（工程力学专业论文）水泥沙浆在围压下的动态力学性能研究.pdf

中国科学技术大学力学与机械工程系 摘要 混凝土材料是世界上使用最广泛的建筑材料。因为它是一种结构复杂的复合 材料，简单加载边界，受力状态下的力学性能并不能反映所有的力学特性，所以 有必要研究混凝土在复杂应力状态下的力学性能。 为此，本文分别进行了水泥砂浆在被动围压，主动围压下的动态力学性能研 究。并与一维应力下的冲击压缩实验进行了比较。实验表明在一维应力加载条件 下，材料的破坏模式主要是翼型裂纹的扩展、连通导致整体失稳；在主动围压和 被动围压下，材料可以发生伪塑性流动，使得材料的抗压强度和韧性都有大幅提 高。同时随着动态加载应变率的增加，在各种加载，应力条件下，水泥砂浆的强 度均有提高，但是水泥砂浆在围压下的动态增强与一维应力下的动态增强有显著 的区别。文中详细研究了试件尺寸，横向约束对一维应力加载下材料抗压强度的 影响以及主动围压，被动围压下水泥砂浆材料表现为应变率敏感的物理机制。主 动围压实验得到了材料流动应力与围压大小的关系，并且发现加载边界对材科的 力学性能有很大的影响。被动围压实验研究了水泥砂浆材料在高静水压力下的伪 塑性变形和体积变形特性以及静水压力与体积应变的关系。最后通过总结水泥砂 浆在主动围压和被动围压下的实验数据，导出了水泥砂浆进入伪塑性后的破坏准 则和破坏面，并研究了水泥砂浆的应变率本构模型。 关键词水泥砂浆围压s h p b 破坏准则动态力学性能 中国科学技术大学力学与机械工程系 a b s t r a c t c o n c r e t ei st h em o s tw i d e l y - u s e dm a t e r i a 1i na r c h i t e c t u r e a si t i so n ek i n do f c o m p o s i t ew i t hc o m p l e xm i c r o s t r u c t u r e s ，m e c h a n i c a lb e h a v i o ru n d e rs i m p l el o a d i n g c o n d i t i o n sa n ds t r e s ss t a t ew i l ln o tr e v e a la l lt h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc o n c r e t e s oi ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h eb e h a v i o ru n d e rc o m p l e xl o a d i n gc o n d i t i o n sa n d s t r e s ss t a t e i nt h i sp a p e r ，c o m p r e s s i v ee x p e r i m e n t so fc e m e n tm o r t a ru s i n gs p l i th o p k i n s o n b a ru n d e ra c t i v ec o n f i n e m e n ta n dp a s s i v ec o n f i n e m e n tw e r ed o n et oi n v e s t i g a t et h e m e c h a n i c a lb e h a v i o r , a l s oe x p e r i m e n t so fd y n a m i ca n ds t a t i ct e s tw i t h o u tc o n f i n e m e n t w e r ed o n ei nc o m p a r i s o n t h ee x p e r i m e n tr e s u rs h o w st h a ts l i d i n gc r a c k se x p a n d ， j o i n te a c ho t h e r , f i n a l l yu n s t a b l et ob et h ec a u s eo ff a i l u r eo fs p e c i m e nu n d e ru n i a x i a l c o m p r e s s i o n b e h a v i o ro fc e m e n tm o r t a rt u r n so u tt ob ep l a s t i cu n d e ra c t i v eo rp a s - s i v ec o n f i n e m e n t ，r e s u hi nag r e a tp r o m o t ei ns t r e n g t ha n dd u c t i l i t y a tt h es a m et i m e ， a ss t r a i nr a t ei n c r e a s e s ，t h es t r e n g t ho f c e m e n tm o r t a re