混凝土类脆性材料动强度提高的机理试验.pdf

2 0 1 6 年第 4 期 中州煤炭 总第 2 4 4 期 混凝 土类脆性材料动强度提 高的机理试 验 崔 健 。 ， 刘 冰 ， 杜 成斌 ， 孙立 国 ( 1 河海大学 工程力学 系， 江 苏 南京2 1 0 0 9 8 ； 2 南京 高等职业技 术学校 ， 江 苏 南京2 1 0 0 1 9 ) 摘要 ： 重点研究 了混凝 土材料静动强度 的差异和 动强度提高机理 ， 认 为混凝土 类非均匀脆性材料的动强度与 材料的非均匀程度 和惯性力有关 ， 且混凝 土材料的动强度并 非一个定值 ， 而是随着加载应 变率 而变化 的。三 点抗折物理试 验表 明， 混凝土材料动强度 的提高主要受破坏 骨料 的面积大小和惯性力控制 ， 骨料 的破坏面积 与加载应变率之间存在 一定 的函数关系， 应变率较大时， 惯性力的影响更为显著。 关键词 ： 动强度 ； 应变率 ； 惯性力 ； 脆性材料 中图分类号 ： T V 3 3 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 3 0 5 0 6 ( 2 0 1 6 ) O 4 0 0 4 6 0 5 St u dy o n M e c h a n i s m f o r En ha nc e me n t o f Dy n a mi c S t r e n g t h o f Br i t t l e M a t e r i a l Li k e Co nc r e t e Cu i J i a n ， L i u Bi n g 。 ，Du Ch e ng b i n ， Su n L i g uo ( 1 D e p a r t me n t o fE n g i n e e r i n g Me c h a n i c s ， H o h a i U n i v e r s i t y ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ， C h i n a ； 2 Na n g T e c h n i c a l V o c a t i o n a l C o l l e g e ， N a n j i n g 2 1 0 0 1 9， C h i n a ) Abs t r a c t： Th e pa pe r f o c u s e s o n t h e di f f e r e nc e s o f t h e s t a t i c a nd d y n a mi c s t r e ng t h o f c o n c r e t e ma t e r i a l ， a nd t he me c ha n i s m f o r e n ha nc e me n t o f d y n a mi c s t r e ng t h Th i s p a p e r p o i n t s o u t t h a t t h e d y n a mi c s t r e n g t h o f h e t e r o g e n e o u s br i t t l e ma t e r i a l l i ke c o n c r e t e i s r e l a t e d t o t h e i n h o mo g e n e o u s d e g r e e a nd i n e r t i a f o r c e Th e dy n a mi c s t r e n g t h i s n o t a fix e d v a l u e， b u t v a r i e s wi t h t h e l o a d i ng s t r a i n r a t e Ph ys i c a l t e s t s h o ws t h a t i nc r e a s i n g o f t h e dy n a mi c s t r e n g t h o f c o n c r e t e ma t e r i a