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Industrial Construction Vol.51,No.6,2021工业建筑㊀2021年第51卷第6期㊀111㊀竹混凝土钢板连接件的抗剪性能试验研究∗聂玉晗㊀魏㊀洋㊀杨㊀波㊀陈㊀思㊀赵㊀康(南京林业大学土木工程学院,南京㊀210037)㊀㊀摘㊀要:为研究竹混凝土组合结构开孔钢板连接件的力学性能,进行了竹混凝土开孔钢板剪力连接件的推出试验研究㊂结果表明:竹混凝土钢板连接件的典型破坏形态主要表现为开孔钢板屈服㊁混凝土部分剪切压溃㊁开孔钢板在竹材部分滑移几种模式,开孔钢板屈服大多发生在竹混凝土钢板连接件,竹混凝土钢板连接件的荷载-滑移曲线在峰值荷载之后,都能够维持较高的残余荷载值,荷载下降缓慢,无论是否配置贯穿钢筋,破坏模式都属于延性破坏,其界面滑移沿着界面高度分布均匀;竹混凝土钢板连接件的承载力由开孔钢板与竹材连接界面的承载力㊁开孔钢板与混凝土连接界面的承载力㊁界面处最薄弱截面开孔钢板的抗剪承载力三个方面决定,基于此建议了其承载力分析方法㊂㊀㊀关键词:竹结构;竹混凝土;剪力连接件;试验;力学性能㊀㊀DOI :10.13204/j.gyjzG20072604EXPERIMENTAL RESEARCH ON SHEAR RESISTANCE OF STEEL PLATE CONNECTORS FORBAMBOO-CONCRETE COMPOSITE STRUCTURESNIE Yuhan㊀WEI Yang㊀YANG Bo㊀CHEN Si㊀ZHAO Kang(College of Civil Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China)Abstract :To investigate the mechanical properties of the perforated plate shear connections for bamboo-concrete composite structures,the push-out tests on the perforated plate connectors were conducted.The results showed thatthe typical failure modes of perforated plate shear connections of bamboo-concrete composite structures were the yield of the perforated plate,partial shearing crushing of the concrete,and the slipping of the perforated plate in thebamboo section.The yield of the perforated plate occurred mostly at the perforated plate shear connections of bamboo-concrete.The load-slip curves of perforated plate shear connections of bamboo-concrete structures maintained a high residual load value after reaching the peak load,and the load dropped slowly.The failure modes were ductile nomatter whether setting perforated steel bar of not,and its interface slipped evenly along the height of the interface.The bearing capacity of perforated plate shear connections of bamboo-concrete structures were determined by three factors,which were the bearing capacity of the interface between the perforated plate and bamboo,the bearing capacity of the interface between the perforated plate and concrete,and the shear resistance of the weakest section ofthe perforated plate at the interface.Based on the test results,the analysis method of the bearing capacity was proposed for the perforated plate shear connections of bamboo-concrete structures.Keywords :bamboo structures;bamboo-concrete;shear connections;test;mechanical properties∗国家自然科学基金项目(51208262,51778300);江苏省重点研发计划项目(BE2020703);江苏省自然科学基金项目(BK20191390); 六大人才高峰 (JZ -017); 青蓝工程 项目(2020)㊂第一作者:聂玉晗,女,1996年出生,硕士研究生㊂通信作者:魏洋,男,1978年出生,博士,教授,博士生导师,wy78@㊂收稿日期:2020-07-260㊀引㊀言竹材作为一种绿色可再生材料,在土木工程领域逐渐得到了越来越广泛的关注[1-2],为了提高竹结构构件的承载力和跨越能力,竹材与钢材㊁混凝土材料组合,可望能够取得更为理想的结构性能㊂李玉顺等针对竹材与钢材组合构件开展了系统的研究[3-4];魏洋等最早提出了竹混凝土组合结构,以提高竹材受弯构件的刚度及承载力,试验结果表明,竹混凝土组合结构的承载力和刚度相对于竹结构得到了大幅度的提高[5];随后,针对不同连接构造,魏洋㊁单波等开展了多种连接件形式的竹混凝土组合结构的试验研究[6-8]㊂对于竹混凝土组合结构,连接件的抗剪性能对其整体受力具有非常重要的影112㊀工业建筑㊀2021年第51卷第6期响,目前,针对销栓型㊁凹槽型等[9-10]竹混凝土连接形式已经开展了一定的研究,针对钢板形式的竹混凝土连接件也进行了初步的探索[11-13]㊂竹混凝土钢板连接件,采用设置开孔构造的离散型薄壁开孔钢板,底端嵌入竹材的纵向开槽内,顶端浇筑锚固于混凝土的翼缘板内,上㊁下两种材料通过嵌固薄壁钢板有效连接成整体,薄壁钢板纵向具有较好的抗剪刚度和抗剪承载力,保障使用荷载下两种材料之间较小的相对滑移,并抑制竹材和混凝土之间的竖向掀起,钢板连接件兼有凹槽型连接件的高刚度和销栓型连接件的高延性特点㊂本文将针对竹混凝土钢板连接件进行进一步优化设计,考虑有无贯穿钢筋以及贯穿钢筋的不同直径对钢板连接件的抗剪性能影响,并分析钢板连接件的界面滑移分布规律,在试验结果的基础上,推导出普遍适用的竹混凝土钢板连接件抗剪承载力的计算式㊂1㊀试验设计本试验以埋入混凝土部分的钢板开孔内设置的贯穿钢筋直径为试验参数,设计了4组12个竹混凝土钢板连接件试件,每组3个试件,编号为B3020XX㊂其中,试件预期混凝土强度为C30,钢板埋入混凝土部分的开孔直径大小为20mm,XX 