粗集料对超高性能水泥基材料动态力学性能的影响

采用大掺量超细工业废渣取代水泥、最大粒径为2.5 mm的天然砂取代粒径为600 m的磨细石英砂,并掺加了最大粒径为10 mm的高弹高强粗集料,制备出抗压强度达200 MPa的超高性能水泥基复合材料。并采用分离式霍普金森压杆装置对不同纤维掺量的钢纤维增强超高性能水泥基复合材料（ultra-high performance steel fiber reinforced cementitious composites, UHPSFRCC）试件进行了高速冲击压缩实验,研究了应变率和纤维掺量对该材料抗冲击性能的影响规律及粗集料发挥的作用。结果表明,UHPSFRCC的抗冲击能力随纤维掺量的增加而增强;动态强度随应变率的提高相应地增大;动态性能因掺入用作粗集料的玄武岩碎石而得到了相应的改善。还分析了超高性能水泥基复合材料具有高动态性能的机理。     

超高性能水泥基复合材料抗多次侵彻性能研究

采用普通混凝土成形工艺和热水养护制度,制备出了抗压强度120~250 MPa的超高性能水泥基 复合材料。在获得优异静态力学性能的基础上,进行了超高性能水泥基复合材料抗多次侵彻研究,分析了侵 彻过程中的靶体破坏形态。根据获得的侵彻深度数据,在J.T.Gomez等提出的多次侵彻模型基础上,修正了 与靶体抗压强度有关的多次侵彻深度计算经验方程。     

内埋炸药下超高韧性水泥基复合材料的抗爆性能

为研究超高韧性水泥基复合材料(ultra-high toughness cementitious composites, UHTCC)在内埋炸药爆炸下的抗爆性能和损伤破坏规律,对不同炸药埋深下的UHTCC和高强混凝土(high-strength concrete, HSC)进行了内埋炸药抗爆实验。得到了两种材料靶体的破坏状态,并利用接触爆炸的实验结果计算出了两种材料的抗爆性能参数。结果表明,在相同条件下,UHTCC抗爆性能优于高强混凝土。为了进一步探究UHTCC的抗压强度、抗拉强度以及拉伸韧性对靶体在内埋炸药下抗爆性能的影响,首先,采用改进的K&C模型对炸药埋深为40 mm的超高韧性水泥基复合材料靶体进行数值模拟,模拟结果与实验结果基本吻合,并根据数值模拟的结果得到了爆炸冲击波沿靶体径向衰减速度大于轴向衰减速度这一规律,验证了数值模型的有效性;然后,通过调整改进K&C模型中与抗压强度、抗拉强度以及拉伸韧性相关的参数,数值预测了不同抗压强度、抗拉强度以及拉伸韧性下UHTCC靶体的破坏状态,发现增强UHTCC的韧性可以有效防止靶体发生整体性破坏,增大UHTCC的抗拉强度可以减小靶体迎爆面的开坑直径,增大UHTCC的抗压强度对减小开坑直径效果不明显。     

超高韧性水泥基复合材料—纤维混凝土组合靶体抗两次打击试验研究

超高韧性水泥基复合材料（ultra high toughness cementitious composites, UHTCC）具有超高的韧性、良好的耐久性和优异的耗能效果,这些特性使得UHTCC在防护工程中具有广阔的应用前景。为了更好地研究UHTCC与纤维混凝土组合结构在二次打击条件下的抗侵彻性能,首先测量了UHTCC和聚乙烯醇纤维增强混凝土（polyvinl alcohol fiber reinforced concrete, FRC）的基本力学参数。然后采用25 mm口径的弹道滑膛炮对直径为750 mm、高为600 mm的圆柱形UHTCC靶体、FRC靶体、UHTCC-FRC组合靶体（UHTCC-FRC composite target）进行了弹体速度为550 m/s的二次侵彻试验,得到了弹体和三类靶体的破坏数据,包括弹体的侵彻深度、弹体的磨蚀、靶体迎弹面的开坑直径和面积、弹坑深度、迎弹面的裂纹数量以及裂纹最大宽度。在此基础上分析了骨料、结构形式和两次打击的间距对UHTCC-FRC组合靶体抗侵彻性能的影响。结果表明:相同试验条件下,与普通混凝土和超高性能混凝土相比,UHTCC能够有效的减小迎弹面的开坑直径,但会增加弹体侵彻深度;将50 mm的UHTCC置于组合靶的迎弹面可以有效地减少迎弹面的开坑直径;弹体二次侵彻深度大于弹体一次侵彻深度,靶体在二次冲击下的开坑面积小于靶体初次冲击下的开坑面积。     

