超高性能鋼纖維砼防護(hù)工程材料的動(dòng)態(tài)行為及數(shù)值模擬.pdf

1、本文針對(duì)國(guó)外制備超高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料UHPFRCC（Ultra highperformance fiber reinforced cementitious composites）有爭(zhēng)議的問(wèn)題，結(jié)合國(guó)防防護(hù)工程抗毀傷能力之急需，采用40％～50％的超細(xì)工業(yè)廢渣取代水泥熟料，用普通黃砂取代磨細(xì)石英砂，并摻加最大粒徑為10mm的高強(qiáng)度粗骨料及l(fā)f/df=65％～70％的微細(xì)鋼纖維，制備出抗壓強(qiáng)度達(dá)200MPa以上，抗彎強(qiáng)度達(dá)50MP

2、a以上（纖維體積率Vf=3％時(shí)）的生態(tài)型超高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（ECO-UHPFRCC）。對(duì)比研究了鋼纖維、玄武巖纖維和PVA纖維對(duì)超高性能水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，超細(xì)工業(yè)廢渣的活性不斷激發(fā)，各配比材料的力學(xué)行為不斷提高。試驗(yàn)結(jié)果還表明，微細(xì)鋼纖維在對(duì)UHPCC的增強(qiáng)、增韌、阻裂方面有顯著優(yōu)勢(shì)，且是高脆性UHPCC材料必不可少的重要組分。摻加高強(qiáng)粗集料之后，經(jīng)優(yōu)選鋼纖維的品種和尺度，使

3、其能最大限度的發(fā)揮增強(qiáng)增韌與阻裂效果，同時(shí)采用不同類(lèi)型纖維的混雜增強(qiáng)方式，使在結(jié)構(gòu)形成與受毀傷過(guò)程中，不同尺度的纖維在不同尺度和性能層次上發(fā)揮效果，從而提高了UHPFRCC的各項(xiàng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)力學(xué)行為與耐久性。
　　 優(yōu)選了摻與不摻粗集料的超高性能水泥基復(fù)合材料（M系列和S系列），系統(tǒng)研究其各項(xiàng)靜態(tài)力學(xué)性能，其中包括抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彎曲韌性等。研究表明在摻加粗集料之后，材料的各項(xiàng)力學(xué)性能沒(méi)有因粗集料的摻入而出現(xiàn)因結(jié)構(gòu)不

4、均勻性而有的明顯降低，當(dāng)纖維體積率V，相同時(shí)，其抗壓強(qiáng)度還有不同程度的提高，抗拉強(qiáng)度和抗拉韌性基本等同，僅抗彎強(qiáng)度和彎曲韌性略有下降趨勢(shì)，由此可見(jiàn)，制備超高性能水泥基復(fù)合材料，可以突破國(guó)外RPC材料制備技術(shù)中剔除粗骨料以增加和提高材料的均勻性和密實(shí)性的技術(shù)路線(xiàn)，而是考慮在有粗骨料的情況下，提高粗集料與超高強(qiáng)水泥基材料間的界面粘結(jié)力以及強(qiáng)化界面結(jié)構(gòu)，從而消除了界面薄弱特征，同時(shí)增進(jìn)界面整體的均勻性，使得界面粘結(jié)強(qiáng)度大幅提升，并且充分發(fā)揮纖

5、維的增強(qiáng)、增韌與阻裂效應(yīng)，這樣不僅降低材料成本，而且制備出性能優(yōu)異的超高性能水泥基復(fù)合材料。
　　 采用分離式霍普金森壓桿裝置對(duì)兩個(gè)系列不同纖維摻量的超高性能水泥基復(fù)合材料進(jìn)行了高速?zèng)_擊壓縮實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明各系列超高性能水泥基復(fù)合材料具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，隨著應(yīng)變率及纖維摻量的提高，材料的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和彈性模量不斷提升，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)下的面積相應(yīng)而不斷增大。運(yùn)用四種不同作用方式對(duì)各系列超高性能水泥基復(fù)合材料進(jìn)行多次沖擊壓縮實(shí)

