高温后混凝土静动态力学性能试验研究

用高温加热系统对C30、C50两种强度等级混凝土在不同温度条件下进行均匀加热,经自然冷却后用Φ75mm SHPB(Split-Hopkinson Press Bar)实验装置、超声波测量技术及试验压力机对高温前后混凝土试件进行动态冲击与静态抗压试验。结果表明,随温度升高纵波波速、弹性模量及静态抗压强度均出现不同程度减小,总体趋势一致;损伤随温度升高不断增大,在温度400℃、700℃处为明显变化转折点;经不同高温冷却后,混凝土动态破坏强度不断降低、峰值应变不断增大、应力-应变曲线趋平缓,出现塑性流动现象且随温度升高愈加明显。     

不同温度下泡沫铝压缩行为与变形机制探讨

利用Hopkinson杆与MTS实验装置分别研究泡沫铝在不同温度下的动态与静态力学性能,实验结果表明,泡沫铝有很强的温度软化效应,坍塌应力与平台应力和“应力降”的大小均随温度的升高而降低。动态高温下应力应变曲线与静态低温下应力应变曲线类似,反映材料应变率与温度之间的等效关系。低温下泡沫金属强度较高,脆性较强,泡沫结构易脆性坍塌,并伴有脆性裂纹,随着温度的升高,基体材料逐渐软化,泡沫金属强度降低,胞孔结构在压缩过程中从低温下脆性失稳逐渐变成以胞壁屈曲与塑性变形为主,且在不同温度段,应变率敏感度不同。     

结构尺寸对混凝土双轴动态破坏行为影响细观分析EI北大核心CSCD

为研究结构尺寸在不同动态双轴工况下对混凝土破坏行为的影响,建立了考虑混凝土材料非均质性的细观力学分析模型,对不同尺寸的立方体混凝土试件在不同应变率(10-5 s-1、10-2 s-1和1 s-1)和不同侧应力比(0、±0.25、±0.50、±0.75、±1.00和-∞)工况下进行了细观数值模拟。研究了混凝土的动态双轴压缩和压缩-拉伸力学行为以及应变率和侧应力比两个因素对混凝土动态双轴强度及其尺寸效应行为的影响规律,分析与讨论了不同工况下结构尺寸对混凝土动态双轴强度的影响机理。研究结果表明:动态双轴压缩工况下,结构尺寸对混凝土动态双轴压缩强度的影响随应变率增大逐渐被削弱,随侧应力比增大先被削弱而后增强;动态双轴压缩-拉伸工况下,随应变率增大,结构尺寸对混凝土动态主轴压缩强度和动态侧轴拉伸强度的影响均被削弱。随侧应力比增大,结构尺寸对混凝土动态主轴压缩强度的影响被增强,而对混凝土动态侧轴拉伸强度的影响被削弱;逐渐增大的应变率会削弱侧应力比对混凝土双轴强度尺寸效应的影响。     

活性粉末混凝土冲击压缩性能实验研究

通过对活性粉末混凝土材料进行Hopkinson压杆冲击压缩实验,得到不同钢纤维含量的活性粉末混凝土在不同应变率下的应力-应变全曲线,并给出了不同应变率下材料的动态压缩强度和动态增长因子,实验结果表明,活性粉末混凝土具有应变率敏感性,钢纤维的掺入部分提高了材料的冲击压缩性能。     

高强高模聚乙烯纤维力学性能的应变率和温度效应

利用MTS810材料试验机、旋转盘式杆-杆型冲击拉伸装置和温度控制箱,在温度20℃~110℃、应变率为0.001/s~700/s范围内,对高强高模聚乙烯纤维束进行了准静态和高应变率冲击拉伸实验,得到了不同温度、不同应变率时纤维束的应力-应变曲线。结果表明:高强高模聚乙烯纤维束的初始弹性模量具有应变率和温度相关的特性,随应变率提高而增加,随温度提高而下降;在常温下,破坏应力从准静态到动态,具有明显的应变率相关性,随应变率提高而增加,但在20℃~110℃范围内、高应变率下,对应变率变化不敏感;失稳应变也具有应变率和温度相关的特性,随应变率提高而减小,随温度提高而增大。在高应变率下,断裂应变能密度主要由初始弹性模量和失稳应变共同决定,受温度效应和应变率效应的综合影响。     

