试验研究大口径砂浆和混凝土的动态力学性能受到循环的影响

文摘

岩石破裂通常伴随着多个冲击。为了探索岩爆巷道充填材料的动态特性,我们采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验分析砂浆和混凝土的动态力学响应在周期性的影响。大型标本的SHPB试验结果表明改善波形形状和减少波色散通过胶板的应用脉冲形成器。循环的影响下,峰值应力和能量利用率的砂浆和混凝土标本减少,显示明显的疲劳特性。砂浆峰值应力和能量利用率的影响被观察到的敏感时期,而混凝土的压力敏感的影响。砂浆和混凝土的损伤演化循环冲击荷载下表现出非常相似的趋势,即压力影响最小的损伤演化的影响。

1。介绍

深层煤矿的发展增加了深部煤炭资源地质条件的复杂性(1- - - - - -5]。在中国,许多矿区巷道岩爆控制与传统的巷道支架方法是困难的,尤其是当岩石破裂往往伴随着多个冲击。因此,对工程实践具有重要意义研究回填材料的动态特性和差异(砂浆和混凝土)循环的影响。

由于地下工程的复杂性,岩爆的发生是受到多种因素影响6]。杜et al。7)采用三维地应力测量为了研究岩石破裂。朱et al。8),Heasley和图·图鲁9),和李et al。10)每个提出了不同的分析方法评价岩石破裂。先前的研究已经有效地确定原位应力通过数值模拟(11,12]。

分离式霍普金森压杆(SHPB)试验设备首次使用的霍普金森调查压力(bar)随时间的变化。这个开创性的方法随后得到太多的关注由于其能力研究材料的动态力学性能(13- - - - - -15]。Frew et al。16)确定岩石材料的应力-应变数据通过SHPB技术。SHPB试验装置是基于应用程序的薄铜片表面入射杆的影响提高SHPB波形,从而产生一个几乎恒定应变率的标本。李等人。17)进行重复测试影响花岗岩SHPB装置和显示每个影响造成的损害非常低的峰值应力值在60%和70%之间的岩石静强度。李等人。5)检查绿色砂岩的降解过程受到反复冲击荷载通过SHPB装置驱动的摆锤。他们的测试结果可以提高稳定性评估的岩石结构的理解受到重复的冲击荷载。王等人。18]讨论了microproperties花岗岩的断裂形态在不同温度和重复的影响。经过多年的积累和发展,后完整的理论和广泛应用SHPB技术是目前在的地方19- - - - - -22]。

混凝土是一种典型的非均匀材料,骨料粒度和许多microdefects。为了确保一致性,混凝土试样应该相当规模的;因此,大型SHPB装置所需的测试(23]。大口径SHPB实验技术的一个关键瓶颈造成的几何弥散横向惯性效应时,压杆应力脉冲传播(24,25]。王先生和王26表明,脉冲形成器可以消除入射波的高频振荡。特别是,脉冲形成器扩展了上升时间,减少横向惯性效应,也有利于常应变率加载,同时也降低了试样应变率。李等人。27]研究了黄铜薄板的成形效果在不同大小直径100毫米的SHPB实验。结果表明,牛头刨床的厚度和直径越小,时间越长入射波的前沿和波形平滑,提高试样的应力均匀性。朱et al。28)使用特征方法评估应力均匀粘弹性材料在高应变率SHPB实验,揭示了脆弱的粘弹性材料的应力均匀性增加入射波的影响,过度上升时期起着消极的作用。

摘要循环影响压缩测试执行与砂浆和混凝土使用SHPB装置为研究对象。我们比较动态力学和损伤演化之间的砂浆和混凝土在循环的影响。我们的研究结果提供一个理论参考下巷道充填材料的稳定性研究岩石破裂。

2。SHPB测试过程

2.1。样品制备

普通硅酸盐水泥和自来水饮用实验室用于实验。传统的碎石头粒子大小介于0.8和1.2厘米和天然河沙了粗、细骨料,分别。混凝土混合的比例0.52:1:1.67:2.47(水:水泥:砂:骨料)和随后站24小时。模具的标本被删除并放置在一个恒定的温度(20°C)和湿度(95%)固化箱为28天。固化后,标本是钻和抛光端面光滑。混凝土砂浆试样由泥浆,准备和后混凝土的养护方法。砂浆和混凝土标本的大小是71毫米×71毫米(图1)。

2.2。实验原理

分离式霍普金森压杆(SHPB)被认为是最可靠的实验方法研究材料的力学性能时介质和高应变率。本文中使用的SHPB系统位于河海大学结构实验室和10的应变率范围²-10年⁴年代⁻¹。SHPB试验装置的基本工作原理描述如下。子弹是由气压影响事件的压力推酒吧,这样一个入射波在酒吧里形成。一旦入射波的入射酒吧,它反映形成反射波的一部分 。剩下的波能穿过标本和进入酒吧形成透射波传播(图2)。

