輕質(zhì)泡沫混凝土吸能特性及其壓潰流動(dòng)應(yīng)力方程

王建軍　郭偉國(guó)　趙融　史亞杰　曾亮

摘要：輕質(zhì)泡沫混凝土是一種攔阻沖出跑道飛機(jī)的重要阻滯材料，為了揭示其壓縮力學(xué)性能及變形破壞機(jī)制，利用CSS4410電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、Instron Dynatup9250落錘試驗(yàn)機(jī)以及VHS 8800高應(yīng)變率系統(tǒng)，對(duì)密度為0.21、0.31 g/cm3的輕質(zhì)泡沫混凝土，在壓縮速度2×10-5～12 m/s范圍內(nèi)的力學(xué)特征、破壞及變形機(jī)理等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，用理論模型對(duì)不同壓頭面積下的擠壓強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，并建立擠壓壓潰流動(dòng)應(yīng)力方程。結(jié)果表明：此材料變形、壓潰碎化到壓實(shí)過(guò)程中，以壓潰前驅(qū)界面運(yùn)動(dòng)為特征，變形具有顯著的局部失穩(wěn)特性；壓縮強(qiáng)度依賴密度和沖擊速度；所采用的理論模型可以較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)不同壓頭面積下的擠壓強(qiáng)度；所建立的壓潰流動(dòng)應(yīng)力方程可以很好的描述材料的壓縮擠壓力學(xué)特性。

關(guān)鍵詞：阻滯材料；混凝土；壓縮；機(jī)制；吸能

中圖分類號(hào)：V250.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2013）06009607

當(dāng)飛機(jī)由于氣象、機(jī)械故障和駕駛員操作失誤等原因滑跑沖出跑道時(shí)，為了使乘員和飛機(jī)在小于約1 g過(guò)載值下安全停止，就需要在機(jī)場(chǎng)跑道末端設(shè)置越界攔阻系統(tǒng)。雖然有些跑道末端的田地、水域或軟沙土能起到某些程度的阻滯作用，但由于下雨或結(jié)冰等自然環(huán)境會(huì)失去攔阻作用，所以1950年代末Schirtzinger[1]就提出了通過(guò)在跑道末端鋪設(shè)厚度漸增的可抑壓的材料攔阻越界飛機(jī)的原理，1980年代Tuman[2]提出用類似尼龍網(wǎng)纜索飛機(jī)或運(yùn)動(dòng)器。經(jīng)過(guò)多年技術(shù)發(fā)展，工程材料阻滯系統(tǒng)EMAS（Engineered Material Arresting System）得到完善[34]并已投入實(shí)用。而中國(guó)產(chǎn)的EMAS還處于研究階段[58]未投入實(shí)質(zhì)應(yīng)用。

在EMAS中，阻滯材料是系統(tǒng)的重要組成之一。由于要保障乘員和飛機(jī)的安全，決定了攔阻材料應(yīng)當(dāng)具有很低的密度以致在飛機(jī)沖入時(shí)引起低過(guò)載加速度值，并且各種性能指標(biāo)在環(huán)境影響下具有耐久性。目前阻滯材料有高分子泡沫材料、易碎化復(fù)合材料、泡沫混凝土材料等。在泡沫混凝土性能研究方面，顏雪洲等[9]通過(guò)泡沫混凝土受壓全過(guò)程試驗(yàn)，以及與加氣混凝土對(duì)比，分析研究了泡沫混凝土的力學(xué)性能，給出了泡沫混凝土受壓應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€方程。高波等[10]分析了發(fā)泡混凝土生產(chǎn)中發(fā)泡劑泡沫的穩(wěn)定性，及其對(duì)混凝土性能的影響。熊耀清，姚謙峰[11]對(duì)蒸壓加氣混凝土和泡沫混凝土兩種輕質(zhì)多孔混凝土的基本力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和本構(gòu)模型的理論探討。Ramamurthy等[12]和Kearsley等[1314]根據(jù)泡沫混凝土的基體材料組成進(jìn)行歸類研究，獲得孔隙率與壓縮強(qiáng)度的關(guān)系。周順鄂等[15]對(duì)泡沫混凝土的壓縮特性及其抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

