循环冲击作用下大直径砂浆和混凝土动态力学性能试验研究

抽象的

岩爆通常伴有多次冲击。为了探索岩爆巷道充填材料的动态特性，采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验，分析了周期性冲击作用下砂浆和混凝土的动态力学响应。大尺寸试样的SHPB试验结果表明，橡胶片作为脉冲整形器的应用改善了波形形状，降低了波频散。在循环冲击作用下，砂浆和混凝土试件的峰值应力和能量利用率降低，表现出明显的疲劳特性。砂浆峰值应力和能量利用率对冲击次数敏感，混凝土峰值应力和能量利用率对冲击压力敏感。在循环冲击荷载作用下，砂浆与混凝土的损伤演化呈现出非常相似的趋势，冲击压力对损伤演化的影响最小。

1.介绍

深井开采的发展增加了深井资源地质条件的复杂性[1- - - - - -5］.在我国许多矿区，采用传统的巷道支护方法对岩爆巷道进行控制是困难的，特别是岩爆往往伴随着多次冲击。因此，研究回填材料(砂浆和混凝土)在循环冲击作用下的动力特性及其差异，对工程实践具有重要意义。

由于地下工程的复杂性，冲击地压的发生受到多种因素的影响[6］.杜等人。[7]采用三维原位应力测量，以调查岩石爆裂。Zhu等[8Heasley和Tulu [9， Li等[10[每个提出的不同分析方法，用于评估岩爆。以前通过数值模拟有效地研究了原位应力[11，12］.

Split Hopkinson压力棒（SHPB）测试装置首先是Hopkinson使用，以研究随着时间的推移压力（棒）的变化。由于其研究材料的动态力学性能，这种开创性方法随后受到了很多关注[13- - - - - -15］.Frew等人[16]通过SHPB技术确定岩石材料的应力应变数据。SHPB测试装置是基于在入射杆的冲击表面使用薄铜片来改善SHPB波形，从而在试样中产生几乎恒定的应变率。李等人[17]利用SHPB装置对花岗岩进行了多次冲击试验，结果表明，当峰值应力值在岩石静强度的60% ~ 70%之间时，每次冲击造成的损伤都很低。李等人[5通过用摆锤驱动的SHPB装置检查了经受重复冲击载荷的绿砂砂岩的降解过程。他们的测试结果可以改善对经受重复冲击载荷的岩石结构的稳定性评价的理解。Wang等人。[18探讨了花岗岩在不同温度和反复冲击下断裂形貌的微观性质。经过多年的积累和发展，目前已形成理论完整、应用广泛的SHPB技术[19- - - - - -22］.

混凝土是一种典型的异质材料，具有大的骨料大小和许多微碎片。为了确保均匀性，混凝土试样应具有相当大的规模;因此，需要大的SHPB设备进行测试[23］.大直径SHPB实验技术的一个关键瓶颈是应力脉冲在压缩杆内传播时横向惯性效应引起的几何色散[24，25］.Wang和Wang [26表示脉冲整形器可以消除入射波的高频振荡。特别地，脉冲整形器延伸了上升时间以降低横向惯性效应，并且还有利于恒定应变速率载荷，同时还降低了样品应变率。Lee等人。[27在直径为100 mm的SHPB实验中，研究了不同尺寸黄铜板材的成形效果。结果表明，成形器的厚度和直径越小，入射波上升沿越长，波形越平滑，增强了试样内部的应力均匀性。Zhu等[28]在高应变率SHPB实验中，采用特征方法评价粘弹性材料的应力均匀性，揭示了脆性粘弹性材料的应力均匀性受入射波增加的影响，上升次数过多会产生负面影响。

在本文中，使用具有砂浆的SHPB装置和混凝土作为研究对象进行循环冲击压缩测试。我们在循环冲击下比较砂浆和混凝土之间的动态力学和损伤演化。我们的结果为岩石爆发下巷道灌装材料的稳定性研究提供了理论参考。

2.SHPB测试过程

2.1。样本准备

实验使用普通硅酸盐水泥和实验室饮用水。粗骨料采用0.8 ~ 1.2 cm的常规碎石，细骨料采用天然河砂。混凝土按0.52:1:1.67:2.47(水:水泥:砂:骨料)的比例混合，静置24小时。取下试件模具，置于恒温(20℃)、恒湿(95%)的养护箱中28天。固化后，对试样进行钻孔和抛光，使端面光滑。砂浆试样由混凝土浆组成，制备方法和养护方法与混凝土相同。砂浆和混凝土试件尺寸均为71 mm × 71 mm(图1）.

2.2。实验原则

在研究材料中、高应变率力学性能时，劈裂霍普金森压杆(SHPB)被认为是最可靠的实验方法。本文采用的SHPB系统位于河海大学结构实验室，在应变速率10范围内工作²-10⁴ s⁻¹．SHPB测试装置的基本工作原理描述如下。通过气压推动子弹以冲击入射压力杆，使得事件波是在酒吧形成的。当入射波到达入射杆的末端时，其中一部分被反射形成反射波 ．剩余的波能通过样本并进入传动杆以形成透射波(图2）.

