UHMWPE纖維混凝土動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能研究

張玉武， 晏麓暉， 李凌鋒

(1.國(guó)防科技大學(xué) 指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院，長(zhǎng)沙 410072； 2.諾丁漢大學(xué) 工程學(xué)院，諾丁漢 NG7 2RD)

UHMWPE纖維混凝土動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能研究

張玉武1,2， 晏麓暉1， 李凌鋒1

(1.國(guó)防科技大學(xué) 指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院，長(zhǎng)沙 410072； 2.諾丁漢大學(xué) 工程學(xué)院，諾丁漢 NG7 2RD)

試驗(yàn)研究了一種捻制超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維增強(qiáng)的新型纖維混凝土動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能。研制了4種纖維體積摻量(0.3%、0.5%、0.7%、1.0%)的C70等級(jí)纖維混凝土，采用Φ100 mm分離式霍普金森壓桿進(jìn)行沖擊壓縮試驗(yàn)，研究了纖維混凝土在140～255 s-1應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：UHMWPE纖維混凝土抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和彈性模量具有明顯的應(yīng)變率敏感性；纖維混凝土抗壓強(qiáng)度應(yīng)變率敏感性弱于素混凝土，但其彈性模量應(yīng)變率敏感性強(qiáng)于素混凝土；動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長(zhǎng)因子與應(yīng)變率對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，具體關(guān)系與纖維摻量相關(guān)。

UHMWPE；纖維混凝土；動(dòng)態(tài)壓縮性能；動(dòng)態(tài)強(qiáng)度；試驗(yàn)

纖維混凝土(FRC)是以水泥、水、砂、石等成分組成的素混凝土為基體，摻入亂向分布短纖維作為增強(qiáng)體而形成的復(fù)合材料[1]。學(xué)者對(duì)各類纖維(如玻璃纖維[2]、聚丙烯纖維[3]和鋼纖維[4]等)增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了廣泛研究。研究表明，纖維混凝土較普通混凝土具有更優(yōu)異的抗拉、阻裂特性和韌性，且性能的改善與纖維的強(qiáng)度、模量、在基體中的均勻分散性及其纖維和基體的界面特性密切相關(guān)，其中纖維自身的性能最為重要[5]。

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維是一種高強(qiáng)度、高模量、低密度、抗沖擊性能優(yōu)良的柔性防彈纖維，摻加于不含粗骨料的水泥凈漿或砂漿中，復(fù)合材料的抗拉增強(qiáng)和增韌性能優(yōu)良[6]。目前，僅朱林[7]研究了含有粗骨料UHMWPE纖維混凝土的靜態(tài)力學(xué)性能和抗侵徹性能，發(fā)現(xiàn)UHMWPE纖維混凝土性能優(yōu)于同纖維摻量的鋼纖維和聚丙烯纖維混凝土。

隨著地震、颶風(fēng)等自然災(zāi)害以及高速撞擊和爆炸恐怖襲擊等威脅的增加，現(xiàn)代混凝土工程設(shè)施不僅要考慮常規(guī)荷載，還需考慮偶然強(qiáng)沖擊作用。近年來，高應(yīng)變率下混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能受到了越來越多關(guān)注。不同強(qiáng)度混凝土動(dòng)態(tài)性能研究表明[8]，混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率增加而提高，纖維混凝土也表現(xiàn)了同樣的應(yīng)變率效應(yīng)，但還未見關(guān)于UHMWPE纖維混凝動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究報(bào)道。本文在文獻(xiàn)[7]基礎(chǔ)上，研究了捻制UHMWPE纖維增強(qiáng)混凝土的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能。基于C70強(qiáng)度等級(jí)混凝土，研制了4種纖維體積摻量纖維混凝土，利用Φ100 mm分離式Hopkinson壓桿(SHPB)，考慮四種加載應(yīng)變率進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)合高速相機(jī)獲得了動(dòng)態(tài)壓縮性能和破壞過程，研究了纖維摻量和應(yīng)變率對(duì)纖維混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長(zhǎng)因子(DIF)、峰值應(yīng)變和彈性模量的影響變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

原材料：纖維為湖南中泰特種裝備有限責(zé)任公司生產(chǎn)的ZTX99-400D加捻UHMWPE纖維(每束由400根單絲捻制而成)，單束纖維具體物化性能指標(biāo)見表1；杭州南方42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥；粒徑5～10 mm連續(xù)級(jí)配碎石；細(xì)度模數(shù)2.5，表觀密度2.68 g/cm3的湘江中等河砂；湖南博賽特建材公司生產(chǎn)的微硅灰(SiO2含量不低于95%，粒徑0.1～0.3 m)；湖南金華達(dá)建材公司早強(qiáng)高效萘系減水劑，減水率26.5%；普通自來水。

