（力学专业论文）两类新型混凝土材料动态性能的实验研究.pdf

里坠坠兰垫童奎篁至塞篁璧兰篁鎏圣 摘要 白密实混凝土和m d f 水泥已成为当代高性能混凝土材料的两个研究热点，对其动态力 学性能展开研究有着十分重要的意义。 本文以m d f 水泥和不同强度等级的自密实混凝土为主要研究对象，从材料动态力学性 能及本构关系等方面研究其动态力学行为。 ( 1 ) 通过s h p b 实验，获得了m i ) f 水泥和自密实混凝土c 4 5 、c 5 5 、c 6 5 在应变率 1 0 1 s 4 1 0 3 s - 1 范围的应力应变曲线。在s h p b 实验中，通过采用整形器技术，对试件实现了 应力平衡和常应变率加载。 ( 2 ) 根据实验得到的应力应变曲线，对两种混凝土材料的力学性能进行了研究，结 果表明这两种混凝土材料都具有应变率效应，且不同强度等级的自密实混凝土应变率效应 基本相同。 ( 3 ) 实验结果还表明，自密实混凝土强度越高，其破坏应变越大，且远远大于一般 需振捣密实的混凝土，达到7 9 。 ( 4 ) 根据实验结果建立了本构模型，对两种混凝土材料在不同应变率下的压缩力学 特性进行了拟合，拟合结果与实验结果相差不大。 本文对自密实混凝土和m d f 水泥的动态力学性能及其本构关系做了探索性的研究，拐 步揭示丁这两种材料的某些力学行为特征，为其进一步研究及工程应用提供了有益的认识 和实验依据。 关键字；自密实混凝土，m d f 水泥，s h p b 实验，入射波整形，动态力学性能， 应变率效应，本构关系 - m 里堕坠兰垄垄查茎塑垒耋璧兰堡墼兰 a b s t r a c t s e l f - a o m p a c t i n gc o n c r e t e ( a b s c c ) a n d c r o d e f e c t f r e e ( 曲f ) c e 隋n t s h a v eb e c o m et w oi m p o r t a n to r i e n t a t i o no f h i l g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t em a t e r i a l s ，a n ds t u d yo f d y n a m i c a lp r o p e r t i e so f t h e t w oc o n c r e t em a t e r i a l sb e c o m e1 i l o r ei m p o r t a n t i nt h i sp a p e r , m d fc e m e n t sa n ds c cw i t hd i f f e r e n ts t r e n g t h ( s u c ha sc 4 5 ，c 5 5a n dc 6 5 ) h a v e b e e ns t u d i e do nt h e i rm a t e r i a ld y n a m i c a lp c r f o n r m u e ea n dc o n s t i t u t i v er e l a t i o n ，a t e ( 1 ) d y n a m i cc o m p r e s s i v es t r a s s - s t r a i nc v e so f 也em d fc e r n e d t sa n ds c c a r eo b t a i n e da t d i f f e r e n ts t r a i nr a t e sf r o m1 0 s 。1t o1 0 0 0s b ys t t p bt e s t s ap u l s es h a p i n gt e c h n i q u eh a s b e e nu s e di nt h es p l i th o p k i n s o nb a r ( s h p b ) e x p e r i m e n t s ，f o re n s u r i n gt h es p e c i m e ni n d y n a m i cs t r e s se q u i l i b r i u ma n dl o a d e du n d e rc o n s t a n ts t f a l ar a t ed u r i n gt h et e s t ( 2 ) d y n a m i c a lp r o p e r t i e so ft h et w oc o n e s c t em a t e r i a l sh a v eb e e na n a l y s e db a s e do i lt h e c o m p r e s s i v es t t e g s - s t r a i nc u r v e sa td i f f e r e n ts t r a i nr a t e s , w h i c hs h o wt h a tt h et w oc o d c y g = t o m a t e r i a l