动态三轴压荷载历史对大骨料混凝土动态单轴抗压强度影响

利用静、动三轴试验机对大骨料混凝土预先施加三轴压荷载历史,之后对经历荷载历史的试件进行同应变率的单轴受压试验,研究了大骨料混凝土的动态受压性能与所经历的加载速率(应变率为10-5~10-2 s-1)和应力比荷载历史的关系.所有试验的三轴压荷载历史中σ3均加载至2.8fc,且未达到材料的极限强度,但是大部分试件已产生了微裂缝和不可恢复的变形.试验表明:在单轴受压试验中,大骨料混凝土破坏会沿着已有的裂缝继续发展,破坏形态不同于单轴抗压的柱状破坏,而与三轴压荷载下的斜剪破坏极为相似.经历三轴压荷载历史后的大骨料混凝土的抗压强度随着侧压力的增加而降低,随着应变率的提高而提高.强度损失随着应变率的增加而减小,随着侧压力的增加而增加.     

粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土不同龄期动态力学性能

为探究冲击荷载条件下粉煤灰\|矿渣基地聚物混凝土的动态力学响应特征,考察不同养护龄期和应变率对粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土动态力学特性的影响,利用Φ100 mm 分离式霍普金森压杆（SHPB）装置分别对3 d、7 d、28 d龄期的粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土进行了不同应变速率下的冲击压缩试验。结果表明：在各个龄期下,粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土均表现出显著的应变率敏感性,动态抗压强度和比能量吸收随应变率的增加而增大,其中动态抗压强度随应变率增加呈现指数函数增长趋势;随着龄期的增长,粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土的动态抗压强度和比能量吸收均增大,应变率敏感性逐渐增强。在对比了多个应变率增长因子（DIF）计算公式之后,提出了拟合程度更高的地聚物混凝土DIF计算模型,在应变率基础上,重点考虑养护龄期对动态强度增强效应的影响,计算结果与试验值吻合效果良好,可为粉煤灰\|矿渣基地聚物混凝土的实际应用提供参考。     

高掺量聚丙烯纤维混凝土动力特性的SHPB试验

为了研究高掺量聚丙烯纤维混凝土的动力特性,采用直径为74mm变截面Hopkinson压杆,对8组64块聚丙烯纤维混凝土试件进行了冲击压缩试验,得到了不同应变率范围下混凝土的动态抗压强度及应力-应变曲线,并给出了聚丙烯纤维混凝土动态抗压强度与应变率、纤维体积掺量以及静压强度之间的关系。分析认为,在10^1～10^2s^-1应变速率,聚丙烯纤维混凝土的动态强度提高比值与素混凝土基本一致。     

基于库伦理论的桥面混凝土动态力学特性分析

在桥面水泥混凝土铺装层病害日益增加的背景下,为了分析在车辆动荷载作用下桥面水泥混凝土的力学性能,改善桥面铺装层使用效果,基于Coulomb理论的剪切破坏条件,通过室内试验制作圆柱水泥混凝土试块,采用SHPB试验装置对试块施加不同的冲击荷载,研究不同强度水泥混凝土试块的破坏形态、动态抗压强度和应力应变特征。结果表明：冲击荷载引起的水泥混凝土试块由块状失效破坏到粉碎状失效破坏;冲击荷载能够增强混凝土的抗压强度,对强度较低的水泥混凝土增强效果更明显,且动态抗压强度增强率最高为143.7%;在动态力学作用下水泥混凝土应力应变曲线也呈现四个阶段,随着应变的增加水泥混凝土应力应变曲线斜率变小,从应变硬化转变为应变软化特性。对水泥混凝土动荷载作用下的物理力学特征分析能为工程桥面水泥混凝土铺装层强度提高和性能改善提供一定参考价值。     

静载历史下的损伤对混凝土动态抗压性能影响研究

为研究正在使用状态下且已存在初始损伤的混凝土构筑物受冲击动力荷载下的动态力学特性,本文以混凝土试件为试验对象,先通过YAD-2000试验压力机对多组混凝土试件进行预加载,使C30混凝土试件出现不同程度的损伤,然后利用SHPB试验设备对试件进行单次冲击压缩试验,研究静载下的损伤对混凝土应力–应变曲线特征、动态抗压强度、破坏模式等特性的影响.通过系列试验发现,经历初始静载的混凝土表现出较强的损伤效应和应变率效应.静载作用下混凝土的损伤对动态抗压强度降低影响关系中,存在一个分界点.大于分界值时,损伤程度变化对混凝土动态抗压强度影响显著.研究结果对于荷载历史混凝土的动态性能研究和应用具有理论意义和参考价值.     

