李澤軒

摘 要：混凝土的應(yīng)用范圍比較廣泛，特別是在建筑、橋梁等各個工程項目都離不開混凝土材料。因此，混凝土材料作為最廣泛的建筑材料，有必要對其動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行研究和探討。該文對混凝土材料的動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行分析，先后進(jìn)行沖擊壓縮實(shí)驗、損傷演化實(shí)驗，并對損傷型動態(tài)本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行研究，針對混凝土材料進(jìn)行動態(tài)力學(xué)性能相關(guān)實(shí)驗思想的研究和探討。

關(guān)鍵詞：混凝土材料 動態(tài)力學(xué) SHPB 性能

中圖分類號：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（a）-0221-01

混凝土是應(yīng)用最為廣泛的工程材料，各種工程方面都離不開混凝土材料的應(yīng)用。但是混凝土材料也存在許多問題，包括材料質(zhì)地比較脆弱、內(nèi)部組成部分相對復(fù)雜、骨料的尺寸較大以及均勻性不太好等。因此，需要對混凝土材料進(jìn)行動態(tài)力學(xué)性能的相關(guān)實(shí)驗及研究。需要注明的是，SHPB實(shí)驗是材料動態(tài)力學(xué)研究最為基本的方法之一，通過SHPB設(shè)備對混凝土材料的動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行研究也存在一定的難度。由于混凝土材料比較特殊，SHPB試驗的相關(guān)假設(shè)條件不容易滿足。因此，該文結(jié)合混凝土材料的特性，對SHPB實(shí)驗技術(shù)進(jìn)行修正，以此對混凝土材料動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行研究，不足之處，敬請指正。

1 動態(tài)力學(xué)性能研究

大部分混凝土建筑所能夠承受的是較為緩慢的靜態(tài)荷載，然而一部分特殊的建筑物要求可以承受一定沖擊荷載、抗沖擊能力以及抗層裂能力。早期大多是對彈性模量的變化進(jìn)行研究，沖擊試驗一般是采用落錘設(shè)備。但是，落錘設(shè)備不能對慣性效應(yīng)進(jìn)行考慮，一些實(shí)驗也無法得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到的數(shù)據(jù)僅僅流于表面，無法起到真正的比較作用。該文主要利用SHPB實(shí)驗對混凝土材料動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行探討。

2 沖擊壓縮實(shí)驗

實(shí)驗結(jié)果同時證明混凝土材料一方面其應(yīng)變率效應(yīng)十分敏感，另一方面是對損傷也存在較為顯著的影響。表1是實(shí)驗數(shù)據(jù)對比情況，以此證明混凝土材料在發(fā)生變形時，除了應(yīng)變率效應(yīng)之外，還有其他兩種效應(yīng)，分別是應(yīng)變硬化效應(yīng)以及損傷軟化效應(yīng)。如果混凝土試件材料承受比較小的沖擊載荷，那么混凝土所承受的損傷軟化效應(yīng)不是太顯著。所以，混凝土材料的整體表現(xiàn)可以總結(jié)為先應(yīng)變硬化，也就是應(yīng)力會跟隨應(yīng)變的增大而增大；隨著沖擊載荷逐漸增大，同時微裂隙也隨之?dāng)U大，損傷軟化效應(yīng)會逐漸增長到和應(yīng)變硬化效應(yīng)保持一致；如果沖擊載荷持續(xù)增大，損傷軟化效應(yīng)會逐漸加大，混凝土材料失穩(wěn)，試件坍塌。

3 損傷演化實(shí)驗

實(shí)驗數(shù)據(jù)證明，微裂隙、微空洞等混凝土損傷的出現(xiàn)會造成材料軟化情況，實(shí)際上最為明顯的損傷軟化效應(yīng)，對混凝土材料的影響更加顯著?；炷敛牧系慕M成部分相對復(fù)雜，在成型時內(nèi)部本身就存在許多微裂紋和微空洞，所以對這些損傷演化過程進(jìn)行研究也是該文重要組成部分。因為從微觀上對損傷進(jìn)行研究存在一定的難度，因此只能換個角度，從宏觀的角度對其進(jìn)行分析研究。也即是從宏觀的層次對損傷定義，用材料試件受損傷而引發(fā)宏觀力學(xué)性能參數(shù)產(chǎn)生的變化對損傷進(jìn)行度量。

混凝土材料一旦出現(xiàn)問題，彈性模量就會發(fā)生變化，因此也可以對損傷因子D進(jìn)行確定，從而可以得到混凝土材料損傷演化方程，由此還得出損傷凍結(jié)實(shí)驗。具體是指試件在受到?jīng)_擊壓縮時，材料問題是如何出現(xiàn)和發(fā)展，同時被限制于某一個固定的應(yīng)變值上，因此可以得出應(yīng)變損傷值。這個數(shù)值一般是利用控制套在試件外面鋼環(huán)的高度來得出，應(yīng)變率的數(shù)值利用控制子彈撞擊速度來得出。本次共做了4組實(shí)驗，每次實(shí)驗的應(yīng)變率有所區(qū)別，應(yīng)變控制范圍處于2000μ～3000μ之間，應(yīng)變率分別設(shè)置為23/s，35/s，45/s，60/s。

4 損傷型動態(tài)本構(gòu)關(guān)系

混凝土材料應(yīng)變率進(jìn)行大跨度動靜態(tài)壓縮實(shí)驗，得出的結(jié)果證明材料有顯著的應(yīng)變率效應(yīng)，在高應(yīng)變率范圍更加敏感，所以應(yīng)變率效率無法用Seeger模型進(jìn)行描述，可以利用朱-王-唐等人提出的非線性粘彈性本構(gòu)方程

其中，還需要按照混凝土材料實(shí)際特性，對其進(jìn)行改進(jìn)。一是要把平衡態(tài)應(yīng)力考慮取一項，彈性的部分認(rèn)為是線形的；二是損傷因子D是本構(gòu)模型中重要的內(nèi)變量，損傷因子也要添加進(jìn)方程中。

5 實(shí)驗思想

混凝土材料本身存在的破壞應(yīng)變不大，而且混凝土的組成部分相對而言比較復(fù)雜，材料相當(dāng)脆弱?；炷敛牧显谶M(jìn)行動態(tài)力學(xué)性能方面的試驗研究過程中，在一定程度上存在較大難度。所以一些動態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗中還引入其他技術(shù)，可以適當(dāng)處理大直徑壓桿波形彌散對材料產(chǎn)生的影響，從而促進(jìn)測量精度的提高，繼而提高混凝土材料的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的穩(wěn)定可靠性。除此之外，通過動態(tài)力學(xué)性能試驗可以對混凝土材料中微缺陷進(jìn)行檢驗。微缺陷主要包括微裂隙和微空洞，會對混凝土材料的力學(xué)性能產(chǎn)生較大的影響，材料在做損傷試驗的過程中就可以實(shí)現(xiàn)對其損傷演化規(guī)律進(jìn)行研究。

6 結(jié)語

綜上所述，混凝土材料一方面屬于應(yīng)變率較為敏感的建筑材料，同時其損傷軟化效益比較顯著?；炷敛牧系母邞?yīng)變率敏感性不小于準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗敏感性，所以無法選擇一般的金屬材料本構(gòu)模型，該文選取的是朱-王-唐粘彈性模型。該文對有關(guān)混凝土材料動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行研究和探討，以及對于混凝土材料的特性研究，以及混凝土材料的應(yīng)用，起到一定的促進(jìn)作用。

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