新型U型混凝土冲击试验方法.pdf

4 低温建筑技术 2 0 1 2年第 3期 ( 总第 1 6 5期 ) 新型 U型混凝土冲击试 验方 法 章 ， 朱涵 ， 曹邦海， 孙书云 ， 谭党联 ( 关津大学建筑工程学院土木工程系 天津3 0 0 0 7 2) 【 摘要】 冲击强度是建筑材料重要的机械力学性能之一。它用来衡量材料的抗 冲击能力或者判断建筑材 料的脆性或韧性程度。因目前国内还没有规范、 统一的混凝土等建筑材料的冲击试验方法， 文中提出一种通过制 作 U型混凝土试件来检测混凝土抗冲击性能的试验方法， 并应用于本课题组的橡胶集料混凝土项 目中， 发现橡胶 集料能改善混凝土材料的抗冲击性能。 【 关键词】 落锤冲击试验； 混凝土； 橡胶集料； u型试件 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 3 一 O O O 4 0 2 1 课题背景 冲击强度是建筑材料重要机械力学性能之一， 用来衡 量材料的抗冲击能力或判断建筑材料的脆性或韧性程度， 因此冲击强度也称为冲击韧性。目前国内常用测试材料冲 击强度的方法有： 摆锤式及落锤式冲击试验等 。 摆锤式冲击试验是以摆锤所具有的势能 ， 一次落摆冲 击试样。摆锤是以冲击试验机摆轴为中心， 在处于预仰角 位置时释放摆锤， 以一定速度( 55 1 5 m s ) 冲击试样， 而不 同的冲击速度所得到结果也并不一样 。落锤法冲击试验 是把落锤或钢球由已知高度 自由落下对试样进行冲击 ， 测 定试样冲击性能的方法。试验中将落锤在一定高度自由落 下对下部试件( 大多数为平板试件) 产生冲击， 试件受冲击 后会产生开裂破坏 l 4 j 。但在实际操作中， 由于冲击时间极 短， 加上接触变形等因素的影响， 冲击强度计算结果不易准 确。为了消除落锤 冲击过程中不利因素的影响， 预先明确 试件开裂的位置， 提高抗冲击性能试验的准确度， 我们提出 采用 U型试件测量混凝土材料抗冲击性能试验方法。 2 试 验配合比 本试验除了提出采用 U型试件来检测混凝土抗冲击性 能的可行性外， 还针对混凝土中掺人橡胶集料是否会改变 原有材料的冲击特性做了探索性的研究。本试验共分2组， 每组 3个试件， 并同时制作了与 U型试件对应的标准立方 体试件用来检测每组试件的实际抗压强度。各组别的配合 比如表 1 所示。 表 1 各组试件配合比及养护龄期信息 为保证拆模成功率， 我们对 u型混凝土试件在浇筑 4 8 h 后拆模， 将试件置于标准环境( 2 0 2 ， 相对湿度 9 0 ) 中养护。 3 U型混凝土冲击试验介绍 3 1 试验设备 在本试验中， 由于市面上已有的落锤式 冲击试验机无 法满足 U型试件底部刚性固定的要求。 在试验经费有限的 条件下 ， 对天津大学建筑材料实验室中已有的南京土壤仪 器厂生产的“ H MD一1型数控马歇尔击实仪” 进行了改造， 自制并增加了落锤、 滑轨和钢制底座， 改造后的试验设备如 图 1 所示 。 自制滑轨 冲击头 混凝土u 型试件 纯钢制 底座 试验机机座 ( 与地砸牢固连接 ) 图l u 型混凝土冲击试验平 台 3 2 试件设计 试验中的 u型试件是由一个半圆形拱和两个矩形长脚 组成。半圆形拱 的内径 8 3 ra m， 外径 1 3 3 m m， 两个长脚各高 8 3 m m， 如图2所示。试件成型 4 8 h后拆除有机玻璃模具 的 内、 外箍， 将试件置于温度( 2 02 ) ， 湿度 9 0 环境下养护 2 8 d 。冲击试验中， 冲击载荷在试件中产生的冲击应力除与试 件的形状、 体积和局部弹塑性变形等有关外， 还同与其相连接 的物体有关。如与试件相连接的物体是绝对刚体， 则冲击能 全部为该试件所承受； 如与试件相连的物体刚度为某一值， 则 章砀等： 新型u型混凝土冲击试验方法 5 冲击能为整个体系所承担， 试件仅分担冲击能的一部分。