混凝土恒定围压下冲击加载实验装置研制

张磊，何 翔，王晓峰，孔德锋

(总参工程兵科研三所,河南洛阳471023)

摘要：研制可实现混凝土、岩石及土等非均匀材料恒定围压下轴向冲击压缩加载实验装置，研究复杂应力状态下高应变率力学性能。该装置通过围压油缸及轴向油缸对试件施加静水压，利用大直径分离式Hopkinson压杆(SHPB)进行轴向冲击加载，测量恒定围压下材料动态应力-应变曲线。该装置具有冲击加载前试件处于静水压状态、轴向冲击加载过程中试件围压保持恒定不变等优点。结果表明，围压对混凝土材料动态力学性能影响明显。

关键词：Hopkinson压杆；围压；冲击；动态力学性能；混凝土

中图分类号:O347.4文献标志码：A

基金项目：国家自然科学基金(51175518)

收稿日期：2014-07-16修改稿收到日期：2014-11-06

Development of an impact loading test device for concrete under constant confining pressure

ZHANGLei,HEXiang,WANGXiao-feng,KONGDe-feng(The Third Engineering Scientific Research Institute, the Headquarters of the General Staff, Luoyang 471023, China)

Abstract:For detecting the mechanical property of high strain rate of concrete, rock, soil and other non-uniform materials under complex stress state, an experiment device to perform axial impact loading with constant confining pressure was exhibited. The hydrostatic pressure state of specimen was created by using the confining and axial oil cylinders. The axial impact loading on specimen was achieved with large diameter split Hopkinson bar (SHPB) and the dynamic stress-strain curves under constant confining pressure were presented. The advantages of the device are the specimen is under hydrostatic pressure state before applying the axial impact load; the confining pressure of specimen keeps constant during the axial impact loading process. The experiment results denote that the confining pressure has an obvious effect on the dynamic mechanical performance of concrete.

Key words:Hopkinson pressure bar; confine pressure; impact; dynamic mechanical property; concrete

工程结构中混凝土材料往往处于复杂应力状态，研究表明，混凝土具有明显的压力敏感性，即应力状态对力学性能有明显影响，二向或三向受压时其强度、韧性会显著高于单向应力状态[1]。混凝土力学性能也具有明显的应变率效应，在承受地震、撞击、弹丸侵彻及爆炸载荷等强动载作用时会产生高速变形，力学性能与准静态差别较大[2-3]。目前混凝土准静态载荷作用的力学性能研究较成熟，单轴、常规三轴及真三轴等不同应力状态下强度、变形及本构关系研究等均取得丰硕成果[4-5]。限于实验技术，混凝土材料在高应变率复杂应力状态下的力学性能研究较薄弱，已成为遏制发展瓶颈[6]。

混凝土高应变率力学实验有分离式Hopkinson压杆(SHPB)及气炮平板撞击两种。其中SHPB只能进行一维应力状态的冲击加载，而平板撞击实验为一维应变状态，远不能满足材料力学性能的充分认识。为利用SHPB进行三向应力冲击加载实验，已发明被动围压SHPB[7]、三轴SHPB[8]及主动围压SHPB[9]等技术。其中主动围压SHPB实验通过流体(水、油或空气等)对试件施加静态围压，利用SHPB对试件轴向冲击加载。由于主动围压实验可产生能调控的围压，便于研究材料复杂应力状态的力学性能，故在岩石[10]、水泥砂浆[11]及混凝土[12]动力学性能研究中广泛应用。而主动围压SHPB实验设备存在明显不足，即①仅对试件径向施加静压、轴向施加与径向不同压力，Ross等[13]均采用此种加载方式。该实验与准静态常规三轴实验中试件应力状态相差甚远，较难真实反应常规三轴应力状态下材料的冲击动力学性能。为解决此问题，李夕兵等[14]发明的动静组合加载岩石力学实验装置，通过轴向油缸对试件施加轴向预应力，实现常规三轴应力状态下的冲击加载。该装置分别采用两路单独液压系统对围压、轴向油缸增压，无法保证预加静压过程中试件所受围压与轴压相等，仍无法满足冲击加载前试件处于静水压状态。②主动围压SHPB的围压油缸容积较小，冲击过程中会产生围压波动[15]，会对实验结果产生明显影响[16]。

