刚玉空心球混凝土动态特性实验研究

陆　松， 许金余, 2， 罗　鑫， 董宗戈, 王宏伟

(1.空军工程大学 机场建筑工程系，西安　710038；2. 西北工业大学 力学与土木建筑学院，西安　710072；3. 空军装备部，北京　100081; 4. 空防二处，沈阳　110000)

刚玉空心球混凝土动态特性实验研究

陆松1， 许金余1, 2， 罗鑫1， 董宗戈3, 王宏伟4

(1.空军工程大学 机场建筑工程系，西安710038；2. 西北工业大学 力学与土木建筑学院，西安710072；3. 空军装备部，北京100081; 4. 空防二处，沈阳110000)

采用φ100 mm分离式Hopkinson压杆试验装置研究了刚玉空心球混凝土(HCBC)和素混凝土(PC)在不同应变率下的冲击压缩性能，动态抗压强度和临界应变与应变率之间的关系;以材料本构能的耗散定义损伤变量，分析了HCBC和PC的动态损伤演化规律。结果表明，应力-应变曲线表现出明显的三个阶段：弹性区，平台区和致密区，HCBC的三阶段效应比PC更加明显，表明HCBC脆性小，韧性大；这两种混凝土的动态抗压强度和临界应变与应变率成线性关系，并给出了经验公式，表明HCBC是一种率相关的增强增韧材料;HCBC和PC的损伤发展可以归纳为三个阶段：损伤未发展，损伤稳定发展和损伤不稳地发展；损伤应力槛值和损伤槛值与应变率变化关系不大，损伤应力最大阀值和损伤最大阀值随应变率增大而增大，而且HCBC的损伤应力槛值低于PC的，表明HCBC的韧性较好。这为HCBC作为军事防护工程分配层的填充材料提供了理论指导。

刚玉空心球混凝土；分离式霍普金森压杆；动态抗压强度；临界应变；损伤发展

空心球材料[1]是一种新型材料。它具有较大内部空间的结构特征，是一种厚度在纳米范围内的壳层材料。能够作为轻质结构材料、电绝缘和隔热材料、催化剂载体、颜料等。氧化铝材料具有优良的物理化学性能，如硬度高，强度大和耐磨等。刚玉空心球(Hollow Corundum Ball Concrete，HCBC)集合了空心球及氧化铝的优点，具有广阔的应用前景，在军事防护工程中，刚玉空心球混凝土是应用于结构分配层的理想填充材料。

目前关于HCBC的研究多集中在刚玉空心球的制备方面。张国栋等[3]对低水泥结合氧化铝空心球轻质浇注料可行性进行了研究，表明了制备HCBC的可行性。张玲利等[4]以不同粒度氧化铝空心球为原料，以由二氧化硅微粉形成的凝胶为结合剂，制成了氧化铝空心球浇注料。孙广坦等[5]对HCBC的配置、物理及静态力学性能进行了探索性的研究，表明HCBC具有轻质、高强、吸能性较好的优异性能。Eibl等[6]在试验结果的基础上, 发展了混凝土的损伤演化方程, 建立了考虑应变历史的率相关混凝土动态本构模型, 并对试验过程进行了全过程分析; Burlion等[7]在混凝土Hopkinson单轴动力抗拉抗压试验的基础上, 建立了考虑应变率效应的混凝土单轴动力抗拉抗压损伤本构模型，王道荣等[8]根据混凝土的冲击压缩试验,用“损伤冻结”方法研究混凝土的损伤演化效应,并给出了混凝土的损伤演化方程,建立了混凝土的损伤型黏弹性本构模型。肖诗云等[9]进行了不同应变率载荷作用下混凝土单轴抗拉损伤试验,研究了应变率对混凝土单轴抗拉损伤特性的影响。关于混凝土损伤的研究比较多，但是关于混凝土损伤演化规律，尤其是关于应变率对损伤演化规律的影响的研究并不多见。不同状态下混凝土的动态特性已有一定的研究[10-11]，但是关于HCBC的动态力学性能及其动态损伤规律的研究暂无公开文献报道，本文利用Ф100 mm分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB)装置对HCBC和PC(Plain Concrete)进行冲击压缩试验,依据试验结果,分析了应变率对抗压强度和临界应变的影响，以材料本构能的耗散定义损伤，研究了这两种混凝土在不同应变率载荷作用下的损伤演化规律。

