冲击荷载下纳米碳纤维混凝土的动态受压力学特性

为探究纳米碳纤维混凝土的动态受压力学特性,本研究利用Φ100 mm分离式霍普金森压杆装置,分别对素混凝土及体积掺量为0.1％、0.2％、0.3％、0.5％的纳米碳纤维混凝土试件开展冲击压缩试验,对比分析了混凝土在5组不同应变率水平下混凝土的动态抗压强度、动态压缩变形和冲击韧性的变化特征.结果表明:各掺量下纳米碳纤维对混凝土动态抗压强度、动态压缩变形和冲击韧性均具有不同程度的增强作用.纳米碳纤维掺量为0.3％时对动态抗压强度的增强效果最佳;纳米碳纤维仅在0.2％掺量时对混凝土动态弹性模量表现为提升作用,其他掺量下反而使其动态弹性模量有所下降.素混凝土及纳米碳纤维混凝土的动态抗压强度、冲击韧性和动态弹性模量均随应变率水平的提高而逐渐增大,表现出显著的线性关系.动态峰值应变、极限应变虽整体上随应变率的上升呈递增趋势,但二者并不存在明显的线性相关性.适量纳米碳纤维的掺入能够发挥小尺寸效应及增强、阻裂作用,改善基体的微观结构,提升混凝土在冲击荷载作用下的动态受压力学特性.     

高应变率下多尺寸聚丙烯纤维混凝土动态压缩力学性能研究

采用Φ74 mm的分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置,对两种尺寸聚丙烯细纤维和一种尺寸聚丙烯粗纤维单掺及混掺的混凝土试件进行冲击压缩试验,对比分析粗、细纤维及不同纤维掺量比的多尺寸纤维混凝土试件在五种不同应变率下的动态压缩强度、动态压缩变形、动态压缩韧性和破坏特征,研究聚丙烯纤维混凝土的动态压缩力学性能.结果表明:随应变率的增加,素混凝土及纤维混凝土的动态压缩强度、动态压缩变形和动态压缩韧性表现出显著的应变率效应;在试验应变率范围内,粗聚丙烯纤维混凝土的动态抗压强度最高,相对素混凝土增幅为132.36％～213.85％;多尺寸聚丙烯纤维混凝土的动态强度增长因子与素混凝土基本一致;掺入多尺寸聚丙烯纤维可有效增大混凝土在不同应变率下的动态峰值应变和动态极限应变;多尺寸聚丙烯纤维混凝土的动态极限韧性较高,其中细聚丙烯纤维含量为1.2 kg/m3时混凝土动态极限韧性最高,增幅为121.11％.     

高应变率下多尺寸聚丙烯纤维混凝土动态压缩力学性能研究

采用Φ74mm的分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置,对两种尺寸聚丙烯细纤维和一种尺寸聚丙烯粗纤维单掺及混掺的混凝土试件进行冲击压缩试验,对比分析粗、细纤维及不同纤维掺量比的多尺寸纤维混凝土试件在五种不同应变率下的动态压缩强度、动态压缩变形、动态压缩韧性和破坏特征,研究聚丙烯纤维混凝土的动态压缩力学性能。结果表明:随应变率的增加,素混凝土及纤维混凝土的动态压缩强度、动态压缩变形和动态压缩韧性表现出显著的应变率效应;在试验应变率范围内,粗聚丙烯纤维混凝土的动态抗压强度最高,相对素混凝土增幅为132.36%~213.85%;多尺寸聚丙烯纤维混凝土的动态强度增长因子与素混凝土基本一致;掺入多尺寸聚丙烯纤维可有效增大混凝土在不同应变率下的动态峰值应变和动态极限应变;多尺寸聚丙烯纤维混凝土的动态极限韧性较高,其中细聚丙烯纤维含量为1.2kg/m~3时混凝土动态极限韧性最高,增幅为121.11%。     