因 此试件的底座设计也至关重要。本试验采用质量约等于上部 U型试件 l 5 倍的纯钢制底座， 在底座的上表面留有 5 0 m m 5 0 m m见方， 深 5 0 m m的凹孔以固定试件。由于钢制底座的刚 度远大于上部的混凝土试件， 所以确保了试件处于近似刚性 固定的状态而吸收绝大部分的冲击能。 3 3 有限元分析 为了在理论上弄清 u型试件在受冲击荷载下的应力分 图2 U 型试件尺寸 布情况， 并明确其开裂破坏位置是否与设计本试验时所期 望的一致， 应用有限元分析软件 A N S Y S来进行模拟。 因为试件为 u型对称结构， 所以采用平面对称模型顶 端施加静态集中力的方式来模拟 u型试件在受到冲击荷载 下的应力分布情况。在分析中， 对 U型试件腿部 Y向及对 称轴平面 向施加固支约束 ， 并在 U型半圆弧顶端施加一 个与 Y 轴反向的单位集中力， 以近似模拟冲锤落下瞬间时的 受力状态。加载模型如图3所示。 图3 加载和边界条件 图4 u型试件肪向上的应力分布 计算结果如图4所示。从 图中可看到压应力最大点和 拉应力最大点分别出现在 U型混凝土试件顶部圆弧的中央 和底部圆弧中央位置 ， 该结果与预先设想的试件开裂位置 完全吻合。且由于顶部受压而底部受拉 ， 虽然压应力值 ( 2 2 7 1 P a ) 大于拉应力值( 1 1 2 3 P a ) ， 但由于混凝土材料抗 拉强度远低于抗压强度， 所以随着冲击次数的增加， 底部圆 弧中央首先发生受拉破坏 ， 即第一条裂缝出现的位置。 3 4 试验条件和结果 本试验在常温下进行 ， 落锤在滑轨上以 5 s 次的等速率 下落并冲击下端的 U型混凝土试件， 冲击头放置在 U型混 凝土试件圆弧顶端中心位置， 试验前须预先进行对中操作。 落锤质量为 0 8 7 5 k s ， 冲击高度为4 0 c m。记录试件出现第一 条裂纹和试件破坏的冲击次数， 并根据式 1 计算试件破坏时 的冲击耗能。最终试验结果如表 2中所示。 表 2 U型 混凝土冲击试验结果 W=N 。 m g。 h ( 1 ) 式中， 为冲击能耗， N m； N为破坏时的冲击次数 ； h 为每次落锤下落高度； g为重力加速度， 取 9 8 m s ； m为落 锤质量 ， 这里为 0 8 7 5 k g 。 4结语 文中提出了采用 U型混凝土试件来测量混凝土材料抗 冲击性能的试验方法， 该方法是将一定质量的落锤从某一 定高度多次下落冲击刚性固定在底座上的混凝土试件， 记 录产生第一条裂缝至完全破坏的冲击次数， 以此来评价混 凝土材料的抗 冲击性能。与传统冲击试验方法相比， 本方 法的优势在于： u型试件能更好的反应材料承受冲击荷载 的能力； 刚性固定的底座可以减小冲击能量的耗散； 能 够预先确定试件开裂的位置， 提高可预知性； 可以进一步 在 U型试件的拱形应变最大处贴应变片从而测量试件随冲 击次数的应变值， 进行动态测量。 此外 ， 在本试验中我们发现， 橡胶粉末的掺人能够较好 地改善混凝土材料的抗冲击性能。从表 2的试验数据中可 以看到橡胶掺量为 1 0 0 k g m 的第二组混凝土试件的开裂 冲击次数和破坏次数均大于未掺橡胶的第一组试件， 并且 通过对比破坏时的裂缝宽度， 橡胶集料混凝土试件的裂缝 宽度也小于普通混凝土试件。 参考文献 1 杜林珂 冲击试验 J 试验技术与试验机， 1 9 8 4 ， ( 5 ) 2 J J G 1 4 5 2 0 0 7 ， 摆锤式冲击试验机检定规程 s 3 G B T 6 8 0 3 2 0 0 8 ， 铁索体钢的无塑性转变温度落锤试验方法 S 4 陈亚璋， 张莉蓉 新兴的落锤式冲击试验 一 儿一1 2型电子落 锤冲击试验机 J 试验技术与试验机， 1 9 8 4 ， ( 5 ) 收稿 日期】 2 0 1 11 1 1 5 作者简介 章畅( 1 9 8 7 一 ) ， 男 ， 福州人， 硕士， 研究方向： 建 筑材料。 燃