轻质泡沫混凝土吸能特性及其压溃流动应力方程.pdf

第 3 5卷第 6 期 2 0 1 3年 1 2月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l Ar c h i t e c t u r a l En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g Vo 1 3 5 NO 6 De e 2 013 d o i ： 1 0 1 1 8 3 5 j i s s n 1 6 7 4 4 7 6 4 2 0 1 3 0 6 0 1 5 轻质泡沫混凝 土吸能特性及其压溃流 动应 力方程 王建军 ， 郭伟 国 ， 赵 融 ， 史亚杰 ， 曾 亮 ( 1 西北工业大学 航空学院 ， 西安 7 1 0 0 7 2 ； 2 中国民航科 学技术研究 院， 北京 1 0 0 0 2 8 ) 摘 要 ： 轻 质 泡沫混 凝 土是 一 种拦 阻冲 出跑道 飞机 的重要 阻滞材 料 ， 为 了揭 示 其压 缩 力 学性 能 及 变 形破 坏机 制 ， 利 用 CS S 4 4 1 0电子 万 能试 验 机 、 I n s t r o n Dy n a t u p 9 2 5 0落锤 试 验 机 以及 VHS 8 8 0 0高 应 变率 系统 ， 对 密度 为 0 2 1 、 0 3 1 g c m。的轻质 泡 沫混凝 土 ， 在 压 缩速 度 2 1 O 1 2 m s范 围 内 的力 学特征 、 破 坏及 变形机理 等进行 了 系统研 究 ， 用理论 模 型对不 同压 头面积 下 的挤 压 强度进 行 预 测 ， 并建立挤压压溃流动应力方程 。结果表明： 此材料变形、 压溃碎化到压实过程 中， 以压溃前驱界 面运 动为特 征 ， 变形具 有显 著 的局 部 失 稳特 性 ； 压 缩 强度 依 赖 密度 和 冲 击速 度 ； 所采 用的理 论 模 型 可 以较 准确 的预 测不 同压 头面积 下 的挤 压 强 度 ； 所 建立 的压 溃 流 动应 力 方程 可 以很 好 的描 述 材 料 的压 缩挤压 力 学特性 。 关键 词 ： 阻滞材料 ； 混 凝 土 ； 压 缩 ； 机制 ； 吸 能 中 图分类 号 ： V2 5 0 2 文献标 志码 ： A 文章 编号 ： 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 3 ) 0 6 0 0 9 6 0 7 Ene r g y a b s o r b i ng Pr o p e r t i e s a nd Cr u s hi ng Fl o w S t r e s s Eq u a t i o n o f Li g ht we i g ht Fo a me d Co n c r e t e Wa n g J i a n j u n ，Gu o We i g u o ，Z h a o R o n g ，S h i Y a j i e ，Z e n g L i a n g 。 ( 1 Sc hoo l o f Ae r o na u t i c s，No r t hwe s t e r n Po l y t e c hn i c a l Uni Ye r s i t y，Xi a n 7 1 00 72，PRChi na； 2 Ch i n a Ac a d e my o f Ci v i l Av i a t i o n S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Be i j i n g 1 0 0 0 2 8 ，PRCh i n a ) Ab s t r a c t ： Li g ht we i gh t f oa m e d c onc r e t e i s a ne w a r r e s t i n g m a t e r i a l f o r a r r e s t i n g o v e r r un a i r c r a f t To r e v e a l i t s c o mpr e s s i o n p r op e r t i e s a nd me c ha ni s m o f d e f o r ma t i o n a nd de s t r u c t i on，a s t u d y o n l i g ht we i g ht f o a me d c o n c r e t e wi t h d i f f e r e n t d e n s i t y，0 2 1 a n d 0 3 1 g c m。