落錘沖擊荷載作用下蒸壓加氣混凝土的緩沖性能試驗研究

周 耀， 俞 斌， 郭全全， 馬 英

(1. 北京航空航天大學 交通科學與工程學院，北京 100191；2. 中國核電工程有限公司，北京 100840)

“華龍一號”核電技術是由中國兩大核電企業中國核工業集團公司(簡稱：中核、CNNC) 和中國廣核集團(簡稱：中廣核、CGN)共同研發的具有中國完全自主知識產權第三代核電技術。“華龍一號”核電技術被用于福建省福清核電站5號、6號機組。并出口巴基斯坦和英國。根據“華龍一號”堆型核電站的工藝布置，燃料廠房中的乏燃料容器運輸過程中，要考慮其可能發生的墜落事故。可能墜落地點為設備裝卸口、清洗井和裝載井，相應墜落高度為：設備裝卸口約17 m，容器清洗井約6.2 m，裝載井約13.5 m。基于上述事故工況下的安全要求，需在墜落相應位置采取緩沖措施消耗沖擊能量，保證在墜落事故發生后底(樓)板及容器的完整性，同時要保證墜落點鄰近的乏燃料水池的安全性。

提高結構抗沖擊性能的方式分為兩類：一類是通過采用高強度的材料直接提升結構的抗沖擊性能；一類是通過設置緩沖層吸收沖擊能量，減小結構所受的沖擊荷載，間接提高結構的抗沖擊性能。Wang等[1]、任曉虎等[2-3]進行鋼管混凝土的梁和柱落錘沖擊試驗研究，王璞等[4]、Zhang等[5-6]在混凝土中摻入碳纖維、鋼纖維等材料，研究表明這些方法有效提高了結構的抗沖擊性能。而以設置緩沖層的方式提升結構抗沖擊性能的研究相對較少，日本學者Kozo等[7]將火山浮石為骨料的輕質混凝土作為大壩的緩沖層，以保證泥石流沖擊情況下大壩的安全。研究表明，輕質混凝土緩沖層能減小41%結構所受的沖擊力。

緩沖層的抗沖擊性能受緩沖層材料、厚度、沖擊能量等多方面因素的影響，目前有較多關于緩沖層材料對其抗沖擊性能影響的研究。王洪欣等[8]研究了金屬面夾芯板在落錘沖擊下的動力性能及破壞情況。Dey等[9]用落錘沖擊裝置研究了纖維增強加氣混凝土(Fiber-Reinforced Aerated Concrete, FRAC)的低速彎曲沖擊響應，并與蒸壓加氣混凝土(Autoclaved Aerated Concrete, AAC)作了比較。而緩沖層抗沖擊性能與厚度、沖擊能量的關系，目前還缺少系統的研究。事實上，緩沖層厚度對緩沖層的設計至關重要。若厚度過小，其抗沖擊性能達不到要求；若厚度過大，不僅浪費材料，還會占用較大的使用空間。因此，研究緩沖層厚度對其抗沖擊性能的影響是很有必要。

以AAC材料為研究對象，利用落錘沖擊試驗裝置，研究了AAC厚度和沖擊能量對抗沖擊性能的影響，為緩沖層的最佳厚度的設計提供依據。

1 試驗設計

1.1 靜力性能試驗

試驗采用干密度等級為B04的AAC試件，參照國家標準《蒸壓加氣混凝土砌塊標準》GB 11968—2006，取3個尺寸為100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，對其干密度和抗壓強度進行了試驗。試件的抗壓強度的測試在液壓萬能試驗機WAW-1000B上進行，如圖1所示，試驗所得的干密度與抗壓強度的均值如表1所示。

圖1 靜力試驗裝置Fig.1 Static test device

試驗材料干密度/(kg·m-3)抗壓強度/MPaB04 AAC3933.0

1.2 抗沖擊性能試驗

抗沖擊性能試驗試驗選用的B04 AAC試件的平面尺寸為150 mm×150 mm。根據試驗時沖擊能量和試件厚度的不同，將AAC試件分為20組。每組設置6個平行試件，共120個試件，試件分組見表2。

