復合結構混凝土動力學特征及變形破壞機制

李 玲，錢學登，王 科

（1.湖北科技學院 資源環(huán)境科學與工程學院，湖北 咸寧437100；2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116）

隨著煤礦淺部資源日益枯竭，煤礦開采逐步由淺部向深部發(fā)展，深部煤炭賦存條件日益復雜，我國許多礦區(qū)都出現了用傳統巷道支護方法難以控制沖擊地壓巷道的支護難題，沖擊地壓巷道支護已經成為目前深部煤炭資源開發(fā)亟待解決的技術難題[1-3]。針對沖擊地壓巷道圍巖控制，我國學者提出了多種控制手段，錨桿支護[4]作為一種常用的支護手段已經被廣泛用于沖擊地壓巷道中，然而錨桿支護的沖擊地壓巷道在受到沖擊載荷時，容易出現大量的錨桿、錨索破斷或錨固端失效問題，嚴重影響了其在沖擊地壓巷道中的安全使用。潘一山[1，5]教授采用實驗手段，研究了沖擊載荷下支護體與圍巖之間的相互作用關系，提出了采用高支護剛度和快速吸能讓壓來控制沖擊地壓巷道。鞠文君[6]針對沖擊地壓巷道支護技術，提出了巷道能量校核設計法。上述研究成果為進一步解決沖擊地壓巷道圍巖控制提供了基礎。

目前，現場為解決沖擊地壓巷道支護問題，通常采用復合支護方式，第一級支護采用錨桿、錨索對巷道圍巖進行初次支護，然后再架設U型棚進行二次支護，U型棚與錨桿支護間充填木板、矸石或混凝土等進行填充，從而實現二級支護的協同控制沖擊地壓。然而錨桿支護和U型棚間充填的材料難以實現二級支護的協同作用，主要是由于填充材料力學特性不能滿足2種支護結構的力學性能。充填木材或混凝土時，充填材料脆性強，延性差，容易破壞。所以探索一種即能在靜載作用下提供高的強度，又能在沖擊載荷下進行延性吸能是解決該問題的關鍵。

在混凝土動態(tài)力學性能研究方面，是由國外學者等[7-9]最先提出的，至今已有很多研究成果。胡時勝等[10-11]利用自行研發(fā)的變截面SHPB裝置進行了混凝土動態(tài)力學性能試驗，得出了其高應變率的敏感性遠大于低應變率（準靜態(tài)試驗）的敏感性；劉海峰等[12]采用數值模擬的方法對混凝土動態(tài)力學特性進行了研究，得出混凝土峰值應力隨著沖擊速度增大而增大，是一種率敏感材料，骨料粒徑對混凝土動態(tài)力學特性有較大影響。聶良學[13]利用φ100 mmSHPB分離式霍普金森壓桿裝置研究了不同溫度及加載速率下混凝土沖擊變形韌性。趙慶新[14]對纖維增韌混凝土的沖擊性能進行了研究，纖維的加入有效提高了混凝土對沖擊能量的吸收。雖已有諸多對混凝土力學性能研究成果，但大多集中于對單一混凝土動態(tài)力學性能的研究，而對復合結構混凝土受沖擊荷載作用的動力學特征及變形破壞機制研究相對較少。針對上述問題，利用SHPB桿技術對復合結構混凝土在沖擊荷載作用下動態(tài)力學性能進行研究，通過研究復合混凝土的動態(tài)力學特性，力求為深部沖擊地壓巷道圍巖控制提供一定的參考。

1 SHPB試驗簡介

1.1 試樣制作

復合結構混凝土由2種材料組合而成，試樣1由C30混凝土制成，試樣2由泡沫混凝土制成。2種試樣長度均為25 mm，直徑均為75 mm。實測的試件C30和450型泡沫混凝土的性能參數見表1。

