輕質(zhì)泡沫混凝土吸能特性及其壓潰流動應(yīng)力方程

王建軍　郭偉國　趙融　史亞杰　曾亮

摘要：輕質(zhì)泡沫混凝土是一種攔阻沖出跑道飛機的重要阻滯材料，為了揭示其壓縮力學(xué)性能及變形破壞機制，利用CSS4410電子萬能試驗機、Instron Dynatup9250落錘試驗機以及VHS 8800高應(yīng)變率系統(tǒng)，對密度為0.21、0.31 g/cm3的輕質(zhì)泡沫混凝土，在壓縮速度2×10-5～12 m/s范圍內(nèi)的力學(xué)特征、破壞及變形機理等進行了系統(tǒng)研究，用理論模型對不同壓頭面積下的擠壓強度進行預(yù)測，并建立擠壓壓潰流動應(yīng)力方程。結(jié)果表明：此材料變形、壓潰碎化到壓實過程中，以壓潰前驅(qū)界面運動為特征，變形具有顯著的局部失穩(wěn)特性；壓縮強度依賴密度和沖擊速度；所采用的理論模型可以較準(zhǔn)確的預(yù)測不同壓頭面積下的擠壓強度；所建立的壓潰流動應(yīng)力方程可以很好的描述材料的壓縮擠壓力學(xué)特性。

關(guān)鍵詞：阻滯材料；混凝土；壓縮；機制；吸能

中圖分類號：V250.2文獻標(biāo)志碼：A文章編號：16744764（2013）06009607

當(dāng)飛機由于氣象、機械故障和駕駛員操作失誤等原因滑跑沖出跑道時，為了使乘員和飛機在小于約1 g過載值下安全停止，就需要在機場跑道末端設(shè)置越界攔阻系統(tǒng)。雖然有些跑道末端的田地、水域或軟沙土能起到某些程度的阻滯作用，但由于下雨或結(jié)冰等自然環(huán)境會失去攔阻作用，所以1950年代末Schirtzinger[1]就提出了通過在跑道末端鋪設(shè)厚度漸增的可抑壓的材料攔阻越界飛機的原理，1980年代Tuman[2]提出用類似尼龍網(wǎng)纜索飛機或運動器。經(jīng)過多年技術(shù)發(fā)展，工程材料阻滯系統(tǒng)EMAS（Engineered Material Arresting System）得到完善[34]并已投入實用。而中國產(chǎn)的EMAS還處于研究階段[58]未投入實質(zhì)應(yīng)用。

在EMAS中，阻滯材料是系統(tǒng)的重要組成之一。由于要保障乘員和飛機的安全，決定了攔阻材料應(yīng)當(dāng)具有很低的密度以致在飛機沖入時引起低過載加速度值，并且各種性能指標(biāo)在環(huán)境影響下具有耐久性。目前阻滯材料有高分子泡沫材料、易碎化復(fù)合材料、泡沫混凝土材料等。在泡沫混凝土性能研究方面，顏雪洲等[9]通過泡沫混凝土受壓全過程試驗，以及與加氣混凝土對比，分析研究了泡沫混凝土的力學(xué)性能，給出了泡沫混凝土受壓應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€方程。高波等[10]分析了發(fā)泡混凝土生產(chǎn)中發(fā)泡劑泡沫的穩(wěn)定性，及其對混凝土性能的影響。熊耀清，姚謙峰[11]對蒸壓加氣混凝土和泡沫混凝土兩種輕質(zhì)多孔混凝土的基本力學(xué)性能進行了試驗研究和本構(gòu)模型的理論探討。Ramamurthy等[12]和Kearsley等[1314]根據(jù)泡沫混凝土的基體材料組成進行歸類研究，獲得孔隙率與壓縮強度的關(guān)系。周順鄂等[15]對泡沫混凝土的壓縮特性及其抗壓強度進行了系統(tǒng)的研究。

針對中國產(chǎn)新開發(fā)的輕質(zhì)泡沫混凝土，本文對其壓縮力學(xué)行為和變形破壞機制進行系統(tǒng)實驗研究，并用理論模型對不同壓頭面積下的擠壓強度進行預(yù)測，給出描述擠壓壓潰流動應(yīng)力的方程。