表2 試驗分組Tab.2 Test groups

沖擊試驗在XJL-300B型雙管式導向落錘沖擊試驗機上進行，落錘質量為10 kg，錘頭直徑5 mm，見圖2(a)和圖2(b)。量程為10 t的傳感器與兩塊鋼板用螺栓固定，試件放置于上鋼板上，四周由固定角鋼圍護，角鋼與試件的邊緣相距5 mm，見圖2(c)和圖2(d)。下鋼板則固定于落錘試驗機底板上。

圖2 沖擊試驗裝置Fig.2 Impact test device

試驗時，放置好試件，將落錘升至預定高度并釋放，使其做自由落體運動，用傳感器記錄碰撞過程中的沖擊力。

2 試驗結果及分析

2.1 沖擊力最大值

由傳感器記錄的沖擊力時程曲線可以得到每次試驗的沖擊力最大值，對每組6個試件的沖擊力最大值取平均數，得到如表3所示的結果。圖3為各落距條件下AAC試件沖擊力最大值隨厚度的變化關系曲線。可見在沖擊能量相同時，隨著試件厚度的增大，AAC試件的沖擊力最大值總體上是先減小后增大的。

表3 各組沖擊力最大值Tab.3 Maximum impact force of each group

圖3 沖擊力最大值隨厚度變化關系曲線Fig.3 Relationship cuves of maximum impact force and thickness

2.2 削峰率

為了更加直觀的表示AAC試件在落錘沖擊荷載作用下的緩沖性能，Kozo等引入了削峰率的概念，定義削峰率為

(1)

式中：F1為未布置AAC材料情況下傳感器測得的沖擊力最大值；F2為相同條件下布置了AAC材料情況下傳感器測得的沖擊力最大值。削峰率可以表示由于AAC材料的布置導致的沖擊力最大值的削弱程度，削峰率越大則緩沖效果越好。

在不布置AAC試件的情況下，測得了4個落距條件下的沖擊力最大值F1，由此計算出各組試件的削峰率，如表4所示。圖4為削峰率隨厚度的變化關系曲線。可以看出，在沖擊能量相同時，隨著試件厚度的增大，削峰率總體上是先增大后減小的。

表4 各組試件的削峰率Tab.4 Reduction ratio of each group

圖4 削峰率隨厚度的變化關系曲線Fig.4 Relationship cuve of reduction ratio and thickness

通過以上幾點的分析，可以得到在一定的沖擊能量下，AAC材料的緩沖效果與其布置的厚度有較大的關系，厚度較大或者較小時其緩沖效果均不好。因此一定存在一個最佳厚度，使得AAC材料的緩沖效果最好。

2.3 沖擊力最大值的公式擬合

為計算最佳厚度，需要得出在布置了AAC材料情況下的沖擊力最大值F2的計算公式。在計算削峰率時，得到了未布置AAC情況下傳感器測得的沖擊力最大值F1，經計算F1與落距的平方根(或碰撞時速度)有著高度的線性關系。

由此關系可以得出F1的計算公式。為使公式更具有一般性，考慮到邊界條件h=0時，F1應為落錘的重力，于是得到

(2)

式中：F1單位為N；h為落距，m；m為落錘質量，kg；g=9.8 m/s2。

式(2)的擬合優度R2=0.979 5。公式計算結果的相對誤差見表5。可以看出式(2)與試驗吻合良好。

表5 式(2)的相對誤差Tab.5 Relative error of formula (2)

F2可以看作是F1由于布置了AAC材料后減少了ΔF。計算各組試件的ΔF，其隨厚度的變化規律見圖5。可以看出，ΔF和落距和試件的厚度有關。當落距一定時，ΔF隨厚度是先增大后減小的；而試件厚度一定時，ΔF隨著落距增大。并且可以得到，ΔF非負，當厚度或者落距為零時，ΔF為零。

圖5 ΔF隨厚度的變化關系曲線Fig.5 Relationship cuves of ΔF and thickness

根據ΔF的規律，假定ΔF關于厚度d與落距h的表達式為

(3)

式中：k1，k2為待定系數。式(3)和之后的公式中，力的單位均為N，厚度與落距的單位均為m。

F2可以表示為

(4)

用式(4)對本次試驗的數據進行擬合， 得出k1=941.29，k2=1.905×10-3， 擬合優度R2=0.848 2。即

(5)