sa s es e n s i t i v et ot h es t r a i n r o t e s , a n dt h e 如曲e l t h es t r e n g t ho ft h es c c ，t h em o r e s e n s i t i v et h em a t e r i a lp r o p e r t i e st ot h es w a j x lr a t e ( 3 ) t h ee x p c r i m e n m lr e s u l t sa l s os h o w e dt h a tt h eh i g h e rt h es t r e n g t ho fs c c t h eh i g h e rt h e f a i t u r e8 t t - - & i no f s c c t h e f a i t u s es t r a i n o f s c c i sa b o u t7 9 m h i c h i s f a r h i g h e r t h a n t h a to f g e n e r a lv i r b r o - c a s t i n gc o t c p e t e ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t n lr e s u a so ft h et w oc o b e r f - t em a t e r i a l su n d e r d i f f e r e ms t r a i n “惦t h ec o n s t i t u t i v er e l a t i o n sh a v eb e e ne s t a b l i s h e df o rt h ec o m p r e s s i o nb e h a v i o ro ft h e t w oc o n c r e t em a t e r i a l s t h ei o b so f sd i s s e r t a t i o nr e v e a ls o m ed a r a c t e r i s t i e so f d y n a m i cm e c h a n i c a lb e h a v i o r so f t h e t w o 刚疆d 砖m a 两山，a i i m e e x p e f i m c n t a ) , r e 刘d t s a n d e n a l y s i s 沁t h i s p a p e r p r o v i d e a g o o d e x 口1 0 r a d o 口f o rf o 曲e rr e s e a r c h e sa n da p p l i c a t i o n so ft h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h es c c a n d m d fc , e m e n t 3 k e y w o r d s ：s t i r - c o m p a c t i n gc o n c r e t e , m d fc e m e n t s ，s h p be x p e r i m e n t , p u l s es h a p i n g , d y n m u i em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，s l m i n - r a t ce e f f e c t ，c o n g f i t u t i v e r e l a t i o n 图表目录 图1 1 混凝土应力一应变关系简化曲线7 图2 1s h p b 实验装置示意图1 2 图2 2 预留间隙法示意图 1 3 图2 3 万向头装置示意图1 4 图2 - 4 加载波形对比图1 6 图2 5 加整形器前后m d f 水泥试件的原始波形对比图1 7 图2 6c 6 5 级自密实混凝土s h p b 实验波形分离图1 7 图2 7c 5 5 级自密实混凝土s h p b 实验波形分离图1 7 图2 8c 4 5 级自密实混凝土s h p b 实验波形分离图1 8 图2 - 9m d f 水泥s h p b 实验波形分离图1 8 表2 1 自密实混凝土配合比1 8 表2 2 高铝水泥的物理性能1 9 表2 3 商铝水泥的化学成分 1 9 表2 4 高应变率压缩条件下试件尺寸 1 9 表3 1自密实混凝土的原始实验数据2 1 表3 - 2m d f 水泥原始实验数据2 3 图3 1高应变率s c c 单轴压应力应变曲线2 4 图3 2 高应变率m d f 单轴压应力应变曲线 2 4 图3 3 不同应变率下自密实混凝土c 6 5 的单轴压应力应变曲线 2 5 表3 - 3 不同应变率下自密实混凝土c 6 5 的力学指标2 6 图3 4自密实混凝土c 6 5 极限抗压强度与应变率的关系2 6 图3 - 5自密实混凝土c 6 5 破坏应变与应变率的关系2 6 图3 - 