冲击荷载下3种典型纤维混凝土的动态力学性能研究_杨国梁.pdf

NEW BUILDING MATERIALSNEW BUILDING MATERIALS0引言当建筑物受到爆炸荷载下冲击荷载作用时，为了保障建筑物的安全性、耐久性、可持续性，需要提高混凝土的抗冲击性能。因此，研究冲击荷载下典型纤维混凝土的动态力学性能是非常有必要的。高延性纤维增强混凝土是经过系统性设计，在拉伸和剪切荷载下能够呈现高延展性的一种纤维增强复合材料。均匀、杂乱地分布在混凝土中的纤维类似于钢筋的作用，形成一个“三维的箍筋”系统，提高混凝土的强度、抗冲击性能与抗弯极限强度，同时保证混凝土核心部分不易被破坏，塑性提升幅度较大，且能量消耗低。近年来，纤维混凝土获得了快速发展，尤其在各类防护等级较高的建筑中应用广泛，国内外有很多学者进行了纤维混凝土的抗冲击试验研究。刘新荣和柯炜1研究了多尺寸聚丙烯纤维混凝土的动态力学性能，结果表明，单掺聚丙烯粗纤维可提高混凝土的整体性，单掺聚丙烯细纤维主要是提高混凝土破坏后的抗冲击性能，而混掺纤维混凝土各个时期的抗冲击性能均得到提高。权娟娟等2研究了高延性水泥基复合材料高温作用后的拉伸性能，结果表明，常温下利用钢纤维等量冲击荷载下 3 种典型纤维混凝土的动态力学性能研究杨国梁，张博文，霍英杰，童鼎泰，董智文中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京100083摘要：为研究玻璃纤维、钢纤维、聚丙烯纤维对纤维增强混凝土动态力学性能的影响，采用 Hopkinson 压杆，对不同纤维类型、纤维质量掺量和打击气压下 50 mm25 mm 的混凝土试件进行动态压缩试验，对比其与普通混凝土在冲击荷载作用下动态力学性能的区别，得到各类纤维混凝土试件在不同打击气压下的动态压缩强度及应力-应变全过程曲线。结果表明，掺入适量纤维可提高混凝土的抗冲击性能，对混凝土的强度、塑性、能量耗散情况均有一定程度的改善，其中效果最好的是掺 1.5%钢纤维的纤维混凝土，各项性能均明显优于普通混凝土。关键词：纤维混凝土；抗冲击性能；塑性；SHPB 试验中图分类号：TU528.572文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）02-0023-05Dynamic mechanical properties of three typical fiber reinforced concretes under impact loadYANG Guoliang，ZHANG Bowen，HUO Yingjie，TONG Dingtai，DONG ZhiwenSchool of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology（Beijing），Beijing 100083，ChinaAbstract：In order to study the effects of glass fiber，steel fiber and polypropylene fiber on the dynamic mechanical propertiesof fiber reinforced concrete，Hopkinson pressure rod was used to carry out dynamic compression experiments on fiber reinfored concrete specimens of 50mm25 mm under different fiber types，mass dosages and loading air pressures，and compared the differences between their dynamic mechanical properties and ordinary concrete under impact loading，and the whole process curves of dynamic compressive strength and stress-strain of various fiber reinfored concrete specimens under different percussive air pressures were obtained.The results show that the impact resistance of concrete can be improved by adding an appropriate amount of fiber，and the strength，plasticity and energy dissipation of concrete are improved to a certain extent，among which the best effect is fiber reinfored concretemixed with 1.5%steel fiber，and the performance in all aspects is significantly higher than that of plain concrete.Key words：fiber reinforced concrete，impact resistance，plasticity，SHPB test基金项目：中国矿业大学（北京）2021 年大学生创新创业训练项目（202106021）收稿日期：2022-07-13；修订日期：2022-12-06作者简介：杨国梁，男，1979年生，博士，副教授，博士生导师，E-mail：。中国科技核心期刊23新型建筑材料202302替代 PVA 纤维将劣化 PVA-ECC 的拉伸应变硬化能力；高温对 PVA-ECC 和 HyECC 的拉伸强度和拉伸韧性均有明显的劣化作用。