l s ma i n l y c a us e d b y t h e c r a c k i n t h e a g g r e g a t e a n d t h e i n e r t i a f o r c e A c e r t a i n f un c t i o n r e l a t i o n i s e x i s t e d b e t we e n t h e d a ma g e a r e a o f a g g r e g a t e a n d t h e l o a di n g s t r a i n r a t e Th e i nflu e n c e o f i n e r t i a f o r c e i s mo r e s i g n i f i c a nt whe n t h e s t r a i n r a t e i s l a r g e r Ke ywo r ds： d y n a mi c s t r en g t h； s t r a i n r a t e； i ne r t i a f o r c e； b r i t t l e ma t e r i a l 土木工 程 中的混凝 土结构 均不 可避 免地 承受各 种动 力荷载 ， 其受 动 力荷 载 的材 料强 度 和 变 形特 性 与受 静态荷 载 的作 用存 在差别 。有 关混 凝土 的动态 特性 ， 严格来 讲 是混凝 土 的应 变相 关特性 的研 究 ， 最 早可 上溯 至 1 9 1 7年 A b r a ms 对 混凝 土 的抗 压 强 度 率效 应 的研 究 。 1 9 9 1 年 B i s c h o ff 等 对研 究 结 果 进 行 了全 面分析 ， 总结 出不 同应 变 率 下 混凝 土 动 态 抗 压强 度提 高值 与应 变 率 的关 系 ， 发 现 混凝 土 的动 态 强度 随着 应变 率 的增 加有 明显 的增 加 趋 势 ， 且 混 凝 土 动态 强度 、 变 形 特性 之 间 与影 响应 变 率 的 因素 很 多 ， 如加 载条件 、 骨料 形 式 、 养 护龄 期 等 。马 怀 发 等认为 ， 动载作用下的变形引起材料的损伤， 且存在 着 不 同程度 的损伤 滞 后 现象 ， 混 凝 土 的 动 弯拉 强 度 收 稿 日期 ： 2 0 1 6 0 22 1 基 金 项 目 ：国家 自然 科 学 基 金 项 目 ( 1 1 3 7 2 0 9 8 ， 1 1 1 3 2 0 0 3 ， 5 0 7 7 9 0 1 1 ， 5 l 3 0 81 8 8 1 0 6 6一 B1 3 0 5 3 1 0 作者简介 ：崔健 ( 1 9 8 9 一 ) ， 男 ， 江苏盐城人 ， 硕士在读 ， 研究方向为 混 凝 土 力 学 性 能 。 4 6 受 率效 应 、 加 载历 史 与损 伤 累 积 的影 响 。金 浏 以 单 边缺 口的混凝 土试 块 作 为分 析 对 象 ， 通过 数 值 模 拟发现 混凝 土结构 的动 响应 依 赖 于 加 载速 率 ， 随着 加载速 率 的增大 ， 会 出现混凝 土材料 强度 的提 高 、 破 坏模式 改 变 及 裂 纹 分 又 现 象 。覃 沥 等 通 过 对 动 力加 载和静 力加 载不 同工况 下混凝 土梁模 型 的数值 分析 ， 认为 动强度 随 着 速率 的变 化 产生 了 明显 的 改 变 ， 加载速 率越快 ， 动强 度 越 高 ， 提 出 裂纹 扩 展 路径 也是 影 响混 凝 土动强 度 的因素 。本 文通 过对 不 同加 载 速率下混 凝 土梁破 坏 断面 各组 分 材 料 的分 析 ， 得 出混凝土类 脆性 材料 的动强 度 与材料 的非均 匀性 和 材 料本身 的惯性 力 有 关 ， 动强 度 的提 高 主要 受 破 坏 骨 料 的面积大 小和 惯 性力 控 制 ， 骨 料 的破 坏 面 积 与 加 载应变 率之 间存在 一定 的 函数 关系 。 1 混凝土类脆性材料动强度提 高机理 混凝 土材 料 的破 坏实 际上 是能量 释放 的失 稳过 程 。