表示埋入混凝土部分的钢板开孔内设置的贯穿钢筋直径(XX 为00时表示未设置贯穿钢筋)㊂横向贯穿钢筋直径分别为8,12,16mm,推出试验具体构件参数如表1所示㊂表1㊀推出试验的构件参数Table 1㊀Parameters of the components for push-out test试件编号立方体抗压强度/MPa圆柱体抗压强度/MPa钢板屈服强度/MPa 钢板极限强度/MPa 混凝土部分的钢板开孔直径/mm贯穿钢筋直径/mm贯穿钢筋屈服强度/MPaB30200043.434.7253.4333.4200B30200843.434.7253.4333.4208485.4B30201243.434.7253.4333.42012490.0B30201643.434.7253.4333.42016482.3㊀㊀竹混凝土钢板连接件由三个部分组成,中间为重组竹材部分(140mm ˑ350mm ˑ70mm),两侧为混凝土部分(140mm ˑ350mm ˑ70mm),左右对称,混凝土与重组竹材部分相互之间由开孔钢板连接形成整体,具体尺寸见图1a,钢板连接件采用100mm ˑ100mm ˑ2mm 的开孔钢板(图1b),为提高钢板的黏结效果,钢板平面内设置一些离散的孔洞,埋入混凝土部分开孔直径较大,为20mm,嵌入竹材部分宜采用小直径的孔洞,直径为10mm㊂在连接件制作过程中,首先需在重组竹材部分的侧面开设纵缝,纵缝深度为60mm,宽2.5mm,开缝完成后,通过环氧胶黏剂将开孔钢板嵌入竹材的纵缝内部60mm,外露40mm,钢板外露部分浇筑于混凝土中,根据需要,在混凝土部分同时设置贯穿钢板开孔内的贯穿钢筋,施工时,预先将开孔钢板嵌入竹板侧面,待环氧树脂胶完全固化发挥黏结力之后再进行混凝土的浇筑㊂为防止混凝土板过早的破坏使试件失去承载力,从而影响连接件发挥其作用,采用8mm 的构造钢筋通过焊接形成双层钢筋骨架在混凝土板平面内浇筑于混凝土中,以提高混凝土部分的抗剪承载力㊂试验相关材料的力学性能如表1所示㊂a 连接件尺寸构造;b 钢板尺寸构造㊂图1㊀钢板连接件尺寸构造㊀mmFig.1㊀Dimensions and details of steel plate connection竹混凝土钢板连接件的抗剪性能试验研究 聂玉晗,等113㊀2㊀加载与测试试验加载采用3000kN 高刚度压力试验机(图2),试验开始前,为了调试加载系统㊁消除不良接触间隙,首先对推出试件进行循环预压,当荷载达到预估极限荷载的10%左右,再缓慢加载至预估极限荷载的30%左右,往复3次之后,再正式加载㊂正式加载时,力控制加载至极限荷载的10%左右,切换为位移控制加载,速度为1mm /min,当试件接近破坏时速度改为0.5mm /min,直到完全破坏㊂图2㊀试验加载装置及位移计架设Fig.2㊀Erection of test loading device and displacement meter试验过程中主要测量竹材与混凝土之间的滑移,忽略重组竹因部分受压而产生的变形值㊂为研究竹混凝土钢板连接件的界面滑移分布规律,试验中采用两种不同测量方法对界面滑移进行测量,即电测位移计测量法和数字图像相关法(DIC)㊂在连接件左㊁右界面的两侧的上㊁下部分别布置一个电测位移计,共计4个位移计;位移计架设时,在混凝土部分表面粘贴垂直于界面的角钢以固定安装位移计支座,在竹材部分表面粘贴垂直于界面的玻璃片,位移计指针垂直顶在玻璃片底面,位移计数据通过TDS 采集仪采集㊂同时,采用数字图像相关法测量界面滑移,与位移计测得的结果对比分析㊂3㊀试验结果3.1㊀破坏模式竹混凝土钢板连接件的典型破坏形态如图3所示㊂主要表现为开孔钢板屈服㊁混凝土部分剪切压溃㊁开孔钢板在竹材部分滑移几种模式㊂开孔钢板屈服发生在未设置贯穿钢筋及设置不同直径贯穿钢筋的大多数竹混凝土钢板连接件,在加载过程中随着滑移的增大,混凝土部分的开孔钢板发生显著的大变形而屈曲,设置的贯穿钢筋直径越大,变形越不明显,试验完成破除混凝土后,能够发现未设置贯穿钢筋的开孔钢板在混凝土部分的开孔发生显著的形状改变,相应开孔钢板与竹材部分连接尚完好,破坏过程缓和,未见剧烈反应;混凝土部分剪切压溃是由于钢板与混凝土接触面的正中部或中下部受剪切或剪压作用而发生破坏,进而试件失去承载力,设置的贯穿钢筋直径越大,开孔钢板内混凝土榫面积越小,剪切压溃作用越小,而开孔钢板与竹材连接界面破坏并不明显,对于开孔钢板屈服的大多数试件同时在后期表现出此类破坏;对于设置贯穿钢筋时的少数情况,尤其是贯穿钢筋直径为12mm 和16mm 时,开孔钢板与混凝土部分的连接承载力较高,破坏表现为开孔钢板在竹材部分的一侧逐步滑移,相应开孔钢板与混凝土部分连接工作较好㊂试验结束后,将试件的混凝土破碎拆除,发现各种破坏形态情况下试件的开孔钢板内贯穿钢筋状态良好,未见显著弯曲屈服现象,开孔钢板孔内混凝土榫多数皆发生了剪切破坏,开孔钢板都沿着靠近竹材的侧边缘界面发生显著的由相对位移产生的拉伸变形,多数试件的开孔钢板与竹材间能够很好黏结㊂a B302000组;b B302008组;c B302012组;d B302016组㊂图3㊀竹混凝土钢板连接件典型破坏形态Fig.3㊀Typical failure modes of steel plate connectors for bamboo-concrete structures3.2㊀荷载-滑移曲线竹混凝土钢板连接件的荷载-滑移曲线如图4所示㊂为了对比分析,同时采用位移计与数字图像相关法(DIC)测试界面滑移数值,如图5所示㊂在加载初期,竹材和混凝土之间黏结较好,摩擦力和胶结力大,剪力连接件的滑移量小,连接件的抗剪刚度表现非常大;随着荷载的增加,竹材与混凝土的界面滑移量增长速度明显加快,荷载-滑移关系呈非线性,直到试件达到极限荷载,部分开孔钢板的孔内混凝土榫发生剪切破坏㊂荷载达到峰值后,荷载缓慢下降,滑移量持续增加㊂整体来说,峰值荷载的滑移量随着贯穿钢筋直径的增大而减小,峰值荷载之后,114㊀工业建筑㊀2021年第51卷第6期各组试件都能够维持较高的残余荷载值,荷载下降缓慢,表现出较好的延性㊂对于开孔钢板内未设置贯穿钢筋时,荷载下降相对较快,表现为荷载-滑移曲线的下降坡度相对较大,贯穿钢筋有助于提升保持残余荷载的效果㊂对比位移计与数字图像相关法的测试结果,二者的荷载-滑移曲线增减趋势基本一致,相互之间的差别较小,部分试件由于加载过程中混凝土的剥落导致数字图像相关法后期无法进行,数字图像相关法测得的后期滑移量较位移计法偏小㊂a B302000组;b B302008组;c B302012组;d B302016组㊂图4㊀竹混凝土钢板连接件的荷载-滑移曲线Fig.4㊀Load-slip curves of steel plate connectors forbamboo-concretestructuresa B302000组;b B302012组㊂图5㊀竹混凝土钢板连接件的荷载-滑移曲线不同测试方法对比Fig.5㊀Comparisons of load-slip curves of steel plate connectors forbamboo-concrete structures measured by different testing