用式(5)可以得到各個落距條件下的沖擊力最大值和厚度的關系曲線，與實驗結果作對比，得到圖6所示的結果。可見公式與試驗結果符合得較好。

圖6 公式計算與試驗的沖擊力最大值對比Fig.6 Maximum impact force comparison of formula calculating and experimental results

2.4 最佳厚度的計算方法

在確定了F2的計算方法之后，在落距h一定的情況下，計算F2的極小值點，可以得到最佳厚度的表達式

(6)

用式(6)計算了各落距下AAC材料的最佳厚度，并用式(5)計算了最大沖擊力，得到表6所示的結果。將計算所得的結果與試驗結果進行對比，如圖7所示，圖中標記的點表示各個落距下計算所得最佳厚度。可見，計算結果與試驗結果較為吻合。

表6 最佳厚度的計算結果Tab.6 The optimum thickness calculating results

圖7 最佳厚度計算結果與試驗結果對比Fig.7 The optimum thickness of formula calculating and experimental results

3 破壞機理分析

3.1 破壞形態

各組AAC試件沖擊后的破壞形態主要有兩種：劈裂和凹陷，如圖8所示，圖中的數值表示AAC試件的厚度。試件在自身厚度較小時，沖擊后會劈裂成較多碎塊，隨著厚度的增大，其裂紋、碎塊數逐漸減少，并且在厚度足夠大時，沖擊后試件表面只會產生凹陷，而不會產生劈裂。并且厚度一定情況下，在沖擊能量較大時，試件更容易產生劈裂。

圖8 各組AAC試件破壞形態Fig.8 Destruction pattern of AAC specimens in each group

3.2 耗能機理

沖擊之后，試件呈現出劈裂和表面凹陷的破壞形態，這兩種破壞形態也是AAC材料耗能的主要方式。在沖擊過程中，沖擊力克服AAC材料內部的化學鍵做功，發生的主要能量變化是沖擊動能轉化為AAC材料表面能，沖擊后新生成的表面積越大，沖擊能量轉化的就越多，緩沖效果越好，沖擊力最大值也越小。

各個厚度的試件表面都產生了凹陷，而各個厚度AAC試件表面凹陷增加的表面積差別不大，但其劈裂破壞的程度差別較大，新生成的表面積差別較大。

在AAC材料厚度較小時，其沖擊后劈裂的裂縫數較多，但因為厚度較小，增加的表面積不大。隨著AAC材料厚度增大，沖擊后其劈裂的裂縫數逐漸減少，但由于厚度逐漸增大，新增表面積是先增大后減小的。在AAC材料的厚度足夠大時，就不會產生劈裂破壞，但微觀上其內部會產生微裂縫，并且可以推定厚度越大微裂縫越少，新增表面積越小。綜上所述，隨著厚度的增大，沖擊能量轉化的表面能先增大后減小，即AAC材料消耗的沖擊能量先增大后減小，所以最大沖擊力隨厚度先減小后增大。

在實際工程中，沖擊速度和沖擊能量都會比本試驗大很多，但是AAC材料通過破碎增加表面能的耗能方式不會變。在設計緩沖層的厚度時，應該考慮使沖擊后緩沖層的新增表面積達到最大，以盡可能的吸收沖擊能量，達到較好的緩沖效果。

4 結 論

(1) 在沖擊能量一定的情況下，AAC材料的沖擊力最大值隨著厚度的增大先減后增，其緩沖效果在厚度較大或較小時都不好。因而存在一個最佳厚度，在該厚度下材料的緩沖效果為最好。

(2) 未布置AAC材料情況下的沖擊力最大值與落距的平方根(或碰撞時速度)有較好的線性關系。由此關系得出了布置AAC材料情況下沖擊力最大值與厚度和落距的關系式，并推算出了最佳厚度的表達式。

(3) 沖擊后AAC材料的破壞形態為劈裂破壞和表面凹陷。劈裂破壞的嚴重程度與沖擊能量和試件厚度有關，沖擊能量越大，試件厚度越小，破壞越嚴重。試件厚度足夠大時，沖擊后試件不會被劈裂，試件表面會出現凹陷。

(4) AAC材料在沖擊過程中，將沖擊動能轉化為自身的表面能，新增表面積越大，轉化的沖擊動能越多，緩沖效果越好。