n h a n c e du n d e ra l le x p e r i m e n t a l l o a d i n gc o n d i t i o n s ，b u tt h ee n h a n c e m e n tm e c h a n i s mo fu n i a x i a lc o m p r e s s i o ni so b v i o u s l yd i f f e r e n tf r o mt h eo n eu n d e rc o n f i n e m e n t t h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h es t r e n g t ho fm a t e r i a l ，s u c ha ss p e c i m e ns i z e ，l a t e r a l c o n f i n e m e n t ，w e r ed i s c u s si nt h i sp a p e r , t h em e c h a n i s mo fs t r a i nr a t es e n s i t i v eo fc e - m e n tm o r t a ru n d e rc o n f i n e m e n tw a sa l s os t u d i e dh e r e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf l o w s t r e s sa n dl a t e r a lc o n f i n e m e n tw a sd e r i v e df o rt h ea c t i v ec o n f i n ee x p e r i m e n t , i ts h o w s t h a tt h el o a d i n gc o n d i t i o n sc a ng r e a t l ya f f e c tt h em e c h a n i c a lb e h a v i o r f o r mt h ep a s - s i r ec o n f i n ee x p e r i m e n t ，w ec a ns t u d yt h ep l a s t i cb e h a v i o ru n d e rh i g hh y d r o s t a t i c p r e s s u r e ，a n do b t a i nt h er e l a t i o nb e t w e e nh y d r o s t a t i cp r e s s u r ea n dv o l u m e t r i cd e f o r - m a t i o n f i n a l l y , t h ep l a s t i cf a i l u r ec r i t e r i o na n dp l a s t i cf a i l u r es u r f a c ew a sd e r i v e da c 。 c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n tr e s u l to f a c f i v ec o n f i n e m e n ta n dp a s s i v ec o n f i n e m e n t k e yw o r d s ：c e m e n tm o r t a r , c o n f i n e m e n t ，s h p b ，f a i l u r ec r i t e r i o n ，d y n a m i cb c - h a v i o r 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 虽然混凝土是世界上应用最为广泛的建筑材料，两且无论公共基础建设还是 国防建设都对混凝土材料力学特性的研究有着强烈的需求，但我们对混凝土的真 实物理特性还是知之甚少。研究混凝土的力学性能，主要有两种方法：细观和宏 观。混凝土是由水泥、砂子和粗骨料组成的松散粘结的复合材料，松散粘结带来 的结果是脆性和拉压不对称，如果要从细观的角度去研究它的性能就必须将微观 断裂力学和复合材料力学结合起来，这似乎是一种可行的办法，但因为混凝士的 物理模型相当复杂，所以有效的方法是简化模型。另一种方法是从宏观的方法研 究混凝土的力学性能，如宏观断裂力学等。但c 衍f f i t h 的断裂力学理论应用到混 凝土材料也遇到了相当的阻力。首先，拉压下混凝土的破坏为许多相互作用的 裂缝所控制而并非由单一裂缝的扩展所控制。其次，混凝土并非均匀各向同性材 料，故裂缝在水泥砂浆体和混凝土中扩展不呈直线而是经弯弯曲曲的途径。再次， 混凝土的断裂韧性不是基体的材料性能，骨料的断裂韧性高于水泥砂浆体，水泥 砂浆体的断裂韧性高于过渡区的值，基体的断裂过程由于骨料的脱粘，骨料的断 裂或阻止裂缝的发展使问题变得更为复杂。即使可行。上述的研究方法也不能解 决问题的全部，如在复杂应力条件下，混凝土虽然破坏，但仍然具有相当的承载 能力。