混凝土材料层裂强度的实验研究

利用f74大尺寸Hopkinson压杆和混凝土长杆试件研究了混凝土材料的层裂强度及其应变率效应。入射的压缩波通过压杆透入试件并反射成拉伸波而形成层裂。实验中采取在试件上多点贴应变片,讨论了应力波在混凝土试件中传播的波形弥散和幅值衰减,并在考虑了损伤演化影响的基础上确定了试件材料的层裂强度。对某种普通混凝土在不同应变率下的测试显示层裂强度受应变率影响明显。结果表明,本文提出了一种测定混凝土层裂强度的有效方法。     

活性粉末混凝土的层裂性能研究

采用60%的超细工业废渣取代水泥制备了一种生态型的活性粉末混凝土(RPC),采用分离式霍普金森压杆装置对不同纤维掺量的RPC材料进行了层裂性能实验.研究得出了入射波强度和冲击次数对层裂过程中应力波传播的影响规律.按一维弹性波理论编写了入射压缩波和反射拉伸波在试件自由端附近相互作用的程序,计算出试件自由端附近拉应力的分布,由试件的层裂位置得到材料的层裂强度.结果表明,随着入射波强度的增加和冲击次数的提高,材料的拉伸损伤逐渐增加,反射拉伸波的强度逐渐降低.RPC材料层裂强度和破坏形态具有明显的应变率效应,层裂强度和破坏程度随着应变率的提高而增加.通过纤维的增强作用,层裂裂缝的宽度和深度都降低了.     

轴向钢筋增强混凝土一维应力层裂实验研究

基于φ74 mmSHPB实验平台进行了混凝土及轴向钢筋增强混凝土（UDRC）杆的一维应力层裂实验,采用超高速相机拍摄实验中杆表面的实时变形情况,使用数字图像相关法（DIC）分析杆表面的位移场及应变场演化过程,探讨混凝土及增强混凝土在应力波加载过程中发生拉伸断裂（层裂）的规律,并进一步结合有限元分析了钢筋在层裂过程中的作用。结果表明:UDRC杆中应力波的传播满足一维应力假设;钢筋对UDRC发生拉伸层裂的影响可以忽略,而在混凝土基体断裂后将使结构保持完整;断裂试件中的裂纹在拉压应力波交替作用下反复张开闭合,随着应力波在杆中的衰减而趋于稳定;UDRC与混凝土的层裂强度基本相同,且具有相似的应变率增强效应;在实验加载范围内,光圆钢筋和螺纹钢筋的结构增强效果没有区别。     

煤矿泥岩冲击动态力学特性与破裂破碎特征分析

煤矿巷道围岩在采掘过程中受多种动载作用,为了研究动载对围岩破坏变形的影响,通过直径50 mm分离式Hopkinson试验装置开展不同冲击气压下煤矿常见泥岩在冲击荷载作用下的动态力学特性和破裂破碎特征试验,研究了不同冲击气压状态下试件应力应变特征、破坏形态和试件动态强度随应变率增长规律,分析了试验过程中应力波传播与试件裂纹扩展的关系。结果表明:在设定的试验条件下,泥岩试件的加载率、应变率和峰值应变均表现出随冲击气压的增大而增大;试件的动态单轴抗压强度随着应变率的增加呈现指数型增长,表现出强应变率效应;试件在反射应力波与透射应力波共同作用下,产生环向拉裂破坏和轴向劈裂破坏。     

不耦合装药混凝土中应力波传播的数值分析

运用有限元软件对不耦合装药条件下混凝土中应力波传播进行数值分析,分析了应力波随时间的衰减曲线和速度时间曲线,得出应力波通过水介质传到混凝土中压力均匀、强度衰减较缓慢、传播距离较远,以及炮眼周围混凝土的破坏形态.解释了混凝土自由面在拉应力波作用下的层裂现象.模拟结果对爆破理论和物探方面具有一定的参考价值.     