纤维掺量对聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料动态压缩性能的影响

为探究超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)的动态本构关系及纤维体积掺量对聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVAFRCC)动态力学性能的影响,基于Φ80 mm霍普金森压杆(SHPB)装置分别对不同纤维体积分数(Ovol%、0.5vol%、1vol%、1.5vol%、2vol%)的PVAFRCC试件进行冲击压缩试验,得到各类型材料在不同应变率下的应力-应变曲线。结果表明:在约110～270 s~(-1)的应变率范围内,与纤维掺量0vol%的基体(PVAFRCC-0)相比PVA纤维的掺入对动态强度增强因子(μ_(DIF))、冲击韧性和抗破碎能力有明显提高作用,并随纤维掺量的增加而进一步增强;掺2vol%PVA纤维UHTCC(即PVAFRCC-2)试件的μ_(DIF)和冲击韧性与基体相比分别提高了约33%～37%和27%～33%,其破碎产物的平均粒径是基体破碎产物的5.9～6.8倍。基于Weibull分布理论提出了适用于掺2vol%PVA纤维UHTCC试件的动态压缩本构模型。     

UHMWPE纤维混凝土动态压缩力学性能研究

试验研究了一种捻制超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维增强的新型纤维混凝土动态压缩力学性能。研制了4种纤维体积掺量(0.3%、0.5%、0.7%、1.0%)的C70等级纤维混凝土,采用Φ100 mm分离式霍普金森压杆进行冲击压缩试验,研究了纤维混凝土在140~255 s~(-1)应变率下的动态压缩力学性能。试验结果表明:UHMWPE纤维混凝土抗压强度、峰值应变和弹性模量具有明显的应变率敏感性;纤维混凝土抗压强度应变率敏感性弱于素混凝土,但其弹性模量应变率敏感性强于素混凝土;动态强度增长因子与应变率对数呈线性关系,具体关系与纤维掺量相关。     

纤维早强混凝土不同龄期的动态力学性能

早强混凝土在抢修、抢建及特殊工况中应用较广,其早期动态力学性能对其正常使用、安全评估等具有重要意义。制备了纤维体积掺量为0%、0.1%、0.2%和0.3%的玄武岩纤维早强混凝土,利用Φ100mm分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对其1d、7d和28d的动力学性能展开研究。结果表明:玄武岩纤维早强混凝土动态力学性能具有显著的应变率强化效应,动态压缩强度和比能量吸收均随着应变的升高而显著增强;随着龄期的增加,早强混凝土的动态抗压强度和比能量吸收均增大,且均表现出前期增长迅速,后期增长缓慢的规律,在对比欧洲混凝土协会(CEB)等给出的应变率增长因子(DIF)计算公式后,提出了基于龄期增长的DIF计算模型;掺入玄武岩纤维对早强混凝土不同龄期的动态抗压强度和吸能性能均有不同程度的提升,纤维掺量越大,性能改善越明显。     

短切纤维及预应力对玄武岩织物增强水泥基复合材料拉伸力学性能的影响

通过静态拉伸试验研究不同体积掺量的短切碳纤维、钢纤维、耐碱玻璃纤维及预应力对5层玄武岩织物增强水泥基复合材料(BTRC)拉伸性能的影响。试验结果表明:短切碳纤维、玻璃纤维可以提高基体和BTRC的开裂强度,且开裂强度随着碳纤维掺量的增加而增加;预应力使基体产生预压力,明显提高其开裂强度。短切纤维及预应力都显著提高BTRC的峰值荷载和韧性,但峰值应变基本不变;峰值荷载和韧性随着钢纤维掺量的增加而增加,体积分数为1.5vol%掺量时达到最大值;随着碳纤维掺量增加,峰值荷载和韧性先增加后减小,体积分数为1.0vol%掺量时最大。施加预应力且掺入短切碳纤维或钢纤维时,短切纤维增强的基体可以更好地承受张拉力释放后纤维束径向变形引起的环向应力,进一步提高了织物与基体界面的挤压作用力及摩擦力,从而增强效果最明显,峰值荷载分别增加50.4%和58.9%,韧性分别增加84.7%和79.5%。BTRC材料掺入短切玻璃纤维、钢纤维及施加预应力均可以增加其受力后的裂缝条数,减小裂缝间距和裂缝宽度。     