混凝 土 材料在 动 力 作用 下 ， 应 当考 虑材 料 本 身 2 0 1 6年第 4期 崔 健 。 等 ： 混凝 土 类脆性 材 料动 强度 提 高的机 理试 验 总第 2 4 4期 4 3 7 8 、 3 7 9 8 。不 同加 载 速 率 下 断 面 各 组 分 的 面积 和其 占断 面面 积 的百 分 比见 表 2 。 表 2 动 力 作 用 下 各 组 分 面 积及 其 占断 面 面 积 的 百 分 比 G 试 件 H 试 件 I 试 件 1 1 4 1 0 5 1 1 5 2 6 9 6 9 6 2 3 5 5 9 7 2 5 O 2 51 4 2 2 1 8l 2 8 71 4 6 3 6 6 2 7l 5 2 5 9 1 2 6 0 68 2 2 4 9 21 6 6 2 2 1 5 2 O 8 6 2 2 5 7 3 4 6 7 2 5 4 2 3 3 0 4 4 3 1 9 5 3 7 2 44 3 9 记静态破坏 时骨料 的破坏面积为 s ， 面积强化 系数 H =S S ， 根 据 表 2 ， 通 过 M a t h e m a t i c a软 件 对 日 与应变率 拟合得出动态破坏时骨料面积与应变 率的拟合公 式 日 =e x p 0 1 8 5 ( 1 g I l + 9 7 7 ) ， 通过 拟 合公 式计 算 的骨 料破 坏 面积 与实 际破 坏 面积 的 比较 见表 3 。 由表 3可 以看 出 ， 通 过 拟 合 公 式 计 算 的骨 料破 坏 面积 与骨 料 实际破 坏 面积 的误 差 基本 都在 1 0 以 内 。忽略 混凝 土 本 身 离散 性 的影 响 ， 动 态破 坏 时骨 料破 坏 的 面积 强化 系数 与应 变率 的 对数 之间存 在着一 定的指数 函数关 系 ， 可表示 为 ： H = e x p ( 1 g I l + B ) ， A 、 为试 验 确 定 的 强 度 强化 参 数 。 表 3 骨料实际破坏面积 与计算破坏面积 根 据 式 ( 1 ) 由破 坏 荷 载 计 算 出 实 际 的 动 强 度 ，由式( 2 ) 可分别计算 出骨料、 界面、 砂浆 以及惯性 力对 盯提高的贡献值 。由于 ， o r 。 ， 即砂 浆 和粘 结 界 面面积 的改变 对强 度 的影 响相 对于 骨料 来 讲很 小 ， 这里 只 考 虑 裂 缝 切 割 骨 料 面 积 的 改 变 和 惯性力对混凝土动强度提 高的贡献 ， 同时忽略骨料 位 置对 材 料强 度 的 影 响 ， 骨 料 和 惯 性 力对 动 强 度 提 高 的影 响见表 4 。 表 4 骨料和 惯性 力对 动强度提高的贡献值 由表 4可 以看 出 ， 虽然 有一 定程 度 的离散 性 ， 但 混凝 土材 料 的动 强度 随着加 载应 变率 的增 加 而增加 的趋 势是 明显 的。惯 性力对 材 料动 强度 的影 响随 着 加 载应变 率 的增 加 而增 加 ， 材料 呈现 出 明显 的 应 变 率效应 ， 在应变率较大情况下 ， 惯性力的影响更为显 著 。从破 坏 断面各 组 分面 积所 占断 面面 积 的百 分 比 来看， 加载应变率 的增加使得破坏骨料的面积增大， 骨 料强度 对 材料 动强 度 的影 响增大 。 3 结论 通过 理论 分 析 和物理试 验 研究 ， 得 到 以下 结论 ： ( 1 ) 对于混凝 土类 非均匀脆性材料而言 ， 其材 料各 组分 材 料 空 间 分 布 位 置 和 力 学 性 能 是 非 均 匀 的 ， 这种 非均 匀性 和 材 料 本 身 的 惯性 力 导 致 混 凝 土 材 料 的动强 度有 别 于静强 度 。 ( 2 ) 混凝土材料 的动强度并非一个定值 ， 而是 对 加载应 变 率 敏感 ， 呈 现 出 明显 的应 变 率 效应 。材 料 动强 度 的提 高主要 受破 坏 骨料 的面 积大小 和惯 性 力 控制 ， 应 变率 较大 时 ， 惯 性力 的影 响更 为显 著 。 ( 3 ) 混凝 土材 料动 态 破 坏 时骨 料 的破坏 面积 与 应 变率 之 间存在 着一 定 的 函数关 系 。 