按照C70等級(jí)高強(qiáng)混凝土設(shè)計(jì)制備素混凝土和體積摻量分別為0.3%、0.5%、0.7%、1.0%4種UHMWPE纖維混凝土。基體混凝土配合比設(shè)計(jì)參數(shù)為：水膠比0.326，砂率40%，高效減水劑摻量1.6%，微硅灰9.5%，具體配合比參數(shù)見表2。四種纖維混凝土的纖維摻量分別為0 kg/m3、2.91 kg/m3、4.85 kg/m3、6.79 kg/m3、9.70 kg/m3。

表1 UHMWPE纖維基本力學(xué)性能指標(biāo)

表2 C70基體混凝土配合比

1.2 試件制備

為避免纖維纏繞、結(jié)團(tuán)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部形成大缺陷，參考文獻(xiàn)[6,9]，通過試制研究，確定試驗(yàn)纖維混凝土制備流程為：①水泥、砂、石、微硅灰干拌120 s；②摻入U(xiǎn)HMWPE纖維干拌，纖維小股分散投入，邊摻加邊攪拌，全部摻入后再攪拌120 s；③加入混合均勻的水和減水劑攪拌180 s；④卸料。混凝土攪拌卸料后直接裝模，經(jīng)振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)密實(shí)，抹平成型面，24 h后拆模，放入溫度為20±2 ℃、相對(duì)濕度超過95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d。

依據(jù)SHPB裝置桿件直徑Φ100 mm及試驗(yàn)要求[10]，試件經(jīng)澆筑、養(yǎng)護(hù)、打磨為直徑92 mm，高46 mm的短圓柱體，兩端面不平整度≤0.2 mm。按照5種纖維摻量(包括0%摻量素混凝土)和5種應(yīng)變率(包括準(zhǔn)靜壓試驗(yàn))分組，共25組，每組4個(gè)試件，其中3個(gè)用于試驗(yàn)，1個(gè)為備用，以防止試驗(yàn)較大的離散性造成的有效數(shù)據(jù)不足。

1.3 試驗(yàn)方法

短圓柱體準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)采用INSTRON1346電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)完成，試驗(yàn)先以0.8 MPa/s速率加載，接近峰值應(yīng)力時(shí)切換為1.0 mm/min的位移加載模式，獲得完整的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)采用湖南大學(xué)Φ100 mmSHPB進(jìn)行，撞擊子彈長(zhǎng)1.5 m，輸入桿長(zhǎng)6.0 m，輸出桿長(zhǎng)4.0 m，桿件材料為彈簧鋼，楊氏模量為210 GPa，彈性波波速為5 122 m/s。采用Photron FASTCAM SA5型高速攝像機(jī)對(duì)試件破壞過程圖像進(jìn)行采集，拍攝速度為30 000幀/s，數(shù)據(jù)記錄方式為自動(dòng)觸發(fā)控制。試件四周用有機(jī)玻璃罩保護(hù)，以避免碎塊崩濺對(duì)人員和設(shè)備造成傷害。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

(a)t=0.767 ms

(b)t=1.167 ms

(c)t=2.900 ms

(d)t=5.233 ms

(e)t=6.300 ms

(a)t=0.767 ms

(b)t=1.167 ms

(c)t=2.900 ms

(d)t=5.233 ms

(e)t=6.300 ms

(a)HU0-3

(b)HU3-3

(c)HU5-3

(d)HU7-3

(e)HU10-3

2.2 破壞特征分析

2.3 動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度分析

與素混凝土一樣，UHMWPE纖維混凝土壓縮強(qiáng)度具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，隨應(yīng)變率的增加壓縮強(qiáng)度增大(圖4～圖8和表3)。

定義動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長(zhǎng)因子(DIF)

(1)

式中:fcd為動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度;fc為準(zhǔn)靜態(tài)壓縮強(qiáng)度。

動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長(zhǎng)因子隨應(yīng)變率變化關(guān)系如圖9所示。顯然，同纖維摻量混凝土的DIF隨應(yīng)變率對(duì)數(shù)呈線性增加規(guī)律，即DIF可表示為

(2)

式中:a,b為材料常數(shù)，與纖維摻量有關(guān)，具體見表4。

表3 纖維混凝土動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同應(yīng)變率下HU0應(yīng)力應(yīng)變曲線

Fig.4 Stress-strain curves of HU0 with different strain rates

圖5 不同應(yīng)變率下HU3應(yīng)力應(yīng)變曲線

Fig.5 Stress-strain curves of HU3 with different strain rates

圖6 不同應(yīng)變率下HU5應(yīng)力應(yīng)變曲線

Fig.6 Stress-strain curves of HU5 with different strain rates

圖7 不同應(yīng)變率下HU7應(yīng)力應(yīng)變曲線

Fig.7 Stress-strain curves of HU7 with different strain rates

圖8 不同應(yīng)變率下HU10應(yīng)力應(yīng)變曲線

Fig.8 Stress-strain curves of HU10 with different strain rates

圖9 應(yīng)變率對(duì)纖維混凝土DIF的影響

Fig.9 The influence of strain rate to DIF of fiber concrete

分析圖9和表3、表4發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)強(qiáng)度較低者(如HU0)隨應(yīng)變率增加提高越快，斜率越大，強(qiáng)度較高者(如HU3)，提高較緩，即斜率較小；但也與纖維摻量有關(guān)，當(dāng)摻量較大時(shí)(如HU10)，DIF增長(zhǎng)斜率減小，表明較高的纖維摻量可能會(huì)降低抗壓強(qiáng)度的應(yīng)變率敏感性。

