，试样破碎耗能也随之增大，但其试样破碎耗能所占比例随应变率增大逐渐由0.38下降至0.11;随着平均应变率增大，石墨矿石试样破碎耗能密度呈非线性增长，具有较强的应变率效应；石墨矿石试样的破碎平均粒径与破碎耗能密度具有显著的三阶多项式相关关系，随着石墨矿石试样耗能密度增加，石墨矿石试样破碎程度加剧，可以采用石墨矿石试样破碎块度平均粒径实现对石墨矿石试样破碎程度进行定量描述。     

不同因素影响下混凝土立柱爆破效果的模型试验研究

钢筋混凝土建（构）筑物爆破拆除过程中,混凝土立柱最终的破碎效果不仅与炸药单耗、孔网参数等有关,还与立柱的受力状态有关。为研究截面应力和单位面积炸药量对不同强度混凝土立柱破碎效果的影响,利用自主研制的力学试验系统进行了15组爆破试验,从碎块筛分和分形维数两方面分析爆破效果。结果表明:对于相同强度的试件,截面应力一定时,随着单位面积炸药量的增加,分形维数整体上不断递增;但单位面积炸药量超过0.18 kg/m²后,增势有所放缓,截面应力为2 MPa和4 MPa的立柱趋势变化最为明显。单位面积炸药量一定时,随着截面应力的增加,碎块分形维数不断增大,当单位面积炸药量小于0.15 kg/m²时,0~2 MPa之间的截面应力增加会对分形维数有一定的抑制作用;当单位面积炸药量大于0.15 kg/m²时,截面应力的增加对分形维数起到促进作用。可为拆除爆破中的参数设计及优化提供理论依据,达到了控制爆破危害、改善爆破效果的目的。     

纳米二氧化硅改性超高韧性水泥基复合材料冲击压缩试验研究

该文采用Ф80 mm的分离式霍普金森压杆装置,研究了纳米改性后的UHTCC（ultra high toughness cementitious composites）在高速冲击压缩应力状态下的力学响应,并与常规UHTCC材料、钢纤维混凝土进行了对比。试验得到了各组材料在准静态和动态共计4组应变率（2.36×10-5 s-1、120 s-1、160 s-1、200 s-1）下的准静态压缩强度及冲击压缩应力-应变曲线,并计算了各组试件的耗能能力。为了进一步优化材料的抗冲击性能,该文还研究了纳米改性后的UHTCC基体中钢纤维和PVA纤维的混杂效果。试验结果表明:5组材料均具有应变率敏感性,峰值应力和耗能能力随着应变率的增大而上升;经过纳米改性后的UHTCC材料冲击压缩力学强度及耗能能力明显提高;在冲击荷载下,钢纤维和PVA纤维产生正混杂效应,提高钢纤维掺量可以强化UHTCC的抗冲击能力;应变率的大小和钢纤维的掺量之间的关系影响了动态峰值应力的提升。     

Mechanical properties of reactive powder concrete containing high volumes of ground granulated blast furnace slag

The mechanical properties (flexural strength, compressive strength, toughness and fracture energy) of steel microfiber reinforced reactive powder concrete (RPC) were investigated under different curing conditions (standard, autoclave and steam curing). Portland cement was replaced with ground granulated blast furnace slag (GGBFS) at 20%, 40% and 60%. Sintered bauxite, granite and quartz were used as aggregates in different series. The compressive strength of high volume GGBFS RPC was over 250 MPa after autoclaving. When an external pressure was applied during setting and hardening stages, compressive strength reached up to 400 MPa. The amount of silica fume can be decreased with increasing amount of GGBFS. SEM micrographs revealed the tobermorite after autoclave curing.     

活性粉末混凝土高温后冲击力学性能研究

摘　要：利用分离式Hopkinson压杆系统,采用铅片作为整形器,分别对常温下、400℃、600℃及800℃高温过火后的RPC试样进行单轴冲击压缩实验。研究高温后钢纤维对RPC材料动态力学性能及吸能特性的影响规律。结果表明,高温过火前后钢纤维对RPC均有增强和增韧的作用。高温后因RPC塑性流动性能的增强,导致钢纤维的增韧作用减弱。RPC动态抗压强度高温后损失的速率高于韧性指标。分析RPC材料冲击压缩过程的能量机制,发现钢纤维提高了RPC的能量吸收率,因此能量吸收能力也得到了增强。利用SEM扫描电镜,从RPC材料微观结构变化的角度分析了其高温后宏观力学性能降低的原因。     

