（安全技术及工程专业论文）混凝土在冲击载荷作用下的损伤效应研究.pdf

性，这表明利用弹性波c t 成像能反映混凝土靶体冲击前的结构特征、冲击后 的破坏和损伤情况。过靶体轴心剖面c t 成像结合平行于冲击面的截面c t 成 像进行分析，能更好地反映损伤破坏区的范围。 利用一级轻气炮进行弹丸对混凝土靶体进行j 下冲击时，在靶体的冲击面 轴心附近形成圆形漏斗状破坏与损伤，漏斗外围是损伤区。对混凝土靶体斜 冲击时，将形成椭圆形漏斗状破坏与损伤，椭圆的长轴一般与冲击面的倾斜 方向基本一致。在相同的声波测试条件下，采用相同的成像方法和伪像处理 手段，对六个靶体的c t 成像结果进行对比，分析发现：在冲击速度相近的 情况下，在实验的靶体冲击面倾角范围内，随着靶体冲击面倾角的增大，椭 圆长轴增大，漏斗区和损伤区的形状逐渐变得不对称；当靶体冲击面角度相 同时，弹丸着靶速度越大，则损伤程度越大：在靶体高度较低的一侧冲击损 伤区范围较大。c t 成像分析得出的这些弹丸对混凝土靶体冲击损伤的规律 与高速摄影观测到弹丸在冲击靶体时的破坏过程和对冲击后靶体破坏的实际 形状与测量结果基本一致。 本研究得出在动能弹冲击作用下混凝土靶体侵彻角对靶体损伤和破坏范 围的影响规律，建立弹速、侵彻角与混凝土损伤范围和混凝土损伤效应的关 系，为防护结构设计和增强弹体侵彻能力的有效途径研究提供基础数据。 关键词：弹性波 冲击损伤一级轻气炮声波测试c t 成像 m a c r o o b s e r v a t e d ，t h ep r o f i l e sw h i c ht h o u g ht h ea x i sa n dp a r a l l e lt ot h ei m p a c t s u r f a c e w e r et e s t e do fa c o u s t i c a n da n a l y s i s e do fc tt o m o g r a p h y a f t e r i m p a c t i n g c o m p a r e dt h ec h a n g e si na c o u s t i cv e l o c i t ya n dt h ed i f f e r e n c e o fc t t o m o g r a p h yb e t w e e nt h es t a t e s ，b e f o r ea n da f t e ri m p a c t i n g ，a n d c o m b i n e dt h e m a c r e d d a m a g ea n a l y s i so f c o n c r e t et a i g e t so f t e ri m p a c t e dt os t u d y i n gt h es c o p e a n dt h ed e g r e eo fi m p a c t i n gd a m a g eo fc o n c r e t et a r g e t s i t f o u n dt h a tt h e c o n c l u s i o no fc tt o m o g r a p h ya n da c t u a lr e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ta r ei ng o o d a g r e e m e n t ，w h i c hi n d i c a tt h a tt h ee l a s t i cw a v ec tt o m o g r a p h yc a nr e f l e c tt h e s t r u c t u r a lf e a t u r e so fc o n c r e t et a r g e tb e f o r ei m p a c t ，t h ed e s t r u c t i o na n dd a m a g e a f t e ri m p a c t a n a l y s i st h ec tt o m o g r a p h yo ft h ep r o f i l e sw h i c ht h o u g ht h ea x i s a n dp a r a l l e lt ot h ei m p a c ts u r f a c e ，h a v i n gab e t t e rr e f l e c tt h er a n g eo ft h ed a m a g e a r e a s a tt h et i m eo ft h ee n e r g ep r o j e c t i l ep o s i t i v ei m p a c tt h ec o n c r e t et a r g e t ， f u n n e l s h a p e do fd e s t r u c t i o na n dd a m a g en e a rt h ea x i so fi m p a c ts u r f a c to ft a