r e s p e c t i v e l y ，h a s b e e n c a r r i e d o u t Ex p e r i me n t s ys t e m i nc l u de CS S4 41 0 e l e c t r on i c un i ve r s a l t e s t i n g m a c h i ne a nd Dy na t up9 2 5 0 d r op ha mm e r t e s t i n g ma c h i ne a n d V HS8 8 0 0 h i gh s t r a i n r a t e s ys t e m Th e n，e x t r u s i o n s t r e n g t h un de r d i f f e r e nt i nde nt e r a r e a i s pr e di c t e d wi t h a t h e o r e t i c a l mo de l ，a nd a c r us h i ng f l o w s t r e s s c o ns t i t ut i ve e q ua t i o n i s p r op o s e d The r e s ul t s s h o w t ha t i t i s c h a r a c t e r i z e d b y t he mo ve m e nt o f c r us hi n g dr i vi n g i nt e r f a c e du r i ng t h e p r oc e s s o f de f o r m a t i o n，c r u s h t o c ompa c t i o n o f t h e ma t e r i a l ，a nd t he de f o r mat i o n i s no t a bl y i n l o c a 1 The c o mpr e s s i o n s t r e n g t h i s r e l e v a n t t O de ns i t y a nd i mp a c t ve l o c i t y M or e o ve r ，t he o r e t i c a l m o d e l c a n p r e d i c t t he e x t r u s i o n s t r e n gt h u nd e r d i f f e r e nt i nd e n t e r a r e a e x a c t l y，a nd t he c r us hi n g f l o w s t r e s s e q ua t i o n c a n de s c r i be m e c h a ni c p r op e r t i e s of c o m p r e s s i on we l 1 Ke y wo r ds ： a r r e s t i ng ma t e r i a l ；c on c r e t e；c o m p r e s s i on；me c ha ni s m ；a b s or b e n e r g y 收 稿 日期 ： 2 0 1 3 0 3 1 0 基金项 目 ： 陕西省科学技术研究发展计划项 目( 2 0 1 3 K W1 3 - 0 2 ) 作者 简介 ： 王建军 ( 1 9 8 7 一 ) ， 男 ， 博 士生 ， 主要从事固体力学研究 ， ( E ma i l ) j i a n j u n w 8 7 1 2 6 c o m。 郭伟 国( 通信作者 ) ， 男 ， 教授 ， 博士生导师 ， ( E ma i l ) we i g u o n wp u e d u c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 0 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 5 卷 头 挤压 进试样 比率 ( 见 图 1 1 左 图 ， ( H。 一H) H。 ) 曲 线 ， 如 图 1 1 所 示 。从 图 1 1 看 出 ， 剪切 曲线 初 始线 性 上升段 为材 料弹 性支撑 表 现 ， 当材 料 被压 溃 ， 曲线 进 入屈 服 区 ， 在从 0到 0 7 5压 进深 度 比率 区域 ， 曲线 呈现 类似 硬化 上 升 ， 从 图 1 0左 图 看 出 ， 随 压 头压 进 深 度增 加 ， 试 样 的剪 切 段 H 变 小 ， 但 由于 压 头 前端 压 溃 区长 度 也 增 加 ， 导 致 剪 切 摩 擦 增 加 ， 故 曲线 上 升 ， 从 图 1 1 也 可 以看 出剪 切压 溃流 动应 力 对加 载 速 度 敏感 。通 过与 挤 压应 力 比较 ， 剪 切 应 力 只 是 此 材 料 挤压 应力 ( 图 8应 力 ) 的 4 。