纳米碳纤维增强混凝土动态劈拉破坏的能耗规律 研究

采用Φ100 mm SHPB试验装置对纳米碳纤维(CNFs)体积掺量为0、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%的纳米碳纤维增强混凝土(CNFRC)进行了动态劈拉试验,分析了CNFRC动态劈拉破坏的能耗规律,并与碳纤维(CFs)体积掺量为0.3%的碳纤维增强混凝土(CFRC)进行了对比分析。结果表明:在动态劈拉破坏过程中,随着入射能平均变化率的增大,混凝土的应变率不断增大。采用二次多项式能较好地拟合应变率随入射能平均变化率的变化规律。CNFs可“加固”混凝土内部结构,从而使得CNFRC的应变率较普通混凝土小。CNFRC的吸收能具有明显的应变率效应和入射能平均变化率效应。在分析混凝土内部能量耗散时,建议采用入射能平均变化率作为自变量。CNFs可以提高混凝土的吸能特性和强度。入射能平均变化率相同时,随着CNFs掺量的增大,CNFRC的吸收能和动态劈拉强度均先增大后减小。CNFs掺量为0.3%时,CNFRC的吸收能和动态劈拉强度均最大。入射能平均变化率相同时,CNFs对混凝土强度的提高效果较CFs差,对混凝土吸能特性的提高效果接近CFs。

不同初始损伤高强混凝土动态劈拉特性试验

为进一步探明既有损伤高强混凝土结构在冲击荷载下的动态劈拉特性,采用分离式霍普金森压杆装置研究了不同初始损伤的两种高强混凝土在冲击载荷下的动态劈拉性能。同时,基于数字图像处理技术对试件进行了裂缝演化监测。结果表明:初始损伤程度相同时,高应变率下C60混凝土的应变率敏感性显著高于C80混凝土;随着应变率的增加,损伤程度较低的试件的应变率敏感度较高,高损伤程度的C80混凝土的应变率敏感程度有所降低;初始损伤程度增大,混凝土内部产生的微裂纹增多,新裂纹形成所消耗的能量明显大于初始损伤造成的试件既有裂纹扩展所消耗的能量;基于DIC技术发现,随着初始损伤程度的增大,C80混凝土的微应变阈值及裂缝开口位移均呈现下降趋势。

基于声发射技术的混凝土动态劈拉试验研究

为了研究混凝土材料在受拉状态时的动态力学性能,采用新型动态无损检测声发射技术进行了不同加载速率下(10-5/s,10-4/s,10-3/s,10-2/s)混凝土劈拉试验,根据实时采集的声发射数据建立了不同加载速率下应力及同步声发射参数与时间的对应关系,并在此基础上分析了混凝土在劈拉破坏全过程中的能量释放特性及规律。结果表明:混凝土在劈裂抗拉破坏过程中不具有典型的三阶段特征,加载前期产生的声发射信号较微弱,材料达到峰值应力时能量信号突然急剧上升;采集的声发射数据能真实地反映混凝土劈拉破坏特性。

混凝土高温动态劈拉行为细观数值分析

为研究高温作用下混凝土的动态劈裂拉伸破坏行为,考虑了力学性能的高温退化与应变率增强效应的联合作用,结合混凝土材料内部非均质性,建立了细观尺度数值分析模型与方法。将该数值方法分为两个步骤:首先对混凝土进行热传导行为模拟,进而将输出结果作为初始条件对混凝土动态劈裂拉伸行为进行细观模拟。在模拟结果与已有试验现象良好吻合的基础上,分析了高温下混凝土动态劈裂拉伸行为及其细观破坏机制,对比了不同应变率及加热温度下混凝土的劈裂拉伸应力-应变关系,揭示了混凝土应变率效应与温度退化效应的相互影响规律。研究结果表明:(1)高温作用后,试件损伤区域较常温下更集中;(2)名义应变率较大时,破坏过程急促,常温下骨料发生破坏,而经历高温后骨料基本没有破坏;(3)由于混凝土试件细观结构的非均质性,其内部应力呈枣核状不连续分布;(4)相比于应变率效应,混凝土劈裂拉伸强度受温度退化作用的影响更显著。