表4 DIF回歸公式材料參數(shù)

圖9中還給出了與TEDESCO[11]和LI[12]研究結(jié)果對(duì)比，其中Tedesco認(rèn)為混凝土抗壓強(qiáng)度DIF與應(yīng)變率對(duì)數(shù)呈二次函數(shù)關(guān)系，即(a=1.729，b= -7.137 2，c=8.530 3)；LI公式同式(2)(a=0.758，b=-0.289)。不難看出，二者都不能很好反映UHMWPE纖維混凝土的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增強(qiáng)規(guī)律。

2.4 峰值應(yīng)變分析

在準(zhǔn)靜壓作用下，纖維混凝土峰值應(yīng)變表現(xiàn)出隨纖維摻量的增加而增大的性質(zhì)，很好反映了纖維對(duì)阻止混凝土裂紋擴(kuò)展和韌性增長(zhǎng)效應(yīng)隨摻量增加而增加的機(jī)制[13]；應(yīng)變率增大時(shí)，峰值應(yīng)變也逐漸提高，與鋼纖維混凝土和玄武巖纖維混凝土的動(dòng)態(tài)壓縮變形情況相一致。

2.5 彈性模量分析

定義短圓柱應(yīng)力應(yīng)變曲線上升段0.4倍和0.6倍壓縮強(qiáng)度處兩點(diǎn)的割線斜率[14]為擬彈性模量E，即

(3)

且定義相同纖維摻量下短圓柱動(dòng)態(tài)擬彈性模量與準(zhǔn)靜態(tài)擬彈性模量之比為彈模增長(zhǎng)因子KE，如下

(4)

式(3)、(4)中：σ1、σ2和ε1、ε2分別為0.4倍和0.6倍壓縮強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變;Ecd為動(dòng)態(tài)擬彈性模量，Ec為準(zhǔn)靜態(tài)擬彈性模量。

顯然，KE基本能反映真實(shí)壓縮彈性模量的動(dòng)態(tài)提高效應(yīng)，KE與應(yīng)變率的關(guān)系如圖10所示。結(jié)果表明，纖維混凝土彈性模量同樣具有應(yīng)變率效應(yīng)，隨應(yīng)變率的增加而彈性模量增加，即具有應(yīng)變率硬化特性，且纖維混凝土彈性模量的增長(zhǎng)率比素混凝土更為顯著。

圖10 彈模增長(zhǎng)因子隨應(yīng)變率的變化

3 結(jié) 論

本文通過SHPB試驗(yàn)研究了4種纖維摻量加捻UHMWPE纖維混凝土在140～255 s-1應(yīng)變率范圍的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能，主要結(jié)論如下：

(1)UHMWPE纖維在混凝土沖擊損傷過程中具有阻裂、吸能作用，一定程度降低了混凝土的沖擊破壞程度。

(2)纖維混凝土壓縮強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和彈性模量均表現(xiàn)出應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)，壓縮強(qiáng)度的應(yīng)變率敏感性弱于素混凝土，但彈性模量的應(yīng)變率硬化效應(yīng)比素混凝土強(qiáng)。

(3)同纖維摻量混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長(zhǎng)因子DIF與應(yīng)變率對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，纖維摻量不同，材料參數(shù)也不同。

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Dynamic compressive mechanical properties of UHMWPE fiber reinforced concrete

ZHANG Yuwu1,2, YAN Luhui1, LI Lingfeng1

(1. Basic Education School of Commanding Officer, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China；2. Engineering College, The University of Nottingham, Nottingham NG7 2RD, UK)

The dynamic compressive mechanical properties of a new type of fiber reinforced concrete with twisted UHMWPE fiber were experimentally studied. The C70 high strength concrete with four different fiber volume fractions (0.3%、0.5%、0.7%、1.0%)was developed, and the impact compression experiment was conducted to study the dynamic compressive mechanical behaviors of fiber concrete under 140～255 s-1with Φ100 mm split Hopkinson pressure bar. The experiment result shows the compressive strength, peak strain, and elastic modulus of the UHMWPE fiber concrete have significant strain rate sensitivity. The strain rate sensitivity of compressive strength of the UHMWPE fiber reinforced concrete is lower than that of the plain concrete, while the strain rate sensitivity of the elastic modulus of UHMWPE fiber reinforced concrete is higher than that of the plain concrete. The dynamic increase factor has linear relationship with logarithmic strain rate, which is influenced by the fiber volume fraction.

UHMWPE; fiber concrete; dynamic compressive properties; dynamic strength; experiment

2015-05-18 修改稿收到日期：2016-01-16

張玉武 男，博士生，1989年3月生

晏麓暉 男，博士，教授，1962年11月生

TU528.572

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.08.015