【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(jìn)行重要建筑物設(shè)計(jì)時(shí),必然要考慮到地震、沖擊、爆炸等動(dòng)態(tài)荷載作用下的穩(wěn)定性,而混凝土材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性與靜態(tài)相比有很大差別,因此,對(duì)混凝土在動(dòng)態(tài)荷載作用下力學(xué)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(dòng)態(tài)破壞過(guò)程中混凝土的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程,提出了混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度提高機(jī)理,并通過(guò)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證以及數(shù)值試驗(yàn)分析的方法,驗(yàn)證了所提機(jī)理的合理性及適用性,最后進(jìn)一步分析了細(xì)觀非均勻性對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的影響。主要的研究工作可以總結(jié)為以下幾個(gè)方面:(1)從微觀層面分析了混凝土動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化機(jī)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(guò)進(jìn)一步分析彈性應(yīng)變能的變化過(guò)程,確定了彈性應(yīng)變能轉(zhuǎn)化率與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系,提出了混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)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(xì)觀非均勻性對(duì)其動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的影響機(jī)理,認(rèn)為裂紋遭遇骨料會(huì)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(dòng)態(tài)強(qiáng)度。(2)利用SHPB試驗(yàn)裝置進(jìn)行了混凝土的巴西圓盤動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn),研究了不同沖擊速度下混凝土的動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程,驗(yàn)證了“能量釋放的滯后效應(yīng)”對(duì)解釋混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度提高機(jī)理的適用性;通過(guò)純砂漿、不同骨料體積率的混凝土以及純骨料的動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn),研究了骨料體積率對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)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(kuò)展更加滯后于能量的輸入,從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)儲(chǔ)存的能量增多,混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度提高;骨料體積率越高,裂紋擴(kuò)展路徑更長(zhǎng),且遭遇骨料時(shí)會(huì)發(fā)生止裂,使能量積蓄過(guò)程更長(zhǎng),積蓄能量更多,動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度更高。(3)由于混凝土動(dòng)態(tài)受拉與動(dòng)態(tài)受壓時(shí)的力學(xué)機(jī)理不同,因此對(duì)動(dòng)態(tài)受壓時(shí)混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的提高機(jī)理也需進(jìn)行研究。利用SHPB試驗(yàn)裝置進(jìn)行了混凝土的動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn),研究了沖擊速度以及骨料體積率對(duì)混凝土的動(dòng)態(tài)壓縮特性的影響,驗(yàn)證了“能量釋放的滯后效應(yīng)”及細(xì)觀非均勻性對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)抗壓時(shí)的適用性。結(jié)果表明,動(dòng)態(tài)受壓破壞時(shí)由于摩擦作用以及破壞模式的影響,轉(zhuǎn)化為動(dòng)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(chǔ)存在混凝土內(nèi),提高了混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度;骨料體積率升高,由于應(yīng)力波傳播至骨料時(shí)發(fā)生反射,部分能量?jī)?chǔ)存于混凝土內(nèi)未能及時(shí)釋放,因此應(yīng)力-應(yīng)變提升時(shí)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(dòng)態(tài)試驗(yàn)中能量并不能得到較好的統(tǒng)計(jì),因此在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,利用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了混凝土的動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn),研究了不同沖擊速度下混凝土內(nèi)能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程,并建立了混凝土隨機(jī)骨料模型,對(duì)骨料粒徑、位置以及形狀對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)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(shí)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(qiáng)度提高;骨料體積率一定時(shí),骨料粒徑越小,裂紋擴(kuò)展面積越大,混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度越高。(5)為了更好的揭示動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn)時(shí)混凝土內(nèi)部的動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程,利用CT圖像進(jìn)行了混凝土試樣的二維重建,并對(duì)重建后的混凝土細(xì)觀模型進(jìn)行了動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn),研究了不同應(yīng)變率、不同骨料體積率以及各細(xì)觀組分不同抗拉強(qiáng)度下混凝土的動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程。結(jié)果表明,動(dòng)態(tài)荷載作用下混凝土的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程可以分為四個(gè)階段,分別為彈性應(yīng)變能完全儲(chǔ)存階段,裂紋起裂、斷裂耗能增加階段,應(yīng)力達(dá)到峰值、部分彈性應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為動(dòng)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(xì)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(guò)骨料擴(kuò)展的情況越多;骨料體積率越高,止裂情況越多,繼續(xù)開(kāi)裂所需時(shí)間更長(zhǎng),強(qiáng)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(shí)刻越早,強(qiáng)度越低;工程中,如需進(jìn)一步提高混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度,在混凝土制備過(guò)程中,首先應(yīng)提高砂漿的強(qiáng)度,其次在制備時(shí)要保證界面的材料強(qiáng)度,最后,骨料的抗拉強(qiáng)度只需高于砂漿即可,沒(méi)有必要選取強(qiáng)度更高、質(zhì)量更好的材料作為骨料。(6)對(duì)CT重建的混凝土細(xì)觀模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn),從能量的角度驗(yàn)證了“能量釋放的滯后效應(yīng)”對(duì)解釋混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度提高機(jī)理的適用性,并研究了混凝土各細(xì)觀組分不同含量對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)抗壓特性的影響。研究發(fā)現(xiàn),混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)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(jī)力學(xué)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(jī)分布凝土細(xì)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(jī)粒直徑，最后利用蒙特卡洛法產(chǎn)生該模型對(duì)混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了模型從細(xì)觀角度對(duì)混凝土軸壓破壞據(jù)進(jìn)行對(duì)比，，驗(yàn)證了隨機(jī)骨料模型骨料模型的基礎(chǔ)上進(jìn)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(jī)骨料模值模型與實(shí)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(shí)，試件兩端可以達(dá)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(jìn)行沖擊劈裂的通用公式。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU528

【參考文獻(xiàn)】

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(hào)：2622102