陶瓷纤维混凝土的抗冲击性能试验研究.pdf

第 1 6 卷第 2期 2 0 1 3年 4月 建筑材料学报 J 0URNAL 0F BUI L DI NG M ATE RI ALS V0 1 1 6， No 2 Ap r ， 2 01 3 文章 编 号 ： 1 0 0 7 - 9 6 2 9 ( 2 0 1 3 ) 0 2 - 0 2 3 7 0 7 陶瓷纤维混凝土 的抗冲击性能试 验研 究 苏灏扬 ， 许金余 。 ， 白二 雷 ， 罗 鑫 ， 席 阳阳 ( 1 空军工程大学 机场建筑工程系，陕西 西安 7 1 0 0 3 8 ； 2 西 北工业 大 学 力 学 与土木 建筑 学 院 ，陕西 西安 7 1 0 0 7 2 ) 摘要 ： 采 用 1 0 0分 离式霍普金森 压杆 ( S HP B ) 试验装置 ， 研 究 了不 同纤维掺 量( 体积分数 ， 下 同) 的 陶 瓷纤 维混凝 土( C R F R C ) 冲击压 缩特 性 采用厚度 为 1 mm， 不 同直径 的 H6 2黄铜 波形整 形 器对入射 波 进 行整形 ， 确保 了试验过程 中的应 力均 匀性 ， 实现 了恒应 变率加 栽 结 果表 明 ： 随 着纤 维掺 量 的增加 ， C R F R C的峰 值应 力和峰 值应 变明显 增加 ， 应 力应 变曲线 下降段 由缓 变 陡； 冲击压 缩 强度和 能量 吸 收 特 性较素混凝 土显著提 高， 当应 变率为 ( 7 4 2 )S I 1 时 ， 纤 维掺 量 为 0 3 的 C R F R C能量 吸收 率 明显 高于素混凝 土 另外 ， 拟 合 了动 态强度 增长 因子 随应变率对数 变化的关 系式 关 键词 ：陶瓷 纤维混 凝土 ；动 态 强度增 长 因子 ；过渡应 变率 ；比 能量吸 收 中图分 类号 ： TU5 2 8 5 7 2 文献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 3 0 2 0 1 0 Ex p e r i me nt a l S t u d y o n Ant i i m pa c t Pe r f o r m a nc e o f Ce r a mi c Fi b e r Re i nf o r c e d Co n c r e t e su Ha o y a n g ， XU J i n y u ，BAI Er - l e i ， LUO Xi n ，XI Y a n g y a n g ( 1 De p a r t me nt of Ai r f i e l d a n d Bui l d i ng En gi ne e r i ng，Ai r Fo r c e En gi ne e r i ng Uni v e r s i t y，Xi a n 7 1 00 38，Ch i na； 2 S c h o o l o f Me c h a n i c s a n d Ci v i l Ar c h i t e c t u r e ，No r t h we s t e r n P o l y t e c h n i c a l Un i v e r s i t y ，Xi a n 7 1 0 0 7 2 ，Ch i n a ) Abs t r a c t ：The i m p a c t c o mpr e s s i ve pr o pe r t i e s o f c on c r e t e r e i n f o r c e d wi t h v a r i o us v ol u m e f r a c t i o ns o f c e r a m i c f i b e r we r e s t u d i e d u s i n g 1 0 0 一 mm d i a me t e r s p l i t Ho p k i n s o n p r e s s u r e b a r ( S HPB)a p p a r a t u s H6 2 b r a s s pu l s e s h a pe r s of 1 m m t hi c k a nd d i f f e r e n t d i a me t e r we r e a do pt e d t o a me l i o r a t e t he i nc i d e nt wa v e S O a s t o o bt a i n d y na m i c s t r e s s e q ui l i b r i um a nd a ne a r l y c o n s t a nt s t r a i n r a t e o ve r mos t o f t he t e s t du r a t i on The t e s t s r e v e a l t ha t wi t h t he v ol u m e f r a c t i on o f c e r a mi c f i b e r i nc r e a s i ng，t he pe a k s t r e s s a nd p e a k s t r a i n a n ha n c e pr o mi ne nt l y a n