高含量混杂钢纤维高强混凝土抗侵彻性能试验研究.pdf

2 0 1 3年 第 1 O期 (总 第 2 8 8期 ) Nu mb e r 1 0 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 8 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 1 0 0 2 6 高含量混杂钢纤维高强混凝土抗侵彻性能试验研究 胡瑞 ，汪剑辉 ，王天运 ，颜海春 。林大路 。季新年 z ( 1 总参工程兵科研三所 ，河南 洛阳 4 7 1 0 2 3 ；2 解放军理工大学，江苏 南京 2 1 0 0 0 7 ) 摘要： 采用 + 3 0 火炮发射半穿甲模型弹 ，对体积含量 3 、 4 及 5 的高含量混杂纤维高强混凝土靶板进行 了抗侵彻性能试 验研究， 分析 了高含量混杂钢纤维对靶板侵彻性能的影响。 混杂钢纤维可以明显提高靶板的抗侵彻性能， 钢纤维含量越高 ， 提高 的幅度越大； 随着混杂钢纤维含量的增加 ， 靶板的垂直侵彻深度和弹坑深度呈线性趋势减小， 靶板的弹坑面积呈对数趋势降低。 关键词： 高含量；混杂钢纤维 ；抗侵彻性能 ；侵彻深度；试验 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 1 0 0 1 0 1 0 3 E x p e r i m e n t a l r e s e a r c h o n a n t i p e n e t r a t i o n p e r f or m a n c e o f h i g h v o l ume f r a c t i o n h y b r i d s t e e l f i b e r h i g h s t r e n g t h r e i n f o r c e d c o n c r e t e HURu i ， WANG J i a n hu i ， WANG Ti a n yu n ， YAN Ha i c hu n2 , LI N Da l u ， J I Xi n ni a n ( 1 T h e T h i r d E n g i n e e r S c i e n t i fi c Re s e a r c h I n s t i t u t e o f t h e He a d q u a r t e r s o f t h e Ge n e r a l S t a ff， L u o y a n g 4 7 1 0 2 3 ， Ch i n a ； 2 P L A U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Na n j i n g 2 1 0 0 0 7 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Ex pe r i me n t a l r e s e a r c h o n a n t i p e n e t r a t i on pe r f o r ma n c e o f hi g h v o l u me f r a c t i o n h y br i d s t e e l fibe r r e i n f o r c e d c o n c r e t e t a r g e t ， wh i c h s t e e l fi b e r v o l u me f r a c t i o n i s 3 ， 4 a n d 5 ， wa s c a r r i e d o u t b y+3 0 c a n n o n wi t h s e mi a r mo r p i e r c in g I n fl u e n c e o f h i 曲 v o l um e f r a c t i o n h y b rid s t e e l fib e r o n a n t i p e ne t r a t i o n pe r f o r man c e o f the t arg e t wa s a na l y z e dAn t i p e n e tri o n pe r f o r man c e o f the t a r g e t i s o b vi o u s l y i