水泥基脆性材料不等长裂纹相互作用与扩展规律研究

发布时间：2016-11-23 02:27

  本文关键词：水泥基脆性材料不等长裂纹相互作用与扩展规律研究，由笔耕文化传播整理发布。

《中国矿业大学(北京)》 2015年

水泥基脆性材料不等长裂纹相互作用与扩展规律研究

席婧仪  

【摘要】：实际工程结构和工程材料中不可避免的存在尺寸不一的裂纹。这些裂纹有些是材料本身含有的,有些是在荷载作用下产生的,它们的相互作用和扩展最终导致结构破坏或失稳。为保证结构安全,传统结构设计中一般先考虑结构静力强度,将荷载乘以大于1的安全系数作为设计荷载。这种强度设计方法适用于低强度材料小型结构的设计,而对于高强度材料这种方法容易失效。这主要是由于高强度材料的强度高,材料抵抗裂纹扩展的能力更差。因此,结构易在低于许用应力的情况下就发生突然的断裂破坏,即出现低应力脆断现象。水泥基脆性材料是指以水泥为基质并作为基本组成部分的脆性材料,混凝土属于一种典型的水泥基脆性材料。随着社会生产力的发展,工程结构对材料强度的要求越来越高,水泥基脆性材料广泛用于各种工程结构中,而在材料中含有的裂纹绝大多数不等长。因此,研究水泥基脆性材料中不等长裂纹的相互作用和扩展规律对采取有效的止裂措施保证结构安全具有重要的意义和工程价值。本文在裂纹表面作用力平均化方法也称经典Kachanov方法的基础上,推导无限平板中远场受均布作用力的两条不等长共线裂纹和三条不等长共线裂纹在相互作用下的裂纹尖端应力强度因子表达式以及考虑裂纹面摩擦力影响时的两条滑动闭合裂纹的应力强度因子表达式。通过多裂纹并存时的应力强度因子与只有单条裂纹的应力强度因子的比值变化,从理论上定量分析了裂纹倾角、裂纹间距、裂纹长度等几何因素以及裂纹面摩擦对多裂纹相互作用的影响。对裂纹相互作用和结构稳定性起控制作用的往往是具有一定尺寸规模的裂纹,本文中将长度较大的裂纹称为主裂纹,其余长度相对较小的裂纹称作次裂纹。运用最大周向应力理论计算不同裂纹倾角情况下的非闭合共线裂纹中主裂纹的起裂角,绘制断裂准则曲线,运用应变能密度因子理论计算滑动闭合共线裂纹中主裂纹的起裂角。本文主要研究水泥基脆性材料中基质相即水泥砂浆的裂纹扩展规律。采用插入薄不锈钢片的方式在水泥砂浆试件中预制不等长多裂纹。通过3000kN超高刚性伺服试验机对水泥砂浆试件进行单轴加载,用高速摄影机采集裂纹在应力作用下起裂扩展的图像信息,通过对裂纹扩展过程和试件破坏状态的观察,分析不同裂纹间距的两条不等长共线裂纹和三条不等长共线裂纹以及两条不等长平行裂纹的扩展规律。本文的主要工作与取得成果具体如下：1.建立脆性材料无限大平板中远场受均匀拉伸作用力的两条不等长共线斜裂纹和三条不等长水平共线裂纹的理论模型以及远场受均匀压缩作用力的两条滑动闭合裂纹理论模型,在Kachanov法的基础上推导多裂纹尖端的应力强度因子。多裂纹相互作用时的各裂纹面的伪面力等于裂纹初始面力与其他裂纹在该裂纹上产生的面力之和。推导应力强度因子时假定裂纹面上的伪面力由均布力以及平均作用力为零的非均布力这两部分组成,只考虑裂纹面上均布力对裂纹相互作用的影响,忽略非均布力对裂纹相互作用的影响。通过求解裂纹相互作用系数以及裂纹面上的平均作用力得到多裂纹相互作用情况下的裂尖应力强度因子。计算不同裂纹间距和裂纹长度情况下多裂纹应力强度因子与单条裂纹应力强度因子的比值,本文中定义该比值为应力强度因子增大系数,表征多裂纹相互作用时应力强度因子的变化。通过应力强度因子增大系数定量分析裂纹几何参数对裂纹相互作用的影响。结果表明：远场受均匀拉伸的两条不等长共线斜裂纹尖端的Ⅰ型奇异随裂纹倾角的增大而减小,Ⅱ型奇异在裂纹倾角为45°时最大。