因此，需对SHPB主动围压实验设备进行改进，以满足冲击加载前使试件处于静水压状态，并在轴向冲击加载过程中试件所受围压能保持恒定，实现与准静态常规三轴实验类似的冲击加载。

1常规三轴冲击加载实验装置组成及原理

本文研制的常规三轴冲击加载实验装置即主动围压SHPB装置，可实现静水压状态下试件轴向冲击压缩加载。实验装置示意图见图1，包括1.高压气炮，2.撞击杆，3.入射杆夹持装置(3-1.固定支座，3-2.碟簧，3-3.卡盘)，4.入射杆，5.围压油缸，6.高压油管，7.透射杆，8.吸收杆，9.吸收杆夹持装置(9-1.卡盘，9-2.碟簧)，10.轴向油缸，11.缓冲支座，12.均衡油缸，13.高压溢流阀，14.泵站截止阀，15.电动液压泵，16.手动加压泵，17.轴向油缸截止阀，18.围压油缸截止阀。

图1　常规三轴冲击加载实验装置示意图 Fig.1 Scheme of the conventional tri-axial impact loading test device

1.1液压系统

由于围压油缸容积远大于轴向油缸，若利用加压泵及三通接头直接为围压、轴向油缸泵油增压，泵油时轴向油缸增压远大于围压油缸，与静态常规三轴实验试件处于静水压状态显著不同。为使预加静水压过程围压油缸内压力与轴向油缸时刻保持相等，在液压系统中串联一大容量均衡油缸，高压油由手动加压泵传输至均衡油缸，再由均衡油缸同步增压给围压油缸、轴向油缸，以减缓升压速度，降低泵油中围压油缸与轴向油缸压力差。而大容量均衡油缸可起蓄能器作用，减少油压脉动，缩短液压系统中压力平衡时间[17]。

为平衡轴向油缸的水平推力并对试件产生轴向静压，在入射杆左端布设入射杆夹持装置，通过卡盘、碟簧与固定支座相连，见图2。由于轴向油缸活塞杆直径、吸收杆、透射杆及试件直径均100 mm，试件所受轴向压力与轴向油缸内压力相同，均等于试件围压。使实验前试件处于给定压力的静水压状态，撞击杆轴向撞击入射杆产生入射应力波对试件冲击加载。轴向冲击加载时轴向油缸会因承受较大冲击载荷损坏。设计中可用措施保护轴向油缸，即①在轴向油缸的高压油管中设置高速溢流阀，当轴向冲击荷载以应力波形式传播到轴向油缸活塞杆时，轴向油缸内压力增加可通过溢流阀快速卸载；②吸收杆靠近轴向油缸端设有透射杆夹持装置，其卡盘与轴向油缸缸体间预留少许间隙吸收杆向右运动时卡盘会与缸体接触，冲击载荷通过缸体传递给缓冲支座，见图3。

图2 入射杆夹持装置Fig.2Clampdeviceofincidentbar图3 透射杆夹持装置Fig.3Clampdeviceoftransmittedbar

1.2围压油缸

常规三轴冲击加载实验要求轴向冲击中围压保持不变，而引起围压增加的主要原因为试件体积变化[18]。因此围压油缸容积应足够大以减小冲击过程围压增加。围压油缸设计有效容积V0为100倍试件初始体积，设试件为线弹性响应，冲击加载中因试件体积变化引起的围压增加Δp与试件轴向应力σ1关系为

(1)

式中：E，ν分别为试件材料杨氏模量、泊松比；AL为试件初始体积，V0为加载前液压油容积；K为液压油体积模量。各参数值为：E=40 GPa，ν=0.25，V0/AL=100，K=1.8 GPa，得Δp/σ1=2.27×10-4，由此可认为冲击加载过程中围压保持恒定。

