碳纤维增强地聚物混凝土韧性评价指标的对比研究.pdf
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1、第 1 7卷 第 2期 2 0 1 4年 4月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI I DI NG M ATERI AI S Vo 1 I 7。 No 2 Ap r , 2 O1 4 文章编号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 3 0 3 0 6 碳 纤维增 强地聚物混凝 土韧性 评价指标 的对 比研 究 朱靖塞 , 许金余 , 罗 ( 1 空 军工 程大 学 机场 建筑 工程 系 ,陕 西 陕西 西安 7 1 0 0 7 2 ; 3 广州军 鑫 , 李为 民。 , 白二 雷 , 高志刚 西安 7 1 0 0 3 8 ; 2 西北 工业大 学
2、力学 与土 木建 筑学 院 , 区空军 后勤 部 机场处 ,广东 广 州 5 1 0 0 5 2 ) 摘 要 : 采 用经 波形整 形技 术 改进后 的 1 【 ) 0分 离式 Ho p k i n s o n压 杆试 验装 置 , 开展 了碳 纤维增 强地 聚 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 ,CFRGC) 的 冲击 压 缩试 验 , 基 于峰 值 韧度 和 比能 量吸 收 2种评 价指 标研 究 了 C F RG C 的冲击 韧性 , 并进 行
3、 了对 比分析 和机 理探 究 结 果 表 明 : 从峰 值 韧度 的评 价指 标 来看 , C F R GC在 碳 纤 维体 积 分数 为 0 3 时能发 挥 出 明显 的 冲击 增 韧 优 势 ; 从 比能量 吸收 的评 价 指 标 来 看 , C F R GC 的增 韧特 性在 碳 纤维 体 积 分数 为 0 2 和 0 3 时相 对较优 异 ; 2种表 征 冲击韧 性 的方 法所反 映 的发展 趋 势存在 一 致性 , 一是 冲击韧 性 指标 存 在 明 显的应变率效应, 二是碳 纤维对 于地聚物 混凝土 而言具有一定 的增韧效果; 在评 价碳纤维增 强地 聚物 混凝 土 的冲 击韧性
4、 时 , 采 用 比能量吸 收指 标更 加有 效 、 合 理 关 键词 : 碳 纤 维增 强地 聚物 混凝 土 ; 韧 性评 价指 标 ; 峰 值 韧度 ;比能量吸 收 ;分 离式霍普金 森 压杆 中图分 类号 : TU5 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 4 0 2 0 2 2 Co mpa r a t i v e S t u d y o n t h e To u g h ne s s Ev a l u a t i o n I n de x o f Ca r b o n Fi b
5、 e r Re i nf o r c e d Ge o p o l y me r i c Co n c r e t e ZHU Ji n g s a i ,XUJi n y u , LUO Xi n , LI We i r n i n 。 , BAI Er l e i , GAO Zh i g a n g (1 De pa r t me nt o f Ai r f i e l d a n d Bui l d i ng Eng i n e e r i n g,Ai r Fo r c e En gi ne e r i ng Uni v e r s i t y,Xi a n 71 0 03 8,Ch
6、 i na; 2 Co l l e ge of M e c ha ni c s a nd Ci v i l Ar c hi t e c t ur e,No r t hwe s t Po l y t e c h ni c Uni v e r s i t y,Xi a n 7 1 007 2,Chi na; 3 Ai r p o r t Of f i c e ,Ai r F o r c e L o g i s t i c s De p a r t me n t i n Gu a n g z h o u Mi l i t a r y Re g i o n,Gu a n g z h o u 5 1 0
7、 0 5 2 ,C h i n a ) Ab s t r a c t :The i m p a c t c o m p r e s s i o n t e s t o f CFRGC( c a r b on f i b e r r e i n f o r c e d g e o po l y m e r i e c on c r e t e )wa s c o n d uc t e d b y us i ng 1 0 0 s p l i t H o p ki ns o n pr e s s u r e b a r a pp a r a t u s i m p r ov e d wi t h t
8、 h e pu l s e s ha pe d t e c hn i q ue Th e i mp a c t t o u g h n e s s o f CFRGC wa s s t u d i e d c o mp a r a b l y f r o m t h e v i e w o f t wo k i n d s o f e v a l u a t i o n i n d e xe s ,i e p e a k t ou ghn e s s a nd s pe c i f i c e n e r gy a bs o r p t i o n( SEA) The r e s u l t