4 9 2 0 1 6 年第4 期 中州煤炭 总 第 2 4 4 期 参考 文献 ： Ab r a ms D A E f f e c t o f r a t e o f a p p l i c a t i o n o f l o a d o n t h e c o mp r e s - s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e J A S T M J 1 9 1 7， 1 7 ( 2 ) ： 3 6 4 3 7 7 Bi s c h o ff P H P e r r y S H C o mp r e s s i v e b e h a v i o r o f c o n c r e t e a t h i g h s t r a i n r a t e s J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 1 ( 2 4) ： 4 2 5 - 4 5 0 马怀发 ， 陈厚群 ， 黎保琨 应 变率效应 对混凝土 动弯拉 强度 的 影响 J 水利学报 ， 2 0 0 5 ， 3 6( 1 ) ： 6 9 - 7 6 金浏 ， 杜修力 加载速率对混凝土拉伸破坏行 为影响的细观数 值分析 J 工程力学 ， 2 0 1 5 ， 3 2 ( 8 ) ： 4 2 - 4 9 覃 沥， 柴军 瑞 ， 党发 宁 大坝混 凝土静 、 动强度数 值试验 研究 J 水利与建筑工程学报 ， 2 0 1 3 ( 1 ) ： 1 - 6 孙训方 ， 方孝 淑， 关来 泰 材料 力学 M 北 京 ： 教 育 出版社 ， ( 上接 第 3 9 页 ) 底 板 标 高 为 一2 9 7 6 m， 地 温 为 3 8 1 6， 初期水平宜定在 一3 0 0 m标 高， 以便初期 能 通过 矿井通 风 降温达 到安全 要求 ， 节省 投资 。 ( 2 ) 矿 井 设 计 的 其 他 方 面 。鉴 于 该 区地 温 较 高 ， 在矿 井设计 时必 须考 虑合理 的通 风系 统 、 风量 及 通 风设施 ； 同时预 留矿井 降 温 系 统 的布 置 场地 及 电 源负荷 ； 采煤工作面巷道不宜太长 ； 选用功耗小的节 能设 备 ， 减少 热源 的散 热量 ； 合 理 布 置 温 度传 感 器 ， 对 井温 实时监 测 ； 采 取个 体 防护措施 ， 如 为井下 工人 配备冷 却服 等 。 。 4 结论 ( 1 ) 通过 数据 统计及 分析 ， 初步 估算 WB M 煤矿 地 温梯 度为 2 7 0 o I = 1 0 0 m， 总 的来 看 属 正常 地 温梯 度 ， 但 其 中 l 1 5 2钻 孔 地 温 梯 度 在 3 1 0 0 m 以上 ， 存在地温梯度异常 区域 。本区地温 的基础形态较 高 ， 井 田属 于 热 害 区 ， 其 中 二 级 热 害 区 域 面 积 为 6 6 6 k m ， 占井 田面 积 的 8 3 6 。地 温 是 矿 井 开采 的一个 重要 影 响因素 ， 地 温工 作还 应结 合恒 温带 、 不 同 区域 、 不 同深 度等方 面参数 进行 更深 入 的研 究 。 ( 2 ) 初步 提 出了首 采 区 的选定 思 路 及矿 井设 计 及生产 中应 考虑 采取 的降 温 措施 ， 为矿 井 今 后 的 开 发建设 提供 参考 。但 具 体 还 应 根据 生 产 能 力 、 可 采 储量 、 工作 面长 度及推 进长 度 、 采 区接续 以及 其他 开 采技术 条件 综合 分析确 定 。 ( 3 ) 由于当地基本没有井工开采经验 ， 本文暂 按 中国 的相关规 范 对地 温 进 行 分 析界 定 ， 对 印尼 其 他煤 矿 的井 工开 采 也 有 一定 的借 鉴 意义 。同 时 ， 考 虑到 印尼 属于热 带 地 区 ， 基 础 温度 高 ， 且 长 年 炎热 ， 人体 对温度 的适 应 能 力 相对 较 强 。 