高应变率下水泥砂浆劈拉强度试验研究

采用直径为74 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)设备对水泥砂浆在高应变率下的抗拉力学特性进行试验研究,受载试件采用平台巴西圆盘试样。通过控制不同气压,获得了50/s~342/s应变率范围内的水泥砂浆动态抗拉力学性能。为了凸显平台巴西圆盘试样的合理性,试验结果还与传统的巴西圆盘试样进行了对比。试验结果表明,水泥砂浆的劈拉强度,峰值应变及弹性模量随应变率的提高而提高,试验得出的动态强度增长因子(DIF)值随应变率的变化趋势与欧洲-国际混凝土协会(CEB)提出的模型比较吻合。破坏模式与应变率有一定关系,剪切破坏区的大小随着应变率的提高而提高。作为间接测量准脆性材料抗拉力学性能的方法,平台巴西圆盘试样优于巴西圆盘试样。     

混凝土冲击拉伸力学性能及裂纹扩展试验研究和数值模拟

为真实反映混凝土材料劈裂拉伸力学性能,基于应变片法采用分离式霍普金森压杆对混凝土平台巴西圆盘试件进行了劈裂拉伸试验,研究了不同加载角对试件起裂方式及破坏模式的影响,并对试件破坏过程进行了扩展有限元模拟,同时与试验结果进行了对比分析,得到用于测试混凝土拉伸力学性能的最优加载角.基于此得到动态劈拉下3种不同强度混凝土的劈裂拉伸应力-径向应变曲线及抗拉强度、极限应变、拉伸敏感系数等参数的应变率效应.结果表明:20°加载角可以保证圆盘在中心起裂,用于测试混凝土劈裂拉伸性能最为可靠.在高应变率下,混凝土动态力学参数均具有明显的应变率效应,裂纹沿试件受力方向扩展、贯通直至试件沿加载直径方向劈裂为两半,破坏面表现为骨料破坏,与数值模拟结果一致.     

砂岩在不同应变率条件下的劈裂破坏特性

为了研究围岩内3种典型砂岩材料在静载荷与冲击载荷作用下破坏行为的差异,采用巴西圆盘试样进行静态与动态劈裂试验,获得不同应变率条件下的抗拉强度,并从细观结构角度进行深层分析,获得抗拉强度差异的主要原因,并利用有限元程序进行数值模拟分析圆盘劈裂试验中的破坏机理.研究结果表明:抗拉强度从大到小的砂岩材料依次为黑砂岩、红砂岩、...     

混凝土动态劈裂试验中的惯性效应研究

在商业有限元软件中采用应变率不敏感的材料本构模型对巴西圆盘动态劈裂试验进行了数值模拟,研究了不同厚径比以及平台巴西圆盘中平台角度对动态抗拉强度的影响。分析表明,动态劈裂试验中惯性效应对抗拉强度有比较大的影响,且惯性效应与试件尺寸、平台角度以及应变率有关。所得结果将为巴西圆盘动态劈裂试验设计提供参考,通过与试验数据的对比,可得到材料真实的应变率效应。     

岩石SHPB劈裂分析理论研究

为了分析岩石在冲击载荷下的动态劈裂破坏情况,通过分析巴西圆盘在动态劈裂和静态劈裂时表面应力分布均匀化的相似性,可以将静态劈裂时的弹性理论应用到动态劈裂当中,得到巴西圆盘在动态劈裂下的动态抗拉强度、动态抗压强度、应变率和应变的计算公式.应用三维非线性动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA,模拟巴西圆盘在分离式霍布金逊压杆实验装置上受冲击时动态劈裂的整个实验过程.基于动态抗拉强度公式和动态抗压强度公式,对试件的实际拉应力曲线与计算拉应力曲线进行对比,以及对实际压应力曲线与计算压应力曲线进行对比,通过对比曲线的相互吻合性证明数值模型适用于对岩石冲击劈裂破坏性质的研究.通过分析试样表面的应力均匀化过程以及试样表面对心压缩轴线上拉应力方向的应力分布情况,得出试样在对心压缩轴线表面上的破坏顺序是由从两个冲击端部向中心发展的;通过分析试样沿对心压缩轴线所切剖面上的拉应力分布,得出试样在厚度方向上的破坏顺序是由表面向内部发展的.     

