混凝土類材料的動態(tài)壓縮應(yīng)變率效應(yīng)及其測量方法研究

混凝土是建造各類建筑及設(shè)施的常用材料。這些建筑與設(shè)施在其服役期間可能承受自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭打擊或人為破壞等各類強(qiáng)動載荷侵襲并導(dǎo)致失效，威脅國家安全與社會穩(wěn)定。清晰理解混凝土類材料在高應(yīng)變率下的動態(tài)力學(xué)行為是合理設(shè)計該類建筑的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 本研究綜合應(yīng)用實驗、數(shù)值模擬、理論推導(dǎo)等方法研究混凝土類材料的動態(tài)壓縮強(qiáng)度，主要研究內(nèi)容和科學(xué)意義總結(jié)如下 1）系統(tǒng)研究了不同厚徑比的圓柱形試件在各種端面摩擦情況下的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮強(qiáng)度變化規(guī)律。研究表明，單軸壓縮下，端面摩擦效應(yīng)會顯著影響試件內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，使其從一維應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而提高試件抗壓強(qiáng)度。此強(qiáng)度提高系數(shù)與試件厚徑比密切相關(guān)，并隨厚徑比減小而逐漸增大。靜態(tài)強(qiáng)度提高因子回歸公式可綜合考慮以上兩種因素的耦合效應(yīng)，方便工程設(shè)計并為準(zhǔn)確理解混凝土類材料的動力力學(xué)性能提供參考。 2）應(yīng)用霍普金生壓桿（SHPB）系統(tǒng)，并引入波形調(diào)整技術(shù)和應(yīng)力平衡判斷標(biāo)準(zhǔn)，考察了多組厚徑比、端面摩擦組合下混凝土類材料動態(tài)壓縮強(qiáng)度變化規(guī)律，得到了混凝土類材料在準(zhǔn)靜態(tài)及動態(tài)壓縮強(qiáng)度測試中的非應(yīng)變率效應(yīng)（即結(jié)構(gòu)效應(yīng)）影響因素與機(jī)制，確定了產(chǎn)生偽應(yīng)變率效應(yīng)的條件及因素。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)變率大于某臨界轉(zhuǎn)換應(yīng)變率時，結(jié)構(gòu)效應(yīng)開始起作用。此效應(yīng)由內(nèi)因與外因聯(lián)合導(dǎo)致：其內(nèi)因為材料的靜水壓力相關(guān)性（即材料的壓縮強(qiáng)度隨靜水壓力增大而增大，也可理解為壓縮強(qiáng)度隨徑向約束增大而增大）；其外因為由各種因素導(dǎo)致的徑向約束，由兩個機(jī)制引起：試件端面摩擦及試件在高應(yīng)變率加載時不可避免的慣性約束。 3）探索了基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計模型、理想骨料隨機(jī)分布、真實試件照片和3D CT掃描影像的混凝土類材料細(xì)觀模型建立方法和分析手段，以準(zhǔn)確反映該類材料強(qiáng)度和組份分布不均勻性。基于考慮損傷力學(xué)的數(shù)值模擬研究表明混凝土類材料細(xì)觀非均質(zhì)性是其產(chǎn)生宏觀壓縮應(yīng)變率效應(yīng)的一個重要因素，從微觀層面上揭示了混凝土材料宏觀性能的機(jī)制。 4）基于本項目所取得研究成果，對工程界常用的K-C混凝土模型進(jìn)行了包括應(yīng)變率效應(yīng)在內(nèi)的四個方面的修正，并成功將其應(yīng)用于彈體高速撞擊混凝土靶體的數(shù)值模擬中。為準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)構(gòu)動力行為和安全性評價提供了實用方法和可靠工具。 本研究對正確認(rèn)識混凝土類材料應(yīng)變率效應(yīng)的物理機(jī)制、建立正確的混凝土類材料動態(tài)性能測試方法、確定其動態(tài)強(qiáng)度模型及參數(shù)、準(zhǔn)確預(yù)測各類軍事與民用混凝土結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力提供了理論支撐。 2100433B