有限厚块石砌体钢筋混凝土结构板抗贯穿性能的实验研究

用花岗岩和混凝土制备出了花岗岩板、钢丝网混凝土板、花岗岩与钢丝网混凝土组合板、花岗岩块石砌体钢筋混凝土结构板4种类型的有限厚靶板。采用口径为30 mm的火炮作为发射装置,利用形状相同、材料强度不同的2种弹体对上述靶板进行了侵彻贯穿实验,比较了各类靶板抗侵彻贯穿破坏现象。结果表明,设计良好的块石砌体钢筋混凝土结构板具有优良的抗贯穿性能,且其抗贯穿性能与块石粒径、块石强度、块石砌筑方式、粘结强度和钢筋混凝土结构形式密切相关。     

固体润滑剂对稻壳基陶瓷材料干摩擦行为的影响

为实现稻壳资源的综合利用,本文作者以稻壳粉为原料,酚醛树脂为粘结剂,石墨和二硫化钼为固体润滑剂,制备出稻壳基陶瓷复合材料,并研究其摩擦学性能,为稻壳基陶瓷材料在滑动轴承和电机电刷领域的应用奠定基础.在可控氛围微型摩擦磨损试验仪上,研究了不同载荷和转速下,石墨和二硫化钼对稻壳基陶瓷颗粒复合材料的摩擦学行为的影响.结果表明:添加质量分数10%石墨(或二硫化钼)于稻壳基材料中,材料的抗磨和减摩性能均得到明显的改善.在一定的载荷和速度下,添加石墨的稻壳基陶瓷复合材料的摩擦学性能优于添加二硫化钼稻壳基陶瓷复合材料.其中,石墨复合材料容易在低载荷(或转速)下,形成致密的摩擦膜起到一定的抗磨减摩功效;而二硫化钼的复合材料摩擦过程容易形成磨屑,致使材料表面形成微坑,使得抗磨性能降低.在高载荷或高转速时,两者均会因摩擦力诱导材料表面发生疲劳磨损,出现大量的坑槽,加剧磨损.     

基于矿渣粉与氧化石墨烯协同效应的水泥基材料冻融损伤力学性能研究

单掺氧化石墨烯(Graphene Oxide,简称GO)会造成水泥基材料流动性劣化,而将它与其他矿物如矿渣粉(Slag Powder,简称SP)掺合时,可协同增强水泥基材料的流动性和力学性能。为此,本文通过复掺GO和SP制备了一种新型水泥基材料,并对其流动性、冻融损伤特性、力学性能及微观结构进行了系统研究。结果表明:SP的加入可有效改善GO/水泥基材料的流动性;随冻融循环次数增加,复掺GO和SP水泥基材料的质量损失率、相对动弹性模量、抗折和抗压性能等因素劣化趋势明显降低,尤其在75次冻融循环后,复掺GO和SP对抗折和抗压强度的衰减表现出较强的抑制效应。这表明GO和SP协同作用可有效提高水泥基材料的冻融损伤力学性能。从流动性、冻融损伤力学性能测试结果可知,掺量分别为0.05%和50%的GO和SP对水泥基材料的协同效应最为明显。基于SEM观测可将以上结果解释为:GO和SP可协同优化生成物的形貌和结构,有效减少微裂纹、孔洞等微观缺陷,使得微观结构更加致密,从而大幅提高水泥基材料的耐久性和力学性能。研究结果可为该水泥基材料的理论研究和工程应用提供参考。     

