混凝土与岩石类脆性材料的动态破坏机制研究.pdf

2 0 1 3年 第 7 期 (总 第 2 8 5 期 ) N u mb e r 7 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 5 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 7 0 0 6 混凝土与岩石类脆性材料的动态破坏机制研究 陈腾飞 ，许金余 1 I2 ， ( 1 空军工程大学 机场建筑工程系 ，陕西 西安 7 1 0 0 3 8 ；2 刘石 。王鹏 西北工业大学 力学与建筑工程系 ，陕西 西安 7 1 0 0 7 2 ) 摘要： 通过 S H P B ( 分离式霍普金森压杆 ) 装置对混凝土和岩石进行五种不同应变率下的动态压缩试验 ， 得 出了两种材料的基 本动态力学参数 ， 发现动态抗压强度、 峰值应变都随应变率的增大而线性增加或呈二次函数增加 ， 引人比能量 吸收对材料 的动态 破坏机制进行研究 ， 得出两类材料的动态破坏机制实际上就是材料在吸收冲击荷载能量后的一个动态失稳过程 ， 吸收的能量越 大 ， 破坏越严重， 且材料的能量吸收性质是由材料本身特性和应变率决定的。 关键词： 混凝土；岩石 ；动态力学性能；破坏机制 中图分类号： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 7 0 0 2 0 0 3 S t ud y o n t h e d y n a m i c f a i l u r e m e c h a n i s m o f c on c r e t e a n d s t on e b r i t t l e m a t e r i c a l s CHEN T e n g f e i ， XUJ i ny u1 , 2 LI U S h i ， WANG P c n g ( 1 De p a r t me n t o f Ai r f i e l d a n dB u i l d i n gE n g i n e e r i n g， Ai r F o r c e E n g i n e e ri n gUn i v e r s i t y， Xi a n 7 1 0 0 3 8 ， C h i n a ； 2 C o l l e g e o f Me c h a n i c s a n dCi v i l E n g in e e r i n g ， No r t h we s t e r nP o l y t e c h n i cUn i v e r s i t y ， Xi a n 7 1 0 0 7 2， C h i n a ) Abs t r a c t ： W i t h t h e S HPB d e v i c e d o the d yn a mi c c o mp r e s s i o n t e s t o f c o n c r e t e a nd s t o n e u nd e r 5 di ffe r e nt s t r a i n r a t e s， fig ur i n g ou t the b a s i c dy n a mi c me c h a n i c s pa r a me t e r s c o u l d fin d tha t the d yn a mi c s t r e n g t h an d s tra i n r a t e i n a l i n e a r r e l a t i o n s hi p， t h e p e a k s t r a i n a n d s t r a i n r a t e wi t h r e l a t i o n s hi p of a q ua d r a t i c f u nc t i o n r e l ati o n I t c o ul d us e s p e c i fic e ne r g y a b s o r p t i o n t o s t u d y t h e f a i l u r e me c h a ni s m of s pe c i me ns ， a n d c o u l d dra w a c o n c l u s i o n that the f a i l u r e me c h a n i s m o f t h i s t wo ma t e r i a l s a c t u a l l y wa s a d yn a mi c i n s t a b i l i ty p r o c e s s a f t e r the ma t e r i a l a b s