沖擊載荷作用下蒸壓加氣混凝土動態力學性能研究

陳藝順， 王 波， 周健南， 孔新立， 朱乃姝， 周寅智

(陸軍工程大學 爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，南京 210007)

多孔材料憑借其緩沖吸能的特點，在建筑施工和安全防護等領域受到越來越多的關注，對這類材料在沖擊荷載下的動態力學性能的研究也愈發重要[1-4]。蒸壓加氣混凝土(Autoclaved Aerated Concrete, AAC)是一種輕質多孔的多功能環保型建筑材料[5-7]。其內含大量孔洞，因此重量很輕。其孔隙率達70%～80%，體積密度一般為400～700 kg/m3。它還有良好的保溫隔熱性能，具有導熱系數低的特點，這可以大大提高建筑節能效果，降低取暖和降溫的能耗和費用。曾歡[8]研究了蒸壓粉煤灰-砂加氣混凝土的基本力學性能，進行了立方體抗壓強度試驗和軸心抗壓強度試驗，分析了蒸壓粉煤灰-砂加氣混凝土的全壓縮過程曲線、破壞模式和幾何特征，為有限元分析中蒸壓粉煤灰-砂加氣混凝土本構關系的數值選擇提供了重要依據。Kurama等[9]研究了使用粉煤灰生產的蒸壓加氣混凝土的性能，研究表明，粉煤灰能有效地提高蒸壓加氣混凝土的抗壓強度，Ferretti等[10]通過試驗研究和數值模擬相結合的方式，研究了加氣混凝土砌塊承受面內荷載時的力學特性。

本文利用5 t MTS機和直徑為100 mm的分離式Hopkinson壓桿(Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB)試驗裝置對密度為425 kg/m3和625 kg/m3的蒸壓加氣混凝土試件進行了準靜態和動態力學測試，對試件的破壞過程進行了分析，得到了不同應變率下各密度試件的應力應變關系，并以此分析了試件的應變率效應。

1 試件選擇和處理

試驗用蒸壓加氣混凝土試件由南京旭建新型建材股份有限公司生產，密度為425 kg/m3和625 kg/m3，氣孔直徑均在1 mm以內，蒸壓加氣混凝土試件和其孔隙結構如圖1所示。

圖1 蒸壓加氣混凝土試件及其孔隙結構Fig.1 AAC specimens and their cellular structures

對于非均質脆性材料，尤其是蒸壓加氣混凝土這種混合材料，試件要有足夠的尺寸體現材料基本力學性能，因此其直徑應該盡量取大值，一般要求其直徑不能小于最大粒徑的10倍，但不能超過SHPB裝置的壓桿直徑，本文取直徑約70 mm。在選擇厚度方面，為了減少應力波在非均質材料中過多的彌散衰減，降低沖擊荷載加載過程中試件徑向和軸向慣性影響，同時盡量減弱接觸面摩擦效應，SHPB試驗中試件厚度一般取直徑的0.5～1.0倍左右，本文取約35 mm。在制作試件時，要將兩端面研磨拋光，以保證其平行度、平整度和光潔度。

2 準靜態試驗

利用陸軍工程大學爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室的5 t MTS試驗機對蒸壓加氣混凝土試件進行準靜態力學試驗，如圖2所示。試件直徑約為70 mm，厚度約為35 mm。加載過程由位移控制，實現了不同應變率下的單軸壓縮試驗。加載速率為0.021 mm/min，0.21 mm/min，2.1 mm/min和21 mm/min，分別對應1×10-5s-1，1×10-4s-1，1×10-3s-1和1×10-2s-1這四種不同的應變率。為了保證數據的完整性和準確性，在每種應變率下測試了3個試件，表1顯示了AAC在不同應變率和密度下的抗壓強度。由表可知，試件的抗壓強度隨應變率的增加而增，且試件密度的增加顯著提高了其抗壓強度。加載過程一直持續到試件壓潰，在此過程中，時刻觀察試件產生的裂縫和破壞情況。

圖2 MTS試驗機Fig.2 MTS machine system

425 kg/m3應變率/s-1抗壓強度值1/MPa抗壓強度值2/MPa抗壓強度值3/MPa平均值/MPa1×10-52.122.472.742.441×10-42.452.552.572.521×10-32.542.622.732.631×10-22.482.923.272.89625 kg/m3應變率/s-1抗壓強度值1/MPa抗壓強度值2/MPa抗壓強度值3/MPa平均值/MPa1×10-54.154.184.464.261×10-44.294.494.854.541×10-34.564.834.904.761×10-255.035.065.03