菌株 ，应变率 ，和压力测试期间的标本计算如下： 在哪里是杆中冲击波的传播速度;为试样厚度;是杆的横截面积和样本;为杆的弹性模量;和 ，和是入射，传输和反射波的应变信号。

2.3。实验方案

大直径试样将导致波分散体。为了改善初始入射波形，脉冲整形器连接到入射栏[26］.整形器可以将矩形脉冲“转换为三角形脉冲以延长其上升沿[27］.传动杆上的应变计应尽可能靠近样本，这也可以降低波形分散。凡士林应用于样品和棒之间的接触表面，以减少最终摩擦效果。通过使用SHPB制造商提供的数据处理软件应用滤波器，可以提高测试数据的准确性。在实验之前，分别进行两种黄铜和丁基橡胶板脉冲成形器的空条试验，分别具有20mm和2mm的厚度。

数字3.证明了滤波后波形的色散得到了有效的抑制。黄铜成形器的波形为矩形波形，橡胶垫片成形器的波形为上升沿较长的半正弦波。半正弦入射波形比矩形入射波形更能满足恒应变率条件，因此我们选择橡胶片脉冲整形器进行实验。

必须对同一试样进行多次冲击试验，确定临界冲击应力，以确保试样能承受多次冲击。通过控制空气压力，得到了不同振幅下的冲击应力。根据岩爆特征和前期试验，砂浆和混凝土的临界冲击压力值为0.26 ~ 0.28 MPa。因此，砂浆和混凝土分别在0.26 MPa和0.28 MPa的空气压力下进行测试。

3.实验结果与分析

3.1。应力 - 应变曲线

在进行循环冲击测试之前，进行了单轴压缩测试。砂浆的单轴抗压强度、应变、弹性模量分别为53.07 MPa、5.46 × 10^-3和13.10 GPA（图4）.混凝土对应值为31.23 MPa, 4.73 × 10^-3分别为9.97 GPA（图5）.

数字4表明，在多次撞击后，两个砂浆样品组的强度，脆性和弹性模量显着减少。对应于两组的峰强度的菌株与影响时间没有明显相关。在两个空气压力组之间的强度降低中没有观察到明显差异。

数字5结果表明，在空气压力为0.26 MPa时，混凝土试件前4次冲击强度没有明显提高。而第5次冲击时间明显减小，试件无承载能力。弹性模量随冲击时间的增加而减小。在空气压力为0.28 MPa时，与第二次冲击相关的强度显著降低。弹性模量随冲击时间的增加而明显减小。

３．２．峰值应力与循环冲击次数的关系

数字6给出了砂浆和混凝土峰值应力与循环冲击次数的关系。

砂浆和混凝土峰应力随着越来越多的冲击时间而连续降低，表明承载能力的连续劣化。砂浆样品的峰值应力随冲击压力而变化（图6(一))，而两条曲线的斜率几乎相等。随着循环冲击的数量增加，砂浆的峰值应力降低率稳定。在第四次冲击时间之后，试样CC-1的峰值应力从120.26MPa降低到22.37MPa（81.40％），而样本CC-2的峰值应力从142.40MPa降至58.15MPa（59.16％）。尽管撞击压力低，所以标本CC-1表现出峰值应力的显着降低。

HC-1和HC-2试样的空气压力分别为0.26 MPa和0.28 MPa(图1)6 (b))， HC-2曲线的斜率是HC-1曲线的两倍。具体来说，冲击次数的增加导致冲击压力的增加，从而导致混凝土峰值应力的急剧减小。反复冲击后，HC-1试样的峰值应力由74.92 MPa降至40.93 MPa (45.37%)， HC-2试样的峰值应力由87.61 MPa降至46.54 MPa(46.88%)。这两个试样的峰值应力降低幅度几乎相同。

砂浆标本的装配程度高于混凝土。尽管使用大尺寸标本可以确保混凝土样本的均匀性，但测试数据的分散仍然相对较大。在相同的冲击压力下，砂浆的初始峰值应力大于混凝土。砂浆斜率的绝对值也比混凝土的绝对值大，表明砂浆峰值应力对冲击时间的敏感性。此外，两个砂浆曲线平行，而混凝土相交。结果表明了峰值应力对冲击压力的更大敏感性。

3.3。能量利用率与循环冲击数之间的关系

由装载和卸载之间的事件和传输波和能量利用率携带的能量确定如下： 在哪里 是入射能量，传输能量和能量利用率。数字7描述了砂浆和混凝土的能量利用率与循环冲击次数的关系。

