CN102830000B - 水泥混凝土科研试件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水泥混凝土科研试件的制备方法，目的是使得水泥混凝土试件具有相同的抗压强度指标、水灰比和级配数据，满足多种试验设备的要求。技术方案是根据材料试验机、三轴试验机三轴腔和霍普金森压杆杆径选择水泥混凝土试件尺寸和最大碎石粒径；根据最大碎石粒径和水凝混凝土的强度要求，依据国标JGJ53-92、JGJ52-92选取级配数据和材料配合比，通过GB/T 50081-2002所规定的标准试件试验确定水泥混凝土的级配数据和材料配合比；最后根据级配数据和材料配合比制作满足相关试验设备要求的试验试件。采用本发明能保证用于多种试验设备的试件既具有相同的水泥混凝土抗压强度等级，又满足各自试验设备的要求，且减少了试件制作过程中的人为误差。

Description

水泥混凝土科研试件的制备方法

技术领域

本发明涉及利用材料试验机、常规三轴试验机和霍普金森压杆三种试验设备通过试验确定水泥混凝土动态本构模型参数时所采用的科研试件的制备方法。

背景技术

机场跑道是战时敌对双方打击的主要目标之一，限于资金和时间，它在侵彻爆破弹作用下的响应规律则主要通过数值仿真获得。水泥混凝土是机场跑道的主要施工材料，其动态本构参数是进行数值仿真计算的关键，因此必须通过系统的科学试验获得水泥混凝土材料的本构参数。

水泥混凝土科研试件是测定水泥混凝土本构模型参数的主要试验对象。国标GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》规定了水泥混凝土测试时的试件尺寸、形状和公差，试验设备，试件的制作和养护，抗压强度、轴心抗压强度、静力受压弹性模量、劈裂抗拉强度和抗折强度等参数的试验测试要求和方法。这些参数只是部分静态本构模型参数，对于动态本构模型中所包含的静态本构模型参数如内聚强度、压力硬化系数、压力硬化指数和动态本构模型参数如应变率硬化系数等参数则无法通过国标GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》所规定的试验设备和试验方法测试得到。作为变通方法，目前一般通过调整本构参数来达到数值计算与水泥混凝土靶侵爆试验结果相吻合的目的，但此种方式缺乏科学性而且也不利于揭示水泥混凝土动态响应的客观规律。

利用材料试验机、常规三轴试验机和霍普金森压杆等试验设备对水泥混凝土试件进行试验可以测量水泥混凝土本构模型参数，分别制备用于上述试验设备的水泥混凝土试件相对简单，只要试件成品形状、大小满足各自的试验设备要求即可。但此种形式制造出的水泥混凝土试件存在水泥混凝土抗压强度指标、水灰比、级配数据的差异性，使得用于不同试验设备的水泥混凝土试件间缺乏内在一致性，导致试验测量得到的水泥混凝土本构模型参数存在较大误差，进而导致利用得到的本构模型参数评估水泥混凝土在侵彻和爆炸载荷作用下的响应时，得出错误的结果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供用于测量水泥混凝土动态本构模型参数科研试件的制备方法，以该方法制造出来的水泥混凝土试件具有相同的抗压强度指标、水灰比和级配数据，满足材料试验机、常规三轴试验机和霍普金森压杆等多种试验设备的要求。

本发明的技术方案是：根据材料试验机、三轴试验机三轴腔和霍普金森压杆杆径来选择水泥混凝土试件尺寸和最大碎石粒径；然后，根据所选碎石的最大粒径和水凝混凝土的强度要求，依据国标JGJ53-92《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》和国标JGJ52-92《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》选取级配数据和材料配合比，通过GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》所规定的标准试件试验确定水泥混凝土的级配数据和材料配合比；最后，根据确定的级配数据和材料配合比制作满足相关试验设备要求的试验试件。

具体实施方案是：

第一步，确定用于材料试验机、常规三轴试验机（即试验试件为圆柱体的三轴试验机）和霍普金森杆的试件尺寸和材料试验机、常规三轴试验机量程。

1.1，根据科研需要确定所要研究水泥混凝土的抗压强度等级f_c，并由公式（1）确定所要采用的材料试验机工作量程R；

20%·R≤k·f_c·A≤80%·R    公式（1）

这里，A为水泥混凝土试件的可能加载面积，近似取为常规三轴试验机三轴腔加载方向的截面积d为三轴腔内直径；k为直径为d高度为2d的水泥混凝土圆柱体试件所具有的抗压强度与水泥混凝土抗压强度等级f_c之间比例系数