钢纤维混凝土动态抗拉强度的实验研究

基于线弹性和一维应力波假定,采用Φ75mmSHPB对钢纤维体积率Vf分别为0、0.75%和1.50%的三种混凝土材料进行了一维杆层裂实验,考虑了应力波在混凝土材料内传播时的波形弥散效应和应力幅值衰减,通过计算应变片记录的应力信号确定了材料的动态抗拉强度。结果表明,钢纤维混凝土的动态抗拉强度受应变率和钢纤维体积率的影响,本文为测试脆性材料的动态抗拉强度提供了一种有效方法。基于微观扫描技术,对钢纤维增强机理进行了分析。     

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。     

玄武岩纤维包裹混凝土圆形柱的抗冲击性能研究

对C30、C40、C50三种强度等级的素混凝土及1~4层玄武岩纤维(BFRP)包裹试件进行了SHPB冲击试验,分析了试件在冲击作用下的破坏现象,研究了应变率和约束比对应力应变曲线的影响,得到了BFRP约束混凝土的动态强度拟合公式。试验结果表明:BFRP包裹试件的抗打击能力和变形能力较未包裹试件有较大提高,具有良好的吸能能力;随着包裹层数的增加和应变率提高,试件抗冲击强度和变形能力提高明显,应力应变曲线下降段的下降速度开始变缓,说明纤维在试件中所起的作用增强。     

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。     

超高韧性水泥基复合材料多次冲击压缩性能及本构关系

利用直径80 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)系统进行了超高韧性水泥基复合材料(ultra high toughness cementitious composites,UHTCC)在多次冲击压缩荷载下力学性能的研究,分析了试件的应力-应变曲线随冲击次数的演化规律, 并与其他纤维增强混凝土进行对比。试验结果表明:在多次冲击荷载作用下由于损伤的累积导致加载应变率随冲击次数增加而大致呈指数递增,UHTCC的峰值强度随应变率增大而近似线性递减,峰值应变和累积吸能值逐渐增加,单次吸能值随冲击次数的增加呈先增后减的变化趋势。通过对本构模型进行探讨后发现,热激活损伤演化(TADE)模型能较好地描述UHTCC在首次冲击下的力学响应,但无法反映其在多次冲击下力学性能的演化规律;基于Weibull分布的损伤演化模型能够较好地描述UHTCC在多次冲击下的累积损伤演化规律及应力-应变曲线,在经历3次冲击作用后根据损伤程度的计算可认为试样已完全破坏,但此时试样通过PVA纤维的桥连作用仍能保持为整体,具有良好的抗破碎性。     

Study on Dynamic Behavior and Tensile Strength of Concrete Using 1D Wave Propagation Characteristics

Concrete structures are usually fractured under dynamic loadings, so it is important to have a clear knowledge of their dynamic behavior and tensile strength. First, the principle of one-dimensional (1D) stress wave reflection and superposition at free surface is briefed, and the spalling test method based on the Hopkinson bar is presented. Then, the attenuation law of stress wave is explored and the dynamic tensile/compressive moduli of concrete are evaluated according to the wave propagation experiment. Lastly, the influences of strain rate on the spalling tensile strength and failure patterns of concrete are further analyzed. The testing results demonstrate that the attenuation of stress wave accords with an exponential law when propagating in the concrete bar. The difference between the dynamic elastic moduli of concrete in tension and in compression is minor. Spalling tensile strength is sensitive to strain rate, and there is an obvious linear correlation between dynamic increase factor (DIF) and strain rate in a log-log plot for strain rate above 1.0/s; a single fracture occurs at low strain rate, while multiple fractures are detected with increasing strain rate.     

