落錘沖擊荷載作用下蒸壓加氣混凝土的緩沖性能試驗(yàn)研究

周 耀， 俞 斌， 郭全全， 馬 英

(1. 北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191；2. 中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840)

“華龍一號(hào)”核電技術(shù)是由中國(guó)兩大核電企業(yè)中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司(簡(jiǎn)稱：中核、CNNC) 和中國(guó)廣核集團(tuán)(簡(jiǎn)稱：中廣核、CGN)共同研發(fā)的具有中國(guó)完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)第三代核電技術(shù)?！叭A龍一號(hào)”核電技術(shù)被用于福建省福清核電站5號(hào)、6號(hào)機(jī)組。并出口巴基斯坦和英國(guó)。根據(jù)“華龍一號(hào)”堆型核電站的工藝布置，燃料廠房中的乏燃料容器運(yùn)輸過(guò)程中，要考慮其可能發(fā)生的墜落事故。可能墜落地點(diǎn)為設(shè)備裝卸口、清洗井和裝載井，相應(yīng)墜落高度為：設(shè)備裝卸口約17 m，容器清洗井約6.2 m，裝載井約13.5 m?；谏鲜鍪鹿使r下的安全要求，需在墜落相應(yīng)位置采取緩沖措施消耗沖擊能量，保證在墜落事故發(fā)生后底(樓)板及容器的完整性，同時(shí)要保證墜落點(diǎn)鄰近的乏燃料水池的安全性。

提高結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的方式分為兩類：一類是通過(guò)采用高強(qiáng)度的材料直接提升結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能；一類是通過(guò)設(shè)置緩沖層吸收沖擊能量，減小結(jié)構(gòu)所受的沖擊荷載，間接提高結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。Wang等[1]、任曉虎等[2-3]進(jìn)行鋼管混凝土的梁和柱落錘沖擊試驗(yàn)研究，王璞等[4]、Zhang等[5-6]在混凝土中摻入碳纖維、鋼纖維等材料，研究表明這些方法有效提高了結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。而以設(shè)置緩沖層的方式提升結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的研究相對(duì)較少，日本學(xué)者Kozo等[7]將火山浮石為骨料的輕質(zhì)混凝土作為大壩的緩沖層，以保證泥石流沖擊情況下大壩的安全。研究表明，輕質(zhì)混凝土緩沖層能減小41%結(jié)構(gòu)所受的沖擊力。

緩沖層的抗沖擊性能受緩沖層材料、厚度、沖擊能量等多方面因素的影響，目前有較多關(guān)于緩沖層材料對(duì)其抗沖擊性能影響的研究。王洪欣等[8]研究了金屬面夾芯板在落錘沖擊下的動(dòng)力性能及破壞情況。Dey等[9]用落錘沖擊裝置研究了纖維增強(qiáng)加氣混凝土(Fiber-Reinforced Aerated Concrete, FRAC)的低速?gòu)澢鷽_擊響應(yīng)，并與蒸壓加氣混凝土(Autoclaved Aerated Concrete, AAC)作了比較。而緩沖層抗沖擊性能與厚度、沖擊能量的關(guān)系，目前還缺少系統(tǒng)的研究。事實(shí)上，緩沖層厚度對(duì)緩沖層的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。若厚度過(guò)小，其抗沖擊性能達(dá)不到要求；若厚度過(guò)大，不僅浪費(fèi)材料，還會(huì)占用較大的使用空間。因此，研究緩沖層厚度對(duì)其抗沖擊性能的影響是很有必要。

以AAC材料為研究對(duì)象，利用落錘沖擊試驗(yàn)裝置，研究了AAC厚度和沖擊能量對(duì)抗沖擊性能的影響，為緩沖層的最佳厚度的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 靜力性能試驗(yàn)

試驗(yàn)采用干密度等級(jí)為B04的AAC試件，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《蒸壓加氣混凝土砌塊標(biāo)準(zhǔn)》GB 11968—2006，取3個(gè)尺寸為100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，對(duì)其干密度和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)。試件的抗壓強(qiáng)度的測(cè)試在液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)WAW-1000B上進(jìn)行，如圖1所示，試驗(yàn)所得的干密度與抗壓強(qiáng)度的均值如表1所示。

圖1 靜力試驗(yàn)裝置Fig.1 Static test device

試驗(yàn)材料干密度/(kg·m-3)抗壓強(qiáng)度/MPaB04 AAC3933.0

1.2 抗沖擊性能試驗(yàn)

抗沖擊性能試驗(yàn)試驗(yàn)選用的B04 AAC試件的平面尺寸為150 mm×150 mm。根據(jù)試驗(yàn)時(shí)沖擊能量和試件厚度的不同，將AAC試件分為20組。每組設(shè)置6個(gè)平行試件，共120個(gè)試件，試件分組見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)分組Tab.2 Test groups