ZL205A铝合金动态力学性能及其本构模型

目的 研究ZL205A铝合金在不同温度和不同应变速率下的流动应力行为,为材料数值模拟提供参数依据。方法 利用高低温电子万能材料实验机和霍普金森压杆设备,在不同变形温度(20~400 ℃)和应变速率(10⁻⁴~2 200 s⁻¹)下进行准静态拉伸实验、高温拉伸实验以及高应变率动态压缩实验。对实验所得真应力-应变曲线进行力学性能分析,考虑到霍普金森实验下的材料绝热温升,构建了ZL205A铝合金的Johnson-Cook本构模型,并将该模型与实验数据进行比对验证。结果 在室温低应变率(20 ℃、10⁻⁴~10⁻¹ s⁻¹)条件下,随应变率的增大,材料的流动应力变化不明显;当材料屈服后,随着应变的增大,材料流动应力增大的趋势变大,应变硬化作用占主导。在室温高应变率(20 ℃、500~2 200 s⁻¹)条件下,材料的屈服强度和流动应力与室温低应变率时的数据变化不大,考虑到高应变率下的实验时间短、变形大,材料变形产生的热量来不及散出,受温度升高的影响,材料在高应变率范围内的应变率强化效应不明显。在高温低应变率(100~400 ℃/0.001 s⁻¹)条件下,材料的屈服强度和流动应力随温度的升高而迅速降低,表现出较高的温度敏感性,当温度高于200 ℃时,材料产生拉应力回调现象。结论 根据材料真应力-应变曲线,获得了材料的Johnson-Cook本构参数,该模型能较准确地预测材料在不同状态下的流动应力行为。     

基于高速DIC的近场冲击下高强混凝土动态压缩性能研究

为了解近场冲击荷载作用下装配式预制桥梁结构高强混凝土材料的破坏特征及高应变率力学响应特征，采用100 mm大直径霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)对C60及C80两种高强度等级混凝土进行单轴冲击压缩试验。获得了混凝土的应力-应变曲线、动态弹性模量及动态增长因子等动态参数。利用高速数字图像相关(digital image correlation, DIC)技术对混凝土表面应变场进行研究，分析了试样破坏过程中裂纹扩展过程。试验结果表明：在高应变率下，高强混凝土试件的动态压缩强度呈现明显的率效应，但其弹性模量保持恒定；对数函数模型能够较好地表征混凝土的动态强度演化模式；宏观上可以将观察到的破坏模式划分为4种模式：完整试样、轴向劈裂、混凝土爆裂及粉碎；高应变率下，裂缝演化不稳定性增大，其扩展速率随应变率的增大而增大。     

高温条件下钢纤维混凝土动态抗压性能试验研究

应用分离式霍普金森压杆和电阻式高温加热炉对不同纤维掺量(1%,2%)的钢纤维混凝土试件进行了不同温度条件下(20℃,200℃,400℃,600℃,800℃)的动态压缩试验,获得了不同温度条件下该种材料的动态应力-应变曲线,得到了相应的动态抗压强度和峰值应变。试验结果表明,钢纤维混凝土具有明显的应变率强化效应和温度损伤效应。在各试验温度下,钢纤维混凝土的动态抗压强度随着应变率的增大而提高;同一加载速率下,钢纤维混凝土的动态抗压强度随着试验温度的升高大幅度降低;相比于普通混凝土,钢纤维混凝土的抗冲击性能显著提高。     

航空Al7050合金的静动态力学特性研究及JC本构模型构建

为了研究航空Al7050合金材料的静、动态力学特性,采用DNS100型电子万能试验机对航空Al7050合金进行了准静态压缩试验,并依据处理后的试验数据获得了室温准静态下的流动应力-应变曲线,然后采用带有同步组装系统的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对航空Al7050合金进行了不同温度、不同应变率下的动态压缩试验,并依据处理后的试验数据获得了不同温度、不同应变率下的流动应力-应变曲线,最后依据两次试验数据并采用最小二乘法构建了试验条件下的JC本构模型.结果表明:材料的流动应力随应变率的增加整体呈现增加的趋势,但温度高于400℃时,材料的流动应力随应变率的增加而减小;随应变的增加,流动应力表现出先呈线性增加,再缓慢增加,最后急剧下降的趋势;材料的流动应力和应变硬化指数随温度的升高而下降,且构建的JC本构模型能较好地预测塑性流动应力.     

