• $

新闻资讯

材料动态抗拉力学特性
发布时间:2022年06月06日


脆性材料(如混凝土)的破坏强度的一个显著特征是拉伸压缩行为不对称:这些材料一般可以承受很高的压缩载荷,而相应地在很低的拉伸载荷下就会破碎,典型的脆性材料的压缩强度比其拉伸强度高约一个量级。 混凝土结构的震塌是由拉压力造成的,因此必须研究混凝土抗拉力学特性。 笔者用两种试验方法研究了混凝土抗拉力学特性。

一维应力状态的层裂抗拉特性试验

一维应力状态下的层裂抗拉特性试验装置如图 1 所示,长杆状试样与入射杆紧密接触,当撞击杆撞击入射杆产生入射压缩脉冲,入射脉冲传入试样并在其另一端(自由端)反射,导致试样中形成拉伸应力波,拉伸应力波将引起层裂破坏。由入射杆上测得的入射波和反射波来确定传入混凝土试件的透射压缩波。透射压缩波在试样另一端(自由端)反射形成拉伸波。若假设可用最大拉应力来描述层裂强度,根据简单的一维应力波理论分析,则可确定此层裂强度。

图1 —维应力状态下的层裂抗拉特性试验装置

Fig.1 Experimental equipment for measuring spalling behavior under one - dimensional stress wave

圆盘试样横向压缩试验(巴西试验)

对圆盘试样在动载荷下进行横向压缩,实验原理如图 2 所示。

图2 圆盘横向压缩试验

Fig.2 Disc compressive experiment

试验时将圆盘试样横向置于输入杆和输出杆之间,如同 SHPB 常规试验一样,当应力波在试样中多次反射达到平衡时,试样中的应力波效应可以忽略,根据弹性理论,在试件中心垂直于加载轴线 AB 的方向上具有最大的拉伸应力分量: σx = 2 dh ,这里,p 为 A 和 B 点的压力,h 分别为试样直径和厚度。如果认为混凝土的拉伸断裂只取决于最大拉伸应力分量,而暂时不计试样压缩应力分量的作用,则可方便得到圆盘在拉伸应力作用下断裂应力。值得注意的是:试件并非出于简单应力状态:沿加载轴线 AB,在 A 和 B 点具有最大的压应力分量,并向中心逐渐减小,而在其中心有 σy = -3σx  压缩应力分量。因此该试验方法得到的混凝土抗拉特性并不是在一维应力状态下的数值,而是在加载方向具有较大的压应力状态下材料具有的抗拉破坏能力。

笔者的试验结果(见表 2)表明,圆盘试验测得的动态抗拉强度比长杆试验测得的层裂强度高,这主要是由于一方面圆盘试验测得是在复杂应力状态下的抗拉特性,而层裂试验是一维应力状态下的结果,另一方面,层裂试验先经受了压缩波的加载,有可能导致损伤的演化等,而影响了混凝土的抗拉特性。试验结果表明: C100 素混凝土虽然抗压强度较 C40 高,但其动态抗拉强度并没有相应提高,而钢纤维的加入可以有效提高混凝土材料的动态拉伸强度。

表2 抗拉特性试验结果汇总

Table2 Experimental results of tensile behavior of concretes