6自密实混凝土c 6 5 弹性模量与应变率的关系 2 7 图3 - 7 不同应变率下自密实混凝土c 5 5 的单轴压应力应变曲线2 8 图3 8 不同应变率下自密实混凝土c 4 5 的单轴压应力应变曲线2 8 表3 - 4 不同应变率下自密实混凝土c 5 5 、0 4 5 的力学指标2 8 图3 - 9自密实混凝土c 5 5 、c 4 5 极限抗压强度与应变率的关系2 9 图3 1 0自密实混凝土c 5 5 、c 4 5 破坏应变与应变率的关系 3 0 图3 - 1 1 自密实混凝土c 5 5 、c 4 5 弹性模量与应变率的关系3 0 图3 - 1 2 非破坏状态下m d f 水泥应力应变曲线3 l 表3 5m d f 水泥未破坏状态下的力学指标 3 1 图3 1 3 破坏状态下m d f 水混应力一应变街线 3 1 表3 - 6m d f 水泥破坏状态下的力学指标 3 2 图3 1 4m d f 水泥临界状态下应力应变曲线 3 2 圉3 1 5 破坏状态下m d f 水泥极限抗压强度与应变率的关系 3 2 图4 1s c c 与m d f 水泥典型的应力应变曲线 3 5 表4 1自密实混凝土c 6 5 、c 5 5 、c 4 5 拟合参数表 3 7 图4 2 自密实混凝土实验曲线与拟合曲线的比较 3 7 图4 3m d f 水泥实验曲线与拟合曲线的比较 3 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 匿差錾型婆攫越挝盈查性能蛰塞坠盈窥 学位论文作者签名 巡遂 日期：工一矿年i 五月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查闼和借阗；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 煎娄堑型温毽盐粒盘查焦篚煎塞壁丑究 学位论文作者签名：逝童塾至 作者指导教师签名：z 生弓 yv ， 日期：卯中年，瑚日 日期：h u 十年l 工月6 日 一：； ：星；些；茎! ；兰兰；奎；窒兰；銎；：! ：= 兰：壁兰竺兰：茎一；一= ：；一 第一章绪论 1 1研究背景 混凝土是现代工程结构的主要材料，在军事与民用领域都得到极为广泛的应用。但是， 混凝土材料长期存在抗拉强度低( 一般仅为抗压强度的1 1 0 左右) 、韧性差等问题，越来 越不能满足现代工程发展的需要，这促使混凝土向着高强、轻质、流态、耐久和环保等高 性能方向发展。自密实混凝土和无宏观缺陷水泥是二十世纪八十年代左右出现的两种新型 水泥基复合材料，其中自密实混凝土不需振捣，依靠自身的重量就可使混凝土达到密实， 是一种绿色的、机敏型高性能混凝土“1 ；而无宏观缺陷水泥成功地消除了那些由于空气引 入或搅拌不充分形成的经常存在于普通水泥浆体中的大孔或缺陷( l o o u m ) ，其力学性能 指标不仅大大超过普通水泥，且可与某些陶瓷、钢、高分子材料相比拟“3 。它们是当前水 泥基复合材料研究的热点所在。 由于混凝土组份复杂，包括水泥、砂予、碎石、水等；各组成材料的成分、性质和相 互比例，以及制各和硬化过程中的各种条件和环境因素，都对混凝土的力学性能有不同程 度的影响，因此，混凝土比其它单一性结构材料( 金属和高聚物) 具有更为复杂多变的力 学性能，人们对其力学性能和破坏机理的认识远不如金属和高聚物，对其动态力学性能的 了解则更少。对自密实混凝土和无宏观缺陷水泥这两种新型复合材料力学性能的研究，目 前还局限在静态、准静态方面，动态方面未见报道。现代工程结构在其使用过程中，除承 受正常设计载荷( 通常是准静态载荷，有时也包括蠕变载荷) ，往往还要承受诸如撞击、 地震和爆破等强动载荷的作用，故有必要进一步研究它们在冲击条件下的动态力学性能。 1 2水泥、混凝土技术发展现状 自从1 8 2 4 年j o s e p ha s p d i n 发明波特兰水泥以来，混凝土技术发展很快，出现了各种各 样的混凝土，目前常用的就有普通混凝土、轻质混凝土、纤维混凝土、高强混凝土和高性 能混凝土等等。 1 2 ，l 普通混凝土 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 普通混凝土是指密度p = 2 2 0 0 2 4 0 0 k g m 3 ，立方体抗压强度f c 。= 2 0 - - 5 0 n m m 2 的混凝土， 要经过搅拌、注模、振捣、养护等工序方能凝结硬化。这种混凝土在施工时能耗大、设备 磨损大，同时劳保条件差、工效低，不能适应建设工程迅速发展的要求。我国目前应用最 多最广泛的混凝士就是普通混凝土。 1 2 2 轻质混凝土 轻质混凝土是指密度p = 5 0 0 1 9 0 0 k g m 3 的混凝土。轻质混凝土在工程中应用已有六十 多年历史，国内外在各类结构中已广为应用。采用轻质混凝土替代普通混凝土是减轻结构 自重最直接、最有效的措施，在承载力相同的条件下可减轻重量2 0 4 0 脚。此外，轻质 混凝土热工性能较好，所建造结构的保温、抗高温和耐火极限等性能均明显超过普通混凝 土结构。 