含軟夾層砂漿試件沖擊特性實(shí)驗(yàn)分析

王建國(guó)，羅世云，張智宇，馬 軍，張小華

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650093；2.云南省中-德藍(lán)色礦山與特殊地下空間開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650093；3.中國(guó)有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明 650051)

砂漿材料作為砌體結(jié)構(gòu)的粘結(jié)材料，廣泛應(yīng)用于山區(qū)道路、房建、礦建等工程的擋土墻澆筑及固坡施工，對(duì)砌體結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能起到重要作用[1]，也常用于模擬巖石在爆炸動(dòng)荷載下的力學(xué)性能[2]，研究其在動(dòng)載下的力學(xué)行為有助于分析砌體結(jié)構(gòu)在地震荷載[3-4]、沖擊荷載[5]等工況下的響應(yīng)特征。文獻(xiàn)[6-7]基于數(shù)值模擬剝離了SHPB實(shí)驗(yàn)中慣性效應(yīng)對(duì)砂漿材料動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的影響并驗(yàn)證了其優(yōu)越性；文獻(xiàn)[8-11]通過(guò)SHPB沖擊實(shí)驗(yàn)分析了節(jié)理傾角、節(jié)理厚度、節(jié)理填充材料及加載應(yīng)變率對(duì)水泥砂漿模擬的巖石材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響；文獻(xiàn)[8]研究表明C30混凝土和泡沫混凝土組成的硬-軟分層材料中的軟介質(zhì)具有很好的抗高速?zèng)_擊和削波作用；文獻(xiàn)[12]利用改進(jìn)的SHPB裝置研究了水泥砂漿節(jié)理面在壓剪復(fù)合加載下的動(dòng)態(tài)界面滑移特性；文獻(xiàn)[13-14]按照能量觀點(diǎn)，全面分析了矢量波通過(guò)軟弱夾層的傳播特性，提出一種考慮夾層內(nèi)一次反射波的動(dòng)力響應(yīng)模型，適用于層狀介質(zhì)的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題分析。以上文獻(xiàn)僅研究了單獨(dú)一種砂漿類材料或硬-軟混凝土分層材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，然而，當(dāng)?shù)蜐舛壬皾{作為軟夾層與較高強(qiáng)度材料組成復(fù)合結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)其動(dòng)力響應(yīng)和抗沖擊性能的研究較少。為在防護(hù)工程中充分利用軟材料的吸能作用，筆者借助SHPB動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)含軟夾層的分層砂漿材料開展不同速度的沖擊力學(xué)實(shí)驗(yàn)，分別從動(dòng)態(tài)強(qiáng)度特性、能量傳遞規(guī)律、損傷變量和破壞模式角度，對(duì)軟夾層復(fù)合砂漿結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行分析，以期指導(dǎo)復(fù)雜動(dòng)荷載條件下的防護(hù)結(jié)構(gòu)選型。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 分層砂漿試件的制備

為省去不同尺寸試件之間的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換，本次靜載和動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)的砂漿試件規(guī)格統(tǒng)一按圓柱體(100 mm×φ50 mm)設(shè)計(jì)，選擇2種材料配比組合(見圖1)，材料A和材料B的水泥、砂子、水的質(zhì)量比分別為1∶2∶0.45和1∶4∶0.6，為3層制作，分層界面方向與試件軸向垂直，即分層角度為0°，中間夾層用水泥含量低的材料B。

圖1 分層水泥砂漿試件Fig.1 Laminated cement mortar specimens

1.2 靜態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度

用萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)(見圖2)對(duì)材料A、B和含夾層的砂漿試件進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)參數(shù)測(cè)試，各材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖2 砂漿試件單軸抗壓實(shí)驗(yàn)Fig.2 Uniaxial compression test of mortar specimen

表1 水泥砂漿材料的物理力學(xué)參數(shù)