mpr o v e d， t he hi g h e r s t e e l fib e r v o l um e f r a c t i o n i s ， the l a r g e r a n t i p e n e i o n p e r f o rm a nc e wi l l b e Ve r t i c a l pe n e t r a t i on d e pt h and c r a t e rd e p t h o ft h et a r g e t i sl i ne a r l yd e c r e a s e d， a n d c r a t e rare ai sd e c r e a s e dl og a r i t h mi c a l l ywi th t hei nc r e a s e o fs t e e lfib e rvo l um ef r a c t i o n Ke y w or ds： hi g h v ol um e f r a c t i o n； hy br i d s t e e l fib e r ； a n t i - p e n e t r a t i o npe r f o rm a nc e； p e n e t r a t i o n d e pt h； e x pe r i me n t 0引言 1 试验概 况 现代战争条件下 ， 武器命 中精度越来越高 ， 侵 彻能力 越来越强 ， 爆炸破坏效应越来越 大 ， 对指挥防护工程 、 地下 指挥控制中心和其他坚 固地下 目标构成 了极大 的威胁 _ l _ 。 射弹侵彻混凝土作为 冲击动力学 问题 ， 具 有载荷 强度高 ， 作用时间短的特点 ， 是 区别 于一般力学现 象的重 要特征。 射弹着靶时在撞击形成弹坑阶段产生很强的应力波 ， 随着 弹体 的侵入 ， 弹头周 围高应力 区产生的应力波在弹头前面 传播 ， 当压缩波超过混凝土靶板最大抗压 强度 时 ， 形成一 定半径范围的粉碎 区和破裂 区。 此后弹体在被应力波破坏 或劣化的材料 中侵入 ， 当弹体全长侵入靶体后 ， 粉碎 了的 材料绕弹体 向后运动进人弹体后部留下的空间。 高含量钢 纤维混凝 土具有 良好的抗侵彻性能和抗爆炸性能 ， 可显著 提高 防护工程 的抗侵彻能力和结构 的抗力 2 - 6 1 。 但是 ， 由于 目前 国内对其动力性能和抗爆性能的应用研究不够深入 ， 加之一次性投入较大 ， 限制 了钢纤维混凝土在 防护工程 中 的应用和推广 ， 开展此项研究可为防护工程抗常规武器侵 彻爆炸设计 与加 固改造提供必要 的依据 ， 具有十分重要 的 军事意 义。 收 稿 日期 ：2 O 1 3 _ 0 4 _ 2 1 1 1 试验原材料 ( 1 ) 水泥： 洛阳中合祥水泥厂“ 香山牌 ， P 0 4 2 5 R级水泥。 ( 2 ) 集料 ： 伊河 中粗砂 ， 龙 门东山破碎石灰石。 ( 3 ) 掺合料 ： I 级粉煤灰 、 硅灰 。 ( 4 ) 外加剂 ： 水利水 电科学 院研 制的“ 科利海 ” 牌 高浓 型 S K 2复合型高效缓凝型减水剂。 ( 5 ) 钢纤维 ： 赣州 大业金 属纤维有 限公 司 3 种不 同型 号的切 断型钢纤维。 1 2试 验靶 板 试验靶板的基体混凝土强度等级为 C 8 0 ， 混杂纤维高含 量混凝土靶板尺寸 ： 长 宽X 高 = 4 0 0 mm x 4 0 0 mmx 2 0 0 1T U T I ， 基 体混凝土靶板尺寸 ： 长X 宽 高 = 8 0 0 mm 8 0 0 m mx 4 0 0 m m。 混凝土靶板配合 比见表 1 ， 混凝土靶板参数见表 2 。 1 3 试 验 设备 ( 1 ) 发射装置 。 采 用 6 3 0 m m 口径火炮作为 室内模型 试验发射装置 ， 如图 1 ， 其工作原理是借助火药室 内的高压 气体膨胀对弹体做功 ， 选择适 当的药量 ， 从而获得不 同的 弹速。 弹速一般控制在 5 0 1 0 0 0 m s 。 1 01 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 编号 水泥 粉煤灰 硅灰水 石子砂子 减水剂 混杂钢纤维 A0 A 1 A2 A3 A4 A5 0 1 0 2 0 3 O 4 0 5 0 0 无 7 8 单 一 1 5 6 堕 一 2 3 4 混杂 3 1 2 混杂 3 9 0 混杂 8 0 O 8 0 O 4 O 0 8 0 0 8 O O 4 O 0 8 0 0 8 O 0 4 00 4 00 x 4 00 x 20 0 40 0 40 0 20 O 4O 0 40 0 2 O 0 ( 2 ) 弹丸。 