o r b i n g s h o c k l o a d e n e r gy ， a n d the mo r e e n e r g y i t a b s o r b i n g t h e mo r e s e r i o u s d a ma g e wo u l d b e ， i n a d d i t i o n t h e e n e r gy a b s o rpt i o n pr o pe r t i e s o fma t e ria l s wa s d e t e r mi ne d b y ma t e r i a l i t s e l f c h a r a c t e ris t i c a nd t h e s t r a i n r a t e Key wor ds ： c o nc r e t e； s t o ne ； d yn a mi c me c ha ni c a l pr o pe r t y； f a i l u r e me c ha n i s m 0 引言 在工程实践 中， 经常会遇到混凝土材料与岩石材料 的 结合使用 ， 例如机场道面工程 、 地基基础工程 、 矿 山资源开 采等 ， 因此对 比研究混凝土和岩石类脆性材料 的力学性质 就能极大的满足实际工程 的需要 。 目前 ， 国内已有很多关于 混凝土和岩石类材料 的静力学特性研究 1_ 2 】 ， 关 于两类 材料 的动力学特性 ， 也有很多学者进行 了研究3 - 5 ， 但是 系统 的 将两类材料结合起来对 比分析混凝 土和岩石 的力学特性 的文献却很少见。 将 以普通硅酸盐混凝土和地下工程中常 见 的砂岩为研究对象 ， 对 比两类脆性材料在冲击荷载下的 动态力学性能 ， 分析两类材料 的动态破坏机制 ， 为实际结 构工程承受动荷载提供参考。 1 试验介 绍 1 1 试验材料 混凝 土材料采用普通硅酸盐混凝土 ， 材料组分主要包 括 ： 普通硅酸盐水泥 、 粉煤灰 、 硅灰 、 碎石 、 砂 、 水和减水剂 ， 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 1 1 1 基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 0 7 8 3 5 0 ) 20 其 中水泥选用陕西耀县秦岭牌 P O 4 2 5 R级水泥 ， 粉煤灰 选用韩城 电厂 F类 ( 低钙 ) I 级粉煤灰 ， 具体配合 比见表 1 ， 测得 2 8 d 标准立方体平均抗压强度为 6 O 4 5 MP a ， 达到设 计要求。 表 1 普通硅酸盐混凝土的配合比 k g m 水 水泥 粉煤灰 硅灰 砂 碎石 高效减水剂 l 8 0 3 7 5 1 2 5 2 5 6 9 0 1 03 0 5 岩石材料采用取 自秦岭某工程未风化 的天然砂岩 ， 依 托该工程采用现场取样 的方法获得 ， 主要成分为石英 、 方解 石， 呈灰白色， 具体矿物组成见表 2 。 通过试验确定， 该批砂 岩的平均密度为 2 5 9 6 k g m 。 ， 单轴抗压强度为 5 9 6 9 MP a ， 劈裂抗拉强度为 4 0 2 MP a ， 软化系数为 0 7 9 4 6 。 1 2试验设备及 方法 t 昆 凝 土和岩石 的动态压缩试验 采用 , , l o o mm S H P B ( 分离式霍普金森压杆 ) 装置 ， 该试验设备主要 由主体设备 、 能源 系统 和测试系统 三大部分组成 。 两类材料 的试样经 Z S 1 0 0 型立式取芯机进行钻芯取样 ， D Q 1 型切割机切割 ， S H M 2 0 0 型双端 面磨石机端面打磨等专 门的加工工序精 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 憩 出 懦 2 、 心 2 匿 ： L 图 4峰 值应 变与 应变 率关 系 f s ( C) = 6 6 0 0 0 1 9 k + 2 7 6 1 0 R 2 =- 0 9 9 7 6 5 、 【 s ( S) = 2 3 3 7 0 1 0 8 k + 5 8 7 x 1 0 - 4 k R Z =- 0 9 6 5 5 4 显然 ， 混凝土和岩石材料在承受 冲击荷 载时 ， 其变形 能力与应变率显著相关 ， 应变率越大 ， 峰值应变越大 ， 即动 态变形能力越强， 并且砂岩的动态变形能力较混凝土强 。 3 动 态破 坏机 制分析 对 比两类材料在 冲击荷载下 的破坏形态可 以发现 ， 混 凝土在承受 冲击荷载时破坏更加彻底 ， 基本碎成均匀 的块 状 ， 而砂岩的动态破坏形态随着应变率的不 同则存在很 大 区别 ， 低应变率条件下破坏后有较大 留芯 ， 破碎成大块 ， 高 应变率条件下严重破碎 ， 碎块小且部分碎成粉末 。 