惠存等3研究了玄武岩-PVA 混杂纤维混凝土力学性能，结果表明，玄武岩纤维、PVA 纤维和混杂纤维可明显提高混凝土的抗折强度，且混杂纤维对抗折强度的增强作用尤为明显。权长青等4通过正交试验研究了钢纤维、聚丙烯纤维及粉煤灰对混凝土的作用效果，结果表明，钢纤维的作用效果最佳，其次为聚丙烯纤维，粉煤灰的作用效果最差。目前，增加混凝土的变形、改善混凝土的脆性的技术路线主要是通过在混凝土中添加适当的外加填料实现5。本文以玻璃纤维、钢纤维、聚丙烯纤维为增强材料，在不同的纤维质量掺量下选取合适的气压对试件进行 SHPB 冲击试验，最终确定在冲击荷载下 3 种典型纤维混凝土的动态力学性能。1试验1.1试件制备水泥：诸城九七建材有限公司，P O52.5 水泥，主要性能如表 1 所示；骨料：中砂建筑材料有限公司，区中砂，细度模数2.5，颗粒级配如表 2 所示；粉煤灰：河南宁存建材有限公司，级，细度 8.0%，含水量 0.1%，烧失量 2.0%，需水量比 80%，SO3含量 1.5%；减水剂：常州莱佑贸易有限公司，早强型聚羧酸减水剂，减水率 10%25%，固含量 98%；水：自来水；玻璃纤维：中山强威网络科技有限公司，伸长率 4.8%，密度 2.76g/cm3；钢纤维：沭阳县京宇商贸中心，端钩型，长度 30mm，直径 0.75mm，长径比 40，密度 7.85g/cm3，抗拉强度 1000MPa；聚丙烯纤维：沭阳华琪坊商贸中心，长度 6mm，密度 0.91g/cm3，抗拉强度 800MPa。表 1水泥的主要技术性能表 2砂的颗粒级配根据 JGJ 552011 普通混凝土配合比设计规程、GB/T500802016 普通混凝土拌合物性能试验方法标准 及实际情况进行纤维混凝土配合比设计。普通混凝土配合比（kg/m3）为：m（水泥）m（粉煤灰）m（砂）m（水）m（减水剂）=494907071878.4，在普通混凝土配合比基础上，掺加质量掺量分别为 1.0%、1.5%、2.0%的不同纤维，制得玻璃纤维混凝土、钢纤维混凝土及聚丙烯纤维混凝土。为充分拌合纤维混凝土试件，发挥不同类型纤维在混凝土中的作用，使用混凝土搅拌机均匀搅拌后利用振捣机充分振捣，增强混凝土的密实性，排除混凝土中的气泡，以提高混凝土的强度，减少试验误差。试件采用 100 mm100 mm100mm 模具浇筑，成型后用不透水的薄膜覆盖表面，标准条件下静置 24 h 后拆模，放入标准养护室内养护 28 d。养护后切割成尺寸为 50 mm25 mm 圆饼试件。1.2试验方案本试验在中国矿业大学（北京）土木工程动态力学实验室进行，使用 SHPB 动力试验系统测试不同纤维混凝土试件的动态力学性能。为保证波阻抗相同，子弹、入射杆、透射杆均采用均质钢材，长度分别为 800、3200、1800 mm，直径均为 50mm。试验前在子弹与入射杆碰撞端面贴波形整形器，使之有效延长入射脉冲的上升沿、平滑波形、消除波形振荡，减少了大直径杆带来的弥散效应。试验系统如图 1 所示。图 1SHPB 试验系统示意入射应变波、反射应变波和波透射应变波中，测得其中 2个即可通过公式确定试件的动态应力-应变关系，消去时间变量后得到试件动态应力-应变曲线。进而分析纤维混凝土的强度和塑性6。采用 SHPB 试验研究纤维类型及纤维质量掺量对混凝土动态力学性能的影响，且本文研究发生爆破时在爆炸冲击荷载下不同类型纤维对混凝土的影响，故选择较高的打击气压进行试验。设计纤维质量掺量分别为 1.0%、1.5%、2.0%，打击气压分别为 0.20、0.25、0.30 MPa，进行 3 组平行试验取平均值，以减少误差。试验设计方案如表 3 所示，编号中 B、G、J 分别代表玻璃纤维混凝土、钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土。表 3试验设计方案抗压强度/MPa 抗折强度/MPa安定性（沸煮法）3 d3 d28 d18433.852.56.27.2合格终凝28 d凝结时间/min初凝115比表面积/（m2/kg）450筛孔尺寸/mm4.752.36累计筛余/%3.616.21.1829.10.600.300.1552.674.693.3编号编号S1B4、G4、J4S2B5、G5、J5S3B6、G6、J6B1、G1、J1B7、G7、J7B2、G2、J2B8、G8、J8B3、G3、J3B9、G9、J9打击气压/MPa0.200.250.300.200.250.30纤维掺量/%0001.01.01.0打击气压/MPa0.200.250.300.200.250.30纤维掺量/%1.51.51.52.02.02.0杨国梁，等：冲击荷载下 3 种典型纤维混凝土的动态力学性能研究24NEW BUILDING MATERIALSNEW BUILDING MATERIALS根据表 5 及图 2、图 3 的试验结果分析可知：（1）纤维质量掺量相同时，随着打击气压的升高，混凝土的峰值应力会随之提高，即混凝土的强度提高，并且提高较均匀。2结果及分析对玻璃纤维、钢纤维、聚丙烯纤维混凝土在纤维掺量为1.0%、1.5%、2.0%情况下分组分别进行打击气压为 0.20、0.25、0.30 MPa 的动态力学性能试验，结果如表 4 所示。表 4混凝土的动态力学性能试验结果2.1峰值应力分析根据 SHPB 试验各数据的入射波、反射波和透射波，对试验结果进行分析，绘制应力-应变曲线，得到动态应力与应变关系。相同打击气压下纤维混凝土的峰值应力相较于普通混凝土变化率如表 5 所示。当纤维的质量掺量为 1.5%时，纤维混凝土在不同打击气压时的应力-应变曲线如图 2 所示；当打击气压为 0.25 MPa 时，纤维混凝土在不同纤维质量掺量时的应力-应变曲线如图 3 所示。表 5相同打击气压下纤维混凝土的峰值应力变化率编号编号B1G1B2G2B3G3B4G4B5G5B6G6B7G7B8G8B9G9峰值应力变化率/%5.040.91-2.8426.4314.888.5619.279.068.18峰值应力变化率/%45.5720.6122.3859.1540.4031.50