工程結(jié)構(gòu)在受到爆炸與沖擊等強(qiáng)動載荷作用下的響應(yīng)與其在準(zhǔn)靜態(tài)加載下的響應(yīng)有明顯區(qū)別。其中一個最重要的影響因素是應(yīng)變率對材料本構(gòu)關(guān)系及強(qiáng)度的影響（稱為應(yīng)變率效應(yīng)）。為了準(zhǔn)確預(yù)測工程結(jié)構(gòu)在強(qiáng)動載荷作用下的響應(yīng)，在分析與數(shù)值模型中需要對材料的應(yīng)變率效應(yīng)加以考慮。混凝土類材料在壓縮狀態(tài)下的應(yīng)變率效應(yīng)目前主要由分離式霍普金生壓桿(SHPB)實驗來確定。本研究對當(dāng)前國內(nèi)外普遍接受的混凝土類材料動態(tài)壓縮強(qiáng)度SHPB測量方法提出質(zhì)疑并進(jìn)行深入研究; 對混凝土類材料的動態(tài)壓縮強(qiáng)度測量方法提出改進(jìn); 確定材料的真實應(yīng)變率效應(yīng)及影響測量的因素; 建立正確的材料動態(tài)本構(gòu)與強(qiáng)度模型參數(shù)；通過對混凝土類材料動態(tài)壓縮中的真實應(yīng)變率效應(yīng)進(jìn)行細(xì)觀尺度上的理論與數(shù)值研究, 提供其動態(tài)壓縮應(yīng)變率效應(yīng)的微細(xì)觀物理機(jī)制與解釋。本研究對建立可靠的混凝土類材料動態(tài)壓縮實驗方法及正確的混凝土類材料動態(tài)本構(gòu)與強(qiáng)度模型有重要意義。

本項目強(qiáng)調(diào)指出：在動載作用下，應(yīng)區(qū)分混凝土的材料強(qiáng)度（應(yīng)變率無關(guān)的材料性質(zhì)）和材料承載能力(材料的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，應(yīng)變率相關(guān))這兩類性質(zhì)不同的概念；進(jìn)而將動態(tài)材料響應(yīng)與動態(tài)材料結(jié)構(gòu)響應(yīng)解耦，為構(gòu)建混凝土動態(tài)本構(gòu)理論和強(qiáng)度準(zhǔn)則提供新的物理機(jī)制。基此，首先，通過理論分析及實驗研究，驗證混凝土材料強(qiáng)度的應(yīng)變率無關(guān)性，而將通常所說的混凝土動態(tài)破壞強(qiáng)度應(yīng)變率效應(yīng)問題歸結(jié)為材料承載能力的應(yīng)變率效應(yīng)問題，即混凝土動態(tài)破壞強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)只與材料的結(jié)構(gòu)性質(zhì)相關(guān)。其次，擬通過混凝土中基體/骨料界面裂紋動態(tài)擴(kuò)展性質(zhì)以及應(yīng)力波在此界面處的反射、透射行為的研究，探討混凝土骨料破壞的加載率響應(yīng)行為，進(jìn)而確定混凝土動態(tài)破壞應(yīng)變率效應(yīng)的突變現(xiàn)象的物理實質(zhì)。最后，在前述兩項研究基礎(chǔ)之上，建立合理描述混凝土動態(tài)破壞應(yīng)變率效應(yīng)機(jī)理的數(shù)學(xué)表征體系。本研究結(jié)果還可為混凝土動態(tài)破壞尺度效應(yīng)及彈丸侵徹混凝土尺度效應(yīng)的研究提供理論基礎(chǔ)。 2100433B

研究納米尺度的硬質(zhì)點、氣泡，以及結(jié)構(gòu)相變等因素對金屬材料在高應(yīng)變率加載下?lián)p傷演化和動態(tài)斷裂的影響。采用多種實驗技術(shù)，包括：氣體炮和脈沖強(qiáng)激光加載手段，配合測量板狀樣品在沖擊波壓縮和卸載過程中的自由面速度歷史，X射線閃光照相觀測，以及軟回收樣品的細(xì)觀組織分析，獲取層裂破壞的演化發(fā)展信息?；趯嶒灲Y(jié)果，建立物理模型，開展數(shù)值模擬，預(yù)期對層裂破壞現(xiàn)象的物理過程和發(fā)展規(guī)律獲得較全面的理解和認(rèn)識。 2100433B