预制与后浇混凝土粘结后的动态劈拉性能

为研究预制与后浇混凝土粘结后混凝土试件的动态劈拉性能,采用74变截面分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,在不同应变率下,对粘结面粗糙度类型不同的试件进行了动态劈拉试验.结果表明:预制与后浇混凝土的动态劈拉强度和动态增大系数均表现出较强的应变率效应;预制与后浇混凝土的动态劈拉应力-应变曲线可分为弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段;混凝土试块出现了径向劈裂、径向与粘结面均劈裂这2种主要破坏形态;试件粘结面粗糙度越大,其动态劈拉应力-应变曲线中屈服台阶越明显,其动态劈拉强度也越大,表现出明显的延性特征.

不同强度混凝土高温下动态劈拉性能研究

采用大直径分离式霍普金森压杆(SHPB)装置和加温装置,在不同温度(20℃、200℃和400℃)下对3种不同强度(C20、C45和C70)混凝土材料开展不同应力率的动态劈裂拉伸实验,得到了温度和应力率耦合作用下混凝土材料的动态劈裂强度及相应的破坏形态。实验结果表明,混凝土材料的动态劈裂强度随应力率的增加而增加,且应力率相近时,其动态劈裂强度随温度的增加而明显降低。在此基础上给出了描述混凝土材料在不同温度下的动态劈裂强度与应力率关系的表达式,并确定了相关材料参数。通过对不同应力率和温度耦合作用下混凝土材料的动态劈裂强度进行横向对比,发现混凝土材料动态劈裂强度的温度敏感性随应力率的增加逐渐减小,并且随着混凝土材料强度的增加其温度敏感性也逐渐变小,但是其动态劈裂强度的应力率敏感性却随着温度的升高逐渐增大。

掺铅锌尾矿砂混凝土动态劈拉性能试验研究

利用Ф100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB),通过改变冲击气压实现了不同应变率条件加载,得到了掺铅锌尾矿砂混凝土的动态劈拉强度、动态增强因子(DIF)、应力-应变曲线和破坏形态,研究了不同铅锌尾矿砂掺量下,混凝土动态劈拉性能与应变率的关系。结果表明:试件的动态劈拉强度和DIF值均随着应变率的增大而增大,表现出明显的应变率相关性,但二者的增大速率呈现出差异性;随着应变率的增大,不同铅锌尾矿砂掺量混凝土试件与压杆接触处的破坏状况变差,试件的完整性变差,且试件沿加载方向的裂缝宽度逐渐变大,并在劈裂面处形成贯通裂缝。

基于声发射的自然与饱水状态混凝土动态劈拉特性对比

为研究自然状态与饱水状态混凝土的动态劈拉特性,进行了不同应变速率(10^(-5)/s,10^(-4)/s,10^(-3)/s,10^(-2)/s)下的径向劈拉试验,对混凝土劈拉强度进行了深入分析,并利用实时采集的声发射数据分析自然状态与饱水状态混凝土在劈拉破坏全过程中的能量释放特性及破坏规律。结果表明:自然状态和饱水状态混凝土的劈拉强度随加载速率的增加而增大。在低应变速率(10^(-5)/s,10^(-4)/s和10^(-3)/s)时,由于自由水的楔入作用,饱水状态混凝土的劈拉强度比自然状态混凝土的劈拉强度小;在应变速率为10^(-2)/s时,由于Stefan效应,饱水状态混凝土的劈拉强度比自然状态混凝土大;饱水状态混凝土的动态增强因子比自然状态混凝土的大,饱水状态混凝土率敏感性更显著;声发射信号特征与混凝土的破坏特性相一致,实时采集的声发射信号可对混凝土的劈拉破坏过程进行较准确的监测。