r g e t ， a n dd a m a g ea r e ai sal e s i o no ft h ee x t e r n a lf u n n f l a n da tt h et i m eo ft h ee n e r g e p r o j e c t i l eo b l i q u ei m p a c t t h ec o n c r e t et a r g e t ，i tw i l lf o r mo v a l - s h a p e do f d e s t r u c t i o na n dd a m a g e ，a n dt h el o n ga x i so ft h eo v a l i sc o n s i s t e n tw i t ht h e d i r e c t i o no fo b l i q u eo fi m p a c ts u r f a c ei ng e n e r a l l y c o m p a r a e ds i xr e s u l t e so fc t t o m o g r a p h ya n df o u n dt h a t ，a st h ea n g l eo ft h ei m p a c ts u r f a c ei n c r e a s e ，t h el o n g a x i so fo v a li n c r e a s e ，t h es h a p eo ft h ef u n n e la r e aa n dt h ed a m a g e z o n eb e c o m e 一一 mt h er a n g eo fa n g l eo ft h ei m p a c ts u r f a c e ，w h e nt h ea n g l eo f i m p a c ts u r f a c e p o i n to ft h es a m e ，t h eg r e a t e rt h ev e l o c i t yo ft h ep r o j e c t i l ew i t ht h ec o n c r e t e t a r g e t ，t h eg r e a t e rt h ed e g r e eo f d a m a g e ，a n dt h ed a m a g ea r e al a r g e ra tt h e1 0 w e r s i d e , u n d e r l n gt h es a m ec o n d i t i o n so ft e s t i n g ，m e t h o do fc tt o m o g r a p h ya n d m e a n so id e a l i n gw i t ha r t i f a c t s t h ea n a l y s i so ft h ec t t o m o g r a p h yc o n c l u s i o n t h a tt h ed a m a g er e g u l a ro f p r o j e c t i l ei m p a c tt a r g e t ，t h ed e s t r u c t i o no ft h ei m d a c t p r o c e s sa n dt h ea c t u a ls h a p eo fd a m a g eo ft a r g e ti m p a c t e dw i t ht h er e s u i to f t e s t i n gh a v eag o o dc o n s i s t e n t t h i ss t u d yc o n c l u d e dt h e r e g u l a ro fd e s t r u c t i o na n dd a m a g eu n d e rt h ee f f e c t o fp r o j e c t i l ei m p a c tt h ec o n c r e t et a r g e t ，a n de s t a b l i s h e dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ee f f e c to fp r o j e c t i l ev e l o c i t y , p e n e t r a t i o na n g l e a n dt h e r a n g ec o n c r e t ed a m a g e ， e t i e c t so fc o n c r e t e d a m a g ef o rs t r u c t u r ed e s i g na n dt h ee f f e c t i v es t u d yo f e n h a n c ei m p a c ta b i l i t yp r o v i d et h eb a s i cd a t a k e yw 。