混凝土类材料SHPB实验若干问题探讨

分离式霍普金森压杆(SHPB)实验是研究混凝土类材料动态力学性能的主要方法。该文简要回顾了当前混凝土类材料SHPB实验中存在的若干问题(如端面摩擦、骨料大小、惯性效应、温度效应等)的研究进展;通过对混凝土SHPB实验的精细化数值模拟,进一步分析了惯性效应产生机理,提出了材料的塑性流动引起的横向加速度是产生围压的关键原因,围压波在试件中心的反射和边缘的卸载形成试件中围压从中心向四周逐渐减小的抛物线型分布;利用该文所提的SHPB实验惯性效应产生机理,较好地解释了SHPB实验的尺寸和主动围压的影响规律;基于自主研制的可进行围压和温度共同加载的SHPB实验装置TSCPT-SHPB,对在5MPa~25MPa围压作用下以及在40℃~80℃温度下盐岩动态力学性能进行实验研究,结果表明,高围压下应变率效应不如低围压下显著,温度越高,强度越低;基于考虑粗骨料大小、形状及空间随机分布的三维混凝土细观模型,对混凝土各细观组分对动态效应影响进行了研究,结果表明:各组分材料静态强度越高,混凝土动态强度也越高;在相同骨料粒径条件下,骨料体积率越高,混凝土动态强度也越高;而相同骨料体积含量条件下,骨料尺寸越大,混凝土动态强度越低。     

高温后混凝土的SHPB试验研究

采用Φ100 mm分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,简称SHPB）试验装置,对常温和经历200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃高温作用后的混凝土进行了冲击压缩试验,得到了动态压缩应力-应变曲线,分析了弹速、温度对平均应变率的影响以及温度、平均应变率对动态抗压强度的影响。结果表明：弹速与平均应变率之间、平均应变率与动态抗压强度之间都近似呈线性关系。温度对混凝土动态性能影响显著,在相同弹速下与常温情况相比,200 ℃时平均应变率有所提高、动态抗压强度有所降低,400 ℃时与常温接近,400 ℃以后平均应变率随着温度增加而提高,而动态抗压强度随着温度的增加而急剧下降,至800 ℃不足常温试件的30%。高温将降低混凝土的应变率敏感性,其中以400 ℃降低最为明显。     

不同强度等级混凝土遭受超低温冻融循环作用的受压强度试验研究

通过设计强度等级C40、C50及C60混凝土经历0次、16次和30次温度区间分别为15℃~-120℃和15℃~-190℃的冻融循环作用试验,探讨不同强度等级混凝土超低温冻融循环作用下受压强度变化规律。试验结果表明,不同强度等级混凝土试件上下限温度时加载的破坏形态基本上类似、均大致呈对顶锥状,但其破坏面状况等破坏特征有所不同。经历各种超低温冻融循环作用工况混凝土上、下限温度时的相对受压强度随其含水率增加基本上均呈下降趋势。而随强度等级提高,上限温度时混凝土相对受压强度呈增大态势,但各强度等级混凝土均随冻融循环作用次数的增加呈下降趋势;下限温度时不同超低温温度区间的混凝土相对受压强度虽也基本上有所增大,但增大的原因存在明显的差异。给定的超低温冻融作用温度区间工况下各强度等级混凝土下限温度时相对受压强度随冻融循环作用次数增加的变化趋势相似,但不同温度区间时却不同。超低温冻融作用对混凝土性能影响与常规冻融作用不同,其受压强度恶化更为严重。实际工程中不能直接地将常规冻融循环作用研究结果应用于设计具有超低温冻融作用的混凝土结构。     

