BF-SHCC动态拉伸性能试验研究_郭龙.pdf

河北工业大学学报JOURNAL OF HEBEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY2023 年 2 月February 2023第 52 卷 第 1 期Vol.52 No.1BF-SHCC动态拉伸性能试验研究郭龙1，徐名凤1，周健1，田稳苓1，张学杰2，崔健2（1.河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401；2.天津大学 建筑工程学院，天津 300072）摘要为探讨玄武岩纤维高延性水泥基复合材料（Basalt Fiber Strain-Hardening Cementitious Composites,BF-SHCC）动态拉伸性能，自行研发设计了适用于BF-SHCC高速拉伸试验的试件尺寸和连接方式，并采用高速拉伸试验机进行高速拉伸试验；采用电子万能试验机对BF-SHCC进行了低速拉伸试验；研究分析了4种应变率下BF-SHCC动态拉伸性能。结果表明：BF-SHCC在4种应变率下，均表现出应变硬化现象，试件在低速拉伸试验条件下均表现出多缝开裂现象，在高速拉伸试验条件下，表现为单缝开裂破环；BF-SHCC的初裂强度和极限强度均随应变率的增加而增大，初裂强度的应变率敏感性高于极限强度的应变率敏感性；在低速拉伸试验条件下，BF-SHCC的极限延伸率和峰值韧性，随应变率的增加而降低，在高速拉伸试验条件下，BF-SHCC的极限延伸率和峰值韧性有明显提高。关键词高延性水泥基复合材料；玄武岩纤维；高速拉伸试验；应变率；动态拉伸性能中图分类号TU528.572文献标志码AStudy on dynamic tensile properties of BF-SHCCGUO Long1,XU Mingfeng1,ZHOU Jian1,TIAN Wenling1,ZHANG Xuejie2,CUI Jian2（1.School of Civil Engineering and Transportation,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.School of CivilEngineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China）AbstractIn order to investigate the dynamic tensile properties of BF-SHCC,the size and connection method of the testpieces suitable for the high-speed tensile test of BF-SHCC were independently developed,and a high-speed tensile testerwas used in the high-speed tensile test.BF-SHCC was subjected to the low-speed tensile test;the dynamic tensile properties of BF-SHCC under four strain rates were analyzed.The results show that BF-SHCC exhibits strain hardening at fourstrain rates,and under low-speed tensile testing conditions,the specimen appears multi-slit cracking,and under high-speed tensile test conditions,it appears as a single-slit cracking;the initial crack strength and ultimate strength of thematerial increase with the increase of the strain rate,and the strain rate sensitivity of the initial crack strength is higherthan the strain rate sensitivity of the ultimate strength;under low-speed tensile test conditions,the ultimate elongationand peak toughness of the material decrease with the increase of the strain rate.Under high-speed tensile test condition,the ultimate elongation and peak toughness of the material has greatly improved.Key wordsstrain-hardening cementitious composites;basalt fiber;high speed tensile test;strain rate;dynamic tensileproperties文章编号：1007-2373（2023）01-0066-09DOI：10.14081/ki.hgdxb.2023.01.009收稿日期：2020-01-04基金项目：国家自然科学基金（51878238，51702082）第一作者：郭龙（1989），男，硕士研究生。通信作者：周健（1982），男，教授，。