蒸壓加氣混凝土試件的破壞模式如圖3所示。在試驗中，破壞形式主要是劈裂破壞。在準靜態條件下，試件首先進入彈性階段，表面出現垂直或傾斜裂紋，當應變增大時，剝落現象發生，并從外向內依次擴展，持續壓縮的過程中剝落面積不斷增大。當加載應力達到一定的極限時，獨立的剝落區相互連接，形成完整的剝落面，此時試件完全被破壞。通過分析試驗數據，在每種應變率下選取了典型值進行比較，可以得到兩種密度的蒸壓加氣混凝土試件在準靜態條件下的應力應變曲線，如圖4所示。

圖3 AAC試件的破壞模式Fig.3 Failure mode of AAC specimen

圖4 蒸壓加氣混凝土試件在準靜態條件下的應力-應變曲線Fig.4 Quasi-static stress-strain curves of AAC specimens

3 SHPB試驗

3.1 試驗裝置

本文采用陸軍工程大學材料沖擊實驗室里的SHPB設備，如圖5所示。壓桿直徑為100 mm，入射桿長4 000 mm，透射桿長3 000 mm，射彈長500 mm，彈性模量為212 GPa，泊松比為0.25～0.3，密度為7 850 kg/m3，波速為5 213 m/s。

實驗時為了減少壓桿與試件的接觸面之間摩擦力引起的端頭效應，在試件的兩端面上均勻涂抹了潤滑劑，然后夾在入射桿和透射桿之間，并確保試件、壓桿及子彈的軸線在同一直線上。利用測速儀測量速度，同時利用動態應變儀采集入射桿和透射桿上的應變信號并記錄，用高速攝影機記錄試件動態破壞過程，最后收集試件的散體和碎粒。

圖5 SHPB設備Fig.5 The SHPB apparatus

3.2 改進措施

為了利用SHPB裝置準確測量蒸壓加氣混凝土這類多孔介質材料的動態應力-應變曲線，必須要解決以下兩個問題[11]：①蒸壓加氣混凝土材料波速較低，一般比壓桿材料低1～2個量級，這會引起試件內部應力長時間的不均勻性；②蒸壓加氣混凝土材料的阻抗較低，一般比壓桿材料低2～3個量級，這將導致反射波形很大且與入射波形持平，而透射波形很小，幾乎被干擾信號淹沒。

針對蒸壓加氣混凝土試件內部應力不均勻性的問題，一種有效而簡便的辦法就是采用波形整形技術。常用的波形整形器是在入射桿受沖擊端的中心位置，粘貼一個由低屈服強度材料制成的小薄片，試驗時采用薄銅片。當受到子彈強烈沖擊時，銅片發生較大變形，吸收一部分能量，將原來陡峭上升的脈沖方波修正成上升過程較為平緩的波形，增加了入射波的上升時間，保證了試件內部在破壞之前有足夠長的時間達到應力平衡。同時減少了入射波的高頻震蕩，使得應變率的波動性明顯減小。

針對透射波形小的問題，可在輸出桿上采用半導體應變片。由于半導體應變片的靈敏度系數遠大于電阻應變片，可將所測信號的信噪比提高約50倍，從而可獲得準確可靠的透射波形。

3.3 SHPB試驗數據處理與分析

SHPB試驗的基本原理是細長桿中彈性應力波傳播理論，是建立在兩個基本假定的基礎上，即一維假定(又稱平面假定)和應力均勻假定。一維假定就是認為應力波在細長桿中傳播過程中，彈性桿中的每個橫截面始終保持為平面狀態；應力均勻假定認為應力波在試件中反復2～3個來回，試件中的應力處處相等。當采用三波法處理數據時，因為實驗采集到的入射信號和反射信號非常接近，所以測試數據誤差常導致入射端應力的計算結果與實際不符。針對蒸壓加氣混凝土材料的特殊性，對SHPB試驗中采集到的入射波、反射波和透射波使用簡化的三波法進行數據處理，即試件應變和應變率采用3個信號進行計算，試件應力采用透射信號進行計算

(1)

式中：c，A，E，ls分別為彈性壓桿的波速、橫截面積、彈性模量及試樣的厚度；As為試件的橫截面積。由此可得到試件的動態應力、應變、應變率隨時間變化趨勢，圖6為在不同撞擊速度下兩種密度的蒸壓加氣混凝土試件的應變率時程曲線。由圖可知，蒸壓加氣混凝土試件應變率與撞擊速度具有明顯的相關性。

圖6 蒸壓加氣混凝土應變率時程曲線Fig.6 Curves of strain rate to time for AAC specimen

將每種加載條件下的應變速率取加載過程中的平均值，即可得到其平均應變率。對于密度為425 kg/m3的試件，其平均應變率在由低到高的四種撞擊速度下分別為97.4 s-1，125.8 s-1，176.5 s-1和181.4 s-1；對于密度為625 kg/m3的試件，其平均應變率在由低到高的四種撞擊速度下分別為117.3 s-1，129.7 s-1，146.6 s-1和179.8 s-1。由試驗數據可進一步得到兩種密度的蒸壓加氣混凝土試件在不同應變率下的動態應力應變曲線，如圖7所示。

