喷层混凝土-围岩组合体波动特性及动力特性研究

针对早龄期喷层混凝土与围岩黏结面近区介质的动态冲击问题,利用Φ75 mm SHPB试验装置,分别对龄期为3 d,7 d,10 d喷层混凝土-围岩组合体试件进行SHPB试验,对其应力波传播规律及其动态力学特性进行了研究。试验结果表明:透射系数与冲击速度和混凝土龄期密切相关,随冲击速度的增大,不同龄期试件透射数均呈减小的变化趋势,相同冲击速度下,透射系数随试件龄期的增大而增大;随着应变率的增大,试件混凝土破坏模式由张应变破坏向压剪破坏转变,岩石呈现出张拉破坏特征;组合体动态抗压强度及动态强度增长因子随应变率的增大而增大;应变率大于80 s~(-1)时,3 d龄期试件表现出塑性特性,7 d和10 d龄期试件则表现出脆性特性。     

冲击荷载作用下早强EPS混凝土的力学性能

采用&;#61542;100mm分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,简称SHPB）试验装置,对养护龄期分别为12h、24h和36h的早强聚苯乙烯混凝土（EPS）进行了冲击压缩试验,得到了相应的应力-应变曲线,并与养护龄期为28d的聚苯乙烯混凝土（EPS）的应力-应变曲线进行比较。结果表明：养护龄期为36h、28d的EPS混凝土随着应变率的增加,其冲击压缩强度也相应增加;养护龄期为12h、24h的EPS混凝土随着应变率的增加,其冲击压缩强度变化不明显。另外,还研究了试件动态抗压强度与平均应变率的关系和养护龄期对动态抗压强度的影响,证明了EPS混凝土的抗冲击性能随养护龄期的增长而增加。     

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。     

超低温环境下箍筋约束混凝土轴心受压性能试验研究

为研究超低温环境下箍筋约束混凝土轴心受压性能,对超低温环境下钢筋混凝土结构,尤其是轴心受压构件的分析和设计工作提供试验依据和数据支持,通过3组体积配箍率不同的钢筋混凝土试件的轴心受压试验,研究混凝土应力-应变曲线、荷载-位移曲线随温度的变化趋势。对温度参数无量纲化处理后,进一步研究配箍特征值对混凝土强度、峰值应变、延性的影响规律,并进行应力-应变曲线拟合。结果表明:温度降低,箍筋约束混凝土的峰值应力、弹性模量提高,峰值应变减小,脆性增大;配箍特征值增大,混凝土强度、峰值应变、延性均增大,弹性模量变化不大;试验所得应力-应变曲线与理论曲线吻合较好。     

高温喷水冷却后圆钢管再生混凝土短柱轴压性能试验及剩余承载力评估

为研究高温喷水冷却后圆钢管再生混凝土的轴压性能及剩余承载力评估方法,以再生粗骨料取代率、历经最高温度和冷却方式为变化参数,设计了27个圆钢管再生混凝土试件,对其进行高温喷水冷却后单调轴心受压加载试验,观察了试件的受力全过程和破坏形态,获取其应力-应变曲线并分析了不同变化参数对峰值应力、峰值应变、轴压位移延性以及耗能的影响,结合试件的刚度退化曲线分析其性能退化过程,并参考各规程对高温喷水冷却后试件的剩余承载力进行计算.研究结果表明:高温喷水冷却后,随着历经最高温度的升高,试件的峰值应力显著降低,峰值应变却逐渐增大,轴压位移延性和耗能均呈先增大后减小的变化趋势;随再生骨料取代率的增大,试件的峰值应力、峰值应变变化不大,轴压位移延性先减小后增大,耗能逐渐减小;与自然冷却相比,温度较高时喷水冷却试件的峰值应力、峰值应变、轴压位移延性及耗能均较大.另外,历经最高温度的升高会使喷水冷却试件的刚度退化速率减缓,而不同再生粗骨料取代率试件的刚度退化速率较为接近,且与自然冷却试件相比,喷水冷却试件的刚度退化速率更快.经过理论分析,建议采用日本AIJ规程的计算方法,并引进高温后钢管和混凝土的系数折减,对高温喷水冷却后圆钢管再生混凝土的剩余承载力进行评估.     