为了分析 两类材料的动态破坏机制 ， 可 以采用 比能 量吸收f3 ( S E A) 来表征材料的韧性 ， 其物理意义是 ： 单位体积的试样材料 吸收应力波能量 的大小。 图 5 是混凝土和砂岩 的比能量 吸 收与应变率的关系。 吕 血l 丑 应变 率 I s 图 5 比能量吸收与应变率的关系 可以看出两类材料 比能量 吸收与应变率基本呈线性 增长 ， 拟合式为： f S E A( C) = 9 4 2 8 + 1 2 2 0 b R2 =- 0 9 6 8 4 9 【 S 点 ( S ) = 一 1 4 7 3 4 5 + 2 9 9 1 R2 =- 0 8 8 9 6 2 其中砂岩 的能量吸收特性显著高于混凝土 ， 且 随应变 率的增大， 砂岩的比能量吸收的变化较混凝土更加明显。 结 合两类材料的动态破坏形态 ， 发现其破坏形态与 比能量吸 收值密切相关 ， 即比能量吸收值 越大 ， 材料 的动态破坏程 度越大 ， 破坏后 的碎块尺寸越小 ， 进而可以得 出混凝土 和 岩石类脆性材料 的动态破坏机制实际上 就是材料在 吸收 冲击荷载能量后的一个动态失稳过程 ， 单位体积材料吸收 的能量越大 ， 破坏程度越严重 ， 而材料的能量吸收性质 则 是 由材料本身特性和应变率决定的 ， 且砂岩的能量吸收特 性强 于混凝土材料 。 4结 论 ( 1 ) 混凝土和岩石类脆性材料的动态力学性 能与应变 率密切相关， 随着应变率的增大 ， 动态抗压强度和峰值应 变都随之增 大。 ( 2 ) 两类材料的动态抗压强度与应变率近似呈线性关 系 ， 峰值应变与应变率近似呈二次关系 ， 且混凝 土的这种 对应关系的相关性高于岩石材料。 ( 3 ) 两类材料 的动态破坏机制实际上就是材料在吸收 冲击荷载能量后 的一个动态失稳过程 ， 吸收的能量越大 ， 破 坏越严重 ， 且材料的能量吸收性质是 由材料本身特性和应 变率决定 的。 参考 文献 ： 1 武建华 ， 于海祥 ， 李强 ， 等 定围压比作用下混凝土轴向受压性 能试验研究 试验力学， 2 0 0 7 ， 2 2 ( 2 ) ： 1 4 2 1 4 8 2 姜永东， 鲜学福， 许江， 等 砂岩单轴三轴压缩试验研究f J 1 中国 矿业 ， 2 0 0 4 ， 1 3 ( 4 ) ： 6 6 6 9 3 许金余 ， 李为民， 范飞林， 等 碳纤维增强地聚合物混凝土的 S H P B试验研究f J 1 建筑材料学报， 2 0 1 0 ， 1 3 ( 4 ) ： 4 3 5 4 4 0 4 焦楚杰， 孙伟， 高培正 冈 纤维超高强混凝土抗爆炸研究 J 工程 力学， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 3 ) ： 1 5 8 1 6 6 5 】 许金余， 刘石 大理岩冲击加载试验碎块的分形特征研究 岩 土力学 ， 2 0 1 2 ， 3 3 ( 1 1 ) ： 3 2 2 5 3 2 2 9 6 】 陶俊林 S H P B试验技术若干问题研究 D 】 四川： 中国工程物理 研究所 ， 2 0 0 5 7 】 李为民， 许金余 ， 沈刘军 ， 等4 , 1 o o m m S H P B应力均匀及恒应变 率加载试验技术研究 振动与冲击 ， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 2 ) ： 1 2 9 1 3 2 作者简介： 陈腾飞( 1 9 8 9 一 ) ， 男， 硕士研究生， 主要从事防护工程 方面的研究。 联系地址： 陕西省西安市灞桥区空军工程大学工程学院研究生 2队( 7 1 0 0 3 8 ) 联系电话 ： 1 5 9 9 1 6 4 8 3 8 7 p 徐工成功打造全国最大的绿色混凝土示范基地 E I 前 ， 在徐州经济技术开发区， 年产 2 4 0 万 m3 单体投入全国最大 的徐工混凝土示范基地建成投产。 该示范基地全部设 备采用徐工新一代节能环保型混凝土机械产品， 包括 4 套 H L S 1 8 0 搅拌楼、 3 0 台天然气搅拌车、 4台泵车和 2台车载泵。 该 基地采用 G P S云调度 、 E R P智能生产管理等领先技术 ， 智能化水平全行业最高， 全面实现了物料全 回收 、 粉尘 、 噪音 、 废料 、 污水零排放。 该项 目的建成对于推进徐州城市建设 ， 以及提升全市混凝土产业的环保水平和能力 ， 都具有标杆性的示范价 值， 并将面向全省、 全国进行绿色环保站的辐射推介。 这也是徐工积极响应国家“ 绿色混凝土产业升级” 要求的重要举措。 2 2 知 加 舳 加 舳 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m