1 2 3 纤维混凝土 纤维混凝土( f i b e r r e i n f o r c e dc o n c r e t e ，简称f r c ) 是在搅拌混凝土或水泥砂浆时， 掺入一定数量的分散的短纤维，经振捣、凝固后构成的一种宏观匀质的、各向同性的混合 材料。目前研究较多的有钢纤维、碳纤维、聚丙烯纤维或尼龙合成纤维混凝土等。 纤维在纤维混凝土中的主要作用，在于限制在外力作用下水泥基料中裂缝的扩展。在 受荷初期，水泥基料与纤维共同承受外力，而前者是外力的主要承受者：当基料发生开裂 后，横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者。若纤维的体积掺量超过某一临界值，整个复 合材料可继续承受较高的荷载，并能承受较大的变形，直到纤维被拉断或纤维从基料中被 拨出，最终复合毒孝料破坏。因此，纤维混凝土的力学性能较普通混凝士有很大改善：抗拉 和抗折强度增长1 4 1 5 倍，抗裂性大大提高：抗压强度虽然提高不多，但延性大大增强； 疲劳强度显著提高；耐磨和抗冲刷性能增强等”1 。鉴于以上优越性，纤维混凝土，特别是 钢纤维混凝土在路面、桥面混凝土轨枕、机场跑道和停机坪、防护工事等土建工程中得到 日益广泛的应用，且其前景十分广阏。 1 2 4 高强混凝土 高强混凝土( h i g h - s t r e n g t hc o n c r e t e ，简称h s c ) 是使用水泥、砂、石等传统原材料， 通过添加定数量的高效减水剂( 或同时添加一定数量的活性矿物材料) ，采用普通成型工 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 艺制成的一类水泥混凝土，其强度等级一般为c 5 0 c 8 0 。二十多年来，高强混凝土以具备 原材料普遍、制作简单、成本低廉、可预拌运输和泵送、高强度、早强、变形小等诸多优 点而在国内外得以大力发展，应用高强混凝土能够大幅度提高工程结构和构件的承载能力， 减小结构构件尺寸，加快工程施工进度；同时，高强混凝土自身存在的诸多缺陷诸如 脆性较大( 强度越高脆性越大，即使采用加密箍筋的办法也难使c 8 0 混凝土的延性达到c 3 0 的程度) 、掺入硅粉量大时混凝土后期强度增长减小、自收缩大等，也在不同程度地制约 着其在工程应用中的迸一步发展。 1 2 5 高性能混凝土 高性能混凝土( h i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，简称h p c ) 是在大幅度提高常规混凝土 性能的基础上采用现代混凝土技术，选用优质原材料，除水泥、水、集料外，必须掺加足 够数量的活性细掺料和高效外加剂的一种新型高技术混凝土尚。 所谓“高性能”是指混凝土具有高强度、高耐久性、赢流动性等多方匦韵优越性铯。 高性能混凝土不仅是对传统混凝士技术的重大突破，而且在节能、节料、工程经济、劳动 保护以及环境等方面都具有重要意义，是一种环保型、集约型的新型材料，被视作对土木 工程的发展起到重要推动作用的2 l 世纪的混凝土。高性能混凝土概念的提出在国际上也仅 2 0 多年时间；我国开展高性能混凝士的研究工作虽然较欧美发达国家有所滞后，但也得到 了足够的重视和迅速的发展粥。 高性能混凝土发展的主要动向有三；超高强混凝土( u i t r ah s c ) ；绿色高性能混 凝土( g r e e nh p c ) ；机敏型高性能混凝土( s m a r th p c ) 。自密实混凝土( s e l f - c o m p a c t i n g c o n c r e t e ，简称s c c ) 就是一种新型的、绿色的、机敏型高性能混凝土“3 。 自密实混凝土( s c c ) 是指新拌混凝土具有高流动度箍不寓柝、不泌水，能在不经振 捣或少振捣的情况下自流平并自行流动通过钢筋间隙充满模具，硬化后能满足力学与耐久 性要求的混凝土。 在“自密实”概念出现以前，借助高效减水剂性能的改善，配制生产高流动性混凝土 已不再困难。然而，仅仅具有“商流动性”还远远不够，因为流动性越高，混凝土产生离 析的趋势就越大。完全依靠自身重力作用充满模型并达戮密实，自密实混凝土工作性的内 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 涵有所扩大，包括下列三个基本性能： a 、高流动性。保证混凝土能够绕过障碍物，充分填充模型内每个角落。 b 、高稳定性。保证混凝土质量均匀一致，即不泌水，骨料不离析。 c 、间隙通过性。保证混凝土穿越钢筋间隙和狭窄通道时不发生阻塞。 配制自密实混凝土，最主要就是要控制好“高流动性”与“高稳定性”之间的平衡。 由于自密实混凝土不需振捣，依靠自身的重量就可使混凝土达到密实，故同常规混凝 士相比，可提高生产效率，降低工程整体造价，改善生产环境和安全性，增加了结构设计 的自由度，因而自密实混凝土被称为“近几十年中混凝土建筑技术最具革命性的发展”。冰 岛建筑研究院的w a l l e v i k 先生就预言：“将来有一天，所有混凝土都会变成自密实混凝土。” 现在，除超高强( c 8 0 以上) 结构，自密实混凝土适用于所有种类的混凝土结构和施工条件， 包括纤维增强结构“。 