因为破坏具有随机性，而破坏后如何发展更是不得而知，目前所作的研究 大多数是混凝土在简单加载条件、一维应力状态下的力学性能，如层裂研究，它 是拉应力引起i 型裂纹扩展起主要作用。在围压作用下，混凝土可以呈现塑性变 形，此时混凝土中较弱相c s h 凝胶的脆性破坏和内摩擦起主要作用，因此要 想清楚地了解混凝土的力学性能还是任重而道远。 1 2 混凝土的结构和主要成分 混凝土内部结构很复杂( 见图1 1 ) ，其成分包括粗骨料、细骨料、水泥水 化产物、未水化水泥颗粒、孔隙及裂纹等。细骨料是指包含于硬化水泥浆中的砂。 第1 章绪论 4 2 3 a g g r e g a t e t r a n s i t i o nz o n eb u l kc e m e n tp e s t e r i g 1 s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no ft h ei r a n s i t i o nz o n em c o n c f 咖，1 ， a g g r e g a m ；2 c a ( o i - i h ：3 ，c s h ：4 + e t t r i n 9 1 t e 【t t 3 图1 1 混凝土复合材料 水泥砂浆基体 水泥砂浆是砂、硬化的水泥浆和水的混合物，可以视为无粗骨料的混凝土， 较有粗骨科的混凝土有均匀往好的优点，因此在实验上常用水泥砂浆代替有粗骨 料的混凝土。硬化水泥浆可以包括硬化水泥浆中的固体部分、空隙、水和细骨料。 硬化水泥浆中的固体部分 水化硅酸钙水化硅酸钙相，缩写为c s h ，又称c s h 凝胶，是一种结晶 不完整的材料，在完全水化的波特兰水泥浆体中占有5 0 6 0 的固体体积，因 此在决定浆体性质时最为重要。其c s 变动于1 5 2 0 之间，其结构水的含量 变动甚至更大。c s h 形貌常变动于结构很差的纤维和错综复杂的网状组织结 构之间。由于c s h 系胶体尺寸且有成簇的倾向，因此只能在电子光学显微镜 的出现后才能分辨。 氢氧化钙氢氧化钙晶体在水化浆体中占固体体积的2 0 2 5 ，对比于 c s h ，氢氧化钙是具有固定化 组成的化合物c a ( o h ) 2 ，是结晶良好的材料， 第1 章绪论 但是它是在自由空间中成长，因而其形状非常复杂。它趋向于形成具有与众不同 的六方柱体形貌的大晶体，其形貌通常受有效空间、水化强度、存在于系统中的 杂质等影响，而变动于不可名状的形貌甚大的板状晶体堆积之间。与c s h 相 比较，氢氧化钙由于表面积非常小，其结果是范德华力所提供的强度潜力有限。 硫铝酸钙在水化浆体中硫铝酸钙化合物占固体体积的1 5 2 0 ，因此在结 构性能关系间仅起次要作用。当水化早期，液相的硫酸盐氧化铝离子，一般有 利于三硫型水化物c 。a s h 。也称钙矾石的形成，它呈针形柱状晶体。在波特兰 水泥中单硫型水化物的存在易使混凝土受硫酸盐的侵蚀。 未水化熟料颗粒一些未水化熟料颗粒取决于未水化水泥的粒径分布和水化 过程，可以在水化水泥浆体中甚至长期水化后的微观结构中发现。现代波特兰水 泥中熟料粒径一般在1 5 0 p , m 之间。随着水化过程发展，首先最小的颗粒溶解 ( 即在系统中消失) ，然后较小的粒子减少。因在粒子间有效空间有限，水化产 物趋于贴近水化熟料颗粒上结晶，外观上造成围绕颗粒的包覆层。水化后期，由 于缺少有效空间，熟料颗粒就地水化，导致形成非常致密的水化物，这些产物形 貌上有时类似于原始熟料颗粒。 水化水泥浆体中的空隙水化水泥浆体中含有大量的空隙，对材料的性质起 重要影响。c s h 中的层间空隙假定在c s h 结构中层间空间的宽度为1 8 五， 在固体c s h 中孔隙率占2 8 ，该尺寸大小不会对水化水泥浆体的强度和渗透 性产生不良作用。但水在这些小孔隙中为氢键所固定，在特定条件下会失去，可 造成千缩和徐变。 毛细孔毛细孔代表未被水化水泥浆固体组分所填充的空间。水泥+ 水的总 体积在水化过程中保持不变。水化产物的体密度比未水化的波特兰水泥的密度要 低得多；据估计1 e l l l ：1 水泥完全水化大约需要2 c 甜空间以容纳其水化物。故水 泥的水化可以看作原来为水泥和水所占的空间越来越多地为水化产物填充的空 间所取代。未被水泥或水化产物所占的空间构成毛细孑l 。毛细孔的尺寸和体积由 新拌水泥浆体中未水化水泥颗粒原本的问距( 即w c ) 以及水泥水化程度所决 定。水化良好的低水灰比浆体中，毛细孑l 在1 0 5 0 n m 范围内；商水灰比浆体中 水化早期毛细孔可大到3 5 9 m 。评价水化水泥浆体特性的较好标准是孔径分布 而非总毛细孔隙率：大于5 0 n m 的毛细孔假定是危害强度和抗渗性，而小于5 0 n m 3 第1 章绪论 的孔则对干缩和徐变具有重要意义。 气孔气孔一般呈圆形，而毛细孔则呈不规则形状。有时工程出于抗冻融循 环的需要而在混凝土中加入引气剂，目的是在水泥浆体中引入非常细小的气孔。 混凝土在搅拌的过程中会陷入大量气孔，其范围在5 0 2 0 0 9 m 。有的甚至可以大 到3 r a m 。水化水泥浆体中陷入和引入的气孔比毛细孔大许多，并对强度和抗渗 性产生不利影响。 