极端环境下连续碳纤维增韧的陶瓷基复合材料的力学行为

连续纤维增韧的碳化硅复合材料(以下简称C/SiC),作为超高速飞行器热结构使用时,有可能在高温环境下受到高速撞击的作用,因此,掌握其在极端环境(高温、高应变率)下的力学性能是进行结构安全设计的基础。本文采用具有高温实验能力的分离式Hopkinson杆,在293~1273K温度范围内进行了动态压缩力学性能测试,研究了环境温度和加载速率对材料力学性能的影响。结果表明:C/SiC复合材料的高温压缩力学性能主要受应力氧化损伤和残余应力的共同影响。实验温度低于873K时,应力氧化损伤的影响很小,而由于增强纤维和基体界面残余应力的释放使界面结合强度增大,复合材料的压缩强度随温度的升高而增大;当实验温度高于873K时,应力氧化损伤加剧,其对压缩强度的削弱超过残余应力释放对强度的贡献,材料的压缩强度随温度的升高逐渐降低。由于应力氧化损伤受应变率的影响很大,当温度由873K升高至1273K时,高应变率下压缩强度降低的程度要比应变率为0.0001/s时低得多。     

聚脲材料动态力学性能试验研究

应用低阻抗分离式霍普金森压杆和拉杆试验装置开展了聚脲材料动态力学性能的试验研究。分别开展了聚脲8380材料常温条件(T=18℃)下的动态压缩和动态拉伸试验,以及高温(50、80℃)和低温(-40、-20℃)条件下的动态压缩试验,研究了该种材料的动态压缩和动态拉伸性能,并研究了应变率和温度对材料动态力学性能的影响规律。研究结果表明：在不同温度下,聚脲8380材料的动态力学性能均呈现出显著的应变率效应;随着加载应变率的增大,材料的强度、变形能力和耗能能力均有不同程度的提升;聚脲8380材料的动态力学性能具有明显的温度相关性,高温和低温条件下材料的动态压缩性能呈现出不同的变化规律;高温条件下聚脲8380材料的动态压缩性能发生劣化,其动态抗压强度较常温条件下有较大幅度的降低,随着温度的升高,材料的动态抗压强度降低;低温条件下聚脲8380材料的动态压缩性能有显著的改善与提升,其动态抗压强度和耗能能力较常温条件下有大幅度的提高,随着温度的降低,材料的动态抗压强度提高。     

大直径SHPB实验中的高温加载技术及其应用

为研究材料的高温动态力学行为,提出一套由自主设计的温控系统和100 mm SHPB装置组成的高温SHPB实验系统,采用ANSYS软件对界面热传导及其对实验结果的影响进行了计算分析,论证了该实验技术的可靠性,并对混凝土的高温动态力学性能进行了研究。结果表明:在大直径合金钢材质SHPB装置上对混凝土等热惰性材料进行高温冲击实验,冷接触时间临界值为1.00 s,本文中提出的高温加载技术可将冷接触时间控制在0.50 s以内,实验技术可靠;同一加载速率下,随着温度从常温升到1 000 ℃,高温混凝土的动态应力应变曲线呈现出塑性变化趋势,动态抗压强度先提高后降低,动态峰值应变则不断增大。     

高温后钢管活性粉末混凝土的动态力学性能

采用霍普金森压杆装置对高温后钢管活性粉末混凝土(reactive powder concrete-filled steel tube,RPC-FST)进行冲击压缩实验,分析了应变率效应及温度效应对试件动态力学性能的影响。结果表明:高温(200、300 ℃)后RPC-FST仍具有较好的抗冲击能力、延性和完整性;冲击荷载作用下,RPC-FST的应变率效应明显弱于RPC的应变率效应;随着过火温度的提高,RPC-FST的峰值应力逐渐增大,变形能力增强,抗冲击能力提高。动力提高系数随过火温度的提高而增大,说明高温后RPC-FST的应变率效应更显著。     

多功能SHPB装置及水泥石材料的动态性能研究

为了研究在一定温度和压力下的水泥石的动态力学性能，研制了多功能ＳＨＰＢ材料动态性能测试装置，该装置可分别进行材料的拉伸，压缩，扭转性能测试，拉，压试验可以在带围压和温度的三向应力状态下进行，文中还对水泥石改性材料的动态力学性能进行了实验研究。     