methods3.3㊀滑移分布规律为了研究竹混凝土钢板连接件整个界面的相对滑移规律,需测得连接件界面足够数量的散点的相对滑移,由于试件界面的尺寸空间限制,位移计法无法实现同时测量足够数量的散点的相对滑移,则数字图像相关法(DIC)能够实现㊂本文连接件试件的高度为350mm,故对试件界面两侧等间距各选取13个点计算其相对滑移值,根据计算结果绘制如图6所示的滑移沿界面分布的变化曲线㊂可以看出,同一荷载下界面各高度处的滑移基本相同,表明在滑移过程中竹混凝土钢板连接件的混凝土与竹材界面处的滑移是均匀的㊂试件加载初期,各级荷载间的相对滑移变化较小,呈稳定发展;当荷载达到极限荷载的70%~90%时,各级荷载间的滑移差值变化明显,级差越来越大㊂3.4㊀承载力分析竹混凝土钢板连接件的极限荷载试验结果如表2所示,可见,由于竹混凝土钢板连接件的破坏模式复杂多样,本试验中多发生开孔钢板屈服的破坏形式,极限荷载主要由钢板的屈曲控制,故而极限荷载随着贯穿钢筋直径变化的规律不是十分明显,分析竹混凝土钢板连接件的承载机理可知,其承载力由以下三种情况的极限荷载最小值确定㊂竹混凝土钢板连接件的抗剪性能试验研究 聂玉晗,等115㊀a B302016-1左侧;b B302016-1右侧㊂ʏ 30kN; Ә 40kN; һ 50kN; ▼ 60kN;Ң 70kN; ◀ 77.3kN㊂图6㊀典型竹混凝土钢板连接件滑移沿界面高度的变化曲线Fig.6㊀The slip of typical steel plate connector for bamboo-concretestructures changed along with interface height1)开孔钢板与竹材连接界面的承载力为:Q u1=A sb τu (1)式中:A sb 为钢板嵌入竹材总面积(减去孔洞面积);τu 为钢板与竹材间的剪切黏结强度,钢-钢黏结强度一般都达到10MPa 以上,钢-竹黏结强度尚缺少相关试验数据,暂时参考取筋材与竹材的黏结强度[14],即取τu =5.3MPa㊂2)开孔钢板与混凝土连接界面的承载力㊂Oguejiofor 等[15]通过试验分析指出开孔钢板连接件的抗剪承载力主要由开孔钢板孔间混凝土榫㊁贯穿钢筋和端部混凝土提供,与本文所研究的影响因素相似,参考计算如下:Q u2=4.5htf ᶄc +0.91A tr f y +3.31nd 2f ᶄc(2)式中:h 和t 分别为钢板的高度和厚度;f ᶄc 为混凝土圆柱体抗压强度;A tr 为横向钢筋总面积;f y 为钢筋的屈服强度;n 为孔洞个数;d 为孔洞直径㊂3)界面处最薄弱截面开孔钢板的抗剪承载力㊂在开孔钢板与竹材和混凝土之间的连接都可靠的情况下,将沿着界面处开孔钢板的最薄弱截面发生开孔钢板本身的剪切屈曲破坏,其承载力计算如下:Q u3=A sv f y (3)式中:A sv 为钢板剪力方向上最薄弱截面面积(减去㊀㊀表2㊀竹混凝土钢板连接件推出试验结果与预测值对比Table 2㊀Comparisons between the test results and the predicted values of steel plate connectors for bamboo-concrete structures试件编号极限荷载P u /kN 平均值P u /kN 换算为单个连接件承载力/kN计算值Q u1/kN计算值Q u2/kN计算值Q u3/kN连接件承载力/kN 计算值试验值B302000-164.5265.3232.2651.1246.8330.4130.410.94B302000-268.6634.3351.1246.8330.4130.410.89B302000-362.7631.3851.1246.8330.4130.410.97B302008-174.3074.9637.1551.1291.2130.4130.410.82B302008-280.8740.4451.1291.2130.4130.410.75B302008-369.7234.8651.1291.2130.4130.410.87B302012-169.2068.9234.6051.12147.6430.4130.410.88B302012-270.3235.1651.12147.6430.4130.410.86B302012-367.2533.6351.12147.6430.4130.410.90B302016-177.3173.9238.6651.12223.2330.4130.410.79B302016-278.4639.2351.12223.2330.4130.410.78B302016-366.0033.0051.12223.2330.4130.410.92㊀㊀最后一列为Q u3与单个连接件承载力的比值㊂孔洞面积);f y 为钢板的屈服强度㊂最终,竹混凝土钢板连接件的承载力为以上三种情况的最小值,即:Q u =min{Q u1,Q u2,Q u3}(4)㊀㊀代入材料相关性能参数,本文竹混凝土钢板连接件的承载力计算结果如表2所示㊂由于承载机理的不同,Q u1㊁Q u2和Q u3存在较大差别,所考虑的承载机理包括开孔钢板与竹材连接界面的承载力㊁开孔钢板与混凝土连接界面的承载力㊁界面处最薄弱截面开孔钢板的抗剪承载力三个方面㊂Q u1考虑了钢板与竹材的剪切黏结强度,计算承载力偏大;Q u2考虑了混凝土榫贡献以及贯通钢筋与混凝土支撑面承压的贡献,计算承载力最大;Q u3的计算结果与实测值较接近,与实际主要发生的破坏模型相一致,计算值与实测值的比值平均为0.86,计算结果相对试验结果偏小,偏于安全㊂故而建议在对竹混凝土钢板连接件的极限荷载进行计算分析时应综合考虑多种破坏模式的可能性,取其荷载最小值作为控制值㊂4㊀结㊀论1)竹混凝土钢板连接件的典型破坏形态主要表现为开孔钢板屈服㊁混凝土部分剪切压溃㊁开孔钢板在竹材部分滑移,开孔钢板屈服发生在大多数竹混凝土钢板连接件;混凝土部分剪切压溃破坏始于钢板与混凝土接触面的正中部或中下部受剪切或剪压作用而发生破坏;开孔钢板在竹材部分滑移破坏表现为开孔钢板在竹材部分的一侧逐步滑移㊂2)竹混凝土钢板连接件的荷载-滑移曲线在峰值荷载之后,都能够维持较高的残余荷载值,荷载下降缓慢,表现出较好的延性,对于开孔钢板内未设置贯穿钢筋时,荷载下降相对较快,表现为荷载-滑移曲线的下降坡度相对较大㊂无论是否配置贯穿钢筋,竹混凝土钢板连接件的整个破坏过程试验荷载缓慢下降,破坏模式属于延性破坏㊂竹混凝土钢板连接件在同一荷载下,界面各高度处的滑移基本相同,界面滑移分布均匀㊂3)对竹混凝土钢板连接件的承载机理进行分析,其承载力由开孔钢板与竹材连接界面的承载力㊁开孔钢板与混凝土连接界面的承载力㊁界面处最薄弱截面开孔钢板的抗剪承载力三个方面决定,基于此建议了其承载力分析方法㊂参考文献[1]㊀肖岩,李佳.现代竹结构的研究现状和展望[J].工业建筑,2015,45(4):1-6.[2]㊀田黎敏,靳贝贝,郝际平.现代竹结构的研究与工程应用[J].工程力学,2019,36(5):1-18,27.[3]㊀李玉顺,张家亮.钢-竹组合构件及其结构体系研究进展[J].工业建筑,2016,46(1):1-6.[4]㊀李玉顺,张秀华,吴培增,等.重组竹在长期荷载作用下的蠕变行为[J].建筑材料学报,2019,22(1):65-71. 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竹板—纤维增强水泥基复合材料的力学性能研究
姚武;李宗津
【期刊名称】《建筑节能》
【年(卷),期】2000(028)001
【摘要】改性竹板具有很高的抗拉、抗弯强度,它与纤维增强水泥基材料复合可以获得轻质、高强、韧性好的新型建筑材料.该复合材料可用于建筑模板、隔墙材料和其它房屋制品等领域.本文介绍了这种竹板-纤维增强水泥基复合材料的结构组成和生产工艺,并研究了该材料的抗弯和抗冲击性能.