围压装置最高工作压力为30 MPa。为能对试件施加围压并防止液压油渗入试件与波导杆接触面，设计长度大于试件的耐油橡胶套，两端套在波导杆端部，试件安装于橡胶套中部。通过可精确调节的6组定位螺杆及高强钢定位套环调节、固定试件位置，定位套环壁有多个螺孔，围压缸内液压油通过螺孔渗入对耐油橡胶套施加径向压力。围压油缸内部实物见图4，定位螺杆、金属定位套及橡胶套已安装定位。围压缸内部构造见图5，其中2为围压缸体，3为定位螺杆，4为金属定位套，5为耐油橡胶套。

图4 围压油缸照片Fig.4Photoofconfinepressureoilcylinder图5 围压油缸构造图Fig.5Structuraldrawingofconfinepressureoilcylinder

2实验过程

恒定围压SHPB实验主要过程为：①调节定位螺钉使试件定位支撑套与波导杆同轴；②装配试件，挤紧入射杆、试件及透射杆，安装并密封围压油缸端盖；③打开电动泵站、轴向油缸及围压缸截止阀，打开电动泵站电机给整个油路泵油至围压缸排气孔出油为止。关闭电机、泵站截止阀，调整溢流阀压力阈值为设定的围压值或略高；④通过手动加压泵给均衡油缸增压，利用均衡油缸同步给围压缸、轴向油缸增压至所需围压。⑤打开气炮控制阀进行冲击实验并采集实验数据。

3实验结果

利用研制的常规三轴冲击加载实验装置进行C60混凝土材料在围压5 MPa、15 MPa及20 MPa下冲击实验。为减小波的弥散及入射杆上安装卡盘对杆中应力波形影响，采用波形整形器。

(2)

式中：E，C0，A0为波导杆杨氏模量、弹性波速及横截面积；AS，ls为试件横截面积、长度；εi(t)，εt(t)为波导杆入射应变波及透射应变波。

图6　压杆应力波形 Fig.6 Stress wave profiles in pressure bars

C60混凝土在20 m/s撞击速度、不同围压下应力-应变曲线见图7，其中围压0 MPa即单轴SHPB实验。结果表明，围压对混凝土应力-应变曲线影响明显。单轴时材料破坏特征为典型脆性破坏，峰值应力前塑性变形较小，之后材料内部裂纹快速失稳扩展贯通导致试件破碎，具有明显的应变软化现象。而围压冲击实验中，围压能限制试件裂纹扩展，使材料进入屈服后具有一定强化特征，材料强度、韧性均较单轴提高明显。

围压15 MPa时围压油缸内油压时程曲线见图8，在整个冲击加载过程中，围压波动幅度小于0.01 MPa，能满足冲击加载的围压恒定要求。

为显示围压对混凝土强度影响，定义围压增长因子CIF(Confinement Increase Factor)为

图7 不同围压下应力-应变曲线Fig.7Strainpulsesofpressurebar图8 围压波形Fig.8Confinepressurepulse图9 CIF拟合结果与实验结果Fig.9CIFpredictionandexperimentresult

CIF=σ1/fcd

(3)

式中：σ1为围压下抗压强度；fcd为相同应变率下单轴压缩时材料抗压强度。

实验结果表明，CIF与无量纲围压σ3/fcd之间能近似满足线性关系，因此采用线性函数对不同应变率下CIF进行拟合，即

CIF=1+a(σ3/fcd)

(4)

式中：a为拟合系数，反应围压大小对材料轴向抗压强度的增加程度，且随应变率增高而降低。

式(4)预测结果与实验值对比见图9，可见两者能较好吻合。

4结论

介绍常规三轴冲击加载实验装置研制过程，利用该装置进行不同围压下混凝土材料动力学性能实验研究，结论如下：

(1)利用大容量均衡油缸为围压油缸及均衡油缸同步增压，能满足冲击加载前试件处于静水压状态；大容量油缸能消除冲击过程中围压波动。实验中围压基本恒定，满足常规三轴实验条件，能获得恒定围压下轴向应力-应变关系。

(2)混凝土动力学性能受围压影响明显，围压增高，材料强度、韧性明显增加。所建动态CIF经验公式的拟合系数a随应变率增高而降低，即围压对混凝土轴向抗压强度的增加效应随应变率增加而降低。

参考文献

[1]ChenW F, Saleeb A F. Constitutive equations for engineering materials, elasticity and modeling(Vol.1)[M]. New Jersey:John Wiley & Sons Inc. 1982.