r d s ：e l a s t i cw a v e ；i m p a c td a m a g e ；t h e o n e s t a g el i g h t g a sg u n ； u l t r a s o n i ct e s t i n g ；c o m p u t e rt o m o g r a p h y ( c t ) 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 v 页 目录 1 绪论1 1 1论文的选题背景及研究意义1 1 2 混凝土冲击损伤效应的研究现状2 1 2 1实验及理论研究现状2 1 2 2c t 技术的研究现状3 1 3弹性波c t 在混凝土损伤检测中的应用现状4 1 4本文的研究内容与方法5 2 混凝土损伤力学特性7 2 1混凝土的宏观力学特性7 2 2 混凝土的细观力学特性9 2 2 1混凝土微观断裂机理分析9 2 2 2混凝土损伤断裂准则9 2 2 3微裂纹的扩展准则1 0 2 3混凝土中的弹性波1 1 2 3 1弹性波速度1 1 2 3 2弹性波在自由边界的反射1 2 2 4混凝土在弹丸冲击作用下的宏观特性1 2 2 4 1弹头形状的影响1 2 2 4 2初速度与撞击能量的影响1 3 2 4 3 侵彻效应13 2 5混凝土损伤的检测方法1 4 2 6 本章小结1 5 3弹丸冲击高强度混凝土的损伤实验17 3 1冲击损伤实验17 3 1 1冲击实验装置17 3 1 2高速摄影观测装置2 2 3 1 3冲击损伤实验方法2 4 3 2冲击损伤实验的结果分析2 7 3 2 1冲击实验宏观损伤的结果与分析2 7 3 2 2 冲击损伤过程的高速摄影结果与分析3 0 3 3 本章小结3 1 第v 页 3 3 3 3 4 2混凝土冲击损伤的声波测试3 3 4 2 1声波测试原理和目的3 3 4 2 2声波测试仪器和测式系统3 3 4 2 3声波测试方法3 5 4 2 4声波测试结果4 3 4 3混凝土冲击损伤的c t 成像5 0 4 3 1c t 成像的原理与方法5 0 4 3 2c t 成像软件5 2 4 3 3c t 反演成像5 2 4 4混凝土靶体在冲击后的c t 探伤实验5 3 4 5混凝土靶体冲击损伤的c t 成像结果5 3 4 5 1混凝土靶体在冲击前的c t 成像结果5 4 4 5 2混凝土靶体在冲击后的c t 成像结果5 6 4 6 误差分析5 8 4 7 本章小结6 1 5高强度混凝土受弹丸冲击后的c t 图像分析6 2 5 1c t 图像的质量分析6 2 5 1 1弹性波c t 图像的伪像处理6 2 5 1 2c t 图像对损伤的反映能力6 9 5 2混凝土靶体冲击后的c t 图像分析7 1 5 2 1对六个靶体冲击后的c t 图像分析7 1 5 2 2靶体截面的c t 图像分析7 3 5 3 本章小结7 5 结论7 7 致谢7 9 参考文献8 0 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果8 6 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1 论文的选题背景及研究意义 混凝土是一种应用广泛的传统工程材料，其应用和研究已有1 0 0 多年历 史，以其良好的易成形性、抗水性、承载能力强等特点，及原料充沛、价格 便宜、适于建设任何尺寸和形体复杂结构等优点，普遍应用于很多结构工程 领域。近年来，战斗部对目标( 如地下工程、机场跑道、重要军事设施) 的 破坏问题往往涉及到对混凝土介质的破坏，已引起世界各国的普遍关注。此 类战斗部的特点首先是对设施上层的混凝土或岩石等进行侵彻，然后是对地 下目标进行爆炸。在某种情况下，侵彻与爆炸同时发生，而混凝土或岩石等 防护层的破坏是战斗部侵彻与爆轰耦合作用的结果。侵彻与爆炸作用时， 冲击载荷的复杂性对混凝土冲击损伤效应的研究提出挑战性的要求心。 深层钻地武器作为未来战争的“杀手铜”之一，主要承担起威慑与有效 打击的双重作战任务。根据新时期我军的军事战略方针，以先进精良的深层 钻地武器装备部队，达到对地下指挥中心的重要战略设备仓库、飞机机库等 地下深层目标的有效打击，掌握战争主动权，加强开展深层钻地武器的研究 工作是具有强烈的作战需求，且是十分必要的b ，。 钻地武器的研制及国防工程建设的需要大大推动了混凝土冲击损伤效应 的研究。长期的研究和实践表明，随着科学技术的发展，传统的混凝土强度 理论，如m o h r c o u l o m b 理论、极限拉应变理论及g r i m t h 强度理论等，在一 定程度上难以胜任现代结构“，人们开始将新的一些破坏理论应用于混凝土 的动态损伤与破坏研究。通过动能弹对混凝土靶体的斜侵彻研究，进一步分 析混凝土的损伤效应和破坏机理。因此研究混凝土类目标侵彻和贯穿的主要 机理和混凝土的破坏规律非常重要。 本研究过程是通过弹丸对混凝土靶体的冲击实验，采用声波测试分析， 并应用弹性波c t 技术对冲击前后的混凝土靶体测试剖面和冲击后的测试截 面进行c t 成像，结合冲击后靶体的宏观破坏现状，研究混凝土靶体在动能 弹冲击作用下的破坏机理和损伤特性，得出混凝土靶体在冲击作用下的损伤 效应等。