片岩和纤维混凝土动态压缩性能比较.pdf

2 0 1 1 年 第 8期 (总 第 2 6 2 期 ) Nu mb e r 8 i n 2 0 t l ( T o t a l No 2 6 2 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORETl CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 1 0 8 0 0 6 片岩和纤维混凝土动态压缩性能比较 刘石 ， 。许金余 1 ,2 9 ( 1 空军工程大学 机场 建筑工程 系，陕西 西安 7 1 0 0 3 8 ；2 高志刚 ，白二雷 西北工业大学 力学与土木建 筑学 院 ，陕西 西安 7 1 0 0 7 2 ) 摘要： 为了研究冲击压缩荷载作用下绢云母石英片岩和玄武岩纤维混凝土的动态抗压强度、 破坏情况 、 能量吸收的应变率效应问题， 采用波形整形器改进后的分离式 H o p k i n s o n 压杆装置 ， 以不同的速度分别对 2 种材料进行单轴冲击压缩试验。 试验结果表明： 绢云母石英 片岩和玄武岩纤维混凝土的动态抗压强度、 破坏情况、 能量吸收能力均有显著的应变率相关性。 关键词： 绢云母石英片岩；玄武岩纤维混凝土；S H P B； 应变率 中图分类号： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 8 0 0 1 8 0 3 Compar i s on o f dyna m i c c a pab i l i t i es o f s e r i c t i e - quar t z s chi s t a nd f i be r -r e i n f or c e d c onc r e t e unde r u ni ax i al i mpa c t c ompr es s i v e l oa di n g L 1 U S h i ， XU J i n- y u ， GAO Zh i - g a n g ， BAI Er - l e i ( 1 De p a r t me n t o f Ai r fi e l d a n dB u i l d i n gE n g i n e e ri n g ， A i r F o r c eE n g i n e e r i n gUn i v e r s i t y， Xi a n 7 1 0 0 3 8 ， C h i n a ； 2 C o l l e g e o f Me c h a n i c s a n d Ci v i l A r c h i t e c t u r e ， No r t h we s t P o l y t e c h n i c Un i v e r s i ty， X i a n 7 1 0 0 7 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： E x p e ri me n t s wi t h s t r a i nr a t e v a r y i n g f r o m1 0 t O1 0 S - o n s e r i c t i e q u a r t z s c h i s t a n d b a s a l t fi b e r - r e i n f o r c e d c o n c r e t e( B F R C) u n d e r u n i a x i _ a l c o mp r e s s i v e l o a d i n ga r e c o n d u c t e d wi tht h e mo d i fi e d s p l i t H o p k i n s o np r e s s u r e b ar ( S H P B) T h e d y n a mi c c o mp r e s s i v e s t r e n g t h ， f r a g me n t n u mb e r s a n d s i z e ， a n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t we e n s p e c i fic e n e r