$k=\frac{0.352\mathrm{\γ}}{1-1.645{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\α}}}{[1+d/50]}^{1/2}+\frac{0.704\mathrm{\γ}}{1-1.645{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\α}}}$ 公式（2）

其中，γ为比例系数，δ_a为变异系数的统计分析值，具体值见混凝土轴心抗压强度的各项指标值表（图2，摘自文献：过镇海著，混凝土的强度和本构关系—原理与应用.中国建筑工业出版社，2004，p32，表3-2）。

1.2，根据水泥混凝土的抗压强度等级f_c确定常规三轴试验机加载围压p=αf_c（0≤α≤1），并由公式（3）确定所选用的常规三轴试验机的量程R_s是否合适，若合适执行1.3，否则转1.2；

20%·R_s≤(k·f_c+p)·A≤80%·R_s        公式（3）

1.3，根据常规三轴试验机三轴腔内直径d确定用于材料试验机和三轴试验机的水泥混凝土圆柱体试件的尺寸（直径d_cy，高度h）和制作水泥混凝土试件级配的最大碎石粒径d_s，要求用于材料试验机和常规三轴试验机的水泥混凝土圆柱体试件的直径d_cy<d，高度为h=2d_cy，最大碎石粒径d_s<d_cy/3；

1.4，根据确定的材料试验机和常规三轴试验机的试件尺寸，计算试件的实际加载面积并检验是否满足公式（1）和公式（3），若满足进入1.5步，否则回到1.3步重新选择试件尺寸和最大碎石粒径；

1.5，确定试验设备霍普金森压杆的杆径d_h，要求d_h>6d_s，并确定用于霍普金森压杆试验圆柱体试件的尺寸（直径d_hs，高度h_hs），高度为h_hs>3d_s，直径为6d_s<d_h<d_sh。

第二步，确定水泥混凝土的级配数据、水灰比和含砂率。

2.1，根据水泥混凝土的强度等级f_c和公式（4）确定水灰比W/C

$\frac{W}{C}=\frac{0.46\&CenterDot;k_c\&CenterDot;R_c^b}{f_c+0.2392\&CenterDot;k_c\&CenterDot;R_c^b}$ 公式（4）

其中，为水泥标号，k_c为水泥的标号富余系数，一般条件下取1.13。

2.2，根据所确定碎石的最大粒径、国标JGJ53-92《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》和国标JGJ52-92《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》选定水泥混凝土的级配数据和含砂率数据h_s。

2.3，以所确定的含砂率数据和水灰比数据为中心点，以0.05和1%的幅度调整水灰比和含砂率，共得到三组水泥混凝土的配比数据，即（W/C,h_s）、（W/C+0.05,h_s+1%）和（W/C-0.05,h_s-1%）；依据三组配比数据每组分别制作3个水泥混凝土标准立方体试件（150×150×150mm³），依照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》养护28天后，在材料试验机上测量9个标准立方体试件的抗压强度，每组配比数据所对应的水泥混凝土的抗压强度指标取该配比数据水泥混凝土3个标准立方体试件抗压强度试验结果的平均值，取抗压强度平均值最接近于所要研究水泥混凝土抗压强度指标的配比数据为最终级配数据，即得到满足抗压强度指标的最终含砂率数据和水灰比数据。

第三步，依据最终的级配数据、含砂率数据和水灰比数据，搅拌一盘水泥混凝土，制作直径为d_cy，高度为h=2d_cy的圆柱体试件用于材料试验机、三轴试验机试验；制作尺寸为直径d_hs，高度h_hs圆柱体试件用于霍普金森压杆试验。

第四步，依照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》对各类试件养护28天后，所制试件即可用于水泥混凝土动态本构模型参数试验确定研究。

采用本发明能达到以下有益效果：

1.本发明是试验确定水泥混凝土动态本构模型参数的情况下，提出的一种制备水泥混凝土科研试件的制作方法。它保证了用于材料试验机、常规三种试验机和霍普金森压杆的试件既具有相同的水泥混凝土抗压强度等级，又满足各自试验设备的要求。

2.本发明有效解决了试验确定水泥混凝土动态本构模型参数过程中，不同试验设备试件存在水泥混凝土抗压强度等级、水灰比、级配数据等差异性的问题，保证了以该试件试验得出的水泥混凝土动态本构模型参数具有科学性和合理性，减少了试件制作过程中的人为误差。