所 以在用 此 材料 实 际设计 或数 值计 算 中 ， 剪 切 强 度 常取 为一 很 小 值 的 固定 常数 。 注： 左一 剪切试样剖面图； 右一 剪切试验照片 图 l 0剪切 试 验 方 法 3 不 同压头面积下挤压 强度的预测 考虑 轻质 泡沫 混凝 土材料 在飞 机 越界 阻滞 系 统 中实 际应用 时会 出现 不 同 面积 下 的挤 压 ， 笔 者 对 不 同压头 面积 下 的挤 压进 行 了理论模 型 及挤 压试 验 研 究 。脆 性泡 沫 材 料 挤 压 强 度 往 往 不 等 于 抗 压 强 度 ( 或抗碎强度 ， 单个胞孔结构出现孑 L 壁坍塌破坏时承 受的平均应力) ， 而是强烈地依赖于压头的尺寸l 1 。 脆 性 挤 压强 度 是指 与 刚性 压 头 接触 的胞孔 胞 壁 出现 大面 积压 溃 时压 头 覆 盖 面 的平 均 应 力 ， 即挤 压 应 力 挤入 深度 比率 曲线 中刚 进 入 压 溃平 台 时 的压 溃应 力 ， 如 图 1 2所示 。随 着挤 压 的继 续 进 行 ， 压 溃 的胞 壁碎 片在 压头下 方 区域堆 积 ， 形 成 压溃 区 ， 从 而 使作 用力 重新 分 布 。抗 压 强 度 为使 单 个胞 孔 的 孔壁断裂时胞孔上的平均应力， 其大小 与孔壁材料 的断裂模 量 、 胞 孔结 构等 有关 。Gi b s o n等 l 1 通 过理 论模 型 ， 得 出抗 压 强度 ， 如下式所 示 ： 0 f s 0 2 ( + ( 1 一 ) ( ) ( 2 ) f0 s 式 中 ： 为孔 壁材 料 的断裂模量 ； 为材料 的相 对 I。 s 密 度 ； ID 为材料 的密 度 ； 为基体 的密度 ； 为胞 孔 棱边所含固体的体积分数 。当基体材料和胞孔结构 确定 ， 该 材料 的抗压 强度 也就确定 。 若 在孔壁 断裂 时的最 大 挠 度 为 ( 与胞 孔 尺寸 z 相 比， 很 小 ) ， 且 可认 为 断 裂 发 生在 距 离 材料 表 面约为 z 处 ， 如 图 1 3 所 示 ， 则 任意 时 刻 ， 孔 壁 接 触 到 刚性压 头 的机率 为 ： P 一 字 ( 3 ) 压头覆 盖面 积为 A， 则在 该面 积下胞 孔数 量为 ： 一 ( 4 ) 一 4 在压 头面 积 A 下 ， 接触 数 量 的概 率 服从 二项 分 布 ， 即 P ( O接 触点 ) 一 ( 1 一 ) P ( 1 接 触点 ) 一 n p( 1 一 p ) 一 P( 2 接触点) 一 寺 ( n 1 ) P ( 1 一 ) 一 。 有效 接 触 的 平 均 数 为 ， 标 准 差 为 ( 1一 ) “ ， 因为 P很小 ， 在此可将标准差近似为 ( ri p ) 。 则根据 “ 3 原则 ” 得有效接触 的最大量是 ： 平 均数 十 3 ( 标 准差 )一 n p + 3 ( n p) 。 对应 的最大 作用 力是有 效接触 点 数乘 以每个 有 效点处 的作 用力之 最大 值 ， 得挤压 强度 为 ： 一 一 Ca 孚 1 + s ( ) 其中： c为常数 ， 若所有孔壁都与压 头接触 ， 接触几 率为 1 0 0 ， 此时胞 孔排 列整 齐 ， 尺 寸相 同， 则 挤 压强 度 即为抗 压强度 ， 有 O e 一 C a 一 0 c ， 故常数 C取 1 。 + 3 ( ) 。 为研究不 同压 头 面积对 轻 质泡 沫 混凝 土材 料挤 压强度 的影响 ， 本文用不 同面积压 头对两 种密度 的该 材 料 进 行 了 挤 压 试 验 ， 压 头 面 积 分 别 选 用 7 0 6 5 、 2 0 2 5 8 、 6 3 5 8 5和1 2 1 0 0 mm 。 结合试验结果可 确定 式 ( 6 ) 的两个 主要参数 和 ， 如表 1 所 示 。不 同压 头 面积测得 的挤压 强度 与理 论预 测值 的对 比如 图 l 4 所 示 。从 图 1 4中可 以看 出 ， 理论 模 型 可 以很好 的预 O 5 0 5 O 5 O 5 O 脚 肼脚 脚 舢 O n O 0 0 n O O O O 苫、 I s d 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 王建 军 ， 等 ： 轻质 泡 沫混凝 土吸 能特 性及 其压 溃流动 应 力方程 1 0 1 图 1 2挤压强度定义 F l 图 1 3孔 壁 与 压 头 的接 触 测 轻质泡沫 昆 凝土材 料的挤压 强度 ， 且从 理论 和试 验 结果 可 以得 出 ： 随着 压 头 面积 的增 大 ， 挤 压 强 度不 断 减小 ， 当压头 面积 增 大 到一 定值 后 ， 挤压 强 度 趋 于一 常数 ， 即挤压强度 反 比于 A 。 