沖擊荷載下早齡期混凝土力學和損傷特性的試驗研究.pdf

1、混凝土作為應用最廣泛的建筑材料之一，在基礎工程建設中發(fā)揮著重要的作用。隨著實驗設備和實驗手段的改進，人們對混凝土展開了全方位的研究:從宏觀到微觀，從靜載荷到動載荷，從穩(wěn)定齡期到早齡期，從添加劑到鋼纖維等等，在不斷完善對混凝土認識，并促進了混凝土力學特性的改善。然而混凝土從制成到其穩(wěn)定發(fā)揮作用一般需要28天，隨著社會的進步，高效建設已是現(xiàn)代建筑理念的核心，在建設過程中，混凝土在養(yǎng)護期間不可避免會受到外界間斷性甚至是持續(xù)性的影響。在一些大斷

2、面開挖工程中，尤其是隧道和礦山巷道工程施工過程中，鉆爆掘進法仍然是最主要的施工手段。因此，當隧道或巷道存在多個工作面同時進行鉆爆掘進時，對整個隧道或巷道斷面（包括圍巖、初期噴混凝土層和二次襯砌結構）來說，實際上要受到多次爆破的動力擾動作用。且在工程中，為了加快施工進度，經(jīng)常在噴射混凝土之后不久就立即進行爆破開挖，初期支護結構在距離爆源較近的情況下，爆破施工會使結構體產生累積損傷，影響混凝土支護結構的長期強度，使之達不到預期的支護效果。<

3、br>　　縱觀以往混凝土力學研究，主要集中在穩(wěn)定齡期后混凝土力學研究，對于早期混凝土力學研究較少，且局限于靜載條件。爆破等工序的擾動作用不可避免的對早齡期混凝土結構造成損傷，這不僅對工程設計提出了新的要求，例如不同的爆破藥量對不同齡期支護結構造成不同的損傷值，那么設計過程中就應將這一因素考慮進去，確保遭遇外界擾動后混凝土支護結構依舊能滿足工程要求，同時在施工中，對爆破等工序應如何采取措施來防護支護結構也提出了相應的指導，達到科學服務于工

4、程的目的。本文正是基于工程和科研的需要，針對上述情況下混凝土的力學性能展開研究，主要研究內容如下:
　　(1)早齡期混凝土靜載和動載下單軸壓縮試驗表明:靜態(tài)和動態(tài)混凝土的強度與齡期呈對數(shù)關系增長;混凝土是一種應變率敏感性材料，在應變率20～75s-1范圍內，動態(tài)強度提高因子為1.19～2.53，且動態(tài)混凝土強度與應變率呈指數(shù)關系增長，其應變率指數(shù)隨著齡期的增長而迅速降低，直至接近脆性材料應變率指數(shù);靜態(tài)和動態(tài)峰值應變隨齡期的增長整

5、體上呈減小的趨勢，其中動態(tài)峰值應變隨應變率的提高而增大，但其增長幅度隨著齡期增長而變小;動載下混凝土能耗與入射能和應變率都呈線性關系，且變化模式相近，均為在齡期7天以前，混凝土單位體積吸收能對外界沖擊敏感性不高，但隨著齡期的增長快速提高;而在齡期7天以后，隨著齡期的變化，單位體積吸收能受外界沖擊影響不大。
　　(2)50～75％臨界入射能多次沖擊條件下，早齡期混凝土經(jīng)過2～4次沖擊基本上都發(fā)生了不同程度的破壞:齡期7天以前，混凝土

6、具有一定的粘彈性，峰值應變隨著沖擊次數(shù)的增加而減小，抗壓強度和彈性模量隨著沖擊次數(shù)的增加而提高，且多次沖擊中，沖擊入射能越小，提高作用越明顯;隨著齡期的增長，混凝土逐漸顯現(xiàn)準脆性材料的特性，峰值應變隨著沖擊次數(shù)的增加整體變化不明顯，強度和彈性模量隨著沖擊次數(shù)和沖擊入射能的增加雖然有一定的提高，但整體變化不大;多次沖擊破壞時混凝土的累積吸收能隨著沖擊次數(shù)的增加而增加，隨著齡期的增長，每次沖擊的吸收能也隨之增長，與單次沖擊破壞所需的能量相比

7、，早齡期混凝土破壞累積吸收能受沖擊次數(shù)影響不大。
　　(3)沖擊條件下混凝土的破壞模式實質上均為拉伸破壞，破壞模式整體受齡期影響較小，其中多次沖擊下混凝土的破壞形態(tài)隨齡期的變化整體上是由存在大塊到大塊度碎裂再到存在大塊的一個過程，與齡期7天以“碎”而不裂的大塊不同，齡期28天混凝土大塊布滿裂紋，整體上已經(jīng)碎裂。
　　(4)早期沖擊養(yǎng)護模式下，混凝土的力學特性主要受到?jīng)_擊作用和養(yǎng)護作用共同影響。齡期7天以前，當外界入射能不超過

8、各齡期臨界入射能的75％時，沖擊養(yǎng)護后，混凝土表現(xiàn)出受沖擊壓實的作用。其中在早期單齡期沖擊條件下，在各自50％臨界入射能沖擊后養(yǎng)護達到穩(wěn)定齡期后破壞所需的能量影響并不大，而當沖擊入射能達到或是超過臨界入射能達到75％時，早期沖擊作用對試樣達到穩(wěn)定齡期后抵抗外界入射能力具有明顯的降低作用;齡期7天以后，隨著混凝土脆性特性逐漸顯現(xiàn)，沖擊壓實作用和養(yǎng)護作用減弱;在50％臨界入射能沖擊條件下早期單齡期沖擊對混凝土力學特性影響不大，達到或超過75

9、％后會明顯弱化試樣達到穩(wěn)定齡期后抵抗外界入射能力。而早期多齡期沖擊條件下，齡期7天以后的沖擊過程中容易產生裂紋，導致混凝土各方面力學性能有所下降，且隨著沖擊入射能的增大下降越明顯。除了在齡期3天以前破壞時兩者的單位體積吸收能相近外，隨著齡期的變化，單位體積吸收能與齡期呈不同模式變化;多齡期沖擊破壞累積單位體積吸收能遠遠大于單次沖擊破壞單位體積吸收能，但在多齡期持續(xù)沖擊后，混凝土在后期沖擊破壞時單位體積吸收能遠小于單次沖擊破壞的單位體積吸

10、收能，下降了近50％。
　　(5)根據(jù)早期混凝土力學特性隨齡期存在由有粘彈性向脆性轉變這一特性，將齡期變量引入Weibull分布統(tǒng)計損傷模型中，結合基于Kelvin模型改進的巖石時效損傷模型，提出了能反映混凝土材料力學性能隨齡期變化的本構模型，并通過模型曲線和實測曲線的對比對模型進行了驗證。結果表明該模型能較好的反映出混凝土在沖擊荷載作用下其力學特性隨齡期變化的規(guī)律。
　　(6)采用基于齡期的損傷本構模型對不同沖擊條件下早齡