基于SHPB的活性粉末混凝土动态力学性能研究

李 丹，蒋亚琼，赵 莉

(安徽新华学院土木与环境工程学院，安徽 合肥 230088)

基于SHPB的活性粉末混凝土动态力学性能研究

李 丹，蒋亚琼，赵 莉

(安徽新华学院土木与环境工程学院，安徽 合肥 230088)

目的 活性粉末混凝土作为新型材料已广泛应用，其静态研究相对简单，研究成果比较成熟。但动态研究受到实验设备、环境、温度等各方面影响，成果参差不齐。借助SHPB实验装置研究活性粉末混凝土的动态力学性能，综述实验装置、实验原理、实验过程、数据采集及数据分析、实验结论及实验不足，以供相关研究人员参考。方法 选择合适尺寸的活性粉末混凝土试件，利用SHPB压杆装置对试件进行冲击压缩实验，得到多组高应变率下入射波、反射波和透射波曲线，根据应力波理论转换为活性粉末混凝土试件的应力、应变和应变率随时间变化的关系，进而得到多组花岗岩在不同应变率下的应力、应变关系曲线。结果 实验数据表明，活性粉末混凝土在高应变率下，极限强度随应变率的提高而相应增大，但不是无限增大，在应变率为87(1/s)时，极限抗压强度达到最大，为254 MPa。但继续增大时反而出现减小的趋势。这也是众多学者研究不一的地方。随着应变率的提高，材料的屈服极限强度提高，延伸率降低，屈服之后，断裂破坏应变减小。结论针对活性粉末混凝土的动态力学性能研究具有重要意义，但与以往的实验结果进行对比，发现该实验数据和结论差异性大，显然，改良了混凝土的配合比，外加钢纤维掺入，材料各方面性能会有很大的改观，但是定性分析，尤其是动态强度的定性分析与实验设备、环境材料的加工工艺都有很大关系。因此分析结论仅对本次实验有效。

活性粉末混凝土；SHPB实验；动态力学性能

0 引 言

活性粉末混凝土(reactive powder concrete，RPC)是继高强、高性能混凝土之后，出现的一种力学性能、耐久性能都非常优越的新型建筑材料。作为材料与纤维增强材料相复合的高技术混凝土，RPC在工程结构中的应用可以解决目前的高强与高性能混凝土抗拉强度不够高、脆性大、体积稳定性不良等缺点，同时还可以解决钢结构的投资高、防火性能差、易锈蚀等问题。

图1 Φ74直锥变截面SHPB装置

分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)技术是一种检测材料动态力学性能的经典技术，自1949年以来，已有近70年历史。目前国内外众多学者利用SHPB实验装置测得花岗岩、混凝土、有机材料、无机非金属材料等各式各样的固体材料的动态力学行为，以建筑材料混凝土材料居多。例如：印度学者J.Bhargava和A.Rehnstrom对Φ100 mm×200 mm的混凝土试件进行了SHPB实验，得到混凝土的动态强度比静态提高1.5倍左右；美国学者Tang Tianxi建立了超限应力的弹塑性模型；法国Davoodi Behnam和Gavrus Adinel等提出了高温下SHPB实验装置测试材料动态力学性能的原理；中国学者刘孝敏和胡时胜通过采用变截面的方式将原有的Φ37 mm改装成直锥变截面Φ74 mm，讨论了大小端杆径、过渡段的长度以及锥角对应力脉冲产生的影响。本文借助SHPB实验装置对RPC进行冲击压缩实验，综述实验装置、实验原理和过程，并对本实验的结果进行分析，进而得出本试样的动态力学性能[1-3]。

1 SHPB实验装置[4，5]

SHPB实验包括加载装置、超动态应变仪和数据采集系统。

(1)加载装置：中国科学技术大学冲击动力学试验室研制的Φ74直锥变截面SHPB装置。Φ74锥杆装置实际照片及原理如图1、图2所示。

图2 直锥变截面SHPB装置进行冲击压缩试验方案

(2)超动态应变仪：北戴河电子仪器厂的CS-1D。既可以作为一般应变仪使用，也可以作为冲击爆炸等特殊宽频测量使用，配接不同类型的应变片及应变片式传感器可以实现应力、拉应力、速度、加速度、位移等多种物理量测量。