混凝土力学性能的应变率效应

针对混凝土材料本构关系具有明显的应变率效应,对混凝土材料在不同应变率下的力学性能进行了分析研究。总结了应变率对混凝土抗压强度、抗拉强度、弹性模量以及临界应变的影响,通过比较各拟和公式预测的动态增大系数以及文献中的试验数据,分析了各公式的适用条件和范围。结果表明：对于混凝土抗压强度,在不同的应变率范围内应采用不同的经验公式;对于混凝土抗拉强度,修正的CEB（欧洲国际混凝土委员会规范）公式与试验数据符合更好;应变率对弹性模量的影响较小,可采用CEB公式计算动态弹性模量;应变率对与极限抗压强度、极限抗拉强度相对应的临界应变值的影响需做进一步的研究。     

基于Hopkinson杆技术的混凝土动态压缩性能研究

采用分离式Hopkinson压杆对混凝土试件(D=74mm)进行了动态压缩试验,得到了不同应变率下的混凝土动态抗压强度,研究了它的率敏感性,并得到了相应的临界应变率。结果表明:随着试件中应变率的增大,混凝土的动态抗压强度相应有不同比例的增加;同时在试验的基础上,分析了应变率对混凝土抗压强度的影响。抗压强度在相应的应变率超过一定值后会有一个较大比例的增加,抗压强度的临界应变率大约是40s-1。     

经受疲劳荷载与冻融循环作用后混凝土动态性能研究

采用微宏观结合的方法来研究疲劳荷载与冻融循环作用下混凝土动态性能的劣化规律和损伤机理,对混凝土试件先分别进行冻融循环、疲劳加载和先疲劳加载后冻融循环等3种损伤试验,再进行不同应变率下的单轴动态抗压试验.研究不同应变率下试件的表观损伤、质量损失、相对动弹性模量和抗压强度的劣化,并结合扫描电子显微镜(SEM)对损伤后的微观形貌进行机理分析.研究表明:仅受冻融作用和先疲劳后冻融作用时,随冻融次数的增加,试件的质量均呈先增后降的趋势,相对动弹性模量均呈逐渐降低趋势. SEM微观试验结果表明先疲劳后冻融作用下,冻融循环使得混凝土内部裂缝数量和宽度均有明显增加,导致混凝土抗压强度随冻融循环次数的增加而逐渐降低.先受疲劳荷载再受冻融循环作用的混凝土,在冻融次数和疲劳次数相同时,抗压强度随应变率的增加逐渐增大.相比混凝土仅受冻融循环作用,疲劳荷载历史对混凝土的抗冻性有显著劣化作用.受疲劳荷载和冻融循环作用后的混凝土具有明显的应变率效应,而且混凝土损伤越严重,其强度对应变率越敏感.     

碾压混凝土真实应变率效应试验

为深入研究碾压混凝土动态力学特性,借助分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对3种不同直径圆柱试样进行了冲击压缩试验.试验结果表明:碾压混凝土材料具有显著的应变率效应和尺寸效应;混凝土类材料的动态抗压强度增强是材料自身特性、惯性效应和端面摩擦效应三者作用的结果,确定碾压混凝土的真实应变率效应对碾压混凝土结构冲击荷载下动态响...     

饱和大骨料混凝土动态双轴受压力学性能试验研究

分别通过试验研究了饱和与干燥大骨料混凝土试件在动态双轴受压状态下的强度特征.试验采用大型混凝土静、动态三轴液压伺服试验系统,设定了4个数量级的应变率(10-5、10-4、10-3、10-2 s-1)和5种应力比(0∶1、0.25∶1、0.50∶1、0.75∶1、1∶1).根据试验结果,分析了孔隙水对大骨料混凝土动态双轴极限抗压强度的影响,并提出了饱和大骨料混凝土动态受压破坏准则.研究表明,饱和大骨料试件在动态条件下的强度与干燥混凝土试件相比提高明显,而在准静态条件下有所降低.在相同应变率下,与单轴相比,双轴极限抗压强度在应力比为0.50∶1时最大.     