d t he d e s c e nd i ng s e gme n t o f s t r e s s s t r a i n c u r ve s t u r n s t e e p The a dd i t i o n o f s ho r t c a r a mi e f i b e r c a n s i gn i f i c a n t l y i m p r ov et he i m p a c t c ompr e s s i ve s t r e n g t h a n d e ne r g y - a b s o r pt i on c a pa c i t y o f t h e c on c r e t e a nd t h e r e l a t i ons hi p be t we e n d y na mi c s t r e n gt h i n c r e a s e r a t i o a nd t he l o ga r i t hm o f s t r a i n r a t e c a n b e e x p r e s s e d b y d o u b l e l i n e a r a p p r o x i ma t i o n s Wh e n t h e s t r a i n r a t e i s ( 7 4 2 )S _ 。 ，t h e e n e r g y a b s o r p t i o n r a t e o f c o n c r e t e r e i n f o r c e d b y c e r a mi c f i b e r o f v o l u me f r a c t i o n o f 0 3 i s s u p e r i o r t o p l a i n c o n c r e t e r e ma r k a bl y Ke y wo r d s：c e r a m i c f i b e r r e i nf or c e d c on c r e t e( CRFRC)；dy n a m i c s t r e n g t h i nc r e a s e r a t i o；t r a ns i e nt s t a i n r a t e ；s p e c i f i c e n e r g y a b s o r p t i o n ( S EA) 混 凝土 结构 如高 层建筑 、 长跨 桥 、 大坝 、 水 电站 、 隧道 、 码 头 等 ， 在工 作 中除 承受 静荷 载 外 ， 往 往还 要 承 受诸 如爆 炸 、 冲击和撞 击 等动荷 载 的作用 将纤 维 掺人 混凝 土 中可 以 有 效提 高 混 凝 土 的抗 冲击 性 能 ， 常用 的纤 维材料 有 钢纤维 、 碳纤 维 、 聚丙烯 纤 维 和玄 武岩 纤维 等 张念 林 等 采 用 MTS电液 伺 服 系 统 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 2 - 1 3 ；修订 日期 ： 2 0 1 2 0 2 2 1 基金项 目； 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 0 7 8 3 5 0 ) 陕西省 自然科学基金资助项 目( S J 0 8 E 。 1 0 ) 第一作者 ： 苏灏扬( 1 9 8 6 一) ， 男 ， 吉林柳河人 ， 空军工程大学博士生 E ma i l ： s u h a o y a n g l l 7 1 2 6 c o rn 通信作者 ： 许金余 ( 1 9 6 3 一) ， 男 ， 吉林靖宇人 ， 空军工程大学 教授 ， 博士生导师 ， 博士 E ma il ： j y x 3 6 9 y e a h n e t 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 3 8 建筑材料学报 第 1 6卷 对 钢纤维 混凝 土和 聚丙 烯纤 维混凝 土 的动态 力 学性 能进 行 了试验 研究 ， 结 果表 明 ： 在 各种 应变率 下 聚丙 烯纤维和钢纤维均能使混凝土的强度和韧性有一定 程度的提高 ， 且提高幅度随着纤维掺量 的增加而增 加 李 为 民等 2 采用 1 0 0分离 式 霍普 金 森压 杆 ( S HP B ) 试 验装 置研 究 了 玄武 岩 纤维 混 凝 土 的 冲击 压 缩力 学性 能 ， 结 果 表 明 ： 纤 维 掺 量 为 0 1 ( 体 积 分数 ) 的玄 武岩 纤 维混 凝 土 较 素 昆 凝 土 的动 态抗 压 强度 提高 了 2 6 ， 变形 能力 提高 了 l 4 纤维对混凝土抗冲击性能 的提高程度主要取决 于纤维 的抗 拉强 度 、 弹性 模量 、 黏 结强 度 以及 纤 维在 混凝土中的分散性等， 但现有的纤维并不能同时满足 冲击强度、 韧性和耐久性要求 因此， 高强高弹模纤维 成 为 国内外学者竞 相追逐 的焦点 陶瓷纤维 是一种 金 属氧化物纤维 ， 孔 隙率低 ， 收缩 小 ， 具有 较高 的抗拉 强 度、 弹性模量以及出色的耐高温、 抗腐蚀、 抗热冲击性 