針對(duì)中國(guó)產(chǎn)新開發(fā)的輕質(zhì)泡沫混凝土，本文對(duì)其壓縮力學(xué)行為和變形破壞機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究，并用理論模型對(duì)不同壓頭面積下的擠壓強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，給出描述擠壓壓潰流動(dòng)應(yīng)力的方程。

1材料及試驗(yàn)過(guò)程

1.1材料

該輕質(zhì)泡沫混凝土（Foamed Concrete，簡(jiǎn)稱FC）是按配比將粘土、沙子、水泥、粉煤灰陶粒、高分子材料等和水混合攪拌均勻，倒入泡沫攪拌，同時(shí)加減水劑、促凝劑等制成均勻流漿態(tài)；倒入模具然后放在振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)成型，室溫放置3 d脫模，在90%相對(duì)濕度恒濕箱養(yǎng)護(hù)約1個(gè)月而成。如圖1所示，成型的輕質(zhì)泡沫混凝土是一種閉孔材料，通常泡沫直徑約為1 mm左右，而壁厚h大約0.1 mm，圖1中（c）、（d）圖為ZEISS SUPRA 55掃描電子顯微鏡（SEM）下觀察得的該材料的微觀結(jié)構(gòu)圖，其中，（d）圖為SEM觀察得的孔壁的微觀結(jié)構(gòu)圖。此輕質(zhì)泡沫混凝土材料孔壁除受到壓力和剪力外，主要以承受較大的彎矩載荷為受力特征， 當(dāng)基體材料和孔壁厚度相同時(shí)，泡沫直徑越大，相同外載荷使其孔壁所承受的彎矩也越大，材料抗壓強(qiáng)度降低，這正是低密度大孔徑泡沫材料的受力特點(diǎn)。

1.2EMAS中阻滯材料受力特點(diǎn)

首先分析一下EMAS中阻滯材料的工作原理，見圖2示意圖所示，當(dāng)飛機(jī)機(jī)輪沖向EMAS阻滯材料（EMASFoam），機(jī)輪在水平方向（與機(jī)輪運(yùn)動(dòng)方向相同）具有慣性力，同時(shí)機(jī)輪具有垂直方向飛機(jī)的重力載荷，這2個(gè)外力通過(guò)阻滯材料來(lái)平衡，進(jìn)而在水平方向形成阻滯拖曳力（與機(jī)輪運(yùn)動(dòng)方向相反），具體到機(jī)輪與阻滯材料接觸面任意點(diǎn)，阻滯材料將會(huì)受到壓縮力FN和剪切力FQ（見圖2上部示意），這樣在對(duì)本文的輕質(zhì)泡沫混凝土力學(xué)性能測(cè)試中以研究其壓縮和剪切力為主。