从而得出在动能弹冲击作用下混凝土靶体侵彻角对靶体损伤和破坏 范围的影响规律，建立弹速、侵彻角与混凝土损伤范围和混凝土力学性能弱 化的关系，为防护结构设计和增强弹体侵彻能力的有效途径研究提供基础数 据。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 混凝土冲击损伤效应的研究现状 1 2 1实验及理论研究现状 混凝土是一种分布不均匀的多相复合材料，其成分、性质和相互比例， 及制备和硬化过程中的各种条件和环境因素，都对混凝土力学性能有不同程 度的影响。由震动、冲击载荷等作用产生的外部应力是混凝土结构损伤至破 坏的主要驱动力1 。混凝土材料的力学性能，尤其是混凝土在其使用过程中 宏观力学性能的损伤机理等非常重要，因此对混凝土损伤破坏理进行研究愈 显必要。关于混凝土损伤效应的研究，从上个世纪七十年代开始发展相当迅 速，在这方面涌现出大量文献。 在国外，r o b o t n o v t 于19 6 9 年引入损伤因子概念。作为一个理论体系， 损伤力学从7 0 年代才开始建立并得到逐步发展。同时，l e c k i er “、h u l t t 、 l e m a i t r e n 、k r a j c i n o v i e 1 和s i d o r o f f “，等学者的为损伤理论的形成和发展做 出重要贡献。d o u g i l l n 叫最早将损伤力学概念用于混凝土材料研究，后来很多 学者先后进入了这个研究领域，提出若干个混凝土的损伤模型和损伤演变方 程，并解释混凝土材料的损伤和破坏现象。l o l a n d 损伤模型和m a z a r s 损 伤模型是较早用损伤力学来研究混凝土单轴拉伸力学行为。随着科术的发展， 岩石和混凝土等非金属材料的动态损伤研究也形成了相应的理论，取得一定 的成就“。美国西北大学的b a z a n t 于1 9 8 5 年在损伤原理基础上提出了微平 面模型”。其实质是认为在细观尺度下裂纹开裂方向是任意的，对普通混凝 土而言，裂纹穿过骨料周围的界面时，裂纹穿过的路径叫做微平面，而微平 面上的应变与总应变动态相关。因此可用微平面上的正应变或剪应变作为表 征损伤的内变量。该模型在概念上非常明确，表征了混凝土的损伤与裂纹扩 展路径有关。 在国内，杨廷毅等在混凝土断裂过程研究中提出了统计微裂缝系模型- 。 此外，杨光松提出了一种微结构损伤模型，利用微结构相对变形来描述材料 缺陷损伤的影响，将目前几种主要损伤模型，如g p r d e b o i s 模型、k r a j c i n o v i c 模型、k a c h a n o v 模型等统一起来，具有较强的实用性，且利用混凝土材料的 单向拉压实验数据得剑验证”i 。1 9 8 8 年，谢和平。1 利用分形理论研究岩石的 损伤断裂，对岩石断口的分形特征进行分析，建立岩石微观断裂的分形模型。 l9 9 4 年，谢和平“描述了脆性材料中裂纹扩展路径的分形特征，并用分形理 论推导出脆性材料裂纹扩展的分形运动学公式，得出了动、静态断裂韧性与 分形裂纹扩展速度、裂纹长度、微结构特征量与分形维数的关系。19 9 5 年， 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 谢和平引用分形理论描述了材料在损伤演化过程中微裂纹分布的分形特征， 探讨脆性材料损伤演化过程中的分形机理，从实验测定分析了材料损伤演化 过程中的分形特征，得出了材料强度和微裂纹分形分布的初步关系。封伯吴 3 1 等系统地综述了混凝土损伤研究的概况，并对有待进一步研究的问题进行 了讨论。李兆霞【2 认为微裂纹的扩展是混凝土徐变和徐变破坏的重要原因。 运用连续介质损伤力学方法分析混凝土的非线性徐变和徐变损伤的演变规 律，用有效应力原理得出弹性徐变藕合损伤的非线性徐变本构方程和徐变损 伤演化方程。冯西桥等用微裂纹扩展区的概念来描述脆性材料的损伤状态，。 可较准确地描述微裂纹的损伤状态，并能解决任意复杂路径下的损伤演化问 题，从而建立一套较完整的脆性材料细观损伤模型。李敏陋引对混凝土损伤进 行了研究，建立四个实用的混凝土损伤模型。李兆霞从理论上分析了脆性固 体在各种应变率下损伤的实验现象，探讨了材料内部损伤的应变率及对材料 变形的影响，并建立了考虑损伤应变率效应的本构模型心 心“。另外，杨光松 等人提出了一种微结构损伤模型。利用微结构的相对变形来描述材料缺陷损 伤的影响，物理机制比较清楚，具有较强的实用性，且利用混凝土材料的单 向拉压实验数据得到了验证【z 。李杰等人提出混凝土细观损伤物理模型，用 于解释高性能混凝土的细观损伤演化特征b 。徐道远教授将损伤力学应用了 混凝土大坝的仿真分析中，取得较好的成果。 以上研究者从不同的角度，不同的实验方法和理论研究了混凝土的损伤 机理。对混凝土在各种动力作用下的损伤特性进行分析，为混凝土在动能弹 侵彻作用下的损伤效研究提供了必要的理论依据。但是，混凝土的损伤特性 是个非常复杂的问题，如何进行有效地实验测试以判断混凝土的损伤状态， 为防护结构设计和增加弹体侵彻能力的研究提供依据是有待解决的问题，需 进行深入研究。 