碳纤维增强地聚合物混凝土的SHPB试验研究.pdf
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1、第 1 3卷 第 4期 2 O 1 O年 8月 建筑材料学报 J OURNAL oF BUI LDI NG M ATERI AL S Vo 1 1 3 ,No 4 Au g 。 2 0 1 0 文章编号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 4 3 5 0 6 碳 纤维增 强地聚合物 混凝 土的 S HP B试验研究 许金余 , 李为民 , 范飞林 , 白二 雷 ( 1 空 军工 程大 学 工程 学 院 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
2、 ) 摘 要 :以矿渣 与粉 煤灰 制 备 了碳 纤 维增 强地 聚合 物 混凝 土 ( c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d g e o p o l y me r i c c o n c r e t e , C F R GC) ; 采 用 1 O O分 离式霍普 金 森 压杆 ( S HP B ) 试 验 装 置 , 研 究 了不 同碳 纤 维掺 量 的 C F RG C在 不 同应 变率 下的冲 击压 缩强度 与 能量吸 收 的应 变率效应 , 以及碳 纤 维掺 量 对 C F R GC强 度 与吸 能特 性 的影响 ; 改进 了波形整 形技
3、术 , 以 满足 恒应 变加 载 的要 求 结果 表 明 : 厚 度 为 1 mm, 直径 分别 为 2 0, 2 2, 2 5 , 2 7 , 3 0 mm 的 H6 2黄铜 波 形整 形 器可 以较 好地 实现 SHP B试验 过 程 中 的恒 应 变率加载 , 且试 验 结果 可靠 ; C F R GC属 于应 变率 敏 感 材料 , 其 冲 击 压缩 强度 与 能 量吸 收 特 性 均 表 现 出近似 的应 变率 线性相 关性 , 强度 的应 变率敏 感值 为 4 7 8 S ; 碳 纤维 对地 聚合 物混 凝土 的 强 度 特性 具有 良好 的改 善效 果 , 且 该 效 果 随 着
4、 平均 应 变率 的 增加 而增 强 ; 碳 纤 维 的 相 对 最佳 掺 量 为 0 2 0A ( 体 积 分 数 ) 关 键词 :碳 纤 维增 强地 聚合 物混凝 土 ( CFRGC) ;波形 整形 ;应 变率 ;冲击 力 学性 能 中图分 类号 : O3 4 7 ; T U5 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 0 0 4 0 0 4 Ex p e r i m e nt a l S t u d y o n I m p a c t Pr o p e r t i e s o f Ca
5、 r b o n Fi b e r Re i nf o r c e d Ge o p o l y m e r i c Co nc r e t e Us i n g A S HPB XU , i n y u ,LJ We i mi n ,FAN Fe i l i n ,BAI Er - l e i ( 1 De pa r t me nt of Ai r f i e l d a nd Bu i l d i n g Engi n e e r i n g,Eng i n e e r i n g Col l e ge,Ai r Fo r c e Eng i ne e r i ng Uni v er s
6、i t y,Xi a n 71 0 03 8, Ch i na: 2 Sc ho o l o f M e c h a ni c s a nd Ci vi l Ar c hi t e c t ur e,No r t hwe s t Pol y t e c hn i c Uni v e r s i t y,Xi a n 71 007 2,Chi na) Ab s t r a c t :S l a g a n d f l y a s h we r e u s e d t o p r o d u c e c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d g e o p
7、 o l y me r i c c o n c r e t e ( CF RGC) S t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n p r o p e r t i e s o f CFRGC wi t h v a r i o u s v o l u me f r a c t i o n s o f c a r b o n f i b e r s u b j e c t e d t o h i gh s t r a i n r a t e we r e s t ud i e d us i n g a 1 0 0 一 mm di a m
8、e t e r SH PB a pp a r a t us Th e mod i f i e d pu l s e s ha pi n g t e c h ni que s we r e p r o p os e d du r i n g t h e SHPB t e s t s The r e s ul t s s ho w t h a t t he ne a r l y c on s t a nt s t r a i n r a t e l o a d i n g c a n b e o bt a i ne d wi t h H62 b r a s s pul s e s ha p e r