超高性能混凝土临空板接触爆炸破坏效应实验研究

为了研究超高性能混凝土（ultra-high performance concrete, UHPC）的抗接触爆炸性能,开展了C120、C150和C180等3种强度等级共24块UHPC临空板的接触爆炸实验,定量分析了不同药量时典型配筋与不配筋靶板的局部破坏特征,得到了UHPC的爆炸临界震塌系数、压缩系数和成坑系数。结果表明:相同药量下,UHPC板的正面破坏程度随材料强度的提升而减轻;强度越高,爆炸成坑系数和压缩系数越小,抗爆性能越好;配筋率较低时,钢筋对UHPC板正面爆坑尺寸及背面震塌破坏程度影响较小,但对板的整体变形起到了一定的减轻作用,能够减小板底的剩余挠度和裂缝宽度;C150靶板的爆炸临界震塌系数最小,不大于0.251 m/kg1/3,C120和C180靶板的爆炸临界震塌系数相近,不大于0.285 m/kg1/3。在设计、使用纤维含量较高的大尺寸UHPC构件时,应特别关注由纤维分布方向性引起的材料各向异性和结构力学性能的变化。     

碳纤维/环氧树脂复合材料3.0～6.5 km/s超高速撞击成坑特性研究

为研究碳纤维/环氧树脂复合材料在超高速撞击下的成坑特性,利用二级轻气炮开展了直径为1.00～3.05 mm的铝球以3.0～6.5 km/s的速度正撞击尺寸为100 mm×100 mm×20 mm的碳纤维/环氧树脂复合材料靶板的实验,获得了碳纤维/环氧复合材料靶板的成坑形貌特征,并测量了坑深、成坑表面积、表面损伤面积等尺寸。结合文献数据分析了靶板的无量纲成坑深度p/d_p、无量纲坑径系数D_h/d_p、表面损伤面积等效直径D_e等随撞击速度、撞击能量的变化规律。结果表明:碳纤维/环氧树脂复合材料的无量纲成坑深度p/d_p和无量纲坑径系数D_h/d_p均与撞击速度呈2/3次幂关系;表面损伤面积等效直径D_e与弹丸撞击能量E呈幂函数关系;成坑深度大于成坑半径。     

PP/CF增强珊瑚砂水泥基复合材料冲击压缩力学性能研究

在人工海水制备珊瑚砂水泥基复合材料中混杂加入碳纤维和聚丙烯纤维,得到4种不同纤维掺量的碳-聚丙烯混杂纤维增强珊瑚砂水泥基复合材料。采用直径100 mm的分离式Hopkinson压杆,对材料进行5种应变率下的冲击压缩试验,采用LS-DYNA进行相应的冲击压缩数值模拟。结果表明:(1) 试验应变率临界值为200 s?1,当试验应变率大于200 s?1时,混杂碳纤维和聚丙烯纤维所形成的纤维网络对试块的增韧效果加强;(2) 碳-聚丙烯混杂纤维增强珊瑚砂水泥基复合材料峰值应力具有明显的应变率效应,且动态增强因子对应变率的敏感程度较高;(3) 使用珊瑚砂细骨料导致试块内微裂纹和微空洞等缺陷较多,在珊瑚砂水泥基复合材料内混杂掺加碳纤维和聚丙烯纤维后,试块冲击抗压强度的提升有限,但珊瑚砂水泥基复合材料的抗冲击韧性显著提升;(4) 通过试验数据和参数调试确定了HJC模型的参数,试块峰值应力的模拟结果与试验结果的误差在5.97 %以内。     

考虑颗粒形状和破碎的胶结钙质砂力学行为离散元模拟研究

质砂作为一种建筑材料,近年来广泛应用于我国南海岛礁工程建设中。本文通过建立考虑钙质砂真实颗粒形状和颗粒破碎的胶结钙质砂离散元模型,研究了二维剪切条件下试样的宏微观力学行为,包括应力-应变行为、颗粒破碎、胶结破坏、位移场和裂纹随剪应变的演化规律,讨论了颗粒形状、颗粒粒径范围、颗粒强度和水泥胶结强度对胶结钙质砂力学行为的影响规律。结果表明,钙质砂颗粒粒径区间越宽,胶结钙质砂的强度越高。同一级配条件下,考虑真实颗粒形状的胶结钙质砂试样比圆颗粒试样的强度更高,试样总体颗粒破碎率也更高。钙质砂颗粒的强度越高,胶结钙质砂的性能越好。但是提高水泥的强度对胶结钙质砂力学性能的影响并不显著。本文的研究结果可为实际工程中钙质砂的加固提供理论依据。     