高强混凝土巴西圆盘动态劈裂试验

以圆形紫铜片作为波形整形器,利用直径100 mm的霍普金森压杆装置,研究了不同弹速冲击下高强混凝土平台巴西圆盘试件的动态拉伸强度,得到了高强混凝土在冲击作用下的劈裂强度、破坏模式和应力时程曲线。试验结果表明:随着冲击应变率的提高,高强混凝土试件的动态劈裂强度和破坏程度不断增大,具有显著的应变率敏感性。高速冲击荷载下的混凝土断面区较为光滑,裂缝直接穿过石子导致试样断裂。     

单颗粒杂质位置与圆盘试件单轴劈裂抗拉强度相关性研究

运用PFC3D颗粒流模型对单颗粒杂质位置与圆盘试件单轴劈裂抗拉强度的相关性进行了研究。对比分析了均质与含单颗粒杂质圆盘在巴西试验过程中的应力状态及破坏形态,揭示了杂质颗粒位置的不同对巴西圆盘抗拉强度实验结果的影响规律。结果表明,杂质颗粒可使抗拉强度减小,杂质颗粒位于加压轴线垂直方向的直径上时,距圆盘中心水平距离越近,对抗拉强度影响越大;杂质颗粒位于加压轴线上时,距圆盘中心距离越远,对抗拉强度的影响越大;杂质颗粒所处位置不同会导致试件发生不同形态特征的破坏。通过多次含有杂质圆盘单轴抗拉实验结果综合分析,得出了含杂质圆盘单轴抗拉强度实验结果的修正系数公式。     

岩石巴西圆盘的SHPB试验分析

为了研究花岗岩、千枚岩、磁铁石英岩不同应变率下三种岩石的拉伸敏感系数、弹性模量、能量耗散特征和破坏方式的变化规律,利用霍普金森试验装置对三种岩石进行动态平台巴西圆盘劈裂拉伸试验,试验结果表明:三种岩石的拉伸敏感系数随应变率的提高而增大,且应变率对拉伸敏感系数存在突变阈值;千枚岩和磁铁石英岩的弹性模量随应变率的增加而增大,花岗岩的弹性模量在应变率达到247.1 s-1以后基本不变;入射能、反射能、吸收能随着应变率的提高而增加,但试件吸收的能量相对于入射能是减小的,而透射能基本保持不变;三种岩石均沿加载直径方向劈裂,由中心起裂,满足了巴西圆盘试验的有效性,当应变率较大时,会在试样的加载端部的三角区出现粉碎区.     

考虑加载速率与厚径比影响的 巴西圆盘劈裂强度分析

为综合研究加载速率和厚径比2个因素对测定茅口灰岩抗拉强度的影响关系,开展了一系列采用对称小圆弧加载方式下的巴西试验;通过ANSYS有限差分软件模拟巴西劈裂试验,结合Griffith强度理论分析不同厚径比圆盘试样在不同加载速率下的等效应力分布规律.试验研究结果表明:岩石抗拉强度会随试验加载速率的增加而增大,同时随厚径比的增大呈三次函数衰减关系.数值计算结果表明:越靠近圆盘试样端面中心点,等效应力值越大;除个别点处应力集中外,端面中心点的等效应力值也会随着加载速率的增加而增加;圆盘的起裂位置亦发生在端面中心点处.在此基础上对岩石抗拉强度公式进行修正,建立了更加真实的考虑加载速率与厚径比影响的巴西圆盘劈裂强度修正公式.     

高温中纤维纳米改性橡胶混凝土力学性能试验研究

纤维纳米改性橡胶混凝土(SFNS-CRC)是一种新型环保高性能混凝土,通过对其标准立方体试件高温中力学性能试验,探究温度、钢纤维体积率和纳米二氧化硅掺量对该种新型改性橡胶混凝土抗压和劈裂抗拉强度的影响.选用橡胶体积掺量为10%,的橡胶混凝土,在此基础上考虑了4种不同钢纤维体积率(0,、0.5%,、1.0%,、1.5%,),3种不同纳米二氧化硅掺量(0、1%,、2%,)和4种不同温度(20,℃(室温)、200,℃、400,℃和600,℃).抗压和劈拉性能试验在实验室自行研制的混凝土材料高温中力学性能抗压和劈拉试验机上进行.试验分析了试件的破坏形态、高温中质量损失、试件抗压和劈裂抗拉强度的变化及破坏机理.研究结果表明:钢纤维和纳米二氧化硅对橡胶混凝土高温中力学性能改性效果较为理想,同时使橡胶混凝土高温中的破坏形态得到极大改善,试块完整性更好,趋于延性破坏;高温中SFNS-CRC抗压和劈裂抗拉强度提高显著,且后者提高更加明显;随钢纤维掺量增加,高温中试件强度逐渐提高;纳米二氧化硅最佳掺量为1%,.     