三向应力状态下混凝土强度和变形特性研究

对设计强度为１０MPa的混凝土立方体试件进行三轴压缩试验,系统研究了等围压条件下混凝土的强 度和变形特性,围压分别为０,４,８,１２,１６MPa５个量级;同时研究了不等围压条件下混凝土强度变化特性, 试验表明,随着围压增加,混凝土的极限抗压强度有明显增强的趋势;随着小主应力的增加,中主应力的影响 有减弱的趋势;峰值应力处应变随围压增加幅度显著。得出了在不同恒定围压下混凝土的应力应变全过程曲线; 通过与当前文献资料的对比分析,指出了在混凝土结构计算中适用的强度及变形表达式,为工程实践提供了 依据。     

超高性能混凝土动态冲击拉伸性能研究

超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)作为一种具有超高物理力学性能的新型建筑材料,能显著提高军事防护工程的抗爆炸冲击能力,对保障防护工程中人员的生命安全具有重要意义。为揭示爆炸冲击波在防护工程自由面引起的动态拉伸破坏行为,利用霍普金森压杆装置(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)对UHPC进行动态冲击拉伸试验,系统研究了粗集料种类、钢纤维掺量以及应变率对UHPC动态冲击拉伸性能的影响规律。结果表明:粗集料种类对UHPC的动态冲击拉伸强度有较显著的影响,相比于花岗岩和铁矿石,玄武岩粗集料对动态冲击拉伸性能的提高更为明显;UHPC的动态冲击拉伸强度会随着钢纤维掺量的增加而显著提高,但钢纤维掺量对UHPC动态拉伸强度的贡献存在4%的临界值;此外,UHPC表现出明显的应变率效应,当应变率为7~50s-1时,其效应最为显著。     

三向应力状态下混凝土动态强度和变形特性研究

利用大连理工大学自行研制、改造的大型液压伺服静动三轴试验系统对立方体混凝土试件进行恒定围压下的动态三向压缩试验,侧向恒定围压分别为0MPa、4MPa、8MPa、12MPa、16MPa五个级别,应变速率分别为10-5/s、10-4/s和10-3/s三个量级,系统研究了不同恒定围压和应变速率对混凝土强度和变形特性的影响。试验表明:随着围压的增加,混凝土三轴极限抗压强度有明显的增强趋势;峰值应力处的应变值增加幅度显著。随着应变速率的增加,围压较低时,混凝土动态强度的增加趋势明显;围压较高时,动态强度随应变速率增加而增加的趋势减弱,特别是当围压值超过混凝土的单轴强度时,可以不考虑混凝土应变速率对混凝土强度的影响。得出了混凝土在不同应变速率以及不同恒定围压下的应力应变全过程曲线。     

Flexural behaviour of UHTCC‐layered concrete composite beam subjected to static and fatigue loads

As an engineered material, ultra‐high toughness cementitious composite (UHTCC) exhibits the characteristics of pseudo strain hardening and multiple cracking under uniaxial tension. It can be applied as the reinforcing and protective material of concrete structures. In this paper, static and fatigue flexural tests were carried out on UHTCC‐layered concrete composite beams, for which UHTCC layer was used on the tension side. Under both static and fatigue loads, plane section assumption was suitable for such composite beams, and a good bond strength was achieved between the two layers. For static specimens, the UHTCC layer enhanced the ductility of the concrete layer. While under cyclic loads, because of the reinforcing effect of UHTCC, more than one crack were formed in the concrete layer, which led to a ductile deformation. Furthermore, the fatigue damage process of the composite beam was analysed.     

冲击荷载下免蒸养活性粉末混凝土分形特征研究

应用?80 mm分离式霍普金森压杆系统(SHPB)得到了免蒸养活性粉末混凝土(RPC)在6组冲击气压(0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.1 MPa)下的峰值强度和吸能值,通过筛分试验统计了相应应变率范围(约90 s-1~290 s-1)内破碎产物中不同粒径颗粒的质量分布特征;采用分形维数对试件的破碎程度进行表征,探究了峰值强度和吸能值随分形维数的变化规律,并与其他水泥基材料进行了对比。结果表明:免蒸养RPC破碎产物的平均粒径随应变率增加而线性递减,随着冲击气压的增加,粗颗粒碎片逐渐转化为细颗粒碎片,中等颗粒碎片的质量没有显著变化;分形维数与冲击速度和应变率间存在指数性关系,峰值应力与吸能值随分形维数的增大而增长,通过对比发现免蒸养RPC的抗破碎能力优于普通混凝土和钢纤维混凝土。通过定量分析破碎分形特征与力学性能之间的关系可以对材料进行更全面的评估。