1实验研究

1.1原材料及配合比

(1) 水泥：选用陕西耀县秦岭牌42.5R P·O 水泥，其28 d的抗压强度和抗折强度分别为48.6 MPa和8.9 MPa；

(2) 刚玉空心球：苏州罗卡节能科技有限公司生产的刚玉空心球。主要化学成分为Al2O3，直径为3～5 mm，常温耐压强度为50 N，混凝土体积掺量为20%；

(3) 微硅粉：成都布氏机械工程有限公司生产的直径为0.1～0.15 μm、比表面积为15～27 m2/g 硅灰，SO2含量为85%～95%的硅灰；

(4) 减水剂：广州建宝新型建材有限公司生产的减水率为20%的粉状FDN 高效复合减水剂，按水泥质量的1%掺加；

(5) 粉煤灰：选用韩城电厂F 类(低钙)Ι级粉煤灰， 45 μm 筛余为2%，需水量比为89%，烧失量为3.0%；

(6) 细骨料：选用容重为2 630 kg/m3、细度模数为2.78、堆积密度为1.50 kg/L、含泥量为1.1%的灞河中砂；

(7) 粗骨料：选用泾阳县容重为2 700 kg/m3的石灰岩碎石(5～10 mm，15%；10～20 mm，85%)。

其配合比见表1。

1.2试件的准静态力学性能

根据表1的配合比，浇筑了标准立方体试件，标准养护28 d后，采用经改进后的HYY 系列电液伺服材料系统进行试验得到其准静态力学性能，结果见表2。

表1　混凝土配合比

表2　试件的准静态力学性能

1.3动力试件制作

针对空心球材料的特点，为改善其与水泥浆体的黏结，防止HCBC出现离析、分层，，确定采用“裹砂石法”搅拌流程。提前将FDN和水搅拌均匀待用，搅拌开始：① 将粉煤灰、硅灰和一半的水泥一起搅拌成均匀混合灰(30 s)；② 添加3/4的FDN水搅拌成灰浆(30 s)；③ 将砂加入搅拌(30 s)；④ 将石加入搅拌(30 s)；⑤ 将1/4的FDN水和一半的水泥加入搅拌(120 s)，成为均匀的拌合物，出锅后，人工边洒刚玉空心球边搅拌，直到成为均匀拌合物。浇注完成后的试件置于室内静置24 h后，对试件进行脱模、编号，标准养护28 d后把试件从标准养护室取出。一般动力试件打磨要求为：直径为99±1 mm、长度为49.5±1 mm的标准试件，并且表面不平行度不能大于0.02 mm。由于刚玉空心球的直径为3～5 mm，在打磨试件时会在表面留下许多球状的孔洞，其表面的精度可以不考虑这些孔洞的影响，动力试件打磨后的情况见图1。

图1　动力试件打磨后 Fig.1 Dynamic specimen after polishing

1.4实验装置及其工作原理

采用Ф100 mm的分离式SHPB试验装置，系统主要包括主体设备，气源和量测设备3大部分。其装置见图2。

图2　Ф100 mm SHPB实验装置Fig.2 100-mm-diameter split Hopkinson pressure bar (SHPB) apparatus

试验中采用H62黄铜作为波形整形器，其作用是消除由于大尺寸Ф100 mm装置弥散效应产生的应力波波头的过冲和波形的震荡，同时可将上升沿拉长，可以得到材料真实的响应特性[12]。

(1)