能， 因而被广泛应用于机械、 冶金、 交通运输 、 航空及 原子能等尖端科学领域 3 目前 ， 仅马一平等 5 研究 了陶瓷纤维增强普通硅酸盐水泥基复合材料 的弯拉 和耐久性能 ， 而 对陶瓷纤维混凝 土( C R F R C ) 的准静 态 力学性能 ， 尤其是冲击力学性能的研究甚少 本文采 用 1 0 0 S HP B试验装置 ， 研究 了纤维掺量不同的陶 瓷纤维混凝土的冲击力学特性， 并验证了 S HP B试验 的有效 性 1 原 料及 制备 C 5 0混凝土基体材料 ： P O 4 2 5 R秦岭 水泥； 韩城第二发电厂生产 的 I级粉煤灰 ； 西安霖源微硅 粉有 限公 司生产 的微硅 粉 ， 平均粒径 0 1 O O 1 5 m， 比表面 积 1 5 2 7 m。 g ， S i O2 含量 9 2 ”； 泾 阳 县石 灰 岩碎 石 ( 5 1 0 mm， 含 量 1 5 ； 1 0 2 O mm， 含 量 8 5 ) ； 灞河 中砂 ， 细 度模数 为 2 8 ； 广 州 建宝 新 型 建 材有 限公 司生 产 的 F DN 高效 减水 剂 ， 减 水 率 2 0 纤 维材料 ： 3 M 公 司生 产 的 Ne x t e l 6 1 0陶瓷 纤 维 ， 其 物理、 力学性能指标见表 1 表 2为 C 5 0基体混凝土 配 合 比 表 1 Ne x t e i 6 1 0陶瓷纤维物理、 力学性能指标 T a b l e 1 P hy s i c a l a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f Ne x t e l 6 1 0 c e r a mi c f i b e r 素混凝土的搅拌制度参 照水泥裹砂法， 其顺序 为： 砂+部分水和减水剂混合液( 3 0 s ) ， 石子 ( 3 0 s ) ， 胶凝材料( 6 0 s ) ， 剩余混合液( 1 2 0 s ) ； 陶瓷纤维混凝 土 的搅拌 制度 ： 铺 一 层 石 子 ， 撒 一 层 纤 维 ( 3 0 s ) ， 砂 ( 3 0 s ) ， 胶凝 材 料 ( 6 0 s ) ， 水 和减水 剂 混合液 ( 1 2 0 s ) 混凝 土浇 注完 成并 静 置 2 4 h后 置 于 ( 2 0 1 ) ， 相 对湿度9 5 的环境中进行养护 ， 2 8 d后切割、 打磨 制成直径约( 9 8 - t - O 5 )mm， 高 ( 4 9 土0 5 )mm 的圆 柱 形试 件 2 S HP B试 验 2 1 试 验 原理 及方 法 采 用 1 0 0 S HP B系 统测 试 混 凝 土 材料 的动 力 性能 S HP B试 验 的 基 本 原 理是 细 长杆 中 弹性 应 力 波传播理论 ， 建立在两个基本假设的基础上 ： ( 1 ) 平 面假设 ， 即应力波在细长杆传播过程 中， 弹性杆中的 每个横截面始终保持平面状态； ( 2 ) 应力 均匀假设 ， 即应力波在试件中传播 2 3 个来 回， 试件中的应力 处处相等 6 根据三波 法 ， 可计算 出试件 的应力 口 。 、 应变 率e 。 及 应 变 。 ， 见 式 ( 1 ) 式 中 ： E 为 杆 的 弹 性 模量 ； C 为杆 中波 速 ； A， A。 分 别 为杆 、 试 件 的横 截 面积 ； z 为试件 的 初始 厚 度 ， e ， e 分 别 为 杆 中 的 入射 、 反射 、 透射应变； r ， r 。分别为反射波、 透射波 相对 于入 射波 的时 间延迟 生些 ( ) 一堕 二 二 三 0 e )一 f r ) d r 1 ) 本文所涉及 的含量等 除纤维掺量为体积分数之外 ， 其余均为质量分数 ( 1 ) ， ， J 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 苏灏扬 ， 等 ： 陶瓷纤维混凝土 的抗 冲击性能试验研究 2 4 3 4 结 论 ( 1 ) S HP B 试 验 中 ， 入 射 脉 冲 的 作 用 时 间 为 4 7 0 5 5 0 s ， 人 射 脉 冲 上 升 沿 的 升 时 可 达 2 1 0 2 4 0肛 s ， 恒应变率加载时间比例为 4 7 8 2 ， 较好 地满 足 了应力 均 匀 性 和恒 应 变 率 加 载 ， 试 验 结果 准 确 可靠 ( 2 ) C R F RC 的应 力 应 变 曲 线 呈 现 明显 的 应 变 率相关性 ； 纤维的掺人， 使其峰值应力和峰值应变均 有所提高 ， 应力应变曲线下降段 由缓变陡 ( 3 ) C RF R C 的 动 态 抗 压 强 度 和 比能 量 吸 收 较 素混凝土显著提高 ； 基 于试验数据 ， 拟合了动态强度 增 长 因子 随应 变率对 数 的变化 关 系式 ( 4 ) 峰值 能量 吸收 率发 生在 试件破 坏后 ， 纤 维 的 拔 出消耗 了大 量 的能 量 ； 在 ( 7 4 2 )s 的应变 率 条 件下 ， 纤维掺量为 0 3 时 ， C R F R C的能量 吸收率 明显 高于 素混凝 土 参考 文献 ： 1 张念林 纤维混 凝土动 态力 学性 能试验研 究 D 哈尔滨 ： 哈 尔滨工业大学， 2 0 0 9 ZHANG Ni