进入二十世纪八十年代，随着材料组成设计和制备工艺技术的进步，产生了热压水泥、 超细粉密实水泥和无宏观缺陷水泥三种特高强的精细材料制品吲。其中，无宏观缺陷水泥 材料由于克服了传统水泥浆体的大脆性、低抗折强度，同时具有良好的声学、低温、电磁 等性能，因而倍受重视。 1 2 ，6 无宏观缺陷水泥 1 9 8 1 年英国帝国化学公司( i c i ) 的b i r c h a l l 等人发明了种新的加工技术来避免普通 水泥浆体中大孔的产生，当时采用波特兰水泥就很容易地使水泥浆体的抗折强度超过了 6 0 1 d p a ，并于次年制成了世界第一根水泥弹簧。这种新的水泥浆体力学强度的提高直接归 功于消除了那些由于空气引入或搅拌不充分形成的经常存在于普通水泥浆体中的大孔或 缺陷( ) 1 0 0 u m ) ，因而命名为无宏观缺陷( m a c r o d e f e c t f r e e ) 水泥，简称b l d f 水泥。m d f 水泥材料的制备是由水泥加水溶性聚合物、少量水和甘油，经高效剪切搅拌后，在一个较 低温度和压力下成型而得，因此，这一材料是一种组成上不完全是无机水泥而含有部分有 机聚合物的无机有机复合材料。这种高性能水泥基材料具有的一系列优异的物理力学性 能引起了世界各国科技界及产业界的广泛关注。 同普通水泥相比，m d f 水泥材料克服了传统水泥浆体的大脆性、低抗折强度等缺点， 其抗折强度已由普通水泥的5 j o p p a 提高到1 5 0 2 5 0 m p a 。抗压强度由5 0 1 0 0 m p a 提高 第4 页 到3 0 0 m p a 以上，杨氏模量提高到5 0 g p a ，其断裂韧性值也由0 2 0 5 m p a m r 2 提高到超过 3 m p a m “。m d f 水泥不仅具有较高的弹性模量和硬度，而且还有良好的韧性，纤维增韧 处理后，其抗冲击性与有机玻璃相当，因此是一种理想的装甲防弹材料，可以制作轮船、 装甲车、防空掩体的防弹层。 m d f 水泥还具有良好的吸音性、抗静电性以及低温下的抗裂性等。1 。m d f 水泥用作声学 材料主要是利用超高强水泥材料良好的声音阻尼作用和高弹性模量( 4 0 5 0 c p a ) ，以克服 多数金属材料弹性模量高但声学阻尼极小和有机塑料声学阻尼高但弹性模量低的缺点。此 种水泥具有极密实的内部结构，能防水、抗酸碱、在严寒环境中不但不开裂，强度还有所 提高，且l 临界强度因子肠也增大，有利于阻止裂缝扩展，避免象金属材料那样在低温下 应力高度集中而导致破坏。另外，它的导热性也低两个数量级，在低温下可做低温容器载 体或超导设备元件。 1 3混凝土动态力学性能研究现状 对混凝土动态力学性能的系统研究只是在最近2 0 年才开始，之前的研究大多数局限于 准静态条件下，或是利用液压( 或气动) 设备研究它们在低应变率下的动态力学性能，或 是利用落锤装置测量它的冲击抗压强度，利用落锤使加载的应变率在一定程度上得到提高， 但由于落锤本身的惯性对加载的影响不能得到合理的处理，从而使实验结果误差较大州。 目前，围绕动载实验的技术，已发展了不同实验手段用于研究材料在不同应变率下的本构 行为，例如：般电液伺服的材料试验机可以提供约1 0 ”s 以下应变率的准静载加载条件； 分离式h o p k i n s o n 压杆( s h p b ) 技术被认为是获得材料在1 0 2 s 1 0 4 s 应变率范围内本构关 系的最主要实验手段；气炮加载和炸药爆炸可获得1 0 4 s 以上应变率的动载。这些实验手段 已成功地应用于许多材料的动力学性质研究，并建立了不少或有理论意义或有应用价值的 材料本构模型。 s h p b 实验技术由于能解耦地分析动力学过程的波传播如应变率效应，使问题分析过程 得到简化，在工程材料动态本构关系的实验研究中应用最为广泛。目前欧美等已先后建起 了由7 6 m 、由i o o m m 和巾2 0 0 x 2 0 0 m m 大尺寸s h p b 试验装置；国内多家单位则建起了巾3 7 m m 、 以及直锥变截面式巾7 4 m m 、巾1 0 0 m m s h p b 试验装置。1 。中国科学技术大学的胡时胜利用改进 第5 页 一= = 垦堕；! ! ：兰薹二! ；垒薹；! ! 垒垒兰：篁兰奎：一一； 的直锥变截面式h o p k i n s o n 压杆对混凝土材料的大尺寸试件( 由7 2 x 3 6 ) 进行了冲击压缩试 验n o ，并提出用预留间隙法对入射波进行过滤。法国的a b r a r a “等研究了混凝土在高应变 率下的动态拉伸行为，并运用离散元( d e m ) 方法对实验的现象进行了模拟，对实验和数值模 拟结果进行了比较。在第2 0 届国际理论与应用力学大会上( i c t a m - 2 0 0 0 ) 关于混凝士类材 料的动态力学性能也有最新进展。j r k l e p a c z k o 用混凝土长杆作试件，研究了混凝土的冲 击拉伸响应，分别测得了干混凝土和湿混凝土的冲击拉伸破坏应力，及其应变率相关性， 提出了一个积累破坏准则。