纤维对超高性能混凝土残余强度及高温爆裂性能的影响

采用普通原材料制备56 d龄期抗压强度为140~160 MPa的空白组超高性能混凝土、钢纤维超高性能混凝土及混杂纤维超高性能混凝土,测定其遭受高温作用后的残余抗压强度和劈裂抗拉强度,并对100%含湿量的混凝土试块进行高温爆裂试验。此外,测定大小2种加热速率对超高性能混凝土高温爆裂行为的影响。结果表明:所配制混凝土的残余抗压强度均随着目标温度的升高呈现先增大再降低的趋势,800℃高温后的残余抗压强度约为常温强度的30%。钢纤维与混杂纤维混凝土的残余劈裂抗拉强度亦呈现先升高再降低的趋势,800℃高温后的残余劈裂抗拉强度分别为常温强度的15.1%和35.4%。空白组混凝土的残余劈裂抗拉强度随着目标温度的升高而单调下降,800℃高温后的强度值约为常温强度的20.3%。7.5℃/min加热速率下,100%含湿量的3种混凝土试块均发生了严重高温爆裂,单掺钢纤维可以改善超高性能混凝土的高温爆裂,但不能避免爆裂的发生,而混杂纤维对超高性能混凝土高温爆裂的改善效果并未显著优于钢纤维。2.5℃/min加热速率下,混杂纤维可避免部分超高性能混凝土试块发生爆裂。      

不同温度环境中沥青混凝土动态抗压性能试验研究

为研究沥青混凝土在不同温度环境中的动态力学特性,该研究在-20~30℃和10-5~10-2 s-1条件下对其进行了动态抗压试验研究。试验结果表明:温度和应变速率对沥青混凝土的力学性能有显著影响,降低温度或增加应变速率导致抗压强度和弹性模量增加,峰值应变减小;当温度大于20℃或小于-10℃时,应变速率由10-5 s-1增加到10-2 s-1,温度对抗压强度和弹性模量的影响逐渐减小,该研究提出的温度影响因子经验公式较好地反映了抗压强度和弹性模量随温度变化的规律。在-20~0℃温度区间,抗压强度和弹性模量的动态增强因子随应变速率呈线性增长;在0~30℃温度区间,抗压强度和弹性模量的动态增强因子随应变速率呈非线性增长。在此基础之上,基于时温等效原理,建立了沥青混凝土抗压强度和弹性模量的计算模型。该模型考虑了温度和应变速率对沥青混凝土的共同作用,与试验结果吻合较好。     

实时高温下与热处理后砂岩动态拉伸特性研究

为了开展实时高温下及加热冷却后岩石动态力学性质的对比研究,利用自行设计的加热装置结合SHPB系统对两种温度状态砂岩的动态拉伸特性进行试验研究,处理温度为常温(25℃)～600℃共7组。结果表明:砂岩的率效应在两种温度状态下都存在,热处理后的砂岩拉伸强度除100℃外都比常温状态小,且随着热处理温度的增大,拉伸强度减小,温度会影响试样的破坏形态。高温下砂岩的拉伸强度除600℃外都比常温状态大,且拉伸强度随着温度的升高先增大后减小,加载率对破坏模式起主导作用。高温下的热膨胀作用会抑制裂纹相互连接,使得岩石结构更加密实,导致砂岩在实时高温下的拉伸强度相比加热冷却后有很大的区别。     

温度对PVA/ECC动态压缩性能影响

为研究不同温度、不同聚乙烯醇(PVA)纤维体积掺量和不同应变率对高延性纤维增强水泥基复合材料(PVA/ECC)动态压缩性能的影响,采用直径50 mm分离式霍普金森压杆(SHPB),对高温浸水冷却后的PVA/ECC进行了冲击压缩试验,结果表明：当温度≥250℃,PVA/ECC试件冲击破坏后的整体性变差,应力-应变曲线更趋于扁平,其动态峰值应变提高不明显但动态峰值应力、冲击韧度显著降低,且高温对较大纤维体积掺量PVA/ECC动态峰值应力、冲击韧度的劣化效应更明显;温度≤150℃时,增大PVA纤维体积掺量,PVA/ECC动态峰值应力、峰值应变和冲击韧度均明显提高,但当温度≥250℃时,增大PVA纤维体积掺量,PVA/ECC动态峰值应变增大,而冲击韧度的提高幅度显著降低且动态峰值应力下降;高温水冷后的PVA/ECC仍具有明显的应变率效应,但温度≥150℃后,其抗压强度的应变率敏感性有所降低。     