a n - l i nEx p e r i me n t a l s t u d y o n t h e dy n a m ic me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f fi b e r - r e i n f o r c e d c o n c r e t e D Ha r b i n ： H a r b i n I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y， 2 0 0 9 ( i n Ch i n e s e ) 2 李为民 ， 许金余 ， 沈刘军 ， 等 玄武岩纤维混凝土的动态力 学性 能 J 复合材料学报， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 2 ) ： 1 3 5 1 4 2 L I W e i rai n ， XU J i n y u ， S HEN L i u - j u n ， e t a 1 Dy n a mi c me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f b a s a l t f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e us i n g a s p l it Ho p k i n s o n p r e s s u r e b a r J Ac t a Ma t e r i a e C o mp o s i t a e S i n i c a ， 2 0 0 8， 2 5 ( 2 )： 1 3 5 - 1 4 2 ( i n Ch i n e s e ) 3 OL I VI TO R S ， Z UC C ARE L L O F A An e x p e r i me n t a l s t u d y o n t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e J Co mp o s i t e s ： Pa r t B， 2 01 0， 4 1 ( 3 )： 2 4 6 25 5 r 4 NI L I M ， AF R OUGHS AB E T VC o mb i n e d e f f e c t o f s i l i c a f u me a n d s t e e l f i b e r s o n t h e i m p a c t r e s i s t a n c e a n d me c h a ni c a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f I mp a c t E n gi n e e r i n g， 2 0 1 0， 3 7 ( 8 )： 8 7 9 8 8 6 5 马一平， 谈慕华 陶瓷纤维水泥基复合材料力学性能及 耐久性 研究 J 硅酸盐学 报， 2 0 0 0 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 0 5 1 i 0 M A Yi p i n g TAN M u h u a Re s e a r c h o n me c h a n i c a l p r o p e r t y a n d d u r a b i l i t y o f c e r a mi c f i be r r e i n f or c e d c e m e n t c o p o s i t e s J J o u r n a l o f t h e Ch i n e s e Ce r a mi c S o c i e t y ， 2 0 0 0 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 O 5 1 1 O ( i n Chi n e s e ) 6 R AVI c HAND RAN G， S UB HAS H G C r i t i c a l a p p r a i s a l o f l i mi t i n g s t r a i n r a t e s f o r c o mpr e s s i o n t e s t i n g c e r a mi c s i n a s p l i t Ho p k i n s o n p r e s s u r e b a r J J Am C e r a mi c S o c ， 1 9 9 4 ， 7 7 ( 1 ) ： 26 3 2 6 7 7 王 礼立 应 力 波 基 础 M 北 京 ： 国防 工 业 出版 社 ， 2 0 0 5 ： 5 2 - 6 O WANG L i l i F o u n d a t i o n o f s t r e s s wa v e s M B e ij i n g ：Na t io na l De f e n s e I nd u s t r y Pr e s s ， 2 0 0 5： 5 2 6 0 ( i n Ch i n e s e ) 