粗骨料这里的粗骨料也称集料。骨料由于价格低廉，同时又不与水进行复 杂的化学反应，所以被广泛的作为一种惰性填充料而用于混凝土中。 骨科一股占混凝土体积的7 0 8 0 ，作为混凝土中的含量最多的添加物， 它对混凝土的强度、弹性模量、波松比、断裂能等力学性能都有影响。而这些影 响效果，主要取决于骨料的级配、类型、粒径大小、形状和表面结构等，而与骨 料的化学和矿物组成没有直接的关系。关于这方面的实验和理论研究工作已经进 行了很多，具体结论可以参阅文献。其一般结论可以大致总结为；粗、细骨料若 级配不良会使混凝土拌合物的和易性下降，导致混凝土强度降低：在骨料对混凝 土的密度、弹性模量和尺寸稳定性影响因素方面，骨料的孔隙率和由孔隙率决定 的骨料的密度和强度是最主要的因素，而骨料的化学组成对混凝土的影响相对较 少：骨料的表面形状也对混凝土的性能产生影响，表面越粗糙的骨料与砂浆基体 之间的粘结力就越大，从而使得混凝土的强度和断裂能有所提高；由于通常情况 下骨料的强度相对与砂浆基体和过渡区的强度较高，所以一般骨料对混凝土的强 度无直接影响，但由于混凝土养护过程中在骨料周围形成内部泌水。会使得长条、 扁平的大骨料周围倾向于形成水膜而降低骨料和基体的过渡区强度。从而使得混 凝土的强度有所减弱，即骨料的形状和大小也会间接的对混凝土强度其作用。 过渡区在对混凝土的力学性能研究中，发现有一些无法用砂浆基体和粗骨 料的二相复合物的观点来解释的现象，比如：和压缩相比，拉伸时呈现更明显的 脆性和低一个量级的强度；混凝土的各个组成部分单独的进行单轴压缩实验是都 体现很好的弹性而混凝土本身却表现为非弹性行为；在水泥用量、水灰比和水化 龄期定时，水泥砂浆常常比相应的混凝土强，同时，当混凝土骨料增大时，混 凝土的强度就会下降。进一步的研究发现，在骨料和砂浆摹体之间存在一个化学 成分、矿物组成和细观结构苫i ：与骨料和基体不同的区域，其厚度5 0 1 0 0 m ， 4 第1 章绪论 1 9 5 6 年j a c q u e sf a n a n ”1 将这个区域定义为过渡区( i t z ，i n t e r r a c i a lt r a n s i t i o n z o n e ) ( 见图卜1 ) 。过渡区的结构和性能异于砂浆基体，对混凝土的力学性能影响很 大“，所以利用复合材料的观点去分析混凝土时，需要把过渡区考虑成单独的 一相，即把混凝土视为三相复合材料。 1 3 混凝土力学性能研究现状及进展 1 3 1 混凝土基本力学性能 应变 图1 - 2 混凝土单轴压缩应力应变曲线 图卜2 给出了典型的混凝土轴向压缩时的应力应变曲线，一般把其过程分 成四个阶段嘲： ( 1 ) 在接近3 0 峰值压缩强度之前。混凝土的应力应变曲线基本上是线弹 性的，对应于在材料内部虽然存在一些微裂纹，但此时这些裂纹是稳定缓慢的扩 展。 ( 2 ) 当压缩应力加载到峰值压缩强度的3 0 5 0 时，应力应变曲线开始偏 离直线。这是由于过度区的裂纹以稳定方式扩展，在此阶段基体中只有轻微的开 裂。 ( 3 ) 当压缩应力加载到峰值压缩强度的5 0 7 5 对，应力应变曲线的斜率 第1 章绪论 逐渐增加，材料刚度进一步降低。这时过度区的裂纹继续扩展，并延展到砂浆基 体中，随着基体的开裂，原先孤立的裂纹开始连接起来，发展成为一个更为广泛 和连续的裂纹体系。通常把0 7 5 0 ( 峰值压缩强度) 的应力称为不稳定断裂开始应 力或者临界应力。 ( 4 ) 当载荷加至7 5 的峰值压缩载荷时，应力应变曲线明显弯曲。对应的 过渡区和水化水泥砂浆体内的裂纹迅速扩展，并相互连通，形成连续的裂纹系统， 裂纹体系变得不再稳定，于是破坏发生。混凝土在单轴拉伸载荷作用下的应力应 变曲线类型、弹性模量和泊松比均与在单轴压缩时观察到的性质有相似之处。同 抗压强度z 相比，混凝土的抗拉强度z 要低得多，差不多要低一个数量级，一般 两者的关系为z z = o 0 7 一o 1 l 。 1 3 2 复杂应力、加载边界下混凝土的力学性能 混凝土( 水泥砂浆) 在复杂加载边界和应力下的力学性能“7 “是研究者多 年来感兴趣的对象。混凝士在围压下的强度和韧性较一维应力状态下都有大幅提 高，如f r p ”1 、钢管约束混凝土的强度常常比无约束情形下高一倍以上。但是大 多数现有的研究都仅仅限于静态加载。由于混凝土材料的复杂性，以及实验条件 的多样性，要得到混凝土统一的强度准则是相当困难的，目前的强度准则多是以 回归实验数据为主的经验公式”1 ，多为经典混凝土破坏准则的推广。 混凝土的破坏模式“”3 “”1 可以是张拉破坏剪切破坏以及混合模式等。如要 确定混凝土的破坏准则，就至少需要确定五个强度特征值：单轴抗压强度五、单 轴抗拉强度z 、双轴等值抗压强度( 双轴抗压强度) 五。、双轴等值抗拉强度( 双 轴抗拉强度) 五，以及三轴等值抗拉强度六，。而且实验过程中加载边界因素也可 以耦合进来，如尺寸对混凝土强度的影响等“”，导致混凝土的实验数据离散。不 但如此，由于混凝土具有特殊的微观结构“，其中的孔隙在高静水压作用下，会 被压垮，导致微观结构破坏，这就给混凝土的本构研究带来了很大的困难。