【摘要】：混凝土作為最常用的建筑材料,廣泛應(yīng)用于各種民用、軍用建筑物中,如高層住宅樓、隧道、橋梁、水電站、軍事掩體等。在進行重要建筑物設(shè)計時,必然要考慮到地震、沖擊、爆炸等動態(tài)荷載作用下的穩(wěn)定性,而混凝土材料的動態(tài)力學特性與靜態(tài)相比有很大差別,因此,對混凝土在動態(tài)荷載作用下力學特性的研究具有重要的意義。本文基于能量轉(zhuǎn)化的基本原理,分析了動態(tài)破壞過程中混凝土的能量轉(zhuǎn)化過程,提出了混凝土動態(tài)強度提高機理,并通過動態(tài)試驗驗證以及數(shù)值試驗分析的方法,驗證了所提機理的合理性及適用性,最后進一步分析了細觀非均勻性對混凝土動態(tài)強度的影響。主要的研究工作可以總結(jié)為以下幾個方面:(1)從微觀層面分析了混凝土動態(tài)破壞過程中的能量轉(zhuǎn)化機理,確定了彈性應(yīng)變能為輸入能與耗散能之間轉(zhuǎn)化的橋梁,通過進一步分析彈性應(yīng)變能的變化過程,確定了彈性應(yīng)變能轉(zhuǎn)化率與混凝土強度的關(guān)系,提出了混凝土動態(tài)強度的提高是由“能量釋放的滯后效應(yīng)”引起的。在此基礎(chǔ)上討論了混凝土細觀非均勻性對其動態(tài)強度的影響機理,認為裂紋遭遇骨料會導(dǎo)致混凝土能量釋放的滯后效應(yīng)提高,從而提高混凝土的動態(tài)強度。(2)利用SHPB試驗裝置進行了混凝土的巴西圓盤動態(tài)劈裂試驗,研究了不同沖擊速度下混凝土的動態(tài)破壞過程,驗證了“能量釋放的滯后效應(yīng)”對解釋混凝土動態(tài)抗拉強度提高機理的適用性;通過純砂漿、不同骨料體積率的混凝土以及純骨料的動態(tài)劈裂試驗,研究了骨料體積率對混凝土動態(tài)抗拉強度的影響。結(jié)果表明,沖擊速度越高,能量的輸入速率越大,裂紋的擴展更加滯后于能量的輸入,從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)儲存的能量增多,混凝土動態(tài)抗拉強度提高;骨料體積率越高,裂紋擴展路徑更長,且遭遇骨料時會發(fā)生止裂,使能量積蓄過程更長,積蓄能量更多,動態(tài)抗拉強度更高。(3)由于混凝土動態(tài)受拉與動態(tài)受壓時的力學機理不同,因此對動態(tài)受壓時混凝土動態(tài)強度的提高機理也需進行研究。利用SHPB試驗裝置進行了混凝土的動態(tài)壓縮試驗,研究了沖擊速度以及骨料體積率對混凝土的動態(tài)壓縮特性的影響,驗證了“能量釋放的滯后效應(yīng)”及細觀非均勻性對混凝土動態(tài)抗壓時的適用性。結(jié)果表明,動態(tài)受壓破壞時由于摩擦作用以及破壞模式的影響,轉(zhuǎn)化為動能的能量較小,導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在平緩段;沖擊速度越高,輸入能的轉(zhuǎn)化率越高,耗散能更加滯后于能量的輸入,從而使能量繼續(xù)儲存在混凝土內(nèi),提高了混凝土的動態(tài)抗壓強度;骨料體積率升高,由于應(yīng)力波傳播至骨料時發(fā)生反射,部分能量儲存于混凝土內(nèi)未能及時釋放,因此應(yīng)力-應(yīng)變提升時刻更晚,但提升速度更快,混凝土更難于發(fā)生變形。(4)由于動態(tài)試驗中能量并不能得到較好的統(tǒng)計,因此在動態(tài)試驗研究的基礎(chǔ)上,利用數(shù)值計算方法進行了混凝土的動態(tài)劈裂試驗,研究了不同沖擊速度下混凝土內(nèi)能量的轉(zhuǎn)化過程,并建立了混凝土隨機骨料模型,對骨料粒徑、位置以及形狀對混凝土動態(tài)力學特性的影響。結(jié)果表明,輸入能轉(zhuǎn)化率與消耗能轉(zhuǎn)化率相交時刻與混凝土峰值應(yīng)力相同;應(yīng)變率越高,輸入能轉(zhuǎn)化率越高,耗散能轉(zhuǎn)化率雖然有所提高,但仍舊滯后于能量的輸入,導(dǎo)致混凝土強度提高;骨料體積率一定時,骨料粒徑越小,裂紋擴展面積越大,混凝土動態(tài)強度越高。(5)為了更好的揭示動態(tài)劈裂試驗時混凝土內(nèi)部的動態(tài)破壞過程,利用CT圖像進行了混凝土試樣的二維重建,并對重建后的混凝土細觀模型進行了動態(tài)劈裂試驗,研究了不同應(yīng)變率、不同骨料體積率以及各細觀組分不同抗拉強度下混凝土的動態(tài)破壞過程。結(jié)果表明,動態(tài)荷載作用下混凝土的能量轉(zhuǎn)化過程可以分為四個階段,分別為彈性應(yīng)變能完全儲存階段,裂紋起裂、斷裂耗能增加階段,應(yīng)力達到峰值、部分彈性應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為動能階段以及加載完成、彈性應(yīng)變能全部釋放階段;混凝土的彈性模量是由各細觀組分的彈性模量及其體積率所綜合決定的;應(yīng)變率越高,裂紋直接穿過骨料擴展的情況越多;骨料體積率越高,止裂情況越多,繼續(xù)開裂所需時間更長,強度越高;低密度區(qū)(包括孔洞及部分薄弱區(qū)域)體積率越高,直徑越大,離試樣中心越近,混凝土的起裂時刻越早,強度越低;工程中,如需進一步提高混凝土的動態(tài)抗拉強度,在混凝土制備過程中,首先應(yīng)提高砂漿的強度,其次在制備時要保證界面的材料強度,最后,骨料的抗拉強度只需高于砂漿即可,沒有必要選取強度更高、質(zhì)量更好的材料作為骨料。(6)對CT重建的混凝土細觀模型進行動態(tài)壓縮試驗,從能量的角度驗證了“能量釋放的滯后效應(yīng)”對解釋混凝土動態(tài)抗壓強度提高機理的適用性,并研究了混凝土各細觀組分不同含量對混凝土動態(tài)抗壓特性的影響。研究發(fā)現(xiàn),混凝土動態(tài)抗壓強度以及彈性模量隨骨料體積率的提高而提高,隨低密度區(qū)體積率的提高而降低。
【圖文】：