m z h o u 则研究了水泥砂浆在冲击载荷下的动态特性，用激光干 涉仪( v i s a r ) 和聚氟乙烯( p v d f ) 应力计测量了冲击试样中不同位置处的拉伸和剪切应力， 发现冲击速度达到一定值后试件才会破坏，而破坏将随着加载波的到达而开始、并逐渐发 展，不存在如玻璃冲击试验中所观察到的所谓“破坏波( f a i l u r ew a v e ) ”现象。 1 4混凝土本构模型 混凝土本构关系是混凝土结构研究的基础，对混凝土本构关系的深入研究可使结构分 析更精确合理，结构更安全可靠，且更经济，具有极大的工程意义。迄今为止，在力学中 发展起来的各种理论都已被用作建立混凝土本构模型的理论依据。现有的混凝土本构模型 概括起来主要有：( 1 ) 、以弹性力学为基础的模型；( 2 ) 、以经典塑性力学为基础的模型； ( 3 ) 、内时理论模型；( 4 ) 、损伤力学模型。 i 4 1 以弹性力学为基础的模型 弹性材料是现实材料的主要理论模型之一，其中的应力只决定于变形前的初始状态和 变形后的现时状态，而与复杂的变形过程无关，外力一旦除去便恢复到初始状态，而且对 周围环境不产生任何影响，变形过程是可逆的。 1 、线弹性本构模型 该模型假定混凝土为理想弹性体，应力与应变成正比，应变在加、卸载时沿同一直线 变化，完全卸载后无残余变形，应力与应变有确定的唯一关系，弹性模量为常量。考虑混 凝土材料性能的方向性差异，尚可建立不同复杂程度的线弹性本构模型，如各向异性本构 模型、正交异性本构模型、各向同性本构模型等。 这类模型适用于：a 、混凝土的应力水平较低，内部微裂缝和塑性变形很小；b 、预应 第6 页 一：一坠望尘兰垒尘：邕垒兰皇兰：竺垒：兰；：一：； 力结构或受约束结构开裂之前；c 、体形复杂结构的初步分析或近似计算；d 、某些结构选 用不同的本构模型对其计算结果不敏感时等情况“。 2 、非线弹性本构模型 该模型的基本特征是应力与应变不成正比，应变在加、卸载时沿同一路线变化，没有 残余变形，应力与应变也有确定的唯一关系，但弹性模量是应力水平的函数，不再是常量。 这类包括大量根据试验数据回归得到的经验模型以及c a u c h y 模型、超弹性模型和次弹性 模型。 混凝土单轴受压的应力应变关系是研究得最充分、应用最多的本构模型，多为对试 验应力一应变全曲线的模拟。模型的数学表达式有多项式、指数式、三角函数式和有理分 式等。美国的霍根尼斯塔德( h o g e n e s t a d ) 、德国的鲁斯兹( r u s c h ) 和我国的过镇海等人分 1 9 6 0 年建议上升段为二次抛物线，下降 o l - o 氐l 。 b 段为水平线( 图卜卜b ) ，这被我国现行规 图l ，l = ；匏_ 凝应力一应变关系侮化盟线 范所采用。过镇海于1 9 8 2 年建议上升段 为三次抛物线，下降段则分为两种情况；全塑性破坏时为水平线，赡性破坏时为垂盏线。 h o g e n e s t a d 曲线在峰点不连续，r t l s c h 曲线无下降段，且它们对于不同混凝土下降段曲线 的巨大差异不加区射，故理论曲线的模拟准确度较差。过镇海的建议在一定程度上克服了 上述不足。 非线弹性本构模型的明显优点是能够反映混凝土受力变形的主要特点：计算式和参数 值都来自试验数据的回归分析，在单调比例如载情况下有较高的精度；模型表达式简明、 直观，易于理解和应用。目前它在工程中应用最广泛，一般情况均能适用。但这类模型的 缺点在于对材料屈服后的变形规律的描述并不符合塑性流动法则，使塑性变形的计算带有 任意性；不能反映卸载和加载的区别等，故不能用于卸载、加卸载循环和非比例加载等情 况。 1 4 ，z 以经典塑性力学为莲碗的模墅 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 经典塑性理论主要指增量理论( 亦称为流动理论) ，是描述材料在塑性状态时应力与 应变速度或应变增量之间关系的理论，在实际应用中需要按加载过程积分计算，较复杂。 增量理论是在正交性法则和屈服面概念的基础上建立起来的，主要由以下几部分组成：初 始屈服面；后继屈服面( 力载面或硬化法则) ；加载一卸载准则；流动法则。引入不同的 屈服函数( 包括初始屈服面与加载面) 与不同的流动法则即会产生不同的模型。 常用的屈服函数有m i s e s 准则、m o h r - c o u l o m b 准则、d r u c k e r - - p r a g e r 准则等及其发 展。流动法则具体可分为正交流动法则( 又称相关流动法则) 和非正交流动法则( 又称非 相关流动法则) 。相关流动法则之根据为d r u c k e r 公设，而d r u c k e r 公设只适用于稳定材料， 所以相关流动模型不能模拟应力应变曲线的下降段( 混凝土的软化) 与混凝土的体积变化。 而非相关流动模型可以模拟混凝土的软化和体积变化，但由于塑性势如何构成以及由此带 来的刚度矩阵的不对称性使模型过于复杂m 1 。 混凝土的塑性本构模型大多将混凝土视为各向同性材料，以上述的经典塑性理论为基 础，可用于卸载、加卸载循环和非比例加载等情况。经典塑性理论尽管在数学上相对比较 严格，但它是从金属晶体滑移发展起来的，而混凝土的破坏机理主要是微开裂，与金属有 很大的差异，因此将经典塑性理论用于混凝土材料，其可行性是颇值得怀疑的。 