陳藝順， 王 波， 周健南， 孔新立， 朱乃姝， 周寅智

(陸軍工程大學(xué) 爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210007)

多孔材料憑借其緩沖吸能的特點(diǎn)，在建筑施工和安全防護(hù)等領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注，對(duì)這類材料在沖擊荷載下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究也愈發(fā)重要[1-4]。蒸壓加氣混凝土(Autoclaved Aerated Concrete, AAC)是一種輕質(zhì)多孔的多功能環(huán)保型建筑材料[5-7]。其內(nèi)含大量孔洞，因此重量很輕。其孔隙率達(dá)70%～80%，體積密度一般為400～700 kg/m3。它還有良好的保溫隔熱性能，具有導(dǎo)熱系數(shù)低的特點(diǎn)，這可以大大提高建筑節(jié)能效果，降低取暖和降溫的能耗和費(fèi)用。曾歡[8]研究了蒸壓粉煤灰-砂加氣混凝土的基本力學(xué)性能，進(jìn)行了立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了蒸壓粉煤灰-砂加氣混凝土的全壓縮過程曲線、破壞模式和幾何特征，為有限元分析中蒸壓粉煤灰-砂加氣混凝土本構(gòu)關(guān)系的數(shù)值選擇提供了重要依據(jù)。Kurama等[9]研究了使用粉煤灰生產(chǎn)的蒸壓加氣混凝土的性能，研究表明，粉煤灰能有效地提高蒸壓加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度，F(xiàn)erretti等[10]通過試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，研究了加氣混凝土砌塊承受面內(nèi)荷載時(shí)的力學(xué)特性。

本文利用5 t MTS機(jī)和直徑為100 mm的分離式Hopkinson壓桿(Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB)試驗(yàn)裝置對(duì)密度為425 kg/m3和625 kg/m3的蒸壓加氣混凝土試件進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試，對(duì)試件的破壞過程進(jìn)行了分析，得到了不同應(yīng)變率下各密度試件的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，并以此分析了試件的應(yīng)變率效應(yīng)。

1 試件選擇和處理

試驗(yàn)用蒸壓加氣混凝土試件由南京旭建新型建材股份有限公司生產(chǎn)，密度為425 kg/m3和625 kg/m3，氣孔直徑均在1 mm以內(nèi)，蒸壓加氣混凝土試件和其孔隙結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 蒸壓加氣混凝土試件及其孔隙結(jié)構(gòu)Fig.1 AAC specimens and their cellular structures

對(duì)于非均質(zhì)脆性材料，尤其是蒸壓加氣混凝土這種混合材料，試件要有足夠的尺寸體現(xiàn)材料基本力學(xué)性能，因此其直徑應(yīng)該盡量取大值，一般要求其直徑不能小于最大粒徑的10倍，但不能超過SHPB裝置的壓桿直徑，本文取直徑約70 mm。在選擇厚度方面，為了減少應(yīng)力波在非均質(zhì)材料中過多的彌散衰減，降低沖擊荷載加載過程中試件徑向和軸向慣性影響，同時(shí)盡量減弱接觸面摩擦效應(yīng)，SHPB試驗(yàn)中試件厚度一般取直徑的0.5～1.0倍左右，本文取約35 mm。在制作試件時(shí)，要將兩端面研磨拋光，以保證其平行度、平整度和光潔度。

2 準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)

利用陸軍工程大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的5 t MTS試驗(yàn)機(jī)對(duì)蒸壓加氣混凝土試件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)，如圖2所示。試件直徑約為70 mm，厚度約為35 mm。加載過程由位移控制，實(shí)現(xiàn)了不同應(yīng)變率下的單軸壓縮試驗(yàn)。加載速率為0.021 mm/min，0.21 mm/min，2.1 mm/min和21 mm/min，分別對(duì)應(yīng)1×10-5s-1，1×10-4s-1，1×10-3s-1和1×10-2s-1這四種不同的應(yīng)變率。為了保證數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，在每種應(yīng)變率下測(cè)試了3個(gè)試件，表1顯示了AAC在不同應(yīng)變率和密度下的抗壓強(qiáng)度。由表可知，試件的抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增加而增，且試件密度的增加顯著提高了其抗壓強(qiáng)度。加載過程一直持續(xù)到試件壓潰，在此過程中，時(shí)刻觀察試件產(chǎn)生的裂縫和破壞情況。