圖 1-2 隨機力學特性模型.1-2 Random mechanical characteristics m較好地模擬了單軸以及雙軸作用下，并未考慮混凝土骨料的隨機分布凝土細觀單元的均值度與單元尺度廷等[51-53]提出的，該模型利用隨機粒直徑，最后利用蒙特卡洛法產(chǎn)生該模型對混凝土的力學性能進行了模型從細觀角度對混凝土軸壓破壞據(jù)進行對比，，驗證了隨機骨料模型骨料模型的基礎(chǔ)上進行了一定的改為混凝土的接觸面模型，該方法克速度慢的弊端，且解決了隨機骨料模值模型與實際物理模型更加接近，

1 e I R 2 e TP t EA t輸出桿的彈性模量，Ae為輸入桿、輸出桿的橫加載力 P(t)為 1 22 2I R TeP t P t t t tP t EA 載時，試件兩端可以達到受力平衡狀態(tài)。因此，I R T (3-5)及式(3-8)，得到 0 00 0d 2 dt ts I R T Ru C t C t e TP t EA t1)即為 SHPB 上進行沖擊劈裂的通用公式。
【學位授予單位】：西安理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TU528

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 Hainian Wang;Zhihan Huang;Lei Li;Zhanping You;Yu Chen;;Three-dimensional modeling and simulation of asphalt concrete mixtures based on X-ray CT microstructure images[J];Journal of Traffic and Transportation Engineering(English Edition);2014年01期

本文編號：2622102