郭龙，等：BF SHCC动态拉伸性能试验研究0引言高延性水泥基复合材料（Engineered Cementious Composites或Strain Harding Cementious Composites，以下简称为SHCC）是以微观力学模型为理论基础对短纤维水泥基复合材料进行设计，通过合理控制材料微观力学参数，使其具有多缝开裂和应变硬化特性，在拉伸荷载作用下呈现高延展性的一种纤维增强水泥基复合材料1-2。研究发现，SHCC抗冲击性能明显优于普通混凝土和纤维混凝土3-4，是一种很有潜力的抗冲击材料。材料在冲击荷载作用下经常受拉，而且冲击荷载作用时间较短，材料变形快，应变率高于材料在静态荷载作用下的应变率，研究不同应变率下SHCC的拉伸性能对于材料抗冲击性能的研究具有重要意义。郭龙，等：BF SHCC动态拉伸性能试验研究67第 1 期研究5-12表明，应变率在10-6s-110-1s-1之间，随着应变率的增加，SHCC的初裂强度和极限强度均在增加，表现出应变率敏感性，而极限延伸率随应变率的增大而减少，但也有研究人员发现极限延伸率随应变率的增加变化不大。目前仅查阅到Mechtcherine等7使用高速拉伸试验机，研究了PVA-ECC在应变率10 s-1、25 s-1和50 s-1下的拉伸性能，研究发现随应变率的增加，材料的极限强度和极限延伸率均有提高。目前SHCC高速拉伸试验研究较少，试验方法和原理并不成熟，高速拉伸试验条件下SHCC试件是否处于动态应力平衡状态鲜有分析。本文在河北工业大学科研人员采用玄武岩纤维和铝酸盐水泥配制出具有高延展性的玄武岩纤维增强水泥基复合材料BF-SHCC13的基础上，借鉴金属和聚合物高速拉伸试验，探究使用高速拉伸试验机研究BF-SHCC在高速拉伸试验条件下的拉伸性能，分析试件是否处于动态应力平衡状态，同时采用电子万能试验机研究材料在低速拉伸试验条件下的拉伸性能；分析BF-SHCC在不同应变率下的拉伸性能，为BF-SHCC抗冲击性能的研究打下基础。1试验设计1.1原材料与 BF-SHCC 拌合1.1.1原材料与配合比试验采用CA-50-型铝酸盐水泥，I级F类粉煤灰和硅灰为基体原材料；减水剂为粉末状聚羧酸类减水剂；玄武岩纤维（BF）由山西晋投玄武岩开发有限公司生产，性能参数如表1所示。BF-SHCC的配合比如表2所示，水固比（w/s）为0.2。1.1.2BF-SHCC 拌合按比例称量原材料，将干粉和减水剂混合均匀；将拌合水和干粉与减水剂的混合物先后加入搅拌锅中，低速搅拌60 s；之后停拌30 s，将锅壁和搅拌叶上的胶砂刮入锅中；继续高速搅拌120 s；低速搅拌60 s，将玄武岩纤维均匀加入搅拌锅中；之后高速搅拌60 s；然后停拌30 s，将锅壁和搅拌叶上的胶砂刮入锅中；最后高速搅拌60 s，BF-SHCC制备完成。1.2低速轴向拉伸试验1.2.1试件制备低速拉伸试验试件尺寸参照 高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法（JC/T2461-2018）14，试件抗拉标距长度为80 mm，宽度为30 mm，厚度为13 mm，试件尺寸如图1所示。将拌合均匀的BF-SHCC到入试模中，试件成型后，在标准养护箱内带模养护24 h。脱模后，标准养护27 d，取出试件静置一天，准备试验。1.2.2试验方法BF-SHCC低速轴向拉伸试验参照文献14，在电子万能试验机上进行，如图2，加载方式为位移加载，加载速度分别为0.2 mm/min、4 mm/min 和80 mm/min（对应BF-SHCC的应变率分别为410-5s-1、810-4s-1和110-2s-1），载荷数据通过试验机上部的传感器获得，试件的变形信息通过试件表面安装的引伸计读取。1.3高速轴向拉伸试验1.3.1高速拉伸试验机加载装置与方法采用高速拉伸试验机VHS160/100-20进行高速拉伸试验，试验机结构和试件安装位置示意图15见图3，底座上的夹头夹紧试件的一端，试件的另一端穿过跟作动器连接在一起的移动夹头，移动夹头可随作动器表 1玄武岩纤维性能参数Tab.1Performance parameters of basalt fiber密度/（gcm-3）2.695拉伸强度/MPa2 230弹性模量/GPa85.8延伸率/%2.85长度/mm9直径/m14.1表 2BF-SHCC 配合比（质量比）Tab.2Mix ratio(mass ratio)of BF-SHCC水泥1.0粉煤灰1.25硅灰0.25减水剂0.01水0.5玄武岩纤维体积掺量百分比/%3图 1低速拉伸试验试件尺寸示意图（单位：mm）Fig.1Dimensions of low-speed tensile test specimens(unit:mm)2540804025306013-河北工业大学学报68第 52 卷一起加速，待加载到设定速度后，瞬间夹紧试件，进行设定拉伸速度下的拉伸试验。1.3.2数据采集载荷数据采集：试验载荷数据通过与试验机底部夹头相连接的载荷传感器测得，数据采样频率为16 260 Hz。变形信息采集：试验采用数字相关图像技术（DIC）采集试件标矩段变形信号，试验前在试件标距段喷涂散斑，高速摄像机实时采集目标区域变形阶段的散斑图像，使用Gom软件分析变形信息。高速摄像机拍摄参数：采样帧频为6104Hz，分辨率为192352。1.3.3试件尺寸及连接方式设计为避免尺寸效应的影响，高速拉伸试验试件的横截面尺寸仍为13 mm30 mm；参考文献7，14，16-17，拟定本试验名义应变率?=40 s-1，试件标距段长度L=50 mm，试验机拉伸速度l=2 m/s，圆弧过渡段半径R=25 mm。试件厚度大于高速拉伸试验机最大夹持厚度，试件与夹头之间需要通过连接片连接，连接形式会对应力波的传播造成影响16，18，借鉴Smerd等19的试件连接方法，采用螺栓连接试件和连接片，并将螺杆预埋在试件非标距段里，螺栓孔附近应力不均匀，结合圣维南原理，拟定试件非标距段尺寸为80 mm60 mm13 mm，试件尺寸如图4所示。为提高拉伸波在夹持段的传播速度，增加夹持段与圆弧过渡段界面的波阻抗比，使试件标距段内尽快达到动态应力平衡状态20，防止试件在夹持段破坏，在夹持段粘结轻质高强铝合金薄片。1.3.4试件制备将搅拌均匀的BF-SHC