混凝土类材料动态拉伸强度的微观力学模型.pdf

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1、第33卷第3期爆炸与冲击Vo1．33，No．32013年5月EXPLOS10NANDSHOCKWAVESMay，2013文章编号：1001—1455(2013)03—0275—07混凝土类材料动态拉伸强度的微观力学模型卢玉斌，武海军，赵隆茂。(1．西南科技大学制造过程测试技术教育部重点实验室，四川绵阳621010；2．北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081；3．太原理工大学应用力学与生物医学工程研究所，山西太原030024)摘要：基于水泥砂浆试样动态劈裂拉伸实验，研究了不同加载速率下水泥砂浆材料动态劈裂时的裂纹发生和

2、扩展规律，提出一个微观力学模型。结果表明，微裂纹惯性是混凝土类材料动态拉伸实验中测量到的动态拉伸强度随应变率的增加而提高的一种微观机制。关键词：固体力学；拉伸强度；动态劈裂拉伸实验；混凝土类材料；微裂纹惯性中图分类号：0346．4国标学科代码：1301545文献标志码：A混凝土类材料(如砂浆、混凝土和地质材料)已被广泛用于民用和军事工程结构，这些结构往往需要承受冲击与爆炸等强动载荷。在设计和模拟这些结构时，通常需要知道々昆凝土类材料的动态强度。其中动态拉伸强度与剥落、碎甲、破碎等拉伸破坏相关。混凝土类材料的拉伸强度随着应变率的增加而提高

3、，特别是当应变率大于转折应变率(1～10S)时，拉伸强度的提高将更加明显。然而，对混凝土类材料拉伸强度增强的物理机制有不同的解释。Y．B．Lu等口基于不考虑应变率效应的宏观静水压力相关的材料模型，模拟动态拉伸实验，结果发现非一维应力状态对拉伸强度增强的影响很小。因此，混凝土类材料在宏观尺度的动态拉伸强度增强主要由真实应变率效应引起。本文中，针对砂浆材料开展动态劈裂拉伸实验，分析劈裂拉伸强度、裂纹扩展速度等随应变率(加载率)的变化规律，并结合动态断裂力学对它的强度的率效应进行分析，研究微裂纹惯性对混凝土类材料由动态拉伸实验观测到的动态拉伸

4、强度增强所起的作用。l实验与结果利用霍普金森压杆(SHPB)装置对巴西圆盘试样进行径向冲击，如图1所示。其中垫条的长度为10mm，宽度为55mm，高度为13mm，圆弧半径为35mm，除入射杆和透射杆上粘贴有应变片，还在试样上等间距布置了5组应变片，用于研究不同加载速率下水泥砂浆材料动态劈裂时的裂纹发生和扩展规律。采用74mm直锥变截面SHPB装置，材质为45钢，杨氏模量E一200GPa，泊松比v一0．3，密度一7．8t／m。，几何尺寸如图2所示。由文献[2]可知，该装置直锥变截面的尺寸设计满足准一维应力状态的要求。试样材料为水泥砂浆，试

5、样平均直径为70mm，平均厚度为55．6mm。部分实验中，通过在入射杆撞击端面同心粘贴薄圆形紫铜片作为波形整形器，拉长入射波的上升沿，整形器直径为10mm，厚度为0．8mm。共有13组试样获得了实验结果：未加波形整形器的有8组，试样1～8子弹撞击速度由小到大；加了波形整形图1试样的加载方式器的有5组，试样9～13子弹撞击速度由小到大。Fig．1Theloadingmannerforspecimens*收稿日期：2012—01—05；修回日期：201206—19基金项目：2011年度留学人员科技活动项目优秀项目(11ZS0103)；四川省

6、教育厅重点项目(10Zd1012)作者简介l卢玉斌(198O)，男，博士，副研究员。276爆炸与冲击第33卷图274mm直锥变截面SHPB装置示意图Fig．2Schematicof74mmrightcircularconeSHPBset—up从试样破坏的顺序和形态2个方面考虑试样的破坏模表l应变片典型记录Table1Typicalsignalsrecordedbystraingauges式。首先，试样破坏的顺序即试样是否由中心开始破坏，可以通过在试样正反两面的加载直径上粘贴多个应变片进行试样通道tl／t2／sAt／~s分析。应变片典型记

7、录如表1所示，t为起点时刻，t为破90．0129．539．5坏时刻，△为破坏总时间。其中通道1、2分别记录距离试90．0128．538．590．0122．032．0样左端面1／6和1／3直径处的应变信号，通道3为试样中90．0121．531．5心的应变信号，通道4、5分别记录距离试样右端面1／6和9O．O127．O37．O1／3直径处的应变信号。当没有使用波形整形器时，对于17O．O225．O55．O加载速度较低的情况，如试样1和3，试样中心的破坏时刻175．5233．558．O接近最小，因此试样近似为中心起裂；对于加载速度较高的185

8、．525O．565．O情况，裂纹先出现在靠近入射端的位置(如试样2、4、7)，并l85．5254．569．0189．5261．O71．5逐渐扩展。当应用了波形整形器时，裂纹可能先出现在靠18O．O254．O