基于SHPB 混凝土的沖擊試驗研究

徐成

安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院 安徽淮南 232001

隨著社會的不斷發(fā)展，混凝土被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)中，成為使用最廣泛的土木工程材料，就目前看來，世界各國學(xué)者對于研究混凝土靜態(tài)力學(xué)性能的試驗成果較多，相反混凝土的動態(tài)力學(xué)性能研究較少，特別是混凝土在高應(yīng)變率情況下的性能研究少之又少。近20 年來，通過大量的試驗證明：霍普金森壓桿裝置（SHPB）能較好的模擬材料所受到的沖擊動載，且在混凝土動態(tài)力學(xué)特性研究方面運用越來越廣泛。

1 SHPB 壓桿裝置原理

SHPB 壓桿裝置由撞擊桿、入射桿、透射桿、測試及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等設(shè)備組成。應(yīng)變片貼在入射桿與透射桿上，并將試件放入兩桿之間。當(dāng)撞擊桿被加速到一定的撞擊速度時，以此速度撞擊入射桿，產(chǎn)生一個入射彈性壓力脈沖。當(dāng)最開始的壓力脈沖經(jīng)撞擊桿反射成拉力脈沖并回到撞擊面時在入射桿中產(chǎn)生了入射應(yīng)力波。當(dāng)入射應(yīng)力波到達試件時，一部分因為出現(xiàn)桿和試樣橫截面積不相同等情況而反射回入射桿形成反射應(yīng)力波，另一部分穿透試樣到達透射桿形成透射應(yīng)力波。利用入射桿和透射桿上的應(yīng)變片記錄下入射波、反射波和透射波的信號，由數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收并處理應(yīng)力波信號。

2 混凝土動態(tài)力學(xué)性能

2.1 混凝土沖擊壓縮性能

蘇駿等[1]利用SHPB 壓桿裝置（直徑74mm）對纖維混凝土在不同應(yīng)變率下進行沖擊壓縮試驗，獲得了應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系。試驗結(jié)果得出：隨著應(yīng)變率的逐漸增加，在沖擊荷載的作用下，纖維混凝土的破壞應(yīng)力、峰值應(yīng)變等都呈現(xiàn)增大的趨勢。

2.2 混凝土的沖擊劈拉性能

Joseph W Tedesco 利用SHPB 壓桿裝置（直徑51mm）對尺寸為Φ51mm×51mm 的混凝土進行沖擊劈拉試驗，為了更好地在沖擊過程中看出試件的變形與開裂現(xiàn)象，還運用了超高速數(shù)字?jǐn)z影機（1000000 張/秒）。并認(rèn)為：混凝土的抗拉強度在應(yīng)變率超過1/s 時表現(xiàn)出了比較顯明的應(yīng)變率效應(yīng)。

2.3 混凝土的強度

姜錫全利用SHPB 壓桿裝置（直徑37mm）對尼龍纖維增強細粒混凝土與鋼纖維進行了沖擊壓縮試驗，得出：當(dāng)應(yīng)變率在6-76/s 范圍內(nèi)，在應(yīng)變率相同情況下，尼龍纖維增強混凝土的強度和鋼纖維與普通混凝土的強度幾乎一致。

丁國博等利用SHPB 壓桿裝置（直徑100mm），對養(yǎng)護齡期分別為12h.24h 和36h 的早強聚苯乙烯混凝土進行沖擊壓縮試驗，并與養(yǎng)護齡期為28d 的聚苯乙烯混凝土結(jié)果進行了對比。結(jié)果表明：隨著應(yīng)變率的增加，養(yǎng)護齡期為36h.28d 的混凝土，其沖擊壓縮強度也增大；隨著應(yīng)變率的增加，養(yǎng)護齡期為12h.24h 的混凝土，其沖擊壓縮強度變化不顯明。

2.4 混凝土的彈性模量

嚴(yán)少華、錢七虎等對摻入鋼纖維的高強混凝土進行了沖擊壓縮試驗研究得出：應(yīng)變率及鋼纖維含量對鋼纖維增強混凝土的彈性模量影響較大，而當(dāng)應(yīng)變率和鋼纖維含量變化時，峰值應(yīng)變變化較小。