式中：E为杆的弹性模量；c为杆中波速；A、As分别为杆、试件的横截面积；ls为试件的初始厚度[14]。

1.5实验结果

利用SHPB装置分别对PC和HCBC进行动态压缩实验，分别得到这两种混凝土在不同应变率作用下的应力-应变曲线见图3。

图3　不同应变率下混凝土应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of concrete at different strain rates

由图3可知，HCBC在不同应变率下表现出明显的三个阶段：弹性区，平台区和致密区。弹性区是由混凝土基体材料孔壁(骨架)和刚玉空心球支撑引起的，孔壁和刚玉空心球屈服形成平台区，坍塌的孔壁碎块及刚玉空心球进一步压缩形成致密区。应变率39.8 s-1,61.1 s-1,101.2 s-1对应的平台区平均应力分别为3.2 MPa, 12.3 MPa, 17.8 MPa, 随着应变率的增大平台区应力增大，平台区时间缩短，这主要是因为在高应变率作用下，基体材料孔壁处大量微裂纹来不及扩展，迟缓的屈服坍塌受到刚玉空心球的应变率增强效应的影响，第二阶段平台区应力增大，时间缩短。PC的弹性区和平台区表现得不明显，混凝土材料的破坏主要由准微观脆性指数决定[15]。在混凝土中掺入刚玉空心球后，能够有效降低准微观脆性指数，从而使得HCBC的脆性降低，延性增大，HCBC的三阶段效应更加明显。

2动态特性分析

2.1动态抗压强度

动态增长因子(Dynamic Increase FHCBCtor，DIF)是混凝土的动态抗压强度与准静态抗压强度的比值。通过对图3的实验结果分析，PC和HCBC的DIF随平均应变率的变化情况见图4。

图4　动态增长因子(DIF)随平均应变率的变化情况Fig.4 DIF changes with average strain rate

由图4可知，这两种混凝土的DIF都随平均应变率的增大而增大，HCBC在应变率101.2 s-1下的DIF是应变率39.8 s-1的1.38倍，PC在应变率103.3 s-1下的DIF是应变率26.7 s-1的1.47倍。这主要是因为混凝土内部本身存在很多微裂缝和微孔洞，在准静态和低应变率情况下，混凝土的破坏可以认为是主裂纹的萌生和扩展的过程，混凝土在凝固硬化过程中产生了大量的原始裂纹，主要位于过渡相区，载荷加载初期，由于混凝土内部局部位置应力集中产生了拉应力，部分原始裂纹开始扩展，载荷继续增加后，相邻裂纹相互贯通形成较长主裂缝，裂缝继续扩展，从而形成宏观裂缝。而在高应变率作用下，由于加载速率非常快，萌生的原始裂纹来不及沿薄弱界面贯通，会在混凝土内部同时产生大量微裂纹，由于产生微裂纹的比裂纹的扩展的破坏应力大得多，从而使得DIF随着平均应变率的增大而增大。

同时，在同一应变率作用情况下HCBC的DIF比PC的高，并且随着应变率的增加，提高的幅度越大。主要是由于在HCBC内部用刚玉空心球取代了部分基体，在高应变率作用下，刚玉空心球在内部阻断了微裂纹的扩展，延缓了裂纹之间的贯通，同时降低了萌生微裂纹的密度，从而使得HCBC比PC的DIF随应变率增加而提高的幅度更大。

按照一般经验公式[15]，对动态强度增长因子与应变率对数之间的关系进行近似线性函数拟合，PC和HCBC的DIF拟合公式如式(2)和式(3)所示。

(2)

(3)

