不同密度泡沫混凝土動態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)

1、不同密度泡沫混凝土動態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)研究摘要：利用Hopkinson壓桿，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，研究了六種不同密度的泡沫混凝土材料在沖擊載荷下的動態(tài)力學(xué)壓縮性能；通過相同加載速率和相同應(yīng)變率兩個(gè)方面對泡沫混凝土的動態(tài)力學(xué)性能比較，得到了高應(yīng)變率下的泡沫混凝土隨著孔隙率降低最大破壞應(yīng)力與彈性模量均增大這一變化規(guī)律；并對泡沫混凝土吸能機(jī)理進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：泡沫混凝土；動態(tài)力學(xué)性能；應(yīng)變率；加載速率隨著科技的發(fā)展，地下防護(hù)工程以及民防掩蔽工程，經(jīng)常會遭受到各種爆炸沖擊的破壞作用。以往地下防護(hù)工程抗爆結(jié)構(gòu)主要以混凝土材料構(gòu)筑。增加結(jié)構(gòu)層的厚度成為提高防護(hù)能力的首選措施。理論和試驗(yàn)研究表明：采用新型的復(fù)合防

2、護(hù)結(jié)構(gòu)可以大幅度提高結(jié)構(gòu)的抗爆能力。泡沫材料作為一類輕質(zhì)抗沖擊吸能材料，其沖擊特性的研究越來越得到人們的重視。由于它有許多蜂窩狀氣孔，在粉碎時(shí)能夠吸收沖擊動能，因此在防沖擊載荷的軍用和民用防護(hù)工程領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用前景。以往人們對其靜力學(xué)性能進(jìn)行了深人的研究，但由于涉及大變形、高度不連續(xù)性和粘握性問題，目前還很少又人對其動力學(xué)性能進(jìn)行研究。本文將通過分離式Hopkinson壓桿的沖擊壓縮試驗(yàn)對不同密度泡沫混凝土的動態(tài)壓縮力學(xué)性能進(jìn)行了研究，并對泡沫混凝土抗沖擊和吸能機(jī)理進(jìn)行初步探討。1、試驗(yàn)測試及數(shù)據(jù)分析本文對六種不同密度(300g/cm、450g/cm、600g/cm、750g/cm、9

3、00g/cm、1050g/cm)的泡沫混凝土進(jìn)行了高應(yīng)變率下的動態(tài)壓縮力學(xué)性能的研究。試件編號分別為300,450、600、750,900、1050.六種材料的性能參數(shù)見表1所示。試驗(yàn)采用dP75mm分離式Hopkinson壓稈(SHPS)來實(shí)現(xiàn)高應(yīng)變率的動態(tài)加載。壓桿均為硬鋁LYl2，直徑75mm，密度2.7g/m，楊氏模量70GPa。輸入桿、輸出桿長均為3000mm，撞擊桿長1000mm。試件均加工成直徑為75mm、厚度為50mm的圓柱體。1.1300泡沫混凝土的試驗(yàn)結(jié)果在極限破壞的情況下，300混凝土的破壞應(yīng)變非常大，達(dá)到了3120p B，這可以解釋為300混凝土的空隙率最高，試樣中存在

4、著更多的微小氣孔，且孔壁也很薄，氣孔直徑遠(yuǎn)大于壁厚。在應(yīng)力波的沖擊作用下，氣孔發(fā)生坍塌破壞，眾多的氣孔在坍塌的過程中不僅發(fā)生了大的變形，而且吸收了大量的能量。因此，應(yīng)力波的能量相當(dāng)大的部分消耗在氣孔孔壁的塑性變形上，在宏觀上表現(xiàn)為300g混凝土強(qiáng)度較低，但具有較大的極限變形，可以認(rèn)為是微觀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)導(dǎo)致了不同的宏觀特性。1.2450泡沫混凝土的試驗(yàn)結(jié)果1.3600泡沫混凝土的試驗(yàn)結(jié)果1.4750泡沫混凝土的試驗(yàn)結(jié)果750混凝土的孔隙率繼續(xù)降低，氣孔壁厚明顯增加，已與氣孔直徑相當(dāng)，甚至稍大一些；氣孔直徑較450混凝土要小，但可以認(rèn)為仍然在同一量級上。從圖4中可以看到，無論最大應(yīng)力還是彈性模量，均

5、已增加很多。這可以解釋為：由于壁厚的增加以及氣孔直徑的減小，認(rèn)為750混凝土是均質(zhì)致密材料中均勻的分布著大量相同的微小氣孔。應(yīng)力波沖擊作用下，孔壁的坍塌破壞需要比300混凝土與450混凝土更大的應(yīng)力，較混凝土與450混凝土的變形，其變形滯后于加載的壓力，所以動態(tài)強(qiáng)度有較大的提高。1.5900泡沫混凝土的試驗(yàn)結(jié)果900混凝土的氣孔直徑已經(jīng)很小，與450混凝土和750混凝土的氣孔直徑至少差一個(gè)量級。同時(shí)，其孔壁較750混凝土要薄。這樣，在壓力波沖擊作用下，900混凝土的動態(tài)極限強(qiáng)度要比750混凝土小。但由于其更多數(shù)目的極微小氣孔，導(dǎo)致試件破壞時(shí)需要更多的能量，在宏觀上表現(xiàn)為動態(tài)強(qiáng)度要高于300混凝