1材料及試驗過程

1.1材料

該輕質(zhì)泡沫混凝土（Foamed Concrete，簡稱FC）是按配比將粘土、沙子、水泥、粉煤灰陶粒、高分子材料等和水混合攪拌均勻，倒入泡沫攪拌，同時加減水劑、促凝劑等制成均勻流漿態(tài)；倒入模具然后放在振動臺振動成型，室溫放置3 d脫模，在90%相對濕度恒濕箱養(yǎng)護約1個月而成。如圖1所示，成型的輕質(zhì)泡沫混凝土是一種閉孔材料，通常泡沫直徑約為1 mm左右，而壁厚h大約0.1 mm，圖1中（c）、（d）圖為ZEISS SUPRA 55掃描電子顯微鏡（SEM）下觀察得的該材料的微觀結(jié)構(gòu)圖，其中，（d）圖為SEM觀察得的孔壁的微觀結(jié)構(gòu)圖。此輕質(zhì)泡沫混凝土材料孔壁除受到壓力和剪力外，主要以承受較大的彎矩載荷為受力特征， 當(dāng)基體材料和孔壁厚度相同時，泡沫直徑越大，相同外載荷使其孔壁所承受的彎矩也越大，材料抗壓強度降低，這正是低密度大孔徑泡沫材料的受力特點。

1.2EMAS中阻滯材料受力特點

首先分析一下EMAS中阻滯材料的工作原理，見圖2示意圖所示，當(dāng)飛機機輪沖向EMAS阻滯材料（EMASFoam），機輪在水平方向（與機輪運動方向相同）具有慣性力，同時機輪具有垂直方向飛機的重力載荷，這2個外力通過阻滯材料來平衡，進而在水平方向形成阻滯拖曳力（與機輪運動方向相反），具體到機輪與阻滯材料接觸面任意點，阻滯材料將會受到壓縮力FN和剪切力FQ（見圖2上部示意），這樣在對本文的輕質(zhì)泡沫混凝土力學(xué)性能測試中以研究其壓縮和剪切力為主。

2.1壓縮性能及行為

低應(yīng)變率壓縮試驗是在CSS4410電子萬能試驗機進行的，圖3為密度0.21 g/cm3， 圖3（a）為直徑80 mm，高度40 mm試樣在壓縮時的載荷位移曲線，圖3（b）由載荷位移得到的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線以及相應(yīng)的變形過程照片。從圖中可以看出輕質(zhì)泡沫混凝土壓縮應(yīng)力與應(yīng)變曲線具有明顯的3個區(qū)域：彈性區(qū)EE，平臺壓潰區(qū)EC和致密區(qū)ED。彈性區(qū)EE很小，此區(qū)常常忽略，當(dāng)外載進一步增加，由于壓頭對材料的橫向約束，靠近上下壓頭區(qū)的材料首先出現(xiàn)壓潰區(qū)并與試樣中間彈性區(qū)形成圖3所示的前驅(qū)界面（driving interface）。繼續(xù)壓縮，壓潰區(qū)增加，即前驅(qū)界面量增加。在平臺壓潰區(qū)EC中，隨著壓縮加載，試樣在彈性區(qū)出現(xiàn)沿加載方向的開裂。從圖3可以清楚看出，在平臺壓潰區(qū)EC，應(yīng)力隨壓縮連續(xù)下降，主要原因是，當(dāng)試樣兩端壓潰區(qū)增加時，實際上試樣外表面斜削壓潰脫落區(qū)增加（由于試樣外圍無約束），即承載彈性區(qū)橫截面減小，出現(xiàn)載荷逐漸下降趨勢。當(dāng)兩端的前驅(qū)界面相遇（往往試樣兩端前驅(qū)界面運動距離不對稱），整個試樣全壓潰，進而曲線進入到密實區(qū)ED，壓縮應(yīng)力急劇增加，這和實際攔阻中壓潰泡沫層形式相同，見圖2中Crushed foam。 在實際飛機越界攔阻過程中，主要通過平臺壓潰區(qū)EC變形破壞吸收飛機運動沖擊的能量，所以在設(shè)計或計算中，主要以EMAS中阻滯材料平臺壓潰區(qū)EC應(yīng)力應(yīng)變曲線為依據(jù)。

