高性能再生混凝土动态力学特性及应变率效应研究

来源 :中国矿业大学(北京) | 被引量 : 8次 | 上传用户:xiaojas
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高性能再生混凝士作为一种新型绿色建筑材料,可有效回收利用废弃混凝土建筑材料,是解决资源、环境和生态等一系列问题的很重要的措施之一,不乏学者对其性能做了大量的研究,又因为时间,空间甚至研究技术等原因,目前的研究还局限在静态或准静态力学性能范畴,很少涉足动态力学性能。然而在实际工程中,工程结构在其生命周期内均有可能遭受地震、车辆撞击、安全事故甚至恐怖袭击等冲击动荷载作用,因此对高性能再生混凝土动态荷载下的力学性能的进一步研究有极其重要的意义。本文以SHPB为动力荷载试验设备,设计了5个试验对比组,分别为:Ⅰ试验对照组(高性能天然混凝土组);Ⅱ再生粗骨料取代组(包括3个不同取代率);Ⅲ再生细骨料取代组(包括3个不同取代率);Ⅳ再生粗、细骨料同时取代组(包括3个不同取代率);Ⅴ加纤维组(包括天然混凝土+纤维,粗骨料100%取代+纤维,粗细骨料同时100%取代+纤维)。不同再生骨料替代率分别为30%,50%和100%。共计13组不同组成的混凝土试件,其中纤维用量采用每立方米混凝土掺入1.5Kg的纤维,每组制作24个75mm×50mm的圆柱体试件,动荷载冲击速度范围为2m/s7m/s,选择等步距4个速度进行试验,对于每个分组的试件,相同冲击速度下至少做3次平行试验。通过SHPB试验获得不同组成、不同速度下的试件动力相关信息,通过试验数据结果,结合理论分析,从应力-应变本构曲线特性,峰值应力、峰值应变、极限应变、动态弹性模量、能量传递、损伤、破坏形态及机理等角度探索了在动力荷载作用下高性能再生混凝土的本构曲线特性及应变率效应,得出一系列成果,归纳如下:(1)高性能再生混凝土(以下简称前者)受不同再生骨料取代率和纤维的影响,与高性能天然混凝土(取代率为0%)(以下简称后者)相比较其静态下力学性能变化规律如下:轴心抗压强度和弹性模量均随着取代率的增加而减小,但在粗骨料取代率为50%时大于30%的情况;纤维对两者都有提高的作用,但对前者提高的幅度小于后者。随着取代率的增加峰值应变增大,同样在粗骨料50%取代时小于30%的情况;前者的变形能力更强;纤维对前者峰值应变的提高作用更为明显。对于极限应变:仅同时取代粗、细骨料时呈一定规律:随着取代率的增大而增加;纤维对两者的极限应变都有提高的作用,但提高幅度前者小于后者。两者的破坏形态相似,但后者裂缝的发展更快,试件棱侧的混凝土剥落更严重;从弹性模量和破坏形态来看都反应了前者的韧性高于后者。(2)应变率对高性能再生混凝土冲击波形曲线的影响根据应力波理论作用时间和实测作用时间的比较,验证了试验的可靠性;随着应变速率的增大,反射波和透射波的幅值随之增大,呈正相关关系;反射波与横坐标所围成的面积增大,说明试件损伤程度加剧,波阻抗降低,造成了更多的应力波反射。(3)高性能再生混凝土典型动态应力-应变本构曲线特性应力-应变本构曲线在起初阶段基本呈线弹性变化;随着应变速率的增加,线弹性变形段逐渐变陡、变长,相应的屈服强度增加。在应变率相对较低时,应力-应变本构曲线会出现应力峰值前的波动上升阶段,当应变率超过某个阈值后,应力-应变本构曲线会出现多个(通常为两个)极大值都基本等于应力峰值的波峰;当荷载达到试件的峰值应力后,试件承载力瞬间降低,试件破坏,而此时的阈值因骨料取代率不同而不同。当应变速率增大,入射波幅值越大,能量越多,材料被破坏的程度越大,峰值强度和残余强度出现。(4)应变率对应力峰值和动态弹性模量的影响规律高性能再生混凝土的应力峰值和动态弹性模量都具有明显的率敏性,二者均与应变速率呈指数函数关系;在一定范围内,高性能再生混凝土动态抗压强度可以提高到静态荷载时其轴心抗压强度的2.5倍;应变率范围在20s-1110s-1内,高性能再生混凝土抗压强度的率敏性比高性能天然混凝土更强;而骨料取代率的不同,影响两者随应变率增加而增加的幅值。(5)应变率对峰值应变的影响规律高性能再生混凝土峰值应变与应变率呈二次抛物线函数关系;因骨料的不同使其临界应变率及对应的峰值应变有所差异,再生粗骨料对其影响更大;抛物线两端位置,动态下的峰值应变小于其静态情况,在抛物线中间段,峰值应力大于静态下的情况,最大可达静态峰值应变的4倍。(6)应变率对极限应变的影响规律高性能再生混凝土极限应变与峰值应变类似:随应变速率的增加呈二次抛物线变化趋势;因骨料的不同使其临界应变率(抛物线顶点的应变速率值)及对应的极限应变有所差异;再生粗骨料对其影响更大;在应变率小于某一范围或者大于某一范围时,动态下的极限应变小于静态下的极限应变,在曲线的中间段,极限应力大于静态下的情况,最大可达静态下极限应变的3.5倍。(7)应变率对能量传播的影响规律:四种类型的能量都随应变速率的增大而增大,其中,入射能与耗散能与应变率呈幂函数相关,随着应变率的增大,二者的增幅也增大;反射能和透射能与应变率呈二次多项式函数相关关系,且随着应变率的增大,能量的增幅减小;反射能增大的幅度最小。耗散率随应变率的增大而增多,二者近似呈二次多项式或者线形函数相关关系;不同骨料类别与不同取代率下耗散率不同。(8)应变率对高性能再生混凝土损伤的影响规律应变率与高性能再生混凝土材料损伤值的曲线呈指数函数关系;在相同的应变率条件下,再生骨料取代率越高,损伤越大,也说明材料受冲击荷载的抵抗能力随取代率的增加而降低;但在再生细骨料取代率为30%和50%时,区别不明显。本文的试验研究结论归纳总结得到以下创新性成果:(1)通过不同再生骨料取代率下的静力试验,获得了再生骨料取代率对再生混凝土抗压强度、弹性模量、峰值应变和极限应变的影响规律。(2)根据冲击动力试验数据分析,得到了再生混凝土的应变率敏感特性,且因骨料取代率不同,率敏性强弱有所差异;提出了峰值应力随应变率变化的关系式;总结了应变率对高性能再生混凝土抗压强度、动态弹性模量、峰值应变和极限应变的影响规律;提出了不同应变率下再生混凝土的动态本构关系曲线特征。(3)由试验检测数据分析,得到了不同应变率下高性能再生混凝土的冲击能量传递及损伤破坏特性,提出了不同再生骨料及取代率下的能量耗散、损伤值随应变率的变化关系式。
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