端面摩擦效应对砂浆类材料动静态压缩性能的影响机制

摘要

砂浆材料是一种典型脆性材料，被广泛用于各类土木工程建设中。机场跑道、水电站大坝、核电站、海岸设施、化工厂、军事工程等建筑经常受到冲击或爆炸荷载的作用，这些重要工程其使用的主要材料都是砂浆类材料，其静动态压缩性能一直都是国内外学者的研究热点，但是对于其侧向约束的研究讨论较少，实验的边界条件描述都不够全面，比如端面是否有润滑，接触端面间的摩擦系数大小等，都没有详细介绍，且端面存在摩擦时，试件尺寸（厚径比）的影响也需考虑。
　　本文为了研究端面摩擦和厚径比对砂浆类材料动静态压缩性能的影响，首先通过准静态压缩试验来考察砂浆材料的静力压缩性能。通过试验研究发现，端面摩擦和试件厚径比两种效应以某种机制相互耦合，共同影响圆柱形试件静力压缩性能。在砂浆试件准静态压缩试验研究的的基础上，采用 ABAQUS软件建立静态压缩数值模型，对静态压缩过程中的试件厚径比以及端面摩擦系数进行了精细参数分析，发现试件端面无摩擦时，无论厚径比怎样变化，试件实际处于一维应力状态，当试件端面有摩擦时，摩擦系数越大厚径比越小其抗压强度越高，此时试件实际处于复杂应力状态。
　　其次，通过分离式霍普金森压杆（SHPB）试验来考察砂浆材料的动态压缩性能，重点研究端面摩擦与试件厚径比两因素对砂浆材料动态压缩性能的影响。通过本次试验发现，端面摩擦与试件厚径比两种效应以某种机制相互耦合，共同影响圆柱形砂浆试件动态压缩性能。在砂浆圆柱形试件动态压缩试验研究的基础上，采用 ABAQUS软件建立SHPB数值模型，对动态压缩过程中的试件厚径比以及摩擦系数进行分析，发现当试件与杆端无摩擦时，厚径比大小对其动态强度增强无影响，试件在动力加载过程中不受因端面摩擦引起的侧向约束限制，此时DIF随着应变率增强是因为砂浆材料本身的率敏感性与惯性效应引起的。而当试件与杆端的界面有摩擦时，摩擦系数一定，厚径比越小，其 DIF值随之逐渐增大，即动态抗压强度也逐渐增强；当厚径比一定而摩擦系数越大时，其DIF值越大，在这里我们引入了DIF*这一概念，即试件动态抗压强度与相同工况下（相同厚径比与端面摩擦系数）静态抗压强度的比值，发现DIF*值没有此明显规律，之前许多研究者都是用动态抗压强度与准静态强度的比值来定义 DIF，并没有发现此现象。终上所述，可以发现当端面有摩擦时，摩擦系数越大，厚径比越小，其DIF值越大，此时试件受侧向约束的影响实际处于复杂应力状态。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景和动机

1.2 混凝土类材料静动态压缩性能研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 准静态压缩试验：砂浆类材料静态压缩性能的端面效应

2.1 高精度砂浆试件的制作与加工

2.2 试验装置和测量

2.3 破坏模式识别

2.4 试验结果与讨论

2.5 本章小结

3 静态压缩下圆柱形砂浆试件的压缩性能：精细有限元分析

3.1 有限元模型建立及参数选择

3.2 静力压缩应力-应变关系

3.3 试件应力应变状态

3.4 厚径比与端面摩擦交互影响机理

3.5 本章小结

4 分离式霍普金森压杆试验：砂浆类材料动态压缩性能的端面效应

4.1 分离式霍普金森压杆（SHPB）技术

4.2 SHPB试验装置及关键技术

4.3 SHPB试验数据处理

4.4 SHPB试验结果与讨论

4.5 本章小结

5 动态压缩下圆柱形砂浆试件的数值模拟：精细有限元分析

5.1 有限元模型建立及参数选择

5.2 应力平衡及波形处理关键技术

5.3 动态压缩应力-应变关系

5.4 动力强度提高系数（DIF）及讨论

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的研究成果

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