1.3 動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)裝置

分層砂漿試件動(dòng)載下能量傳遞特性及破壞模式研究在分離式霍普金森壓桿(SHPB)上完成，裝置如圖3所示，子彈及各桿件均為直徑50 mm的鋼質(zhì)材料，密度7 100 kg/m3，縱波波速5 060 m/s，子彈長(zhǎng)度0.6 m，入射桿、透射桿長(zhǎng)2 m，吸收桿長(zhǎng)1 m。需要強(qiáng)調(diào)的是，本文僅對(duì)分層澆筑砂漿試件的動(dòng)態(tài)能量傳遞及破壞規(guī)律探究，忽略實(shí)驗(yàn)中試件軸向和徑向的慣性效應(yīng)[15]。

圖3 SHPB實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 SHPB experiment device

2 數(shù)據(jù)處理方法

2.1 動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長(zhǎng)因子

動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長(zhǎng)因子(DIF)已成為衡量沖擊荷載下脆性材料抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率變化幅度的常用指標(biāo)[16]，即

DIF=fc,d/fc,s

(1)

式中：fc,d、fc,s分別為試驗(yàn)材料的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)抗壓強(qiáng)度。

2.2 能量方程

引用文獻(xiàn)[17]的能量計(jì)算方法，對(duì)本次SHPB試驗(yàn)入射波、反射波和透射波的能量按下列方程計(jì)算：

(2)

(3)

(4)

ED=EI-ER-ET

(5)

式中：EI、ER、ET、ED分別為入射能、反射能、透射能和耗散能；A0、ρ0、C0分別為入射桿和透射桿的橫截面積、材料密度和彈性縱波波速；εI(t1)、εR(t1)、εT(t1)分別為入射波、反射波和透射波的應(yīng)變時(shí)程曲線方程。

2.3 能量耗散比及損傷變量

依據(jù)動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)測(cè)試曲線，按式(2)～(5)計(jì)算EI、ER、ET、ED，并參考文獻(xiàn)[17]，按下式(6)～(9)計(jì)算各試件的能量耗散比n、總吸收能密度u、總耗散能密度eD和損傷變量d，并按式(1)計(jì)算動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長(zhǎng)因子DIF，結(jié)果如表2所示。

n=ED/EI

(6)

(7)

eD=ED/V

(8)

d=eD/u

(9)

表2 不同撞擊速度下夾層試件各能量及損傷變量的變化

3 結(jié)果分析

3.1 不同沖擊速度下的波形曲線

實(shí)驗(yàn)中調(diào)整加載氣壓值以實(shí)現(xiàn)不同的沖擊速度v，以3.316、3.723、4.017、4.448 m/s沖擊速度(實(shí)驗(yàn)加載實(shí)測(cè)值)下試件的應(yīng)變時(shí)程曲線為例(見圖4)。由ε-t曲線可見，隨著v的提高，應(yīng)變波幅值逐漸增大；v從3.316 m/s提高到4.017 m/s時(shí)，透射波幅值也逐步增大，但當(dāng)v繼續(xù)增大到4.448 m/s時(shí)，透射波幅明顯減小，反射波幅增大，說(shuō)明v=4.448 m/s時(shí)，含夾層砂漿試件發(fā)生破裂與脫離，阻斷了入射應(yīng)力波繼續(xù)往透射桿傳遞，以反射波的形式回到入射桿。

注：圖中1、2、3、4分別為沖擊速度3.316、3.723、4.017、4.448 m/s。圖4 不同沖擊速度下的ε-t曲線Fig.4 Strain-time curves under different impact velocity

3.2 強(qiáng)度分析

以A材料配比完整水泥砂漿試件的靜態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度(見表1)為參量，并測(cè)試其在不同沖擊速度下的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度值，按式(1)計(jì)算動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長(zhǎng)因子DIF，與表2中軟夾層試件對(duì)比，如圖5所示?？梢钥闯?，到達(dá)動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度之前，含軟夾層試件的DIF均小于完整試件，DIF的增加幅度也小于完整試件；完整試件在v=3.723 m/s時(shí)DIF已接近最大值，v繼續(xù)增大，DIF變化幅度很?。欢鴬A層試件在v=4.448 m/s時(shí)DIF取得最大值且大于完整試件的最大DIF值，v繼續(xù)增大，DIF減小并逐步趨于穩(wěn)定，但仍略大于完整試件的DIF值。說(shuō)明中間軟夾層對(duì)沖擊作用力起到一定的緩沖作用，延緩了動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率，將材料的抗沖擊速度提高了19.5%。