压力 ,应变率 ,和压力标本在测试期间的计算如下: 在哪里波的传播速度是影响在酒吧;是试样厚度;是酒吧的横截面积和标本,分别;是酒吧的弹性模量;和 ,和事件的应变信号,传输和反射波。

2.3。实验方案

大直径标本将导致波色散。为了提高初始入射波形,脉冲形成器附加到事件酒吧(26]。牛头刨床可以“变换”一个矩形脉冲三角脉冲延长其前沿[27]。传动杆上的应变计应尽可能接近标本,也可减少波色散。凡士林用于标本和酒吧之间的接触面减少摩擦效应。测试数据的准确性可以提高通过应用一个过滤器使用数据处理软件提供的SHPB制造商。实验前,空杆测试两个黄铜和丁基橡胶单脉冲进行了塑造者,牛头刨床直径和厚度的20毫米和2毫米,分别。

图3证明了分散滤波后的波形是有效减少。使用黄铜塑造者获得的波形是长方形,而橡胶垫的塑造者是半正弦波不再上升边。half-sine事件波形可以更好地满足该恒定应变率条件相比,其矩形,因此我们选择的橡胶板脉冲形成器进行实验。

多个影响测试必须执行相同的标本,因此临界冲击应力应该决心确保标本可以承受多重影响。压力在不同振幅的影响是通过控制空气压力对循环的影响。根据岩爆的特点和之前的实验中,砂浆和混凝土的临界冲击压力值是0.26 - -0.28 MPa。因此,砂浆和混凝土进行了0.26 MPa和0.28 MPa的空气压力,分别。

3所示。实验结果和分析

3.1。应力-应变曲线

之前测试循环的影响,进行了单轴压缩试验。单轴抗压强度、应变和弹性模量的灰浆被确定为53.07 MPa, 5.46×10³分别为13.10,平均绩点(图4)。混凝土的相应值31.23 MPa, 4.73×10³分别为9.97,平均绩点(图5)。

图4表明,强度、脆性和弹性模量的两个灰浆样品组显著降低后,多重影响。的峰值强度对应的应变相关的两组没有明显影响。没有观察到明显的区别两者之间的力量减少空气压力团体。

图5表明,在一个空气压力为0.26 MPa,没有观察到显著增加的力量的前四次影响混凝土标本。然而,第五影响时间与一个明显的减少,和标本没有承载力。弹性模量随着时间的增加的影响降低。在0.28 MPa的空气压力,与第二相关联的强度影响显著减少。弹性模量随着时间增加的影响表现出明显的减少。

3.2。峰值应力和循环影响的数量之间的关系

图6提出了砂浆和混凝土峰值应力之间的关系和数量的循环的影响。

砂浆和混凝土峰值应力不断下降随着时间的增加影响,表明持续恶化的承载力。砂浆试样的峰值应力随压力(图的影响6(一)山坡上的),而这两条曲线几乎是相等的。随着循环影响的数量的增加,峰值应力降低的灰浆率稳定。第四次冲击后,试样的峰值应力从120.26 MPa CC-1下降到22.37 MPa(81.40%),而试样的峰值应力从142.40 MPa CC-2下降到58.15 MPa (59.16%)。尽管低冲击压力,标本CC-1表现出显著降低峰值应力。

标本HC-1和HC-2空气0.26 MPa和0.28 MPa的压力,分别(图6 (b)),HC-2曲线的斜率HC-1的两倍。更具体地说,一个数量增加冲击压力的影响,因此导致更大幅度减少混凝土的峰值应力。重复的影响后,试样的峰值应力从74.92 MPa HC-1下降到40.93 MPa(45.37%),而从87.61 MPa标本HC-2下降到46.54 MPa (46.88%)。这两个标本展览几乎等于减少峰值应力。

的拟合程度高于混凝土砂浆试样。虽然具体样本的同质性可以通过大型标本的使用,确保测试数据仍相对较大的色散。在相同的冲击压力下,砂浆的初始峰值应力大于混凝土。砂浆的斜率的绝对值也比混凝土,指示砂浆峰值应力的敏感性的影响时间。此外,这两个砂浆曲线是平行的,而混凝土的相交。结果显示更大的灵敏度压力峰值应力的影响。

3.3。循环的能源利用率和数量之间的关系的影响

事件和传输波所携带的能源和能源利用率之间装卸确定如下: 在哪里 是入射能量、传输能量,分别和能源利用率。图7描述了砂浆和混凝土的能源利用率之间的关系和数量的循环的影响。