9、s r e v e a l t h a t ,f r o m t h e p o i nt of pe a k t ou gh ne s s,CFRGC wi l l s ho w i t s a dv a n t a ge s whe n v o l u m e f r a c t i o n o f c a r bo n f i be r i s 0 3 ;f r o m t he p oi n t o f s p e c i f i c e ne r g y a bs o r p t i o n,e n e r g y a bs or p t i o n c ha r a c t e r
10、 i s e x c e l l e nt whe n v o l u m e f r a c t i on o f c a r bo n f i b e r i s 0 2 a nd 0 3 The de ve l op m e nt t e nd e n c y r e f l e c t e d b y t WO k i nd s o f i m p a c t t o ug hne s s e v a l u a t i on i n de x e s i S i n s o m e c o ns i s t e nc y,i n whi c h t h e f o r m e r i
11、 s s t r a i n r a t e d e pe nd e n t。t h e l a t t e r i S mo r e e f f e c t i v e a nd r e a s o na bl e i n e va l ua t i on of t he i m p a c t t ou gh ne s s o f CFRGC s i nc e c a r bo n f i b e r c a n i mpr o v e t he i m p a c t t o ug hne s s o f ge op o l y me r i c c on c r e t e e f f
12、 e c t i ve l y 收稿 日期 : 2 0 l 2 一 O 9 2 4 ;修订 日期 : 2 0 1 3 - 0 4 1 2 基金项 目: 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 0 8 5 0 7 , 5 1 3 7 8 4 9 7 ) ; 陕西省 自然科学基金资助项 目( 2 0 1 1 g m6 0 1 4 ) 第一作者 : 朱靖塞 ( 1 9 9 o 一) , 男 , 河南周 口人 , 空军工程大学博士生 主要从事防护工程研 究 E ma i l : 1 3 6 3 0 2 8 3 7 2 5 1 6 3 c o rn 通信作者 : 许金余( 1 9 6 3 一) ,
13、男 , 吉林 靖宇人 , 空军工程大学教 授 , 博士生导师 , 博士 主要从事结构 工程 、 防护 工程研究 E - ma i l : i n y u x u 2 6 3 n e t 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 0 4 建筑材料学报 第 1 7 卷 Ke y wo r d s :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 y me r i c c o n c r e t e C FRGC) ;t o u g h n e s s e v a l u a t i o n i n d e x;p e
14、 a k t o u g h n e s s ;s p e c i f i c e n e r g y a b s o r p t i o n ( S EA) ;s p l i t Ho p k i n s o n p r e s s u r e b a r ( SHP B) 碳纤 维l 1 是 伴 随着军工 事业 的发展 而成 长起 来 的新 型材 料 , 具 有高 比强度 、 高 比模量 、 耐高 温 、 耐腐 蚀等 一 系列优 异性 能 与其 他合 成纤维 相 比较 , 碳 纤 维在 混凝 土 中不 仅可 约 束 微 裂纹 的扩 展 , 提 高混 凝 土 的抗裂 性 , 而且 可 以提
15、高结 构 的抗 震 性 和抗 疲 劳 特性 因此 , 碳 纤 维增 强 水 泥 基 材 料l 2 。 的研 究 在 国 内外 掀起 了热 潮 地 聚物_ 4 是 一种 由碱激 发硅 铝质材 料所 形 成 的 新 型胶凝 材料 , 由于 具有 特 殊 的无 机 缩 聚 三 维 氧化 物 网络结 构 , 使 得它在 众 多方面 具有 比碱矿 渣水 泥 、 陶瓷、 硅酸盐水泥等更好的性能 但地聚物混凝土 ( g e o p o l y me r i c c o n c r e t e ,GC) 仍 属 于 准 脆 性 材 料 , 韧 性不 足 , 而 纤维 强 韧 化 技术 是 目前解 决 此 类