6、驗(yàn)，結(jié)果表明隨著纖維體積率的提高，各系列材料的抗多次沖擊的能力不斷增強(qiáng)；隨著沖擊次數(shù)的增加，材料的損傷程度相應(yīng)加劇，峰值應(yīng)力逐漸下降，但峰值應(yīng)力下降的速度則隨著纖維摻量的增大而變緩；隨著第一次沖擊速度的提高，材料的損傷加劇，隨后的損傷不斷增大，材料抗多次沖擊能力則隨著初始損傷的增大而下降；在相同的沖擊方式、相同的沖擊荷載、相同的沖擊次數(shù)及相同的纖維體積率Vf下，摻加粗集料的試件顯示出比不摻粗集料的試件更強(qiáng)的抗一次和多次沖擊的能力，因此，

7、摻加粗集料制備的UHPCC材料具有更加優(yōu)異的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能且能提高材料的性?xún)r(jià)比，從而強(qiáng)化了防護(hù)工程材料抗現(xiàn)代武器毀傷的能力。
　　 從材料的破壞形態(tài)來(lái)看，鋼纖維的增強(qiáng)增韌效果顯著，試件首先在邊緣出現(xiàn)細(xì)微裂紋，此后隨著沖擊次數(shù)的不斷增多，裂紋逐漸向試件中部擴(kuò)展，經(jīng)過(guò)多次沖擊后，出現(xiàn)了橫貫試件中部的裂縫，但是由于纖維的阻裂作用，試件仍能保持一定的完整性，成現(xiàn)“裂而不散”的破壞形態(tài)，有效提高了材料抗現(xiàn)代武器毀傷的能力，從而對(duì)防護(hù)工程在抗

8、毀傷中有效保護(hù)了人員和設(shè)備的安全性起到重要的作用。
　　 采用SHPB裝置研究了超高性能水泥基復(fù)合材料的沖擊拉伸性能。結(jié)果表明，UHPCC材料具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，其層裂強(qiáng)度隨纖維摻量的增加、應(yīng)變率的提高而相應(yīng)地增長(zhǎng)。在低應(yīng)變率（21/s-25/s）條件下，纖維體積率V，為3％和4％時(shí)，ECO-UHPFRCC的層裂強(qiáng)度分別提高到2倍和2.5倍，隨著應(yīng)變率的提高，層裂強(qiáng)度的增加幅度則相應(yīng)而不斷降低，而在高應(yīng)變率（55/s-66/s

9、）條件下，摻加鋼纖維后的提高幅度則十分有限。摻加最大粒徑為10mm的粗集料之后，在相同條件下，其層裂強(qiáng)度略有降低。從破壞形態(tài)來(lái)看，UHPCC基體材料很脆，在反射拉伸波作用下出現(xiàn)整體斷裂，且隨著應(yīng)變率的提高，斷裂程度加劇。加入纖維后，由于纖維的阻裂和橋接作用，基體發(fā)生了開(kāi)裂，但裂紋細(xì)小，隨著應(yīng)變率的提高，雖然裂紋寬度略有增大，卻不發(fā)生斷裂現(xiàn)象。低應(yīng)變率作用下UHPCC材料多發(fā)生一次層裂，而高應(yīng)變率下則產(chǎn)生二次甚至多次層裂現(xiàn)象。
　　

10、 采用φ25mm彈道滑膛炮對(duì)五種不同強(qiáng)度等級(jí)的高與超高性能水泥基復(fù)合材料進(jìn)行了兩種不同速度（510m/s和850m/s）下的正侵徹試驗(yàn)，獲得了彈丸著靶速度及對(duì)應(yīng)的侵徹深度、彈坑直徑、靶體破壞形態(tài)等實(shí)驗(yàn)參數(shù)，并采用高速攝像機(jī)對(duì)彈體的著靶姿態(tài)進(jìn)行了觀測(cè)。結(jié)果表明同一種材料在高速侵徹條件下的侵徹深度要明顯大于低速條件下的侵徹深度。在相近侵徹速度條件下，C40等級(jí)的靶體侵徹深度要明顯大于其他強(qiáng)度等級(jí)水泥基復(fù)合材料的靶體，對(duì)強(qiáng)度等級(jí)C100以上

11、的靶體，隨著混凝土材料強(qiáng)度等級(jí)的提高及鋼纖維體積率的增大，侵徹深度略有減小，但變化不是很明顯。通過(guò)對(duì)侵徹深度的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，相比較普通混凝土（C30），高與超高性能纖維增強(qiáng)水泥基防護(hù)材料抗鉆地彈高速侵徹能力可提高47％-53％。與同等強(qiáng)度的素混凝土靶體相比，摻加1.5％（體積含量）的鋼纖維時(shí)靶體抗侵徹能力提高6.5％。粗集料對(duì)靶體材料抗侵徹能力的提高效果要優(yōu)于摻加鋼纖維的效果，靶體內(nèi)若摻加有玄武巖碎石作為粗骨料，靶體抗侵徹能力可提高8％

