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

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CSS4410电子万能试验机、Instron Dynatup9250落锤试验机以及VHS 8800高应变率系统，对密度为0.21、0.31 g/cm3的轻质泡沫混凝土，在压缩速度2×10-5～12 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：V250.2文献标志码：A文章编号：16744764（2013）06009607

当飞机由于气象、机械故障和驾驶员操作失误等原因滑跑冲出跑道时，为了使乘员和飞机在小于约1 g过载值下安全停止，就需要在机场跑道末端设置越界拦阻系统。虽然有些跑道末端的田地、水域或软沙土能起到某些程度的阻滞作用，但由于下雨或结冰等自然环境会失去拦阻作用，所以1950年代末Schirtzinger[1]就提出了通过在跑道末端铺设厚度渐增的可抑压的材料拦阻越界飞机的原理，1980年代Tuman[2]提出用类似尼龙网缆索飞机或运动器。经过多年技术发展，工程材料阻滞系统EMAS（Engineered Material Arresting System）得到完善[34]并已投入实用。而中国产的EMAS还处于研究阶段[58]未投入实质应用。

在EMAS中，阻滞材料是系统的重要组成之一。由于要保障乘员和飞机的安全，决定了拦阻材料应当具有很低的密度以致在飞机冲入时引起低过载加速度值，并且各种性能指标在环境影响下具有耐久性。目前阻滞材料有高分子泡沫材料、易碎化复合材料、泡沫混凝土材料等。在泡沫混凝土性能研究方面，颜雪洲等[9]通过泡沫混凝土受压全过程试验，以及与加气混凝土对比，分析研究了泡沫混凝土的力学性能，给出了泡沫混凝土受压应力—应变全曲线方程。高波等[10]分析了发泡混凝土生产中发泡剂泡沫的稳定性，及其对混凝土性能的影响。熊耀清，姚谦峰[11]对蒸压加气混凝土和泡沫混凝土两种轻质多孔混凝土的基本力学性能进行了试验研究和本构模型的理论探讨。Ramamurthy等[12]和Kearsley等[1314]根据泡沫混凝土的基体材料组成进行归类研究，获得孔隙率与压缩强度的关系。周顺鄂等[15]对泡沫混凝土的压缩特性及其抗压强度进行了系统的研究。

针对中国产新开发的轻质泡沫混凝土，本文对其压缩力学行为和变形破坏机制进行系统实验研究，并用理论模型对不同压头面积下的挤压强度进行预测，给出描述挤压压溃流动应力的方程。

1材料及试验过程

1.1材料

该轻质泡沫混凝土（Foamed Concrete，简称FC）是按配比将粘土、沙子、水泥、粉煤灰陶粒、高分子材料等和水混合搅拌均匀，倒入泡沫搅拌，同时加减水剂、促凝剂等制成均匀流浆态；倒入模具然后放在振动台振动成型，室温放置3 d脱模，在90%相对湿度恒湿箱养护约1个月而成。如图1所示，成型的轻质泡沫混凝土是一种闭孔材料，通常泡沫直径约为1 mm左右，而壁厚h大约0.1 mm，图1中（c）、（d）图为ZEISS SUPRA 55扫描电子显微镜（SEM）下观察得的该材料的微观结构图，其中，（d）图为SEM观察得的孔壁的微观结构图。此轻质泡沫混凝土材料孔壁除受到压力和剪力外，主要以承受较大的弯矩载荷为受力特征， 当基体材料和孔壁厚度相同时，泡沫直径越大，相同外载荷使其孔壁所承受的弯矩也越大，材料抗压强度降低，这正是低密度大孔径泡沫材料的受力特点。

1.2EMAS中阻滞材料受力特点

首先分析一下EMAS中阻滞材料的工作原理，见图2示意图所示，当飞机机轮冲向EMAS阻滞材料（EMASFoam），机轮在水平方向（与机轮运动方向相同）具有惯性力，同时机轮具有垂直方向飞机的重力载荷，这2个外力通过阻滞材料来平衡，进而在水平方向形成阻滞拖曳力（与机轮运动方向相反），具体到机轮与阻滞材料接触面任意点，阻滞材料将会受到压缩力FN和剪切力FQ（见图2上部示意），这样在对本文的轻质泡沫混凝土力学性能测试中以研究其压缩和剪切力为主。

2.1压缩性能及行为

低应变率压缩试验是在CSS4410电子万能试验机进行的，图3为密度0.21 g/cm3， 图3（a）为直径80 mm，高度40 mm试样在压缩时的载荷位移曲线，图3（b）由载荷位移得到的工程应力应变曲线以及相应的变形过程照片。从图中可以看出轻质泡沫混凝土压缩应力与应变曲线具有明显的3个区域：弹性区EE，平台压溃区EC和致密区ED。弹性区EE很小，此区常常忽略，当外载进一步增加，由于压头对材料的横向约束，靠近上下压头区的材料首先出现压溃区并与试样中间弹性区形成图3所示的前驱界面（driving interface）。继续压缩，压溃区增加，即前驱界面量增加。在平台压溃区EC中，随着压缩加载，试样在弹性区出现沿加载方向的开裂。从图3可以清楚看出，在平台压溃区EC，应力随压缩连续下降，主要原因是，当试样两端压溃区增加时，实际上试样外表面斜削压溃脱落区增加（由于试样外围无约束），即承载弹性区横截面减小，出现载荷逐渐下降趋势。当两端的前驱界面相遇（往往试样两端前驱界面运动距离不对称），整个试样全压溃，进而曲线进入到密实区ED，压缩应力急剧增加，这和实际拦阻中压溃泡沫层形式相同，见图2中Crushed foam。 在实际飞机越界拦阻过程中，主要通过平台压溃区EC变形破坏吸收飞机运动冲击的能量，所以在设计或计算中，主要以EMAS中阻滞材料平台压溃区EC应力应变曲线为依据。

2.2横向约束下压缩行为

通过2.1节试验看出，在压缩情况下试样在接触压头区域首先出现压溃区，连续加载以压溃前驱界面连续运动为特征，当加载变形到一定程度，在试样中部弹性区会出现沿加载方向的开裂裂纹，材料密度越高出现裂纹阶段越早。根据压缩加载受力分析，这种现象的出现与试样横向约束有关，考虑到实际使用中是飞机机轮挤压进轻质泡沫混凝土的，所以笔者进行了不同速度下的挤压试验。图8是不同速度下典型的应力与挤压深度比率（挤压深度与试样总高度之比）曲线对照，图9是在速度为8×10-3 m/s下的挤压试样剖切面照片。图8横坐标为挤压深度比率，从该图得出，随冲击速度增加，材料的压溃流动应力显著增加。并且从对应的挤压试样剖面图9看出，挤压变形破坏特征是，压头前端堆积的压溃区几何形状与尺寸随挤压深度连续变化，压溃区与材料弹性区形成的界面运动是主要变形特点，与图3到6的无约束压缩变形破坏特征不同。

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压溃流动应力。

参考文献：

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（编辑郭飞）