因此 ， 对 井 温 的 5 0 7 8 9 1 0 1 2 2 0 0 2 李庆斌 ， 郑丹 混凝 土动力 强度 提高 的机理探 讨 J 工 程力 学 2 0 0 5( S 1 ) ： 1 8 8 - 1 9 3 梁昕宇 ， 党 发宁， 田威 ， 等 不同加载率对混凝 土试件 动力特性 的影响研究 J 水力发电学报， 2 0 0 9， 2 8 ( 5 ) ： 3 5 _ 4 0 梁昌玉 ， 李 晓， 李守定 ， 等 岩石静态和准动态加载应 变率的界 限值研究 J 岩石力学与工程学报 ， 2 0 1 2， 3 1 ( 6 )： 1 1 5 6 1 1 6 1 杜成斌 ， 孙立 国， 江守燕 ， 等 全级配混凝土梁动强度 提高机理 研究 J 河海大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 2 ， 4 0 ( 3 ) ： 2 9 4 - 2 9 9 戚承志， 钱七虎 岩石等脆性材料动力强度依赖应 变率的物理 机制 J 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 3， 2 2 ( 2 ) ： 1 7 7 1 8 1 丁卫华 ， 陈厚群 ， 刘少聪 ， 等 基于 C T的混 凝土动力破 坏过程 的试验研究 J 水力发电 ， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 2 1 2 3 ( 责任 编辑 ： 李 留洋 ) 要求有适 当降低的可能。 参 考文 献 ： 1 国家安全生产监督管理 总局 ， 国家煤矿安 全监察局 煤矿安全 规程 M 北京： 煤炭工业出版社 ， 2 0 1 0 2 张习军 ， 王长元 ， 姬 建虎 矿 井热 害治 理技 术 及其 发展 现状 J 煤矿安全 ， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 3 3 3 7 3 张帅， 田道春 ， 刘文 中 涡北煤矿地 温分布规 律及其 影响 因素 分析 J 安徽 理工大学学报 ： 自然科学 版， 2 0 1 2 ( 1 ) ： 3 5 3 8 4 王士涛 浅 谈白集煤 矿深部 地温 的防治 措施 J 煤 矿安 全， 2 0 0 0( 1 ) ： 7 - 8 5 王炬 丁集井 田地温 变化规律及 防治的探讨 J 能源技术 与 管理 ， 2 0 1 0 ( 6 ) ： 6 5 -66 6 胡绍龙 刘庄井 田地 温分布规律 及其因素分 析 J 矿业安全 与环保 ， 2 0 0 4， 3 1 ( 5 )： 2 6 2 8 7 朱绍 军 新郑矿 区地温异常及 成因分析 J 煤矿 安全 ， 2 0 0 5， 3 6( 2)： 2 7 2 8 8 吴素珍 ， 彭涛 ， 郭艳 皖北钱营孜煤 矿地温 分布规律 及其 异常 因素分析 J 中国煤炭地质 ， 2 0 1 3 ， 2 5 ( 6 ) ： 3 1 3 5 9 袁东升， 王德银 ， 仝 洪昌 ， 等 矿 山热 灾害防治 M 徐州 ： 中国 矿业 大学 出版社 ， 2 0 0 8 1 0 张金海 ， 李方 ， 李民革 矿井深部地 温调查与 防治 J 山东煤 炭科技 ， 2 0 0 8 ( 5 ) ： 1 4 3 1 4 4 1 1 张连强 顺和西煤矿区地温特征 及其影响 因素分 析 J 中国 煤炭地质， 2 0 1 2 ， 2 4 ( 7 ) ： 2 9 3 3 1 2 陈诚集 矿井 高温探索 与治理 J 煤炭 技术 ， 2 0 0 9 ， 2 8( 1 0) ： 1 8 5 1 8 6 1 3 杨丁丁， 王佰顺 ， 张翔 ， 等 淮南煤 田新区地温分布 规律分析及 热害防治 J 中国矿业， 2 0 1 2 ， 2 1 ( 7 ) ： 9 4 9 7 1 4 周昀涵， 罗新荣 ， 谷丽朋 淮南矿 井地温异 常成因分析 J 能 源技术与管理 ， 2 0 1 1 ( 4 ) ： 1 3 1 5 1 5 李红阳， 朱耀武 ， 易继承淮南矿 区地温变化规律及其 异常 因 素分析 J 煤矿安全， 2 0 0 7 ( 1 1 ) ： 6 8 - 7 1 ( 责任 编辑 ： 李 留洋 ) i l 2 3 4 5 6 寸 _