2.1壓縮性能及行為

低應(yīng)變率壓縮試驗(yàn)是在CSS4410電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行的，圖3為密度0.21 g/cm3， 圖3（a）為直徑80 mm，高度40 mm試樣在壓縮時(shí)的載荷位移曲線，圖3（b）由載荷位移得到的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線以及相應(yīng)的變形過(guò)程照片。從圖中可以看出輕質(zhì)泡沫混凝土壓縮應(yīng)力與應(yīng)變曲線具有明顯的3個(gè)區(qū)域：彈性區(qū)EE，平臺(tái)壓潰區(qū)EC和致密區(qū)ED。彈性區(qū)EE很小，此區(qū)常常忽略，當(dāng)外載進(jìn)一步增加，由于壓頭對(duì)材料的橫向約束，靠近上下壓頭區(qū)的材料首先出現(xiàn)壓潰區(qū)并與試樣中間彈性區(qū)形成圖3所示的前驅(qū)界面（driving interface）。繼續(xù)壓縮，壓潰區(qū)增加，即前驅(qū)界面量增加。在平臺(tái)壓潰區(qū)EC中，隨著壓縮加載，試樣在彈性區(qū)出現(xiàn)沿加載方向的開裂。從圖3可以清楚看出，在平臺(tái)壓潰區(qū)EC，應(yīng)力隨壓縮連續(xù)下降，主要原因是，當(dāng)試樣兩端壓潰區(qū)增加時(shí)，實(shí)際上試樣外表面斜削壓潰脫落區(qū)增加（由于試樣外圍無(wú)約束），即承載彈性區(qū)橫截面減小，出現(xiàn)載荷逐漸下降趨勢(shì)。當(dāng)兩端的前驅(qū)界面相遇（往往試樣兩端前驅(qū)界面運(yùn)動(dòng)距離不對(duì)稱），整個(gè)試樣全壓潰，進(jìn)而曲線進(jìn)入到密實(shí)區(qū)ED，壓縮應(yīng)力急劇增加，這和實(shí)際攔阻中壓潰泡沫層形式相同，見圖2中Crushed foam。 在實(shí)際飛機(jī)越界攔阻過(guò)程中，主要通過(guò)平臺(tái)壓潰區(qū)EC變形破壞吸收飛機(jī)運(yùn)動(dòng)沖擊的能量，所以在設(shè)計(jì)或計(jì)算中，主要以EMAS中阻滯材料平臺(tái)壓潰區(qū)EC應(yīng)力應(yīng)變曲線為依據(jù)。

2.2橫向約束下壓縮行為

通過(guò)2.1節(jié)試驗(yàn)看出，在壓縮情況下試樣在接觸壓頭區(qū)域首先出現(xiàn)壓潰區(qū)，連續(xù)加載以壓潰前驅(qū)界面連續(xù)運(yùn)動(dòng)為特征，當(dāng)加載變形到一定程度，在試樣中部彈性區(qū)會(huì)出現(xiàn)沿加載方向的開裂裂紋，材料密度越高出現(xiàn)裂紋階段越早。根據(jù)壓縮加載受力分析，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與試樣橫向約束有關(guān)，考慮到實(shí)際使用中是飛機(jī)機(jī)輪擠壓進(jìn)輕質(zhì)泡沫混凝土的，所以筆者進(jìn)行了不同速度下的擠壓試驗(yàn)。圖8是不同速度下典型的應(yīng)力與擠壓深度比率（擠壓深度與試樣總高度之比）曲線對(duì)照，圖9是在速度為8×10-3 m/s下的擠壓試樣剖切面照片。圖8橫坐標(biāo)為擠壓深度比率，從該圖得出，隨沖擊速度增加，材料的壓潰流動(dòng)應(yīng)力顯著增加。并且從對(duì)應(yīng)的擠壓試樣剖面圖9看出，擠壓變形破壞特征是，壓頭前端堆積的壓潰區(qū)幾何形狀與尺寸隨擠壓深度連續(xù)變化，壓潰區(qū)與材料彈性區(qū)形成的界面運(yùn)動(dòng)是主要變形特點(diǎn)，與圖3到6的無(wú)約束壓縮變形破壞特征不同。

5結(jié)論

輕質(zhì)泡沫混凝土是一種理想的飛機(jī)越界阻滯材料，本文對(duì)該種材料的傳熱特性、不同速度的力學(xué)特性、破壞及變形機(jī)理等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，得出以下結(jié)論：

1）材料的壓縮強(qiáng)度強(qiáng)烈依賴于材料的密度和加載速度，密度越大，加載速度越高，壓縮強(qiáng)度越大。

2）材料從彈性變形、壓潰碎化到壓實(shí)過(guò)程中，以壓實(shí)前驅(qū)界面的形式運(yùn)動(dòng)為主，變形具有顯著的局部失穩(wěn)特性。

3）考慮壓頭面積對(duì)材料擠壓強(qiáng)度的影響提出的理論模型可以較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)該材料在不同壓頭面積下的擠壓強(qiáng)度。

4）根據(jù)材料的擠壓壓潰流動(dòng)應(yīng)力對(duì)速度的敏感性提出的壓潰流動(dòng)應(yīng)力方程可以很好的描述材料的壓潰流動(dòng)應(yīng)力。

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（編輯郭飛）