不同密度泡沫混凝土动态力学性能试验研究

摘要：利用Hopkinson压杆，以试验数据为依据，研究了六种不同密度的泡沫混凝土材料在冲击载荷下的动态力学压缩性能；通过相同加载速率和相同应变率两个方面对泡沫混凝土的动态力学性能比较，得到了高应变率下的泡沫混凝土随着孔隙率降低最大破坏应力与弹性模量均增大这一变化规律；并对泡沫混凝土吸能机理进行了探讨。
　　关键词：泡沫混凝土；动态力学性能；应变率；加载速率
　　中图分类号O347.4文献标识码A
　　0引言
　　随着科技的发展，地下防护工程以及民防掩蔽工程，经常会遭受到各种爆炸冲击的破坏作用。以往地下防护工程抗爆结构主要以混凝土材料构筑，增加结构层的厚度成为提高防护能力的首选措施[1]。理论和试验研究表明[2]：采用新型的复合防护结构可以大幅度提高结构的抗爆能力。泡沫材料作为一类轻质抗冲击吸能材料，其冲击特性的研究越来越得到人们的重视。由于它有许多蜂窝状气孔，在粉碎时能够吸收冲击动能，因此在防冲击载荷的军用和民用防护工程领域具有极其广泛的应用前景。以往人们对其静力学性能进行了深入的研究，但由于涉及大变形、高度不连续性和粘塑性问题，目前还很少又人对其动力学性能进行研究。
　　本文将通过分离式Hopkinson压杆的冲击压缩试验对不同密度泡沫混凝土的动态压缩力学性能进行了研究，并对泡沫混凝土抗冲击和吸能机理进行初步探讨。
　　1试验测试及数据分析
　　本文对六种不同密度（300g/cm3、450g/cm3、600g/cm3、750g/cm3、900g/cm3、1050g/cm3）的泡沫混凝土进行了高应变率下的动态压缩力学性能的研究。试件编号分别为300、450、600、750、900、1050，六种材料的性能参数见表1所示。

六种材料的性能参数见表1
　　试验采用Φ75mm分离式Hopkinson压杆(SHPB)来实现高应变率的动态加载。压杆均为硬铝LY12，直径75mm，密度2.7g/m3，杨氏模量70GPa。输入杆、输出杆长均为3000mm，撞击杆长1000mm。试件均加工成直径为75mm、厚度为50mm的圆柱体。
　　
　　基金项目：国家自然基金（10272109）资助.
　　1.1300泡沫混凝土的试验结果
　　 300混凝土表现出明显率效应，其动态破坏应力均大于准静态压缩下的破坏应力（1.34MPa），分别达到2.17MPa、1.79MPa和2.53MPa。而且其弹性模量均较静态有不同程度的提高。随着应变率的增加，弹性模量与破坏应力也相应的增加。
　　在极限破坏的情况下，300混凝土的破坏应变非常大，达到了3120με，这可以解释为300混凝土的空隙率最高，试样中存在着更多的微小气孔，且孔壁也很薄，气孔直径远大于壁厚。在应力波的冲击作用下，气孔发生坍塌破坏，众多的气孔在坍塌的过程中不仅发生了大的变形，而且吸收了大量的能量。因此，应力波的能量相当大的部分消耗在气孔孔壁的塑性变形上，在宏观上表现为300g混凝土强度较低，但具有较大的极限变形，可以认为是微观结构的特点导致了不同的宏观特性。
　　图1300混凝土不同应变率应力应变曲线图2450混凝土不同应变率应力应变曲线
　　                      图1300混凝土不同应变率应力应变曲线图2450混凝土不同应变率应力应变曲线
　　
　　1.2450泡沫混凝土的试验结果
　　 450混凝土同样表现出明显率效应，其动态破坏应力均大于准静态压缩下的破坏应力（2.70MPa），分别达到2.96MPa、2.72MPa、3.17MPa和3.35MPa。而且弹性模量均较静态有不同程度的提高。随着应变率的增加，动态弹性模量与破坏应力也相应的增加。