2.2橫向約束下壓縮行為

通過2.1節(jié)試驗看出，在壓縮情況下試樣在接觸壓頭區(qū)域首先出現(xiàn)壓潰區(qū)，連續(xù)加載以壓潰前驅(qū)界面連續(xù)運動為特征，當(dāng)加載變形到一定程度，在試樣中部彈性區(qū)會出現(xiàn)沿加載方向的開裂裂紋，材料密度越高出現(xiàn)裂紋階段越早。根據(jù)壓縮加載受力分析，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與試樣橫向約束有關(guān)，考慮到實際使用中是飛機機輪擠壓進輕質(zhì)泡沫混凝土的，所以筆者進行了不同速度下的擠壓試驗。圖8是不同速度下典型的應(yīng)力與擠壓深度比率（擠壓深度與試樣總高度之比）曲線對照，圖9是在速度為8×10-3 m/s下的擠壓試樣剖切面照片。圖8橫坐標(biāo)為擠壓深度比率，從該圖得出，隨沖擊速度增加，材料的壓潰流動應(yīng)力顯著增加。并且從對應(yīng)的擠壓試樣剖面圖9看出，擠壓變形破壞特征是，壓頭前端堆積的壓潰區(qū)幾何形狀與尺寸隨擠壓深度連續(xù)變化，壓潰區(qū)與材料彈性區(qū)形成的界面運動是主要變形特點，與圖3到6的無約束壓縮變形破壞特征不同。

5結(jié)論

輕質(zhì)泡沫混凝土是一種理想的飛機越界阻滯材料，本文對該種材料的傳熱特性、不同速度的力學(xué)特性、破壞及變形機理等進行了系統(tǒng)的研究，得出以下結(jié)論：

1）材料的壓縮強度強烈依賴于材料的密度和加載速度，密度越大，加載速度越高，壓縮強度越大。

2）材料從彈性變形、壓潰碎化到壓實過程中，以壓實前驅(qū)界面的形式運動為主，變形具有顯著的局部失穩(wěn)特性。

3）考慮壓頭面積對材料擠壓強度的影響提出的理論模型可以較準(zhǔn)確的預(yù)測該材料在不同壓頭面積下的擠壓強度。

4）根據(jù)材料的擠壓壓潰流動應(yīng)力對速度的敏感性提出的壓潰流動應(yīng)力方程可以很好的描述材料的壓潰流動應(yīng)力。

參考文獻：

[1]Schirtzinger J F. Method and means for decelerating aircraft on runways： United States， US3066896[P]. 1959.

[2]Tuman C. Aircraft arrestment system： United States， US4393996[P]. 1983.

[3]Heymsfield E， Tyler L， Halsey. Sensitivity analysis of engineered material arrestor systems to aircraft and arrestor material characteristics[J]. Journal of the Transportation Research Board， 2008，2052： 110117.

[4]Heymsfield E， Hale W， Halsey T. Aircraft response in an airfield arrestor system during an overrun[J]. Journal of Transportation Engineering， 2012，138：284292.

[5]王云，鄭小平，姚福印，等.飛機越界阻滯系統(tǒng)動力學(xué)模型[J].清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，50（7）：11091113.

[6]王維，常虹.飛機道面攔阻系統(tǒng)建模分析[J].中國民航大學(xué)學(xué)報，2009，29：1013.

[7]趙融，郭偉國，王建軍，等.一種新型輕質(zhì)泡沫混凝土擠入行為的試驗研究[J].實驗力學(xué)，2012，27（3）：354360.

[8]李廣良，郭偉國，趙融，等.混凝土復(fù)合泡沫材料的力學(xué)性能與唯象本構(gòu)模型[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報，2012，30（3）：428431.

[9]顏雪洲，姚謙峰.輕質(zhì)泡沫混凝土力學(xué)性能試驗研究[J].工業(yè)建筑，2007，37：962964.

[10]高波，王群力， 周孝德.混凝土發(fā)泡劑及泡沫穩(wěn)定性的研究[J].粉煤灰綜合利用，2004（1）：1316.

[11]熊耀清，姚謙峰，周孝德.輕質(zhì)多孔混凝土受壓應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€試驗研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2010，36（2）：228232.

[12]Ramamurthy K， Kunhanandan Nambiar E K， Indu Siva Ranjani G. A classification of studies on properties of foam concrete [J]. Cement and Concrete Composites， 2009（31）：388396.

[13]Kearsley E P， Wainright P J. The effect of porosity on the strength of foamed concrete [J]. Cement and Concrete Research， 2002 （32）： 233239.

[14]Kearsley E P， Wainright P J. Porosity and permeability of foamed concrete [J]. Cement and Concrete Research， 2001（31）： 805812.

[15]周順鄂，盧忠遠，焦雷，等.泡沫混凝土壓縮特性及抗壓強度模型[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2010，32（11）：913.

[16]Dam C Q， Brezny R， Green D J. Compressive behaviour and deformationmode map of an poencell aluminia [J]. J. Materials Research， 1990（5）：163171.

[17]Gibson L J， Ashby M F. Cellular solids structure and properties [M]. 2nd ed. United Kingdom： Cambridge University Press，1997.

（編輯郭飛）