CN103265240B - 一种混凝土动力模型材料 - Google Patents
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Abstract
本发明具体为考虑相似性量纲分析的一种混凝土动力模型材料，解决了现有模拟材料存在毒性、裂纹易扩展且适用性差的问题。一种混凝土动力模型材料，是由以下重量百分含量的原料制成：河砂和粘性土共1450份，其中河砂占580-1243份，河砂物理指标土粒密度ρs=1.88g/cm3，最大干密度ρdmax=1.798g/cm3,最小干密度ρdmin=1.201g/cm3，不均匀系数Cu=3.75；粘性土的物理指标含水量为10%，粘聚力C=128kPa，内摩擦角φ=16°，渗透系数k=1×105m/s；水泥200份；自来水380份。本发明所述的混凝土动力模型材料制作好的构件养护方便，养护过程中基本不出现裂缝，密度在1.65×103-2.45×103g/cm3，弹性模量在0.514×104MPa—0.224×104MPa，相比混凝土模量可以降低，可以比较精确地测定出相关物理量，而且物理化学性质相对比较稳定，具有成本低、无毒的优点。
Description
技术领域
本发明涉及动力模型材料，具体为考虑相似性量纲分析的一种混凝土动力模型材料。
背景技术
混凝土是目前建筑工程中常见的一种建筑材料，混凝土构件也是建筑物中必不可少的构件。近几年来，较大地震频发，地震带来的经济财产和生命财产的损失也是相当严重。为了进一步减少其损失，研究混凝土构件的动力特性极为重要。综合多方面的因素，室内模型试验是比较好的一种方法。由于空间及其它因素，一般的室内模型试验大都是缩小比例尺的模型。研究缩小比例尺模型的动力性能，模型相似材料的选用是试验正确模拟原型性态的关键。
目前，相似模型分为严格相似、人工质量、重力失真、应变失真等四种模型。严格的相似模型即满足 =（、、分别为原型与模型的弹性模量比、几何尺寸比、密度比）的条件，这对于相似材料的选择提出了严格的要求。可以在试验过程中正确模拟由于几何非线性而引起的次生效应。人工质量模型是指在模型结构上附加一定的重量，并且对模型的刚度没有影响来弥补模型结构质量密度的不足，从而使之满足=的条件。重力失真只考虑弹性恢复力和惯性力之间的相似，不考虑重力效应的影响，即。此模型较多地应用于弹性动力响应的试验。如果进行结构抗震性能试验，该相似模型会对结构的应力时间历程具有一定的影响。一些文献中指出：对于这类试验建议不采用重力失真模型。但是，实际试验往往会因为振动台承载能力的限制，而不得不采用重力失真模型。但应注意重力失真不宜过大即偏离1过多，试验所得到的相关数据和资料就会偏离实际情况过大，相应结论的参考价值就会降低。应变失真模型即应变相似比例。此类模型对于钢筋混凝土结构，当时模拟钢筋与混凝土之间的应变相容比较困难。因此不允许应变失真。
目前，关于混凝土动力模型材料的选择，意大利等国家曾用的模型材料大多以铅氧化物（ PbO 、3 4 Pb O ）、石膏为主，辅料以砂或小石为多；另一种是环氧树脂、甘油、重晶石粉等混合材料。前者有毒性，后者若经高温固化，同样有毒气散发。近年来就国内而言，在模型材料方面进行了多种研究探索，其中具有代表性成果如下：
（1）武汉大学韩伯鲤等提出MIB 模型材料。MIB 的骨料采用重晶石粉、铁粉和红丹粉，以石蜡和松香为黏结剂，酒精为调和剂，氯丁胶黏结剂为柔性附加剂。其重度范围在22～40 kN/ m3，弹性模量为在60～300 MPa，抗压强度大约为0.55 MPa。研制的该材料具有高重度、低弹模、低强度、砌块易黏结、易干燥等优点。但是由于使用了氯丁胶、红丹粉等材料，在制作过程中也具有一些毒性。
（2）清华大学马芳平等研制的NIOS 相似材料，含有河砂、磁铁矿精矿粉、黏结剂水泥或石膏、拌和用水以及添加剂，该材料重度较大，弹性模量、抗压强度等主要力学指标可在较大范围内调整，配制也比较方便，物理化学性质相对比较稳定，成本低、无毒。当选用水泥为胶结剂时，弹性模量范围在750～3 000 MPa；选用石膏时，弹性模量在80～300 MPa。采用石膏胶结时，干燥过程中，伴随有体积收缩，表面可能会产生微裂纹，对于在高频振动台上反复承受多种工况激振试验而言，可能存在局部裂纹扩展，以至于影响模型力学参数的测量精度。
（3）四川大学高玉磊、张林等提出了地质力学模型材料，该材料加重料是重晶石粉，黏结剂是高标号机油，掺和可溶性高分子材料，根据模拟岩类的不同，掺入一定量的添加剂制备成混合料，使其压制成块状体。经试验测试，该材料的应力-应变曲线显示属于弹塑性材料，应变达1%时仍无屈服点，在加载初期，也未出现线弹性阶段。因此该材料适用于模拟弹塑性岩体，而不适用于小变形、线弹性混凝土构件的动力过程的模拟。
