含軟夾層砂漿試件沖擊特性實驗分析

王建國，羅世云，張智宇，馬 軍，張小華

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，昆明 650093；2.云南省中-德藍色礦山與特殊地下空間開發(fā)利用重點實驗室，昆明 650093；3.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設計研究院有限公司，昆明 650051)

砂漿材料作為砌體結構的粘結材料，廣泛應用于山區(qū)道路、房建、礦建等工程的擋土墻澆筑及固坡施工，對砌體結構的抗沖擊性能起到重要作用[1]，也常用于模擬巖石在爆炸動荷載下的力學性能[2]，研究其在動載下的力學行為有助于分析砌體結構在地震荷載[3-4]、沖擊荷載[5]等工況下的響應特征。文獻[6-7]基于數(shù)值模擬剝離了SHPB實驗中慣性效應對砂漿材料動態(tài)強度的影響并驗證了其優(yōu)越性；文獻[8-11]通過SHPB沖擊實驗分析了節(jié)理傾角、節(jié)理厚度、節(jié)理填充材料及加載應變率對水泥砂漿模擬的巖石材料動態(tài)力學性能的影響；文獻[8]研究表明C30混凝土和泡沫混凝土組成的硬-軟分層材料中的軟介質具有很好的抗高速沖擊和削波作用；文獻[12]利用改進的SHPB裝置研究了水泥砂漿節(jié)理面在壓剪復合加載下的動態(tài)界面滑移特性；文獻[13-14]按照能量觀點，全面分析了矢量波通過軟弱夾層的傳播特性，提出一種考慮夾層內一次反射波的動力響應模型，適用于層狀介質的動力響應問題分析。以上文獻僅研究了單獨一種砂漿類材料或硬-軟混凝土分層材料的動態(tài)響應特征，然而，當?shù)蜐舛壬皾{作為軟夾層與較高強度材料組成復合結構時，對其動力響應和抗沖擊性能的研究較少。為在防護工程中充分利用軟材料的吸能作用，筆者借助SHPB動力學實驗裝置，對含軟夾層的分層砂漿材料開展不同速度的沖擊力學實驗，分別從動態(tài)強度特性、能量傳遞規(guī)律、損傷變量和破壞模式角度，對軟夾層復合砂漿結構的動態(tài)響應特性進行分析，以期指導復雜動荷載條件下的防護結構選型。

1 實驗設計

1.1 分層砂漿試件的制備

為省去不同尺寸試件之間的強度轉換，本次靜載和動態(tài)沖擊實驗的砂漿試件規(guī)格統(tǒng)一按圓柱體(100 mm×φ50 mm)設計，選擇2種材料配比組合(見圖1)，材料A和材料B的水泥、砂子、水的質量比分別為1∶2∶0.45和1∶4∶0.6，為3層制作，分層界面方向與試件軸向垂直，即分層角度為0°，中間夾層用水泥含量低的材料B。

圖1 分層水泥砂漿試件Fig.1 Laminated cement mortar specimens

1.2 靜態(tài)單軸抗壓強度

用萬能實驗機(見圖2)對材料A、B和含夾層的砂漿試件進行靜態(tài)力學參數(shù)測試，各材料的物理力學參數(shù)如表1所示。

圖2 砂漿試件單軸抗壓實驗Fig.2 Uniaxial compression test of mortar specimen

表1 水泥砂漿材料的物理力學參數(shù)

1.3 動態(tài)沖擊實驗裝置

分層砂漿試件動載下能量傳遞特性及破壞模式研究在分離式霍普金森壓桿(SHPB)上完成，裝置如圖3所示，子彈及各桿件均為直徑50 mm的鋼質材料，密度7 100 kg/m3，縱波波速5 060 m/s，子彈長度0.6 m，入射桿、透射桿長2 m，吸收桿長1 m。需要強調的是，本文僅對分層澆筑砂漿試件的動態(tài)能量傳遞及破壞規(guī)律探究，忽略實驗中試件軸向和徑向的慣性效應[15]。

圖3 SHPB實驗裝置Fig.3 SHPB experiment device

2 數(shù)據(jù)處理方法

2.1 動態(tài)強度增長因子

動態(tài)強度增長因子(DIF)已成為衡量沖擊荷載下脆性材料抗壓強度隨應變率變化幅度的常用指標[16]，即

DIF=fc,d/fc,s

(1)

式中：fc,d、fc,s分別為試驗材料的動態(tài)、靜態(tài)抗壓強度。

2.2 能量方程

引用文獻[17]的能量計算方法，對本次SHPB試驗入射波、反射波和透射波的能量按下列方程計算：

(2)

(3)

(4)

ED=EI-ER-ET

(5)

式中：EI、ER、ET、ED分別為入射能、反射能、透射能和耗散能；A0、ρ0、C0分別為入射桿和透射桿的橫截面積、材料密度和彈性縱波波速；εI(t1)、εR(t1)、εT(t1)分別為入射波、反射波和透射波的應變時程曲線方程。

2.3 能量耗散比及損傷變量

依據(jù)動態(tài)加載試驗測試曲線，按式(2)～(5)計算EI、ER、ET、ED，并參考文獻[17]，按下式(6)～(9)計算各試件的能量耗散比n、總吸收能密度u、總耗散能密度eD和損傷變量d，并按式(1)計算動態(tài)強度增長因子DIF，結果如表2所示。

n=ED/EI

(6)

(7)

eD=ED/V

(8)

d=eD/u

(9)

