冰对水工结构物作用力的物理模义拟——Ⅱ.DUT-1模型冰物理和力学性能.doc
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1、冰对水工结构物作用力的物理模拟.DUT-1模型冰物理和力学性能第2卷第2期2011年5月黑龙江大学工程JournalofEngineeringofHeilongjiangUniversityV0l_2.No.2May,2011冰对水工结构物作用力的物理模拟一II.DUT一1模型冰物理和力学性能李志军,贾青(1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024;2.黑龙江大学水利电力学院,哈尔滨150080)摘要:介绍DuT一1模型冰的物理指标(密度),力学指标(弯曲强度,弹性模量,压缩强度,摩擦系数)的试验方法和主要特征.特别给出控制模型冰物理和力学参数的水泥含量和养生时间的试验
2、规律和统计关系.通过试验结果也证实在模型冰密度和弯曲强度,弹性模量和压缩强度之问存在内在联系,这些联系也存在良好的试验统计关系.关键词:水利工程;结构物;冰;物理模拟中图分类号:P731.15;TV321文献标志码:A文章编号:2095008X(2011)02000107PhysicalsimulationoficeforcesonhydraulicstructuresII.DUT一1ModelIcephysicalandmechanicalpropertiesLIZhi-jun,JIAQing,.(1.StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEnginee
3、ring,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,Liaoning,China;2.CollegeofWaterConservancyandElectricPower,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China)Abstract:TheexperimentalmethodsandmainfeaturesofDUT-1ModelIcephysicalparameter(density)andmechanicalparameters(flexuralstrength,elsticmodulus,compressiv
4、estrength,frictioncoefficients)areintroduced.Especially,theexperimentalbehaviorandstatisticalrelationsofmodelicephyscialandmechanicalprameterswithconcretcontentsandcuringtimesaregiven.Fromtheresultsoftheseriestests,theinternallinksbetweenmodeliceflexuralstrength,elsticmodulus,compressivestrengthandw
5、etteddensityarefoundandthebestexperimentalrelationsarestatisticized.Keywords:hydraulicengineering;structures;ice;physicalsimulation0引言冰对水工结构物和安全运行管理的物理模拟在中国淡水冰领域和海冰领域均有开展.最先报道水库和河冰冰凌物理模拟的来自水利电力部东北勘测设计院和水电部天津勘测设计研究院.等单位;在海冰方面的成果主要来自天津大学.和大连理工收稿日期:201lO11O基金项目:国家自然科学基金委创新研究群体科学基金(509210O1)和面上基金(510790
6、21)作者简介:李志军(1960一),男,河北崇礼人,教授,博士研究生导师,博士,研究方向:冰物理和力学,冰工程,冰区环境保护,E.黑龙江大学工程第2卷大学4.在这些冰物理模拟试验研究中,只有大连理工大学使用了具有自主知识产权的新型模拟材料E引.该材料是在总结国际各种模型冰优缺点基础上【6,以渤海辽东湾海冰物理和力学性质为基础发展的新型复合材料,属于非冻结模型冰l_5.针对该功能材料开展了系列模型冰的理想物理和力学性质测试,并寻求该模型冰物理和力学性质的控制因子【8,以便调整模型冰参数,实现对各种天然冰的模拟.发展该模型冰还考虑符合无毒,无害,无腐蚀,可回收原则的环保要求,最终确定了DUTl模