图中的曲线6和7表现出类似的趋势。随着冲击次数的增加，砂浆和混凝土试件的能量利用率均呈下降趋势。砂浆试件的能量利用率随冲击压力的变化而变化(图)7（a）)，而两条曲线的斜率几乎相等。特别是在两种冲击压力下，砂浆峰值应力的减小速率几乎与循环冲击次数的增加速率相等。第四次冲击后，CC-1试样的能量利用率由7.89%下降至0.24% (96.96%)，CC-2试样的能量利用率由10.50%下降至1.64%(84.38%)。CC-1和CC-2试样在反复冲击后能量利用率显著降低。这表明标本接近完全破损。

样品HC-2曲线的斜率为HC-1的2.64倍（图7（b）），揭示撞击数越高，冲击压力越大，混凝土样品的能量利用率的降低越大。反复影响后，样品HC-1的能量利用率从4.71％降至0.74％（84.29％），而样品HC-2的电量下降从7.50％降至0.97％（87.07％）。减少范围几乎相等。此外，砂浆样品的装配程度大于混凝土的装配程度。

在相同的冲击压力下，砂浆的初始能量利用率高于混凝土。砂浆斜率的绝对值大于混凝土的绝对值，表明砂浆的能量利用率对影响时间更敏感。此外，两个砂浆曲线平行，而混凝土相交。这表明混凝土的能量利用率对冲击压力更敏感。

3．4．损伤程度与循环冲击次数的关系

最初提出了负载卸载响应比（Lurr）由尹祥池提出[29]，基于“物理量变化”的概念提取目标培养基的损害程度。Lurr用于量化培养基的损害。公共轴向应力用作芽载变量，并且相应的应变用作响应变量。炖（ ）定义如下： 在哪里和分别为加载和卸载条件下的响应率，定义为: 在哪里和表示负荷增量和响应 ，分别。

对于弹性阶段，响应速率 ，因此， ．然而， 当载荷超过弹性极限时发生，因此， ．损坏的材料越严重，损坏的就越大价值。当系统趋于不稳定时， ．

基于断裂极限处损伤服从Weibull中尺度分布的假设[30.- - - - - -32.， Zhang等[33.，34.]建立了关系和伤害变量如下: 在哪里就是威布尔指数。

利用应力-应变曲线的加卸载段割线斜率来计算LURR，从而确定试样在每次冲击后的损伤程度(图)8）.

第一次影响是砂浆和混凝土样本最损害。特别地，对砂浆样品CC-1和CC-2的损伤分别为0.73和0.70，分别占最大损伤的78.42％和77.35％（图8(一个)）.在随后的循环撞击中，样品CC-1损伤的增加相对较小，损伤增量小于0.11。当损坏达到0.93时，负载难以忍受。试样CC-2的损伤增量在第二次冲击时接近0，而在第三和第四次冲击时，标本的损伤增量迅速增加。当损坏达到0.90时，标本无法承受负荷。最后三次影响的最大损伤递增为0.12。

第一次冲击的混凝土试样HC-1和HC-2的损伤被观察为0.78和0.70，分别占最大损害的77.98％和68.00％（图8（b））.在随后的循环碰撞过程中，两个试件的损伤积累呈现出轻微的波动。HC-1的最大损伤增量为0.072,HC-2的最大损伤增量为0.018。当损伤分别达到0.92和0.90时，两个试件均无法承受其载荷。

结果表明，循环冲击载荷下砂浆和混凝土试样之间的损伤演化趋势之间的强烈相似。在初始影响下，损害大于0.7。当损坏超过0.9时，标本不再具有承载能力。因此，当第一冲击的损伤程度大于0.7时，施力时间和压力对砂浆和混凝土损伤进化的影响相对较小。

4。结论

目前的论文是基于这样的假设，即岩爆通常伴随着连续的多次冲击。以砂浆和混凝土作为填充材料，研究砂浆和混凝土在循环冲击作用下的力学性能。得出以下结论:（1）对大尺寸试件的SHPB试验表明，采用橡胶片作为脉冲整形器可以改善波形形状，降低波频散。反复冲击后，砂浆和混凝土试件的峰值应力降低。这表明了明显的疲劳特性。（2）虽然大尺寸的混凝土样本可以保持一定水平的均匀性，但分散体相对较大。砂浆的峰值应力对撞击时间敏感，而混凝土的耐受性对冲击压力敏感。（3）随着循环次数增加，砂浆和混凝土样本的能量利用率降低。在相同的冲击压力下，砂浆的初始能量利用率高于混凝土。此外，砂浆的能量利用率对冲击时间敏感，而混凝土的电力敏感性对冲击压力更敏感。（4）在循环冲击荷载作用下，砂浆与混凝土的损伤演化趋势具有较好的一致性。冲击压力对损伤演化的影响很小。

数据可用性

用于支持本研究调查结果的实验​​数据可根据要求从相应的作者获得。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

基金资助:国家自然科学基金项目(no. 41831278, no. 51579081, no. 51709184);Y118008)。

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