　　1.3600泡沫混凝土的试验结果
　　 600混凝土同样表现出率效应，动态最大应力随着应变率的增加提高幅度更大，弹性模量较静态均有较大程度的提高，且初始模量均重合。随着应变率的增加，600泡沫混凝土动态弹性模量Ed提高明显，动态模量与静态模量之比Ed/Es分别在应变率为55s-1、23s-1、26s-1和30s-1时分别达到了3.58、1.88、2.08和2.29。动态极限应力σd与准静态极限应力σs之比达到了1.91、1.0、1.11和1.22；同时，动态极限应力时刻所对的临界应变εd也分别达到了准静态单轴压缩极限应力所对的临界应变εs的111％、75％、90％和106％。
　　图3600混凝土不同应变率应力应变曲线图4750混凝土不同应变率应力应变曲线
　                 　图3600混凝土不同应变率应力应变曲线图4750混凝土不同应变率应力应变曲线
　　1.4750泡沫混凝土的试验结果
　　 750混凝土的孔隙率继续降低，气孔壁厚明显增加，已与气孔直径相当，甚至稍大一些；气孔直径较450混凝土要小，但可以认为仍然在同一量级上。从图4中可以看到，无论最大应力还是弹性模量，均已增加很多。这可以解释为：由于壁厚的增加以及气孔直径的减小，认为750混凝土是均质致密材料中均匀的分布着大量相同的微小气孔。应力波冲击作用下，孔壁的坍塌破坏需要比300混凝土与450混凝土更大的应力，较混凝土与450混凝土的变形，其变形滞后于加载的压力，所以动态强度有较大的提高。
　　1.5900泡沫混凝土的试验结果
　　 900混凝土的气孔直径已经很小，与450混凝土和750混凝土的气孔直径至少差一个量级。同时，其孔壁较750混凝土要薄。这样，在压力波冲击作用下，900混凝土的动态极限强度要比750混凝土小。但由于其更多数目的极微小气孔，导致试件破坏时需要更多的能量，在宏观上表现为动态强度要高于300混凝土和450混凝土。
　　图5900混凝土不同应变率应力应变曲线图61050混凝土不同应变率应力应变曲线
　                　图5900混凝土不同应变率应力应变曲线图61050混凝土不同应变率应力应变曲线
　　1.61050泡沫混凝土的试验结果
　　 1050混凝土同样表现出率效应，其动态最大应力随着应变率的增加而提高。而且弹性模量均较静态有不同程度的提高，初始模量均重合。在应变率为35s-1、34s-1、42s-1和38s-1时，动态弹性模量Ed分别达到了4.27GPa、4.56GPa和4.34GPa和5GPa；动态模量与静态模量之比Ed/Es分别达到了1.45、1.55、1.48和1.7。动态极限应力（σd）与准静态极限应力（σs）之比为0.80、0.92、1.08和1.01；同时，动态极限应力时刻所对的临界应变（εd）分别为准静态单轴压缩极限应力所对的临界应变（εs）的61％、86％、89％和86％。
　　2动态压缩力学性能比较
　　2.1相同加载速率下动态压缩力学性能比较
　　　　
　　                                                    图7V＝2.86m/s不同试件应力应变曲线
　　同一速率加载下，各种密度的泡沫混凝土试样的应变率不同。但最大应变率的混凝土并不对应弹性模量最大，从实验可以看到，材料的实验特性与试样的密度紧密相关，即与试样的空隙率密切相关。
　　随着混凝土的孔隙率降低，气孔壁厚明显增加，最大应力与弹性模量均增大。这时可以认为在应力波冲击作用下，孔壁的坍塌破坏消耗更多的应力，其变形亦滞后于加载的压力，所以动态强度有较大的提高。而且在极限破坏的情况下，混凝土的破坏应变变小。