经计算，式(2)和式(3)直线与实验点的相关性分别为97.3%和95.8%，拟合直线比较合理。

2.2临界应变

临界应变是指混凝土破坏时发生的应变。通过对图3的实验结果分析，PC和HCBC的临界应变随平均应变率的变化情况见图5。

图5　临界应变随平均应变率的变化情况Fig. 5 Critical strain changes with average strain rate

由图5可知，这两种混凝土的临界应变随着应变率的增大而线性增加，表现出明显的冲击增韧效应，HCBC在应变率101.2 s-1下的临界应变是应变率39.8 s-1的3.66倍，PC在应变率103.3 s-1下的DIF是应变率26.7 s-1的3.58倍。。混凝土的破坏是由于裂纹的产生和扩展引起的，产生裂纹所需要的能量比扩展裂纹需要的能量大得多，在高应变率下混凝土产生了更多了裂纹，因而需要的能量更大，因而混凝土的临界应变更大。当平均应变率在64 s-1以下时，HCBC的临界应变比PC的大，而当平均应变率在64 s-1以上时，则相反。这主要是因为在低应变率情况下，刚玉空心球在基体内能够充分变形，从而使得混凝土的韧性变大，而在高应变率情况下，刚玉空心球未来得及充分变形，混凝土基体就产生了破坏。PC在低应变率情况下，其临界应变随着应变率的变化具有极小值的特征，这主要是因为PC随着应变率增加压密程度逐渐增加，并且压密程度在35s-1情况下达到最大。对临界应变与应变率之间的关系进行线性拟合，其结果如式(4)和式(5)所示。

(4)

(5)

经计算，式(4)和式(5)直线与实验点的相关性分别达到95.4%和98.7%，拟合直线比较合理。

由此可见，HCBC是一种率相关的增强增韧材料。

3动态损伤特性分析

在损伤力学分析方法中，需要选择合适的损伤变量描述材料的受损程度，但是损伤变量的定义和损伤演化方程的确定存在许多困难。国内外众多研究者分别从微观、细观及宏观等方面定义了损伤变量[16]，如裂纹密度，力学指标的退化、疲劳寿命、弹性模量衰减等方法。本文根据混凝土本构能的耗散定义损伤变量[17]，在加载过程中，混凝土的损伤引起能量的耗散和刚度的降低，其损伤破坏是一个能量的积累和耗散的过程，本构能是混凝土性能的综合指标，因此，根据本构能的耗散定义损伤变量更加具有意义。定义ψ为材料的本构能，φ为材料的耗散能密度，φ为损伤材料的变形能，D为损伤变量[18]：

ψ=φ+φ

(6)

(7)

文献[17]中定义本构能为材料变形断裂过程中所消耗的能量。静载作用下本构能只与材料性质有关。当外载荷提供的能量大于材料本构能时，材料单元发生破坏，在实验得到应力-应变曲线的基础上，即可计算得到材料的本构能和耗散能密度。为了合理描述材料的损伤演化规律，首先定义了以下概念：

(1) 应力比(Stress Ratio, SR)：瞬时应力与峰值应力的比值；

(2) 损伤增长速率(Velocity of Damage,VD)：损伤相对于应力比的比值；

(3) 损伤应力槛值和损伤槛值：损伤开始稳定发展时(VD=0.1)对应的应力定义为损伤应力槛值，其损伤值为损伤槛值；

(4) 损伤应力最大阀值和损伤最大阀值：损伤开始不稳定发展时(VD=1)对应的应力为损伤应力最大阀值，其损伤值为损伤最大阀值。

通过对材料损伤-应力关系曲线分析，PC和HCBC的分析结果见表3和表4。

表3　不同应变率下PC损伤槛值和损伤最大阀值

由表3和表4可知，这两种混凝土的损伤应力槛值和损伤槛值与应变率变化关系不大，且损伤槛值基本在0.05附近，当应力达到损伤应力槛值时，混凝土内部应力集中使得基体萌发新的微裂纹或刚玉空心球屈服变形后，混凝土损伤开始稳定发展，由此可知，损伤应力槛值和损伤槛值主要与基体材料的自身属性有关，而与应变率的大小关系不大。HCBC的损伤应力槛值低于同等应变率条件下PC的，在混凝土基体内加入一定量刚玉空心球后，由于刚玉空心球的弹性变形较大，在刚玉空心球变形过程中会萌发大量微裂纹，从而使得HCBC的损伤应力槛值低于PC的。