g ya b s o r pt i o na n d s t r a i n r a t e area l s oana l y z e d Th ee x pe r i me n tal r e s u l t s s h o w t h a t t h ed yn a mi c c o rn p r e s s i v e s t r e n g t h， t h efra g me n t n umb e r s a n ds i z e an ds pe c i fice n e r g ya bs o r p t i o no f s e ric t i e q u a r t zs c h i s t andBF RCa r e s t r a inr a t ed e p e n d e n t K e ywo r d s ： s e r i c i t e q u a r t z s c h i s t ； b a s a l t fi b e r - r e i n f o r c e dc o n c r e t e( B F RC) ； s p l i t h o p k i n s o np r e s s u r eb ar( S HP B) ； s t r a i n r a t e 0 引言 1 冲击压缩试验 1 9 1 4年 ， Ho p k i n s o n 首 次提 出了压杆技术 ， 成 为测试 瞬态脉 冲应力的第一种方法。 多年来， S H P B试验装置迅速发展 ， 不断完 善， 已经成为测试多种材料： 金属、 陶瓷 、 岩石、 混凝土3 1 、 复合材 料、 聚合物和泡沫材料等， 在高应变率下力学响应的一种可靠的试 验手段。 目前广泛应用的装置是由H K o l s k y 于 1 9 4 9 年提出的分 离式 Ho p k i n s o n压杆( s p l i t Ho p k i n s o n p r e s s u r e b a r ， S H P B) 装置 ( 如图 1 所示) ， 该技术的理论基础是一维应力波理论 ， 它通过测定 压杆上 的应变来推导试样材料 的应力应变关系 ， 是研究材料动态 力学性能最基本的试验方法之一。 本试验采用圆形 T 2紫铜片作 为波形整形器材料， 分别对绢云母石英片岩和配制基体强度为C 5 0 ， 纤维体积掺量为 0 1 的玄武岩纤维混凝土制成的试件进行单轴 冲击压缩试验。 试验结果表明， 在中到高应变率下， 这两种材料的 极限强度、 破坏程度以及能量吸收均表现出显著的应变率相关l生。 发射 杆件 加 装置 速管 输入杆 试件 吸收杆 图 1 (I ) 1 0 0 mmS H P B装置主体设备示意图 收稿 日期 ：2 0 1 l - o 2 _ o 8 基 金项 目：国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 0 7 8 3 5 0 ) l 8 通过分析体积掺量 为 0 、 0 1 、 0 2 、 0 _ 3 的玄武岩纤 维混 凝土的静 、 动态力学性能， 得出在体积掺量为 0 1 附近存在一 个最优值 ， 使玄武岩纤维对混凝土的增强 、 增韧效应最明显 】 。 本试验中选取体积掺量为 0 1 的玄武岩纤维混凝土与绢云母 石英片岩进行冲击荷载作用下动态压缩性能的对比。 岩石的矿 物为绢云母石英片岩 ， 成分为绢云母： 板钛矿： 绿泥石： 斜长石： 钾 长石： 石英： 未检出 = 1 2 ： 3 ： 3 ： 1 9 ： 5 ： 5 6 ： 2 。 玄武岩纤维混凝土纤维体 积掺量为 0 1 。 配合 比为玄武岩纤维 ：水 泥： 粉煤 灰： 砂： 碎石： 水 ： FDN=2 6 5： 3 0 0： 1 00： 51 8 26 ： 1 36 8 1 3： 1 44 ： 3。 S H P B试验结果的可靠陛关键取决于试验过程中的恒应变率 加载问题。 只有尽可能地保证在试件破坏前的绝大多数时间内保 持近似恒应变率加载， 这是提高试验有效生 的根本途径。 这入射波 整形技术最初用来过滤加载波中由于直接碰撞而引起的高频分 量， 从而减小波传播过程中的弥散效应。 通过在撞击杆前端的中心 位置粘贴一个 由低屈 服强度材料制 成的小 薄片 ， 当受 到子弹强 烈冲击时， 其发生较大变形 ， 吸收一部分能量， 将原来陡峭上升的 脉冲波修正成上升过程较为平缓的波形 ， 增加了入射波的上升 时间旧 。 