圖5 動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長(zhǎng)因子與沖擊速度關(guān)系Fig.5 The relationship between DIF and v

3.3 能量傳遞分析

由F組試件的EI、ER、ET、ED隨沖擊速度v的變化關(guān)系曲線(見圖6)可知，EI、ED隨v呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，ER隨v呈二次函數(shù)曲線增長(zhǎng)，ET則隨v的增大先增加后減小，ER在v>4.219 m/s時(shí)增長(zhǎng)速率加快，ET在v介于4.219～4.448 m/s之間時(shí)取得最大值，總趨勢(shì)與文獻(xiàn)[17-18]的研究結(jié)論一致，各能量隨速度的變化式見式(10)。這可能是由于沖擊速度大于4.219 m/s時(shí)，試件內(nèi)部破裂斷開，傳遞能量方向的介質(zhì)不再緊密接觸，導(dǎo)致反射能量增加、透射能量反而減少，耗散能呈線性增加。

圖6 不同沖擊速度下各能量變化Fig.6 Each energy change with different impact velocity

(10)

當(dāng)沖擊速度在3.316～5.152 m/s區(qū)間時(shí)，能耗比n隨v變化呈線性增大關(guān)系(見圖7)，沖擊速度越大，含軟夾層試件吸收的能量比越大，可見中間軟夾層的吸能效果明顯。

圖7 能量耗散比與沖擊速度關(guān)系Fig.7 The relationship between energy dissipation ratio and impact velocity

3.4 損傷及破壞模式分析

由表2中對(duì)含軟夾層水泥砂漿試件的損傷變量計(jì)算結(jié)果，獲得損傷變量d隨沖擊速度v的變化規(guī)律(見圖8)。在3.316～5.152 m/s沖擊速度范圍內(nèi)，d隨v的增大先增大后減小，符合二次多項(xiàng)式關(guān)系d=-0.18v2+1.62v-3.0。 結(jié)合4種不同速度沖擊后的試件破壞形態(tài)(見圖9)，可以看出：沖擊速度增至4.017 m/s的過(guò)程，d增長(zhǎng)迅速，中間軟夾層壓密后裂紋增多，前段和后段依次出現(xiàn)貫通裂紋；v=4.017 m/s時(shí)，d=0.56，夾層試件整體沿軸向破裂成2塊，且2塊中均有貫穿裂紋；當(dāng)v>4.017 m/s時(shí)，d增速減緩，v=4.448 m/s時(shí)，d取得最大值0.62，試件整體沿軸向劈裂破壞，軟夾層破碎；速度再增加，d值減小。這是由于在4.017～4.448 m/s的沖擊速度區(qū)間，中間段軟弱夾層吸收了部分沖擊能，破壞成多塊，兩端試件則沿軸向劈裂。

圖8 損傷變量與沖擊速度關(guān)系Fig.8 The relationship between damage variable and impact velocity

圖9 不同速度沖擊后的破壞形態(tài)Fig.9 Failure modes after impact at different velocity

4 結(jié)論

1)軟夾層的吸能耗散作用明顯，不僅延緩了材料動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率，而且將其抗沖擊速度峰值提高到了4.448 m/s，比完整試件的抗沖擊速度能力提高了19.5%。

2)入射能和耗散能隨加載速度近乎線性增長(zhǎng)，反射能增加速率的突變點(diǎn)和透射能量變化的拐點(diǎn)發(fā)生在v=4.448 m/s附近，這是本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的軟夾層試件所能承受的動(dòng)態(tài)沖擊速度峰值，跟夾層試件的組成結(jié)構(gòu)有關(guān)。

3)軟夾層試件破壞時(shí)的損傷值約為0.62，損傷變量滿足d=-0.18v2+1.62v-3.0，由沖擊速度可確定損傷狀態(tài)；反之，由破壞時(shí)的損傷變量值可確定組合材料所能承受的最大沖擊速度。