表1 實驗材料參數

1.2 SHPB實驗系統

霍普金森裝置（簡稱SHPB裝置）主要包括撞擊桿、子彈、輸入桿和輸出桿，具體系統圖及原理圖如圖1和圖2，圖2中εi為入射波應變；εr為反射波應變；εt為透射波應變；L為試件長度。子彈、輸入桿和輸出桿直徑均為75 mm，而子彈長度400 mm，輸入桿和輸出桿長度均為2 000 mm，其鋼材彈性模量均為200 GPa，其中測試沖擊應變的應變片分別放置在輸入桿和輸出桿的中間位置。

霍普金森試驗裝置的測試原理基于應力波理論，該理論假定在桿體傳播的應力波保持平面狀態(tài)，且試件中的應力都是相同的。基于上述假定，得出應力-應變的簡化公式：

圖1 SHPB實驗系統

圖2 SHPB實驗原理

式中：C0為應力波在桿體中傳播的波速，5 060 m/s；E0為鋼質桿體彈性模量，200 GPa；A0為試件橫截面積，m2；L 為試件的長度，m；ε（t˙）為試樣應變率；ε（t）為試樣應變；σ（t）為試樣應力，MPa；εr（t）為反射波應變；εt（t）為透射波應變。

由于實驗子彈的沖擊控制速度是由高壓氣體提供，子彈的沖擊速率很難控制在某一指定數值，本文選擇的沖擊速率范圍為1.500~5.000 m/s之間。

2 復合結構混凝土動力學性能研究

2.1 復合結構混凝土變形破壞形態(tài)

子彈的速度是通過調節(jié)動力系統的氣體壓力來實現的，通過改變不同氣壓，達到控制子彈速度，從而控制復合結構混凝土的破壞程度。試樣破壞情況見表2。

復合混凝土部分試件破壞形態(tài)如圖3。從試樣的破壞形態(tài)來看，當沖擊速度位于1.593～2.585 m/s之間時，C30普通混凝土保持完整，而泡沫混凝土破壞形態(tài)逐步從開裂直至完全破碎。當沖擊速度超過3.102 m/s時，C30混凝土也逐漸由破碎變成粉碎，同時泡沫混凝土破壞更加嚴重，呈現粉碎性破壞。

表2 不同子彈速度下試件破壞情況

圖3 復合混凝土部分試件破壞形態(tài)

2.2 復合結構混凝土應力衰減規(guī)律研究

基于復合結構試樣沖擊動力學理論，可以計算出泡沫混凝土左端面應力峰值、右端面應力峰值、左、右端面應力峰值比等參數，雖然子彈的沖擊速度不同，但沖擊波經過復合結構混凝土后應力都得到了大幅度衰減，不同沖擊速度下試樣左側和右側的應力峰值見表3。

從表3可以看出，試樣2左側的應力峰值與入射應力波的應力峰值基本相同，也就是說，應力波穿透試樣1后衰減很小，僅衰減了5%～10%。

泡沫混凝土左右端面應力峰值與速度的關系如圖4。從圖4可以看出，沖擊速度增大時，試樣2左側應力峰值增加速度比較快，基本達到其右側應力峰值的5倍。也就是說，當沖擊速度增加時，試樣2右側的應力峰值沒有等比例增加，應力增長幅度比較小。泡沫混凝土左右端面應力峰值比與速度的關系如圖5。從圖5可以看出，泡沫混凝土右側應力峰值基本都在左側應力峰值的1/5，這說明試樣2對應力波有很好的衰減作用。

表3 泡沫混凝土應力峰值統計表

圖4 泡沫混凝土左右端面應力峰值與速度的關系

圖5 泡沫混凝土左右端面應力峰值比與速度的關系

試件應力達到峰值時間與速度的關系如圖6。從圖6可以看出，隨著沖擊速度的增大，試樣達到應力峰值的時間變短，時間基本與沖擊速度呈線性關系，這也進一步表明，沖擊速度越快，泡沫混凝土破壞越快。

2.3 復合結構混凝土整體動量變化分析

圖6 試件應力達到峰值時間與速度的關系

假設將輸入桿和復合結構混凝土作為1個整體進行動量分析。將輸出桿的動量Iout和時間的變形關系作為反映復合結構混凝土的力學行為，比值表示復合結構混凝土和單一介質在試驗過程中對動量的衰減的不同。

