冲击荷载作用下EPS混凝土动态性能研究

配置聚苯乙烯(Expanded Polystyrene,EPS)颗粒体积掺量分别为10%,20%,30%,40%,50%的EPS混凝土,采用Φ100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,以动态抗压强度和临界应变为指标,研究EPS混凝土在冲击荷载作用下的动态性能,探索EPS颗粒对混凝土动态性能的改善机理。结果表明:由于应变率效应,相同体积掺量的EPS混凝土动态抗压强度与临界应变随应变率的增加而提高,具有显著的应变率相关性;以临界应变为变形性能指标,由于EPS颗粒的微结构效应,在EPS颗粒体积掺量0～40%范围内,其变形性能随EPS体积掺量的增加而提高,当EPS颗粒体积掺量达到50%时,其变形能力有所降低。EPS颗粒体积掺量为40%时对混凝土变形性能的改善效果最佳。     

EPS混凝土的动态抗压强度和吸能特性

制备了聚苯乙烯(expanded polystyrene,EPS)体积含量0～40%的混凝土试样。利用分离式Hopkinson压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)对其进行了冲击压缩试验,得到了不同应变率下的应力–应变曲线。发现EPS混凝土具有与常规混凝土显著不同的应变率效应。研究了两种EPS粒径,四种EPS含量的EPS混凝土的抗压强度与应力率的关系,并给出了经验公式。定义了能够表征EPS混凝土吸能性能的韧度指数,并研究了上述种类EPS混凝土韧度指数与应力率的关系。随EPS体积增加,其韧度指数大大增加,尤其是对于小粒径EPS混凝土。     

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。     

EPS混凝土的冲击力学行为及本构模型

采用大直径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置研究了多种EPS体积掺量的EPS混凝土在不同应变率下的力学行为。分析了平均应变率以及EPS体积掺量对EPS混凝土的冲击力学性能的影响。采用朱-王-唐(ZWT)模型,在试验研究的基础上,建立了EPS混凝土非线性粘弹性本构模型。结果表明：在高应变率条件下,EPS混凝土的动态抗压强度与极限应变随平均应变率的提高近似线性增长,呈现出显著的应变率相关性。随着EPS体积掺量的增加,混凝土的动态抗压强度和弹性模量降低,变形能力得到改善。本构模型提供的理论曲线与试验曲线比较接近,ZWT模型可以较为准确地描述EPS混凝土的高应变率力学行为。     

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。     

地质聚合物混凝土的冲击力学性能研究

摘 要：以矿渣与粉煤灰为原材料,制备地质聚合物混凝土（geopolymeric concrete, GC）。采用Φ100 mm分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）装置研究了不同强度等级的GC的冲击力学性能,包括抗压强度、变形及能量吸收特性的应变率效应问题。结果表明：GC的冲击力学性能呈现出显著的应变率相关性,强度的应变率敏感值为42.7 s-1;随着强度等级的提高,GC的变形能力反而降低。GC属于准脆性材料,相对于单一的强度或变形特性,GC的能量吸收特性更值得关注。     

透水沥青混凝土单轴冲击压缩特性研究

为研究透水沥青混凝土的动态力学特性,采用74 mm钢质分离式霍普金森压杆装置对不掺纤维和掺0.3%聚酯纤维的透水沥青混凝土进行了不同应变率的单轴冲击压缩试验。研究表明,透水沥青混凝土具有明显的应变率效应,试件压缩率随着应变率的增大而提高,掺聚酯纤维透水沥青混凝土的压缩率是不掺纤维的1.2倍左右;透水沥青混凝土的动态应力-应变曲线可分为弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段。从试件的破坏形态可以看出,集料的断裂是透水沥青混凝土破坏的主要原因。在透水沥青混凝土中掺加聚酯纤维能够延缓裂缝的出现和开展,提高材料的冲击抗压强度,增幅最大为45.1%。     