【总页数】4页(P10-12,15)
【作者】姚武;李宗津
【作者单位】同济大学混凝土材料研究国家重点实验室;香港科技大学土木工程系【正文语种】中文
【中图分类】TU599.026
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5.基于三向交织结构玄武岩纤维增强水泥基复合材料力学性能研究 [J], 贾明皓;裴佳慧;肖学良;钱坤;樊凯
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混凝土中添加纤维对抗冲击性能的影响研究一、前言混凝土是一种广泛应用于建筑结构中的材料，其强度和耐久性是其最重要的特性。
然而，在某些情况下，如受到冲击、爆炸等外力作用时，混凝土的强度和耐久性可能不足以保证结构的完整性和安全性。
因此，为了提高混凝土的抗冲击性能，人们开始考虑在混凝土中添加纤维的方法。
二、纤维对混凝土的作用添加纤维可以改善混凝土的抗拉强度和韧性，从而使其更加耐久和抗冲击。
纤维可以分为钢纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维等几种，其中钢纤维应用最广泛。
纤维的添加可以使混凝土的裂缝形态由单一的直线型变为多向分散型，从而增加混凝土的韧性和抗裂性。
三、纤维对混凝土抗冲击性能的影响混凝土在受到冲击时可能会出现破坏，而添加纤维可以有效提高混凝土的抗冲击性能。
在混凝土中添加纤维后，混凝土的韧性和抗拉强度得到了提高，从而使其在受冲击时能够更好地抵抗外力的作用。
此外，纤维还可以使混凝土内部的应力分布更加均匀，从而减轻其受到的应力。
四、纤维对混凝土抗冲击性能影响的实验研究为了探究纤维对混凝土抗冲击性能的影响，研究者进行了一系列实验。
以下是其中两个实验的具体内容和结果。
1.冲击实验研究者在实验中制备了两种混凝土，一种为未添加纤维的普通混凝土，另一种为添加了0.5%钢纤维的混凝土。
两种混凝土的尺寸均为40 cm × 40 cm × 40 cm。
在实验中，研究者采用冲击试验机对两种混凝土进行了冲击实验。
实验结果表明，在相同的冲击力作用下，未添加纤维的混凝土出现了较大的破坏，而添加了纤维的混凝土则表现出了更好的抗冲击性能。
2.爆炸实验研究者在实验中制备了三种混凝土，分别为未添加纤维的普通混凝土、添加了0.5%钢纤维的混凝土和添加了1.0%钢纤维的混凝土。
三种混凝土的尺寸均为40 cm × 40 cm × 40 cm。
在实验中，研究者对三种混凝土进行了爆炸实验。
实验结果表明，添加了纤维的混凝土在受到爆炸冲击时表现出了更好的抗冲击性能，且随着纤维添加量的增加，混凝土的抗冲击性能也得到了进一步提高。
混凝土中添加不同纤维材料的抗冲击性能研究一、研究背景与意义混凝土是建筑中最常用的材料之一，其强度和耐久性能直接影响着建筑物的安全性和使用寿命。
然而，传统的混凝土存在一些缺陷，如易开裂、低韧度等问题。
为了解决这些问题，研究人员开始向混凝土中添加纤维材料，以提高其抗冲击性能和韧性。
本研究旨在探究不同纤维材料对混凝土抗冲击性能的影响，为混凝土的改性提供参考。
二、混凝土中常用的纤维材料1.钢纤维：钢纤维是最早被应用于混凝土中的纤维材料之一。
其优点是强度高、耐腐蚀、易于加工，能够增加混凝土的抗冲击性能和韧性。
2.玻璃纤维：玻璃纤维是一种无机纤维材料，具有较高的强度和韧性，同时还具有良好的耐腐蚀性和不导电性能。
3.碳纤维：碳纤维是一种有机纤维材料，具有高强度、高模量和轻质等特点，能够有效提高混凝土的抗冲击性能和耐久性能。
4.聚丙烯纤维：聚丙烯纤维是一种合成纤维材料，具有良好的耐腐蚀性、抗紫外线性和耐高温性能，可用于改善混凝土的渗透性和抗裂性能。
三、混凝土中添加不同纤维材料的抗冲击性能研究1.实验设计本研究选取常用的四种纤维材料，分别为钢纤维、玻璃纤维、碳纤维和聚丙烯纤维，将它们分别加入混凝土中，控制混凝土中的纤维体积分数为1%，进行冲击试验。
2.实验结果通过实验，得到了混凝土在不同纤维材料掺量下的抗冲击性能指标，如冲击强度、断裂韧度等。
实验结果表明，四种纤维材料均能有效提高混凝土的抗冲击性能和韧性，其中钢纤维和碳纤维的效果最为显著。
3.分析与讨论通过对实验结果的分析，可以发现，不同纤维材料的加入对混凝土的抗冲击性能影响存在差异。
钢纤维和碳纤维的加入可以有效增加混凝土的韧性和抗冲击性能，而玻璃纤维和聚丙烯纤维的加入则对混凝土的抗冲击性能影响较小。
四、纤维材料掺量对混凝土抗冲击性能的影响1.纤维材料掺量对混凝土抗冲击性能的影响纤维材料的掺量是影响混凝土抗冲击性能的重要因素之一。
如果纤维材料的掺量过高，混凝土中的纤维之间可能会发生聚集，导致混凝土的强度和韧性下降。
钢纤维混凝土力学性能和抗侵彻机理研究共3篇钢纤维混凝土力学性能和抗侵彻机理研究1钢纤维混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，SFRC）是一种新型的纤维材料混凝土，是将纤维加入到混凝土中来改善其力学性能和增强其抗冲击、抗侵彻、抗裂、抗拉、抗疲劳等方面的性能。
本文将介绍钢纤维混凝土的力学性能和抗侵彻机理的研究成果。
一、钢纤维混凝土的力学性能研究1. 力学性能的变化规律首先，对比了无纤维混凝土和钢纤维混凝土的力学性能，其中包括强度、刚度、韧性和疲劳等方面的性能，并且分析了加入钢纤维后其力学性能的变化规律。
研究发现，在同一水胶比条件下，随着钢纤维的加入量的增加，SFRC的抗压强度呈现增加的趋势，而抗拉强度则呈现先增加后减小的趋势，最大抗拉强度在钢纤维约占混凝土体积的1%时出现。
此时，由于钢纤维的作用，有助于增强了混凝土的韧性和疲劳性能，施工时出现的裂缝是比较细小的，而且加入钢纤维后的混凝土表现出更好的变形能力和降低了收缩效应。
此外，研究也显示了加入钢纤维可显著提高混凝土的抗冲击、抗侵彻和抗火性能，使得混凝土的总体性能得到了明显提升。
2. 钢纤维类型对力学性能的影响在SFRC制备的过程中，钢纤维的类型也对混凝土性能的影响是不可忽视的。
一般来说，钢纤维可分为宏观钢纤维和微观（细钢纤维）钢纤维。
前者通常为成捆条形纤维，其长度和直径较大，用于增强混凝土的抗拉强度和韧性；后者相对较短而细，其作用主要在于增强混凝土的抗裂性和耐久性。
研究发现，无论是宏观钢纤维还是微观钢纤维或两者结合使用都有助于改善混凝土的力学性能，但不同类型的钢纤维在性能方面的选择不同。
一般来说，宏观钢纤维最适合用于高性能混凝土中，微观钢纤维则适合用于加固病害混凝土结构。
而若将两者结合使用，既能够增强混凝土的韧性和抗裂性，又有助于提高其抗拉和抗冲击性能，从而全面提升混凝土的力学性能。
二、钢纤维混凝土的抗侵彻机理研究随着钢纤维混凝土的研究深入，其抗侵彻性能的研究也逐渐成为了当前研究的热点。