1 2 2 c t 技术的研究现状 伦琴在1 5 9 5 年发现x 射线不久，雷当于1 9 1 7 年提出c t 理论，计算机 层析成像技术( 即c t ) 于1 9 7 2 年首次提出，之后x 射线c t 很快在医学领域 得到应用，开辟了计算医学的新时代。此后，在建筑物裂隙分析，工业探伤 和地震勘探等方面逐步开展了不同程度的研究工作。如地震层析成像，它利 用地震波来重建地下速度图像并确定反射层的深度，及利用天然地震的体播 走时反演地球三维结构等。又如地下电磁波法层析成像，美国和加拿大早于 6 0 年代末和7 0 年代初，在北极和北美地区的冻土带开展了电磁波探测工作， 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 解析北极地区的海水性质( 冰层厚度，冻结层次) ，借以研究极地气候的变化 规律，了解冻土层厚度，以解决工程问题，通过测量积雪厚度和层次关系， 以研究气候的变化。 目前，世界上一些科技发达国家正竞相研究c t 的理论基础、图像重建 技术、扫描系统及装置，并以惊人的速度于8 0 年代初期便完成第四代c t 装 置的研究工作，且在8 0 年代末完成了第五代c t 的研制。现在世界上进行 c t 研制的国家达2 5 个以上，研究和应用领域有航空航天、材料科学与工程、 控制工程、核工业与工程、生物医学与工程、计算机科学与工程、物理、微 电子学以及材料工业、石油、机械工业、冶金、建筑、地质和矿业等。 1 3 弹性波c t 在混凝土损伤检测中的应用现状 弹性波层析成像( c o m p u t e rt o m o g r a p h y ，简称c x ) 技术是根据检测对象 的弹性波速与其物理力学参数有较好的相关性”，利用对象的弹性波速来反 映其内部结构，基于射线理论，在不损伤“检测对象”的情况下，重建物体 内部结构图像，以实现质量检测的目的。利用弹性波c t 技术，可定性地给 出介质内部的速度分布图像“。由于混凝土本身是由砂子、碎石、水泥等组 成的非均匀各向异性复合材料，并具有多孔性和粘弹、塑性，弹性波在其中 传播会产生复杂的反射、折射与透射。近年来，通过诸多学者的努力，取得 了一定的进展，从而使c t 技术在混凝土检测中的应用起到很大的推动作用。 目前c t 技术主要应用在工程地质勘探、混凝土构件和坝堤防渗墙的质 量检测、地基处理和加固效果评价等方面。弹性波c t 成像具有探测结果直 观、可靠性高等优点，在无损检测中具有广阔的应用前景h “。张辉用弹性 波对混凝土结构在火灾损伤程度下进行了研究，认为声速随温度的升高呈明 显的线性下降趋势；商涛平5 ，对弹性波检测混凝土表面损伤层厚度进行研究； 梁鸣川及林维j 下等h 刊对弹性波检测混凝土技术进行研究；刘永前对弹性波 检测混凝土拱桥密实度作实验研究；刘卫东h 叫用弹性波评估混凝土结构抗冻 性；王建东h 州用弹性波检测不同龄期的混凝土强度。杨文采采用带阻尼的 l s q r 迭代算法进行反演成像，将声波c t 技术用于首都机场高速公路某钢 筋混凝土桥台的质量检测。王五平用声波层析成像方法检测了混凝土灌注桩 的质量h “，何良军用弹性波层析成像方法检测混凝土桥墩灌浆加固情况“， 赵明阶用声波层析成像方法对混凝土损伤情况进行了研究，：b o n de t a l 用声 波走时成像对混凝土坝体质量作进行了研究h ”；张震夏等用声波c t 对混凝 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 土大坝缺陷进行了检测“。刘国华将声波c t 用于检测某商住楼混凝土柱的 强度缺陷”，取得较好的效果。 随着钻地弹的出现，人们越来越关注混凝土和岩石等介质在弹丸冲击作 用下的损伤机理和损伤特性研究“，为此进行了各种弹丸冲击混凝土或岩石 的实验，分析其靶体在弹丸冲击作用下的穿孔深度和弹坑形态 4 9 - 5 1 - 。但是对于 岩石和混凝土等具有脆性的介质，在弹丸作用下形成穿孔，产生弹坑等宏观 破坏的同时，还会产生不同程度的内部损伤，如产生内部微裂纹，从而改变 岩石或混凝土的内部结构，降低其强度。因此在分析弹丸穿孔和弹坑破坏的 同时，检测岩石或混凝土在冲击作用下的内部损伤同样是非常重要的。 1 4 本文的研究内容与方法 本文以现有的混凝土损伤理论为基础，通过弹丸对混凝土靶体在一级轻 气炮装置中进行冲击损伤实验，并对混凝土靶体在冲击前后进行声波测试、 弹性波c t 成像，及对冲击后靶体的宏观分析，研究混凝土靶体在动能弹冲 击作用下的破坏机理和损伤特性，得出混凝土靶体在冲击作用下的损伤演化 模型等。从而得出在动能弹冲击作用下混凝土靶体侵彻角对靶体损伤和破坏 范围的影响规律，建立侵彻角与混凝土损伤范围和混凝土力学性能弱化的关 系，为防护结构设计和增强弹体侵彻能力的有效途径研究提供基础数据。 本文的主要研究工作包括： ( 1 ) 混凝土损伤力学的基本原理分析。 ( 2 ) 弹丸冲击高强度混凝土实验：利用西南交通大学高压物理实验室的一 级轻气炮对混凝土靶体进行动能弹冲击损伤实验。利用冲击面为不同倾角的 混凝土靶体实现动能弹对混凝土靶体的斜冲击。