钢纤维地质聚合物混凝土冲击力学性能研究EI北大核心CSCD

通过控制粉煤灰、矿渣用量制备基准强度分别为C50、C60和C70的普通地质聚合物混凝土试件,再掺入不同体积量(0.3%, 0.6%, 0.9%和1.2%)的钢纤维制备出钢纤维地质聚合物混凝土试件。采用霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)对试件在不同冲击气压(对应不同应变率)下的抗冲击性能进行研究,探讨钢纤维掺量、应变率及混凝土基准强度对试件动态抗压强度和韧性指数的影响;采用ABAQUS软件进行数值模拟,对模拟与试验结果加以分析和验证;建立钢纤维地质聚合物混凝土动态应力-应变本构模型。结果表明:各组试件的动态抗压强度随着应变率、混凝土基准强度地提高逐渐增大,而钢纤维掺量仅对强度较低地质聚合物混凝土产生较大影响;应变率的提高使试件完整性逐渐变差,而随着钢纤维掺量与混凝土基准强度的提高,试件完整性逐渐变好,冲击耗能与韧性逐渐增加;数值分析与试验结果吻合较好,验证了结果的可靠性;钢纤维地质聚合物混凝土动态应力-应变本构模型计算结果与试验结果整体吻合较好,可用于预测冲击荷载下钢纤维地质聚合物混凝土的力学性能。     

新型聚合物乳胶粉对碳纤维增强混凝土力学性能的影响

为了更好地提升碳纤维混凝土的力学性能,通过加入VAE聚合物乳胶粉,研究4种碳纤维掺量(0,0.1%,0.2%,0.3%)下乳胶粉掺量对碳纤维混凝土性能的影响,并对混凝土的抗压强度、抗折强度、抗压峰值应变、抗折峰值应变和折压比进行分析。试验结果表明,随着VAE聚合物乳胶粉掺量的增加,乳胶粉对碳纤维混凝土性能的提升效果呈现先升高后下降的趋势,乳胶粉掺量在4%～8%范围内对碳纤维混凝土性能的提升最为明显,且碳纤维掺量和乳胶粉掺量之间存在交互作用。     

温度、应变率对地质聚合物混凝土抗压强度的影响

采用自主研制的高温SHPB试验系统,对高温条件下地质聚合物混凝土的动态抗压强度进行了试验研究。结果表明:200℃时地质聚合物混凝土的动态抗压强度较常温时有所增长,800℃时强度则急剧下降;应变率随弹速近似线性增长;同一弹速水平下,200~600℃时的应变率与常温接近,800℃时较常温提高明显;高温条件下,由侧向约束引起的附加应力可以忽略不计,试验所测得的动态强度增长因子(DIF)的应变率增强效应反应了材料的本质属性;在30~130 s-1应变率范围内,高温下地质聚合物混凝土的DIF与应变率的对数呈线性关系,且温度越高,应变率效应越明显。     

钢管钢纤维高强混凝土抗冲击压缩性能的试验研究与数值模拟

遮弹层的建成及优化对防护工程的发展尤为重要。钢管钢纤维高强混凝土蜂窝遮弹层是一种具有高强抗力的新型遮弹层,文章对其组成构件钢管钢纤维高强混凝土进行霍普金森压杆(SHPB)动态力学性能试验,并借助动力有限元分析软件LSDYNA进行数值模拟。冲击压缩试验中,试件的钢纤维掺量分别为0%、0.5%、1.0%、1.5%,钢管壁厚分别为2mm、3mm。结果表明钢管钢纤维高强混凝土具有应变率强化效应,应变率越高,试件的动态抗压强度越大。当气压为1.0 MPa时,壁厚3mm、钢纤维掺量1.5%的试件强度达258.3 MPa。与钢纤维高强混凝土相比,钢管钢纤维高强混凝土的抗冲击压缩性能更好,动态抗压强度最大增幅达35.4%,且具备承受多次冲击压缩作用的能力。数值模拟与试验结果吻合度高,表明数值模拟方法具有可行性。     