表 1 材料的主要参数 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 01 2 0 0 01 4 0 0 0 Ar ea nun s 注：E x p e r i me n t R e s u l t s P r e d i t i n g Re s u l t s 图 1 4 试 验 结 果 与 预 测 结 果 的 对 比 4 挤压压 溃流 动应 力方 程 在本文中， 为给工程设计及数值计算提供基础 ， 也考 虑 到在 实 际 飞机 越 界 拦 阻 过程 中 ， 主 要 通 过 飞 机机 轮 挤压进 材 料 ， 依 靠材 料平 台压 溃 区 E 变形 破 坏 吸 收飞机 运 动 冲击 的能 量 ， 所 以本 文 仅 对 有 应 用 前途 的低 密度 轻 质 泡 沫混 凝 土 材 料 ， 在 具 有 横 向 约 束 的挤 压应 力在 不 同速度 下 的挤压 压溃 流 动应 力方 程进行研究 ， 即建立挤压压溃流动应力一 挤压深度 比 率 曲线方程 。参见图 8曲线， 根据曲线分析 ， 弹性部 分所 占比例很小 ， 而材料压溃屈服后 ， 压溃流动应力 呈现硬化特征 ， 且根据对速度的敏感性 ， 提出如下压 溃流动应力方程： 一 ( c + k r 1+ c1 n( ) ) ( 7 ) 式中： 7 7 是挤压深度比率， 即挤压深度比试样总厚度 ( ( H。 一H) H。 ) 、 k 、 C是材料常数， 反映材料 的初始压溃应力 ， k是对压溃流动硬化的衡量 ； m是 反映压 溃 流动应 力 硬化 的硬 化 指数 ， 是 参 考 冲击 挤压速度 ， 取为 2 1 0 m s 。结合试验结果最后确 定 的方程 为 ： 一 ( 0 25十 0 3 ) ( 1+ 0 1 I n( ) ) ( 8) r 通 过试 验 曲线 和 本构 方 程 式 ( 8 ) 结 果 的 比较 可 以看出， 如图 1 5所示 ， 式( 8 ) 的挤压压溃流动应力方 程 能够 较好 地描 述材 料 的力学性 能 。 D e pt h Fr a c ho n 注 ：Ex p e r i me n t C u r v e s S imu l a t i o nC u rve s 图 1 5模型结果与试验 曲线对 比 5 结 论 轻 质泡 沫混 凝土是 一种 理想 的 飞机越 界 阻滞 材 料 ， 本文对该种材料的传热特性 、 不同速度的力学特 性 、 破 坏及 变形 机理等 进行 了系 统 的研究 ， 得 出以下 结论 ： 1 ) 材料的压缩强度强烈依赖于材料的密度和加 载 速度 ， 密度越 大 ， 加载 速度 越高 ， 压缩 强度越 大 。 2 ) 材料从 弹 性变形 、 压 溃碎化 到 压实 过 程 中 ， 以 压 实前 驱界 面 的形 式 运 动 为 主 ， 变形 具 有 显 著 的局 部 失稳 特性 。 3 ) 考虑压 头 面积对 材料 挤压 强度 的影 响 提 出 的 理论模型可以较准确的预测该材料在不同压头面积 下 的挤 压强度 。 4 ) 根据材 料 的挤压 压溃 流动应 力 对速 度 的敏 感 性 提 出的压 溃流 动应力 方程 可 以很好 的描述 材料 的 时 b 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 O 2 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 5 卷 压溃 流动 应力 。 参 考文 献 ： 1S c h i r t z i n g e r J F Me t h o d a n d me a n s f o r d e c e l e r a t i n g a i r c r a f t o n r u n w a y s ：Un i t e d S t a t e s ，US 3 0 6 6 8 9 6 P 1 95 9 2 Tu ma n C Ai r c r a f t a r r e s t me n t s y s t e m：Un i t e d S t a t e s ， U$ 4 3 9 3 9 9 6 E P 1 9 8 3 3He y ms f i e l d E，T y l e r I ，Ha l s e y S e n s i t i v i t y a n a l y s i s o f e ng i ne e r e d ma t e r i a l a r r e s t or s y s t e ms t o a i r c r a f t a nd a r r e s t o r ma t e r i a l c h a r a c t e r i s t i c s J J o u r n a l o f t h e Tr a ns p or t a t i on Re s e a r e h Boa r d，20 08， 20 52：1 10 - 11 7 4He y ms f i e l d E， Ha