试验是在空军工程大学工程学院 1 0 0 mm S H P B装置 上进行 ， 采用 5 0 0 I T l m长的高强度合金射弹， 子弹有效加载长度 为 1 5 m， 压杆的直径为 1 0 0 n l l n ， 输入杆 、 输出杆和吸收杆的长 度分别为 4 5 、 2 5 m和 1 8 m， 弹性模量 为 2 1 0 G P a 。 根据两个 基本假定 ： 一维假定和均匀假定， 我们可得到材料的动态应力 应变关系啊 。 )专(即 t) )专。t( m ( 1 ) ( ) A ( t) 式中： E压杆的弹性模量； C 压杆的弹性波波速； 压杆的横截面积； A 。 试件的初始横截面积； Z 。 试件的初始长度； 杆中的入射； 杆中的反射； s 杆中的透射应变。 2 试验结果及分析 2 1 恒应 变率加 载技 术 经波形整形后的 S HP B装置能够有效测量岩石和纤维混 凝土的动态力学性能， 并满足了两个基本假设。 试验结果表 1 所 示。 采用圆形 T 2 紫铜片整形器有效地修正了应力波波形， 使得入 射脉冲的作用时间及上升沿的升时均有较大延长， 提高了 S H P B 装置测量材料的动态性能试验的准确性。 表 1 不同直径的波形整形器对入射脉冲作用时间及上升段升时的影响 2 2试验 结 果 试验结果见表 2 ， 绢云母石英片岩和玄武岩纤维混凝土试件 的单轴动态抗压强度随着应变率的增加而明显提高， 在应变率 分别为 1 2 2 5 、 6 2 8 S 一左右时， 绢云母石英片岩和玄武岩纤维混 凝土的峰值应力分别达到了 2 0 0 、 1 2 0 MP a 。 两种材料峰值应力 所对应的破坏应变随应变率的增加变化很小 ， 但是在不同应变 率下的峰值应力的增量区别较大。 由此可见， 绢云母石英片岩相 对于玄武岩纤维混凝土有较高的抗冲击压缩强度。 表 2 冲击试验结果 材料 编 试件尺寸 mm 子弹速度 子弹长度 平均应变 峰值应力 号厚度 直径 ( m s ) ram 率 s MP a 2 3 吸能分析 采用单位体积的材料吸收应力波能量的大小 ， 即比能量吸 收( S p e c i fi c e n e r g ya b s o r p t i o n ， 简称 S E A) 旧 来表征材料的韧性： 丌 T S E A = l ( ) 2 ( t ) 2- e t( t ) 2 d t ( 2 ) A s 式中： 试件完全破坏时刻。 冲击荷载作用下绢云母石英片岩和玄武岩纤维混凝土试 件的比能量吸收值与平均应变率的关系如图 2 、 3所示。 通过分 析对比两种材料的性质可以发现， 绢云母石英片岩的能量吸收 能力和能量利用率都要比玄武岩纤维混凝土的高。 霎 意 鎏 平均应 变率 ， s 。 。 图 2绢云母石英片岩 比能量 吸收 随平均应变率的变化情况 喜 要 鎏 平 均应 变率 s 图 3 B F RC比能量吸收随平均应变率的变化情 况 2 4动 态破 坏分析 绢云母石英片岩和玄武岩纤维混凝土试件的破碎程度及 破碎形式如图 4 所示。 相比玄武岩纤维混凝土， 在相近应变率下， 绢云母石英片岩的破碎颗粒尺寸更小， 块数更多。 岩石与纤维混凝 土基体内部布满了大小不等的诸多微裂缝， 压缩破坏是微裂缝 不稳定发展的结果 。 由于玄武岩纤维的改善作用 ， 玄武岩纤维 混凝土的微裂纹要比绢云母石英片岩中的微裂纹的长度短。 随 着应变率的升高， 越来越多的微裂纹开始发生扩展 ， 从而造成 破碎后绢云母石英片岩中有更多还没合并的裂隙， 使得其碎块 更多、 更小。 材料吸收能量的能力越高， 其内部微裂纹扩展的数 量就越多 ， 破碎程度也就越大， 由于绢云母石英片岩的动态试 验 中的能量利 用率比玄武岩纤维混凝土的要高 ， 因此 绢云母石 英片岩的破碎程度要高于玄武岩纤维混凝土。 3结 论 ( 1 ) 采用圆形 T 2紫铜片整形器有效地修正了应力波波形， 使得入射脉冲的作用时间及上升沿的升时均有较大延长， 确保 了 S HP B装置测量材料的动态性能试验的准确性。 ( 2 ) 绢云母石英片岩和玄武岩纤维混凝土的动态抗压强度 均随着平均应变率的提高有明显的增加， 体现了显著的应变率 相关性。 ( 3 ) 两种材料的能量吸收能力与平均应变率呈近似的线性 1 9