表4　不同应变率下HCBC损伤槛值和损伤最大阀值

损伤应力最大阀值和损伤最大阀值随着应变率增大而增大，对于PC，应变率103.3 s-1对应的损伤最大阀值是应变率26.7 s-1的3.03倍；对于HCBC，应变率101.2 s-1对应的损伤最大阀值是应变率39.8 s-1的2.17倍。随着应变率增大，由于混凝土内部微裂纹来不及扩展连通，高度应力集中使得混凝土内部萌发大量新的裂纹，从而使得混凝土的损伤应力最大阀值和损伤最大阀值随着应变率的增大而增大。HCBC的损伤最大阀值高于同等应变率条件下PC的，主要是因为刚玉空心球能够阻断微裂缝的发展，使得HCBC在破坏前产生更多的微裂纹，从而混凝土内部应力更高。

图6　不同应变率下混凝土损伤-应力比关系Fig.6 Relationship of damage variable and stress ratio at different strain rates

图6为这两种混凝土在不同应变率下损伤值与应力比的关系。由图6可知，这两种混凝土在不同应变率下损伤-应力比曲线比较相似，混凝土损伤经历的三个阶段：第一阶段，损伤未发展阶段，这阶段混凝土内部新产生的损伤非常小，混凝土内部积累的能量主要是变形能；第二阶段，损伤稳定发展阶段，这阶段混凝土内部损伤随着应力增加稳定发展，混凝土变形能开始向耗散能稳定转变，并且稳定产生新的耗散能；第三阶段，损伤不稳定发展，这阶段混凝土内部损伤随着应力增加急剧增长，呈现不稳地发展趋势，混凝土内部耗散能急剧增长。而且可以看出，这两种混凝土在高应变率情况下，损伤发展第二阶段前期混凝土内部损伤有一个跳跃阶段，而且HCBC比PC更加明显，这主要是因为高应变率下，由于原始微裂缝和微孔洞来不及变形，混凝土内部损伤经历第一阶段后，混凝土内部高度应力集中，会在损伤第二阶段前期新萌发大量微裂纹，使得混凝土损伤出现瞬间跳跃，HCBC的跳跃比PC更加明显，通过刚玉空心球的变形消耗了材料的结构耗散能，表明了HCBC的韧性较好。而且，在同一应力比情况下，混凝土内部损伤随着应变率增加而增大。

4结论

(1) 应力-应变曲线表现出明显的三个阶段：弹性区，平台区和致密区，而且HCBC的三阶段效应比PC更加明显，表明HCBC脆性小，韧性大；

(2) 随着应变率增加， HCBC和PC的抗压强度与临界应变也随着增加，且动态增长因子(DIF)与应变率对数近似成线性关系，临界应变与应变率近似成线性分布，并给出了它们的经验公式，表明HCBC是一种率相关的增强增韧材料；

(3) 以材料本构能的耗散定义损伤，分析了HCBC和PC的动态损伤演化规律， HCBC和PC的损伤发展可以归纳为三个阶段：损伤未发展，损伤稳定发展和损伤不稳地发展；损伤应力槛值和损伤槛值与应变率变化关系不大，损伤应力最大阀值和损伤最大阀值随应变率增大而增大，而且HCBC的损伤应力槛值低于HCBC的，表明HCBC的韧性较好。为HCBC作为军事防护工程分配层的填充材料提供了理论指导。

[1] 庞利萍，赵瑞红，郭奋,等. 新型氧化铝空心球的制备及表征[J]. 物理化学学报，2008, 24(6):1115-1119．

PANG Li-ping, ZHAO Rui-hong, GUO Fen, et al. Preparation and characterization of novel alumina hollow spheres[J]. Acta Phys-Chim Sin,2008,24(6):1115-1119．