纤维混杂比例对高强混凝土动态劈拉强度影响的试验研究

为了研究钢-聚丙烯混杂纤维对高强混凝土动态劈拉强度的影响并确定两者较优的混杂比例,采用覫120mm的SHPB压杆装置对两种纤维以不同体积比掺杂的高强混凝土试件进行了动态劈拉试验,得到了较高力加载率下各组试件的动态劈拉强度。通过对比各组试件的计算结果,讨论了两种纤维掺量对试件动态劈拉强度的影响,在本次试验掺量范围内,两者在钢纤维掺量2.5%、聚丙烯纤维掺量0.22%时获得较好的混杂效果。

饱和混凝土劈拉试验动态特性研究

利用大型多功能动静力三轴仪进行了不同应变速率(10-5、10-4、10-3和10-2s-1)下,饱和混凝土劈拉试验,对其峰值应力、峰值应变、弹性模量、吸能能力等物理力学参数变化规律进行了研究,进而分析了饱和混凝土劈拉试验下的各力学参数率效应。从断裂力学角度,分析了饱和混凝土劈拉强度变化机理。基于对具有软化段的Mazars本构模型的改造,构建了饱和混凝土劈拉试验应力-应变全曲线方程。经验证,此模型能够较好吻合试验数据。

地质聚合物混凝土动态劈裂拉伸破坏的吸能特性

以矿渣、粉煤灰为原材料,以NaOH(NH)、Na2CO3(NC)为碱激发剂,制备了C30高流态地质聚合物混凝土GC,并采用经波形整形技术改进后的Φ100mm SHPB试验装置开展了GC的动态劈裂拉伸试验,从入射能量平均变化率、能量的吸收、动态破坏形态间的内在关系入手分析了GC的吸能特性。结果表明:GC的入射波、反射波和透射波能量及吸收的能量随入射能量平均变化率的增加而增大,但增大速率逐渐变缓,总体规律可用二次多项式关系来表示;随着入射能量平均变化率的增加,试件的破坏程度也越加严重,加载端的类似三角形的粉碎性区域的面积也越大,且试样与入射杆接触端面的粉碎区域要大于与透射杆接触端面的粉碎区域;GC与普通硅酸盐水泥混凝土OPCC均存在入射能量变化率效应,但OPCC吸收的能量的增大速率随入射能量平均变化率的增加几乎保持不变,总体规律可由线性关系来表示。

大理岩动态劈裂拉伸的SHPB实验研究

利用直径100 mm的Hopkinson压杆和薄圆形铝片作为波形整形器,用不同弹速径向冲击平台巴西圆盘试样以研究大理岩的动态拉伸强度。分析了试样的应变率、破坏时间、破坏模式,以及破坏过程中的载荷-应变关系,得到了关于大理岩在高应变率下拉伸强度及弹性模量的一些结论。考虑了试样的尺寸大小及两个平台附近应力的时间不均匀性与空间不均匀性对实验结果的影响。同时,利用有限元法对平台巴西圆盘试样的动态应力分布进行了数值模拟,验证了动态劈裂拉伸实验的有效性。

混凝土动态劈裂拉伸试验的数值模拟(英文)

采用LS-DYNA有限元编码程序,对混凝土的动态劈裂拉伸试验进行了数值模拟。给出了混凝土试样在不同类型加栽情况下应力分布之间的差异,证实了动态劈裂拉伸试验的有效性,提出了改进试验方法的若干结论.

短切碳纤维C/SiC陶瓷基复合材料的动态劈裂拉伸实验

为了探究C/SiC陶瓷基复合材料的动态断裂力学行为和破坏形态,利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置对3种不同短切碳纤维体积分数的C/SiC陶瓷基复合材料进行了动态劈裂实验,并利用扫描电子显微镜扫描了C/SiC复合材料试件的破坏界面,分析了C/SiC陶瓷基复合材料的失效特征和增韧机理。实验结果表明:C/SiC复合材料在冲击劈裂实验过程中,同一短切碳纤维体积分数下试件的动态抗拉强度随着冲击气压的增大而增大;短切碳纤维体积分数为16.0%时,材料的抗拉强度最低;冲击后,试件的整体破坏情况与冲击气压、短切碳纤维体积分数有关。