圖7 蒸壓加氣混凝土動態應力應變曲線Fig.7 Dynamic stress-strain curves of AAC specimen

蒸壓加氣混凝土的動態應力應變曲線表明：在沖擊荷載作用下，蒸壓加氣混凝土試件會先經歷一個短暫的彈性壓縮階段，當荷載超過其彈性極限時，試件進入屈服階段，塑性變形增加，直至達到峰值，而后塑性變形減小，試件承載力不斷下降，在整個過程中，試樣內部發生不同形式的微觀破壞，最終導致試樣的完全破壞。蒸壓加氣混凝土試件的沖擊破壞形態如圖8所示。

圖8 蒸壓加氣混凝土沖擊破壞形態Fig.8 Impact failure mode of AAC specimen

4 沖擊力學特性

4.1 強度特性

為了更有效地分析蒸壓加氣混凝土的強度特性，本文采用動態強度增長因子(Dynamic Increase Factor, DIF)作為沖擊荷載下材料抗壓強度增幅指標，該指標為動態抗壓強度與靜態抗壓強度的比值

(2)

(3)

對于密度為625 kg/m3的蒸壓加氣混凝土試件

(4)

圖9 DIFf與 的變化關系曲線Fig.9 The law between DIFf and ln

蒸壓加氣混凝土材料的這種應變率相關性從微觀損傷機理的角度可解釋為：在蒸壓加氣混凝土內部布滿了大小不同的微裂紋和微孔洞等損傷，裂紋的產生和擴展直接導致混凝土材料的破壞，裂紋產生所需的能量遠比裂紋擴展所需的能量高[13]。應變率越大，產生的裂紋數目就越多，因而需要的能量就越多。又因為沖擊荷載作用的時間極短，材料沒有足夠的時間用于能量的累積，即變形緩沖作用小，根據沖量定理或功能原理，它只有通過增加應力的辦法來抵消外部沖量或能量。因此，材料的強度隨應變率的增加而增加。

4.2 沖擊韌性

當材料承受一定的應力時，其變形能力被稱為沖擊韌性，即材料的延性和強度的結合。從宏觀上看，沖擊韌性通常可以定義為材料或結構在有效加載過程中吸收的能量，沖擊韌性不僅與材料的強度有關，而且還取決于材料損傷時的應變。

比能量吸收(Specific Energy Absorption, SEA)[14]是評價沖擊韌性的一種科學方法，它被定義為每個單位材料吸收的應力波能量。SEA考慮了許多實驗因素，其結果與材料沖擊韌度的具體值很接近，其表達式為

(5)

與試件應力計算一樣，簡化的三波法也可用于SEA的數據處理，因為實驗采集到的入射信號和反射信號非常接近，所以SEA可以僅用透射信號計算

(6)

式中：T為試樣完全損壞的時刻，其他物理量與前述相同。

SEA是分析蒸壓加氣混凝土沖擊韌性的評價指標，其隨平均應變率的變化規律如圖10所示。

結果表明：①蒸壓加氣混凝土的沖擊韌性隨應變率的增加而不斷提高；②蒸壓加氣混凝土的密度越大，沖擊韌性在相同的應變率下越大。通過擬合可以得到相關關系公式，對于密度為425 kg/m3的蒸壓加氣混凝土試件

(7)

對于密度為625 kg/m3的蒸壓加氣混凝土試件

(8)

公式表明SEA與平均應變率的對數呈線性關系，隨著平均應變率的增加，沖擊韌性的增加速度逐漸放緩。

圖10 SEA與平均應變率的變化關系曲線Fig.10 The law between SEA and of AACs

5 結 論

通過對準靜態和動態試驗數據進行分析，主要可以得到以下6個結論：

(1)蒸壓加氣混凝土試件在準靜態試驗中的破壞形式主要是劈裂破壞，且其抗壓強度隨應變率和密度的增加而增加。

(2)在SHPB試驗中，針對蒸壓加氣混凝土類材料波速和波阻抗較低，從而引發試件內部應力不均勻和透射信號弱的問題，可以分別采用波形整形器和半導體應變片進行解決。

(3)蒸壓加氣混凝土試件在動態荷載作用下，會依次經歷彈性壓縮、屈服和完全破壞3個階段。

(4)蒸壓加氣混凝土的動態強度增長因子與平均應變率的自然對數成線性關系。

(5)在沖壓狀態下蒸壓加氣混凝土存在應變率敏感閾值，當應變率超過這個值時，試件的抗壓強度將明顯增加。

(6)隨著平均應變率和密度的增加，蒸壓加氣混凝土的沖擊韌性不斷增加且沖擊韌性指標與平均應變率的對數呈線性關系。