上土下岩地层中柱面SH波的传播特性分析.pdf
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1、工程爆破 E N G I N E E R I N GB L A S T I N G 2 0 2 3年8月第2 9卷第4期E n g i n e e r i n gB l a s t i n g工程爆破,2 0 2 3,2 9(4):1 0-1 7文章编号:1 0 0 6-7 0 5 1(2 0 2 3)0 4-0 0 1 0-0 8收稿日期:2 0 2 2-0 8-1 2基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 1 9 0 8 5 4 8);国家人民防空办公室立项课题基金资助项目(R F 2 0 S C 0 1 J-S 0);陕西省高校科协青年人才托举计划基金资助项目(2 0 2 0 0 4 1
2、 5)作者简介:王志航(1 9 9 6-),男,在读博士,从事防护工程方面的研究。E-m a i l:1 8 3 3 5 2 5 5 4 2q q.c o m通信作者:白二雷(1 9 7 8-),男,博士,副教授,从事防护工程方面的研究。E-m a i l:b w x k g y 1 6 3.c o m纳米碳纤维增强混凝土动态劈拉破坏的能耗规律研究王志航1,白二雷1,潘 璐2,黄 河1,聂良学3(1.空军工程大学航空工程学院,西安7 1 0 0 3 8;2.中国人民解放军9 3 1 1 8部队,北京1 0 0 8 4 3;3.中国人民解放军9 3 1 2 5部队,江苏 徐州2 2 1 0 0
3、5)摘 要:采用1 0 0mmS H P B试验装置对纳米碳纤维(C N F s)体积掺量为0、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%的纳米碳纤维增强混凝土(C N F R C)进行了动态劈拉试验,分析了C N F R C动态劈拉破坏的能耗规律,并与碳纤维(C F s)体积掺量为0.3%的碳纤维增强混凝土(C F R C)进行了对比分析。结果表明:在动态劈拉破坏过程中,随着入射能平均变化率的增大,混凝土的应变率不断增大。采用二次多项式能较好地拟合应变率随入射能平均变化率的变化规律。C N F s可“加固”混凝土内部结构,从而使得C N F R C的应变率较普通混凝土小。C N F R C的吸收
4、能具有明显的应变率效应和入射能平均变化率效应。在分析混凝土内部能量耗散时,建议采用入射能平均变化率作为自变量。C N F s可以提高混凝土的吸能特性和强度。入射能平均变化率相同时,随着C N F s掺量的增大,C N F R C的吸收能和动态劈拉强度均先增大后减小。C N F s掺量为0.3%时,C N F R C的吸收能和动态劈拉强度均最大。入射能平均变化率相同时,C N F s对混凝土强度的提高效果较C F s差,对混凝土吸能特性的提高效果接近C F s。关键词:混凝土;纳米碳纤维;碳纤维;动态劈拉;入射能;吸收能中图分类号:TU 5 2 8;T D 2 3 5 文献标志码:A d o i
5、:1 0.1 9 9 3 1/j.E B.2 0 2 2 0 1 6 9E n e r g yc o n s u m p t i o n l a w so f c a r b o nn a n o f i b e r r e i n f o r c e dc o n c r e t e i nd y n a m i c s p l i t t i n g t e n s i l e f a i l u r eWA N GZ h i-h a n g1,B A IE r-l e i1,P A NL u2,H U A N GH e1,N I EL i a n g-x u e3(1.S c h o o
6、 lo fA v i a t i o nE n g i n e e r i n g,A i rF o r c eE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 0 3 8,C h i n a;2.9 3 1 1 8T r o o p so fP L A,B e i j i n g1 0 0 8 4 3,C h i n a;3.9 3 1 2 5T r o o p so fP L A,X u z h o u2 2 1 0 0 5,J i a n g s u,C h i n a)A b s t r a c t:D y n a m i cs
7、p l i t t i n gt e n s i l et e s tw a sc a r r i e do u to nc a r b o nn a n o f i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e(C N F R C)w i t hc a r b o nn a n o f i b e r(C N F s)v o l u m ec o n t e n t o f 0,0.1%,0.2%,0.3%a n d0.5%b yu s i n g1 0 0mmS H P Bt e s t d e v i c e.A n de n e r g yc o n
8、s u m p t i o n l a w so fC N F R Ci nd y n a m i cs p l i t t i n gt e n s i l ef a i l u r ew e r ea n a l y z e d,w h i c h w a sc o m p a r e dw i t hc a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e(C F R C)w i t hc a r b o nf i b e r(C F s)v o l u m ec o n t e n to f0.3%.T h er e s u l t