劉俊良、許金余、任韋波[2]等利用SHPB 壓桿裝置（直徑100mm），研究了高強混凝土在不同應(yīng)變率下的動態(tài)力學(xué)性能。隨著應(yīng)變率的增大，高強混凝土的彈性模量并未出現(xiàn)比較明顯的變化趨勢。高強混凝土動彈性模量呈現(xiàn)較大態(tài)勢，峰值應(yīng)變呈現(xiàn)較小態(tài)勢，變形的能力有所降低。

3 SHPB 壓桿裝置存在的問題

3.1 大尺寸桿彌散效應(yīng)

目前世界各國都在努力興建大尺寸SHPB 壓桿裝置。比如歐美等國已先后建成直徑l00mm 和200m 的SHPB 壓桿裝置，國內(nèi)比如廣州大學(xué)也建成了一套直徑100mm 的SHPB 壓桿裝置。但這些大直徑的SHPB 壓桿裝置挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)基于一維假定與均勻假定的SHPB 試驗技術(shù)，分析表明：當(dāng)矩形波加載時，滿足內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變均勻化假定，根據(jù)一維假定，任意一個應(yīng)力波脈沖在壓桿傳播速度為定值，僅與材料性質(zhì)有關(guān)，但是這一假定卻忽略了壓桿的橫向收縮對動能的作用。這種假設(shè)對于小尺寸的SHPB 壓桿裝置來說誤差不算大，但是對于大直徑SHPB 壓桿裝置來說，因為尺寸大，所以產(chǎn)生的彌散效應(yīng)也大，所以不容忽視。

3.2 試件應(yīng)力不均勻問題

因為每個SHPB 壓桿的材料和每個試件的材料不同，從而聲阻抗也不同，要想試件的應(yīng)力狀態(tài)均勻，波在試件內(nèi)必須經(jīng)過二三個來回才可以實現(xiàn)應(yīng)力狀態(tài)均勻。在SHPB 試驗中，當(dāng)沖擊荷載較大、作用時間較短時，往往波還未經(jīng)歷一個來回，試件就可能已經(jīng)遭到破壞，這樣的話，試件很難滿足應(yīng)力均勻性。

3.3 端面摩擦效應(yīng)問題

想要確保實驗精度，端面摩擦效應(yīng)一定得考慮并解決。近來年，學(xué)者們在做SHPB 試驗過程中，初步認(rèn)為，SHPB 實驗中端面摩擦效應(yīng)的大小與材料力學(xué)性能、摩擦機理及破壞機制有關(guān)，而且在SHPB 試驗中，試件長徑比小的材料比長徑比大的材料的端面摩擦效應(yīng)更明顯[3]。

4 解決措施

（1）①適當(dāng)?shù)販p小壓桿的直徑可以減小彌散效應(yīng)對實驗的影響，但是此方法并不適合研究巖石類材料，所以需要合理地設(shè)計試件的尺寸。②選擇合理的加載波形來減小或消除彌散效應(yīng)的影響，在入射桿端加波形整形器達到減少彌散效應(yīng)的效果。③可以在入射桿打擊端粘上一層A4 紙也能達到減少彌散效應(yīng)的效果。

（2）在SHPB 試驗時，適當(dāng)?shù)乜刂茮_擊荷載的大小，然后確保荷載的作用時間長一點，從而可以滿足試件的應(yīng)力均勻性以提高沖擊試驗的精度。此外，還有一種能消除試件的應(yīng)力不均勻的方法就是在桿的短頭端加一個萬向頭。

（3）對于SHPB 試驗中，為盡可能的減小或消除端面的摩擦效應(yīng)對試驗的影響，可以在接觸面上涂抹凡士林等潤滑劑用來保證試件兩端與壓桿端部完全緊貼，從而減小桿件斷面的摩擦效應(yīng)與接觸面不平的情況對試驗精度帶來不好的影響。