6、土和450混凝土。1.61050泡沫混凝土的試驗(yàn)結(jié)果2、動態(tài)壓縮力學(xué)性能比較2.1相同加載速率下動態(tài)壓縮力學(xué)性能比較同一速率加載下，各種密度的泡沫混凝土試樣的應(yīng)變率不同。但最大應(yīng)變率的混凝土并不對應(yīng)彈性模量最大，從實(shí)驗(yàn)可以看到，材料的實(shí)驗(yàn)特性與試樣的密度緊密相關(guān)，即與試樣的空隙率密切相關(guān)。隨著混凝土的孔隙率降低，氣孔壁厚明顯增加，最大應(yīng)力與彈性模量均增大。這時(shí)可以認(rèn)為在應(yīng)力波沖擊作用下，孔壁的坍塌破壞消耗更多的應(yīng)力，其變形亦滯后于加載的壓力，所以動態(tài)強(qiáng)度有較大的提高。而且在極限破壞的情況下，混凝士的破壞應(yīng)變變小。但是，900混凝土與1050混凝土的氣孔直徑已經(jīng)很小，而且其孔壁較薄。在同樣壓力波

7、沖擊作用下，900混凝土的動態(tài)極限強(qiáng)度要比750混凝土小。但由于其更多數(shù)目的極微小氣孔，導(dǎo)致試件破壞時(shí)需要更多的能量，在宏觀上表現(xiàn)為動態(tài)強(qiáng)度要高于：300混凝土和450混凝土。2.2相同應(yīng)變率下動態(tài)壓縮力學(xué)性能比較以=36應(yīng)變率加載下，：300混凝土的彈性模量(0.95GPa)最小，450混凝土(I.87GPa)相應(yīng)的提高了，然后是1050混凝土(4 27GPa)，750混凝土的彈性模量(5.2GPa)為最高。在同樣的應(yīng)變率下，750混凝土仍然保持完整，而其他混凝土已經(jīng)發(fā)生了破碎或粉碎，表明只有在更高的應(yīng)變率下才可能破壞，這意味著更高的動態(tài)極限應(yīng)力。從圖8看到，在相同的應(yīng)變率作用下，應(yīng)力應(yīng)變曲

8、線星現(xiàn)出不同的形態(tài)特征。300、450、750混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)類似于屈服特征的拐點(diǎn)，之后應(yīng)變增加需要應(yīng)力也相應(yīng)地增加，材料表現(xiàn)為應(yīng)變硬化的響應(yīng)性質(zhì)。而對于1050混凝土，在類似于屈服特征的拐點(diǎn)之后，應(yīng)變增加，應(yīng)力卻基本保持不變，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出類似于理想塑性的本構(gòu)響應(yīng)特征。3、緒論利用SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)獲得了六種不問密度的泡沫混凝土高應(yīng)變率下的動鑾壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在所測試的應(yīng)變率范圍內(nèi)，六種材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出定的率相關(guān)性，且應(yīng)變率相關(guān)的趨勢一致。應(yīng)變率效應(yīng)更多體現(xiàn)在材料變形剛度的加強(qiáng)以及割線模量的增加上。泡沫混凝土材料顯著特征在于內(nèi)部存在大量孔隙，在壓力波作用下材

9、料首先被致密，以消除孔隙。致密過程可分為幾個(gè)階段；首先孔壁發(fā)生彈性變形，部分沖擊能量轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥阅埽瑫r(shí)氣隙被絕熱壓縮并吸收部分能量；繼而孔壁發(fā)生塑性坍塌或脆性破碎，將部分沖擊能量轉(zhuǎn)變?yōu)槲招阅埽瑲庀督^熱壓縮過程基本結(jié)束；隨后被逐漸壓實(shí)直至接近密實(shí)材料。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從三個(gè)方面闡述泡沫混凝土在高應(yīng)變率下動態(tài)壓縮力學(xué)性能。3.1抗壓強(qiáng)度(最大應(yīng)力)試驗(yàn)結(jié)果表明；六種泡沫混凝土材料在沖擊荷載下，其極限應(yīng)力均隨應(yīng)變率的增加而提商。一般情況下，當(dāng)試件出現(xiàn)破碎或粉碎時(shí)，其破壞應(yīng)力均大于準(zhǔn)靜態(tài)的單軸壓縮破壞應(yīng)力。不同密度泡沫混凝土動態(tài)極限應(yīng)力的變化趨勢與靜態(tài)極限應(yīng)力一致。300混凝土的最小，然后逐漸增大。600與750的極限應(yīng)力最大，隨之9003混凝土的減小，1050比900的略有增加。3.2動態(tài)彈性模量本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)力一應(yīng)變曲線初始上升段的彈性模量隨應(yīng)變率增加而增大，動態(tài)