再生骨料透水混凝土抗压性能及透水性能试验研究

通过掺30%再生骨料和未掺再生骨料两种透水混凝土的抗压性能及透水性能对比试验,研究了水灰比、骨料粒径、砂率等因素对其抗压性能和透水性能的影响,确定了按体积法配制的合理性和最佳配合比。试验结果表明,采用5~10mm的骨料粒径、水灰比为0.3和目标孔隙率为15%时,掺30%再生骨料和未掺再生骨料两种透水混凝土抗压强度分别达到18.0MPa和19.2MPa,且透水系数均大于5mm/s。基于上述试验结果,分析了掺30%再生骨料和未掺再生骨料两种透水混凝土孔隙率与透水系数及抗压强度之间的关系,表明它们之间存在着相关性良好的函数关系,即可以通过调整孔隙率的大小来平衡抗压强度与透水系数,使之均满足实际工程要求。     

Coupled Effects of Ionic Strength,Particle Size,and Flow Velocity on Transport and Deposition of Suspended Particles in Saturated Porous Media

In this study, the coupled effect of ionic strength, particle size, and flow velocity on transport and deposition of suspended particles (SP) in saturated sand was undertaken. Three polydispersive SP populations (silt particles with the median of 3.5, 9.5 and 18.3 \(\upmu \)m) were investigated using a pulse injection technique. High ionic strengths were used and vary from 0 to 600 mM (NaCl). Two high velocities were tested: 0.15 and 0.30 cm/s. Suspended particles recovery and deposition kinetics were strongly dependent on the solution chemistry, the hydrodynamics, and the suspended particles size, with greater deposition occurring for increasing ionic strength, lower flow velocity, and larger ratios of the median diameter of the SP to the median sand grain diameter. A shift between the extended Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek theory prediction (the particles and sand grain surfaces are considered chemically and topographically homogeneous) and the experimental results for certain ionic strength was observed. So, as reported in recent literature, effects of surface heterogeneities should be considered. The residence time of the non-captured particles is dependent on ionic strength and hydrodynamic. A relationship between the deposition kinetics, particle and grain sizes, flow velocity, and ionic strength is proposed.     

钙质砂的SHPB实验技术及其动态力学性能

开展了11组南海钙质砂和福建石英砂的分离式霍普金森压杆（SHPB）实验,试样相对密实度为90%,厚度分别为10、30和50 mm,得到了冲击荷载下钙质砂和石英砂的应变率时程曲线、应变时程曲线和应力应变关系。实验结果表明:通过严格装样技术可以减小实验设备产生的误差,改变试样厚度、子弹长度、整形器等是实现钙质砂应力平衡和恒应变率的主要手段。在相同的密实度和加载条件下,钙质砂的体积模量和剪切模量约为石英砂的10%,压缩强度和抗剪强度约为石英砂的30%。冲击荷载作用下钙质砂的动态力学性能与石英砂存在较大的差异,因此不能将已有石英砂的研究结果直接用于钙质砂。     

黄土和砂土岩中填实爆炸辐射弹性波的对比研究

研究地下爆炸弹性区的震动特性,关键是获得场地介质与爆炸能量耦合作用下辐射弹性波的实验参数。对于不易加工成大尺寸模型的砂土岩,为研究其填实爆炸下辐射弹性波的特征,采用0.125 g TNT微型炸药球作为爆炸源,以塑性区可置换的?1 370 mm×1 200 mm黄土样品作为提供应力波传播路径的载体,用波阻抗近似相等的重塑黄土和砂土岩样品分别作为源区介质,对比分析了两种介质中微药量填实爆炸辐射的弹性波传播特征。实验结果表明:在测试范围内,两种介质中填实爆炸激发的弹性应力波粒子速度(位移)峰值的衰减规律、波形的主频变化规律一致;砂土岩中爆炸辐射的弹性波粒子速度(位移)峰值整体高于黄土、粒子速度波形的半高宽和主频低于黄土;砂土岩中爆炸耦合的向外传播的弹性波能量比黄土大。实测结果反映,黄土和砂土岩中填实爆炸弹性波能量耦合强度的差别。     

沉积方向和粒径组成对砂土力学特性的影响

运用砂土毛细效应所形成的假凝聚力制备具有不同沉积方向的试样,开展三轴固结排水剪切试验,研究粒径组成对初始各向异性砂土力学特性的影响,分析了粒径组成、沉积方向、强度特性和体积变化之间的相互关系.研究结论表明,试样剪切带的形成受到颗粒级配的影响,它是应力应变关系中陡降阶段的产生原因.沉积方向对粗砂和细砂的偏应力峰值强度均有...     