附图说明

图1是制作水泥混凝土科研试件的流程图；

图2混凝土轴心抗压强度的各项指标值；

图3C25混凝土试件的最终配合比；

图4C25混凝土试件的最终尺寸；

图5C35混凝土试件的最终配合比；

图6C35混凝土试件的最终尺寸；

图7C45混凝土试件的最终配合比；

图8C45混凝土试件的最终尺寸；

图9C25水泥混凝土配合比选择一；

图10C25水泥混凝土配合比选择二；

图11C25水泥混凝土配合比选择三；

图12C25水泥混凝土配合比选择一标准试件的抗压强度等级试验结果；

图13C25水泥混凝土配合比选择二标准试件的抗压强度等级试验结果；

图14C25水泥混凝土配合比选择三标准试件的抗压强度等级试验结果。

具体实施方式

图1是本发明制作水泥混凝土科研试件的流程图。

第一步，确定用于材料试验机、常规三轴试验机（即试验试件为圆柱体的三轴试验机）和霍普金森杆的试件尺寸和材料试验机、常规三轴试验机量程。

1.1，根据科研需要确定所要研究水泥混凝土的抗压强度等级f_c，并由公式（1）确定所要采用的材料试验机工作量程R；

1.2，根据水泥混凝土的抗压强度等级f_c确定常规三轴试验机加载围压p=αf_c（0≤α≤1），并由公式（3）确定所选用的常规三轴试验机的量程R_s是否合适，若合适执行1.3，否则转1.2；

1.3，根据常规三轴试验机三轴腔内直径d确定用于材料试验机和三轴试验机的水泥混凝土圆柱体试件的尺寸（直径d_cy，高度h）和制作水泥混凝土试件级配的最大碎石粒径d_s，要求用于材料试验机和常规三轴试验机的水泥混凝土圆柱体试件的直径d_cy<d，高度为h=2d_cy，最大碎石粒径d_s<d_cy/3；

1.4，根据确定的材料试验机和常规三轴试验机的试件尺寸，计算试件的实际加载面积并检验是否满足公式（1）和公式（3），若满足进入1.5步，否则回到1.3步重新选择试件尺寸和最大碎石粒径；

1.5，确定试验设备霍普金森压杆的杆径d_h，要求d_h>6d_s，并确定用于霍普金森压杆试验圆柱体试件的尺寸（直径d_hs，高度h_hs），高度为h_hs>3d_s，直径为6d_s<d_h<d_sh。

第二步，确定水泥混凝土的级配数据、水灰比和含砂率。

2.1，根据水泥混凝土的强度等级f_c和公式（4）确定水灰比W/C。

2.2，根据所确定碎石的最大粒径、国标JGJ53-92《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》和国标JGJ52-92《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》选定水泥混凝土的级配数据和含砂率数据h_s。

2.3，以所确定的含砂率数据和水灰比数据为中心点，以0.05和1%的幅度调整水灰比和含砂率，共得到三组水泥混凝土的配比数据，即（W/C,h_s）、（W/C+0.05,h_s+1%）和（W/C-0.05,h_s-1%）；依据三组配比数据每组分别制作3个水泥混凝土标准立方体试件（150×150×150mm³），依照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》养护28天后，在材料试验机上测量9个标准立方体试件的抗压强度，每组配比数据所对应的水泥混凝土的抗压强度指标取该配比数据水泥混凝土3个标准立方体试件抗压强度试验结果的平均值，取抗压强度平均值最接近于所要研究水泥混凝土抗压强度指标的配比数据为最终配比数据，即得到满足抗压强度指标的最终含砂率数据和水灰比数据。

第三步，依据最终的级配数据、含砂率数据和水灰比数据，搅拌一盘水泥混凝土，制作直径为d_cy，高度为h=2d_cy的圆柱体试件用于材料试验机、三轴试验机试验；制作尺寸为直径d_hs，高度h_hs圆柱体试件用于霍普金森压杆试验。

第四步，依照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》养护28天后，所制试件即可用于水泥混凝土动态本构模型参数试验确定研究。

本发明所提出的技术方案，原则上可用于制备任意抗压强度指标水泥混凝土科研试件，国防科大采用本发明制作了主要用于机场跑道抗压强度指标分别为25MPa、35MPa和45MPa的水泥混凝土科研试件，相关参数见图3至图8，下面以制作抗压强度指标为25MPa水泥混凝土科研试件为例说明具体实施方案。