研究 混凝土完整的本构关系的可行办法是首先根据应力状态、加载边界确定主要的破 坏模式，再根据破坏模式确定应该选取的本构。 6 第1 章绪论 1 3 3 复杂应力加载技术 复杂应力准静态加载技术主要有：三轴应力加载，如大连理工大学海岸和近 海工程国家重点实验室的大型混凝土静动三轴试验系统“”：附加液压加载单元的 材料测试系统“”“们( 如图1 3 所示) ，类似的系统有武汉岩土所的r d t 一1 0 0 0 0 型岩石材料动态实验机等。“，其使用范围也是最广泛的。 s e c t i o na a 舯 f j 暑1 s c 啦d 畎, i a e d m 缸也e l z i , n 瞳1 c 雠 图1 3 三向加载单元简图 复杂应力下的动态实验方法主要是联合应用分离式h o p k i n s o n 压杆( s h p b ) 和被动围压装置、主动围压装置。h o p k i n s o n 压杆装置是一种简单有效的动态加 载方法。可以达到1 0 1 0 3l s 的加载应变率，并实现几百m p a 的轴向应力加载。 被动围压装置主要是通过在试件外围施加约束，当试件发生横向变形是就会产生 围压，通过控制外部的约束可以部分改变围压的大小。最常用的约束方法是将试 件置于钢套之中，施绍裘m 1 、m a l v e m 旧：等在研究复杂应力下水泥砂浆的动态力 学性能就莱瑁了这种方法。使用这种方法可以轻而易举地达到几百m p a 的围压。 比较丽等，用主动围压装置实现s h p b 实验过程中的围压加载就榭i j 困难。 7 第1 章绪论 g 6 r a r d g a r y 等”设计了用于动态实验的主动实验装置如图1 - 4 所示。 图1 4g 6 r a r dg a r ys h p b 主动围压简图 实验前，先使轴向预加压力与围压大小相等，再通过子弹撞击加载，实验过 程中试件受三向油压作用。但是实验装置过于复杂，直接影响了实验可操作性。 1 4 本文的主要内容 本文主要研究内容是水泥砂浆在围压状态下的动态力学性能，为此设计了适 合s h p b 加载的主动圈压装置( 围压3 0 m p a ) ，并且徽了水泥砂浆在准静态、 一维应力、主动围压和被动围压下的比照实验。准静态实验发现水泥砂浆材料是 尺寸敏感的动态实验则研究了不同加载条件下水泥砂浆的应变率效应。分析了 不同应变率效应的产生机理和区别。在主动围压条件( 围压s 3 0 m p a ) 下，发现 水泥砂浆材料可以发生伪塑性变形和少量的体积变形，而在被动围压( 围压 4 5 0 m p a ) 下，材料除了发生伪塑性变形，还有大量的体积变形。 文章的最后一部分综合了以上的实验数据，并研究了水泥砂浆进入伪塑性后 的破坏( 屈服) 准则。 参考文献 f 1 】pk u m a rm e h t a 混凝土的结构、性能与材料【m 】同济大学出版社1 9 9 1 【2 】f a r r a nj c o n t r i b u t i o nm i n e r l o g i q u eal e t u d ed e1 a d h e r e n c ee n t r ec o n s t i t u a n t sh y d r a t e sd e s i m e n se tl e sm a t e r i a u xe n r o b e s 【j 】m a t e r i a u xe tc o n s t r u c t i o n s1 9 5 6 ：1 5 5 7 2 【3 】o l l i v i e rj p , m a s oj c ，b o u r e d t t ebi n t e r r a c i a lt r a n s i t i o nz o n ei nc o n c r e t e j a d v a n c e dc e m e n tb a s e dm a t e r i a l s1 9 9 5 2 ( 1 ) ：3 0 - 3 8 f 4 】m u s t a f at o k y a y , t a h i rc e l i k e f f e c to f c o a r s ea g g r e g a t es i z ea n dm a t r i xq u a l i t yo ni t za n d f a i l u r eb e h a v i o ro fc o n c r e t eu n d e ru n i a x i a lc o m p r e s s i o nt u l i na k c a o g l u j ，c e m e n t & c o n c r e t e c o m p o s i t e s 2 6 ( 2 0 0 4 ) ：6 3 3 6 3 8 ， 5 d “! 