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活性粉末混凝土(Reactive Powder Concretes,简称RPCs)是新一代超高强度、高韧性、高耐久性且经济环保的复合材料,在土木工程的各个领域具有广阔的应用前景。RPC材料应用于建筑工程中,除承受准静态载荷作用外,往往还要承受冲击、爆炸等动载荷的作用,因此了解其动态力学性能是工程应用的基础。
目前关于混凝土类材料的冲击实验和理论研究已有大量报道,结果显示应变率敏感效应是引起其动态破坏强度提高的主要影响原因。同时,混凝土具有很强的静水压力相关性,冲击载荷作用下其破坏强度的提高实际上不仅仅是应变率效应引起的,由于惯性效应造成静水压力的改变也会影响其动态力学性能。而以往报道中往往将这二者笼统理解为应变率效应,结果高估了材料的应变率效应,由此建立的动态本构模型自然也不能有效反映材料的真实动态力学特性。
本文以实验研究为主,运用分离式霍普金森压杆(SHPB)技术,对钢纤维体积含量分别为0%、1.5%和2.0%的三种RPC材料进行了不同应变率下的冲击压缩实验。为了保证动态冲击实验结果的准确可靠性,本文在实验技术方面进行了大量的前期准备工作。首先,为了实现RPC冲击加载过程中满足近似恒应变率和降低高频振荡对实验结果的影响,本文尝试了不同整形材料,最后确定了本文实验所采用的最佳整形器材料及其尺寸;其次,为了消除加载杆与试件非平面接触造成的实验误差,本文实验采用了万向头技术,利用万向头的球面微调功能保证加载过程中的理想平面接触。在此基础上,实验得到了不同应变率下三种RPC材料的破坏形态、应力~应变关系、动态增长因子以及钢纤维含量对RPC材料力学性能的影响。
为了确定RPC材料动态冲击加载下压缩强度提高的应变率效应和静水压力效应各自的贡献,本文首先通过准静态围压实验得到该类材料静水压力和抗压强度的关系。实验结果发现,该类材料的抗压强度与围压值基本呈线性关系,因此,利用线性Drucker-Prager模型有限元数值模拟SHPB冲击压缩实验,得到不同应变率下由于横向惯性效应导致静水压力提高造成的RPC材料破坏强度的提高值。再利用动态冲击实验结果减去该静水压力效应影响项,从而最终得到这类材料的真实应变率效应。
在上述实验工作的基础上,本文以H-J-C模型为基础,对三种RPC材料的动态本构关系进行了理论分析。首先,本文假设所研究RPC材料应变率效应和静水压力效应具有相互独立性,忽略了H-J-C模型中的应变率和静水压力间的耦合作用;其次,依据准静态围压实验结果发现,静水压力对该类材料压缩破坏强度的影响基本呈线性关系,因此可以将H-J-C模型中静水压力效应项指数定义为1,即这部分可简化为线性Drucker-Prager模型。此外,实验结果发现,本文所研究的三种RPC材料的应变率效应并不完全满足H-J-C模型中的半对数型线性关系,因此,在半对数坐标系中本文采用幂函数形式反映其应变率效应;最后,本文对所研究的三种RPC材料的动态本构关系进行了拟合,确定了相关材料参数。
此外,本文分析了钢纤维的存在对RPC材料抗压强度、破坏模式的影响,并对其微观机理进行了初步探讨。