輸出桿的動量Iout根據上述試驗結果得到。子彈初始沖量Iin由子彈的初速度得到。單層介質和復合結構的動量試驗數據均由相同實驗裝置得到，二者的實驗設備相同，試件來源相同，并且組合介質和單層介質的長度相同，都為0.025 m。

復合結構與單層介質在相同實驗裝置、相同沖擊速度下的動量隨時間變化的對比圖如圖7和圖8。

圖7 v=1.897 m/s時單層介質與復合結構輸出動量對比

圖8 v＝1.444 m/s時單層介質與復合結構輸出動量對比

復合結構會極大的衰減子彈的沖擊動量，試樣2兩側的應力幅度差別很大。從沖擊應力波的時程曲線可以看出，強度較低的軟材料改變了復合結構的動載受力情況，包括作用時間、應力幅值、系統動量分配等參數。

對應力波傳播有較大影響的是復合結構中的軟材料。當入射波通過軟材料時，軟材料會對入射波進行波幅衰減、作用時間延長，同時吸收入射波能量。入射波的作用時間除了與復合結構中材料屬性有關，還與介質厚度、材料波阻抗、入射波波長等參數有關，通過實驗可以看出，波幅和作用時間是影響復合結構吸能減沖的主要因素。

2.4 復合結構混凝土與單一混凝土動態(tài)性能比較

分別對C30混凝土或450泡沫混凝土進行動態(tài)力學特性的測試。取試件長度50 mm，與復合混凝土試件的總長度相同。輸入桿與輸出桿采用鋼桿（對于C30混凝土）或鋁桿（對于泡沫混凝土）。實驗中，子彈速度為v＝2.8 m/s。取子彈速度為2.968 m/s時的復合混凝土的等效本構曲線與單一介質的本構關系進行對比（圖9）。

圖9 單一試件與分層試件本構曲線

從圖9可知，在沖擊速度為2.9 m/s時，復合結構混凝土的動態(tài)等效彈性模量為12.9 GPa，C30混凝土為21.32 GPa，450泡沫混凝土為3.1 GPa?？梢钥闯觯瑥秃辖Y構的動態(tài)彈性模量基本是2種單一介質動態(tài)彈性模量的平均值。

泡沫混凝土的破壞應力值較小，但其破壞時的應變很大，達到4 000×10-6。這主要是由于泡沫混凝土內部有很多氣孔，材料孔隙率大，氣孔直徑大于孔壁厚度，在受到沖擊波作用時，大量的氣孔在坍塌破壞過程中吸收大量的能量，沖擊波的能量主要耗散在氣孔坍塌的塑性變形上，在外在表現為強度較低，而變形較大，尤其具有很大的極限變形能力。這說明了微觀結構是導致宏觀力學特性不同的根本原因。所以，當泡沫結構用于復合結構中時，可以很好的吸收應力波的能量，大大降低應力波的峰值強度。復合結構本構關系中，軟材料的試件2的吸能作用，很好的保護了硬材料的試件1。

從復合結構的應力-應變曲線來看，復合結構表現出大的塑性變形能力，隨著應力和應變的增大，動態(tài)彈性模量降低，而單一介質則表現為很大的脆性性質。

3 結論

1）從試樣的破壞形態(tài)來看，當沖擊速度較低時，C30普通混凝土保持完整，而泡沫混凝土破壞形態(tài)逐步從開裂直至完全破碎。當沖擊速度超過3.102 m/s時，C30混凝土也逐漸由破碎變成粉碎，同時泡沫混凝土破壞更加嚴重，呈現粉碎性破壞。

2）由泡沫混凝土左、右兩側應力－時間變化，得出泡沫混凝土的厚度為0.025 m時，應力衰減為原來的1/5。并且左端面應力隨速度增加的程度為右端面的5倍，說明復合結構具有很好的抗高速沖擊和削波作用。

3）將帶過渡段的入射桿與復合結構作為1個整體，通過分析動量變化關系，得出復合結構應力衰減主要取決于軟材料試件2的性質。通過計算復合結構近似等效本構關系，得出復合結構試件整體上表現為較大的塑性性質和應變率相關性。