第一步，确定用于材料试验机、常规三轴试验机和霍普金森杆的试件尺寸和材料试验机、常规三轴试验机量程。

1.1，根据科研需要确定所要研究水泥混凝土的抗压强度等级f_c为25MPa，查混凝土轴心抗压强度的各项指标值表给出强度指标25MPa水泥混凝土的比例系数γ＝0.76，变异系数的统计分析值δ_a=0.16；所选择的常规三轴试验机三轴腔腔内直径为70mm，可得加载方向截面积A为3848.45mm²；根据公式（2）计算得到直径为70mm高度为140mm的水泥混凝土圆柱体试件所具有的抗压强度与水泥混凝土抗压强度等级f_c之间比例系数k＝1.29；根据公式（1）确定材料试验机工作量程R为200kN；

1.2，所要研究水泥混凝土的抗压强度等级f_c为25MPa，常规三轴试验机加载围压选择为25MPa（α取为1），根据公式（3）确定常规三轴试验机的量程R_s为500kN；

1.3，选用的常规三轴试验机三轴腔内直径d＝70mm，选择用于材料试验机和常规三轴试验机的水泥混凝土圆柱体试件的直径d_cy=50mm<d＝70mm，高度为h=100mm=2d_cy，最大碎石粒径d_s=16mm<d_cy/3=16.67mm。

1.4，用于材料试验机和常规三轴试验机的试件尺寸为直径d_cy=50mm，高度为h=100mm的圆柱体。实际加载面积直径为50mm高度为100mm的水泥混凝土圆柱体试件所具有的抗压强度与水泥混凝土抗压强度等级f_c之间比例系数k＝1.24，满足公式（1）和公式（3）的不等式条件，进入1.5步。

1.5，选择霍普金森压杆的杆径为d_h=120mm，满足d_h>6d_s=96mm，用于霍普金森压杆试验的圆柱体试件尺寸为直径d_hs=100mm，高度h_hs=50mm，满足不等式条件h_hs>3d_s和6d_s<d_h<d_sh。

第二步，确定水泥混凝土的级配数据、水灰比和含砂率。

2.1，选用的水泥为兆山新星集团湖南水泥有限公司生产的“兆山牌”42.5级普通硅酸盐水泥，所要研究的水泥混凝土的强度为25MPa，根据公式（4）计算得到水泥混凝土的水灰比W/C为0.59。

2.2，1.3步中确定碎石的最大粒径d_s=16mm，根据国标JGJ53-92《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》和国标JGJ52-92《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》选定水泥混凝土的级配数据为粒径16mm，掺量7%；粒径9.5mm，掺量52%；粒径4.75mm，掺量41%；含砂率h_s=35%。

2.3，以2.2所确定的含砂率数据和水灰比数据为中心点，以0.05和1%的幅度调整水灰比和含砂率，共得到三组水泥混凝土的配比数据，即（35%，0.59）、（36%，0.64）和（34%，0.54），具体见图9至图11；依据三组配比数据每组分别制作3个水泥混凝土标准立方体试件（150×150×150mm³），依照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》养护28天后，在材料试验机上测量配比数据为（35%，0.59）三个水泥混凝土标准立方体试件的强度，结果如图12所示，平均抗压强度为31.0MPa；在材料试验机上测量配比数据为（36%，0.64）三个水泥混凝土标准立方体试件的强度，结果如图13所示，平均抗压强度为23.3MPa；在材料试验机上测量配比数据为（34%，0.54）三个水泥混凝土标准立方体试件的强度，结果如图14所示，平均抗压强度为35.3MPa；配比数据为（36%，0.64）水泥混凝土标准立方体的平均抗压强度为23.3MPa，与所要研究水泥混凝土的抗压强度指标25MPa最为接近，因此最终的配比数据为含砂率36%，水灰比为0.64。

第三步，依据最终的级配数据（粒径16mm，掺量7%；粒径9.5mm，掺量52%；粒径4.75mm，掺量41%）、含砂率数据（36%）和水灰比数据（0.64），搅拌一盘水泥混凝土，制作直径为d_cy=50mm，高度为h=2d_cy=100mm的圆柱体试件用于材料试验机、三轴试验机试验；制作尺寸为直径d_hs=100mm，高度h_hs=50mm圆柱体试件用于霍普金森压杆试验。

第四步，依照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，分别对用于材料试验机、三轴试验机试验尺寸为φ50mm×100mm的试件和用于霍普金森压杆试验尺寸为φ100mm×50mm的试件养护28天后，所制试件即可用于水泥混凝土动态本构模型参数试验确定研究。

