防辐射混凝土率效应、动力损伤分形特征及破损机理研究

Using the particle element method simulation, experimental verification and fractal dynamics analysis, the strain-rate effects, the fractal characteristics and the mechanism of the dynamic damage-failure of radiation shielding concrete are to be investigated. This research can provide scientific foundation for dynamic analysis and safety evaluation of radiation shielding concrete structures in nuclear power plants and other important engineering structures. . Contents include: impact flexural and splitting tests with dropping hammer at medium-high strain rates; analysis on the relationship of the dynamic strengths of radiation shielding concrete and the strain rates and density; observation of the damage-fracture process and the modes of failure of radiation shielding concrete; demonstrating the inertia effect of the increase of concrete dynamic strength; quantitative description on the distribution and growth of cracks with fractal dimensions; study on the variation of fractal characteristics in the process of dynamic failure; establishment of the Particle Element meso-scale dynamic model for radiation shielding concrete; investigation on the overall process of the dynamic damage-fracture of radiation shielding concrete and the transitions among strain energy, kinetic energy and frictional energy consumption; exploring the relationship between fractal dimension and energy; comparisons between the experimental results and numerical results obtained with the particle element meso-scale model; and analysis on the mechanism of the macro mechanical phenomenon of radiation shielding concrete with a meso-scale point of view.

项目运用细观颗粒元仿真与试验验证的方法，结合分形动力学理论，探索防辐射混凝土率相关效应、动力损伤分形特征及破损机理，为核电站等重大工程中的防辐射混凝土结构的动力分析和安全性评价提供科学支撑。. 主要工作：开展中-高应变率范围的落锤冲击弯曲试验与劈裂试验，揭示防辐射混凝土动力强度本构随应变率及密度的变化规律，论证混凝土动力强度增加的惯性影响；观察不同应变率下防辐射混凝土的损伤断裂过程与破坏形态，利用裂缝分布的分形维对其裂缝分布与生长进行量化描述，分析其动力破损的分形特征变化规律；建立防辐射混凝土的颗粒离散元细观动力学模型，考察防辐射混凝土材料的动力损伤断裂破坏全过程，并分析应变能-动能-摩阻耗能的全程变化；探索分形维与能量的关系；试验成果与颗粒元细观数值模型仿真成果进行全面对比，从材料细观破坏机制上对防辐射混凝土宏观力学现象进行机理分析。

防辐射混凝土又称为防射线混凝土、原子能防护混凝土、屏蔽混凝土、重混凝土。作为原子能反应堆、粒子加速器及含放射源装置的防护材料，它能有效的屏蔽原子核辐射，是目前使用最为广泛的射线防护材料，已在如核电、军事、医疗、科研、教育等众多领域得到了广泛的应用。.在核电站等大型工程建筑中，混凝土结构都不可避免的可能承受地震、冲击等动力荷载。近年来强烈地震造成的混凝土结构开裂、破坏，都造成巨大的经济损失，威胁了人民生命安全，如2011年3月11日日本东北部海域发生里氏9.0级地震致大量结构受损，日本福岛核电站反应堆所在建筑物并承受了爆炸冲击荷载最终损坏引发核泄漏。.本项目进行了重晶石、磁铁矿、赤铁矿等防辐射混凝土率相关效应研究，进行了弯拉、劈拉、轴压等应力状态、应变率在1s-1～130s-1范围内的冲击试验，开展了防辐射混凝土动力破损性能的细观仿真与试验验证，对宏观力学现象从材料细观破坏机制上开展了机理分析，分析了防辐射混凝土动力损伤的分形特征，探讨了混凝土动力强度增加的惯性影响，对铅锌矿混凝土等新型防辐射混凝土的防辐射性能及动力性能进行了探索。.本项目建立稳定可靠的冲击加载试验测试系统，开展中-高应变率范围的动力弯曲试验、劈拉试验与轴压试验等，揭示防辐射混凝土动力强度本构随应变率的变化规律与普通混凝土不同；观察不同应变率下防辐射混凝土的损伤断裂过程与破坏形态，利用裂缝分布的分形维可量化描述动力破坏裂缝分布与生长，分析其动力破损的分形特征变化规律；建立颗粒离散元的防辐射混凝土细观动力学模型，与试验成果全面对比具有较好一致性，仿真分析可以以不同加载速率施加荷载，考察不同密度的防辐射混凝土材料的动力损伤断裂破坏全过程，从材料细观破坏机制上对防辐射混凝土宏观力学现象进行机理分析。.本课题组己经发表论文11篇，申请专利2项，参编国家标准1项，获中国建筑学会科技进步二等奖1项。