高应变率下多尺寸聚丙烯纤维混凝土动态压缩力学性能研究

采用Φ74mm的分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置,对两种尺寸聚丙烯细纤维和一种尺寸聚丙烯粗纤维单掺及混掺的混凝土试件进行冲击压缩试验,对比分析粗、细纤维及不同纤维掺量比的多尺寸纤维混凝土试件在五种不同应变率下的动态压缩强度、动态压缩变形、动态压缩韧性和破坏特征,研究聚丙烯纤维混凝土的动态压缩力学性能。结果表明:随应变率的增加,素混凝土及纤维混凝土的动态压缩强度、动态压缩变形和动态压缩韧性表现出显著的应变率效应;在试验应变率范围内,粗聚丙烯纤维混凝土的动态抗压强度最高,相对素混凝土增幅为132.36%~213.85%;多尺寸聚丙烯纤维混凝土的动态强度增长因子与素混凝土基本一致;掺入多尺寸聚丙烯纤维可有效增大混凝土在不同应变率下的动态峰值应变和动态极限应变;多尺寸聚丙烯纤维混凝土的动态极限韧性较高,其中细聚丙烯纤维含量为1.2kg/m~3时混凝土动态极限韧性最高,增幅为121.11%。     

混凝土材料的动态压缩破坏机理及本构关系

为研究混凝土材料的动态性能,利用直径φ100 mm的SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)装置对骨料尺寸为15 mm～20 mm的混凝土材料试样进行了应变率范围30s(-1)～180s(-1)的动态压缩试验,并借助高速摄影装置获得了试样的变形与破坏过程,结果表明:在动态压缩强度附近应力区,材料表面先出现一条沿试样轴向的可见宏观裂纹,而多条主裂纹的形成与扩展才导致材料的最终破坏;建立了改进的ZWT模型,模型预测结果与试验结果较吻合.     

UHMWPE纤维混凝土动态压缩力学性能研究

试验研究了一种捻制超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维增强的新型纤维混凝土动态压缩力学性能。研制了4种纤维体积掺量(0.3%、0.5%、0.7%、1.0%)的C70等级纤维混凝土,采用Φ100 mm分离式霍普金森压杆进行冲击压缩试验,研究了纤维混凝土在140~255 s~(-1)应变率下的动态压缩力学性能。试验结果表明:UHMWPE纤维混凝土抗压强度、峰值应变和弹性模量具有明显的应变率敏感性;纤维混凝土抗压强度应变率敏感性弱于素混凝土,但其弹性模量应变率敏感性强于素混凝土;动态强度增长因子与应变率对数呈线性关系,具体关系与纤维掺量相关。     

玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的高应变率力学行为

采用Φ100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)系统研究了玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土(BFRGC)的高应变率力学行为,包括抗压强度、变形及能量吸收特性的应变率效应问题。结果表明：地质聚合物混凝土材料的高应变率力学性能呈现出显著的应变率相关性;BFRGC的强度特性相对于地质聚合物混凝土(GC)无明显改善,而变形及能量吸收能力较 GC有明显提高。     

玄武岩纤维混凝土的动态力学性能

采用Φ100 mm分离式霍普金森压杆 (SHPB) 试验装置研究了不同纤维体积掺量的玄武岩纤维混凝土在不同应变率下的冲击压缩力学性能 , 并对试验的有效性进行了分析。结果表明: 玄武岩纤维混凝土的动态强度增长因子与平均应变率的对数近似呈线性关系 , 强度与变形能力随平均应变率的提高而线性增加 , 体现了很强的应变率相关性 ; 纤维体积掺量为 0. 1 %的玄武岩纤维混凝土较素混凝土的动态抗压强度提高了 26 % , 变形能力提高了 14 %; 纤维体积掺量分别为 0. 2 %、 0. 3 %的玄武岩纤维混凝土的动态抗压强度比素混凝土高出 25 %左右 , 而变形能力较素混凝土无明显优势 ; 在玄武岩纤维混凝土的 SHPB试验中 , 试件破坏时刻为 123. 3～239.μ45 s , 近似恒应变率加载时间比例约为 62 % , 且应变率曲线的波动范围控制在 23 %左右 , 能够较好地满足应力均匀分布及恒应变率加载要求 , 表明 SHPB试验结果可靠。      