动态劈裂实验的数值模拟及讨论

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)可以进行混凝土类材料高应变率下的劈裂实验,目前公认的方法是通过透射波信号得到劈裂强度和相应的平均应变率。文章通过数值模拟对这种方法的有效性进行了讨论,发现在高应变率下,混凝土劈裂不满足中心开裂条件。因此上述基于弹性静力学平面问题的传统处理方法会产生一定的误差。文章还分析了不同试样尺寸对动态劈裂实验精度的影响。

混凝土类材料动态拉伸强度的微观力学模型

基于水泥砂浆试样动态劈裂拉伸实验,研究了不同加载速率下水泥砂浆材料动态劈裂时的裂纹发生和扩展规律,提出一个微观力学模型。结果表明,微裂纹惯性是混凝土类材料动态拉伸实验中测量到的动态拉伸强度随应变率的增加而提高的一种微观机制。

巴西平台试样尺寸偏差对劈裂实验的影响

文章采用线弹性材料利用数值模拟研究了不同载荷接触条件对材料的动态拉伸力学行为的影响。

两种纤维加筋模拟月壤地聚合物动态劈裂试验研究

为了解纤维加筋模拟月壤的动态劈裂力学特性,选用聚丙烯纤维和玄武岩纤维制备了纤维加筋模拟月壤地聚合物圆盘试件,利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置开展了冲击劈裂试验,并使用扫描电子显微镜观察地聚合物断裂面处纤维的分布排列情况。试验结果表明:当聚丙烯纤维掺量为0.4%时试件的劈裂拉伸强度达到最大,较未掺时提高22.9%~27.3%;相同纤维掺量下,聚丙烯纤维对试件劈裂拉伸强度的增益效果要优于玄武岩纤维;纤维掺量一定时,试件动态劈裂拉伸强度与冲击气压呈正相关,纤维对劈裂拉伸强度的增益效果与冲击气压呈负相关;试件在冲击荷载作用下沿轴向劈裂为相对完整的两半,纤维的掺入减小了试件的破坏程度,改善了脆性破坏;试件的劈裂破碎块度平均粒径随纤维掺量的增加而增大。研究结果为未来月球基地建造材料的选择提供参考。

灰岩和白云岩动态劈裂拉伸的SHPB试验研究

利用改进后的直径为50mm的分离式霍普金森压杆装置,采用5种冲击气压分别对灰岩和白云岩试件沿径向进行冲击加载,对比研究了2种岩石在高应变率下的动态拉伸力学特性。试验结果表明:岩石试件在动态劈裂拉伸试验中满足应力均匀性要求;2种岩石的动态拉伸强度都随着平均应变率的提高而增加,并呈较好的幂函数关系;灰岩的动态拉伸强度对应变率的相关性高于白云岩;白云岩的变形能力强于灰岩,表现出更显著的脆性。从能量的角度分析了不同应变率下2种岩石动态性能的共同特点,有助于合理解释岩石的不同破坏形态。

冲击荷载下高流态地质聚合物混凝土的强度特性

以矿渣、粉煤灰为原材料,NaOH,Na_2CO_3为碱激发剂,制备了强度等级为C30的高流态地质聚合物混凝土(highly fluidized geopolymer concrete,HFGC),并采用经波形整形技术改进后的φ100分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置测试了HFGC在冲击荷载下的强度特性,包括动态劈裂拉伸强度和动态压缩强度.结果表明:HFGC的动态强度特性表现出了明显的应变率相关性,其增强因子可用平均应变率的对数线性表示;动态劈裂拉伸状态下的应变率敏感阀值为5.027 s^(-1),动态压缩状态下的应变率敏感阀值为28.89 s^(-1),动态劈裂拉伸强度的应变率敏感性要比动态压缩强度强;HFGC的动态强度特性的定性趋势与普通混凝土一致,但与普通混凝土相比,HFGC的应变率敏感性因其具备特有的无机缩聚三维氧化物网络结构而更为明显,可以更有效地发挥其在冲击荷载作用下的整体强度特性.由此可见,HFGC是应变率敏感材料.