碱矿渣混凝土动态压缩性能试验及数值模拟研究

为研究碱矿渣混凝土(AASC)材料的动态压缩性能及损伤破坏机理,以应变率(39 s~(-1)、57 s~(-1)、75 s~(-1))为变量,开展了动态压缩性能试验;并对试验结果进行分析,获得三种应变率条件下该材料的应力-应变关系曲线。曲线分析显示其峰值应力和应变均随应变率的提高而增大,表明AASC属于应变率敏感材料。采用HJC本构模型开展动态压缩数值模拟,结果显示应力-应变关系曲线数值模拟结果与试验结果较为吻合,其累积损伤破坏过程是由中心向外围逐渐破坏。     

全级配混凝土梁动强度提高机理研究

基于细观力学方法对全级配混凝土梁的动强度提高机理进行研究.假定混凝土由骨料、砂浆和界面三相材料组成,按全级配混凝土实际配比生成随机混凝土骨料模型.采用塑性损伤模型并考虑材料的应变软化,利用全级配混凝土梁的静弯拉(破坏)试验标定骨料、砂浆和界面的参数.在此基础上对冲击荷载下全级配混凝土梁的动弯拉破坏过程进行数值模拟,重点讨论惯性效应和应变率效应对混凝土材料强度增强因子的影响.研究结果表明:(a)当应变率小于8s-1时,材料惯性对梁的极限荷载影响可以忽略不计;当应变率大于8s-1时,材料惯性对全级配混凝土强度的动力增强因子(SDIF)影响增大.(b)当应变率小于20s-1时,率效应对SDIF影响较大,在高应变率区SDIF主要受材料惯性的影响.此外,探讨了初始缺陷(损伤)对全级配混凝土梁破坏荷载的影响.     

湿筛混凝土试件的静、动破坏数值模拟

基于数字图像方法重构生成与真实骨料一致的混凝土骨料模型.混凝土各相材料的本构模型采用混凝土塑性损伤本构模型,考虑材料的应变软化,对湿筛混凝土试件的静、动破坏进行研究.研究结果表明:(a)混凝土的应力-裂缝宽度模型适用于骨料、砂浆和界面等各相材料.(b)随着应变率增加,混凝土的破坏形式明显由单条宏观裂纹向多条裂纹变化.(c)材料惯性对材料破坏荷载有一定影响,当应变率达到60s-1时材料的动力增强因子明显增大,惯性影响不可忽略;当应变率达到80s-1时材料惯性对材料破坏荷载影响较大;当应变率小于207.8 s-1时由率效应引起的动力强度增加大于由惯性效应引起的动力强度增加.     

早龄期持续拉力对混凝土性能的影响

为研究早龄期持续拉力对混凝土后期力学性能的影响,设计了7个系列共77个混凝土试件,探讨早龄期持荷轴拉比、持荷时间、混凝土强度等3个因素对混凝土后期轴心抗压性能的影响规律。为此,制作了对6个混凝土试件同时施加持续拉力的试验装置,龄期1.5d时开始施加轴向拉力,持荷一定时间后卸载,龄期28d时进行轴心抗压试验。持荷轴拉比和持荷时间对混凝土后期轴心抗压性能有一定的影响:持荷时间为7d时,轴拉比为0.15和0.3试件后期轴心抗压性能基本没有劣化,而轴拉比为0.5时试件产生了不可自愈的损伤,初始弹性模量、轴压峰值应力下降、峰值应变增大;轴拉比为0.3的试件持荷时间增加到14d,混凝土后期性能产生了劣化。混凝土强度等级越低,早龄期持续拉力对其弹性模量的影响较大,但峰值应力和峰值应变的影响相对较小。在试验结果的基础上,采用最小二乘法回归得到了持荷时间和持荷轴拉比对混凝土初始弹性模量、峰值应力与峰值应变的早龄期持荷影响系数。最后,在普通混凝土的应力应变关系的基础上考虑早龄期持荷影响因数,得到了受早龄期持荷影响的混凝土应力应变关系。     