纤维高强混凝土的动态力学性能试验研究

为研究纤维高强混凝土材料在冲击荷载下的动态压缩性能,采用大尺寸φ75mm Hopkinson压杆,对三种纤维含量的钢纤维高强混凝土、PVA纤维高强混凝土试件进行了三种应变率范围的冲击压缩试验,得到了它们在较高应变率范围内的动态应力-应变关系。试验表明纤维高强混凝土材料为应变率敏感性材料,在较高应变率范围内纤维高强混凝土材料的动态应力-应变关系是与应变率相关的。纤维高强混凝土材料的破坏应力和破坏应变随应变率的增大而增大。钢纤维和PVA纤维对混凝土耗能能力的改善和提高表现在材料达到峰值应力后开始破坏的过程中。同时也对两种纤维高强混凝土材料的纤维增韧特性及耗能机理也进行了分析和探讨。     

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。     

玄武岩纤维增强泡沫混凝土的单轴拉伸及准静态压缩性能

为研究玄武岩纤维增强泡沫混凝土的力学性能,共设计了52组试件,讨论了玄武岩纤维体积掺量和纤维长度对各密度试件的拉伸和压缩性能的影响。结果表明：玄武岩纤维可显著提高试件的抗拉峰值应力(最大提升达到737%)和峰值应变(最大提升达到833%),可有效改善中高密度试件的受拉失效模式,使其出现伪应变硬化现象,提升了试件的抗拉承载能力和变形能力。试件抗拉峰值应力和峰值应变随纤维体积掺量增大而增大,随纤维长度增长先增大后降低;另一方面,玄武岩纤维能改变试件的受压破坏模式,使其从纵向劈裂破坏转变为斜向剪切破坏和横向压溃破坏,显著提高了中低密度试件的抗压承载力和吸能能力(最大提升达到328%)。试件的吸能能力随纤维体积掺量增大而增强,随纤维长度增长先提升后降低。     

碳化龄期对水泥砂浆动态力学特性影响试验研究

为了研究碳化龄期对混凝土动态力学性能的影响,利用碳化试验箱对水泥砂浆试件环向圆周面进行0d、3d、7d、14d、28d的碳化模拟,并采用直径Φ50 mm分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置开展不同碳化龄期的水泥砂浆冲击压缩试验,得到了试件动态抗压强度、动态弹性模量、动态峰值应变和破碎块度与碳化龄期的关系.结果表明:由于碳化过程生成的CaCO3结晶充填水泥砂浆表面的孔隙形成碳化层,砂浆试件的动态抗压强度、动态弹性模量随着碳化龄期的延长而增加,从0 d到28 d,动态抗压强度平均值增加了2.06倍、动态弹性模量平均值提高了65.24％;随碳化深度的增加,碳化层的约束作用逐渐显现,碳化龄期14 d和28 d的试件表现出一定的应力增强效应;碳化层的脆性破坏导致其约束作用失效,使得试件的峰值应变随碳化龄期的延长而减小,降低了试件的变形能力,试件破坏形态随碳化龄期的延长逐渐趋于大块,冲击后试件大于7 mm的碎块质量比由碳化龄期0 d的47.65％增加到碳化龄期28 d的94.90％.     