高温下轻质泡沫铝动态力学性能实验

对传统的分离式Hopkinson压杆装置加以改进,设计了一种长杆直接撞击Hopkinson杆的实验方案,检测出低波阻抗材料在高温动态加载下的应力均匀性。对轻质泡沫铝材料的实验表明,在同一撞击速度下,温度越高,试件两端的应力均匀性越差,增加温度与提高撞击速度均会导致泡沫铝材料冲击端与支撑端的应力不均匀性。根据高温下应力均匀性的实验结果,确定高温下试件均匀变形对应的冲击速度,再通过传统的分离式Hopkinson压杆实验得出泡沫铝在高温动态下的力学性能。     

钢纤维活性粉末混凝土的动态力学性能

利用?74mmSHPB实验装置对钢纤维活性粉末混凝土(RPC)进行动态压缩实验和动态劈裂拉 伸实验。获得了钢纤维RPC在1~102s-1应变率加载下的动态力学参数。对试件内的动态应力分布进行数 值模拟,验证了动态实验的有效性。结果表明,钢纤维RPC的动态压缩和动态劈裂拉伸的力学性能均表现出 显著的应变率效应。随着应变率的增加,钢纤维RPC冲击压缩破坏应力、冲击压缩破坏应变、弹性模量、动态 劈裂拉伸破坏应力均有一定程度的增加,动态拉压比相对静态拉压比也有显著的提高。     

高温后玄武岩纤维增强混凝土的动态力学特性

为研究温度、加载速率、纤维掺量对玄武岩纤维增强混凝土(BFRC)动态压缩强度和冲击韧度的影响,利用?100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对经历不同温度作用后的BFRC进行冲击加载实验。结果表明:高温后BFRC的动压强度及冲击韧度在同一温度下随平均应变率的上升近似线性增大;温度的升高总体上导致BFRC在同一加载速率下的动压强度及冲击韧度减小、应变率敏感性减弱;同一工况下,BFRC的动压强度和冲击韧度较素混凝土普遍提高,且当纤维体积掺量为0.2%时强韧化效果相对最佳。由此可见,高温后BFRC的冲击压缩特性受温度、加载速率、纤维掺量的综合作用影响,掺入玄武岩纤维可以有效降低高温后BFRC的损伤劣化程度。     

碳纤维增韧的陶瓷基复合材料在高温高应变率下的压缩力学行为

利用高温电子万能试验机和具有高温同步自组装功能的Hopkinson压杆对二维C/SiC复合材料 进行了应变率为10-4~103s-1,温度为293~1273K下的单轴压缩力学性能测试。实验结果表明:二维C/ SiC复合材料破坏时并未表现出典型的脆性破坏,而是在应力达到压缩强度时出现了显著的应变软化,在经 历了较大的变形后才最终破坏,同时材料还表现出良好的高温承载能力及一定的温度和应变率依赖性。随着 温度的升高,复合材料的压缩强度呈降低的趋势。与准静态下室温压缩时相比,材料在1273K 时的压缩强 度的降低程度不超过30%,但压缩强度对应变率的敏感性随着温度的升高而增大。由于高温下试样氧化,C/ SiC复合材料压缩强度对应变率的敏感性在温度为1073K时显著增大。     

基于三维Hopkinson杆的混凝土动态力学性能研究

混凝土、岩石类材料在复杂应力状态下的动态力学性能研究一直备受关注,但鉴于动态实验的复杂性,对真三轴应力状态下材料的动态加载一直未曾实现。本文中研制了一套真三轴静载作用下混凝土、岩石类材料的“三维Hopkinson杆”动态力学实验系统,为冲击载荷作用下材料动态各向异性特性的研究提供了一种有效的实验测试技术。该系统采用液压伺服控制对立方体试件施加三向独立的0~100 MPa真三轴静载,再利用分离式Hopkinson压杆对试件施加冲击动载,具体研究了C30混凝土材料在不同真三轴静载条件下的动态压缩性能,得到了不同条件下X、Y、Z方向上的动态应力应变关系。     