实验前对各个混凝土靶体进 行声波测试，运用弹性波c t 成像原理分析冲击前混凝土模型的质量情况。 实验时利用高速摄影机观测动能弹对靶体的作用过程。测量混凝土靶体在动 能弹作用下的破坏范围( 包括侵彻深度和成坑范围) 。 ( 3 ) 弹丸冲击高强度混凝土的损伤实验：首先对冲击实验前的混凝土靶体 过轴心剖面进行声波测试，然后对冲击损伤后的混凝土试件的剖面和截面进 行声波测试、通过冲击前的测试数据进行c t 成像，提出对冲击后同提测试 剖面进行声波测试的改进措施，使冲击后的c t 图像能全面地反映出整个测 试剖面，为之后的c t 成像分析作准备。 ( 4 ) 高强度混凝土受弹丸冲击后的c t 成像分析：首先对探伤实验测试出 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 的c t 图像进行后处理，再将冲击后的混凝土靶体进行比较分析，同时对六 个靶体的成像截面图进行分析比较，研究弹丸侵彻速度与靶体侵角对混凝土 靶体损伤形态、位置及大小的关系。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 2 混凝土损伤力学特性 混凝土作为一种复合材料具有其自身固有的特性，从不同的角度研究混 凝土材料的特性，其方法和内容有所不同，研究内容一般涉及到混凝土的内 部细微结构特性、微应力状态、外部条件的影响及加载历史所引起的变化等。 一般而言，工程结构材料的本构关系是其内部微观或细观机理的宏观表现。 混凝土在外部载荷或外部环境条件影响下的力学行为，与其内部结构是强烈 相关的2 5 ”。研究混凝土特性常用的方法一般分为细观力学方法、微观力学 方法和宏观力学方法。 导致材料结构力学性能劣化的微观结构的变化称为损伤。材料损伤的形 态及演化过程是发生于细观层次上的物理现象，必须用细观观测和细观力学 方法加以研究；而损伤对材料力学性能的影响则是细观的成因在宏观上的结 果或体现。因此，要想完整清晰地了解材料的损伤演化过程，就必须运用宏、 细观相结合的研究手段。为了研究混凝土靶体在冲击荷载作用下的损伤效应， 认识混凝土的损伤力学特性是十分必要的。本章对混凝土的基本力学特性进 行探讨。 2 1混凝土的宏观力学特性 混凝土是用水泥作主要胶结材料，拌合一定比例的砂、石和水，加入少 量的添加剂，经过搅拌、注模、振捣、养护工序后，逐渐凝固硬化而成的人 工混合材料。各种组成材料的成份、性质和相互比例，制备过程中的施工工 艺和环境条件，都对混凝土的构造及力学性能有不同的影响 5 4 - 5 6 ，。因此混凝土 材料在细观上是一种非均匀材料，而宏观水平上，当混凝土的尺寸为最大集 料尺寸的4 5 倍时，混凝土内部的整体分布趋于均匀，可以看作均匀材料。 研究混凝土的力学特性必须充分考虑材料的这种宏细观矛盾。 混凝土在单轴受压状态下的应力一应变全过程曲线，反映了其在各个受 力阶段的变形特点和破坏的过程，包含重要的力学性能指标值，如强度、极 限变形、弹性模量等。混凝土的应力一应变关系是混凝土结构非线性分析的 主要依据，又是混凝土多轴本构关系的基础。 实测的混凝土受压应力应变曲线形状如图2 1 所示，为典型偏态单峰曲 线。 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 - 1的典型受压应力一应变曲线 fig 2 1h ec u r v eo ft y p c aic o m p r e s s e ds t r 8 s $ 一s t r aino fc o n c r e t e 实验时，一般取棱柱体试件来测试混凝土的应力一应变曲线，测试时在 试件的四个侧面安装应变仪读取纵向应变。整个曲线大体上呈上升段与下降 段两个部份。 在上升o c 段( 由o a 段+ a b 段+ b c 段组成) ： o a 段：起初压应力较小，应力o 0 3 f c ，此时主要取决于混凝土内部 骨科和水泥结晶体的弹性变形，应力应变关系呈直线变化。 a b 段：应力o 在( 0 3 o 8 ) 范围，由于混凝土内部水泥凝胶体的粘 性流动，以及各种原因形成的微裂缝逐渐处于稳态的发展过程中，使材料表 现出弹、塑性性质。 b c 段：应力o o 8 f o 之后，混凝土内部的微裂缝进入非稳念的发展阶 段，塑性变形急剧增大，曲线斜率显著减小。当应力到达峰值时，混凝土内 部粘结力破坏，随着微裂缝的延伸和扩展，试件形成若干贯通的纵裂缝，此 时混凝土应力达到受压时最大承压应力om a x ( c 点) ，即轴心抗压强度f c 。 在下降c e 段： 当试件应力达到c 点后，随着裂缝的贯通，试件的承载能力开始下降。 裂缝在峰值应力以后迅速发展，内部结构的受到愈来愈严重的破坏，赖以传 递的路线不断减少，试件平均应力强度下降，所以，应力应变曲线向下弯曲， 直到凹向发生改变，曲线出现“拐点”。“拐点”之后曲线开始凸向应变轴， 此时，只靠骨料间的咬合及摩擦力与残余承压面来承受荷载。随着应力一应 变曲线逐渐凸向水平轴方向发展，此段曲线中曲率最大的一点e 称谓“收敛 点”。