圖2 MTS試驗(yàn)機(jī)Fig.2 MTS machine system

425 kg/m3應(yīng)變率/s-1抗壓強(qiáng)度值1/MPa抗壓強(qiáng)度值2/MPa抗壓強(qiáng)度值3/MPa平均值/MPa1×10-52.122.472.742.441×10-42.452.552.572.521×10-32.542.622.732.631×10-22.482.923.272.89625 kg/m3應(yīng)變率/s-1抗壓強(qiáng)度值1/MPa抗壓強(qiáng)度值2/MPa抗壓強(qiáng)度值3/MPa平均值/MPa1×10-54.154.184.464.261×10-44.294.494.854.541×10-34.564.834.904.761×10-255.035.065.03

蒸壓加氣混凝土試件的破壞模式如圖3所示。在試驗(yàn)中，破壞形式主要是劈裂破壞。在準(zhǔn)靜態(tài)條件下，試件首先進(jìn)入彈性階段，表面出現(xiàn)垂直或傾斜裂紋，當(dāng)應(yīng)變?cè)龃髸r(shí)，剝落現(xiàn)象發(fā)生，并從外向內(nèi)依次擴(kuò)展，持續(xù)壓縮的過程中剝落面積不斷增大。當(dāng)加載應(yīng)力達(dá)到一定的極限時(shí)，獨(dú)立的剝落區(qū)相互連接，形成完整的剝落面，此時(shí)試件完全被破壞。通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在每種應(yīng)變率下選取了典型值進(jìn)行比較，可以得到兩種密度的蒸壓加氣混凝土試件在準(zhǔn)靜態(tài)條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖4所示。

圖3 AAC試件的破壞模式Fig.3 Failure mode of AAC specimen

圖4 蒸壓加氣混凝土試件在準(zhǔn)靜態(tài)條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Quasi-static stress-strain curves of AAC specimens

3 SHPB試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置

本文采用陸軍工程大學(xué)材料沖擊實(shí)驗(yàn)室里的SHPB設(shè)備，如圖5所示。壓桿直徑為100 mm，入射桿長4 000 mm，透射桿長3 000 mm，射彈長500 mm，彈性模量為212 GPa，泊松比為0.25～0.3，密度為7 850 kg/m3，波速為5 213 m/s。

實(shí)驗(yàn)時(shí)為了減少壓桿與試件的接觸面之間摩擦力引起的端頭效應(yīng)，在試件的兩端面上均勻涂抹了潤滑劑，然后夾在入射桿和透射桿之間，并確保試件、壓桿及子彈的軸線在同一直線上。利用測(cè)速儀測(cè)量速度，同時(shí)利用動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集入射桿和透射桿上的應(yīng)變信號(hào)并記錄，用高速攝影機(jī)記錄試件動(dòng)態(tài)破壞過程，最后收集試件的散體和碎粒。

圖5 SHPB設(shè)備Fig.5 The SHPB apparatus

3.2 改進(jìn)措施

為了利用SHPB裝置準(zhǔn)確測(cè)量蒸壓加氣混凝土這類多孔介質(zhì)材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，必須要解決以下兩個(gè)問題[11]：①蒸壓加氣混凝土材料波速較低，一般比壓桿材料低1～2個(gè)量級(jí)，這會(huì)引起試件內(nèi)部應(yīng)力長時(shí)間的不均勻性；②蒸壓加氣混凝土材料的阻抗較低，一般比壓桿材料低2～3個(gè)量級(jí)，這將導(dǎo)致反射波形很大且與入射波形持平，而透射波形很小，幾乎被干擾信號(hào)淹沒。

針對(duì)蒸壓加氣混凝土試件內(nèi)部應(yīng)力不均勻性的問題，一種有效而簡(jiǎn)便的辦法就是采用波形整形技術(shù)。常用的波形整形器是在入射桿受沖擊端的中心位置，粘貼一個(gè)由低屈服強(qiáng)度材料制成的小薄片，試驗(yàn)時(shí)采用薄銅片。當(dāng)受到子彈強(qiáng)烈沖擊時(shí)，銅片發(fā)生較大變形，吸收一部分能量，將原來陡峭上升的脈沖方波修正成上升過程較為平緩的波形，增加了入射波的上升時(shí)間，保證了試件內(nèi)部在破壞之前有足夠長的時(shí)間達(dá)到應(yīng)力平衡。同時(shí)減少了入射波的高頻震蕩，使得應(yīng)變率的波動(dòng)性明顯減小。