　　但是，900混凝土与1050混凝土的气孔直径已经很小，而且其孔壁较薄，在同样压力波冲击作用下，900混凝土的动态极限强度要比750混凝土小。但由于其更多数目的极微小气孔，导致试件破坏时需要更多的能#p#副标题#e#量，在宏观上表现为动态强度要高于300混凝土和450混凝土。
　　2.2相同应变率下动态压缩力学性能比较
　　表3＝36/s时不同试件试验结果
　　    　　
　　图8＝36/s不同试件应力应变曲线
　　以＝36应变率加载下，300混凝土的弹性模量（0.95GPa）最小，450混凝土（1.87GPa）相应的提高了，然后是1050混凝土（4.27GPa），750混凝土的弹性模量（5.2GPa）为最高。
　　在同样的应变率下，750混凝土仍然保持完整，而其他混凝土已经发生了破碎或粉碎，表明只有在更高的应变率下才可能破坏，这意味着更高的动态极限应力。
　　从图8看到，在相同的应变率作用下，应力应变曲线呈现出不同的形态特征。300、450、750混凝土应力应变曲线出现类似于屈服特征的拐点，之后应变增加需要应力也相应地增加，材料表现为应变硬化的响应性质。而对于1050混凝土，在类似于屈服特征的拐点之后，应变增加，应力却基本保持不变，应力应变曲线呈现出类似于理想塑性的本构响应特征。
　　3结论
　　利用SHPB实验技术获得了六种不同密度的泡沫混凝土高应变率下的动态压缩应力应变曲线，实验结果表明，在所测试的应变率范围内，六种材料的应力应变曲线均表现出一定的率相关性，且应变率相关的趋势一致。应变率效应更多体现在材料变形刚度的加强以及割线模量的增加上。
　　泡沫混凝土材料显著特征在于内部存在大量孔隙，在压力波作用下材料首先被致密，以消除孔隙。致密过程可分为几个阶段[3]：首先孔壁发生弹性变形，部分冲击能量转变为弹性能，同时气隙被绝热压缩并吸收部分能量；继而孔壁发生塑性坍塌或脆性破碎，将部分冲击能量转变为塑性能，气隙绝热压缩过程基本结束；随后被逐渐压实直至接近密实材料。
　　根据以上实验结果，从三个方面阐述泡沫混凝土在高应变率下动态压缩力学性能。
　　3.1抗压强度(最大应力)
　　试验结果表明：六种泡沫混凝土材料在冲击荷载下，其极限应力均随应变率的增加而提高。一般情况下，当试件出现破碎或粉碎时，其破坏应力均大于准静态的单轴压缩破坏应力。不同密度泡沫混凝土动态极限应力的变化趋势与静态极限应力一致，300混凝土的最小，然后逐渐增大，600与750的极限应力最大，随之9003混凝土的减小，1050比900的略有增加。
　　3.2动态弹性模量
　　本实验中应力－应变曲线初始上升段的弹性模量随应变率增加而增大，动态弹性模量Ed与静态弹性模量Es之比均在1～2之间变化。
　　3.3动态变形
　　从本文试验曲线可以看出，900、1050混凝土具有“冲击脆化”的特性，即动态最大应力所对应的临界应变（ε0,d）小于准静态时对应的临界应变（σ0,s）；而其他密度的混凝土有的ε0,d>σ0,s,有的ε0,d<σ0,s，但相差不明显，可以认为动态极限与静态极限应变没有差别。
　　参考文献：
　　[1]王礼立.爆炸与冲击载荷下结构和材料动态响应研究进展[J].爆炸与冲击,2001,21(4):81-88.
　　 [2]赵小兵,方秦,张亚栋等.爆炸载荷作用下地下复合结构的合理刚度匹配[J].爆炸与冲击,1998,18(3):62-64.
　　[3]高文明.Φ75mmSHPB装置性能及应用研究[D].中国矿业大学（北京）硕士学位论文，2005.
　　