沖擊荷載下早齡期混凝土力學(xué)和損傷特性的試驗(yàn)研究.pdf

1、混凝土作為應(yīng)用最廣泛的建筑材料之一，在基礎(chǔ)工程建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用。隨著實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)手段的改進(jìn)，人們對(duì)混凝土展開了全方位的研究:從宏觀到微觀，從靜載荷到動(dòng)載荷，從穩(wěn)定齡期到早齡期，從添加劑到鋼纖維等等，在不斷完善對(duì)混凝土認(rèn)識(shí)，并促進(jìn)了混凝土力學(xué)特性的改善。然而混凝土從制成到其穩(wěn)定發(fā)揮作用一般需要28天，隨著社會(huì)的進(jìn)步，高效建設(shè)已是現(xiàn)代建筑理念的核心，在建設(shè)過程中，混凝土在養(yǎng)護(hù)期間不可避免會(huì)受到外界間斷性甚至是持續(xù)性的影響。在一些大斷

2、面開挖工程中，尤其是隧道和礦山巷道工程施工過程中，鉆爆掘進(jìn)法仍然是最主要的施工手段。因此，當(dāng)隧道或巷道存在多個(gè)工作面同時(shí)進(jìn)行鉆爆掘進(jìn)時(shí)，對(duì)整個(gè)隧道或巷道斷面（包括圍巖、初期噴混凝土層和二次襯砌結(jié)構(gòu)）來說，實(shí)際上要受到多次爆破的動(dòng)力擾動(dòng)作用。且在工程中，為了加快施工進(jìn)度，經(jīng)常在噴射混凝土之后不久就立即進(jìn)行爆破開挖，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)在距離爆源較近的情況下，爆破施工會(huì)使結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生累積損傷，影響混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期強(qiáng)度，使之達(dá)不到預(yù)期的支護(hù)效果。<

3、br>　　縱觀以往混凝土力學(xué)研究，主要集中在穩(wěn)定齡期后混凝土力學(xué)研究，對(duì)于早期混凝土力學(xué)研究較少，且局限于靜載條件。爆破等工序的擾動(dòng)作用不可避免的對(duì)早齡期混凝土結(jié)構(gòu)造成損傷，這不僅對(duì)工程設(shè)計(jì)提出了新的要求，例如不同的爆破藥量對(duì)不同齡期支護(hù)結(jié)構(gòu)造成不同的損傷值，那么設(shè)計(jì)過程中就應(yīng)將這一因素考慮進(jìn)去，確保遭遇外界擾動(dòng)后混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)依舊能滿足工程要求，同時(shí)在施工中，對(duì)爆破等工序應(yīng)如何采取措施來防護(hù)支護(hù)結(jié)構(gòu)也提出了相應(yīng)的指導(dǎo)，達(dá)到科學(xué)服務(wù)于工

4、程的目的。本文正是基于工程和科研的需要，針對(duì)上述情況下混凝土的力學(xué)性能展開研究，主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)早齡期混凝土靜載和動(dòng)載下單軸壓縮試驗(yàn)表明:靜態(tài)和動(dòng)態(tài)混凝土的強(qiáng)度與齡期呈對(duì)數(shù)關(guān)系增長(zhǎng);混凝土是一種應(yīng)變率敏感性材料，在應(yīng)變率20～75s-1范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)強(qiáng)度提高因子為1.19～2.53，且動(dòng)態(tài)混凝土強(qiáng)度與應(yīng)變率呈指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)，其應(yīng)變率指數(shù)隨著齡期的增長(zhǎng)而迅速降低，直至接近脆性材料應(yīng)變率指數(shù);靜態(tài)和動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變隨齡期的增長(zhǎng)整

5、體上呈減小的趨勢(shì)，其中動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變隨應(yīng)變率的提高而增大，但其增長(zhǎng)幅度隨著齡期增長(zhǎng)而變小;動(dòng)載下混凝土能耗與入射能和應(yīng)變率都呈線性關(guān)系，且變化模式相近，均為在齡期7天以前，混凝土單位體積吸收能對(duì)外界沖擊敏感性不高，但隨著齡期的增長(zhǎng)快速提高;而在齡期7天以后，隨著齡期的變化，單位體積吸收能受外界沖擊影響不大。
　　(2)50～75％臨界入射能多次沖擊條件下，早齡期混凝土經(jīng)過2～4次沖擊基本上都發(fā)生了不同程度的破壞:齡期7天以前，混凝土