共线裂纹的相互作用程度与裂纹倾角无关。对于滑动闭合裂纹,裂纹尖端只存在Ⅱ型奇异。在其他裂纹几何参数不变时,滑动闭合不等长共线裂纹的应力强度因子随着裂纹面摩擦的增大而减小。不管裂纹受压还是受拉,裂纹共线情况下的裂纹相互作用对裂纹尖端应力强度因子的影响程度相同。两条裂纹共线时,当裂纹间距大于其中一条裂纹长度时,该裂纹基本不影响另一条裂纹的起裂；当裂纹间距大于主裂纹长度时,两条裂纹之间的相互作用可忽略不计。三条不等长共线裂纹中主、次裂纹间距不小于次裂纹长度的1.5倍时,主裂纹才可能不受其他裂纹的作用；当次裂纹间距不小于次裂纹长度的1.5倍且主次裂纹间距大于次裂纹半长时,处于最外侧的次裂纹的起裂扩展基本不受其他裂纹的影响,但中间的次裂纹仍然受到其他裂纹较强的相互作用。2.采用最大周向拉应力理论和应变能密度因子理论分别计算非闭合共线多裂纹中的主裂纹和滑动闭合共线多裂纹中的主裂纹的起裂角。通过最大周向拉应力理论计算得到的非闭合共线裂纹的起裂角只与裂纹倾角有关,而应变能密度因子理论计算得到的闭合共线裂纹的起裂角与材料的泊松比相关。根据多裂纹情况下的起裂角以及应力强度因子分析裂纹相互作用对裂纹起裂的影响。所得结果表明共线裂纹受拉或受压时的裂纹相互作用并不影响主裂纹的起裂角,共线多裂纹中裂纹的起裂角与只有一条该裂纹存在时的起裂角相同,但是由于裂纹之间的相互作用增大了裂纹尖端的应力强度因子,共线多裂纹的起裂会早于单条裂纹的起裂。3.制作含多裂纹的水泥砂浆试件,观察试件在单轴压缩作用下的裂纹起裂,扩展和贯通破坏过程。以插入厚0.5mm的薄不锈钢片预制裂纹的方式制作含有两条不等长共线裂纹,三条不等长共线裂纹和两条不等长平行裂纹的水泥砂浆试件。选用的水泥为425号普通硅酸盐水泥,砂的粒径小于2mm,水泥、砂和水的配比(质量比)为1：2.35：0.5,水泥砂浆试件的尺寸为110mm×110mm×30mm,在恒温恒湿养护室养护至28天。采用中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室的3000kN超高刚性伺服试验机对水泥砂浆试件进行加载,加载方式采用位移控制,加载速率为0.2mm/min。加载过程中采用高速摄影机对裂纹的扩展进行图像信息采集,高速摄影机的分辨率设为896×896,拍摄速度设置为50fps以便高速摄影机有足够的时长可以拍摄试件裂纹的起裂、扩展、贯通和破坏的全过程。通过对裂纹扩展过程的观察分析裂纹的扩展规律。试验结果表明：不等长共线裂纹岩桥贯通破坏有两种形式,一种是裂纹内尖端萌生的次生裂纹沿裂纹延长线扩展贯通岩桥,岩桥发生剪切破坏,另一种是裂纹尖端发育的裂纹沿弧线扩展搭接贯通岩桥,岩桥破坏区呈圆核状。当两条不等长平行裂纹岩桥倾角大于90°时,岩桥的破坏多由翼裂纹贯通岩桥造成,岩桥倾角小于90°时,岩桥多发生剪切破坏或拉剪混合破坏,岩桥倾角等于90°时,岩桥并未贯通,试件破坏由主裂纹的扩展造成。两条共线裂纹的裂纹间距达到主裂纹长度时次裂纹在应力作用下不发育裂纹或者次裂纹与主裂纹各自扩展,不受裂纹相互作用影响,符合理论所得结论。当三条共线裂纹两两的裂纹间距达到次裂纹长度的1.5倍时,主裂纹和次裂纹2发育的裂纹的扩展路径不受裂纹相互作用的影响。

【关键词】：
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O346.1
【目录】：

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