图 2 是 弹丸 的外形图 ， 弹头为实芯 ， 弹体为 普通 4 5 钢 ， 主要模拟半穿 甲类航弹。 为了保证模型弹材料 图 1 3 O火炮发射装置 图2半穿甲模型弹丸外形图 达到原型弹材料的机械性能要求 ， 提高弹丸的强度和硬度 ， 对弹体进行了淬火处理 。 弹头为卯头实芯型， 顶角 2 4 。 ； 弹长 1 5 0 m m； 长 径 比 5 ： 1 ； 弹头 长 7 0 m m； 弹径 3 0 mm； 弹重 0 5 4 3 k g 。 抗拉强度 O b = l 1 0 0 MP a ， 硬度 H R C = 3 9 。 表 3 侵彻试验结果 1 0 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( 3 ) 测速装置 。 弹速用锡 箔靶和 电子测时仪测量 。 其工 作原理是利用锡箔靶或 网靶 ， 捕捉弹丸通过两弹道点 、 时的信号并输入 测时仪 ， 得 到弹丸通过弹着点 。 、 的时 间间隔 。 由式： 。 = =( ) 计算出弹丸的飞行速度。 测速布置如图 3 。 锡 箔靶 I 炮 口 翌 由占 l r 置 l 靶 体 I I _ _ J 图 3测 速装 置布 置 图 2 试验 结果及分析 2 1 试 验 结 果 试验 中得到了射弹侵彻靶板的弹坑直径 、 弹坑面积 、 弹坑的深度 以及弹坑 的垂直侵彻深度 。 弹的速度通过控制 火药的装药量来控制 ， 弹速控制在 3 2 9 m s 左右 ， 试验结果 如表 3 所示。 2 2 试验结果分析 根据试验结果 ， 分析钢纤维与聚丙烯纤维含量对靶板 侵彻深度 、 弹坑 面积 、 弹坑深度的影响 。 ( 1 )钢纤维含量对侵彻深度的影响。 试验结果见表 4 和图 4 ， 图中 日为垂直侵彻深度 ， D为弹径 。 由此可以看 出， 随着钢纤维含量的增加 ， 靶板的垂直侵彻深度与基体混凝 土相比呈线性下降 ， 钢纤维体积含量每提高 1 ， 靶板 的侵 彻深度平均减少 3 4 7 。 表 4靶 板垂 直侵 彻深 度 ， 钢纤维体积弹速垂直侵彻 侵彻深度比基体混凝土 含量 ( m s )深度 m m 弹径 降低 钢纤 维体积 掺量 ， 图 4 H D随钢纤维含量关系曲线 ( 2 ) 钢纤维含量对弹坑面积的影响。 试验结果见表 5 和 图 5 ， 图中 s 。 为弹坑面积 ， S为模 型弹横截 面积 。 由此 可以 看 出 ， 随着钢纤维含量 的增加 ， 靶板 的弹坑 面积与基 体混 凝 土相 比逐渐减小且 幅度变缓 ， 钢纤维含量为 1 时减小 表 5 靶板弹坑面积 U l 2 3 4 5 钢 纤维 体积掺 量 图 5 S D S随钢纤维含量关系曲线 4 1 8 9 ； 含量 2 比含量 1 时面积减 小 1 3 6 8 ， 含量 3 比含量 2 时减小 7 2 8 ， 含量 4 b L 含量 3 时减小 3 7 2 ， 含量 5 比含 量 4 时减小 1 2 9 。 对此趋势进行 拟合 ， 呈 对数趋势降低。 ( 3 ) 钢纤维体 积含量对 弹坑 深度 的影响 。 试验结果 见 表 6 和图 6 。 由此可以看出， 随着钢纤维含量的增加 ， 靶板的 弹坑深度与基体混凝土相 比呈线性减小 ， 钢纤维体积含量每 提高 1 0 0 ， 靶板的弹坑深度 比基体素混凝土平均减少 9 4 8 。 表 6 不同钢纤维含量混凝土的弹坑深度 钢纤维 体积 掺量 ， 图 6 -g D随钢纤维含量变化的关 系曲线 4结论 ( 1 ) 混凝土 中掺入混杂钢纤维 ， 可以明显提高靶板 的 抗侵彻性能， 钢纤维含量越高， 抗侵彻性能提高的幅度越 大 ； 随着含量 的增加 ， 靶板 的垂直侵彻深度和弹坑深度呈 下转第 1 0 7页 1 0 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 说 ， 密度越小 的骨料大 多是 多孔轻质 的、 吸水 性大 、 质量 差 、 强度弱并且是不稳定 的 】 0 1 ， 但这种趋势并不绝对 ， 因此 粗 骨料的密度可 以作为评价的参考指标 。 