基于SHPB 混凝土的冲击试验研究

2020-11-26徐成

商品与质量 2020年39期

徐成

安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南 232001

随着社会的不断发展，混凝土被广泛应用于基础设施的建设中，成为使用最广泛的土木工程材料，就目前看来，世界各国学者对于研究混凝土静态力学性能的试验成果较多，相反混凝土的动态力学性能研究较少，特别是混凝土在高应变率情况下的性能研究少之又少。近20 年来，通过大量的试验证明：霍普金森压杆装置（SHPB）能较好的模拟材料所受到的冲击动载，且在混凝土动态力学特性研究方面运用越来越广泛。

1 SHPB 压杆装置原理

SHPB 压杆装置由撞击杆、入射杆、透射杆、测试及数据采集处理系统等设备组成。应变片贴在入射杆与透射杆上，并将试件放入两杆之间。当撞击杆被加速到一定的撞击速度时，以此速度撞击入射杆，产生一个入射弹性压力脉冲。当最开始的压力脉冲经撞击杆反射成拉力脉冲并回到撞击面时在入射杆中产生了入射应力波。当入射应力波到达试件时，一部分因为出现杆和试样横截面积不相同等情况而反射回入射杆形成反射应力波，另一部分穿透试样到达透射杆形成透射应力波。利用入射杆和透射杆上的应变片记录下入射波、反射波和透射波的信号，由数据采集处理系统负责接收并处理应力波信号。

2 混凝土动态力学性能

2.1 混凝土冲击压缩性能

苏骏等[1]利用SHPB 压杆装置（直径74mm）对纤维混凝土在不同应变率下进行冲击压缩试验，获得了应力－应变关系。试验结果得出：随着应变率的逐渐增加，在冲击荷载的作用下，纤维混凝土的破坏应力、峰值应变等都呈现增大的趋势。

2.2 混凝土的冲击劈拉性能

Joseph W Tedesco 利用SHPB 压杆装置（直径51mm）对尺寸为Φ51mm×51mm 的混凝土进行冲击劈拉试验，为了更好地在冲击过程中看出试件的变形与开裂现象，还运用了超高速数字摄影机（1000000 张/秒）。并认为：混凝土的抗拉强度在应变率超过1/s 时表现出了比较显明的应变率效应。

2.3 混凝土的强度

姜锡全利用SHPB 压杆装置（直径37mm）对尼龙纤维增强细粒混凝土与钢纤维进行了冲击压缩试验，得出：当应变率在6-76/s 范围内，在应变率相同情况下，尼龙纤维增强混凝土的强度和钢纤维与普通混凝土的强度几乎一致。

丁国博等利用SHPB 压杆装置（直径100mm），对养护龄期分别为12h.24h 和36h 的早强聚苯乙烯混凝土进行冲击压缩试验，并与养护龄期为28d 的聚苯乙烯混凝土结果进行了对比。结果表明：随着应变率的增加，养护龄期为36h.28d 的混凝土，其冲击压缩强度也增大；随着应变率的增加，养护龄期为12h.24h 的混凝土，其冲击压缩强度变化不显明。

2.4 混凝土的弹性模量

严少华、钱七虎等对掺入钢纤维的高强混凝土进行了冲击压缩试验研究得出：应变率及钢纤维含量对钢纤维增强混凝土的弹性模量影响较大，而当应变率和钢纤维含量变化时，峰值应变变化较小。

刘俊良、许金余、任韦波[2]等利用SHPB 压杆装置（直径100mm），研究了高强混凝土在不同应变率下的动态力学性能。随着应变率的增大，高强混凝土的弹性模量并未出现比较明显的变化趋势。高强混凝土动弹性模量呈现较大态势，峰值应变呈现较小态势，变形的能力有所降低。

3 SHPB 压杆装置存在的问题

3.1 大尺寸杆弥散效应

目前世界各国都在努力兴建大尺寸SHPB 压杆装置。比如欧美等国已先后建成直径l00mm 和200m 的SHPB 压杆装置，国内比如广州大学也建成了一套直径100mm 的SHPB 压杆装置。但这些大直径的SHPB 压杆装置挑战了传统基于一维假定与均匀假定的SHPB 试验技术，分析表明：当矩形波加载时，满足内部应力应变均匀化假定，根据一维假定，任意一个应力波脉冲在压杆传播速度为定值，仅与材料性质有关，但是这一假定却忽略了压杆的横向收缩对动能的作用。这种假设对于小尺寸的SHPB 压杆装置来说误差不算大，但是对于大直径SHPB 压杆装置来说，因为尺寸大，所以产生的弥散效应也大，所以不容忽视。