l e W ， Ha l s e y T Ai r c r a f t r e s p o n s e i n a n a i r f i e l d a r r e s t o r s y s t e m d u r i n g a n o v e r r u n J J o u r n a l o f Tr a n s p o r t a t i o n En g i n e e r i n g，2 0 1 2 ， 1 3 8 ： 2 8 4 2 9 2 5 王云 ， 郑小平 ， 姚福 印， 等 飞机越界 阻滞系统动力 学模 型 J 清华大 学学报 ： 自然科 学版 ， 2 0 1 0 ， 5 0 ( 7 ) ： 1 1 0 9 11 1 3 W a n g Y ，Zhe n g X P，Ya o F Y ，e t a 1 Dyna mi c mo de l o f t h e a r r e s t i n g s y s t e m f o r a i r c r a f t o v e r r u n_ J J o u r n a l of Ts i n ghu a Uni ve r i s t y： Sc i e n c e a n d Te c h no l o gy，20 1 0， 5 0 ( 7 )： l 1 O 9 一 l 1 1 3 6 王维 ， 常虹 飞机道面拦 阻系统建 模分析 J 中国 民航 大 学 学 报 ， 2 0 0 9 ， 2 9 ： 1 0 1 3 W a ng W ， Cha n g H M o de l i n g a nd a na l ys i s o n s of t g r o u n d a r r e s t i n g s y s t e m f o r a i r c r a f t J J o u r n a l o f Ci v i l Av i a t i o n Uni v e r s i t y of Chi na，20 09， 2 9： 1 0 1 3 7赵融 ， 郭伟 国 ， 王建 军 ， 等 一种新 型轻质泡沫混凝 土挤 入行 为 的试 验 研究 J 实 验力 学 ， 2 0 1 2 ， 2 7 ( 3 ) ： 3 5 4 36 0 Z h a o R，Gu o W G，W a n g J J，e t a 1 Ex p e r i me n t a l s t udy o f s qu e e z e be h a vi o r f o r a k i n d o f ne w l i gh t we i gh t f o a me d c o n c r e t e J J o u r n a l o f E x p e r i me n t a l M e c ha ni c， 20 12， 27( 3)： 35 4 36 0 8 李广 良， 郭伟 国， 赵融 ， 等 昆凝土复合泡 沫材料 的力学 性能与唯象本构模型 J 材料 科学 与工程学 报 ， 2 0 1 2 ， 3 0( 3)： 428 - 4 31 Li G I 。 Gu o W G ， Z h a o R ， e t a 1 M e c h a n i c a l pr o pe r t i e s a nd phe no m e no l o gi c a l c o ns t i t ui v e mo de l o f l i g h t we i g h t f o a me d c o n c r e t e J J o u r n a l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e& En g i n e e r i n g ， 2 0 1 2， 3 0 ( 3 ) ： 4 2 8 4 3 1 9 颜雪洲 ， 姚 谦 峰 轻 质泡 沫混 凝 土 力学 性 能试 验 研 究 J 工业建筑 ， 2 0 0 7 ， 3 7 ： 9 6 2 9 6 4 Ya n X Z， Ya o Q F Ex p e r i me n t s t u d y o n t h e me c h a n i c a l p r o p e r t y o f f o a me d c o n c r e t e J I n d u s t r i a l C o n s t r u c t i o n，2 0 0 7， 3 7 ： 9 6 2 9 6 4 1 O 高波 ， 王群力 ， 周孝德 混 凝土 发泡剂及 泡沫稳 定性 的 研究 J 粉煤灰综合 利用 ， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 1 3 1 6 Ga o B， W a n g Q I ，Z h o u X D S t u d y o n f o