高温后混凝土的SHPB试验研究

采用Φ100 mm分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,简称SHPB）试验装置,对常温和经历200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃高温作用后的混凝土进行了冲击压缩试验,得到了动态压缩应力-应变曲线,分析了弹速、温度对平均应变率的影响以及温度、平均应变率对动态抗压强度的影响。结果表明：弹速与平均应变率之间、平均应变率与动态抗压强度之间都近似呈线性关系。温度对混凝土动态性能影响显著,在相同弹速下与常温情况相比,200 ℃时平均应变率有所提高、动态抗压强度有所降低,400 ℃时与常温接近,400 ℃以后平均应变率随着温度增加而提高,而动态抗压强度随着温度的增加而急剧下降,至800 ℃不足常温试件的30%。高温将降低混凝土的应变率敏感性,其中以400 ℃降低最为明显。     

Ф100mmSHPB应力均匀及恒应变率加载试验技术研究

大直径分离式霍普金森压杆（SHPB）试验装置被越来越多地应用于混凝土等脆性材料的高应变率力学性能研究,试件在破坏前,满足应力均匀分布要求,且保持恒应变率加载,是保证SHPB试验有效性及试验结果可靠性的关键。以提高试验结果准确性为研究目标,以C50素混凝土的SHPB试验为例,采用Ф100mmSHPB试验装置,对试验中的应力均匀及恒应变率加载技术进行研究,包括波形整形器的设计、近似恒应变率的估算、最佳近似恒应变率的确定以及应力均匀性检验。结果表明：厚度为1mm,直径分别为20mm、25mm、30mm、35mm的H62黄铜波形整形器对入射波形有明显的改善效果,可将入射脉冲上升沿的升时延长1～2倍,且波形呈半正弦状;应变率对于波形整形器的直径很敏感,随着整形器直径的增大,最佳近似恒应变率也在增加,一个几何尺寸的波形整形器只能对应于一个最佳近似恒应变率,且与整形器的直径之间满足线性函数关系。     

低速冲击激励下嵌入黏弹性阻尼芯层的纤维金属混杂层合板动态响应预测模型

钢筋混凝土(RC)结构在遭受火灾作用时,常会由于楼层坍塌而继发冲击作用,对楼板产生高温与冲击的耦合作用。该文同时考虑高温热力耦合效应和冲击荷载作用下的应变率效应,开展了高温下RC板抗冲击性能研究。通过分别将RC板抗火和抗冲击的试验结果与模拟结果进行对比,验证了该文所建立模型的正确性。分析获得了RC板在不同受火时间和不同能量冲击荷载作用下的动力响应,讨论了板厚和配筋率对高温下RC板抗冲击性能的影响。结果表明：火灾高温作用将显著影响RC板的抗冲击性能。随着受火时间的增加,RC板的冲切破坏损伤更加严重,RC板的跨中峰值位移也更大。板厚的增加能明显改善RC板的高温下的抗冲击性能,而配筋率的增加对RC板在高温下的抗冲击性能的影响有限。     

密度和应变率对聚苯乙烯泡沫(EPS)准静态压缩力学行为的影响

分别研究了聚苯乙烯泡沫(Expanded polystyrene,简称EPS)在三种不同密度和三种不同加载速率下的无侧限单轴准静态压缩力学行为.结果表明:EPS的压缩与一般多孔材料的压缩特征相似,其应力-应变曲线也分为三阶段(弹性段、塑性屈服平台段及致密段).并验证了聚苯乙烯泡沫(EPS)在线弹性阶段的弹性模量与其密度近似符合二次函数关系;通过对实验结果的拟合得出了EPS的密度与其屈服强度呈线性关系并给出了关系表达式.同时表明:同一密度的EPS在不同加载速率下其线弹性模量基本不变而屈服强度随加载速率的增加而显著增加,其应变率敏感度m值较大且变化显著,EPS表现出明显的应变率效应.     

聚碳酸酯的动态应力应变响应和屈服行为

测量聚碳酸酯在3.8×10-5 s-1到大约8000 s-1应变率范围内的单向压缩力学行为,研究了应变率对聚碳酸酯屈服应力的影响.结果表明:在应变率低于1 s-1时,聚碳酸酯先出现应变软化,然后出现稳定的塑性流动和应变硬化;在高应变率时,应力应变曲线的软化区域消失,屈服应力和屈服应变随着应变率的增大而增大.分析了高应变率时热软化与应变硬化的竞争机制,提出了描述宽应变率范围内聚碳酸酯的屈服应力与应变率关系的幂律型本构模型,能在较宽的应变率范围描述聚碳酸酯屈服应力与应变率的关系.