数据的曲线6和7表现出类似的趋势。能源利用率的砂浆和混凝土标本随着影响周期的数量的增加而减少。砂浆试样的能量利用率随冲击压力(图7(一)山坡上的),而这两条曲线几乎是相等的。特别是,两个压力影响下,降低砂浆的峰值应力几乎是等于循环冲击次数的增加。第四次冲击后,标本CC-1的能源利用率从7.89%下降到0.24%(96.96%),而标本CC-2从10.50%下降到1.64% (84.38%)。标本CC-1的能源利用率和CC-2大大减少重复后的影响。这表明接近完整的标本破碎。

标本HC-2曲线的斜率是HC-1的2.64倍(图7 (b)),揭示影响数量越高,影响越大的压力和减少能源利用率的陡峭的具体样本。重复的影响后,标本HC-1的能源利用率从4.71%下降到0.74%(84.29%),而标本HC-2从7.50%下降到0.97% (87.07%)。减少范围几乎是相等的。此外,砂浆样本的拟合程度大于混凝土。

在相同的冲击压力下,初始能量利用率的砂浆高于混凝土。砂浆的斜率的绝对值大于混凝土,表明灰浆的能源利用率更敏感时期的影响。此外,这两种砂浆曲线是平行的,而混凝土的相交。这表明具体的能源利用率对压力的影响更敏感。

3.4。循环的损伤程度之间的关系和数量的影响

式装卸响应比(LURR)最初提出的阴Xiangchu [29日),提取目标的损伤程度中基于“物理量的变化的概念。“LURR用于量化介质的损伤。采用常见的轴向应力作为LURR负载变量,和相应的应变作为响应变量。LURR ( )定义如下: 在哪里和在加载和卸载条件下反应率,分别定义如下: 在哪里和表示增加的负载和响应 ,分别。

弹性阶段,反应率 ,因此, 。然而, 当负载超过弹性极限,因此, 。材料的损伤越严重,越大价值。当系统趋于不稳定, 。

基于假设的损伤断裂极限服从威布尔分布的中尺度[30.- - - - - -32),Zhang et al。33,34)建立了关系和损伤变量如下: 在哪里是威布尔指数。

装卸部分sec的应力-应变曲线是用来计算LURR,允许后试样的损伤程度影响(图确定8)。

第一个影响是最具破坏性的砂浆和混凝土样本。特别是损害砂浆标本CC-1 CC-2 0.73和0.70,占最大伤害的78.42%和77.35%,分别为(图8(一个))。在随后的循环影响,增加伤害的标本CC-1相对最小,损伤增量小于0.11。当伤害达到0.93时,负载是难以忍受的。试样的损伤增量CC-2接近0在第二个影响,在第三和第四的影响,试样的损伤增量迅速增加。当伤害达到0.90,样品不能承担载荷。最后三个影响的最大损伤增量为0.12。

混凝土的损伤标本HC-1和HC-2第一影响被观察到为0.78和0.70,占最大伤害的77.98%和68.00%,分别为(图8 (b))。在随后的循环影响,损伤积累的两个样本表现出轻微的波动。的最大损伤增量HC-1被观察到的是0.072,而HC-2是0.018。两个标本无法承担负荷一旦损伤达到0.92和0.90,分别。

结果显示强烈的相似性砂浆和混凝土的损伤演化趋势试样在加载循环的影响。在初始冲击,损坏是大于0.7。不再伤害超过0.9时,试样承载力。因此,当损伤程度的第一影响是大于0.7,影响时间和压力的影响砂浆和混凝土损伤演化是相对较小。

4所示。结论

目前的论文是基于假设通常岩石破裂之后连续多个冲击。填充材料、砂浆和混凝土,被选为研究对象探讨循环下的砂浆和混凝土的力学性能的影响。以下结论测定:(1)大型标本显示,改进的SHPB试验的波形形状和减少波色散通过橡胶板的脉冲形成器的应用。重复的影响后,砂浆和混凝土的峰值应力标本减少。这表明明显的疲劳特性。(2)虽然大型混凝土标本可以保持一定程度的同质性,分散相对较大。砂浆的峰值应力敏感时间的影响,而混凝土压力敏感的影响。(3)随着周期的数量增加,能量利用率的砂浆和混凝土标本减少。在相同的冲击压力下,初始能量利用率的砂浆高于混凝土。此外,砂浆是敏感的能源利用率的影响,而混凝土对压力的影响更加敏感。(4)砂浆和混凝土的损伤演化趋势是在强烈的循环冲击载荷下协议。压力影响了对损伤演化的影响最小。

数据可用性

使用的实验数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(批准号。41831278、51579081和51709184)和中央公益科研机构基础研究基金(批准号Y118008)。

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