[2] Caruso F, Caruso R A, Mohwald H. Triblock copolymer syntheses of mesoporous silica with periodic 50 to 300 angstrom pores[J]. Science, 1998, 282:1111-1113．

[3] 张国栋，罗旭东，刘海啸,等. 低水泥结合氧化铝空心球轻质浇注料的研究[J]. 耐火与石灰，2009，34(5)：1673-7792．

ZHANG Guo-dong, LUO Xu-dong, LIU Hai-xiao, et al. Study on low cement bonded alumina hollow ball light weight castable[J]. Refractories & Lime, 2009, 34(5)：1673-7792．

[4] 张玲利，罗旭东，张国栋,等. 氧化镁对凝胶结合氧化铝空心球浇注料性能的影响[J]. 耐火与石灰，2011,36(2)：1673-7792．

ZHANG Ling-li, LUO Xu-dong, ZHANG Guo-dong, et al. Effect of magnesia on property of alumina hollow ball castable bonded by gel [J]. Refractories & Lime, 2011,36(2)：1673-7792．

[5] 孙广坦，许金余,张泽扬，等. 刚玉空心球混凝土静态力学性能试验及应用研究[J].混凝土,2013(9):29-32．

SUN Guang-tan, XU Jin-yu,ZHANG Ze-yang, et al. Experiment and application research on static mechanic behavior of hollow corundum ball concrete [J]. Concrete,2013(9):29-32．

[6] Eibl J, Schmidt-Hurtienne B. Strain-rate-sensitive constitutive law for concrete [J]. Journal of Engineering Mechanics,1999, 125(12): 1411-1420．

[7] Burlion N, Gatuingt F, Pijaudier-Cabot G, et al. Compaction and tensile damage in concrete: constitutive modeling and application to dynamics [J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2000, 183(3 /4): 291-308．

[8] 王道荣，胡时胜. 冲击载荷下混凝土材料损伤演化规律的研究[J].岩石力学与工程学报,2003,22(2):223-226．

WANG Dao-rong, HU Shi-sheng. Study on damage evolution of concrete under impact load [J]. Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003, 22(2): 223-226．

[9] 肖诗云，田子坤. 混凝土单轴动态受拉损伤试验研究[J].土木工程学报,2008,41(7):14-20．

XIAO Shi-yun, TIAN Zi-kun. Experimental study on the uniaxial dynamic tensile damage of concrete [J].Civil Engineering Journal, 2008, 41(7): 14-20．

[10] 李志武，许金余，白二雷，等. 高温后混凝土SHPB实验研究[J]. 振动与冲击，2012, 31(8):143-147．

LI Zhi-wu, XU Jin-yu, BAI Er-lei, et al. SHPB test for post-high-temperature concrete[J]. Journal of Vibration and Shock, 2012, 31(8):143-147．

[11] 聂良学，许金余，任伟波，等. 不同温度及加载速率对混凝土冲击变形韧性影响[J]. 振动与冲击，2015, 34(6):67-71．

NIE Liang-xue, XU Jin-yu, REN Wei-bo, et al. Effects of temperature and impact velocity on impact deformation andtoughness of concrete [J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(6):67-71．

[12] 孟益平, 胡时胜. 混凝土材料冲击压缩试验中的一些问题[J]. 实验力学, 2003, 18(1): 108-112．

MENG Yi-ping, HU Shi-sheng. Some problems in the test of concrete under impact compressive loading [J]. Journal of Experimental Mechanics, 2003, 18(1): 108-112．

[13] 王礼立.应力波基础[M]. 北京: 国防工业出版社, 2005.