（4）山东大学王汉鹏等研制的晶砂胶结料（IBSCM）新型相似材料，以重晶石粉、石英砂、铁精粉等为骨料，松香、酒精溶液为胶结剂，石膏为调节剂混合而成。该材料同样具有重度高、弹性模量和抗压强度低、性能较稳定的特点。弹性模量范围为60～1400 MPa，抗压强度为0.3～4.0 MPa，重度为23～30 kN/m3，可以模拟低强度和中等强度的岩体材料。其应力-应变曲线显示，该材料属于弹塑性材料，缺乏加载初期的线弹性阶段。因此，对于小变形、线弹性的混凝土构件的动力模拟也是不适用的。
（5）四川大学李弋等也做了相关研究。以河砂为粗骨料；重晶石粉、铁粉为DMM 的细骨料；松香为胶结剂；酒精为起调和剂作用。
发明内容
本发明为了解决现有模拟材料存在毒性、裂纹易扩展且适用性差的问题，提供了一种混凝土动力模型材料。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种混凝土动力模型材料，是由以下重量百分含量的原料制成：河砂和粘性土共1450份，其中河砂占580-1243份，河砂物理指标土粒密度ρs=1.88 g/cm3，最大干密度ρdmax=1.798g/cm3,最小干密度ρdmin=1.201g/cm3， 不均匀系数Cu=3.75；粘性土的物理指标含水量为10%，粘聚力C=128kPa，内摩擦角φ=16°，渗透系数k=1×105m/s；水泥200份；自来水380份。
混凝土动力模型材料具有重度与水泥砂浆相似，弹性模量、抗压强度等主要力学指标可在一定范围内调整；所体现出的应力—应变关系曲线与混凝土相似的特点，且其的组分和含量是经过大量试验得出的。粘性土的添加，目的是为了降低弹性模量。粘性土含量多，制成构件抗压强度低，表面容易产生裂缝，模拟效果差；含量少，弹性模量降不下来，不能满足动力相似比。克服了现有模拟材料存在毒性、裂纹易扩展且适用性差的问题。
制作时，以河砂、水泥和粘性土为骨料，普通自来水为搅拌剂混合即可制成。
本发明所述的混凝土动力模型材料制作好的构件养护方便，养护过程中基本不出现裂缝，密度在1.65×103-2.45×103g/cm3，弹性模量在0.514×104 MPa—0.224 ×104 MPa，相比混凝土模量可以降低，可以比较精确地测定出相关物理量，而且物理化学性质相对比较稳定，具有成本低、无毒的优点。
具体实施方式
实施例1：
一种混凝土动力模型材料，是由以下重量百分含量的原料制成：河砂和粘性土共1450份，其中河砂占1160份，河砂物理指标土粒密度ρs=1.88 g/cm3，最大干密度ρdmax=1.798g/cm3,最小干密度ρdmin=1.201g/cm3， 不均匀系数Cu=3.75；粘性土的物理指标含水量为10%，粘聚力C=128kPa，内摩擦角φ=16°，渗透系数k=1×105m/s；水泥200份；自来水380份。
河砂占1160份，则粘性土占290份，河砂与粘性土的比例为4：1，制得的混凝土动力模型材料密度为1.77×103kg/m3，弹性模量为0.41×104 MPa，几何尺寸比取7：1，计算出的=1.03，满足动力相似模型中重力失真模型。
实施例2
一种混凝土动力模型材料，是由以下重量百分含量的原料制成：河砂和粘性土共1450份，其中河砂占580份，河砂物理指标土粒密度ρs=1.88 g/cm3，最大干密度ρdmax=1.798g/cm3,最小干密度ρdmin=1.201g/cm3， 不均匀系数Cu=3.75；粘性土的物理指标含水量为10%，粘聚力C=128kPa，内摩擦角φ=16°，渗透系数k=1×105m/s；水泥200份；自来水380份。
河砂占580份，则粘性土占870份，河砂与粘性土的比例为2：3，制得的混凝土动力模型材料密度为2.45×103kg/m3，弹性模量为0.224×104 MPa，几何尺寸比取18：1，计算出的=1.01，满足动力相似模型中重力失真模型。
实施例3
一种混凝土动力模型材料，是由以下重量百分含量的原料制成：河砂和粘性土共1450份，其中河砂占870份，河砂物理指标土粒密度ρs=1.88 g/cm3，最大干密度ρdmax=1.798g/cm3,最小干密度ρdmin=1.201g/cm3， 不均匀系数Cu=3.75；粘性土的物理指标含水量为10%，粘聚力C=128kPa，内摩擦角φ=16°，渗透系数k=1×105m/s；水泥200份；自来水380份。
河砂占870份，则粘性土占580份，河砂与粘性土的比例为3：2，制得的混凝土动力模型材料密度为2.25×103kg/m3，弹性模量为0.298×104 MPa，几何尺寸比取12：1，计算出的=1.05，满足动力相似模型中重力失真模型。
Claims (1)
1.一种混凝土动力模型材料，其特征在于：是由以下重量百分含量的原料制成：河砂和粘性土共1450份，其中河砂占580-1243份，河砂物理指标土粒密度ρs=1.88 g/cm3，最大干密度ρdmax=1.798g/cm3,最小干密度ρdmin=1.201g/cm3， 不均匀系数 Cu =3.75；粘性土的物理指标含水量为10%，粘聚力C=128kPa，内摩擦角φ=16°，渗透系数k=1×105m/s；水泥200份；自来水380份。
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