AerMet100超高强度钢的动态力学性能研究

对AerMet100超高强度钢淬火后深冷处理,然后在不同温度下回火,利用OM,SEM,TEM对处理后的组织进行观察。采用分离式Hopkinson压杆研究不同热处理工艺对其动态力学性能的影响规律。结果表明:深冷处理可降低残余奥氏体的含量,提高材料的动态塑性,改善材料的综合性能;在高应变率(1000~4200s~(-1))下,与准静态相比,材料表现出明显的应变率硬化效应。随着回火温度的升高,材料的动态压缩强度呈现出先升高后降低的趋势,在482℃时出现峰值,约为2800MPa。在动态加载条件下,材料的断裂形式均是剪切断裂。     

Dynamic compressive and splitting tensile properties of concrete containing recycled tyre rubber under high strain rates

In order to raise the efficiency of resource utilization, recycling waste rubber particles into concrete as aggregate has been widely accepted. When the size and content of the rubber particles are appropriate, rubberized concrete can achieve many excellent properties. This study investigated the impact of rubber replacement on dynamic compressive and splitting tensile properties of concrete. The split Hopkinson pressure bar tests of rubberized concrete containing 5%, 10%, 15% and 20% volume replacement for sand were completed. The failure modes, stress curves and dynamic strength values of rubberized concrete under high strain rates were recorded. The results reveal that the dynamic compressive and splitting tensile strength of rubberized concrete decrease with increasing rubber content. Meanwhile, peak strain increases with increasing rubber content. Dynamic increase factors (DIFs) of compressive and splitting tensile strength also were calculated, where rubberized concrete shows a stronger strain rate sensitivity. The analysis of specific energy absorption illustrates that rubberized concrete with 15% rubber replacement has the best impact toughness. In addition, ratios of dynamic compressive–tensile strength of rubberized concrete were calculated, which are between 3.82 and 5.39.     

Dynamic tensile behaviour of fibre reinforced concrete with spiral fibres

This paper performs drop-weight splitting tests to study the dynamic tensile properties of fibre reinforced concrete (FRC) materials with different steel fibres. A renovated splitting tensile testing method was developed to ensure a more qualified experimental process. The splitting tensile impact tests were conducted with an instrumented drop-weight impact system consisting of a hard steel drop weight, a fast-response load cell, a high-speed video camera and a high-frequency data acquisition system. The quasi-static compressive and splitting tests were also conducted to obtain the static properties of the FRC materials. The commonly used hooked-end steel fibre and a new spiral shaped steel fibre were tested in this study. The high-speed video camera was used to capture the detailed failure process, deformation and cracking process of the tested specimens. Average strain rates and the cracking extension displacement and velocity under impact loading were estimated by analysing the recorded high-speed images. The strains were also measured by the strain gages on the specimen surface. The dynamic stress–strain and stress–COD (cracking opening displacement) relations, the rate sensitivity of tensile strength and the corresponding energy absorption capacity of plain concrete and FRC with different fibres were obtained, compared and discussed. The advantage and effectiveness of the new spiral fibre in increasing the performance of FRC under dynamic tensile loading were examined. The results show that FRC with spiral fibres outperforms that with hooked-end fibres, and is a promising construction material in resisting dynamic loadings.     

Experimental study on the dynamic compressive mechanical properties of concrete at elevated temperature

Strain rate effect and temperature effect are two important factors affecting the mechanical behavior of concrete. Each of them has been studied for several years. However, the two factors usually work together in the engineering practice. It is necessary to understand the mechanical responses of concrete under high strain rate and elevated temperature. A self-designed high temperature SHPB apparatus was used to study the dynamic compressive mechanical properties of concrete at elevated temperature. The results show that the dynamic compressive strength and specific energy absorption of concrete increase with strain rate at all temperatures. The elastic modulus decreases obviously with strain rate at room temperature and stabilizes at a level with slightly decrease at elevated temperature. The dynamic compressive strength of concrete at 400 °C increases by nearly 14% compared to the room temperature. However, it decreases at 200 °C, 600 °C and 800 °C with the decrease ratio of 20%, 16% and 48%, respectively. The dynamic elastic modulus decreases largely subjected to elevated temperature. The specific energy absorption at 200 °C, 400 °C and 600 °C is higher than room temperature and decreases to be lower than room temperature at 800 °C. Formulas are established under the consideration of mutual effect of strain rate and temperature.