收藏本站
《哈尔滨工业大学》 2011年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

活性粉末混凝土高温后动力学特性研究

王立闻  
【摘要】:随着现代建筑工程结构向大跨、高层、重载及特殊环境(如核设施、航天工程等)方向发展,普通性能混凝土已经不能满足当代工程建设发展的需要。活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,简称RPC)应运而生,其以细砂为骨料,掺入大量硅灰等矿物掺合料、高效减水剂和微细钢纤维,成型后材料内部结构致密,是一种高强度、高韧性、低孔隙率的超高性能水泥基复合材料。RPC在桥梁结构、高层建筑、军事防护、核电工程及航天工程等领域极具应用前景。然而,随着RPC在工程中的应用,其服役环境也越来越复杂,除了可能经受冲击加载、高温的作用外,还存在高温后承受冲击载荷的情况(如火箭发射台导流槽、发动机点火试验台等)。这对RPC材料的抗火(高温)设计提出了更高的要求,即需要考虑高温后的抗冲击性能。 目前,对于RPC材料高温后抗冲击性能的研究尚比较缺乏。研究RPC材料高温后的力学特性,特别是动力学特性及纤维的影响规律,可以为考虑高温后抗冲击性能的RPC材料抗火(高温)设计提供实验依据和理论指导。 基于以上背景,本文首先针对混凝土材料SHPB实验方法展开研究,以确保SHPB冲击压缩实验的有效性;在此基础上,以RPC材料为研究对象,系统地研究了RPC材料高温后的静、动态力学行为特性,重点分析了温度效应及钢纤维、混杂纤维对RPC材料高温后动力学行为的影响规律;结合高温后微观结构扫描电镜分析,探讨了RPC材料宏观力学性能变化的微观机理;结合细观热力耦合仿真结果,定性地分析了钢纤维抗高温爆裂的机理;依据实验分析结果,对ZWT粘弹性本构模型进行温度项的修正,讨论了修正模型的适用性;最后,利用实验与数值仿真相结合的方法,获得了适用于SHPB冲击压缩应变率范围(102s-1)内的RPC材料HJC本构模型参数。本文的主要研究内容如下: 第一,利用SHPB实验过程数值模拟手段,对混凝土材料SHPB实验方法进行研究。探讨了入射加载脉冲形式的选取原则,从波形弥散、应力均匀性、应变率等指标上评价了三种典型的入射加载脉冲形式(矩形波、半正弦波、三角形波)的优劣,发现半正弦波符合SHPB实验精度要求;分析了试样端面平行度加工精度对SHPB实验结果的影响规律,获得了应变直测法修正的有效范围;明确了波头起始位置的选取方法;最后,利用自制PVDF应力计监测RPC试样端面的应力状态,验证了SHPB冲击压缩实验的有效性。 第二,利用压折试验机和压力试验机对RPC材料高温后静态压缩和弯折性能进行测试。根据实验结果,获得了RPC材料高温后抗压、抗折强度随过火温度的变化规律,并提出了相应的经验公式;分析了钢纤维掺量对RPC材料高温后静态压缩和弯折性能的影响规律;利用SEM扫描电镜对高温后RPC材料微观结构进行观察分析,建立了宏观力学性能与微观结构变化之间的关系;最后,通过细观热力耦合仿真定性分析了钢纤维的抗高温爆裂机理,发现钢纤维减轻了过火时试样的温度梯度,降低了试样棱角处的拉应力值,有利于RPC材料抗高温爆裂性能的提高。 第三,利用SHPB设备对RPC材料进行高温后相近应变率(75~85s-1)下的冲击压缩实验。根据实验结果,分析了RPC材料动态力学性能的温度效应,发现RPC材料动态力学性能的转折温度值约为600℃;研究了钢纤维及混杂纤维(钢纤维+PVA纤维)对RPC材料高温后动力学行为的影响规律,讨论了纤维的混杂效应,发现混杂纤维RPC材料高温后抗冲击性能和材料完整性普遍优于单掺同体积钢纤维的情况,表现出正混杂效应;讨论了纤维掺量的优化设计,从抗高温爆裂及抗冲击性能角度考虑,在本文研究范围内,混杂纤维最优体积掺量为:钢纤维2.0%,PVA纤维0.1%。 第四,利用SHPB设备对RPC材料进行高温后大应变率范围(75~150s-1)内的冲击压缩实验。根据实验结果,分析了高温后RPC材料冲击压缩应力应变曲线的特征;从材料微结构特征和能量的角度分析了应变率效应和温度效应;基于高温后RPC材料动态力学性能的特性,构造了一个包含临界转折温度的修正函数,修正了ZWT粘弹性本构模型并获得相关参数,通过模型预测结果和实验结果对比验证,发现该修正模型适用于描述RPC高温过火后率型本构关系。 第五,利用SHPB实验与数值模拟相结合的方法,在分析HJC本构模型部分参数物理意义的基础上,获得了适用于SHPB冲击压缩应变率范围(102s-1)内的RPC材料HJC本构模型参数,通过仿真重构应力应变曲线与实验曲线对比分析,验证了模型参数的准确性;讨论了模型的适用性,发现HJC本构模型无法准确模拟混凝土材料破碎压实过程的力学行为,该模型只适用于损伤演化不太剧烈的初始阶段。 综上,通过本文的研究系统地得到了RPC材料高温后静、动态力学特性及纤维的影响规律,并从细观的角度分析了钢纤维抗高温爆裂的机理。所取得的研究成果为RPC材料的开发应用、特别是考虑高温后抗冲击性能的抗火(高温)设计提供必要的实验与理论基础,具有一定的工程应用价值和理论指导意义。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TU528

手机知网App
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026