从白乳胶 、 沥青的预处理试验中选出最低 吸水率所在 组 的数据 ， 加上经脲醛树脂预处理后的再 生粗骨料的性能 数 据 ， 同未改性前 的再生粗骨料基本性能指标 比较 ， 结 果 如 图 8 所示。 ( 将再生粗骨料性能指标的各项数值标定为 1 ， 经改性处理后 的再生粗骨料性能数值分别 与其对应 比较 ， 取 比值为纵轴刻度 ) 。 1 2 1 O 0_ 8 0 6 O 4 0 2 0 表观 密度堆积 密度 吸水 翠 压碎 值 图 8三种有机浆液预处理对粗骨料改性效果比较 从图 8 可 以直观地看 出通过有机浸润预处理的办法 ， 再生粗骨料 的各项基本性能都有 了不同程度 的增强。 说明 通 过预先 对再生粗骨料浸润处理来提高其基本力学性 能 是可行的。 在表观密度 、 堆积密度和压碎值这些指标上 ， 三 种改性方法均对再生粗骨料有一定程度的改善 ， 但相互间 差距不大。 而在吸水 率这一重要指标上通过沥青掺稀 释剂 和脲醛树脂浸润改性 的处理效果要 比用 白乳胶好得多 。 尽 管如此 ， 三种有机物浸润预处理的方法对再生粗骨料 的强 度改善有 限， 这也是 三种改性方法处理后骨料的压碎值指 标 比较接近的原 因。 通过三种浆液对再生粗骨料 预处理效果的综合 比较 ， 可知脲醛树脂浆液浸润预处理具有操作方便 、 固化成膜完 整性好 、 预处理后 的再 生粗骨料 密实度高 、 吸水率和压碎 指标较低 的优点 ， 适合作为再生粗 骨料有机预处理方法 的 有机浆液。 后期试验表明， 当用脲醛树脂预处理过 的再生粗 骨料 以不超过 3 0 的替代率替 代天然骨料配制再生混凝 土时， 再生混凝土能够满足普通混凝土的使用要求 。 上接第 1 O 3页 线性趋势减小 ， 靶板 的弹坑面积对数趋势降低。 ( 2 ) 混杂钢纤维混凝土靶板的弹坑深度和弹坑面积减 小 的幅度十分 明显 。 与基体混凝土相 比， 弹坑面积降低幅度 为 4 1 8 9 6 7 8 6 ， 弹坑深度降低幅度为 8 5 4 - 4 8 7 4 。 ( 3 ) 与基体混凝 土相 比 ， 混杂钢纤维体积含量从 1 增 加到 5 ， 靶板 的垂直侵彻深度降低幅度为 3 5 1 1 9 5 2 ， 混杂钢纤维含量每增加 1 ， 垂直侵彻深度平均减少 3 4 7 。 参考文献 ： 1钱七虎 高技术局部战争中的反空袭和防护工程 M J 2 0 0 0 【 2 J2 赵国藩， 彭少民 ， 等 钢纤维混凝土结构 M 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 9 9 3结 论 ( I ) 用有机预处理法能够实现对村镇建筑垃圾再生粗 骨料的改性强化 ， 可以为村镇建筑垃圾的再生利用提供一 条新的途径 。 ( 2 ) 有机预处理法对再生粗骨料压碎指标较未 改性 的 再生粗骨料有一定程度 的降低 ， 最多降低 1 7 6 3 ； 吸水率 改善非常明显 ， 最多降低至 2 0 3 。 ( 3 ) 从改性后再生粗骨料 的物理力学性 能 、 成膜完整 度及预处理技术的简易性和经济性等方面综合评价本文 所采用 的三种有机预处理浆液处理效果 为脲醛树脂最优 ， 沥青 次之 ， 白乳胶较差 。 参考文献 ： 1 】 谢斌 ， 李国辉 ， 贾斌 再生混凝土应用于预制中空隔墙的试验研 究l J 1 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 8 ) ： 1 5 0 1 5 1 2 缪正坤， 刘伟， 林丽娟， 等 建筑垃圾作骨料生产保温砌块的研 究 J 1 新型建筑材料， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 2 7 2 8 【 3 李坤 再生骨料及再生混凝土基本性能研究 D 大连 ： 大连理工 大学 ， 2 0 0 5 4 】ME L L MA NN G P r o c e s s e d c o n c r e t e r u b b l e f o r t h e r e u s e a s a g g r e g - a t e M P r o c e e d i n g s o f t h e I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n E x p l o i t i n g W a s t e i n Co n c r