Claims (2)

1.一种水泥混凝土科研试件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，确定用于材料试验机、常规三轴试验机和霍普金森杆的试件尺寸和材料试验机、常规三轴试验机量程，所述常规三轴试验机是指试验试件为圆柱体的三轴试验机，方法是：

1.1，根据科研需要确定所要研究水泥混凝土的抗压强度等级f_c，并由公式（1）确定所要采用的材料试验机工作量程R；

20%·R≤k·f_c·A≤80%·R    公式（1）

这里，A为水泥混凝土试件的可能加载面积，近似取为常规三轴试验机三轴腔加载方向的截面积d为三轴腔内直径；k为直径为d高度为2d的水泥混凝土圆柱体试件所具有的抗压强度与水泥混凝土抗压强度等级f_c之间比例系数

$k=\frac{0.352\mathrm{\&gamma;}}{1-1.645{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{\&alpha;}}}{[1+d/50]}^{1/2}+\frac{0.704\mathrm{\&gamma;}}{1-1.645{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{\&alpha;}}}$ 公式（2）

其中，γ为比例系数，δ_a为变异系数的统计分析值，具体值见文献《混凝土的强度和本构关系-原理与应用》中公布的混凝土轴心抗压强度的各项指标值表；

1.2，根据水泥混凝土的抗压强度等级f_c确定常规三轴试验机加载围压p=αf_c，0≤α≤1，并由公式（3）确定所选用的常规三轴试验机的量程R_s是否合适，若合适执行1.3，否则转1.2；

20%·R_s≤(k·f_c+p)·A≤80%·R_s    公式（3）

1.3，根据常规三轴试验机三轴腔内直径d确定用于材料试验机和三轴试验机的水泥混凝土圆柱体试件的尺寸，即直径d_cy、高度h和制作水泥混凝土试件级配的最大碎石粒径d_s，要求用于材料试验机和常规三轴试验机的水泥混凝土圆柱体试件的直径d_cy<d，高度为h=2d_cy，最大碎石粒径d_s<d_cy/3；

1.4，根据确定的材料试验机和常规三轴试验机的试件尺寸，计算试件的实际加载面积并检验是否满足公式（1）和公式（3），若满足进入1.5步，否则回到1.3步；

1.5，确定试验设备霍普金森压杆的杆径d_h，要求d_h>6d_s，并确定用于霍普金森压杆试验圆柱体试件的尺寸即直径d_hs、高度h_hs，要求h_hs>3d_s，6d_s<d_h<d_sh；

第二步，确定水泥混凝土的级配数据、水灰比和含砂率：

2.1，根据水泥混凝土的强度等级f_c和公式（4）确定水灰比W/C

$\frac{W}{C}=\frac{0.46\&CenterDot;k_c\&CenterDot;R_c^b}{f_c+0.2392\&CenterDot;k_c\&CenterDot;R_c^b}$ 公式（4）

其中，为水泥标号，k_c为水泥的标号富余系数；

2.2，根据所确定碎石的最大粒径、国标JGJ53-92《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》和国标JGJ52-92《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》选定水泥混凝土的级配数据和含砂率数据h_s；

2.3，以所确定的含砂率数据和水灰比数据为中心点，以0.05和1%的幅度调整水灰比和含砂率，共得到三组水泥混凝土的配比数据，即（W/C,h_s）、（W/C+0.05,h_s+1%）和（W/C-0.05,h_s-1%）；依据三组配比数据每组分别制作3个水泥混凝土标准立方体试件，尺寸为150×150×150mm³，依照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》养护28天后，在材料试验机上测量9个标准立方体试件的抗压强度，每组配比数据所对应的水泥混凝土的抗压强度指标取该配比数据水泥混凝土3个标准立方体试件抗压强度试验结果的平均值，取抗压强度平均值最接近于所要研究水泥混凝土抗压强度指标的配比数据为最终级配数据，即得到满足抗压强度指标的最终含砂率数据和水灰比数据；

第三步，依据最终的级配数据、含砂率数据和水灰比数据，搅拌一盘水泥混凝土，制作直径为d_cy，高度为h=2d_cy的圆柱体试件用于材料试验机、三轴试验机试验；制作尺寸为直径d_hs，高度h_hs圆柱体试件用于霍普金森压杆试验；

第四步，依照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》对各类试件养护28天。

2.如权利要求1所述的一种水泥混凝土科研试件的制备方法，其特征在于所述k_c取1.13。