二- 断裂、损伤理论及应用 m ；+ ：7 # 大学出版社1 9 9 2 年1 2 月 第1 章绪论 【6 】w a t s o ns ，z a h nf a ，p r a kr c o n f i n i n gr e i n f o r c e m e n tf o rc o n c r e t ec o l u m n s j j o u r n a lo f s 觚c t u r ee n g i n e e r i n g 1 2 0 ( 6 ) ：1 7 9 8 1 8 2 4j u n1 9 9 4 【7 】s h a h a w ym ，m i r m i r a na ，b e i t e l m a nt t e s t sa n dm o d e l i n go f c a r b o n - w r a p p e dc o n c r e t ec o l - b l n n s 田c o m p o s i t e sp a r tb - e n g i n e e r i n g2 0 0 031 ( 6 7 ) ：4 7 1 4 8 0 【8 】x i a oy ，w uh c o m p r e s s i v eb e h a v i o ro f c o n c r e t ec o n f i n e db yc a r b o nf i b e rc o m p o s i t e j a c k e t s 叽j o i r n a l o fm a t e r i a l si nc i v i le n g i n e e i u n g2 0 0 0 3 ( 2 ) ：1 3 9 1 4 6 ( 9 】a n o t o n i on a n n i ，n i c km b r a d f o r d f r p j a c k e t e dc o n c r e t eu n d e ru n i a x i a lc o m p r e s s i o n j c o n s t r u c t i o na n d b u i l d i n g m a t e r i a l s v 0 1 9 ，n o 2 ，p p 1 1 5 1 2 4 。1 9 9 5 【1 0 1 钱在兹，钱春混凝土在复杂受力状态下的统一强度准则【j 】，土木工程学报1 9 9 6 ，4 ( 2 ) ： 4 6 5 5 ， 【1 1 】宋玉普，赵国藩，彭放等三向应力状态下钢纤维混凝土的强度特性及破坏准则【j 1 土 木工程学报1 9 9 4 ，6 ( 3 ) ：1 4 - 2 3 1 2 】b a z a n tz p c o n c r e t ef r a c t u r em o d e l s ：t e s t i n ga n dp r a c t i c e j e n g i n e e r i n gf r a c t u r e m e c h a n i c s6 9 ( 2 ) ：1 6 5 - 2 0 5j a n2 0 0 2 i t 3 1b o e e ap c a r p i n t e da ，b a l e m es m i x e d - m o d ef r a c t u r eo f c o n c r e t e j i n t e r n a t i o n a lj o u r n a l o f s o l i d a n ds 蜘j c t u r e s 1 9 9 1 2 7 ( 9 ) ：1 1 3 9 1 1 5 3 【1 4 】c a n d o nd a ，g a l v e zj c ，e l i c e sm ，e ta 1 m o d e l l i n gt h ef r a c t u r eo f c o n c r e t eu n d e rm i x e dl o a d - i n g j ，r n t e r n 棚o n a l o u r n a lo ff r a c t u r e2 0 0 0 1 ( 3 ) ：2 9 3 3 1 0 【1 5 】黄海燕，张子明混凝土的统计尺寸效应河海大学学报2 0 0 3 3 ( 3 ) ：2 9 1 - 2 9 4 【1 6 】p a n t a z o p o u l o us j ，m i l l sr h m i c r o s t r u c t u r a la s p e c t so f t h em e c h a n i c a lr e s p o n s eo f p l a i n c o n c r e t e j a c i m a t e r i a l sj o u r n a l 9 2 ( 6 ) ：6 0 5 6 1 6 n o v - d e c1 9 9 5 1 1 7 】吕培印，宋玉普，侯景鹏一向侧压混凝土在不同加载速率下的受压试验及其破坏准则 【j 1 工程力学2 0 0 2 1 0 ( 5 ) ：6 7 7 1 1 8 】h b l i ，j z h a o , t j l i t r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t so nag r a n i t ea td i f f e r e n ts t r a i nr a t e sa n d c o n f i n i n gp r e s s u r e s j ，i n t e r t i u n a lj o u r n a lo f r o c