表2 不同撞擊速度下夾層試件各能量及損傷變量的變化

3 結果分析

3.1 不同沖擊速度下的波形曲線

實驗中調整加載氣壓值以實現(xiàn)不同的沖擊速度v，以3.316、3.723、4.017、4.448 m/s沖擊速度(實驗加載實測值)下試件的應變時程曲線為例(見圖4)。由ε-t曲線可見，隨著v的提高，應變波幅值逐漸增大；v從3.316 m/s提高到4.017 m/s時，透射波幅值也逐步增大，但當v繼續(xù)增大到4.448 m/s時，透射波幅明顯減小，反射波幅增大，說明v=4.448 m/s時，含夾層砂漿試件發(fā)生破裂與脫離，阻斷了入射應力波繼續(xù)往透射桿傳遞，以反射波的形式回到入射桿。

注：圖中1、2、3、4分別為沖擊速度3.316、3.723、4.017、4.448 m/s。圖4 不同沖擊速度下的ε-t曲線Fig.4 Strain-time curves under different impact velocity

3.2 強度分析

以A材料配比完整水泥砂漿試件的靜態(tài)單軸抗壓強度(見表1)為參量，并測試其在不同沖擊速度下的動態(tài)抗壓強度值，按式(1)計算動態(tài)強度增長因子DIF，與表2中軟夾層試件對比，如圖5所示。可以看出，到達動態(tài)峰值強度之前，含軟夾層試件的DIF均小于完整試件，DIF的增加幅度也小于完整試件；完整試件在v=3.723 m/s時DIF已接近最大值，v繼續(xù)增大，DIF變化幅度很小；而夾層試件在v=4.448 m/s時DIF取得最大值且大于完整試件的最大DIF值，v繼續(xù)增大，DIF減小并逐步趨于穩(wěn)定，但仍略大于完整試件的DIF值。說明中間軟夾層對沖擊作用力起到一定的緩沖作用，延緩了動態(tài)抗壓強度的增長速率，將材料的抗沖擊速度提高了19.5%。

圖5 動態(tài)強度增長因子與沖擊速度關系Fig.5 The relationship between DIF and v

3.3 能量傳遞分析

由F組試件的EI、ER、ET、ED隨沖擊速度v的變化關系曲線(見圖6)可知，EI、ED隨v呈線性增長關系，ER隨v呈二次函數(shù)曲線增長，ET則隨v的增大先增加后減小，ER在v>4.219 m/s時增長速率加快，ET在v介于4.219～4.448 m/s之間時取得最大值，總趨勢與文獻[17-18]的研究結論一致，各能量隨速度的變化式見式(10)。這可能是由于沖擊速度大于4.219 m/s時，試件內部破裂斷開，傳遞能量方向的介質不再緊密接觸，導致反射能量增加、透射能量反而減少，耗散能呈線性增加。

圖6 不同沖擊速度下各能量變化Fig.6 Each energy change with different impact velocity

(10)

當沖擊速度在3.316～5.152 m/s區(qū)間時，能耗比n隨v變化呈線性增大關系(見圖7)，沖擊速度越大，含軟夾層試件吸收的能量比越大，可見中間軟夾層的吸能效果明顯。

圖7 能量耗散比與沖擊速度關系Fig.7 The relationship between energy dissipation ratio and impact velocity

3.4 損傷及破壞模式分析

由表2中對含軟夾層水泥砂漿試件的損傷變量計算結果，獲得損傷變量d隨沖擊速度v的變化規(guī)律(見圖8)。在3.316～5.152 m/s沖擊速度范圍內，d隨v的增大先增大后減小，符合二次多項式關系d=-0.18v2+1.62v-3.0。 結合4種不同速度沖擊后的試件破壞形態(tài)(見圖9)，可以看出：沖擊速度增至4.017 m/s的過程，d增長迅速，中間軟夾層壓密后裂紋增多，前段和后段依次出現(xiàn)貫通裂紋；v=4.017 m/s時，d=0.56，夾層試件整體沿軸向破裂成2塊，且2塊中均有貫穿裂紋；當v>4.017 m/s時，d增速減緩，v=4.448 m/s時，d取得最大值0.62，試件整體沿軸向劈裂破壞，軟夾層破碎；速度再增加，d值減小。這是由于在4.017～4.448 m/s的沖擊速度區(qū)間，中間段軟弱夾層吸收了部分沖擊能，破壞成多塊，兩端試件則沿軸向劈裂。

圖8 損傷變量與沖擊速度關系Fig.8 The relationship between damage variable and impact velocity

圖9 不同速度沖擊后的破壞形態(tài)Fig.9 Failure modes after impact at different velocity

4 結論

1)軟夾層的吸能耗散作用明顯，不僅延緩了材料動態(tài)抗壓強度的增長速率，而且將其抗沖擊速度峰值提高到了4.448 m/s，比完整試件的抗沖擊速度能力提高了19.5%。

2)入射能和耗散能隨加載速度近乎線性增長，反射能增加速率的突變點和透射能量變化的拐點發(fā)生在v=4.448 m/s附近，這是本實驗設計的軟夾層試件所能承受的動態(tài)沖擊速度峰值，跟夾層試件的組成結構有關。

3)軟夾層試件破壞時的損傷值約為0.62，損傷變量滿足d=-0.18v2+1.62v-3.0，由沖擊速度可確定損傷狀態(tài)；反之，由破壞時的損傷變量值可確定組合材料所能承受的最大沖擊速度。