框桁式复合墙体抗震性能试验及有限元分析

提出一种新型框桁式复合墙,由钢筋混凝土外框和内部桁式杆件构成。为了研究其抗震性能,按1∶2的缩尺比例初步设计和制作了3个单片框桁式复合墙体,进行了拟静力试验,并采用ABAQUS软件建立了有限元非线性分析模型,重点分析了轴压比、混凝土强度、箍筋配箍率及纵筋配筋率对其承载力和延性的影响。结果表明,墙体桁杆先于外框墙肢产生变形和破坏,最终在墙肢底部与桁杆围成的三角形部位由于弯矩值达到极限而发生破坏,破坏顺序明确,可达到多级耗能的目的;三个试件的延性系数均小于2.5,各试件延性系数的不同说明桁杆截面形式是影响墙体承载力的重要因素;随着轴压比、混凝土强度和纵筋配筋率的增大,试件承载力有不同程度的提高,试件的延性系数随轴压比和纵筋配筋率的增大而减小,随混凝土强度的增大而增大;箍筋配箍率对试件荷载-位移曲线、承载力和延性系数的影响很小;各因素对各项抗震性能的影响程度不同。     

配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱轴压性能试验研究

为研究配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱轴压性能,以混凝土强度、体积配箍率和配箍形式为变化参数设计6个试件进行轴心受压加载试验。试验结果表明,所有试件的破坏形态和荷载-轴向位移曲线相似,配螺旋箍筋的试件变形性能要优于配普通箍筋试件,配矩形螺旋箍筋的试件极限承载力随混凝土强度、体积配箍率的增加而提高。在试验基础上,采用基于叠加理论的计算方法对配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱轴压承载力进行计算,给出了相关设计建议,研究结果可为配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土短柱的工程应用提供科学依据。     

Experimental and numerical studies of thermo-hydrous transfers in concrete exposed to high temperature

The compressive strength of concrete can be as high as 80 MPa at 28 days. High strength concrete (HSC) can be obtained by decreasing porosity and lowering permeability. Concrete, especially HSC, performs poorly when subjected to fire. This is attributed to high thermal stresses and water vapour pressure. High thermal gradient induces high thermo-mechanical stresses in the concrete system. Low permeability prevents water from escaping and induces high water vapour pressure causing cracking and spalling. The aim of this study is both experimentally and numerically study the coupled heat and mass transfers in concrete exposed to elevated temperature. Five concrete mixtures with various cement contents and water cement ratios of a constant aggregate content were studied before and after heating–cooling cycles. The concrete cylindrical specimens were subjected to several tests: compression and splitting tensile tests, measurement of modulus of elasticity, heating–cooling cycles, thermal field and mass loss during the heating–cooling cycles, and permeability tests. Comparisons between the numerical and experimental results on the thermo-hydrous behaviour were reported. Parametric analyses were carried out in order to underline main parameters involved in concrete behaviour at high temperature. The numerical and experimental results included thermal gradient, water vapour pressure, relative humidity, concrete mass losses due to dehydration, and water content for concrete elements heated from 20 to 600°C. The results show the degrees of damage due to the concrete chemical transformations at high temperature.     

双向受压状态下的混凝土率效应试验研究

利用三峡大学自行研制的大型多功能三轴材料试验机,完成了4种侧应力等级和3个数量级加载速率的C30混凝土立方体试件双向受压试验,系统地探讨了不同侧应力和不同加载速率下混凝土的强度特性及变形特性。研究表明,侧应力和应变速率都能提高混凝土的应变峰值,但侧应力对混凝土的应变峰值的影响较应变速率的影响大;随着侧应力的增加,混凝土的率敏感性逐渐降低;在有侧应力的情况下,随应变速率的增加,混凝土弹性模量变化逐渐减小;随应变速率的增加,应力应变曲线上升段更加陡峭,曲线更加饱满,混凝土剩余强度越来越高;双轴受压情况下,混凝土的应力应变曲线下降段趋势比无侧应力状态下较平缓,随侧应力的增加下降段曲线越来越平缓,混凝土的应力应变曲线更加饱满,峰值点无明显尖峰出现,混凝土剩余强度越来越高。     

Poisson's ratio variations in concrete

This paper presents the results of an investigation relating to the variations in the Poisson's ratio in compression of concrete. An embeddable strain-gage unit has been developed for use in this investigation, and the readings from this gage unit proved quite reliable. With embeddable gage units, and surface-bonded strain gages, concrete test specimens were prepared and tested under uniform load in compression. The test results from this investigation prove that the Poisson's ratio of concrete is minimum at the faces of the test specimens, and it increases as the point moves towards the specimens' axes, where it reaches a value about 56 percent larger than that at the faces of these specimens.     