沖擊試驗(yàn)在XJL-300B型雙管式導(dǎo)向落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，落錘質(zhì)量為10 kg，錘頭直徑5 mm，見(jiàn)圖2(a)和圖2(b)。量程為10 t的傳感器與兩塊鋼板用螺栓固定，試件放置于上鋼板上，四周由固定角鋼圍護(hù)，角鋼與試件的邊緣相距5 mm，見(jiàn)圖2(c)和圖2(d)。下鋼板則固定于落錘試驗(yàn)機(jī)底板上。

圖2 沖擊試驗(yàn)裝置Fig.2 Impact test device

試驗(yàn)時(shí)，放置好試件，將落錘升至預(yù)定高度并釋放，使其做自由落體運(yùn)動(dòng)，用傳感器記錄碰撞過(guò)程中的沖擊力。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 沖擊力最大值

由傳感器記錄的沖擊力時(shí)程曲線可以得到每次試驗(yàn)的沖擊力最大值，對(duì)每組6個(gè)試件的沖擊力最大值取平均數(shù)，得到如表3所示的結(jié)果。圖3為各落距條件下AAC試件沖擊力最大值隨厚度的變化關(guān)系曲線?？梢?jiàn)在沖擊能量相同時(shí)，隨著試件厚度的增大，AAC試件的沖擊力最大值總體上是先減小后增大的。

表3 各組沖擊力最大值Tab.3 Maximum impact force of each group

圖3 沖擊力最大值隨厚度變化關(guān)系曲線Fig.3 Relationship cuves of maximum impact force and thickness

2.2 削峰率

為了更加直觀的表示AAC試件在落錘沖擊荷載作用下的緩沖性能，Kozo等引入了削峰率的概念，定義削峰率為

(1)

式中：F1為未布置AAC材料情況下傳感器測(cè)得的沖擊力最大值；F2為相同條件下布置了AAC材料情況下傳感器測(cè)得的沖擊力最大值。削峰率可以表示由于AAC材料的布置導(dǎo)致的沖擊力最大值的削弱程度，削峰率越大則緩沖效果越好。

在不布置AAC試件的情況下，測(cè)得了4個(gè)落距條件下的沖擊力最大值F1，由此計(jì)算出各組試件的削峰率，如表4所示。圖4為削峰率隨厚度的變化關(guān)系曲線?？梢钥闯?，在沖擊能量相同時(shí)，隨著試件厚度的增大，削峰率總體上是先增大后減小的。

表4 各組試件的削峰率Tab.4 Reduction ratio of each group

圖4 削峰率隨厚度的變化關(guān)系曲線Fig.4 Relationship cuve of reduction ratio and thickness

通過(guò)以上幾點(diǎn)的分析，可以得到在一定的沖擊能量下，AAC材料的緩沖效果與其布置的厚度有較大的關(guān)系，厚度較大或者較小時(shí)其緩沖效果均不好。因此一定存在一個(gè)最佳厚度，使得AAC材料的緩沖效果最好。

2.3 沖擊力最大值的公式擬合

為計(jì)算最佳厚度，需要得出在布置了AAC材料情況下的沖擊力最大值F2的計(jì)算公式。在計(jì)算削峰率時(shí)，得到了未布置AAC情況下傳感器測(cè)得的沖擊力最大值F1，經(jīng)計(jì)算F1與落距的平方根(或碰撞時(shí)速度)有著高度的線性關(guān)系。

由此關(guān)系可以得出F1的計(jì)算公式。為使公式更具有一般性，考慮到邊界條件h=0時(shí)，F(xiàn)1應(yīng)為落錘的重力，于是得到

(2)

式中：F1單位為N；h為落距，m；m為落錘質(zhì)量，kg；g=9.8 m/s2。

式(2)的擬合優(yōu)度R2=0.979 5。公式計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差見(jiàn)表5?？梢钥闯鍪?2)與試驗(yàn)吻合良好。

表5 式(2)的相對(duì)誤差Tab.5 Relative error of formula (2)

F2可以看作是F1由于布置了AAC材料后減少了ΔF。計(jì)算各組試件的ΔF，其隨厚度的變化規(guī)律見(jiàn)圖5?？梢钥闯觯和落距和試件的厚度有關(guān)。當(dāng)落距一定時(shí)，ΔF隨厚度是先增大后減小的；而試件厚度一定時(shí)，ΔF隨著落距增大。并且可以得到，ΔF非負(fù)，當(dāng)厚度或者落距為零時(shí)，ΔF為零。

圖5 ΔF隨厚度的變化關(guān)系曲線Fig.5 Relationship cuves of ΔF and thickness

根據(jù)ΔF的規(guī)律，假定ΔF關(guān)于厚度d與落距h的表達(dá)式為

(3)

式中：k1，k2為待定系數(shù)。式(3)和之后的公式中，力的單位均為N，厚度與落距的單位均為m。

F2可以表示為

(4)

用式(4)對(duì)本次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合， 得出k1=941.29，k2=1.905×10-3， 擬合優(yōu)度R2=0.848 2。即

(5)

用式(5)可以得到各個(gè)落距條件下的沖擊力最大值和厚度的關(guān)系曲線，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果作對(duì)比，得到圖6所示的結(jié)果?？梢?jiàn)公式與試驗(yàn)結(jié)果符合得較好。