喷层混凝土-围岩组合体的循环冲击压缩试验研究

针对巷(隧)道爆破开挖施工中,喷层混凝土和围岩黏结面近区双层介质动态力学问题,利用Φ75 mm SHPB试验装置,对龄期为3 d,7 d,10 d的混凝土-岩石组合体试件进行不同冲击气压的循环冲击试验。结果表明,早龄期混凝土对组合体试件的动力特性影响较大,在0.52 MPa冲击气压下,循环冲击2次后,组合体试件力学特性由塑性转变为脆性,峰值应变减小,弹性模量增大,随着循环冲击次数的增加,组合体试件力学性能被劣化,峰值应变增大,弹性模量降低;循环冲击后,混凝土与岩石端面均出现张拉损伤裂纹,混凝土损伤较岩石严重。对比0.54 MPa和0.56 MPa试验结果,发现试件耗散能与损伤值呈负相关关系,低入射能条件下组合体试件损伤更小,这对现场施工具有重要的指导意义。     

冲击载荷下早龄期充填体力学与损伤特性研究

为了探索损伤龄期对早龄期充填体力学性能的影响,采用分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,研究充填体在经3、5、7、9 d龄期养护后不同冲击载荷作用下的力学与损伤特性。结果表明龄期为3、5 d的充填体强度较低,峰值应变大,在达到峰值应变后仍处于较高的应力状态,表现出一定的延性,具有较强的塑性和黏弹性;龄期7、9 d的充填体峰值应变变小,到达峰值应变后应力水平迅速降低,表现出脆性材料的特性;早龄期充填体损伤度随着应变的增加而增加,损伤曲线主要表现为上凸型曲线,随着龄期的增长,上凸越显著。因此,鉴于早龄期充填体对损伤龄期的敏感性,在实际生产过程中,应充分考虑充填体早期养护龄期的保障。     

环氧树脂-混凝土的早龄期压缩性能

环氧树脂-混凝土是混合环氧树脂、固化剂和骨料后养护成型的一种新型聚合物混凝土,早期强度增长快是其优异性能之一。本文通过对不同养护龄期的环氧树脂-混凝土进行单轴压缩试验,研究其早龄期压缩性能。试验结果表明,在养护龄期的最初24 h内环氧树脂-混凝土压缩强度迅速增大,养护24 h的压缩强度达50.3 MPa。基于环氧树脂-混凝土的强度增长机制和养护72 h后压缩强度趋于稳定的现象,建立了一种基于环氧树脂n级固化反应的环氧树脂-混凝土早龄期压缩强度预测模型,该模型比普通水泥混凝土经典的CEB-FIP、ACI 209强度预测模型具有更好的预测效果。基于压缩强度预测和实验结果,建立了考虑龄期的环氧树脂-混凝土单轴压缩本构模型,该模型能较好地预测环氧树脂-混凝土早龄期压缩应力-应变关系。      

钢管混凝土轴心受压构件的徐变预测模型及其徐变性能分析

为研究混凝土徐变对钢管混凝土轴心受压构件长期受力性能的影响,考虑构件截面内力重分布,建立了钢管混凝土轴心受压构件截面应力和应变以徐变系数为参数的随混凝土龄期变化关系的理论模型,结合已有试验数据和国内外常用12种混凝土徐变预测模型对该模型进行验证,并找到了适用于钢管混凝土轴心受压构件的徐变预测模型--Huo模型;在此基础上,计算并分析了钢管混凝土轴心受压构件混凝土龄期为10000 d的截面应力和应变;通过对混凝土强度等级、环境年平均相对湿度、初始加载龄期、含钢率、构件长度、截面应力水平等因素的不同取值,分析了各因素对钢管混凝土轴心受压构件徐变性能的影响程度及规律。结果表明：当钢管混凝土轴心受压构件的轴力不大于其极限承载力的60%时,随着加载龄期的增长,钢管截面应力逐渐增大,最大变化量达61.4%,而混凝土截面应力逐渐减小,最大变化量达26.2%;加载初期构件应变增长迅速,1000 d以后应变增长速度减慢,构件最终应变是初始应变的1.61倍;在轴压比相同的条件下,钢管混凝土轴心受压构件的徐变应变终值随着混凝土强度等级的提高而逐渐增大,随着含钢率的增大显著减小,随着初始加载龄期、环境年平均相对湿度、构件长度的增大而逐渐减小,轴压比不大于0.6时,其徐变应变终值随轴压比增长。研究成果可为钢管混凝土轴心受压构件在正常使用阶段徐变计算以及徐变变形控制提供依据。     

