混凝土材料的動態(tài)力學性能分析

李澤軒

摘 要：混凝土的應用范圍比較廣泛，特別是在建筑、橋梁等各個工程項目都離不開混凝土材料。因此，混凝土材料作為最廣泛的建筑材料，有必要對其動態(tài)力學性能進行研究和探討。該文對混凝土材料的動態(tài)力學性能進行分析，先后進行沖擊壓縮實驗、損傷演化實驗，并對損傷型動態(tài)本構關系進行研究，針對混凝土材料進行動態(tài)力學性能相關實驗思想的研究和探討。

關鍵詞：混凝土材料 動態(tài)力學 SHPB 性能

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（a）-0221-01

混凝土是應用最為廣泛的工程材料，各種工程方面都離不開混凝土材料的應用。但是混凝土材料也存在許多問題，包括材料質地比較脆弱、內部組成部分相對復雜、骨料的尺寸較大以及均勻性不太好等。因此，需要對混凝土材料進行動態(tài)力學性能的相關實驗及研究。需要注明的是，SHPB實驗是材料動態(tài)力學研究最為基本的方法之一，通過SHPB設備對混凝土材料的動態(tài)力學性能進行研究也存在一定的難度。由于混凝土材料比較特殊，SHPB試驗的相關假設條件不容易滿足。因此，該文結合混凝土材料的特性，對SHPB實驗技術進行修正，以此對混凝土材料動態(tài)力學性能進行研究，不足之處，敬請指正。

1 動態(tài)力學性能研究

大部分混凝土建筑所能夠承受的是較為緩慢的靜態(tài)荷載，然而一部分特殊的建筑物要求可以承受一定沖擊荷載、抗沖擊能力以及抗層裂能力。早期大多是對彈性模量的變化進行研究，沖擊試驗一般是采用落錘設備。但是，落錘設備不能對慣性效應進行考慮，一些實驗也無法得到應力-應變曲線，得到的數據僅僅流于表面，無法起到真正的比較作用。該文主要利用SHPB實驗對混凝土材料動態(tài)力學性能進行探討。

2 沖擊壓縮實驗

實驗結果同時證明混凝土材料一方面其應變率效應十分敏感，另一方面是對損傷也存在較為顯著的影響。表1是實驗數據對比情況，以此證明混凝土材料在發(fā)生變形時，除了應變率效應之外，還有其他兩種效應，分別是應變硬化效應以及損傷軟化效應。如果混凝土試件材料承受比較小的沖擊載荷，那么混凝土所承受的損傷軟化效應不是太顯著。所以，混凝土材料的整體表現可以總結為先應變硬化，也就是應力會跟隨應變的增大而增大；隨著沖擊載荷逐漸增大，同時微裂隙也隨之擴大，損傷軟化效應會逐漸增長到和應變硬化效應保持一致；如果沖擊載荷持續(xù)增大，損傷軟化效應會逐漸加大，混凝土材料失穩(wěn)，試件坍塌。

3 損傷演化實驗

實驗數據證明，微裂隙、微空洞等混凝土損傷的出現會造成材料軟化情況，實際上最為明顯的損傷軟化效應，對混凝土材料的影響更加顯著。混凝土材料的組成部分相對復雜，在成型時內部本身就存在許多微裂紋和微空洞，所以對這些損傷演化過程進行研究也是該文重要組成部分。因為從微觀上對損傷進行研究存在一定的難度，因此只能換個角度，從宏觀的角度對其進行分析研究。也即是從宏觀的層次對損傷定義，用材料試件受損傷而引發(fā)宏觀力學性能參數產生的變化對損傷進行度量。

混凝土材料一旦出現問題，彈性模量就會發(fā)生變化，因此也可以對損傷因子D進行確定，從而可以得到混凝土材料損傷演化方程，由此還得出損傷凍結實驗。具體是指試件在受到沖擊壓縮時，材料問題是如何出現和發(fā)展，同時被限制于某一個固定的應變值上，因此可以得出應變損傷值。這個數值一般是利用控制套在試件外面鋼環(huán)的高度來得出，應變率的數值利用控制子彈撞擊速度來得出。本次共做了4組實驗，每次實驗的應變率有所區(qū)別，應變控制范圍處于2000μ～3000μ之間，應變率分別設置為23/s，35/s，45/s，60/s。

4 損傷型動態(tài)本構關系

混凝土材料應變率進行大跨度動靜態(tài)壓縮實驗，得出的結果證明材料有顯著的應變率效應，在高應變率范圍更加敏感，所以應變率效率無法用Seeger模型進行描述，可以利用朱-王-唐等人提出的非線性粘彈性本構方程

其中，還需要按照混凝土材料實際特性，對其進行改進。一是要把平衡態(tài)應力考慮取一項，彈性的部分認為是線形的；二是損傷因子D是本構模型中重要的內變量，損傷因子也要添加進方程中。

5 實驗思想

混凝土材料本身存在的破壞應變不大，而且混凝土的組成部分相對而言比較復雜，材料相當脆弱。混凝土材料在進行動態(tài)力學性能方面的試驗研究過程中，在一定程度上存在較大難度。所以一些動態(tài)力學性能實驗中還引入其他技術，可以適當處理大直徑壓桿波形彌散對材料產生的影響，從而促進測量精度的提高，繼而提高混凝土材料的動態(tài)應力-應變曲線的穩(wěn)定可靠性。除此之外，通過動態(tài)力學性能試驗可以對混凝土材料中微缺陷進行檢驗。微缺陷主要包括微裂隙和微空洞，會對混凝土材料的力學性能產生較大的影響，材料在做損傷試驗的過程中就可以實現對其損傷演化規(guī)律進行研究。

6 結語

綜上所述，混凝土材料一方面屬于應變率較為敏感的建筑材料，同時其損傷軟化效益比較顯著?；炷敛牧系母邞兟拭舾行圆恍∮跍熟o態(tài)實驗敏感性，所以無法選擇一般的金屬材料本構模型，該文選取的是朱-王-唐粘彈性模型。該文對有關混凝土材料動態(tài)力學性能進行研究和探討，以及對于混凝土材料的特性研究，以及混凝土材料的應用，起到一定的促進作用。

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