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活性粉末混凝土冲击压缩性能研究

王勇华  
【摘要】: 活性粉末混凝土(RPC)是一种新型超高性能混凝土材料,由于其具有超高强、低脆性、高耐久性且经济环保等优良特性,在土木工程的各个领域具有广阔应用前景。混凝土材料在结构工程应用中,除承受准静态载荷作用外,往往还要承受撞击、爆炸等动载荷的作用,因此了解其动态力学性能是工程应用的关键。 目前关于RPC的研究还局限于改进制备工艺,以及准静态加载条件下材料的力学、物理特性,对其动态力学性能的研究很少涉及。此外,虽然关于混凝土类材料的冲击实验和理论研究已有大量报道,但这类材料具有很强的静水压力相关性,冲击载荷作用下其性能的改变不仅仅是应变率效应引起的,由于惯性效应造成静水压力的改变也会影响其动态力学性能,而以往报道中往往将这二者笼统理解为应变率效应,结果往往高估了材料的应变率效应,由此建立的动态本构模型自然也不能有效反映材料的真实动态力学特性。 本文对钢纤维体积含量分别为0%、1.5%和2.0%的三种RPC材料进行了不同应变率下的冲击压缩实验研究,实验装置为分离式霍普金森压杆(SHPB)。文中给出了不同钢纤维含量RPC材料在不同应变率下的破坏形态、应力~应变关系以及钢纤维含量对RPC材料力学性能的影响。实验过程中还采取了一系列确保动态测试结果可靠性的措施,如:为了减小高频振荡影响和提高加载过程中应变率的均匀性,实验过程中选用了多种整形器,通过实测确定了针对该类材料较为理想的整形器材料和结构尺寸;为了消除试件和加载杆端面不平度造成的实验误差,在动态冲击实验中借鉴了电子万能试验机采用的万向头技术。 RPC是一类应变率和静水压力均敏感的材料,实验得到的冲击压缩强度因子的提高是应变率效应和由于横向惯性导致静水压力提高共同作用的结果。为了对二者加以区分,我们首先通过准静态围压实验得到该类材料静水压力和压缩强度的关系,再通过线性Drucker-Prager模型有限元数值模拟SHPB冲击加载实验,得到不同应变率下由于横向惯性效应造成的材料动态强度因子的提高,进而结合冲击实验结果,得到由于应变率效应造成的材料动态强度因子的提高。在数值计算中,我们还模拟了样品的冲击破坏过程,并对不同加载波形在杆中传播的弥散效应进行了对比研究,进一步验证了本次实验所选整形器的合理性和必要性。


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