7、型冰制备技术.该模型冰的主要成分是聚丙稀料,水泥和水,三者混合搅拌并抹成平整薄板.制备过程是将聚丙稀料和水泥混合均匀,加入适量的水搅拌.由于模型冰密度小于水,所以对搅拌有特殊要求.混合后的材料放人设计深度的模具内压实并抹平,养生成产品,产品周期7d.它属于粒状结构,其骨架材料为圆球形,胶结材料仅仅在骨架材料的结合部位存在,保留了骨架之间的部分孑L隙,这些孔隙可以相互贯通.模型冰浸水后,整体结构不发生变化,孔隙之间被水充填,胶结剂的强度迅速降低并趋于稳定lg.DUT一1模型冰的性能指标主要指物理性质一密度和力学性质一弯曲强度,弹性模量,压缩强度和摩擦系数.本文分析这些试验指标同模型冰材料和外界受
8、力的关系,模型冰力学性质同物理性质之间的关系以及控制模型冰性能指标的因子,试验统计关系式.1DUT一1模型冰的密度DUT一1模型冰内存在与空气直接贯通的微孑L隙.为了消除毛细孔隙对湿密度测试的影响,采用原位浮力法,这与现场天然冰和冻结模型冰密度测量原理相同1.图1是一组DUTl模型冰试样不同浸水时间后的湿密度.由图1可见,模型冰在浸水后的0.5h内迅速吸水.1h后趋于稳定,并且在9h时仍保持稳定状态.图l中测试的数据为同一配方4次不同时间制备的模型冰.由于当时夯实工艺上的差异,虽然不同批次的密度有差异,但均落人渤海天然冰密度的变化范围.卜800l冰层:750?2冰层黯:600550浸水时J/h
9、图1DuT一1模型冰平均密度随浸水时间的变化Fig.1DensityvariationwithwettedtimeinDUTlModelIce2DUT一1模型冰的力学性质2.1弯曲强度弯曲强度采用原位悬臂梁法.悬臂梁长为(4.07.5)h,宽为(1.752.10)h,其中h为模型冰厚度.试验时,6至10根悬臂梁为一组,在同一压头运动速度下进行.悬臂梁加载方式分向下加载破坏(表面拉伸)和向上加载破坏(底面拉伸),一般进行35个不同压头运动速度的实验.用4次不同日期加工的同一种配方的200余试样的弯曲强度试验检验DUTl模型冰的各向同性以及应力速率效应和湿密度对弯曲强度的影响.同天然冰和冻结模型冰
10、类似,DUTl模型冰的弯曲强度也依赖于弯曲应力速率,即弯曲强度随应力速率增加首先增加,到达某一弯曲应力速率时弯曲强度对应着最大值,而后弯曲强度随应力速率增加而减小.峰值弯曲强度发生在6065kPa/s,对应的压头运动速度为2.46mm/s;对应的弯曲破坏时间是0.500.76S,它与冻结细粒酒精模型冰的弯曲破坏时间范围一致_l,具体结果见图2.DUT一1模型冰不像天然冰那样具有明显的温度和结构差异,属于各向同性材料.判断模型冰冰层各向同性的宏观依据是消除浮力效应后,悬臂梁下弯和上弯弯曲强度基本一致l】.这一点同样从图2的向上弯曲和向下弯曲的数据点中体现出来,它反映DUTl模型冰属于各向同性,同
11、冻结细粒酒精模型冰的性能一致l1.第2期李志军,等.冰对水工结构物作用力的物理模拟一II.DUT一1模型冰物理和力学性能歪骚租髫JJu载速率/kPaS图2弯曲强度与弯曲应力速率的关系Fig.2Relationofflexuralstrengthwithstressrate不同浸水时间试样的弯曲强度实验结果表明:DUT一1模型冰浸水1h后,性质处于稳定并且在此后的4h无变化.这一特点充分保证了冰物理模拟试验所需时间.2.2弹性模量实验采用弹性薄板挠曲法测试DUTl模型冰冰排的弹性模量.实测时,对同一冰排的3个不同部位用3种不同质量的砝码进行.天然冰是一种粘弹性复合材料,它只有名义上的弹性模量.所
12、以只有在严格的实验条件下,才可能表现出弹性,测得弹性模量.对于冻结模型冰,无论是什么添加剂,其绝大部分溶液是水,蠕变也是不可回避的现象,如细粒酒精模型冰2262mm的冰排,当砝码质量>500g就发生蠕变现象l_l.DUT一1模型冰是一种非冻结合成材料,从物质结构上讲不具备发生蠕变的条件.实测DUTl模型冰的厚度只有l2cm,所以砝码一般质量最大为200g,个别采用到500g.定量分析每条试验位移历时曲线,DUTl模型冰不存在蠕变.DUT一1模型冰的弹性模量作为力学参数必定与其对应的物理参数有关.冻结模型冰的控制物理指标为冰内未冻结液体,DUT一1模型冰的控制物理指标为吸水率或与之密切相关