針對(duì)透射波形小的問題，可在輸出桿上采用半導(dǎo)體應(yīng)變片。由于半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)遠(yuǎn)大于電阻應(yīng)變片，可將所測(cè)信號(hào)的信噪比提高約50倍，從而可獲得準(zhǔn)確可靠的透射波形。

3.3 SHPB試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

SHPB試驗(yàn)的基本原理是細(xì)長桿中彈性應(yīng)力波傳播理論，是建立在兩個(gè)基本假定的基礎(chǔ)上，即一維假定(又稱平面假定)和應(yīng)力均勻假定。一維假定就是認(rèn)為應(yīng)力波在細(xì)長桿中傳播過程中，彈性桿中的每個(gè)橫截面始終保持為平面狀態(tài)；應(yīng)力均勻假定認(rèn)為應(yīng)力波在試件中反復(fù)2～3個(gè)來回，試件中的應(yīng)力處處相等。當(dāng)采用三波法處理數(shù)據(jù)時(shí)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)采集到的入射信號(hào)和反射信號(hào)非常接近，所以測(cè)試數(shù)據(jù)誤差常導(dǎo)致入射端應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際不符。針對(duì)蒸壓加氣混凝土材料的特殊性，對(duì)SHPB試驗(yàn)中采集到的入射波、反射波和透射波使用簡(jiǎn)化的三波法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即試件應(yīng)變和應(yīng)變率采用3個(gè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，試件應(yīng)力采用透射信號(hào)進(jìn)行計(jì)算

(1)

式中：c，A，E，ls分別為彈性壓桿的波速、橫截面積、彈性模量及試樣的厚度；As為試件的橫截面積。由此可得到試件的動(dòng)態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率隨時(shí)間變化趨勢(shì)，圖6為在不同撞擊速度下兩種密度的蒸壓加氣混凝土試件的應(yīng)變率時(shí)程曲線。由圖可知，蒸壓加氣混凝土試件應(yīng)變率與撞擊速度具有明顯的相關(guān)性。

圖6 蒸壓加氣混凝土應(yīng)變率時(shí)程曲線Fig.6 Curves of strain rate to time for AAC specimen

將每種加載條件下的應(yīng)變速率取加載過程中的平均值，即可得到其平均應(yīng)變率。對(duì)于密度為425 kg/m3的試件，其平均應(yīng)變率在由低到高的四種撞擊速度下分別為97.4 s-1，125.8 s-1，176.5 s-1和181.4 s-1；對(duì)于密度為625 kg/m3的試件，其平均應(yīng)變率在由低到高的四種撞擊速度下分別為117.3 s-1，129.7 s-1，146.6 s-1和179.8 s-1。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可進(jìn)一步得到兩種密度的蒸壓加氣混凝土試件在不同應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖7所示。

圖7 蒸壓加氣混凝土動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.7 Dynamic stress-strain curves of AAC specimen

蒸壓加氣混凝土的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線表明：在沖擊荷載作用下，蒸壓加氣混凝土試件會(huì)先經(jīng)歷一個(gè)短暫的彈性壓縮階段，當(dāng)荷載超過其彈性極限時(shí)，試件進(jìn)入屈服階段，塑性變形增加，直至達(dá)到峰值，而后塑性變形減小，試件承載力不斷下降，在整個(gè)過程中，試樣內(nèi)部發(fā)生不同形式的微觀破壞，最終導(dǎo)致試樣的完全破壞。蒸壓加氣混凝土試件的沖擊破壞形態(tài)如圖8所示。

圖8 蒸壓加氣混凝土沖擊破壞形態(tài)Fig.8 Impact failure mode of AAC specimen

4 沖擊力學(xué)特性

4.1 強(qiáng)度特性

為了更有效地分析蒸壓加氣混凝土的強(qiáng)度特性，本文采用動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長因子(Dynamic Increase Factor, DIF)作為沖擊荷載下材料抗壓強(qiáng)度增幅指標(biāo)，該指標(biāo)為動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的比值

(2)

(3)

對(duì)于密度為625 kg/m3的蒸壓加氣混凝土試件

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圖9 DIFf與 的變化關(guān)系曲線Fig.9 The law between DIFf and ln