16、问题 的重 要 手 段 , 基 于 此 , 碳 纤 维 增 强 地 聚 物 混 凝 土 ( C F R GC ) 应运 而生 掺加碳 纤维 的主要 目的在 于 提 高 地聚 物混 凝 土 的韧 性 , 因 此 与 C F RG C韧 性 相 关 的研 究显 得尤 为重要 近 1 0几 年来 , A C I 5 4 4委 员会 、 J C I S F R C委 员 会 等组织 相继 提 出不 同的纤维 增强混凝 土 韧性 评价 指标 , 这 些方 法 没 有 统 一 标 准 , 针 对 具体 的材 料 , 各 评价 指标 各 有 优 劣 , 而 关 于 C F R GC冲 击 韧性 评 价 指标
17、 方面 的研 究 成果 相 对 少 见 , 亟 待开 展 相 关试 验 和理 论 研 究 本 文 首 先 配 制 了基 体 强 度 等 级 为 C 3 O , 碳纤 维体 积分 数 分 别 为 0 , 0 1 , 0 2 , 0 3 的 C F R GC, 然后 采用 1 O 0分离式 霍普 金森 压 杆 ( S HP B ) 试验 装置 对其 开 展 了 多个 应 变率 范 围 的 冲击压 缩试验 , 基 于 峰值 韧度 和 比能量 吸收 2种 评 价 指标 研究 了 C F R G C 的 冲击 韧 性 , 并进 行 了对 比 分 析 和机理探 究 1 试验 1 1基本情 况 原材料 :
18、水淬高炉矿渣( 比表面积为 4 9 1 6 m 2 k g , 2 8 d活 性 指 数 9 5 ) ; 一 级 粉 煤 灰 ; 石 灰 岩 碎 石 ( 5 1 0 mm 约 1 5 ”; 1 0 2 O mm 约 8 5 ) ; 中 砂 ( 细度模 数 为 2 8 ) ; 化 学纯 Na OH 片状 固体 ( 纯度 9 7 ) ; 液体硅酸 钠 ( 即水 玻璃 , 模数 为 3 1 3 4 , S i O 含 量 2 6 0 , Na O含 量 8 2 ) ; 沥青 基 短 切 碳纤 维 , 其 具体 物理 与力学性 能 指标见 表 1 配合 比设计 : 基体配合比经过试配得到 , 与普通
19、1 ) 本文所涉及的含量 、 纯度等除特别说 明外均 为质量分数 表 1 碳 纤维的物理、 力学性能指标 Ta b l e 1 P h 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 硅 酸盐水 泥混 凝土 配合 比设计 中 的重要参数 水 灰 比 类 似 , 定 义水 与矿渣 和粉煤 灰 的质量 比为水 胶 比, 具 体配合 比参数如下 : 水胶 比 0 3 1 , 矿渣 3 0 0 k g m。 , 粉 煤灰 1 0 0 k g m。 , 砂 6 2 9 k g m。 ,
20、石 子 9 6 8 k g m。 , 液体硅酸钠和氢氧化钠的质量比为 4 2 在基体 G C 中分别 掺入 体积 分 数 为 0 , 0 1 , 0 2 , 0 3 的 碳纤维 为便 于分 析 , 分别 以 GC, 1 C G, 2 C G, 3 C G 表 示 表 2列 出 了 C F R GC的静态压 缩试 验结 果 表 2准 静态 抗 压 强 度 测 试 结 果 T a b l e 2 Q u a s i s t a t i c c o mp r e s s i v e s t r e n g t h t e s t r e s u l t s MP a 1 2 S HP B试验 设备
21、S HP B l 7 试 验技 术 起 初 是 用 来 研 究 金 属 、 聚 合 物等 材料 的高应 变率性 能 , 发展至 今 已有 6 O a , 现 已 被广 泛应 用 于 混 凝 土 等 多 种 材 料 的 动 态 力 学 性 能 测试 冲击 压 缩 试验 在 1 O O的 S HP B试 验装 置 上 进 行 用 于 测 试 脆 性 材 料 的大 直 径 S HP B试 验 存 在 以 下缺 点 : 端 面 摩 擦 效 应 、 弥 散 效 应 明 显 ; 应 力 均 匀性 难 以得 到满 足 ; 恒 应 变 率 加 载 困 难 从 以 下方 面解决这些 问题 : 在试件 和压杆 的
22、端 面均匀地 涂 抹上 一 层 石 墨 与 润 滑 剂 的 混 合 物 , 以 确 保 端 面摩 擦 效应 的减少 ; 采 用 波 形 整 形 技 术 l 8 有 大 量 试 验 表 明 , 波形 整 形 技 术 能有 效 降 低 弥 散 效 应 , 同 时 还 能 通过 一 定 技术 参 数 的控 制 来 实 现 应 力 均 匀 和 恒 应 变率 加 载 1 3冲 击压 缩试验 1 3 1 S HP B试 验有 效性 分析 图 1给 出 了 2 C G 试 件 的应 变 率 时 程 曲线 ( 一 t 曲线 ) 由图 1可 见 , 通过 一 系 列技 术 手 段 的控 制 能 较好 地实 现试
23、 验 过程 中 的近似 恒 应 变 率加 载 , 保 证 了 C F R GC的 S HP B试验有 效性 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 朱靖塞 , 等 : 碳纤 维增 强地聚物混凝土韧性评价指标的对 比研究 3 O 7 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 O l 0 0 1 1 0 s 图 7 S E A与应变率 的关系 Fi g 7 Re l a t i ons h i p be t we e n SEA
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- 关 键 词:
- 碳纤维 增强 混凝土 韧性 评价 指标 对比 研究
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