8L U Y B， L I Q MD y n a mi c b e h a v i o r o f p o l y me r s a t h i g h s t r a i n r a t e s b a s e d o n s p l i t Ho p k i n s o n p r e s s u r e b a r t e s t s J I n t e r n a t io n a l J o u r n a l o f I mp a c t E n g i n e e r i n g， 2 0 1 1 ， 3 8 ( 1 ) ： 4 l 一 50 9 Z HANG M， wU H J ， L I Q M， e t a 1 F u r t h e r i n v e s t i g a t io n o n t h e d y na mi c c o mp r e s s i、 s t r e n g t h e n h a n c e me nt o f c o n c r e t e - l i ke ma t e r i a l s b a s e d o n s p l i t Ho p k i n s o n p r e s s u r e b a r t e s t s P a r t I ： Ex p e r i me n t s J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f I mp a c t E n g i n e e r i n g， 2 0 0 9， 3 6 ( 1 2) ： 1 3 2 7 1 3 3 4 1 O C E B CE B - F I P mo d e l c o d e 1 9 9 0 z Tr o wb r i d g e ， Wi l t s h i r e ， UK ： Co m mi t t e e Eur o I n t e r n a t i 0 n a l Du Be t o n， Re d wo o d Bo o ks ， 1 9 9 3 1 1 3 T E DE S C O J W ， R OS S C A S t r a i n - r a t e - d e p e n d e n t c o n s t i t u t i v e e q u a t i o n s f o r c o n c r e t e J AS ME J P r e s s u r e Ve s s e l Te c h n 0 l ， 1 9 9 8， 1 2 0 ( 4 )： 3 9 8 4 0 5 1 2 GROT E D L， P A RK S W ， Z HOU M D y n a e n i c b e h a v i o r o f c oner e t e a t h i g h s t r a i n r a t e s a n d p r e s s u r e s ( I ) - - Ex p e r i me nt a l c h a r a c t e r i z a t i o n J I n t J I mp a c t E n g ， 2 0 0 1 ， 2 5 ( 9 ) ： 8 6 9 8 8 6 1 3 3 I I Q M ， ME NG H Ab o u t t h e d y n a mi c s t r e n g t h e n h a n c e me n t o f c o r c r e t e l i ke ma t e r i a l s i n a s p l i t H o p k i n s o n p r e s s u r e b a r t e s t J I n t J S o l i d s S t r u c t ， 2 0 0 3 ， 4 0 ( 2 ) ： 3 4 3 3 6 0 1 4 余 同希 ， 卢 国兴 材料与结构 的能量吸 收： 耐撞性 包装 安 全 防护 M 北京 ： 化学工业 出版社 ， 2 0 0 5 ： 2 0 9 2 1 2 YU To ng - x i 。LU Gu o x i n En e r g y a bs o r p t i o n o f s t r u c t u r e s a n d ma t e r i a l s M B e i j i n g ： C h e mi c a l I n d u s t r y Pr e s s ， 2 0 0 5 ： 2 O 9 2 1 2 ( i n Ch i n e s e ) 1 5 翟 越 岩 石 类 材 料 的 动 态 性 能 研 究 D 西 安 ： 长 安 大 学 ， 2 0 07 ZH AI Yu e St u d y o n d y n a m i c c a p a b i l i t i e s o f r o c k ma t e r i a l s D X i a n ： Ch a n g a n Un i v e r s i t y ， 2 0 0 7 ( i n C h i n e s e ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m