文章编号:1001-9731(2021)01-01133-06混杂纤维增强混凝土材料的力学性能和耐久性能研究*周美容,张雪梅(南通理工学院建筑工程学院,江苏南通226002)摘要:采用聚丙烯纤维和碳纤维掺杂的方法制备了单纤维和混杂纤维增强混凝土材料㊂利用电子万能试验机对单纤维和混杂纤维增强混凝土材料样品进行了抗弯强度和劈裂抗拉强度试验;采用扫描电子显微镜(S E M)对样品的拉伸断口形貌进行了观察;采用N E L扩散试验测试了样品的氯离子扩散系数㊂结果表明,混杂纤维增强混凝土材料H F R C-B的抗弯性能㊁劈裂抗拉强度和耐久性能均优于单掺聚丙烯纤维增强混凝土P F R C-A和单掺碳纤维增强混凝土C F R C-B,H F R C-B样品的抗弯强度可达8.4M P a,劈裂抗拉强度平均值可达3.78M P a,氯离子扩散系数为2.26ˑ10-12m2/s,综合性能优异;S E M分析表明,碳纤维㊁聚丙烯纤维与混凝土基体结合良好,碳纤维的拔出效应以及聚丙烯纤维自身的韧性保证了混杂纤维增强混凝土材料的高强度和高韧性,提升了混杂纤维增强混凝土材料的抗拉强度和抗弯性能;混杂纤维增强混凝土材料的耐久性能优于单纤维增强混凝土材料,显示了混杂纤维的正混杂效应,混杂纤维有效降低了混凝土中微裂纹的生成和扩展,改善了混凝土的阻裂效应,提高了混凝土材料的耐久性能㊂关键词:混杂纤维;混凝土;力学性能;耐久性能中图分类号: T U528.57文献标识码:A D O I:10.3969/j.i s s n.1001-9731.2021.01.0190引言水泥是一种重要的建筑材料,但它很容易在拉力的作用下开裂失效[1-3]㊂其抗拉强度仅为抗压强度的1/10~1/7,受拉极限延伸率只有0.01%~0.06%,在较低的拉伸变形时就会出现开裂[4]㊂短纤维的应用可以增强混凝土抗拉裂缝的能力,提高混凝土的吸能能力[5]㊂高韧性纤维增强混凝土具有提高混凝土延性的能力,自20世纪80年代以来得到了较快发展[6-7]㊂纤维混凝土的研究主要集中在纤维的几何类型㊁体积分数和强度对混凝土材料抗弯性能的影响[8-10],尤其以钢纤维和合成有机纤维研究最多,从纤维的形状㊁长度㊁用量等方面研究了钢纤维和合成有机纤维的组合对混凝土抗弯承载力和韧性的影响[11-12]㊂然而大多数研究只是初步评估纤维增强混凝土构件中纤维的含量以及混杂纤维种类对抗弯能力的影响[13-14]㊂等效抗弯强度比通常用来评估纤维增强混凝土抗弯拉伸性能的提高程度[15]㊂等效抗弯强度比由能量吸收能力和梁试验测得的第一个峰值强度确定,与混凝土中纤维的含量比密切相关[16]㊂以往大多数研究都是评估单一纤维几何类型和含量对纤维增强混凝土抗弯强度和韧性的影响,即给定单一纤维,根据纤维含量确定其等效抗弯强度比㊂根据传统纤维类型对水泥基材料增强作用的研究,可知混凝土的抗弯㊁抗剪性能随着聚合物纤维以及碳纤维含量的增加而提高[17-18]㊂但是这种强化行为并不是线性上升的,混凝土的抗压强度会随着碳纤维含量的增大而大幅度降低[19]㊂使用两种或两种以上纤维混杂制成的混凝土复合材料,能够较好地解决这一问题[20]㊂然而,少有研究重点评估混杂纤维材料的强度与纤维含量配比对纤维混凝土材料的力学性能和耐久性能的影响[21]㊂本文采用聚丙烯纤维和碳纤维对混凝土基体进行单独掺杂和混合掺杂,评估了两种纤维添加量和搭配比例对混凝土复合材料的抗弯强度㊁劈裂抗拉强度和耐久性能的影响,研究了混合纤维掺杂对混凝土材料力学性能和耐久性能的影响规律㊂1实验1.1实验材料水泥:P.O42.5型普通硅酸盐水泥,金隅水泥有限公司;粗骨料:石子,尺寸为5~28mm;细骨料:河砂;聚丙烯纤维:电阻率约为7ˑ1019Ω㊃c m,熔点在165 ~173ħ之间,上海启辰化工科技有限公司;碳纤维:纯度>98%,比表面积为220~280m2/g,灰分< 2.2%,江苏南京韦达复合材料有限公司㊂根据纤维混凝土技术规程,选用聚丙烯纤维和碳纤维进行混杂,测试纤维增强混凝土的性能,选用纤维材料的性能如表1所示㊂33110周美容等:混杂纤维增强混凝土材料的力学性能和耐久性能研究*基金项目:中华人民共和国住房和城乡建设部课题资助项目(K52018094)收到初稿日期:2020-06-16收到修改稿日期:2020-09-02通讯作者:周美容,E-m a i l:972294304@q q.c o m 作者简介:周美容(1983 ),女,江苏南通人,讲师,主要从事新型建筑材料与建筑新技术的开发研究㊂表1 纤维材料的主要性能参数T a b l e 1M a i n p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s o f f i b e rm a t e r i a l s名称规格/mm 密度/g㊃c m -3抗拉强度/M P a弹性模量/G P a 纤维直径/μm 延伸率聚丙烯纤维100.911400~160030~351430%碳纤维101.762500~3000200~220161.5%1.2 实验配比根据聚丙烯纤维和碳纤维的不同掺量设计了9组实验,样品截面尺寸为150mmˑ200mm ,梁长为2000mm ㊂在梁跨中混凝土表面沿截面高度粘贴6个应变片以测试材料的应变㊂在普通混凝土基体中进行了纤维单掺杂和纤维混掺杂,纤维增强混凝土材料的配比如表2所示㊂表2 纤维增强混凝土材料的实验设计T a b l e 2E x p e r i m e n t a l d e s i gno f f i b e r r e i n f o r c e dc o n -c r e t em a t e r i a l s名称编号P F 掺量/k g㊃m -3C F 掺量/k g㊃m -3聚丙烯纤维混凝土P F R C -A0.3P F R C -B0.6P F R C -C0.9碳纤维混凝土C F R C -A 0.1C F R C -B0.3C F R C -C 0.6混杂纤维混凝土H F R C -A 0.30.1H F R C -B0.30.3H F R C -C0.30.61.3 力学及耐久性能测试采用K Y -D 4503微机控制电子万能试验机进行四点弯曲试验和劈裂抗拉强度试验,劈裂抗拉强度试验按照‘纤维混凝土试验方法标准“C E C S 13:2009进行;采用N E L 扩散试验方法对样品进行耐久性能测试,通过抗氯离子渗透系数来衡量纤维增强混凝土的耐久性能㊂2 结果与讨论2.1 纤维增强混凝土材料的抗弯性能图1为纤维增强混凝土材料的抗弯载荷-挠度曲线,其中,P F R C -A 表示聚丙烯纤维增强混凝土(聚丙烯纤维掺量为0.3k g /m 3),C F R C -B 表示碳纤维增强混凝土(碳纤维掺量为0.3k g/m 3),H F R C -B 