EPS混凝土力学性能及抗爆、抗震性能研究

摘要

EPS混凝土是一种新型的建筑材料，由于其质量轻、具有良好的抗爆和抗震性能，目前被广泛的应用于工程结构中。因此，其力学行为和吸能特性成为近年来力学及材料科学等学科的研究热点。
　　 本文首先试验研究了不同粒径(3mm、1mm)、不同体积含量(10％、20％、30％、40％)的EPS混凝土静态压缩和静态劈裂性能。分析了不同体积含量EPS混凝土静态压缩应力-应变关系特征；分析了不同EPS颗粒粒径大小对EPS混凝土静态压缩性能的影响；研究了不同硅灰含量(20％、30％、40％)对EPS混凝土静态压缩性能的影响；建立了相对抗压强度（EPS混凝土抗压强度与基体抗压强度之比）与相对密度（EPS混凝土密度与基体密度之比）的关系；试验研究了不同粒径、不同体积含量EPS混凝土的劈裂强度；并且分析了不同计算方法（弹性方法、断裂力学方法）对EPS混凝土劈裂性能的影响；建立了EPS混凝土抗压强度与劈裂强度之间的函数关系；分析了EPS混凝土静态压缩破坏形态。
　　 借助霍普金森压杆(SHPB)对不同粒径、不同含量的EPS混凝土的动态压缩性能进行了研究。EPS混凝土具有明显的率效应；EPS混凝土在低应变率下表现出明显的三个不同的阶段：弹性区、平台区和致密区，随应变率的增加，这一特性逐渐消失；对于同样体积含量、粒径小的EPS混凝土表现出来的平台区更明显，在本文中分析了产生这种现象的物理机制；在高体积含量的EPS混凝土中，粒子尺寸效应逐渐消失；随应变率的增加，峰值应力后留有长长地“尾巴”，主要是由于EPS颗粒的粘弹性特性。利用直径为74mm的分离式Hopkinson压杆径向冲击巴西圆盘试样，测试了不同EPS颗粒粒径、不同体积含量的EPS混凝土的动态拉伸性能。实验结果表明：EPS混凝土的劈裂强度随应力率的增加而增加；在体积含量较低的EPS混凝土中，EPS混凝土的劈裂强度表现出一定的粒子尺寸效应，随EPS颗粒体积含量的增加，这一现象逐渐消失；分析了EPS混凝土动态劈裂破坏形态。
　　 采用LS-DYNA软件对含不同密度EPS混凝土夹层的隧道结构进行了抗爆性能研究。对含不同体积含量(30％、40％)EPS混凝土缓冲层的隧道结构进行了抗爆性能模拟。模拟的结果表明：在隧道的顶部加上聚苯乙烯泡沫混凝土缓冲层后，能够很好的使隧道顶部的压强峰值得到降低，并且隧道顶部压强峰值随聚苯乙烯泡沫混凝土厚度的增加而降低；建立了隧道顶部压强峰值衰减指数与聚苯乙烯泡沫缓冲层厚度即相对位移之间的关系。
　　 采用LS-DYNA软件对体积含量为40％的EPS混凝土夹层的隧道结构进行了抗震性能研究。加上40％的EPS混凝土作为缓冲材料，以此改变传统被动抗震设计方法为积极主动抗震设计。通过隧道结构的抗震性能数值模拟分析结果表明：加上缓冲层后，隧道结构最易破坏的拱顶和拱腰的压强和最大主应力能够得到明显的降低；拱顶和拱腰压强峰值平均值和最大主应力峰值平均值随缓冲层厚度增加按指数关系衰减。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．2 EPS材料的特性

1．3 泡沫混凝土的研究进展

1．4 EPS混凝土力学性能研究进展

1．5 本文的主要研究内容

参考文献

第二章 EPS混凝土静态力学性能研究

2．1 试样的制备

2．1．1 原材料与配比

2．1．2 试件制作

2．2 EPS混凝土静态压缩试验

2．2．1 不含硅灰EPS混凝土静态压缩试验结果

2．2．2 含硅灰EPS混凝土静态压缩试验结果

2．3 EPS混凝土静态劈裂试验研究

2．3．1 试验原理

2．3．2 不含硅灰的EPS混凝土劈裂试验结果

2．3．3 含硅灰的EPS混凝土劈裂试验结果

2．3．4 试样尺寸D、B和垫块宽度b对劈裂强度的影响

2．3．5 不同算法得出的不同体积含量EPS混凝土劈裂强

2．4 EPS混凝土抗压强度与劈裂强度关系

2．5 EPS混凝土破坏特性分析

2．6 本章小结

参考文献

第三章 EPS混凝土动态力学性能研究

3．1 试样的制备和试验装备

3．1．1 试样的制备

3．1．2 试验装置

3．1．3 SHPB装置原理

3．2 SHPB装置入射波形控制

3．3 不含硅灰的EPS混凝土动态压缩试验结果

3．3．1 粒径为3mm的EPS混凝土动态试验结果

3．3．2 粒径为1mm的EPS混凝土动态试验结果

3．3．3 不含硅灰EPS混凝土的峰值应力与应变率关系及其破坏形式

3．4 含硅灰的EPS混凝土动态压缩试验结果

3．4．1 EPS颗粒粒径为3mm、不同硅灰含量EPS混凝土动态试验结果

3．4．2 EPS颗粒粒径为1mm、不同硅灰含量EPS混凝土动态试验结果

3．4．3 不同硅灰含量的EPS混凝土峰值应力与应变率的关系

3．5 EPS混凝土动态劈裂试验

3．5．1 试验装置

3．5．2 动态劈裂试验结果

3．5．3 EPS混凝土动态劈裂破坏形态分析

3．6 本章小结

参考文献

第四章 EPS混凝土抗爆性能研究

4．1 ALE方法简介

4．1．1 LS—DYNA主要算法

4．1．2 ALE算法特点

4．1．3 ALE算法理论基础

4．2 EPS混凝土抗爆性能有限元模型

4．2．1 材料模型

4．2．2 衰减指数DF的定义

4．3 数值模拟结果分析

4．3．1 隧道顶部压强数值模拟结果

4．3．2 隧道项部正应力σy数值模拟结果

4．4 本章小结

参考文献

第五章 EPS混凝土抗震性能研究

5．1 计算模型

5．1．1 有限元模型

5．1．2 材料模型

5．1．3 地震反应时程分析

5．1．4 阻尼的选取

5．2 计算结果

5．2．1 拱顶压强计算结果

5．2．2 拱项最大主应力计算结果

5．2．3 拱侧压强计算结果

5．2．4 拱侧最大主应力计算结果

5．3 本章小结

参考文献

第六章 全文工作总结与展望

6．1 本文的主要研究工作

6．2 本文的主要创新点

6．3 下一步工作展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果