FAILURE MODE AND CONSTITUTIVE MODEL OF PLAIN HIGH-STRENGTH HIGH-PERFORMANCE CONCRETE UNDER BIAXIAL COMPRESSION AFTER EXPOSURE TO HIGH TEMPERATURES

An orthotropic constitutive relationship with temperature parameters for plain highstrength high-performance concrete （HSHPC） under biaxial compression is developed. It is based on the experiments performed for characterizing the strength and deformation behavior at two strength levels of HSHPC at 7 different stress ratios including a=σs ： σ3=0.00：-1,-0.20：-1,-0.30 ： -1,-0.40：-1,-0.50：-1,-0.75：-1,-1.00：-1, after the exposure to normal and high temperatures of 20, 200, 300, 400, 500 and 600℃, and using a large static-dynamic true triaxial machine. The biaxial tests were performed on 100 mm×100 mm×100 mm cubic specimens, and friction-reducing pads were used consisting of three layers of plastic membrane with glycerine in-between for the compressive loading plane. Based on the experimental results, failure modes of HSHPC specimens were described. The principal static compressive strengths, strains at the peak stress and stress-strain curves were measured; and the influence of the temperature and stress ratios on them was also analyzed. The experimental results showed that the uniaxial compressive strength of plain HSHPC after exposure to high temperatures does not decrease dramatically with the increase of temperature. The ratio of the biaxial to its uniaxial compressive strength depends on the stress ratios and brittleness-stiffness of HSHPC after exposure to different temperature levels. Comparison of the stress-strain results obtained from the theoretical model and the experimental data indicates good agreement.     

冻融循环下预应力CFRP板加固钢筋混凝土梁的耐久性研究

预应力CFRP加固混凝土结构技术由于具有显著优势,越来越多地被应用在桥梁加固中,本文针对冻融循环作用下预应力CFRP板加固钢筋混凝土梁的耐久性能进行了实验研究。通过12片加固梁试件的实验研究了不同次数冻融循环作用下预应力CFRP板加固梁的破坏形态和承载性能,分析了混凝土强度等级、冻融循环次数、CFRP初始应力水平等因素对加固梁耐久性能的影响。实验结果表明:经历冻融循环后试件的开裂荷载和极限承载能力都有了不同程度的下降,冻融侵蚀对CFRP加固混凝土结构产生了明显的不利影响;随着冻融循环次数的增加,加固试件的破坏模式逐渐由混凝土保护层剥离转变为界面剥离的破坏形态;冻融循环作用对预应力加固试件的整体不利影响要大于非预应力试件;混凝土强度为C60的预应力CFRP加固试件在冻融侵蚀作用下的退化要较强度为C30的加固试件显著。     

三轴应力状态下混凝土的侵彻性能研究

研制了三轴应力状态作用下混凝土侵彻实验装置。该装置采用液压伺服控制系统对立方体试件施加三向独立的静载、采用高压气体驱动子弹侵彻混凝土试件；试件六个面的动态压缩信号和侧面摩擦信号可由六根杆上的应变片记录。以混凝土试件为例，对立方体试件施加三向独立的0～100 MPa真三轴静载，研究其在不同应力状态下的侵彻性能，得到了立方体试件在无侧限、单向侧限、双向侧限下的侵彻差异，揭示出应力状态对侵彻性能的影响。     

火灾后T形型钢混凝土柱偏心受压力学性能试验研究

对7根T形型钢混凝土柱进行了火灾后的力学性能试验研究。火灾试验按照ISO834标准升温过程进行控制,1根未受火试件作为对比。T形型钢混凝土柱采用空腹式配钢形式,横向腹杆间距为200mm,试件通过偏心受压试验,考虑加载角和偏心距的影响。通过试验得到异形柱极限承载力、截面应变分布、荷载-挠度曲线以及截面特性。试验结果表明:(1)受火1h后,T形型钢混凝土柱仍然具有比较高的竖向承载力;(2)桁架式配钢方式以及合理的腹杆、箍筋布置保证了型钢与混凝土之间能够较好的协同工作,平截面假定对火灾后的T形型钢混凝土柱仍然适用;(3)荷载角和偏心距对试件的延性和变形能力影响显著。