表示混杂纤维增强混凝土(聚丙烯纤维和碳纤维掺量均为0.3k g/m 3)㊂从图1可以看出,纤维增强混凝土材料在加载过程中的应变硬化及强度随着纤维掺杂种类的不同而不同;单掺聚丙烯纤维的增强效果优于单掺碳纤维的混凝土材料,P F R C -A 的抗弯强度最高可达7.8M P a ,且延伸率优于C F R C -B ;混杂纤维增强混凝土材料H F R C -B 的抗弯强度最高可达8.4M P a ,优于P F R C -A 和C F R C -B ㊂图1 纤维增强混凝土材料的抗弯载荷-挠度曲线F i g 1B e n d i n gl o a dd e f l e c t i o n c u r v e s o f f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e 431102021年第1期(52)卷从图1(a )和(b )可以看出,P F R C -A 和H F R C -B 材料抗弯载荷-挠度曲线中,出现了锯齿状应变硬化阶段,表明此时受拉区有多点开裂现象出现,在基体内部产生大量微细裂纹㊂从图1(c)可以看出,单掺纤维增强混凝土与混杂纤维增强混凝土相比,延伸率较差,较早发生开裂㊂H F R C -B 在较大挠度范围内保持较高的载荷,同时曲线呈现水平发展趋势㊂说明两种纤维在混凝土中混杂掺杂,比单一种类纤维掺杂,具有更加优异的抗弯性能,聚丙烯纤维和碳纤维同时发挥了高韧性和高强度的优势㊂2.2 纤维增强混凝土材料的劈裂抗拉强度表3为纤维增强混凝土材料的劈裂抗拉强度实验结果㊂从表3可以看出,当单掺聚丙烯纤维,且其掺量为0.3k g/m 3时,P F R C -A 样品劈裂抗拉强度平均值为2.74M P a ;当单掺碳纤维,且其掺量为0.3k g/m 3时,C F R C -B 样品的劈裂抗拉强度平均值为3.18M P a;当混合掺杂聚丙烯纤维和碳纤维,且聚丙烯纤维掺量为0.3k g /m 3,碳纤维掺量为0.1,0.3和0.6k g/m 3时,H F R C -A ㊁H F R C -B ㊁H F R C -C 样品的劈裂抗拉强度平均值分别为3.70,3.78和3.72M P a ,相比P F R C -A 样品的劈裂抗拉强度,分别提高了35.04%,37.96%和35.77%㊂由此可知,当聚丙烯纤维和碳纤维的掺量均为0.3k g /m 3时,混杂纤维增强混凝土的劈裂抗拉强度提高幅度最大㊂分析表3数据可知,混杂纤维增强混凝土材料的劈裂抗拉强度明显高于单一聚丙烯纤维和单一碳纤维增强混凝土材料㊂在聚丙烯纤维含量一定的情况下,混杂纤维增强混凝土材料的劈裂抗拉强度随着碳纤维掺杂量的增加先增加后减小,说明碳纤维含量较少时,会均匀地分散在混凝土内部,其增强㊁阻裂作用明显;掺量过大后,碳纤维分散不均匀,使混凝土内部缺陷增多,强度降低㊂此外,由表3可知,随着碳纤维掺量的增加,纤维增强混凝土材料的拉压比逐渐增大,最终逐渐稳定于0.1值附近㊂这可能是由于碳纤维的掺入改善了混凝土的界面特性,抑制了混凝土内部受力后裂纹的初步萌生及进一步发展,使得混凝土的脆性进一步降低,改善了混凝土的阻裂效应㊂表3 纤维增强混凝土材料的劈裂抗拉强度实验结果T a b l e 3E x p e r i m e n t a l r e s u l t s o f s p l i t t i n g te n s i l e s t r e n gt ho f f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e 编号破坏载荷/k N劈裂强度/M P a 平均值/M P a 拉压比P F R C -A 97.22.7595.672.7196.962.752.740.081C F R C -B 113.43.22114.73.13114.13.193.180.067H F R C -A128.693.64131.833.73137.793.93.700.109H F R C -B 137.293.89125.173.54141.884.013.780.111H F R C -C 139.043.94142.044.02129.063.653.720.1132.3 纤维增强混凝土材料的S E M 分析由2.2的分析可知,混杂纤维增强混凝土材料H F R C -B 试件(0.3k g /m 3聚丙烯纤维和0.3k g/m 3碳纤维)的抗弯曲性能最佳,因此选取H F R C -B 混凝土试件为对象进行S E M 分析㊂图2为H F R C -B 混凝土试件断裂区域的S E M 图㊂从图2(a )可以看出,H F R C -B 混凝土试件的断裂区域未发现聚丙烯纤维和碳纤维出现明显团聚现象,两种纤维均与混凝土基体结合良好㊂从图2(b)可以明显观察到,碳纤维受力剥离留下的痕迹以及断裂的碳纤维,可知碳纤维的断裂形式为拔出断裂和直接断裂,碳纤维在拔出过程中,可以有效耗散能量,提高纤维增强混凝土材料的强度㊂从图2(c )可以看出,聚丙烯纤维表面附着有混凝土材料,其在拉伸断裂过程中形成了颈缩现象(方框内),说明聚丙烯纤维发挥出了其韧性和延展性较好的优势㊂由此可知,碳纤维㊁聚丙烯纤维与混凝土基体结合良好,碳纤维的拔出效应以及聚丙烯纤维自身的韧性保证了混杂纤维增强混凝土材料的高强度和高韧性,提升了混杂纤维增强混凝土材料的抗拉强度和抗弯性能㊂图2 H F R C -B 混凝土试件断裂区域的S E M 图F i g 2S E Mi m a g e s o fH F R C -Bc o n c r e t e s pe c i m e nf r a c t u r e a r e a 53110周美容等:混杂纤维增强混凝土材料的力学性能和耐久性能研究2.4 纤维增强混凝土材料的界面结构分析图3和4分别为聚丙烯纤维增强混凝土和碳纤维增强混凝土界面处的E D S 图谱㊂从图3和4可以看出,聚丙烯纤维增强混凝土和碳纤维增强混凝土界面处的元素种类一致,均为O ㊁A l ㊁S i 和C a 元素,只是E D S 峰强比不同,说明不同纤维与混凝土界面处的元素比例不同㊂图3 聚丙烯纤维增强混凝土界面处的E D S 图谱F i g 3E D Ss p e c t r u mo f i n t e r f a c e o f p o l y p r o p yl e n e f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e te 图4 碳纤维增强混凝土界面处E D S 图谱F i g 4E D Ss pe c t r u mof c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n t e r f a c e 表4为聚丙烯纤维增强混凝土和碳纤维增强混凝土界面处的E