圖6 公式計(jì)算與試驗(yàn)的沖擊力最大值對(duì)比Fig.6 Maximum impact force comparison of formula calculating and experimental results

2.4 最佳厚度的計(jì)算方法

在確定了F2的計(jì)算方法之后，在落距h一定的情況下，計(jì)算F2的極小值點(diǎn)，可以得到最佳厚度的表達(dá)式

(6)

用式(6)計(jì)算了各落距下AAC材料的最佳厚度，并用式(5)計(jì)算了最大沖擊力，得到表6所示的結(jié)果。將計(jì)算所得的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示，圖中標(biāo)記的點(diǎn)表示各個(gè)落距下計(jì)算所得最佳厚度?？梢?jiàn)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。

表6 最佳厚度的計(jì)算結(jié)果Tab.6 The optimum thickness calculating results

圖7 最佳厚度計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.7 The optimum thickness of formula calculating and experimental results

3 破壞機(jī)理分析

3.1 破壞形態(tài)

各組AAC試件沖擊后的破壞形態(tài)主要有兩種：劈裂和凹陷，如圖8所示，圖中的數(shù)值表示AAC試件的厚度。試件在自身厚度較小時(shí)，沖擊后會(huì)劈裂成較多碎塊，隨著厚度的增大，其裂紋、碎塊數(shù)逐漸減少，并且在厚度足夠大時(shí)，沖擊后試件表面只會(huì)產(chǎn)生凹陷，而不會(huì)產(chǎn)生劈裂。并且厚度一定情況下，在沖擊能量較大時(shí)，試件更容易產(chǎn)生劈裂。

圖8 各組AAC試件破壞形態(tài)Fig.8 Destruction pattern of AAC specimens in each group

3.2 耗能機(jī)理

沖擊之后，試件呈現(xiàn)出劈裂和表面凹陷的破壞形態(tài)，這兩種破壞形態(tài)也是AAC材料耗能的主要方式。在沖擊過(guò)程中，沖擊力克服AAC材料內(nèi)部的化學(xué)鍵做功，發(fā)生的主要能量變化是沖擊動(dòng)能轉(zhuǎn)化為AAC材料表面能，沖擊后新生成的表面積越大，沖擊能量轉(zhuǎn)化的就越多，緩沖效果越好，沖擊力最大值也越小。

各個(gè)厚度的試件表面都產(chǎn)生了凹陷，而各個(gè)厚度AAC試件表面凹陷增加的表面積差別不大，但其劈裂破壞的程度差別較大，新生成的表面積差別較大。

在AAC材料厚度較小時(shí)，其沖擊后劈裂的裂縫數(shù)較多，但因?yàn)楹穸容^小，增加的表面積不大。隨著AAC材料厚度增大，沖擊后其劈裂的裂縫數(shù)逐漸減少，但由于厚度逐漸增大，新增表面積是先增大后減小的。在AAC材料的厚度足夠大時(shí)，就不會(huì)產(chǎn)生劈裂破壞，但微觀上其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微裂縫，并且可以推定厚度越大微裂縫越少，新增表面積越小。綜上所述，隨著厚度的增大，沖擊能量轉(zhuǎn)化的表面能先增大后減小，即AAC材料消耗的沖擊能量先增大后減小，所以最大沖擊力隨厚度先減小后增大。

在實(shí)際工程中，沖擊速度和沖擊能量都會(huì)比本試驗(yàn)大很多，但是AAC材料通過(guò)破碎增加表面能的耗能方式不會(huì)變。在設(shè)計(jì)緩沖層的厚度時(shí)，應(yīng)該考慮使沖擊后緩沖層的新增表面積達(dá)到最大，以盡可能的吸收沖擊能量，達(dá)到較好的緩沖效果。

4 結(jié) 論

(1) 在沖擊能量一定的情況下，AAC材料的沖擊力最大值隨著厚度的增大先減后增，其緩沖效果在厚度較大或較小時(shí)都不好。因而存在一個(gè)最佳厚度，在該厚度下材料的緩沖效果為最好。

(2) 未布置AAC材料情況下的沖擊力最大值與落距的平方根(或碰撞時(shí)速度)有較好的線性關(guān)系。由此關(guān)系得出了布置AAC材料情況下沖擊力最大值與厚度和落距的關(guān)系式，并推算出了最佳厚度的表達(dá)式。

(3) 沖擊后AAC材料的破壞形態(tài)為劈裂破壞和表面凹陷。劈裂破壞的嚴(yán)重程度與沖擊能量和試件厚度有關(guān)，沖擊能量越大，試件厚度越小，破壞越嚴(yán)重。試件厚度足夠大時(shí)，沖擊后試件不會(huì)被劈裂，試件表面會(huì)出現(xiàn)凹陷。

(4) AAC材料在沖擊過(guò)程中，將沖擊動(dòng)能轉(zhuǎn)化為自身的表面能，新增表面積越大，轉(zhuǎn)化的沖擊動(dòng)能越多，緩沖效果越好。