1 4 3 内时理论模型 v a l a n i s “”在研究金属材料的冷加工硬化特性时最早提出了内时理论。内时理论的基本 概念是：塑性和粘塑性等耗散材料内任一点的现时应力状态是该点邻域内整个变形和温度 历史的泛函；而特别重要的是该历史是用一个取决于变形中的材料特性和变形程度的内蕴 时间标度来度量的。 内时理论是以不可逆熟力学为基础的，优点是摆脱了屈服面的约束，在实际问题的计 算中能用一个统一的公式描述全过程。根据本构方程形式不变性定律可利用已有理论的公 式形式来给出本构方程，现在常用的是粘弹性公式形式，但并不局限于粘弹性公式形式。 最早把内时理论用于混凝土的是b a z a n t “。b a z a n t 的理论不涉及不可逆热力学。而是 直接采用内蕴时间的概念，用试凑法和参数优化法锝到参数值，他的模型能较好地模拟混 凝土的性能，但是模型参数过多，而且一些参数有耦联关系，一些参数缺乏物理意义，便 用起来过于繁琐。 l 。4 4 损伤力学模型 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 混凝土等脆性材料在制造过程中不可避免地会使构件的内部或表面产生微小的缺陷。 在一定的外部因素( 载荷、温度变化以及腐蚀介质等) 作用下，这些缺陷会不断扩展和合 并，形成宏观裂纹。裂纹继续扩展后，最终可能导致构件或结构的断裂破坏。微缺陷的存 在与扩展，也是使构件的强度、刚度、韧性下降或剩余寿命降低的原因。这些导致材料和 结构力学性能劣化的微观结构的变化称为损伤。 物体内存在的损伤可以理解为一种连续的场变量，而描述材料中损伤状态的场变量就 称之为损伤变量。损伤力学必须定义适当的损伤变量表述微观空隙的宏观力学效果，但损 伤变量不一定要给以明确的物理描述和物理意义。损伤定义中最常用的是面积定义与弹性 模量定义，其标量形式为： d ：垒d ：l 一旦 ( 1 - 1 ) 4 e o 式中a d 为横截面上出现空隙的总面积，a 为损伤后瞬时表观面积；e o 为无损伤状态下的弹 性模量，e 为损伤状态下的弹性模量。也有学者用空隙的体积含量与密度变化等定义损伤 变量。 大量研究表明，混凝土材料破坏过程是各种尺度损伤的演化、发展和累积所造成的， 很少涉及诸如晶格位错等微观尺度上的组成结构变化，在荷载尚未达到可使混凝土材料组 分发生屈服或塑性流动之前，混凝土作为整体已经完全破坏了，所以经典意义上的“塑性 变形”在混凝土非弹性变形中所占比例很小。k r a j c i n o v i e 认为损伤力学是解决微开裂占主 导地位的不可逆能量耗散问题的理论框架。从物理意义来看损伤力学是比较适合用来描述 混凝土材料的。 总的而言，各国学者在混凝土的本构理论研究方面做了大量的工作，并取得了一定的 成就，但到目前为止，尚未获得大多数人公认比较满意的本构模型。已有的各类模型各有 优缺点，弹性模型简单但只适合单调加载；经典塑性模型数学上较严格但与混凝土材料破 坏机理不协调，塑性势函数难确定；内时模型摆脱了屈服面的约束，在实际问题的计算中 能用一个统一的公式描述全过程，但如何确定反映物质响应的积分核函数及物质所特有的 内蕴时间等需要大量研究；损伤模型物理含义清晰但损伤变量的定义与损伤演化方程的确 定等都存在着问题。因此，选择一种适合的混凝土本构模型，对正确描述材料的应力一应 变关系，是很重要的。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 5本文的主要工作 本文从工程应用的需求出发，以总参工程兵科研三所新近研制开发的自密实混凝土和 酚醛树脂一高铝水泥高强复合材料为主要研究对象，基于现有的实验条件，研究用于测定脆 性材料动态力学性能的s h p b 实验方法，结合实验研究、理论研究分析两种材料的动态力学 性能及本构关系等，主要内容包括如下几个方面： 1 、用于脆性材料的s h p b 实验技术研究 结合混凝土等脆性材料的特点及其对s h p b 实验基本原理的挑战，从理论和实验的角度 出发，对目前出现的多种s h p b 实验技术进行分析，从中找出最适用于测定脆性材料动态力 学性能的s h p b 实验方法。 2 、两种材料动态力学性能及本构关系研究 根据两种材料在不同应变率下的实验结果，研究两种材料的冲击动力学特性，探讨应 变率对其压缩性能的影响；并从工程应用的角度出发，建立合适的非线性本构关系对实验 结果进行拟合。 第l o 页 第二章实验方法及技术 2 1 引言 本文主要目的是要通过动态实验与理论分析的方法，对佃f 水泥和不同强度等级的自密 实混凝土在较高应变率范围内的动态响应作一个比较全面的了解，并分别建立相应的本构 方程进行拟合。为此将测量不同应变率条件下的m d f 水泥、自密实混凝土( 三种不同强度等 级) 的应力应变曲线。实验采用分离式霍普金森压杆( s p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a r ， 简称s h p b ) 装置进行。 