D S 元素分析㊂由表4可知,界面处O ㊁A l 和S i 元素的比例相差并不明显,S i 和C a 元素比例区别较大,聚丙烯纤维增强混凝土界面处的C a /S i 比为3.11,而碳纤维增强混凝土界面处的C a /S i 比为1.49㊂水泥硬化后,纤维增强混凝土材料中水化硅酸钙是水泥砂浆中最重要的强度来源,水化硅酸钙的C a /S i 比在1.5左右㊂这说明聚丙烯纤维增强混凝土界面处的水化反应不好,而碳纤维增强混凝土界面处的水化反应进行良好,界面强度较高㊂因此碳纤维增强混凝土材料具有更优的劈裂抗拉强度㊂表4 聚丙烯纤维增强混凝土和碳纤维增强混凝土界面处的E D S 元素分析T a b l e 4E D S e l e m e n t a n a l y s i s o f i n t e r f a c e b e t w e e n p o l y p r o p yl e n e f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a n d c a r b o n f i b e r r e i n -f o r c e d c o n c r e t e元素聚丙烯纤维增强混凝土界面原子分数比/%碳纤维增强混凝土界面原子分数比/%O85.8779.02A l 0.160.81S i 3.48.11C a10.5712.06C a /S i 比3.111.492.5 纤维增强混凝土材料的耐久性能对不同纤维增强混凝土材料取样,采用N E L 法测定抗氯离子渗透系数㊂表5为不同纤维增强混凝土材料的抗氯离子渗透系数测定结果㊂从表5可以看出,随着纤维掺量的增大,纤维增强混凝土材料的氯离子扩散系数逐渐减小,且聚丙烯纤维增强混凝土材料的氯离子扩散系数小于碳纤维增强混凝土材料的氯离子扩散系数㊂对于混杂纤维增强混凝土材料而言,H F R C -C 混凝土材料(0.3k g/m 3聚丙烯纤维和0.6k g /m 3碳纤维)的氯离子扩散系数最小,为1.91ˑ10-12m 2/s㊂混杂纤维增强混凝土材料的耐久性优于单纤维增强混凝土材料,显示了混杂纤维的正混杂效应㊂正混杂效应的出现,主要因为聚丙烯纤维和碳纤维的物理特性不同,尤其是延伸率存在较大差异,碳纤631102021年第1期(52)卷维的高强度和聚丙烯纤维的高韧性,能够有效限制纤维增强混凝土材料内微裂纹的产生,防止毫米级裂纹向厘米级裂缝的进一步扩展;微裂纹的减小可有效减少氯离子在混凝土材料内部的扩散通道,混杂纤维增强混凝土材料的耐久性能得以提高㊂表5 不同纤维增强混凝土材料的抗氯离子渗透系数测定结果T a b l e 5T e s t r e s u l t s o f c h l o r i d e r e s i s t a n c e p e r m e a b i l i -t y co e f f i c i e n t o f d i f f e r e n t f i b e r r e i n f o r c e d c o n -c r e t em a t e r i a l s代号试件高度/mm 氯离子扩散深度/mm 氯离子扩散系数/10-12m 2㊃s-1P F R C -A 50.27.72.50P F R C -B50.07.32.35P F R C -C 49.76.62.01C F R C -A50.08.23.70C F R C -B 50.28.13.50C F R C -C49.87.63.21H F R C -A49.87.92.80H F R C -B49.27.22.26H F R C -C50.16.41.913 结 论(1)力学性能分析表明,混杂纤维增强混凝土材料的抗弯性能明显优于单纤维增强混凝土材料,H F R C -B 样品的抗弯强度最高可达8.4M P a ,优于P F R C -A 和C F R C -B 样品;混杂纤维增强混凝土材料的劈裂抗拉强度明显高于单一聚丙烯纤维和单一碳纤维增强混凝土材料,H F R C -B 样品的劈裂抗拉强度平均值达到3.78M P a ,相比P F R C -A 样品提高了37.96%㊂(2)S E M 分析表明,碳纤维㊁聚丙烯纤维与混凝土基体结合良好,碳纤维的拔出效应以及聚丙烯纤维自身的韧性保证了混杂纤维增强混凝土材料的高强度和高韧性,提升了混杂纤维增强混凝土材料的抗拉强度和抗弯性能㊂(3)界面结构分析可知,聚丙烯纤维增强混凝土界面处的C a /S i 比为3.11,而碳纤维增强混凝土界面处的C a /S i 比为1.49㊂说明聚丙烯纤维增强混凝土界面处的水化反应不好,而碳纤维增强混凝土界面处的水化反应进行良好,界面强度较高㊂(4)耐久性分析可知,混杂纤维增强混凝土材料的耐久性能优于单纤维增强混凝土材料,显示了混杂纤维的正混杂效应㊂这是因为混杂纤维的掺入改善了混凝土的界面特性,碳纤维的高强度和聚丙烯纤维的高韧性,抑制了混凝土内部受力后裂纹的初步萌生及进一步发展,使得混凝土的脆性进一步降低,改善了混凝土的阻裂效应,提高了混凝土材料的耐久性能㊂参考文献:[1] L iY ,S u i CE ,D i n g QJ .S t u d y o n t h e c r a c k i n gpr o c e s so f c e m e n t -b a s e dm a t e r i a l sb y A C i m pe d a n c em e t h o da n du l -t r a s o n i cm e t h o d [J ].J o u r n a l o fN o n d e s t r u c t i v eE v a l u a t i o n,2012,31(3):284-291.[2] A ya t o l l a h iM R ,M i r m o h a mm a d iS A ,S h i r a z iH A.T h e t e n s i o n -s h e a r f r a c t u r eb e h a v i o ro f p o l ym e r i cb o n e c e m e n t m o d i f i e dw i t hh y d r o x y a p a t i t en a n o -pa r t i c l e s [J ].A r c h i v e s o fC i v i l a n d M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n 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n g p i r i y a k i j S.P o s t -c r a c k (o r p o s t -p e a k )f l e x u r a l r e s p o n s ea n dt o u gh n e s so f f i b e r r e i n f o r c e dc o n c r e t ea f t e re x p o s u r e t oh i g ht e m pe r a -t u r e [J ].C o n s t r u c t i o n &B u i l d i n g Ma t e r i a l s ,2010,24(10):1967-1974.