混凝土類材料的動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)變率效應(yīng)及其測(cè)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(zhēng)打擊或人為破壞等各類強(qiáng)動(dòng)載荷侵襲并導(dǎo)致失效，威脅國(guó)家安全與社會(huì)穩(wěn)定。清晰理解混凝土類材料在高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為是合理設(shè)計(jì)該類建筑的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 本研究綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論推導(dǎo)等方法研究混凝土類材料的動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度，主要研究?jī)?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(huì)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(jì)并為準(zhǔn)確理解混凝土類材料的動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度測(cè)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(shí)，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?yàn)椴牧系撵o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?yàn)橛筛鞣N因素導(dǎo)致的徑向約束，由兩個(gè)機(jī)制引起：試件端面摩擦及試件在高應(yīng)變率加載時(shí)不可避免的慣性約束。 3）探索了基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型、理想骨料隨機(jī)分布、真實(shí)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(gè)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(xiàng)目所取得研究成果，對(duì)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(gè)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(cè)結(jié)構(gòu)動(dòng)力行為和安全性評(píng)價(jià)提供了實(shí)用方法和可靠工具。 本研究對(duì)正確認(rèn)識(shí)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(dòng)態(tài)性能測(cè)試方法、確定其動(dòng)態(tài)強(qiáng)度模型及參數(shù)、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(dòng)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(gè)最重要的影響因素是應(yīng)變率對(duì)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(cè)工程結(jié)構(gòu)在強(qiáng)動(dòng)載荷作用下的響應(yīng)，在分析與數(shù)值模型中需要對(duì)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(shí)驗(yàn)來(lái)確定。本研究對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外普遍接受的混凝土類材料動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度SHPB測(cè)量方法提出質(zhì)疑并進(jìn)行深入研究; 對(duì)混凝土類材料的動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度測(cè)量方法提出改進(jìn); 確定材料的真實(shí)應(yīng)變率效應(yīng)及影響測(cè)量的因素; 建立正確的材料動(dòng)態(tài)本構(gòu)與強(qiáng)度模型參數(shù)；通過(guò)對(duì)混凝土類材料動(dòng)態(tài)壓縮中的真實(shí)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(dòng)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(duì)建立可靠的混凝土類材料動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)方法及正確的混凝土類材料動(dòng)態(tài)本構(gòu)與強(qiáng)度模型有重要意義。

本項(xiàng)目強(qiáng)調(diào)指出：在動(dòng)載作用下，應(yīng)區(qū)分混凝土的材料強(qiáng)度（應(yīng)變率無(wú)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(dòng)態(tài)材料響應(yīng)與動(dòng)態(tài)材料結(jié)構(gòu)響應(yīng)解耦，為構(gòu)建混凝土動(dòng)態(tài)本構(gòu)理論和強(qiáng)度準(zhǔn)則提供新的物理機(jī)制?；?，首先，通過(guò)理論分析及實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證混凝土材料強(qiáng)度的應(yīng)變率無(wú)關(guān)性，而將通常所說(shuō)的混凝土動(dòng)態(tài)破壞強(qiáng)度應(yīng)變率效應(yīng)問(wèn)題歸結(jié)為材料承載能力的應(yīng)變率效應(yīng)問(wèn)題，即混凝土動(dòng)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(guò)混凝土中基體/骨料界面裂紋動(dòng)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(dòng)態(tài)破壞應(yīng)變率效應(yīng)的突變現(xiàn)象的物理實(shí)質(zhì)。最后，在前述兩項(xiàng)研究基礎(chǔ)之上，建立合理描述混凝土動(dòng)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(dòng)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(diǎn)、氣泡，以及結(jié)構(gòu)相變等因素對(duì)金屬材料在高應(yīng)變率加載下?lián)p傷演化和動(dòng)態(tài)斷裂的影響。采用多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)，包括：氣體炮和脈沖強(qiáng)激光加載手段，配合測(cè)量板狀樣品在沖擊波壓縮和卸載過(guò)程中的自由面速度歷史，X射線閃光照相觀測(cè)，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?shí)驗(yàn)結(jié)果，建立物理模型，開展數(shù)值模擬，預(yù)期對(duì)層裂破壞現(xiàn)象的物理過(guò)程和發(fā)展規(guī)律獲得較全面的理解和認(rèn)識(shí)。 2100433B