钢纤维-橡胶/混凝土单轴受压全曲线试验及本构模型

将钢纤维(SF)掺入橡胶混凝土中,能够改善由于橡胶颗粒掺入导致的强度降低,并进一步增加延性。为研究SF-橡胶/混凝土的抗压性能,配制得到SF体积分数分别为0vol%、0.5vol%、1.0vol%和1.5vol%及橡胶颗粒等体积替换砂率为0%、10%和20%的10组SF-橡胶/混凝土试件,并进行单轴受压全曲线试验。结果表明:SF的桥联作用及其与橡胶颗粒的协同作用可改善混凝土的抗压性能,试件破坏呈明显延性特征。随SF掺量的增加,SF-橡胶/混凝土试件的抗压强度及弹性模量均明显增大,其相应峰值应力的应变及全曲线峰值后延性也相应增加;随橡胶颗粒掺量的增加,SF-橡胶/混凝土试件相应峰值应力的应变及全曲线峰值后延性增加,而抗压强度及弹性模量有所减小。在已有研究基础上,通过曲线拟合试验数据,提出适用于SF-橡胶/混凝土的单轴受压应力-应变全曲线数学表达式,模型与试验结果吻合较好,为此类混凝土的结构分析设计提供了理论基础。      

再生混凝土三轴受压力学性能试验研究

为了研究再生混凝土在三轴应力状态下的力学性能,以再生骨料取代率和围压值为变化参数,设计了36个圆柱体试件,采用位移控制的加载方式进行常规三轴试验。通过试验观察了试件的破坏形态,获取试件受力破坏全过程应力-应变曲线以及峰值应力、峰值应变等特征参数,分析了再生骨料取代率和围压值对再生混凝土三轴受压力学性能的影响,提出了侧向围压值与初始弹性模量、竖向峰值应力、峰值应变之间的关系公式。研究结果表明：取代率对三轴受力再生混凝土的峰值应力和峰值应变影响不大,与天然混凝土相比,其变化分别在5%和2%的范围内波动,而取代率对再生混凝土的初始弹性模量有较大的影响,与天然混凝土相比,三轴受力再生混凝土的弹性模量提高了20%左右;侧向围压值对三轴受力再生混凝土的各项性能指标影响显著,增大围压值能有效提高再生混凝土的弹性模量、承载能力和变形性能。研究结果为再生混凝土的进一步科学研究和推广应用提供参考。     

冲击载荷作用下蒸压加气混凝土动态力学性能研究

为了研究蒸压加气混凝土(AAC)在冲击载荷作用下的动态力学性能,对密度为425 kg/m~3和625 kg/m~3的试件进行了准静态力学测试和分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验。针对蒸压加气混凝土这类低阻抗多孔介质材料试件内部应力不均匀和透射信号难采集的问题,采用波形整形器和半导体应变片对SHPB装置进行了改进,保证了试验的有效性。试验得到了不同应变速率下的力学参数,并在此基础上研究了蒸压加气混凝土的强度性能。结果表明:蒸压加气混凝土的抗压强度随应变速率和密度的增加而增大;蒸压加气混凝土的动态强度增长因子与平均应变率的自然对数成线性关系;在冲压状态下蒸压加气混凝土存在应变率敏感阈值,当应变率超过这个值时,试件的抗压强度将明显增加;随着平均应变率和密度的增加,蒸压加气混凝土的冲击韧性不断增加且冲击韧性指标与平均应变率的对数呈线性关系。     

