混凝土材料的动态力学性能分析

李泽轩

摘 要：混凝土的应用范围比较广泛，特别是在建筑、桥梁等各个工程项目都离不开混凝土材料。因此，混凝土材料作为最广泛的建筑材料，有必要对其动态力学性能进行研究和探讨。该文对混凝土材料的动态力学性能进行分析，先后进行冲击压缩实验、损伤演化实验，并对损伤型动态本构关系进行研究，针对混凝土材料进行动态力学性能相关实验思想的研究和探讨。

关键词：混凝土材料 动态力学 SHPB 性能

中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（a）-0221-01

混凝土是应用最为广泛的工程材料，各种工程方面都离不开混凝土材料的应用。但是混凝土材料也存在许多问题，包括材料质地比较脆弱、内部组成部分相对复杂、骨料的尺寸较大以及均匀性不太好等。因此，需要对混凝土材料进行动态力学性能的相关实验及研究。需要注明的是，SHPB实验是材料动态力学研究最为基本的方法之一，通过SHPB设备对混凝土材料的动态力学性能进行研究也存在一定的难度。由于混凝土材料比较特殊，SHPB试验的相关假设条件不容易满足。因此，该文结合混凝土材料的特性，对SHPB实验技术进行修正，以此对混凝土材料动态力学性能进行研究，不足之处，敬请指正。

1 动态力学性能研究

大部分混凝土建筑所能够承受的是较为缓慢的静态荷载，然而一部分特殊的建筑物要求可以承受一定冲击荷载、抗冲击能力以及抗层裂能力。早期大多是对弹性模量的变化进行研究，冲击试验一般是采用落锤设备。但是，落锤设备不能对惯性效应进行考虑，一些实验也无法得到应力-应变曲线，得到的数据仅仅流于表面，无法起到真正的比较作用。该文主要利用SHPB实验对混凝土材料动态力学性能进行探讨。

2 冲击压缩实验

实验结果同时证明混凝土材料一方面其应变率效应十分敏感，另一方面是对损伤也存在较为显著的影响。表1是实验数据对比情况，以此证明混凝土材料在发生变形时，除了应变率效应之外，还有其他两种效应，分别是应变硬化效应以及损伤软化效应。如果混凝土试件材料承受比较小的冲击载荷，那么混凝土所承受的损伤软化效应不是太显著。所以，混凝土材料的整体表现可以总结为先应变硬化，也就是应力会跟随应变的增大而增大；随着冲击载荷逐渐增大，同时微裂隙也随之扩大，损伤软化效应会逐渐增长到和应变硬化效应保持一致；如果冲击载荷持续增大，损伤软化效应会逐渐加大，混凝土材料失稳，试件坍塌。

3 损伤演化实验

实验数据证明，微裂隙、微空洞等混凝土损伤的出现会造成材料软化情况，实际上最为明显的损伤软化效应，对混凝土材料的影响更加显著。混凝土材料的组成部分相对复杂，在成型时内部本身就存在许多微裂纹和微空洞，所以对这些损伤演化过程进行研究也是该文重要组成部分。因为从微观上对损伤进行研究存在一定的难度，因此只能换个角度，从宏观的角度对其进行分析研究。也即是从宏观的层次对损伤定义，用材料试件受损伤而引发宏观力学性能参数产生的变化对损伤进行度量。

混凝土材料一旦出现问题，弹性模量就会发生变化，因此也可以对损伤因子D进行确定，从而可以得到混凝土材料损伤演化方程，由此还得出损伤冻结实验。具体是指试件在受到冲击压缩时，材料问题是如何出现和发展，同时被限制于某一个固定的应变值上，因此可以得出应变损伤值。这个数值一般是利用控制套在试件外面钢环的高度来得出，应变率的数值利用控制子弹撞击速度来得出。本次共做了4组实验，每次实验的应变率有所区别，应变控制范围处于2000μ～3000μ之间，应变率分别设置为23/s，35/s，45/s，60/s。

4 损伤型动态本构关系

混凝土材料应变率进行大跨度动静态压缩实验，得出的结果证明材料有显著的应变率效应，在高应变率范围更加敏感，所以应变率效率无法用Seeger模型进行描述，可以利用朱-王-唐等人提出的非线性粘弹性本构方程

其中，还需要按照混凝土材料实际特性，对其进行改进。一是要把平衡态应力考虑取一项，弹性的部分认为是线形的；二是损伤因子D是本构模型中重要的内变量，损伤因子也要添加进方程中。

5 实验思想

混凝土材料本身存在的破坏应变不大，而且混凝土的组成部分相对而言比较复杂，材料相当脆弱。混凝土材料在进行动态力学性能方面的试验研究过程中，在一定程度上存在较大难度。所以一些动态力学性能实验中还引入其他技术，可以适当处理大直径压杆波形弥散对材料产生的影响，从而促进测量精度的提高，继而提高混凝土材料的动态应力-应变曲线的稳定可靠性。除此之外，通过动态力学性能试验可以对混凝土材料中微缺陷进行检验。微缺陷主要包括微裂隙和微空洞，会对混凝土材料的力学性能产生较大的影响，材料在做损伤试验的过程中就可以实现对其损伤演化规律进行研究。

6 结语

综上所述，混凝土材料一方面属于应变率较为敏感的建筑材料，同时其损伤软化效益比较显著。混凝土材料的高应变率敏感性不小于准静态实验敏感性，所以无法选择一般的金属材料本构模型，该文选取的是朱-王-唐粘弹性模型。该文对有关混凝土材料动态力学性能进行研究和探讨，以及对于混凝土材料的特性研究，以及混凝土材料的应用，起到一定的促进作用。

参考文献

[1] 马孝轩.我国主要土壤对混凝土材料腐蚀性分类[J].混凝土与水泥制品，2003（6）：6-7.

[2] 陈兵，吴科如，姚武，周钟鸣，黄洪炳.损伤自诊断机敏混凝土材料研究[J].混凝土，2002（8）：3-5.

[3] 高娃，刘占江，郝英豪，韩青.浮石混凝土材料性能的试验研究[J].内蒙古工业大学学报（自然科学版），2002（2）：145-146.