9、ss h o wt h a tt h es t r a i nr a t eo fc o n c r e t e i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ea v e r a g ec h a n g er a t eo fi n c i d e n te n e r g yi nt h ed y n a m i cs p l i t t i n gt e n s i l ef a i l u r ep r o c e s s.Q u a d r a t i cp o l y n o m i a l c a nb eu s e d
10、t o f i t t h ev a r i a t i o no f s t r a i nr a t ew i t ht h e a v e r a g e r a t eo f i n c i d e n t e n e r g y.C N F s r e i n f o r c e t h e i n t e r n a l s t r u c t u r eo fc o n c r e t es ot h a tt h es t r a i nr a t eo fC N F R Ci ss m a l l e rt h a nt h a to fp l a i nc o n c r
11、e t e.T h ea b s o r b e de n e r g yo fC N F R Ch a so b v i o u se f f e c to fs t r a i nr a t ea n da v e r a g ec h a n g er a t eo f i n c i d e n te n e r g y.I t i ss u g g e s t e dt oa d o p t t h ea v e r a g ec h a n g er a t eo fi n c i d e n te n e r g ya si n d e p e n d e n tv a r i
12、a b l ew h e na n a l y z i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni n s i d eh t t p:/g c b p.c b p t.c n k i.n e tA u g u s t 2 0 2 3|E n g i n e e r i n gB l a s t i n g|V o l.2 9,N o.4c o n c r e t e.C N F s c a n i m p r o v e t h e e n e r g ya b s o r p t i o np r o p e r t ya n ds t r e n g
13、 t ho f c o n c r e t e.A t t h e s a m ea v e r a g e c h a n g e r a t eo f i n c i d e n te n e r g y,t h ea b s o r b e de n e r g ya n dd y n a m i cs p l i t t i n gt e n s i l es t r e n g t ho fC N F R Ci n c r e a s e f i r s t a n dt h e nd e c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s eo fC N F
14、 s c o n t e n t.W h e nC N F s c o n t e n t i s 0.3%,C N F R Ch a s t h em a x i m u ma b s o r b e d e n e r g y a n dd y n a m i c s p l i t t i n g s t r e n g t h.W h e n t h ea v e r a g ec h a n g e r a t e o f i n c i d e n t e n e r g y i s t h e s a m e,t h e i m p r o v e m e n t e f f e
15、 c t o fC N F s o n c o n c r e t e s t r e n g t h i sw o r s e t h a n t h a t o fC F s,a n dt h e i m p r o v e m e n t e f f e c t o nc o n c r e t e e n e r g ya b s o r p t i o np r o p e r t y i s c l o s e t o t h a t o fC F s.K e yw o r d s:c o n c r e t e;c a r b o nn a n o f i b e r;c a r
16、 b o nf i b e r;d y n a m i cs p l i t t i n gt e n s i l e;i n c i d e n t e n e r g y;a b s o r b e de n e r g y 混凝土属于典型的脆性材料,具备出色的抗压强度,而抗拉强度则相对较弱,因此混凝土的压缩力学性能一直是研究的重点1-2。但实际情况下,混凝土结构受外荷载作用时很容易出现拉伸应力状态,如一般混凝土结构在地震作用或者风荷载作用下的倒塌、军事防护工程在破片冲击作用或者爆炸作用下的毁伤,这些结构的破坏往往都是由于其动态抗拉强度不够所致,而压缩区并未达到其承载极限状态3-4。因而在
17、某些特殊工况下,混凝土的抗拉强度才是影响结构整体性能的关键因素。随着研究的不断深入,混凝土材料的抗拉性能越来越受到重视,尤其是混凝土材料在动荷载作用下的拉伸响应5。纳米碳纤维(C N F s)是化学气相生长碳纤维的一种形式,是通过裂解气相碳氢化合物而制备出的一种非连续的纳米级尺寸石墨纤维。C N F s兼具纳米材料和碳纤维材料的双重优良特性,逐渐被作为一种优异的增强材料用以提高混凝土的性能6。王丽霖等7研究发现0.3%掺量的C N F s提高混凝土静态力学性能的效果最佳。王腾蛟等8、孟博旭等9研究了C N F s对混凝土耐久性的影响,发现C N F s可以提高混凝土的抗冻性、抗渗性和抗碳化性能