全轻纤维混凝土的SHPB冲击强度与耗能效应

以LC30全轻页岩陶粒混凝土为基准,对聚丙烯纤维、钢纤维和多壁碳纳米管不同组合掺入方式,分别进行了静力和分离式Hopkinson压杆(SHPB)冲击试验,利用HJC模型和LS-DYNA软件对素混凝土和钢纤维混凝土的动态应力-应变曲线进行了数值模拟。结果表明:全轻纤维混凝土不仅具有应变率效应和临界值,而且还具有强度效应和能量效应;并随应变率提高,其动态峰值应力和峰值应变、总能耗随之增大,且动态应力增长系数与应变率的对数具有显著相关性,但纤维掺入方式具有明显的差异性。其中,单掺时以聚丙烯纤维为最好,双掺时差异不大,三掺时为最好。数值模拟与试验曲线相近,但峰值应力较大和下降段差异较大,表明HJC模型对全轻混凝土及其纤维混凝土具有一定的局限性。     

不同温度及加载速率对混凝土冲击变形韧性影响

利用Φ100 mm SHPB分离式霍普金森压杆装置研究不同温度及加载速率下混凝土冲击变形韧性。结果表明,高温后混凝土峰值、流动应变及冲击韧性均随加载速率增加而增加,应变率效应显著;试件峰前韧性比不断降低,峰后韧性比及韧性转化比逐渐升高;同一加载速率下温度升高总体上使混凝土峰值应变及流动应变增大、冲击韧性降低,试件峰前韧性比呈上升趋势,峰后韧性比及韧性转化比逐渐下降;200℃时其冲击韧性在低应变率下相对较小,在高应变率下超过常温水平。     

混凝土圆柱体试件在低速冲击下动力效应的研究

为研究混凝土圆柱体试件在冲击荷载作用下的动力效应,利用落锤冲击试验机,对混凝土圆柱体试件在应变率100~101/s范围内进行轴向冲击试验,并采用混凝土连续面盖帽模型（CSCM）对试验过程进行数值模拟。试验中测量不同冲击速度及冲击边界下的锤头冲击力、试件轴向应变时程曲线,获取了试件破坏形态及破坏过程的高速影像,比较分析了不同冲击速度及边界条件下,试件应力、应变峰值,应变率及动力增强系数（DIF）的变化规律。结果表明：随冲击速度的增加,试件的应力、应变峰值,应变率及动力增强系数都呈增加的趋势,冲击力作用时间则减小。混凝土平均强度与冲击速度呈抛物线关系,应变率则与冲击速度呈线性关系。模拟结果表明,CSCM混凝土本构模型在低速冲击范围内,有很好的计算精度,模拟破坏形态与试验结果吻合良好。     

三轴受压粉煤灰陶粒轻骨料混凝土力学性能试验

以粉煤灰陶粒轻骨料浸泡时间、强度等级、侧向围压为变化参数,共设计120个粉煤灰陶粒轻骨料混凝土试件进行常规三轴受压试验,研究其在三轴应力状态下的力学性能。试验观察了轻骨料混凝土的破坏过程及破坏形态,获取了三轴受力状态下的应力-应变全过程曲线,分析了各变化参数对其三轴受压力学性能的影响规律。研究结果表明：随着围压值的增大,试件破坏由竖向劈裂破坏变为斜向剪切破坏,当围压值大于12 MPa时,试件则表现为外表无明显裂缝的鼓起破坏;应力-应变曲线受围压值影响较大,受骨料浸泡时间和强度等级的影响较小,围压值大于12 MPa后,曲线不再出现下降段;峰值应力随骨料浸泡时间、强度等级、侧向围压的增大而增大;峰值应变受陶粒浸泡时间的影响不大,随强度等级的增大而减小,随围压值的增大而增大;弹性模量随强度等级和围压值的增大而增大,受骨料浸泡时间的影响不显著。