e t e Dun d e e， 1 9 9 9： 1 71 -1 7 8 5 杨薇薇 再生混凝土多孔砖的配合比及其物理力学性能的研究【 J J 郑州 ： 郑州大学， 2 0 0 7 ( 4 ) 6 6 邢振贤 ， 刘利军 ， 赵玉青， 等 碎粗骨料再生混凝土配合比研究f J 】 再 生资源研究 ， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 3 8 4 0 7 MO S T A F A T ， P A R V I A S D r y i n g s h ri n k a g e b e h a v i o r of r e c y c I e d a g - g r e g a t e c o n c r e t e J C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l ， 1 9 9 6 ( 1 1 ) ： 5 8 6 1 8 】任厌 旺， 邱茂智 ， 薛梅 ， 等 再生混凝土的研究现状及其基本性 能 J I 建筑技术开发， 2 0 0 5 ( 2 ) ： 4 4 4 6 9 】李清海 ， 孙蓓 ， 陈日高建筑垃圾、 粉煤灰双掺对压制成型水泥 基材料性能影响的研究【 J 1 混凝土 ， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 6 6 6 7 【 1 0 P ADMI NI A K， RAMAMUR T HY K， MA T HE WS M S B e h a b i o r o f c o n c r e t e w i t h l o w s t r e n g t h b ri c k s a s l i g h t w e i g h t c o a r s e a g g r e g a t e J M a g a z i n e o f C o n c r e t e R e a s e a r c h ， 2 0 0 1 ， 5 3 ( 6 ) ： 3 6 7 3 7 5 作者 简介 联 系地址 联 系 电话 马欣( 1 9 7 8 一 ) ， 女 ， 讲师 ， 硕士研究生。 沈 阳市沈北新区沈北路 8 8 号 辽宁经济管理干部学 院 ( 1 1 0 1 2 2 ) 1 5 0 02 48 0 6 6 6 3 】胡瑞 ， 高杰 ， 沈贵松 ， 等 高含量混杂纤维混凝土压缩韧性试验 研究l J 1 防护工程 ， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 4 ) ： 1 5 1 9 4 胡瑞 ， 高杰 ， 沈贵松 ， 等 高强高含量混杂纤维混凝土应力一 应变 全曲线试验研究 J l_ 防护工程 ， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 5 ) ： 2 1 2 5 5 AC I C o mmi t t e e 5 4 4， t a t e o f t h e Ar t R e p o rt o n F i b e r Re i n f o r c e d C o n c r e t e I n ： F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e ( A C I s P _ 4 4 ) I R 】 1 9 7 4 ： 5 3 5 6 P r o t e c t i v e D e s i g n F u n d a m e n t a l s o f P r o t e c t i v e D e s i g n( N o n N u c l e aT) I n D e p a r t m e n t o f t h e A r m y T e c h n i c a l M a n u al T M 5 8 5 5 一 I ， 1 9 6 5 作者简介 联 系地址 联 系电话 胡瑞( 1 9 6 6 一 ) ， 男 ， 高级工程师 ， 博士 ， 主要从事防护工 程结构与材料研究。 河南省洛阳市总参工程兵科研三所( 4 7 1 0 2 3 ) 1 3 9 3 8 8 03 5 2 8 1 0 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m