超高韧性水泥基复合材料与活性粉末混凝土动态性能研究

研究超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）及活性粉末混凝土（RPC）在不同冲击荷载下的动态劈裂强度、拉压比、能量吸收量以及破坏状态.试验采用Ф80 mm的分离式霍普金森压杆以5组不同的冲击速度,打击UHTCC和RPC的平台巴西圆盘试样.研究结果表明：两组材料的动态劈裂强度随着应变率的上升而上升,具有明显的应变率敏感性,RPC的动态劈裂强度约为UHTCC的1.35倍;不同冲击荷载下两组材料的动态能量吸收量相近.     

基于颗粒流的平台圆盘巴西劈裂和岩石抗拉强度

使用颗粒流(PFC)虚拟实现不同中心角的平台圆盘巴西劈裂和直接拉伸试验,观察平台圆盘巴西劈裂中裂纹形成、扩展的一般过程,分析不同中心角对岩石破坏过程及破坏模式的影响.研究结果表明:平台中心角越大,岩石内损伤破坏程度越高,破坏模式变得更复杂.通过对不同平台中心角的圆盘试样断裂模式的观察和分析,并结合已有的研究成果推荐平台中心角为20°;利用直接拉伸数值试验的拉伸强度,计算出平台中心角为20°时的抗拉强度修正系数k=0.931 5.     

不同厚度充填体—围岩组合体力学性质及损伤本构

为探究充填体厚度变化对充填体-围岩组合体力学性能的影响规律,开展了5种不同厚度充填体-围岩组合体试件单轴压缩试验,结合数字散斑技术对试件破坏模式的变化进行分析,建立考虑峰后应变软化阶段的分段式损伤本构模型对全过程应力-应变关系进行描述。分析结果表明,充填体厚度变化对组合试件力学性能与破坏模式影响显著。随着充填体厚度由0 mm增加至100 mm,试件峰值强度由94.6 MPa呈指数关系下降至10.1 MPa,峰值应变由0.30下降至0.06,弹性模量呈先下降后上升变化趋势;利用数字散斑技术分析发现,随着充填体厚度增加,破坏模式逐渐由脆性剪切破坏过渡为拉剪复合破坏,最终发展为由充填体内部发生“X”形剪切破坏而引起的拉伸劈裂破坏;通过改变分段式损伤本构模型的分布参数与修正系数,可较好地表征不同充填体厚度试件的全过程应力-应变曲线,验证结果表明模型适用性较好;充填体厚度越大,由充填体存在而引起的试样初始损伤越大,达到峰值应变时,损伤变量D未达到1,试件延性破坏特征越明显,破坏后残余强度越高。     

考虑岩石交界面方向效应的巴西劈裂试验研究

为了研究硬岩与软岩交界面方向对其破坏形式的影响,对含岩石-水泥砂浆(代替软岩)交界面的组合试样进行了多组加载角度的巴西劈裂试验,获得了不同交界面方向的组合试样的"抗拉"强度,并利用颗粒流程序PFC2D研究了交界面的破坏机理.计算得到的"抗拉"强度随交界面与加载方向夹角的增大而增大.当交界面平行于加载方向时,沿交界面发生劈裂破坏,计算得到的"抗拉"强度可认为是交界面的抗拉强度;当交界面与加载方向不平行时,发生更为复杂的拉―剪复合破坏.此外,为了进一步分析交界面的抗拉强度对破坏形式的影响,采用提高水泥用量和增大交界面粗糙度两种方法增加交界面的抗拉强度,并进行了一系列试验.试验得到了含交界面的巴西劈裂试验的典型破坏模式分布图,对更好地理解硬岩与软岩交界面的破坏形式具有指导意义.     