新型TB9钛合金屈服强度的应变率效应

TB9钛合金具有良好的力学性能,被广泛应用于航空航天领域,其材料强度随服役过程中应力作用的加载速率变化而发生改变。本文采用三次真空自耗熔炼工艺制备TB9钛合金材料,并对其开展了室温拉伸和压缩试验,研究了该材料在应变率0.0005-0.1 s-1范围内的力学性能及其变形行为,讨论了应变率对该材料压缩和拉伸屈服强度的影响。结果表明：应变率由0.0005 s-1升高至0.1 s-1时,TB9钛合金材料的平均压缩屈服强度由955.96 MPa升高至1 090.94 MPa,平均拉伸屈服强度由971.01 MPa升高至1 096.31 MPa,压缩屈服强度应变率敏感系数为0.02273,拉伸屈服强度应变率敏感系数为0.02110;随着应变率的增大,TB9钛合金拉伸试件断面韧窝尺寸及深度均会变小,这是由于应变率大时,瞬间局部能量增加,裂纹萌生和扩展速度加快所致。此外,本文采用线性函数拟合了TB9钛合金材料室温下屈服强度增强因子与自然对数应变率之间的关系,可用于预测TB9钛合金在工程应用中的力学行为。     

三级配混凝土及湿筛混凝土单轴动态拉伸性能试验研究

考虑大骨料特性的混凝土动态拉伸性能研究是混凝土坝抗震特性研究的一个突出问题.进行了大坝迎水面常用的三级配混凝土及湿筛混凝土在10-5、10-4、10-3、10-2 s-1四种应变速率下的单轴动态直接拉伸强度试验.试验采用尺寸为250mm×250mm×400mm和150mm×150mm×300mm的棱柱体试件.试验测得不同应变速率下试件的单轴动态拉伸应力和应变.基于试验数据探讨了三级配混凝土及湿筛混凝土的破坏形态、单轴抗拉强度、峰值应力点的应变随应变速率的变化规律.此外,还建立了三级配混凝土与相应湿筛二级配混凝土的动态强度关系.试验结果可为混凝土大坝、海洋平台等的抗震设计提供理论依据.     

BFRP管约束再生混凝土圆柱轴压试验

为研究玄武岩纤维复合材料(BFRP)对再生混凝土力学性能的提升作用，对BFRP管约束再生混凝土圆柱进行了轴压试验，分析了BFRP层数对圆柱轴压性能的影响。试验结果表明：BFRP管约束再生混凝土圆柱的失效模式表现为BFRP断裂引起的圆柱受压破坏，BFRP管约束可以显著提高再生混凝土圆柱的承载力和变形能力，轴压应力-应变曲线表现出明显的强化段。随着BFRP层数的增加，约束再生混凝土的轴压强度比未约束再生混凝土提高了78%～281%,极限轴压应变提高了6.16～18.10倍，均显著高于对应的未约束普通混凝土的轴压强度和极限轴压应变。结合试验数据，评估了典型纤维复合材料(FRP)约束混凝土圆柱轴压强度和极限轴压应变模型在BFRP约束再生混凝土中的适用性，发现所评估的典型模型不能精确地预测试件的轴压强度和极限轴压应变。     

A high-strain-rate superplastic ceramic

High-strain-rate superplasticity describes the ability of a material to sustain large plastic deformation in tension at high strain rates of the order of 10-2 to 10-1 s-1 and is of great technological interest for the shape-forming of engineering materials. High-strain-rate superplasticity has been observed in aluminium-based and magnesium-based alloys. But for ceramic materials, superplastic deformation has been restricted to low strain rates of the order of 10-5 to 10-4 s-1 for most oxides and nitrides with the presence of intergranular cavities leading to premature failure. Here we show that a composite ceramic material consisting of tetragonal zirconium oxide, magnesium aluminate spinel and alpha-alumina phases exhibits superplasticity at strain rates up to 1 s-1. The composite also exhibits a large tensile elongation, exceeding 1,050 per cent for a strain rate of 0.4 s-1. The tensile flow behaviour and deformed microstructure of the material indicate that superplasticity is due to a combination of limited grain growth in the constitutive phases and the intervention of dislocation-induced plasticity in the zirconium oxide phase. We suggest that the present results hold promise for the application of shape-forming technologies to ceramic materials.