(3)数据采集系统：成都中科动态仪器有限公司的PCI多通道高速数据采集系统，包括PCI4712数据采集卡、DasView2.0专用系统分析软件和台式工控机。

2 实验原理

图3 冲击压缩试验典型采集数据

本实验选取直径为60 mm，厚度为25 mm的RPC试样，其端面夹在入射杆和透射杆之间，面面接触。接触面均匀涂抹凡士林减小摩擦效应，防止应力集中。为防止应变计信号有误，在入射杆粘贴2组应变计，透射杆粘贴1组应变计，调试中确保3组应变计信号峰值误差2%之内，证实所有应变计粘贴及测量电路合理可靠。同时在试验中采用了试样粘贴应变计直测应变技术：每个试样相隔180 °两处位置分别粘贴1个90 °应变花，分别测量该点的轴向和横向应变。采用Φ12×2紫铜片作为波形整形器，减小波形畸变及应力(应变)不均匀性影响。典型测量信号如图3所示[6，7]。

应力-应变曲线数据处理按如下入射波和透射波的两波法进行：

(1)

3 数据采集

(1)电压信号与应变信号的转换

图4 压杆同一截面两应变计电桥接法 图5 试样单个应变计的1/4电桥接法

对于压杆应变计，为消除弯曲效应，同一截面相隔180 °粘贴2个轴向应变计按图4接入电桥，其中ε1、ε2即为压杆上的工作片，εT为不受力的温度补偿片，与工作片规格完全相同。所有试样应变计，均采用图5所示1/4桥分别采集[8]。

因此，对于压杆和试样分别采用(2)式和(3)式将应变计采集电压信号转换成应变值。

(2)

(3)

其中Ucn、Ucm分别为压杆和试样应变计通道采集的电压信号。Usn、Usm分别为压杆和试样通道每天静标值,2.08为本次试验应变计实际灵敏度系数，2为应变仪默认的应变计灵敏度系数。

另外，按上述接桥方法，本次试验所有应变计测量信号均符合压应变为正电压，拉应变为负电压规则。

(2)相关参数

1)压杆参数：波速——5 190 m.s-1，弹性模量——210 GPa；

2)应变计参数：所有电阻应变计栅长3 mm，电阻R=120 Ω， 灵敏度系数：K=2.08；

透射杆上贴有半导体应变计，本次试验电阻应变计信号较大，数据处理未采用该片；

表1 Φ74压杆应变计距试样撞击端面距离(单位：mm)

3)应变计粘贴位置(表1)；

4)采样频率：动态试验5 MHz，静态试验10 Hz。

(3)原始信号排列规则：第1列为采样点时间(横坐标，单位s)，第2、3列为入射波，第4、5列为透射波(其中第5列为半导体应变计)，第6～9为试样应变计信号。其中，6、8列为轴向应变，7、9列为横向应变。

4 数据记录及处理

(1)数据记录与初处理

根据表2可得，随着弹速的增大，试样破坏变严重，从开始的无明显裂纹到最后碎成粉末，这个过程，极限强度和最大应变也在逐渐增大，但不是无限制的增大，弹速在29.2 m.s-1时，极限强度达到最大，为254 MPa，此时对应的应变率为87(1.s-1)。每组相近弹速下，极限强度、最大应变略有差别，故取该组数据平均值更具可靠性。

(2)相近应变率曲线平均结果[10]

对25组实验数据进行分组，删去部分离散曲线，剩下的相近应变率划分到一组，分为5组，对每组应力应变曲线取平均，得到5组应力应变曲线如图6所示。相近应变率下的极限强度(σb)、最大应变(εb)见表3。接下来根据该结果进行分析，所得结论更具有可靠性。

表2 RPC动态数据记录与处理

图6 RPC不同应变率下平均后的应力-应变曲线

序ε(1.s-1)σb(MPa)εb×10-6120.31383452234.41864512351.82185300489.023760725137.0222641061.5E-51655710

5 结论与讨论[11-13]