13、的湿密度.图3给出模型冰吸水率与弹性模量的实验关系【g引.虽然图中因实测精度存在数据分散现象,但整体趋势符合物理意义.在湿密度为880920kg/m.,吸水率为3555,对应着模型冰骨料的毛细吸附作用,模型冰的弹性模量随吸附水量的增加而增加.但当吸水率再增加时,模型冰内存在重力水,这时其对应的弹性模量趋于下降.兰咖蠹图3弹性模量与吸水率的关系Fig.3Relationofelasticmoduluswithwatercontent2.3压缩强度DUT一1模型冰的压缩强度也是物理模拟实验需要的参数之一.在3批物理模拟实验中,以同一速度进行了102件试样实验.为了获得变形速度的影响,在另一速度下进
14、行6件试样的压缩实验.同时进行弯曲强度实验.每组实验使用46个试样.利用试验数据分析压缩强度同弯曲强度以及压缩强度与弯曲强度比同弯曲强度之间的关系.图4和图5分别给出这些关系的散点图.图中反映出两种强度值之间的对应关系,特别是图5说明弯曲强度越大,压缩强度与弯曲强度比越低,最小值约为2.这比细粒酒精模型冰的情况略好,但弯曲强度>30kPa的情况还不清楚.压缩强度与弯曲强度比偏小是粒状模型冰的共同特点,对DUT一1模型冰而言也不例外.,黧婚图4压缩强度I司弯曲强度的实验关系Fig.4Experimentalrelationshipofcompressivestrengthwithflexu
15、ralstrength2.4摩擦系数实验对模型冰自身之间和模型冰与水工物理模拟实验常用的铝板,刷漆(INATA一160)木板,有机玻璃板之间的摩擦进行了考察.用34个上覆质量,3个速度分别进行35次往复运动,测出摩擦力过程.取动摩擦力区段的平均值与接触面黑龙江大学工程第2卷髫篓蓄图5压缩强度/弯曲强度比同弯曲强度的实验关系Fig.5Experimentalrelationshipoftheratioofcompressivestrengthandflexuralstrengthwithflexuralstrength上的正压力计算动摩擦系数.图6是模型冰粗糙面之间的摩擦力同正压力的试验关系,它
16、给出模型冰碎块间的内摩擦角和内聚力,并表明这些值同运动速度无关.统计结果获得DUT一1模型冰碎块间的内聚力为414Pa,内摩擦角为24.26.DUT一1模型冰碎块的摩擦系数与正压应力呈递减关系.此外,由于碎块的剪切力与加载速率有关,所以摩擦系数对运动速度有依赖性,表现为递减关系.这同细粒酒精模型冰一模型冰之间摩擦系数随速度增加而减小的关系一致1引.统计结果表明DUT一1模型冰一模型冰之间的平均摩擦系数为0.49,比塑料微珠模型冰的动摩擦系数0.53略低l】,与报道的天然冰碎块之间的摩擦系数0.50接近l7.Z蜒世图6DUT一1模型冰摩擦力同正压应力的关系Fig.6Relationshipoff
17、rictionforcewithnormalstressforD1JT一1ModelIce模型冰与其它几种材料的摩擦系数也表现为随着正压应力和速度的增加呈衰减趋势.这种趋势同辽东湾天然冰与钢板,刷漆钢板,木板,刷漆木板,混凝土板之间的摩擦系数规律一致.DUT一1模型冰不属于温度敏感型材料,所以发生的现象与环境温度无关.它同材料之间的摩擦系数随正压应力,相对运动速度的衰减关系不及天然冰明显.统计表明,DUT1模型冰同以下材料之间的平均摩擦系数分别是:铝一0.37;刷漆木板一0.57;有机玻璃一0.38.这比天然冰在低速度下与钢板的0.36,与刷漆木板的0.26偏高.3DUT一1模型冰的力学性质控
18、制指标不同水泥含量在不同养生期的模型冰物理和力学实验研究结果归纳为表l.由于模型实验使用的冰排只能在室内条件养生,所以实验所有小试件都在室内条件养生.每一水泥含量的配方中,粗细骨料的比值保持不变,因此模型冰混合材料的级配基本一致,水泥的密度直接影响模型冰的密度.表1中的湿密度反映出当水泥含量>15,相应的模型冰密度比天然冰过高,不能被接受_8J.表1模型冰物理和力学指标随水泥含量和养生时间的变化Table1Variationofmodelicephysicalandmechanicalprameterswithconcretcontentsandcuringtimes第2期李志军,等.冰
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