18、。WANGZH等1 0研究了C N F s对混凝土介电损耗特性的影响,发现C N F s掺量越大,混凝土的介电损耗能力越强。X I A W等1 1研究了C N F s对混凝土动态压缩力学性能的影响,发现掺加适量的C N F s可以提高混凝土在动荷载作用下的压缩力学性能。目前,对纳米碳纤维增强混凝土(C N F R C)的研究主要集中在静态力学性能、耐久性、电磁学特性及动态压缩力学性能等方面1 2-1 5,而对其动态劈拉力学性能,尤其是动态劈拉破坏的能耗规律方面的研究还相对较少。基于此,采用1 0 0 mm S H P B试验装置对C N F s体积掺量为0、0.1%、0.2%、0.3%、0.5
19、%的C N F R C进行了动态劈拉试验,从入射能平均变化率、应变率、吸收能、动态劈拉强度的内在关系入手,分析了C N F R C动态劈拉破坏的能耗规律,并与碳纤维(C F s)体积掺量为0.3%的碳纤维增强混凝土(C F R C)进行了对比分析。1 试验1.1 试验材料及试件制备制备混凝土的原材料包括:水泥、粗集料、细集料、水、外加剂、碳纤维和纳米碳纤维。水泥:“秦岭”牌PO4 2.5 R水泥。粗集料:粒径52 0mm的石灰岩碎石。砂:细度模数2.8的中砂。水:洁净自来水。外加剂:F D N高效减水剂和磷酸三丁酯消泡剂。C N F s:单丝直径1 0 02 0 0n m,密度0.1 8g/c
20、 m3,长径比7 0。C F s:单丝直径7?m,密度1.7 8g/c m3。混凝土的配合比如表1所示。试件的具体制备流程如图1所示。动态劈拉试验试件尺寸为1 0 0mm5 0mm(见图2)。其中,P C表示普通混凝土,C N F R C 1C N F R C 5表示纤维体积掺量为0.1%0.5%的C N F R C,C F R C 3表示纤维体积掺量为0.3%的C F R C。表1 混凝土的配合比T a b l e1M i xr a t i oo f c o n c r e t e(k g/m3)试件编号水泥碎石砂水消泡剂减水剂纳米碳纤维P CC N F R C 1C N F R C 2C
21、N F R C 3C N F R C 5C F R C 34 9 51 0 0 86 7 21 8 00000.3 05.00.1 80.4 57.50.3 60.6 01 0.00.5 40.9 01 5.00.9 00.6 01 0.05.3 411第4期王志航,等:纳米碳纤维增强混凝土动态劈拉破坏的能耗规律研究E n g i n e e r i n gB l a s t i n g工程爆破,2 0 2 3,2 9(4):1 0-1 7图1 试件的具体制备流程F i g.1 S p e c i f i cp r e p a r a t i o np r o c e s so f s p e
22、 c i m e n图2 混凝土试件F i g.2 C o n c r e t es p e c i m e n s1.2 试验方法动态劈拉试验在1 0 0mmS H P B试验装置(见图3)上进行。试验前,将试件加工为中心角2=2 0 的平台巴西圆盘,如图4所示。试验中,实测的脉冲波形如图5所示。图3 1 0 0mmS H P B试验装置F i g.3 1 0 0mmS H P Bt e s td e v i c e图4 平台巴西圆盘试件F i g.4 B r a z i l i a nd i s ks p e c i m e no f t h ep l a t f o r m图5 脉冲波形
23、F i g.5 P u l s ew a v e f o r m试件的动态劈拉强度t和应变率可由式(1)和式(2)表示:t=0.9 5Eet,m a xD24L R(1)=tEstT(2)式中:L、R分别为试件的厚度、半径;D、Ee分别为杆件直径、弹性模量;t,m a x,tT为透射波达到最大值的应变、时间;Es为试件的弹性模量。试件的入射能WI、反射能WR、透射能WT和吸收能WS可由式(3)和式(4)表示:WI=AeEeCe02I(t)dtWR=AeEeCe02R(t)dtWT=AeEeCe02T(t)dt (3)WS=WI-WR-WT=AeEeCe02I(t)-2R(t)-2T(t)dt(
24、4)式中:Ae为杆的横截面面积;Ce为杆中应力波传播速度;为应力波在杆中的传播时间;I、R、T分别为入射、反射、透射应变。根据式(4)可知,WS为试件在整个动态劈拉过程中的吸收能,并不能直观反映冲击荷载对试件作用的强弱情况,因此引入入射能平均变化率WI,定义为入射能与应力波传播时间的比值:WI=WI/(5)WI的大小可以反映入射能的作用快慢,体现动态劈拉荷载对试件的作用强弱。21工程爆破 E NG I N E E R I NGB L A S T I N G 第2 9卷h t t p:/g c b p.c b p t.c n k i.n e tA u g u s t 2 0 2 3|E n g
25、i n e e r i n gB l a s t i n g|V o l.2 9,N o.42 结果与分析2.1 应力时程曲线和能量时程曲线分析由典型的应力时程曲线(见图6)和能量时程曲线(见图7)可知,应变率相近时,随着C N F s掺量的增 加,混 凝 土 的 峰 值 应 力 先 增 大 后 减 小。C N F s掺量为0.3%时,混凝土的峰值应力最大。各部分能量随时间变化大致可以分为3个阶段:T 1阶段,试件达到峰值应力前。此阶段随着入射能的增大,透射能、反射能与吸收能均不断增大。吸收能主要用于裂缝的形成、发育和扩展,直至试件破坏达到峰值应力;T 2阶段,入射能达到最大值前。此阶段试件破
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