蒸壓加氣混凝土材料的這種應(yīng)變率相關(guān)性從微觀損傷機(jī)理的角度可解釋為：在蒸壓加氣混凝土內(nèi)部布滿了大小不同的微裂紋和微孔洞等損傷，裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展直接導(dǎo)致混凝土材料的破壞，裂紋產(chǎn)生所需的能量遠(yuǎn)比裂紋擴(kuò)展所需的能量高[13]。應(yīng)變率越大，產(chǎn)生的裂紋數(shù)目就越多，因而需要的能量就越多。又因?yàn)闆_擊荷載作用的時(shí)間極短，材料沒有足夠的時(shí)間用于能量的累積，即變形緩沖作用小，根據(jù)沖量定理或功能原理，它只有通過增加應(yīng)力的辦法來抵消外部沖量或能量。因此，材料的強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增加而增加。

4.2 沖擊韌性

當(dāng)材料承受一定的應(yīng)力時(shí)，其變形能力被稱為沖擊韌性，即材料的延性和強(qiáng)度的結(jié)合。從宏觀上看，沖擊韌性通?？梢远x為材料或結(jié)構(gòu)在有效加載過程中吸收的能量，沖擊韌性不僅與材料的強(qiáng)度有關(guān)，而且還取決于材料損傷時(shí)的應(yīng)變。

比能量吸收(Specific Energy Absorption, SEA)[14]是評(píng)價(jià)沖擊韌性的一種科學(xué)方法，它被定義為每個(gè)單位材料吸收的應(yīng)力波能量。SEA考慮了許多實(shí)驗(yàn)因素，其結(jié)果與材料沖擊韌度的具體值很接近，其表達(dá)式為

(5)

與試件應(yīng)力計(jì)算一樣，簡(jiǎn)化的三波法也可用于SEA的數(shù)據(jù)處理，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)采集到的入射信號(hào)和反射信號(hào)非常接近，所以SEA可以僅用透射信號(hào)計(jì)算

(6)

式中：T為試樣完全損壞的時(shí)刻，其他物理量與前述相同。

SEA是分析蒸壓加氣混凝土沖擊韌性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其隨平均應(yīng)變率的變化規(guī)律如圖10所示。

結(jié)果表明：①蒸壓加氣混凝土的沖擊韌性隨應(yīng)變率的增加而不斷提高；②蒸壓加氣混凝土的密度越大，沖擊韌性在相同的應(yīng)變率下越大。通過擬合可以得到相關(guān)關(guān)系公式，對(duì)于密度為425 kg/m3的蒸壓加氣混凝土試件

(7)

對(duì)于密度為625 kg/m3的蒸壓加氣混凝土試件

(8)

公式表明SEA與平均應(yīng)變率的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，隨著平均應(yīng)變率的增加，沖擊韌性的增加速度逐漸放緩。

圖10 SEA與平均應(yīng)變率的變化關(guān)系曲線Fig.10 The law between SEA and of AACs

5 結(jié) 論

通過對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要可以得到以下6個(gè)結(jié)論：

(1)蒸壓加氣混凝土試件在準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)中的破壞形式主要是劈裂破壞，且其抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率和密度的增加而增加。

(2)在SHPB試驗(yàn)中，針對(duì)蒸壓加氣混凝土類材料波速和波阻抗較低，從而引發(fā)試件內(nèi)部應(yīng)力不均勻和透射信號(hào)弱的問題，可以分別采用波形整形器和半導(dǎo)體應(yīng)變片進(jìn)行解決。

(3)蒸壓加氣混凝土試件在動(dòng)態(tài)荷載作用下，會(huì)依次經(jīng)歷彈性壓縮、屈服和完全破壞3個(gè)階段。

(4)蒸壓加氣混凝土的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長因子與平均應(yīng)變率的自然對(duì)數(shù)成線性關(guān)系。

(5)在沖壓狀態(tài)下蒸壓加氣混凝土存在應(yīng)變率敏感閾值，當(dāng)應(yīng)變率超過這個(gè)值時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度將明顯增加。

(6)隨著平均應(yīng)變率和密度的增加，蒸壓加氣混凝土的沖擊韌性不斷增加且沖擊韌性指標(biāo)與平均應(yīng)變率的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。