【摘要】 压电式负载垫圈可以通过将压力转换成电信号来检测快速的压力变化。

混凝土的耐压强度是混凝土结构设计中最重要的机械性能之一，因此，准确评估混凝土的耐压强度对材料和结构工程师非常重要。评估混凝土耐压强度在静态负荷率已经设计良好，并在许多国际和国家标准。相反，导弹恐怖和自然灾害导致重大伤亡和社会损失的数量不断增加，突出了在设计承受地震、冲击和爆炸的混凝土结构时需要考虑动态强度。

 

自二十世纪九十年代以来，有关高应变率下混凝土耐压强度的重要研究不断进行。然而，测试和评估高应变率下混凝土耐压强度的方法尚未标准化，混凝土的动态压缩测试仍继续使用各种测试仪器和方法。

 

这项研究建议使用一种新的高速液压万能试验机(HR-UTM) ，一种来自 MTS (测试和模拟系统供应商)的高速液压加载机，用于测试高应变率下混凝土的耐压强度。

 

与 SHPB 相比，HR-UTM 具有以下优点: (1)类似于使用通用 UTM 的静态压缩测试方法，可以在垂直载荷方向进行高速压缩测试; (2)在测试期间，试样与载荷板之间的界面不需要额外的摩擦或压力来维持试样的位置，从而最大限度地减少端部摩擦对测量强度的影响; 以及(3)试样的动态压缩应变可以直接用试样表面的应变计测量。

 

测试设置和程序

 

图1显示了对混凝土样本进行静态、地震和高耐压强度测试的设置。在静态和地震加载速率下用于压缩试验的试验机是 MTS 815，一种最大加载能力为2500kN 的低速率液压 UTM (LR-UTM) ，如图1a 所示。分别施加0.0167 mm/s 和1.67 mm/s 的静力和地震荷载，并进行位移控制。

 

如图1b 所示，用于高速率载荷下压缩试验的装置是 HR-UTM，最大载荷能力为320kN。在 HR-UTM 压缩试验中，冲击载荷的初始速度分别为1和3 m/s。从试样的上端到试样的初始位置之间的距离加速 HR-UTM 的压块以达到目标加载速率。

 

图1混凝土耐压强度测试设置: (a)静力、地震和(b)高频率

 

图2显示了从三个负荷垫圈获得的负荷历史和总负荷，计算为三个负荷垫圈信号的总和。当目标加载速率撞击混凝土试件时，从嵌入 HR-UTM 底板的三个载荷垫圈(压电 Kistler 9061A 型)测量撞击载荷。

 

压电式负载垫圈可以通过将压力转换成电信号来检测快速的压力变化。受影响混凝土的耐压强度会以总荷载历史的峰值计算。在 LR-UTM 测试中，数据取样频率在静态频率(S1)为1Hz，在地震频率(S2)为1kHz。在 HR-UTM 测试中，数据取样的频率为1兆赫(高频率为 H1和 H3)。

 

图2 使用高速液压万能试验机(HR-UTM)获得的典型负载与时间曲线

 

此外，我们使用高速摄影机，以每秒10,000帧的速度，以512 × 800像素的分辨率，记录混凝土的变形过程。通过分析高速摄像机拍摄的图像，研究润滑剂类型和数量对混凝土破坏模式和裂缝路径的影响。

 

用方程计算了混凝土的 DIF。(1)由 Ross 等提出的动态(高应变率和地震)应变率的耐压强度与静态应变率的比率(S1)。(1)混凝土的动态抗压强度和静态抗压强度分别为。

 

为了确定应变率，平均冲击速度计算从冲击速度-时间历史在加载时间(事件时间) ，如图3所示。事件时间由 HR-UTM 的载荷垫圈测量的应力-时间曲线确定，如图3a 所示。然后，通过将 HR-UTM 加速度计测得的冲压件的平均冲击速度除以试件的长度(如 Eq 所示) ，计算事件发生时的应变率。

 

图3 高负荷下的试验结果

 

使用了一种新的高速率液压万能试验机(HR-UTM)来测量高应变率下混凝土的耐压强度。HR-UTM 消除了试样与支撑物之间摩擦的必要性。

 

此外，应变历史可以直接测量使用应变仪附加到试件。混凝土的压应力与应变反应在高应变率下成功测量，直到19.3 s-1。缸体试件(D75 × l150mm)2.0的适当长径比和润滑剂用量超过11.3 mg/cm2可以最大限度地减少端部摩擦对混凝土耐压强度的影响。

 

1.Hyeon Woo Noh, Sangho Lee, Jae-Yeol Cho, Dong Joo Kim, Investigating dynamic compressive strength of concrete by using high-rate hydraulic universal testing machine, Construction and Building Materials, Volume 411, 2024, 134402, ISSN 0950-0618, https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.134402.

 

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