Mechanical properties of ceramic fiber-reinforced concrete under quasi-static and dynamic compression

The research herein is made on the quasi-static and dynamic mechanical properties of ceramic fiber reinforced concrete (CRFRC for short) through the adoption of a hydraulically-driven testing system as well as a 100-mm-diameter split Hopkinson pressure bar (SHPB) system. As test results have turned out, such quasi-static properties as compressive strength, splitting tensile strength and flexural strength of CRFRC increase with the rise in the volume fraction of fiber. Within the strain range of 20–120 s⁻¹, the effect of the axial strain acceleration on the dynamic strength of CRFRC could be ignored. Therefore, the dynamic increase ratio (DIF) derived from SHPB tests can truly reflect the dynamic enhancement of CRFRC. The dynamic strength, critical strain and specific energy absorption (SEA) of CRFRC are sensitive to the strain rate. The addition of ceramic fiber to plain concrete can significantly improve its properties—dynamic strength, critical strain and energy absorption. And also, an analysis is conducted of the mechanism for strengthening and toughening the concrete.     

玄武岩纤维混凝土的动态力学性能

采用Φ100 mm分离式霍普金森压杆 (SHPB) 试验装置研究了不同纤维体积掺量的玄武岩纤维混凝土在不同应变率下的冲击压缩力学性能 , 并对试验的有效性进行了分析。结果表明: 玄武岩纤维混凝土的动态强度增长因子与平均应变率的对数近似呈线性关系 , 强度与变形能力随平均应变率的提高而线性增加 , 体现了很强的应变率相关性 ; 纤维体积掺量为 0. 1 %的玄武岩纤维混凝土较素混凝土的动态抗压强度提高了 26 % , 变形能力提高了 14 %; 纤维体积掺量分别为 0. 2 %、 0. 3 %的玄武岩纤维混凝土的动态抗压强度比素混凝土高出 25 %左右 , 而变形能力较素混凝土无明显优势 ; 在玄武岩纤维混凝土的 SHPB试验中 , 试件破坏时刻为 123. 3～239.μ45 s , 近似恒应变率加载时间比例约为 62 % , 且应变率曲线的波动范围控制在 23 %左右 , 能够较好地满足应力均匀分布及恒应变率加载要求 , 表明 SHPB试验结果可靠。      

钢纤维超高强混凝土动态力学性能

采用分离式霍普金森压杆装置对不同纤维体积率的钢纤维超高强混凝土进行不同应变率的冲击压缩试验,结果表明钢纤维超高强混凝土是应变率敏感材料,并测出其应变率敏感阀值,当应变率超过阀值后,钢纤维超高强混凝土的强度、韧度与弹性模量都随纤维体积率的增加而显著提高,在高应变率下,超高强混凝土基体成粉碎性破坏,而钢纤维超高强混凝土呈现出“裂而不散”的破坏形态。     

透水沥青混凝土单轴冲击压缩特性研究

为研究透水沥青混凝土的动态力学特性,采用74 mm钢质分离式霍普金森压杆装置对不掺纤维和掺0.3%聚酯纤维的透水沥青混凝土进行了不同应变率的单轴冲击压缩试验。研究表明,透水沥青混凝土具有明显的应变率效应,试件压缩率随着应变率的增大而提高,掺聚酯纤维透水沥青混凝土的压缩率是不掺纤维的1.2倍左右;透水沥青混凝土的动态应力-应变曲线可分为弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段。从试件的破坏形态可以看出,集料的断裂是透水沥青混凝土破坏的主要原因。在透水沥青混凝土中掺加聚酯纤维能够延缓裂缝的出现和开展,提高材料的冲击抗压强度,增幅最大为45.1%。     