12、。
　　 采用經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)侵徹試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果均存在一定的偏差。針對(duì)目前計(jì)算侵徹深度的經(jīng)驗(yàn)公式多適用于強(qiáng)度等級(jí)低的素混凝土或鋼筋混凝土的不足，本文利用空腔膨脹理論對(duì)侵徹試驗(yàn)進(jìn)行了一定程度的理論分析，結(jié)合對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，提出了計(jì)算超高性能水泥基復(fù)合材料侵徹深度的半經(jīng)驗(yàn)公式。
　　 對(duì)五種高與超高性能水泥基復(fù)合材料靶體進(jìn)行了接觸爆炸試驗(yàn)。結(jié)果表明，靶體表面的破壞情況隨著裝藥量的提高而趨于嚴(yán)重，迎爆面的破壞情況

13、隨著靶體強(qiáng)度等級(jí)的提高而減弱。鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（UHPSFRCC）最大最顯著的優(yōu)勢(shì)在于抗震塌，而且Vf越大，震塌破壞程度越輕。對(duì)各系列靶體的壓縮破壞半徑及壓縮系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算與分析，發(fā)現(xiàn)同高強(qiáng)素混凝土靶體比，鋼纖維體積含量為1.5％時(shí)，壓縮系數(shù)降低約18％，鋼纖維體積含量為2％時(shí)，壓縮系數(shù)降低約22％，鋼纖維體積含量為3％時(shí)，壓縮系數(shù)降低約30％。在相同裝藥量爆炸條件下，各系列UHPSFRCC靶體的震塌破壞程度隨著纖維摻量的提高和

14、靶體強(qiáng)度等級(jí)的提高有所改善，但差別不大，故對(duì)抗爆炸抗震塌的防護(hù)工程來(lái)說(shuō)，充分發(fā)揮鋼纖維的作用比單純提高混凝土基體強(qiáng)度等級(jí)更為重要。
　　 二次爆炸試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著靶體強(qiáng)度等級(jí)的提高以及第一次爆炸對(duì)靶體產(chǎn)生損傷破壞程度的減小，靶體抵抗第二次爆炸破壞的能力得到提高。超高性能水泥基復(fù)合材料靶體二次爆炸后能保持靶體的完整性，裂而不散，體現(xiàn)了優(yōu)異的抗一次和二次爆炸、抗震塌性能，從而大大提高了防護(hù)工程的安全性與防護(hù)能力。
　　 采

15、用非線(xiàn)性有限元方法對(duì)抗侵徹試驗(yàn)和抗接觸爆炸試驗(yàn)全過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果同試驗(yàn)結(jié)果比較吻合。
　　 采用激光粒度分布儀（LSA）、X射線(xiàn)衍射分析（XRD）、壓汞分析（MIP）、環(huán)境掃描電鏡（ESEM）等現(xiàn)代分析測(cè)試手段，對(duì)高與超高性能水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)與性能形成的機(jī)理進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，摻加粉煤灰、硅灰等工業(yè)廢渣改善了整個(gè)復(fù)合材料體系的顆粒級(jí)配，使系統(tǒng)的顆粒堆積更加緊密與合理，從而改善了水泥基復(fù)合材料的工作性及微觀結(jié)構(gòu)。

16、火山灰效應(yīng)消耗了絕大部分Ca（OH）2，生成了大量的C-S-H凝膠，改善了界面過(guò)渡區(qū)，使得整個(gè)凝膠體微觀結(jié)構(gòu)更加致密、優(yōu)異、無(wú)明顯缺陷，并且總孔隙率顯著降低，孔徑得到了細(xì)化，致密的結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能。
　　 相比于普通C40混凝土界面明顯存在微細(xì)裂紋，且基體中的裂紋一直延伸到骨料，基體同骨料之間的粘結(jié)較差，存在明顯的界面薄弱區(qū)，UHPCC材料不僅不存在明顯的界面過(guò)渡區(qū)，且纖維表面被水化產(chǎn)物緊密包裹，兩者之間有著