An experimental study of circular sand–water wall jets

Laboratory experiments were carried out to study the effects of sand particles on circular sand–water wall jets. Mean and turbulence characteristics of sand particles in the sand–water wall jets were measured for different sand concentrations c_o ranging from 0.5% to 2.5%. Effects of sand particle size on the centerline sand velocity of the jets were evaluated for sand size ranging from 0.21 mm to 0.54 mm. Interesting results with the range of measurements are presented in this paper. It was found that the centerline sand velocity of the wall jets with larger particle size were 15% higher than the jets with smaller particle size. Concentration profiles in the vertical direction showed a peak value at x/d = 5 (where x is the longitudinal distance from the nozzle and d is the nozzle diameter) and the sand concentration decreased linearly for x/d > 5. Experimental results showed that the turbulence level enhanced from the nozzle to x/d = 10. For sand–water wall jets with a higher concentration (c_o = 1.5–2.5%), the turbulence intensity became smaller than the corresponding single-phase wall jets by 34% due to turbulent modulation. A modified logarithmic formulation was introduced to model the longitudinal turbulent intensity at the centerline and along the axis of the jet.     

Experimental study of planar shock wave interactions with dense packed sand wall

A dense packed sand wall is impacted by a planar shock wave in a horizontal shock tube to study the shock-sand wall interaction. The incident shock Mach number ranges from 2.18 to 2.38. A novel device for actively rupturing diaphragm is designed for the driver section of the shock tube. An apparatus for loading particles is machined by the electrical discharge cutting technique to create a dense packed particle wall. High-speed schlieren imaging system and synchronized pressure measurement system are used together to capture the wave structures and particle cloud velocity. The dynamic evolution model from dense packed particles to dense gas–solid cloud at the initial driving stage is established. The blockage and permeation effects of the sand wall work together and influence each other. The high pressure gas behind the incident shock wave blocked by the sand wall pushes the upstream front of the wall forward like a piston. Meanwhile, the high speed gas permeating through the sand wall drags the sands of the most downstream layer forward. The incident shock strength, initial sand wall thickness and particle diameter are varied respectively to investigate the shock attenuation and the wall acceleration. Increasing the sands diameter or mixing in small diameter sands can significantly attenuate the incident shock. The smaller particles or the particles in thinner wall can be dispersed into a larger range in the process of transform from dense packed particles to dense gas–solid cloud. Moreover, the stronger incident shock can disperse the particles into a larger region.     

Characterization of the Grain-Level Mechanical Behavior of Eglin Sand by Nanoindentation

Characterization was made on the structure and grain-level mechanical behavior of Eglin sand (Quikrete #1961 sand quarried in Pensacola, FL). The as-received assorted sand was sorted to six grain sizes: 0.60 mm, 0.50 mm, 0.42 mm, 0.30 mm, 0.212 mm, and 0.15 mm. The sand chemical constituents and crystalline structures were determined using energy dispersive X-ray spectroscopy, X-ray diffraction and transmission electron microscopy. The Young’s modulus and hardness were determined using nanoindentation with a Berkovich tip, and the fracture toughness was measured using a cube-corner tip. The median Young’s modulus, hardness and fracture toughness were determined as 90.4 GPa, 12.8 GPa and 2.32 MPa?m^0.5, respectively. The mechanical properties were analyzed statistically and the parameters of the Weibull distribution were determined. The grains show highly ductile behavior under nanoindentation due to confinement by high pressure induced by Berkovich tip. An inverse problem solving approach using finite element method (FEM) with the consideration of the Ramberg-Osgood model was used to determine the stress–strain relationship for individual sand grains.