6、具有一定的粘彈性，峰值應(yīng)變隨著沖擊次數(shù)的增加而減小，抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著沖擊次數(shù)的增加而提高，且多次沖擊中，沖擊入射能越小，提高作用越明顯;隨著齡期的增長(zhǎng)，混凝土逐漸顯現(xiàn)準(zhǔn)脆性材料的特性，峰值應(yīng)變隨著沖擊次數(shù)的增加整體變化不明顯，強(qiáng)度和彈性模量隨著沖擊次數(shù)和沖擊入射能的增加雖然有一定的提高，但整體變化不大;多次沖擊破壞時(shí)混凝土的累積吸收能隨著沖擊次數(shù)的增加而增加，隨著齡期的增長(zhǎng)，每次沖擊的吸收能也隨之增長(zhǎng)，與單次沖擊破壞所需的能量相比

7、，早齡期混凝土破壞累積吸收能受沖擊次數(shù)影響不大。
　　(3)沖擊條件下混凝土的破壞模式實(shí)質(zhì)上均為拉伸破壞，破壞模式整體受齡期影響較小，其中多次沖擊下混凝土的破壞形態(tài)隨齡期的變化整體上是由存在大塊到大塊度碎裂再到存在大塊的一個(gè)過程，與齡期7天以“碎”而不裂的大塊不同，齡期28天混凝土大塊布滿裂紋，整體上已經(jīng)碎裂。
　　(4)早期沖擊養(yǎng)護(hù)模式下，混凝土的力學(xué)特性主要受到?jīng)_擊作用和養(yǎng)護(hù)作用共同影響。齡期7天以前，當(dāng)外界入射能不超過

8、各齡期臨界入射能的75％時(shí)，沖擊養(yǎng)護(hù)后，混凝土表現(xiàn)出受沖擊壓實(shí)的作用。其中在早期單齡期沖擊條件下，在各自50％臨界入射能沖擊后養(yǎng)護(hù)達(dá)到穩(wěn)定齡期后破壞所需的能量影響并不大，而當(dāng)沖擊入射能達(dá)到或是超過臨界入射能達(dá)到75％時(shí)，早期沖擊作用對(duì)試樣達(dá)到穩(wěn)定齡期后抵抗外界入射能力具有明顯的降低作用;齡期7天以后，隨著混凝土脆性特性逐漸顯現(xiàn)，沖擊壓實(shí)作用和養(yǎng)護(hù)作用減弱;在50％臨界入射能沖擊條件下早期單齡期沖擊對(duì)混凝土力學(xué)特性影響不大，達(dá)到或超過75

9、％后會(huì)明顯弱化試樣達(dá)到穩(wěn)定齡期后抵抗外界入射能力。而早期多齡期沖擊條件下，齡期7天以后的沖擊過程中容易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致混凝土各方面力學(xué)性能有所下降，且隨著沖擊入射能的增大下降越明顯。除了在齡期3天以前破壞時(shí)兩者的單位體積吸收能相近外，隨著齡期的變化，單位體積吸收能與齡期呈不同模式變化;多齡期沖擊破壞累積單位體積吸收能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單次沖擊破壞單位體積吸收能，但在多齡期持續(xù)沖擊后，混凝土在后期沖擊破壞時(shí)單位體積吸收能遠(yuǎn)小于單次沖擊破壞的單位體積吸

10、收能，下降了近50％。
　　(5)根據(jù)早期混凝土力學(xué)特性隨齡期存在由有粘彈性向脆性轉(zhuǎn)變這一特性，將齡期變量引入Weibull分布統(tǒng)計(jì)損傷模型中，結(jié)合基于Kelvin模型改進(jìn)的巖石時(shí)效損傷模型，提出了能反映混凝土材料力學(xué)性能隨齡期變化的本構(gòu)模型，并通過模型曲線和實(shí)測(cè)曲線的對(duì)比對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明該模型能較好的反映出混凝土在沖擊荷載作用下其力學(xué)特性隨齡期變化的規(guī)律。
　　(6)采用基于齡期的損傷本構(gòu)模型對(duì)不同沖擊條件下早齡