2 2 s h p b 实验装置、原理及相关问题 2 2 1s h p b 装置 s h p b 实验装置的雏形是由h o p k i n s o n 于1 9 1 4 年提出来的，当初只能够用来测量冲击载荷 下的脉冲波形。t 9 4 9 年k o l s k y “7 1 将压杆分成两截，试件置于其中，从而使这一装置可用于 测量材料在冲击载荷下的应力应变关系。利用这一装置可以获得1 0 2 s 1 0 4 s 范围内的高应 变率加载n 7 3 。由于s h p b 实验装置比较简单，操作方便，其测量方法巧妙简单，所以其应用 十分广泛，是测量材料动态力学性能参数比较好的实验装置之一。 本实验所采用的h o p k i n s o n ( s h p b ) 压杆为国防科技大学理学院激波技术实验室自彳亍 研制，主要由撞击杆、入射杆和透射杆组成，如图2 1 所示。实验中所有杆的杆材均为4 0 c r ， 材料密度为7 8 5 9 e r a 3 ，杨氏模量为2 11 g p a ，子弹长1 5 0 r a m 。测试m d f 水泥试件时杆径 为2 0 m m ，入射杆长2 0 8 3 m m ，透射杆长9 0 0 m m ；测试自密实混凝士试件时杆径则为4 0 m m ， 入射杆长2 0 0 0 r a m ，透射杆长1 0 0 0 m m 。应变测试采用自行研制的k d 2 0 5 1 a 超动态应变 仪，实验信号采集采用t d s 3 0 1 4 b 数字存储示波器。 2 2 2 实验原理 实验中撞击杆以一定的速度沿轴向碰撞输入杆，引起压缩应力波在杆中传播。假定输 入杆和输出杆只发生弹性变形，杆中应力波作一维传播。当应力波到达试样时，一部分波 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 1 s h p b 实验装置示意图 反射回输入杆中，一部分波作用于试样，之后穿过试样进入输出杆中。当应力波的宽度远 大于波通过试样所需的时间时，则认为试样在受载期间处于一种均匀变形和应力平衡的状 态，有尸产p 2 ，其中尸、p 2 分别是试样前后表面所受的力。当输入杆和输出杆为相同材料， 且有相同截面积时，有= t - f - 8 r ，式中、和t 分别表示由输入波、反射波和透射波在 杆中传播引起的实时应变。这些应变由贴在杆表面的应变片铡得。这时，试样中的工程应 力、工程应变和应变率由下列公式求出； 口( f ) ：阜如( ，) ( 2 1 ) ， 占( o ：一降6 a t ) a t ( 2 _ 2 ) 营( ，) = 一兰笋( f ) ( 2 - 3 ) 式中e ，a d 为杆的杨氏模量瓤截面积，c 口是轩中的弹性波速度。l 和a 。为试祥的厚度和截 面积。试样材料的本构关系( 盯一占曲线) 由公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 联立给出。 真实应力应变通过下列公式由工程应力应变转换得到： t ( f ) = 一l n ( 1 一文玲) 仃。0 ) = ( 1 一e ( t ) ) e r ( t ) ( 2 - 4 ) 虚力波传播理论分析表明，加载波在试样中来回反射3 次以上可以达到试件中应力平衡 的要求。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 2 3 砼等脆性材料对s h p b 实验技术的挑战 对于理想的s h p b 试验，试件应处于一维应力状态、应力平衡及常应变率加载状态。 但实验中通常会存在弥散效应、摩擦效应、波动效应等引起的二维效应“。，这将对实验结 果的精度甚至可信性产生一定程度影响。 利用s h p b 实验技术研究混凝土的动态力学性能主要面临两个方面的挑战： 1 、破坏应变小 岩石、混凝土等脆性材料破坏应变很小，在高应变率下达到破坏的历时非常短，试件 内部的应力均匀性很难保证，因此，要想实现试件内部的应力均匀性，使实验可行，则需 严格控制载荷大小，同时尽可能延长作用时间。 2 、材料的不均匀性 混凝土组分复杂，在骨料周围及整个材料中布满了大量的不规则裂隙、气泡等缺陷， 这导致了混凝土材料的严重非均匀性。为保证实验数据的有效性，混凝土试件的尺寸必须 足够大，这也就要求s h p b 的实验装置是大尺寸的。但这又产生了新的问题：粗杆引起的 波形弥散对一维假定的挑战，混凝土试件材料的脆性对均匀假定的挑战。 2 2 4 用于混凝土动态性能研究的s h p b 实验技术 为了有效地消除各种效应的影响，使s l t p b 实验能够用于测定岩石、混凝土等脆性材 料的动态力学性能，专家学者提出了不少解决方法，主要有预留间隙法“”、用异型子弹改 良加载波形、万向头的应用”2 4 和入射波整形器法1 ，等等。 1 、预留间隙法 常规实验法是将试件紧 紧夹于两压杆之间，预留间 隙法则是将试件与透射杆贴 紧，而与入射杆之间预留一 适当空隙( 闻陈距离为要避 开的入射波波头高频部分的 历时与子弹速度的乘积) ，如 图2 - 2 所示。 力 t j 啊 誓 l l 撞击杆入射杆试件透射杆 图2 - 2 预留间隙法示意图 第1 3 员 国防辩学技术大学研究生院学位论文 预留间隙法利用弹性波在间隙自