km e c h a n i c sa n dm i n i n gs c i e n c e 3 6 ( 1 9 9 9 ) ： 1 0 5 7 1 0 6 3 ， 【l9 】d p c a n d a p p ae ta 1 s t r e s sv e r s n ss t r a i nr e l a t i o n s h i po f h i g hs t r e n g t hc o n c r e t eu n d e rh i g h l a t e r a lc o n f i n e m e n t j ，c e m e n ta n dc o n c r e t e r e s e a r c h2 9 ( 1 9 9 9 ) ：1 9 7 7 1 9 8 2 【2 0 1 谢和平，董毓利，李世平不同围压下混凝土受压弹塑性损伤本构模型的研究f j 】， 煤炭学报，1 9 9 6 。2 1 ( 3 ) ：2 6 5 - - 2 7 0 【2 1 1 李海波花岗岩材料在动态压应力作用下动态力学特性的实验与模型研究 ( m ) 1 9 9 9 1 0 【2 2 施绍裘，江瑛，李大红王礼立水泥砂浆石在准一维应变下的动态力学性能研究【j ， 爆炸与冲击2 0 0 0 ，2 0 ( 4 ) ：3 2 6 - - 3 3 2 2 3 jm a l v e mle ，l e n k i o n sda ，t a n gtx ，e t e d y n a m i cc o m p r e s s i v et e s t i n go f c o n c r e t e 江】 p r o c e e d i n g so f 2 n ds y m p o s i u mo nt h ei n t e m a t i u n a lo f n o nu n c l e a rm u n i t i o n sw i t hs t r u e t u ! e s j ， 9 第1 章绪沦 f l o r i d a - u sd e p a r t m e mo f d e f e n s e 1 9 8 5 ：1 9 4 - - 1 9 9 2 4 1g e r a r dg a r y , p a t r i c eb a i l l y b e h a v i o u ro f q u a s i - b r i t t l em a t e r i a la th i g hs t r a i nr a t e e x - p e r i m e n ta n dm o d e l i n g i ，e u p o p e a nj o u r n a lo fm e c h a n i c s a s o l i d s ， 1 9 9 8 ，1 7 ( 3 ) ：4 0 3 - - 4 2 0 1 0 第2 章囝压装置及水泥砂浆围压实验 第2 章围压装置及水泥砂浆围压实验 2 1 水泥砂浆的一维应力试验 分离式h o p k i n s o n 压杆是目前研究材料动态力学性能最常用的手段【1 1 2 1 ，本 文中水泥砂浆的所有动态实验均在0 3 7 的分离式h o p k i n s o n 压杆( s h p b ) 上进 行，杆的材质为钢。 2 1 1s h p b 实验装置及基本原理 s h p b 实验装置简图如下图所示： 撞击杆入射轩 透射杆吸收杆 阻尼器 图2 1 分离式h o p k i n s o n 压杆及测试装置 当枪膛内的子弹( 打击杆) 以某一速度撞击输入杆时。在杆内产生一个入射 脉冲，试件在该脉冲作用下发生高速变形，与此同时在压杆中产生往回的反射脉 冲和向前的透射脉冲。通过对这三个脉冲间关系的计算，可以得出试件的动态应 力应变关系，从而避开了在试件上直接测量应力应变的困难，因为在冲击条件下 确定材料的应力应变关系，通常需要在同一位置同时测量随时间变化的应力和应 变，这不是一件容易的事。因此该方法构思巧妙，方法简单，结果准确，因而成 为研究材料动态特性中最常用，也是最重要的手段之一。 s h p b 装置利用入射和透射杆上的两个应变片测得的入射、透射和透射波形 推导出试件的应力和应变。当子弹以v 0 速度撞击入射杆时，在入射杆中产生入射 波f ，( f ) ，被应变片l 记录下来，当入射波传播到试件位置时，它推动试件开始变 第2 章 围压装置段水泥砂浆围压实验 形，部分波形沿入射杆向回反射，形成反射波( f ) 。也被应变片l 所记录。部 分波形进入透射杆向前传播，形成透射波s 。9 ) ，并被应变片2 记录下来，s h p b 装置测得的典型波形如图2 2 所示。 2 0 03 0 04 0 0 t i m e ( i x s ) 图2 - 2s h p b 典型波形 一维假设：压杆中的波传播必须是一维的，杆上应变片测得的杆的表面应变 才能代表压杆整个横截面上的轴向应变，试件和压杆的变形可以近似为一维应力 状态下的变形。由此得到的试件的应力和应变数据的结构最简单，不需要再做处 理，便于研究材料的本构关系。另外，压杆的一维近似使得压杆表面应变片测试 位置的轴向变形可以与整个截面上的轴向变形等价。 