收敛点e 点之后的曲线称为收敛段，这时贯通的主裂缝已很宽，内聚 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 力几乎耗尽，对无侧向约束的混凝土试件，收敛段e f 已没有结构意义。 此曲线是混凝土的受压性能和指标的综合性宏观反应，曲线的几何形状 和特征点反映了混凝土受压后的变形、裂缝发展、损伤积累和破坏等全过程 中各阶段的特性。混凝土的受压应力一应变全曲线即图像化的本构关系，是 研究和分析混凝土结构和构件受力性能的主要依据。 2 2 混凝土的细观力学特性 2 2 1混凝土微观断裂机理分析 混凝土材料的力学特性从微观角度上是由其内部的细观结构及其变化决 定的。根据复合材料的观点出发，将混凝土结构分为三级。 第一级为混凝土。可将砂浆视为基相，骨料视为分散相。骨料和砂浆的 结合面为薄弱面，该处常因各种原因产生结合缝。是混凝土破坏的其始位置。 第二级为砂浆。可将水泥视为基相，砂视为分散相。砂和水泥的结合面 也是一个个薄弱面，也产生结合缝，但其尺寸比砂浆和骨料之间的结合缝小 一个量级。 第三级为硬化水泥浆。硬化水泥浆也不是匀质材料，其中包裹着一些未 被水化的水泥颗粒及孔隙，即混凝土内部缺陷。 因此，可将硬化水泥浆胶体视为基相，将这些缺陷视为分散相。水泥浆 体的破坏可能从这些缺陷开始，裂纹由于克服硬化水泥浆分子间的引力而扩 展。未被水化的水泥颗粒尺寸通常比有砂和水泥浆的结合缝至少小几个量级。 2 2 2 混凝土损伤断裂准则 混凝土的破坏是裂纹产生和扩展的结果。n e v i l l er 5 引认为试件尺寸对于强 度的影响与混凝土中随机分布的裂纹有关。基于g r i f f i t h 开创性工作而迅速 发展起来的断裂力学理论为混凝土材料强度理论的研究提供了新的理论基 础。根据线弹性断裂力学理论，有两种主要方法用于研究裂纹前端不发生大 范围屈服时的裂纹扩展规律。 第一种方法，是格罩非斯( g r i f f i t h ) 提出的裂纹失稳扩展临界条件。其 基于裂纹的能量平衡，即认为：若裂纹扩展释放的弹性应变能，克服了材料 阻力所作的功，则裂纹失稳扩展；或若裂纹的扩展将导致裂纹和包含裂纹的 材料的势能降低时，则裂纹失稳扩展。于是，可建立断裂判据： g i ( w u ) = g i c( 2 1 ) 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 式中：g i 表示裂纹扩展单位面积所释放的应变能，w 为弹性应变能，u 是形成表面所需要吸收的能量；g i c 是材料常数，表征材料对裂纹扩展的抵 抗能力，可由实验确定。 第二种方法，欧文( i r w i n ) 提出的裂纹脆性断裂临界条件。是基于对裂 纹尖端应力场的计算，认为：若裂纹尖端的应力强度因子k i 达到某一个临界 值k i c 时，裂纹将失稳扩展。按应力强度因子可建立断裂判据： k i ( y ，a ，o ) = k l c( 2 2 ) 式中：y 是裂纹形状参数，a 是裂纹尺寸，o 是远场应力；k i c 是材料的 断裂韧性，表示材料抵抗裂纹失稳扩展能力的一个物理参量，可由实验确定。 材料常数g i c 和断裂韧性k i c 之间有对应关系，其具体表示为：g i c = k 2 i c e 19 6 1 年k a p l a n 【5 引进行了混凝土材料的断裂韧性实验。此后，国内外更多 的工作是进行各种断裂模式( 包括劈拉模式、三点弯拉模式以及二者的组合 模式) 的实验研究及其断裂韧性的测试，并积累了大量的测试资料，提出了 一系列的应力强度因子计算方法和经验断裂判据。随后，j o h nr 。，实验研究了 混凝土材料断裂韧性的应变率相关性。最近，l a m b e r f 川和t a n d o nr 。 ，又分别研 究了混凝土材料断裂韧性随应变率变化的发展趋势，然而他们却得出了相反 的结论。由此，在一些材料动态特性的研究中仍把断裂韧性看作是一个不变 的材料参数，并取其为准静态下的相应值。 2 2 3 微裂纹的扩展准则 如果混凝土体受到外界因素的作用，则混凝土体中原有损伤将会有所发 展并会导致出现新的损伤，当损伤积累到一定程度时，混凝土体中将会出现 宏观裂缝，而宏观裂缝的端部又将会发生新的损伤及产生新的损伤区，再经 积累而引起裂缝的扩展，直至混凝土体的破坏。混凝土的破坏过程实际上是 损伤、损伤积累、宏观裂纹出现、宏观裂纹扩展交织发生的过程。一般来说， 混凝土的裂纹扩展存在四个阶段： ( 1 ) 预存微裂纹阶段。即在混凝土成形过程中，由于水泥浆硬化干缩，水 分蒸发留下裂隙等原因，使构件中预存原始微裂纹。它们大都为界面裂纹， 极少量为砂浆裂纹，这些裂纹是稳定的。 ( 2 ) 裂纹的起裂和稳定扩展阶段。在较低的应力作用下，构件内部的某些 点会产生拉应力集中，致使相应的预存微裂纹延伸或扩展，应力集中则随之 缓解，如果荷载不再增加，将不会产生新裂纹，卸荷载时少量裂纹还会闭合， 这一阶段的应力一应变关系是线性的。当预存裂纹起裂后，如果继续加载， 有的深入砂浆。有的互相结合形成大裂纹，同时又有新裂纹形成，如停止加 载裂纹扩展将趋于停止，这一阶段的应力一一应变关系是非线性的，通常也 称这一阶段为连续损伤阶段。 ( 3 ) 裂纹的不稳定扩展阶段。