[14] 李为民，许金余，沈刘军，等. 玄武岩纤维混凝土的动态力学性能[J]. 复合材料学报，2008,25(2):135-142．

LI Wei-min, XU Jin-yu, SHEN Liu-jun, et al. Dynamic mechanical properties of basalt fiber reinforced concrete using a split Hopkinson pressure bar [J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2008,25(2):135-142．

[15] Miled K, Sab K, Le Roy R. Particle size effect on EPS lightweight concrete compressive strength[J]. Experimental Investigation and Modeling Mechanics of Materials，2007,39:222-240．

[16] Tedasco J W，Ross C A. Strain-rate-dependent constitutive equation for concrete[J]. Journal of Pressive Vessel Technology,1998,120:398-405．

[17] 于海祥，武建华，李强. 一维损伤变量的合理定义方法[J]. 重庆大学学报，2003, 24(4):41-46．

YU Hai-xiang, WU Jian-hua, LI Qiang. A rational method for defining damage variables in one dimesion [J]. Journal of Chongqing University, 2003, 24(4):41-46．

[18] 朱维申，程峰. 能量耗散本构模型及其在三峡船闸高边坡稳定性分析中的应用[J]. 岩石力学与工程学报,2000, 19(3):261-264．

ZHU Wei-shen, CHENG Feng. Constitutive model of energy dissipation and its appliacaion to stability analysis of ship-lock slope in three gorges project [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2000, 19(3):261-264．

[19] 金丰年，蒋美蓉，高小玲. 基于能量耗散定义损伤变量的方法[J]. 岩石力学与工程学报， 2004, 23(12):1976-1980．

JIN Feng-nian, JIANG Mei-rong, GAO Xiao-ling. Defining damage variable based on energy dissipation [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(12):1976-1980．

[20] 肖诗云，张剑. 不同应变率下混凝土受压损伤研究[J]. 土木工程学报，2010, 3(43):40-45．

XIAO Shi-yun, ZHANG Jian. Compressive damage experiment of concrete at different strain rates [J]. China Civil Engineering Journal，2010, 3(43):40-45.

Dynamic features experiment of hollow corundum ball concrete

LU Song1， XU Jin-yu1,2， LUO Xin1, DONG Zong-ge3, WANG Hong-wei4

(1. Department of Airfield and Building Engineering, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China;2. College of Mechanics and Civil Architecture, Northwest Polytechnic University, Xi’an 710072, China;3. Department of Air Force Equipment, Beijing 100081, China;4. The Second Department of Air Fore Antiaircraft Engineering, Shenyang 110000, China)

Dynamic compressive experiments of hollow corundum ball concrete (HCBC) and plain concrete (PC), under different stain rates, are carried out using a 100-mm-diameter split Hopkinson pressure bar apparatus. The relationship between dynamic compressive strength and strain rate is studied to identify critical strain. The dynamic evolution rule of HCBC and PC is analyzed with the loss vector of dissipation of material constitutive energy. The results show that the stress versus the strain curves exhibits three apparent stages: elastic, platform and density. This performance is more obvious in HCBC than in PC. The brittleness of HCBC is small, and the toughness is large. The dynamic compressive strength and critical stain increase with the increase of the strain rate, and the experiment relation is given. The results demonstrate that HCBC is reinforced and a tougher material with an obvious correlation with strain rate. The evolution development of HCBC and PC can be divided into three stages: no damage development, stable damage development and unstable damage development. The threshold of the damage-strain and damage has no relationship with the change in the strain rate, and the maximum threshold of damage-stress and damage increases with the increase in the strain rate. The threshold of the damage-stress of HCBC is lower than that for PC, which demonstrates that the toughness is better than that of PC. The results suggest that HCBC can be used for military defensive engineering’s distribution layer.

hollow corundum ball concrete (HCBC); spilt Hopkinson pressure bar (SHPB); dynamic compressive strength; critical strain; damage development

10.13465/j.cnki.jvs.2016.12.017

爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室开放课题基金(DPMEIKF201406)

2015-05-18修改稿收到日期：2015-07-01

陆松 男，博士生，1990年生

许金余 男，教授，博士生导师，1963年生

TU528.01

A