均匀性假设：试件均匀变形，试件中的应力和应变均处于均匀状态。因为试 件的应变是由试件两端面的位移推导得到的平均应变，试件只有在均匀应力作用 下均匀变形平均应力和应变的概念才可以代表材料的真实性能。 有了上述假设，试样的平均应力c r , ( t ) 、平均应变率毫( r ) ，平均应变e a t ) 分 别为： o 肿 啪 暮吾 似 加 一吾cie暑 第2 章围压装置及术泥砂浆围压实验 啪) 酱 删鸲 驰) 专胁f ) - 咄h ( f ) 】出 ( 2 1 ) 毫( r ) ：争【b p ) 一t ( r ) ( f ) 】 ， 上式即为s h p b 数据处理采用的三波法啪。 根据试样均匀性假设，再按一维应力波理论有： 岛( ，) + ( ，) = ( f ) ( 2 2 ) 因此可以有入射e a t ) 、反射占，( f ) 和透射s a t ) 波中的任意两个均可以得到试 样的应力q ( ，) 、应变率毫( r ) 和应变e a t ) 如果利用入射波q ( r ) 和透射波( f ) ， 可以得到： 啪) = 等驰) 删= 丁2 c o ”, ( f ) 一删】硪 ( 2 3 ) 讹) 卑刊】 上式郎为s i p b 数据处理时可采用的两波法。 2 1 2 试件应力均匀性要求 实验过程中应力应变均匀性“1 能否满足是s h p b 实验是否有效的关键条件。 r a v i e h a n d r a n 等“建议应力波在试件中来回反射四个来回后，试件可以达到应力 均匀，因此在初始加载阶段，无法满足应力均匀条件，而这时得到的应力应变初 始段( 主要是弹性段) 是不准确的。但是混凝土等脆性材料的破坏应变很小，为 了得到可靠的应力应变波形，必须解决加载段应力均匀性问题“1 ，为此，人们提 出了三种解决方案： 1 、减小试件的长径比：减小试件的长度，可以减少加载脉冲来回反射时间， 以快速实现试件应力应变的均匀化。缺点是会使试件横向惯性效应和试件和杆端 的摩擦效应显著起来。 2 、增加脉冲宽度：对于波速较小的材料，保证足够的加载时间以获得足够 的反射次数，达到应力应变的均匀。但脉冲宽度受到子弹和输入杆长度的限制。 第2 章圈压装置及水泥砂浆围压实验 3 、脉冲整形技术”“”：通过脉冲整形，可以将陡峭的入射波上升沿改造成缓 慢上升的斜坡波形，使得试件在加载过程中保持动态均匀。 由于混凝土试件受材料均匀性的限制，因此试件不能做得太薄。混凝土破坏 应变很小，增加子弹长度并不能使试件应力均匀。脉冲整形技术不但可以增加脉 冲上升延，消除高频振荡，还利于应力均匀化，减少波形弥散，因而在混凝土等 材料的s h p b 实验中广泛采用。 2 1 3 水泥砂浆一维应力s h p b 实验 一维应力实验装置如图2 一l 所示，水泥砂浆试件尺寸约为西3 6x1 7 5 ，静态 压缩强度( z ) 为4 5 m p a ，由于实验中应力集中对材料强度的性影响很大饽1 ，因 此要求试件的受力表面平行度和平面度均小于o 0 5 m m 。d l g r o t e 等“利用 s h p b 做了水泥砂浆在2 5 别s 1 7 0 0 s 应变率下的动态压缩实验，但因为水泥砂浆 在一维应力加载下的破坏应变很小( 第2 章围压装置及水泥砂浆围压实验 处理得到水泥砂浆在一维应力加载下不同应变率下的应力应变曲线如下图 所示： 哪 也 苫 百 图2 4 一维应力不同应变率下的轴向应力应变曲线 2 2 水泥砂浆的被动围压试验 2 2 1 实验装置 被动围压下的s h p b 实验装置仍可参见图2 1 ，其试件如图2 5 所示。 图2 - 5 被动围压装置试件效果图 第2 章围压装置及水泥砂浆围压实验 图中被动围压的钢套的外径为( 9 6 7 m m ，厚度为1 7 m m ，钢套内部的水泥砂 浆仍按照c 3 0 强度配比制作。钢套内壁涂有一层石蜡，以减小动态加载时试件 与钢套间的摩擦力，水泥砂浆试件和钢套间的间隙以环氧树脂填充。由于硬化后 的环氧树脂强度很高，而且厚度很薄，在冲击加载时它并不会被挤出，因而试件 的变形和所受围压的大小皆可以由钢套内壁的压力和变形求得。 要测量钢套内壁的压力和变形并不方便，因而在钢套的外壁环向贴上应交 片，以测量钢套的环向应变，再转换成内壁所受的压力和变形。 2 2 2 被动围压实验结果及数据处理 被动围压实验中入射杆、透射杆及钢套外侧应变片测得的原始波形如下。 0 4 一 艺 吕0 2 壁 墨 0 0 - 0 2 0 4 1 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 0 t i m e ( u s ) 图2 6 被动围压s h p b 原始波形和围压波形 材料的轴向应力应变曲线可以根据常规s h p b 数据处理过程得到，实验中得 到的不同应变率下的轴向应力应变曲线如下图所示： 1 6 第2 章囝压装置及水泥砂浆围压实验 s t r a i n 图2 - 7 被动围压不同应变率下的轴向应力应变曲线 在被动围压实验中，我们还需要知道的量有试件所承受的围压和试件的环向 变形，而这两个量都可以通过测量厚壁钢套外壁的环向应变得到。 由厚壁圆筒弹性理论“( 整个实验过程中，钢套一直处于弹性状态) 可得钢 套外