9、 s of di f f e r e nt g e o me t r i e s ,i e 1 m m t h i c k ne s s a nd 2 0, 2 2,2 5,2 7,3 O mm di a me t e r The i mpa c t c o mpr e s s i ve p r op e r t i e s of CFRGC e xh i b i t s t r o ng s t r a i n r a t e d e pe nd e nc e whi c h c a n b e de s c r i b e d wi t h l i ne a r a p pr ox i m
10、a t i on s,a nd t h e t r a ns i t i o n p oi n t f r o m l o w s t r a i n r a t e s e n s i t i v i t y t o hi g h s e n s i t i v i t y oc c u r s a t 47 8 SThe a dd i t i on of c a r b o n f i be r wi l l s i g ni f i c a nt l y i mpr o v e t he s t r e n gt h a n d e n e r gy a bs or p t i o n
11、p r o pe r t i e s o f CFRGC The r e l a t i v e o pt i m u m v ol u m e f r a c t i on o f c a r b o n f i b e r i s 0 2 f or CFRGC Ke y wor d s :c a r b on f i be r r e i nf o r c e d g e o p ol y m e r i c c o nc r e t e( CFRGC); pu l s e s ha p i ng;s t r a i n r a t e;i m p a c t me c ha ni c a
12、 1 p r op e r t y 收 稿 日期 : 2 0 0 9 0 1 0 5 ;修 订 日期 : 2 0 0 9 1 l O 2 基金项 目: 陕西省 自然科学基金资助项 目( S J 0 8 E 2 1 0 ) ; 空军工程大学工程学院优秀博士学位论文创新基金资助项 目( B C 0 7 0 0 2 ) 第一作者 : 许金余( 1 9 6 3 ) , 男 , 吉林 靖字 人, 空军工程大学教授 , 博士生导师博士 E ma i l : j y x 3 6 9 y e a h n e t 通信作者 : 范飞林( 1 9 8 3 一) , 男 , 陕西宝鸡人 , 空军工程 大学博士生 E
13、 ma i l : f a n f e i l i n 1 6 3 c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 3 6 建筑材料学报 第 1 3卷 碳纤 维 作 为 混 凝 土 增 强 材 料 , 凭 借 其 高 强 、 高 模 、 轻质 、 抗 腐蚀 、 耐疲 劳及 优 良的 高 温稳 定 性 等 突 出优 点 , 被广 泛应 用 于土 木工 程领 域 国 内外在 碳 纤 维增 强水 泥基 复合 材 料力 学性 能方 面 做 了一定 的工 作 C h u n g等 1 系统 、 深 入地 研 究 了碳 纤 维 混 凝 土 的物 理 、 力学 性能 王 成
14、启 等 3 对 比研究 了碳 纤 维 混 凝土 与钢 纤维 混 凝 土 的劈 拉 强 度 、 断裂 能 及 断 裂 韧 性 周梅 等_ 4 研 究 了碳 纤维 混凝 土 的最 佳 配 比 , 并 对 碳纤 维增 强混 凝 土 的机 理 进 行 了分 析 柯 开 展 等 5 研究 了碳 纤维 掺量 及 养护 制度 对碳 纤 维混 凝 土静 压 力学 性能 的影 响 综上 , 目前 已有 的研 究大 多集 中于 碳纤 维增 强普 通硅 酸 盐水 泥基 复 合材 料 然 而 , 地 聚 合物 具备 比传 统 硅 酸 盐 水 泥 更 加 优 异 的 物 理 、 力 学 性能 _ 6 。 , 同时它 还
15、 具有 原料 来源 广 泛 、 工 艺简 单 、 能 耗少 、 环境 污染 小 等优 点 , 是一 种可 持 续发 展 的绿 色 环保 材料 , 已被应 用 于工 程领 域 但地 聚 合 物材 料 的脆 性相 对较 大 , 针对 该缺 点 , 国内外 学者 采用 掺 高 性能 纤维 等 多种 方 式 对 其 进 行 改 性 研 究 , 并 取 得 了 一 定 成果 本文 以地 聚合 物 混凝 土为 基 体 , 以碳 纤 维 为改性 材 料 , 制 备 了 碳纤 维增 强 地 聚合 物 混 凝 土 ( c a r b on f i b e r r e i nf or c e d ge opo l
16、 y m e r i c c on c r e t e, C F RG C) , 并进 行 冲击 试 验 以研 究 这 种新 型 纤 维 增 强复合材料的冲击力学性能 , 为碳纤维地 聚合物混 凝 土 的深入 研究 及 工程 应用 提供 参考 本 文采 用 1 0 0分离 式霍 普金 森 压杆 ( S HP B ) 试 验 装 置 , 研 究 了碳 纤 维 掺 量 ( 体 积 分 数 ) 分 别 为 0 , 0 1 , 0 2 , 0 3 的 C F RG C在 不 同 应 变 率 下 其 冲击 压缩 强 度 与 能量 吸 收 的应 变 率 效 应 , 以及 碳 纤 维 掺量 对 C F RG