当荷载超过临界值时，裂纹将继续扩展，聚 合砂浆裂纹急剧增多，即使荷载维持不变，裂纹也将失稳扩展，造成破坏。 ( 4 ) 完全破坏阶段。 2 3混凝土中的弹性波 混凝土冲击损伤主要是由冲击波作用引起的，随着冲击波传播距离的增 加，冲击波能量损失，很快衰减为弹性波( 即声波) ，弹性波的传播速度与混 凝土的性质有很大的关系。要研究混凝土的动力损伤特性，以及采用声波检 测技术分析混凝土的损伤程度，有必要了解弹性波的性质和传播特性。 2 3 1弹性波速度 弹性波速度是物质的密度、弹性模量、泊松比的函数，而这些因素又取 决于岩体或混凝土的结构特性、物理状态等的变化。弹性波可分为横波和纵 波。 ( 1 ) 横波的传播速度 若波后介质质点的运动方向垂直于波的传播方向，这种平面波称为横波。 其传播速度大小为： 厂i 一 弘希21 万( 2 - 3 ) 式中c 。一一横波速度； e 一一岩石的弹性模量； p 一一岩石的密度； p 一一岩石的泊松比。 ( 2 ) 纵波的传播速度 若波后介质质点的运动方向平行与波的传播方向，这种平面波称为纵波。 其速度大小为： q = 溉 ( 2 4 ) 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 式中c p 一一纵波速度。 当混凝土受到冲击作用时，在混凝土中激发出冲击波，随着传播距离的 增加，冲击波衰减为应力波，即弹性波。弹性波的传播速度波速取决于应力 波的类型和混凝土的物理力学性能。由( 2 3 ) 式和( 2 - 4 ) 可知，纵波速度 大于横波速度，而且混凝土的弹性波速度与混凝土内部的结构、密实度等有 较好的相关性。因此根据混凝土的弹性波速度，不仅可以分析混凝土的物理 力学性质，还可以了解混凝土内部的损伤程度。 2 3 2 弹性波在自由边界的反射 混凝土靶体在弹丸的冲击作用下，将产生压应力波，压应力波传播到自 由面时，会产生反射拉应力波，由于混凝土的抗拉强度远小于抗压强度，当 压应力波较大，反射拉应力超过混凝土的动态强度时，自由面附近会产生拉 伸裂隙。 压力脉冲在混凝土自由面反射形成拉应力的原因在于：一个压力脉冲是 由脉冲头部的压缩加载波和随后的卸载波相互作用( 入射的卸载波与同反射 的拉应力波相互作用) 时就形成合成的拉应力，在自由面附近可能形成混凝 土的断裂。 2 4混凝土在弹丸冲击作用下的宏观特性 人们对混凝土冲击的研究已2 0 0 多年的历史了，在侵彻混凝土实验研究 方面，均假定弹体为刚体，以此来简化侵彻模型。随着混凝土材料在防撞击 和防爆结构中的广泛应用，人们对强冲击载荷作用下混凝土材料所具有的特 性的关注也同益增强。 2 4 1弹头形状的影响 混凝土在弹丸的撞击作用下，产生冲击漏斗区、破裂区、微裂纹区、主 裂纹区。而弹头的几何形状是影响冲击漏斗区、破裂区、微裂纹区、主裂纹 等形状、分布、尺寸的重要因素，其它几何特性相对影响较小。 弹头形状对于靶体内应力场的分布、靶体的破坏形式、弹头的侵彻深度 具有重要的影响。楔形弹头接触作用时，视作线型分布载荷，在靶体内产生 线型接触应力场；锥形、卵形弹头撞击靶体时，看作集中力作用，在靶体内 产生应力场；其它形状的弹头作用时，简化为分布作用面载，在靶体内产生 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 h e r t z i a n 应力场。研究表明，相同的初始能量情况下，弹头形状对侵彻深度 起决定性作用，而弹体的质量、弹体的几何构形对侵彻深度影响并不大。对 各种形状弹头的侵彻实验结论进行比较，发现卵形弹头的侵彻能力优于平头 型弹头。平头型弹头撞击时，在靶体内部产生严重破碎区和大量细微裂纹， 增加的裂纹表面及碎块动能耗散能量较多，因而侵彻深度较小。而卵形弹头 侵彻时，将形成优势裂纹，破碎区相对较小，有利于增加侵彻深度。 2 4 2 初速度与撞击能量的影晌 研究表明，当弹丸冲击混凝土靶体时，弹头的初速度越高，撞击能量越 大，弹头的侵彻能力就越强，混凝土被侵彻后的破坏越大。弹头的初始撞击 能量与弹头的侵彻深度在双对数坐标上具有较好线性关系，也有文献指出两 者成近似平方关系。在一般经验公式中，侵彻深度与弹头着靶速度间为线性 关系。 2 4 3侵彻效应 刚性弹体侵彻混凝土靶的效应分为局部和整体效应，对于有限厚靶体而 言，局部效应包括侵彻过程中靶板正面的剥落和背面的层裂，当侵彻速度足 够大时，产生穿透现象；整体效应包括靶板的弯曲变形。对于半无限厚靶， 侵彻效应主要指侵彻和j 下面剥落。弹丸对混凝土的破坏包括两部分，即弹丸 本身侵彻目标产生的破坏作用和撞击产生的冲击波引起的破坏”。 当弹丸冲击混凝土靶板时，在弹一靶界面处产生很强的应力，并向弹和 靶内部传播应力波。冲击点出的应力最高，远远超出靶板的极限抗压强度， 此处靶板材料被冲击压力破坏的部分成为粉末状。弹丸撞击混凝土障碍物后， 使材料发生压缩和剪切变形，由于混凝土的抗拉强度和抗剪切强度比抗压强 度低，在碰撞点附近产生径向裂纹，从而使大块混凝土破裂并脱落下来，并 产生脱落形成入口漏斗坑。对有限厚度的靶板，如果弹丸速度比较高，在靶 板背后也会产生崩落现象。 随着弹丸的