碳纤维增强混凝土力学性能研究

为了研究碳纤维长度和体积掺量对混凝土力学性能的增强效果,制备了C30、C40强度等级的混凝土,添加碳纤维长度为10 mm和20 mm,碳纤维体积掺入率为0％～0.32％、进行了18组(54个)立方体试件的轴心受压性能实验,研究其抗压强度和劈裂抗拉强度.实验结果表明:不同掺量的碳纤维对混凝土的抗压、劈拉强度均有不同程度的...     

保护层厚度对受拉与受压粘结强度的影响

针对不同混凝土保护层厚度,分别进行了12个拔出试验和18个推出试验,并对试验结果进行了对比与分析.结果表明：当保护层厚度较小时,无论是拔出试件还是推出试件,均发生劈裂破坏;当保护层厚度较大时,推出试件钢筋被缓缓推出,混凝土没有开裂;增加混凝土保护层厚度既可以提高钢筋的受拉粘结强度,也可以提高钢筋的受压粘结强度;混凝土保护层厚度在一定限值范围内对钢筋受拉粘结强度影响较大.     

纳米SiO_2-超细粉煤灰混凝土力学性能的试验研究

为研究混凝土的绿色化和高性能化,进行了不同纳米SiO_2掺量下超细粉煤灰混凝土的静态压拉试验,分析了纳米SiO_2掺量对超细粉煤灰混凝土压拉强度的影响和最优掺量下对超细粉煤灰混凝土的破坏形态影响。试验结果表明:普通混凝土和超细粉煤灰混凝土试件的抗压和劈裂抗拉强度均随纳米SiO_2加入量的增大显示先上升后下降的趋势,当纳米SiO_2加入量为0.8%时,普通混凝土试件的抗压和劈裂抗拉强度增幅效果最好;当纳米SiO_2加入量为1.0%时,超细粉煤灰混凝土试件的抗压和劈裂抗拉强度增幅效果最好;试件的抗压和劈裂抗拉破坏形态均为脆性破坏,但超细粉煤灰混凝土掺入1.0%纳米SiO_2后抗压和劈裂抗拉破坏程度明显得到改善。     

混凝土圆柱体劈拉强度的尺寸效应

通过对受对称分布力作用下劈裂试件中受拉面积的计算和试验论证，得出了不同直径的劈裂试件，当其劈裂面上的受拉面积相同时，具有相同的劈拉强度，并以此为依据，得出了用韦伯理论表示的混凝土劈拉强度的尺寸效应系数。Φ４５ｃｍ×４５ｃｍ试件的劈拉强度为Φ１５ｃｍ×１５ｃｍ试件的０．６９倍，更大试件的劈拉强度尺寸效应系数可望收敛于０．６５。     

高强混凝土抗压抗拉强度的尺寸效应

为研究高强混凝土的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度的尺寸效应,试验设计三种高强混凝土(60 MPa,80 MPa,100MPa),分别选取边长为100 mm、150 mm、200 mm三种立方体混凝土试块进行抗压试验和劈裂抗拉试验。结果表明,混凝土强度越高,其脆性越大,混凝土的尺寸效应越明显。高强混凝土的强度随着立方体试件尺寸的增大而降低;但降低的幅度随试件尺寸的增大而显著减小,即尺寸效应曲线趋于平缓。基于本试验文章给出了尺寸效应的换算系数。C1、C2、C3三种高强混凝土的立方体抗压强度尺寸效应换算系数λ100为0.84~0.88,λ200为1.11~1,14;劈裂抗拉强度尺寸效应换算系数λ100为0.83~0.86,λ200为1.06~1.15。     

钢纤维混凝土的拉压比试验

考虑钢纤维体积率、混凝土基体强度和钢纤维类型等参数,采用标准试件150 mm×150 mm×150 mm的立方体进行抗压和劈裂抗拉试验,分析各因素对混凝土拉压比的影响.结果表明:钢纤维能提高混凝土立方体抗压强度和劈拉强度,显著改善混凝土受压和受拉破坏形态,使其保持良好的整体性;钢纤维的加入能提高混凝土的拉压比,且拉压比随钢纤维体积率的增加而逐渐加大,增幅最大达到27.4%;钢纤维混凝土的拉压比随基体强度提高而减小,但对比素混凝土降幅明显减小;波纹形钢纤维和端钩形钢纤维均能提高混凝土的拉压比,波纹形钢纤维优于端钩形钢纤维,而螺纹形钢纤维最差,降低了混凝土的拉压比.