超高韧性水泥基复合材料动态压缩力学性能的数值模拟研究

该文基于HJC本构模型,采用分离式霍普金森杆（SHPB）压杆系统,对掺有聚乙烯醇（PVA）纤维的超高韧性水泥基复合材料（PVA-UHTCC）的动态压缩力学性能进行了数值模拟研究。首先,通过系统分析确定了21项HJC本构参数,并验证了模拟的正确性。基于此,通过分析5组应变率下材料的动态压缩应力-应变曲线讨论了峰值应力动态增强因子DIF的应变率效应,并通过LS-DYNA软件探讨了破坏过程、破坏形态与应变率的关系。模拟结果表明:随着应变率的增加,PVA-UHTCC材料的动态压缩应力-应变曲线呈现由应变硬化主导向着损伤软化主导的转变趋势;此外,PVA-UHTCC峰值应力动态增强因子DIF具有明显的应变率效应,其值随着应变率增加而增加,且在不同应变率区间呈现不同敏感性;通过量化DIF这种分区敏感性,提出了适用于PVA-UHTCC材料的DIF与应变率对数lgε分段函数式;同时,通过对比钢纤维增强水泥基材料（SFRCC）和普通混凝土材料,发现PVA-UHTCC材料的DIF应变率敏感性较低。最后,通过LS-DYNA软件模拟试件裂缝扩展和压碎破坏过程,更好地理解了PVA-UHTCC材料动态压缩破坏行为。     

温度对PVA/ECC动态压缩性能影响

为研究不同温度、不同聚乙烯醇(PVA)纤维体积掺量和不同应变率对高延性纤维增强水泥基复合材料(PVA/ECC)动态压缩性能的影响,采用直径50 mm分离式霍普金森压杆(SHPB),对高温浸水冷却后的PVA/ECC进行了冲击压缩试验,结果表明：当温度≥250℃,PVA/ECC试件冲击破坏后的整体性变差,应力-应变曲线更趋于扁平,其动态峰值应变提高不明显但动态峰值应力、冲击韧度显著降低,且高温对较大纤维体积掺量PVA/ECC动态峰值应力、冲击韧度的劣化效应更明显;温度≤150℃时,增大PVA纤维体积掺量,PVA/ECC动态峰值应力、峰值应变和冲击韧度均明显提高,但当温度≥250℃时,增大PVA纤维体积掺量,PVA/ECC动态峰值应变增大,而冲击韧度的提高幅度显著降低且动态峰值应力下降;高温水冷后的PVA/ECC仍具有明显的应变率效应,但温度≥150℃后,其抗压强度的应变率敏感性有所降低。     

动态压缩下一种碳纤维织物增强复合材料的各向异性力学性能实验研究

为获得一种碳纤维二维正交平纹机织布增强树脂基复合材料准静态和动态压缩力学性能, 对其三个主方向(垂直于碳布方向、碳布经向、碳布纬向) , 分别利用Inst ron 试验机和SHPB 实验技术, 进行了准静态压缩和动态压缩实验。得到了三个主方向从低应变率(10 -3 / s) 到高应变率(约103 / s) 下的压缩应力2应变曲线和压缩强度, 并通过分析得到了三个主方向上的动态压缩响应特点: 垂直于碳布方向的力学性能及其与应变率的相关性主要由树脂基体所控制; 碳布经向和纬向的力学性能主要由碳纤维所控制, 并且和纤维初始微屈曲相关。最后, 分别给出三个主方向上的压缩强度和弹性模量与应变率相关性的表达式。