a mi n g a g e n t o f c o n c r e n t a n d s t a b i l i t y o f f o a m J F l y a s h Co mpr e he n s i ve Ut i l i z a t i o n，2 00 4(1 )： 1 3 1 6 1 1 熊耀清 ， 姚谦峰 ， 周孝德 轻 质多孔f 昆 凝 土受 压应力一 应 变全 曲线试 验 研 究 J- j 四川 I 建筑 科 学研 究 ， 2 0 1 0 ， 3 6 ( 2 )： 2 2 8 2 3 2 Xi o n g Y Q，Ya o Q F Ex p e r i me n g a l s t u d y o n t h e s t r e s s s t r a i n c u r v e o f p o r o u s l i g h t we i g h t c o n c r e t e J S i c h u a n Bu i l d i n g S c i e n c e ，2 0 1 0 ， 3 6 ( 2 ) ： 2 2 8 2 3 2 1 2 R a ma mu r t h y K， Ku n h a n a n d a n Na mb i a r E K， I n d u S i v a Ra n j a n i GA c l a s s i f i c a t i o n o f s t u d i e s o n p r o p e r t i e s o f f o a m c o n c r e t e J C e me n t a n d C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 2 0 09( 3 1)： 3 88 39 6 1 3 Ke a r s l e y E P， Wa i n r i g h t P J T h e e f f e c t o f p o r o s i t y o n t h e s t r e n g t h o f f o a me d c o n c r e t e J C e me n t a n d Co nc r e t e Re s e a r c h，2 00 2 ( 3 2)：2 3 3 2 39 1 4 2 K e a r s l e y E P， Wa i n r i g h t P J P o r o s i t y a n d p e r me a b i l i t y o f f o a me d c o n c r e t e J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h，20 01( 31)：80 5 81 2 1 5 周顺 鄂 ， 卢忠远 ， 焦 雷 ， 等 泡沫 昆凝土压缩 特性及 抗压 强度模 型 J 武汉理工大学学报 ， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 1 1 ) ： 9 - 1 3 Z h o u S E， L u Z Y， J i a o L，e t a 1 Co mp r e s s i o n p r o p e r t y a n d c omp r e s s i o n s t r e ng t h mo d e l of f oa m e d c on c r e t e J J o u r n a l o f Wu h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 2 01 0， 3 2(1 1)： 9 - 1 3 1 6 D a m C Q， B r e z n y R， G r e e n D J C o mp r e s s i v e be ha vi o ur a n d d e f o r ma t i o n mo de ma p o f a n p oe n c e l l a l u mi n i a J J Ma t e r i a l s R e s e a r c h ，1 9 9 0( 5 ) ： 1 6 3 1 7 1 1 7 G i b s o n L J ， As h b y M F C e l l u l a r s o l i d s s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s M 2 n d e d Un i t e d Ki n g d o m：C a mb r i d g e Un i ve r s i t y Pr e s s， 1 9 97 ( 编辑 郭 飞 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m