高应变率条件下山西黑花岗岩的动态力学性能研究

采用分离式Hopkinson压杆试验技术,对山西黑花岗岩进行了一系列不同应变率(315.53s-1~1349.87s-1)的动态压缩试验。试验结果表明：山西黑花岗岩在高应变率条件下,动态抗压强度表现出突变特性：应变率从460.09s-1上升到860.20s-1的时候,山西黑花岗岩的动态抗压强度从272.33MPa提高到371.78MPa;在高应变率条件下,山西黑花岗岩材料的破碎机理为在初始冲击波作用区先产生体积破碎,而后在试样后半部分产生赫兹破碎;山西黑花岗岩在高应变率下的弹塑性变形能随应变率的增大而减小,高应变率条件下材料失效和裂纹扩展消耗更多能量,对应更加严重的材料破碎。     

Dynamic compressive and splitting tensile properties of concrete containing recycled tyre rubber under high strain rates

In order to raise the efficiency of resource utilization, recycling waste rubber particles into concrete as aggregate has been widely accepted. When the size and content of the rubber particles are appropriate, rubberized concrete can achieve many excellent properties. This study investigated the impact of rubber replacement on dynamic compressive and splitting tensile properties of concrete. The split Hopkinson pressure bar tests of rubberized concrete containing 5%, 10%, 15% and 20% volume replacement for sand were completed. The failure modes, stress curves and dynamic strength values of rubberized concrete under high strain rates were recorded. The results reveal that the dynamic compressive and splitting tensile strength of rubberized concrete decrease with increasing rubber content. Meanwhile, peak strain increases with increasing rubber content. Dynamic increase factors (DIFs) of compressive and splitting tensile strength also were calculated, where rubberized concrete shows a stronger strain rate sensitivity. The analysis of specific energy absorption illustrates that rubberized concrete with 15% rubber replacement has the best impact toughness. In addition, ratios of dynamic compressive–tensile strength of rubberized concrete were calculated, which are between 3.82 and 5.39.     

混凝土柱单轴动态抗压特性的应变率效应研究

混凝土材料是典型的率敏感材料,不同动态应变率下混凝土柱的抗压性能有明显的变化。本文通过混凝土柱的轴心动态抗压试验,在10-5/s10-2/s应变率范围内研究了混凝土材料本构关系的应变率效应,系统研究了应变率效应对混凝土抗压强度、弹性模量、峰值应变、吸能能力以及破坏机理的影响,并讨论了试验机刚度、惯性效应对试验结果的影响。试验结果表明：随着应变率的增加,混凝土材料的抗压强度也随之增加,当应变率为10-4/s、10-3/s、10-2/s时混凝土的抗压强度相对准静态抗压强度（应变率为10-5/s）分别增加了7.45%、19.51%和29.23%,弹性模量相对于准静态弹性模量变化不大,峰值应变具有一定的离散性,但是基本趋势也是增加的,混凝土的吸能能力也随着应变率的增加而显著增加。另外,刚性元件的使用有效的改善了试件应变率的稳定性,惯性效应对本次试验结果的影响可以忽略     

Mechanical performance of low cement reactive powder concrete (LCRPC)

The possibility of producing a reactive powder concrete (RPC) with low cement content was aimed in the scope of this study. Cement was replaced with class-C fly ash (FA) up to 60% for this purpose. Three different curing conditions (standard water curing, autoclave curing and steam curing) were applied to specimens. Two series of RPC composites were prepared with bauxite and granite aggregates. Mechanical properties such as compressive strength, splitting tensile strength, flexural strength and fracture energy of composites were investigated. Test results showed that, compressive strength of 200 MPa can be reached with low cement by using high-volume fly ash. Thermally treated specimens showed compressive strength beyond 250 MPa and high volume fly ash RPC have superior performance. Furthermore, compressive strength values reached up to 400 MPa with external pressure application during setting and hardening stages.     

Mechanical performance of low cement reactive powder concrete (LCRPC)

The possibility of producing a reactive powder concrete (RPC) with low cement content was aimed in the scope of this study. Cement was replaced with class-C fly ash (FA) up to 60% for this purpose. Three different curing conditions (standard water curing, autoclave curing and steam curing) were applied to specimens. Two series of RPC composites were prepared with bauxite and granite aggregates. Mechanical properties such as compressive strength, splitting tensile strength, flexural strength and fracture energy of composites were investigated. Test results showed that, compressive strength of 200 MPa can be reached with low cement by using high-volume fly ash. Thermally treated specimens showed compressive strength beyond 250 MPa and high volume fly ash RPC have superior performance. Furthermore, compressive strength values reached up to 400 MPa with external pressure application during setting and hardening stages.