1)以上给出了利用SHPB实验技术分析材料冲击压缩试验的过程和原理，以及数据分析和处理的全过程，为材料进行冲击压缩试验提供了依据。

2)根据采集的入射杆应变片、透射杆应变片随时间变化的压电信号曲线，进行数学运算转换成入射杆和透射杆应变片粘贴处入射应变波和透射应变波曲线，进而根据应力波理论知识转换为试样的应力、应变随时间变化的曲线，再通过时间同步规则，转换为应力、应变曲线。其中，数据采集时涉及到入射杆和透射杆压电信号采集的时间不同步的问题，需要进行基线调零，由于动态数据弥散大，还需要进行波形整形，本次实验时不仅加了黄铜片，在数据处理时也适当地进行波形整形。这一系列的数据处理工作均采用Fortran语言完成。

3)该实验数据表明，活性粉末混凝土在高应变率下，极限强度随应变率的提高而相应增大，但不是无限增大，在应变率为87(1.s-1)时，极限抗压强度达到最大，为254 MPa，但继续增大的时候反而出现减小的趋势，这也是众多学者研究不一的地方。随着应变率的提高，材料的屈服极限强度提高，延伸率降低，屈服之后，断裂破坏应变减小。

4)活性粉末混凝土在高应变率下的动态力学性能的相关研究众多，目前已有部分建筑材料采用这种新型混凝土材料。根据其组成和热处理方式的不同，这种混凝土的抗压强度可以达到200～800 MPa；抗拉强度可以达到20～50 MPa；弹性模量为40～60 GPa；断裂韧性高达40 000 J.m-2，是普通混凝土的250倍。这些数据都仅限于静态。对于活性粉末混凝土的动态力学行为研究还没有完全的定量分析。而在地震、爆破等行业，材料的动态行为更为重要。本文针对活性粉末混凝土的动态力学性能研究具有重要意义。但是与以往的实验结果进行对比，发现与该实验数据和结论差异性大。显然，改良了混凝土的配合比，外加钢纤维掺入，材料各方面性能会有很大的改观。但是定性分析，尤其是动态强度的定性分析与实验设备、环境材料的加工工艺都有很大关系。所以本文的分析结论仅对本次实验有效。

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[责任编辑：毛微曦 英文编辑：刘彦哲]

Dynamic Mechanical Properties of Reactive Powder Concrete Based on SHPB

LI Dan,JIANG Ya-qiong,ZHAO Li

(School of Civil and Environmental Engineering,Anhui Xinhua University,Hefei,Anhui 230088,China)

Objective Reactive powder concrete as a new type of material has been widely used.Its static research is relatively simple,and research results relatively mature. But the dynamic research is affected by the experimental equipment,environment,temperature and so on.In this paper,the dynamic mechanical properties of reactive powder concrete were studied by means of SHPB experimental device.The experimental device,experimental principle,experimental process,data acquisition,data analysis,experimental results and the experimental results were described to provide reference for related researchers.Methods By selecting the appropriate size of the reactive powder concrete specimens,splitting Hopkinson pressure bar(SHPB)pressure bar device on the shock compression experiments,the high strain rate of incidence wave,reflection wave and transmission wave curve were obtained.According to the stress wave theoretical conversion for reactive powder concrete test part of the stress,strain and strain rate as a function of time change,and groups of granite under different strain rates should stress-strain relationship curve.Results Experimental data showed that reactive powder concrete at high strain rate improved while the ultimate strength increased with strain rate.But it was the corresponding increase,and could not increase indefinitely.At strain rate 87(1/s),the ultimate compressive strength reached maximum at 254 MPa.But when it continued to increase,the trend appeared to decrease.This was also a place where many scholars differed in their results.With the increase of strain rate,the yield strength of the material increased,the elongation decreased,and the fracture failure strain decreased.Conclusion In this paper,the dynamic mechanical properties of reactive powder concrete are of great significance.But compared with previous experimental results,the experimental data and the results had wider difference.Obviously,the improved concrete mixture ratio and steel fiber added lead to the greatly improved mechanical properties.But qualitative analysis,especially the dynamic strength of qualitative analysis has close association with the experimental equipment and environmental materials processing technology.So the conclusion of this paper is only valid for this experiment.

reactive powder concrete;SHPB test;dynamic mechanical property

国家自然科学基金项目(51309004)；安徽省高校自然基金重点项目(KJ2016A316)

李丹(1988-)，女，安徽合肥人，安徽新华学院教师，硕士研究生。

O 442

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2017.03.004

来稿日期：2016-08-30