[2]Malvern L E, Jenkins D A, Tang T X, et al. Dynamic compressive testing of concrete[C]//CA ross and PY thompson, proceedings of 2nd symposium on the interaction of non-nuclear munitions with structures[A]. Florida: US Department of Defense,1985:194-199.

[3]梁磊,顾强康，原璐.AFRP约束混凝土多次冲击试验研究[J].振动与冲击,2013,32(5):90-95.

LIANG Lei, GU Qiang-kang, YUAN Lu. Experimental research on AFRP confined concrete under repeated impact [J].Journal of Vibration and Shock,2013,32(5):90-95.

[4]Mansur M A, Chin M S, Wee T H. Stress-strain relationship of high-strength fiber concrete in compression [J]. Journal of Materials, 1999, 11(1): 21-29.

[5]武建华,于海洋,李强,等. 定围压比作用下混凝土轴向受压性能试验研究[J]. 实验力学,2007, 22(2):142-148.

WU Jian-hua,YU Hai-xiang,LI Qiang, et al. Experimental study on axial property for concrete with constant surrounding pressure ratio[J]. Journal of Experimental Mechnaic,2007, 22(2):142-148.

[6]Yu Mao-hong. Advances in strength theories for materials under complex stress state in the 20thcentury [J]. Appl. Mech., 2002, 55(3):169-218.

[7]Gong J C, Malvern L E. Passively confined tests of axial dynamical compressive strength of concrete [J]. Experimental Mechanics, 1990, 30(3):55-59.

[8]Albertini C, Cadoni E, Labibes K. Study of the mechanical properties of plain concrete under dynamic loading [J]. Experimental Mechanics, 1999, 39(2): 137-141.

[9]Christensen R J, Swanson S R, Brown W S. Split-Hopkinson-bar tests on rock under confining pressure [J]. Experimental Mechanics, 1972, 12(11): 508-513.

[10]吕晓聪,许金余,葛洪海.围压对砂岩动态冲击力学性能的影响[J].岩石力学与工程学报, 2010, 29(1):193-201.

LÜ Xiao-cong, XU Jin-yu, GE Hong-hai. Effects of confining pressure on mechanical behaviors of sandstone under dynamic impact loads [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(1):193-201.

[11]薛志刚，胡时胜．水泥砂浆在围压下的动态力学性能[J]．工程力学,2008,25(12):184-188.

XUE Zhi-gang，HU Shi-sheng．Dynamic behavior of cement mortar under confining pressure [J]．Engineering Mechanics, 2008,25(12):184-188.

[12]Schmidt M J. High pressure and high strain rate behavior of cementations materials experiments and elastic/visco-plastic modeling [D]. Florida: University of Florida, 2003.

[13]Ross C A,Schmidt M J. The interaction of kinetic energy penetration with geomaterials and concrete[R]. AFRL-SR-BL-TR-99-0033,Florida: University of Florida, 1999.

[14]李夕兵,周子龙,邓义芳,等. 动静组合加载岩石力学实验方法与装置[P]. 中国,200510032031,2006-02-08.

[15]Malvern L E, Jenkins D A. Dynamic testing of laterally confined concrete[R]. AD-A242 317, Florida: Engineering Research Division, 1989.

[16]Gerard G, Bailly P. Behavior of quasi-brittle material at high strain rate, experiment and modeling [J]. Eur. J. Mech. A/ Solids, 1998, 17(3): 403-420.

[17]王佳,傅连东,袁昌耀,等.蓄能器在AGC液压系统中吸收液压冲击的研究[J]. 液压与气动,2009(6):17-19.

WANG Jia，FU Lian-dong, YUAN Chang-yao, et al. Research on hydraulic accumulator absorbing pressure pulsation in the AGC hydraulic system[J].Chinese Hydraulics and Pneumatics, 2009(6):17-19.

[18]Chen W, Lu F. A Technique for dynamic proportional multiaxial compression on soft materials [J]. Experimental Mechanics, 2000, 40(2):226-230.

第一作者胡均平男，教授，博士生导师，1964年7月生