17、 C强度 与 吸能 特性 的影 响 1 试 验 1 1 姐 O 0 S HP B试 验 装 置 图 1为 1 o o 8 HP B试 验 装 置 实 景 图 , 主要 由 主 体 设 备 、 能 源 系统 、 测 试 系统 三 大 部 分组 成 主体 设 备 包括 : 发 射装 置 、 发 射炮 管 、 射 弹 、 吸 能 装 置 、 杆 件 及 其 调 整支 架 、 操 纵 台等 ; 能 源 系 统 包括 : 空气 压 缩 机 、 高 压 容 器 及管 道 ; 测 试 系统 包 括 : 弹 速 测试 系 统 及 动态 应 变测 试 系统 1 2 S HPB试 验 的基本 原 理 S HP B
18、试验 的基本 原理 是 弹性 杆 中 弹性 应 力 波 的传播 理论 , 它 建立 在 两个 基本 假定 的 基础 上 , 即一 维假 定 ( 又 称平 面 假 定 ) 和 应 力 均 匀 假 定 一 维 假 定 认 为应 力 波在 弹 性 杆 中传 播 时 , 弹 性 杆 中的 每 个 横 截面 始终 保持 平 面 状 态 ; 应 力 均 匀 假 定 认 为 应 力 波 在试 件 中反 复 2 3个 来 回 , 试 件 中 的 应 力 处 处 相 图 1 1 O O SHP B试 验 装 置 F i g 1 1 0 0 一 mm di a me t e r SHPB a p pa r at
19、u s 等 根 据应 力 均匀假 定 ( i +e 一e ) , 采 用 三 波 法 , 由式 ( 1 ) 可 求 得 试 件 中 的 平 均 应 力 、 平 均 应 变 和平 均 应 变 率 , 进 而 得 到 材 料 的 动 态 应 力 应 变 关 系 )一 ) )一 i ( )一e ( ) 一e ( t ) - I ( 1 ) )一 I 。 ( r ) d r 式 中 : E 为 弹 性 杆 的 弹性 模 量 ; C为 杆 中 应 力 波 波 速 ; A, A。 分 别 为 杆 、 试 件 的 横 截 面积 ; 为试 件 的 初始 厚 度 ; ; , e , , e 分 别 为 杆 中
20、的 入 射 、 反 射 、 透 射 应 变 1 3原 材料 与试 件 制备 原材 料 : 韩城 龙 门钢 铁 有 限公 司水 淬 高 炉 矿 渣 ( 比表面 积 4 9 1 6 m k g , 2 8 d活性 指 数 9 5 ) ; 韩 城第 二发 电 厂提 供 的 I级 粉 煤灰 ; 泾 阳县石 灰 岩 碎 石 ( 5 1 0 mm, 质 量 分数 1 5 ; 1 0 2 0 mm, 质量 分 数 8 5 ) ; 灞 河 中砂 ( 细 度 模 数 2 8 ) ; 化 学 纯 氢 氧 化 钠 片状 固体 ( 纯度 9 7 , 质量 分数 ) ; 南 京合 一无 机 化 工厂 生产 的液 体 硅
21、 酸钠 ( 模 数 3 1 3 4 , S i O 质 量分 数 2 6 0 , Na O 质 量 分 数 8 2 ) ; 日本 东 丽公 司生产 的 短 切 碳 纤 维 , 其 物 理 、 力 学 性 能 见 表 1 ; 自来水 表 2为 C F R GC的配合 比 表 1 碳纤维的物理 、 力学性能指标 Ta b l e 1 Ph y 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 c a r b o n f i b e r L e n g t h D e n s i t y m T e ns i l e t T e n
22、 s i l e ong 州 a t i o n mm( m a t b r e a 试 件 : 将 C F R G C拌 和 物 装 入试 模 并 成 型 , 室 温 下放 置 2 4 h后拆模 , 立 即进 行 标准 养护 ( ( 2 0 2 ) , 相 对湿度 9 5 ) ; 2 8 d后取 出, 进 行切 割 、 水 磨加 工 , 以保证试件 的平面度 、 光 洁度及 垂直 度均在 标准 范围 内 本文用 于 S HP B试 验 的 C F R C K ; 圆柱 形试 件几 何 尺 寸约为 9 5 5 O mm , 一 一 一 、 n F 学兔兔 w w w .x u e t u t
23、u .c o m 第 4期 许 金 余 , 等 : 碳 纤 维增 强地 聚 合 物 混 凝 土 的 S HP B试 验 研 究4 3 7 1 4试 验方 案与恒 应 变率 加载技 术 采用 1 O 0 S HP B系统 , 通 过调 整 尺寸为 1 O 0 5 0 0 mm 的 圆 柱 形 射 弹 的 打 击 速 度 , 获 得 碳 纤 维 掺 量 分别 为 0 , 0 1 , 0 2 , 0 3 的 C F R GC试 件 ( 编 号分别 为 GC, 0 1 CF RGC, 0 2 CF RGC, 0 3 C F RG C) 在 3 0 1 0 5 S 范 围 内的 7个 应 变 率 , 进
24、 而 研 究 C F R GC 的强 度 与 能 量 吸 收 特 性 的 应 变 率 效 应 , 以及 碳纤 维掺 量对 其产 生 的影响 S HP B试验 结果 的可 靠性关 键 取决 于试验 过 程 中 的恒 应变 率 加 载 本 文 采 用 波 形 整 形 技 术 l 1 】 , 即 在入射 杆 打击 面的 中心黏 贴 H6 2黄铜 波 形整 形 器 整形 器 的厚 度 为 1 mm, 直 径 分别 为 2 O , 2 2 , 2 5 , 2 7 , 3 0 mm 该技 术对 入射 波形有 明显 的改 善 效果 , 可将 其上 升沿 的 升 时 延 长 1 2倍 , 且 呈 现 近 似
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- 碳纤维 增强 聚合物 混凝土 SHPB 试验 研究
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