[7] K h a l e dM ,E r e n bZ ,B r a h i m Y .C o m p r e s s i o ns p e c i f i c t o u gh n e s s o f n o r m a l s t r e n g t hs t e e l f i b e r r e i n f o r c e dc o n c r e t e (N S S F R C )a n d h i g h s t r e n gt h s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e (H S S F R C )[J ].M a t e r i a l sR e s e a r c h ,2011,14(2):239-247.[8] C o s i cK ,K o r a tL ,D u c m a nV ,e t a l .I n f l u e n c eo f a g g r e ga t e t y p e a n ds i z eo n p r o pe r t i e sof p e r v i o u sc o n c r e t e [J ].C o n -s t r u c t i o n &B u i l d i ng Ma t e r i a l s ,2015,78(1):69-76.[9] K eY ,B e a u c o u rA L ,O r t o l aS ,e t a l .I n f l u e n c eo fv o l u m ef r a c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so f l igh t w ei g h ta g g r e ga t e so n t h em e c h a n i c a l p r o pe r t i e sof c o n c r e t e [J ].C o n s t r u c t i o n &B u i l d i ng M a t e r i a l s ,2009,23(8):2821-2828.[10]F a l l i a n oD ,D eD o m e n i c oD ,R i c c i a r d i G ,e t a l .C o m pr e s s i v e a n d f l e x u r a l s t r e n g t ho f f i b e r -r e i n f o r c e d f o a m e dc o n c r e t e :E f f e c t o f f i b e r c o n t e n t ,c u r i n g c o n d i t i o n sa n dd r y d e n s i t y [J ].C o n s t r u c t i o n &B u i l d i n g Ma t e r i a l s ,2019,198(20):479-493.[11]H o l s c h e m a c h e rK ,M u e l l e rT ,R i b a k o v Y.E f f e c to fs t e e l f i b r e s o n m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fh i g h -s t r e n gt hc o n c r e t e [J ].M a t e r i a l s&D e s i g n ,2010,31(5):2604-2615.[12]J a n g SJ,Y u n H D.C o m b i n e de f f e c t so fs t e e l f i b e ra n d c o a r s ea g g r e g a t e s i z e o n t h e c o m pr e s s i v e a n d f l e x u r a l t o u g h n e s s o f h i g h -s t r e n g t hc o n c r e t e [J ].C o m p o s i t eS t r u c -t u r e s ,2018,185:203-211.[13]L e e JH.I n f l u e n c eo f c o n c r e t e s t r e n gt hc o m b i n e dw i t hf i -b e r c o n t e n t i n t h e r e s i d u a l f l e x u r a l s t r e n gt h s o f f i b e r r e i n -f o r c e d c o n c r e t e [J ].C o m p o s i t eS t r u c t u r e s ,2017,168:216-225.[14]N g u y e nDL ,K i m DJ ,R yuGS ,e t a l .S i z e e f f e c t o n f l e x u r -a lb e h a v i o ro fu l t r a -h i g h -p e r f o r m a n c e h y b r i df i b e r -r e i n -f o r c e d c o n c r e t e [J ].C o m po s i t e s ,2013,45(1):1104-1116.73110周美容等:混杂纤维增强混凝土材料的力学性能和耐久性能研究[15]L u oH L,Y a n g D Y,Z h o uX Y,e t a l.M e c h a n i c a l p r o p e r-t i e s o f p o l y p r o p y l e n e f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t ew i t hd i f f e r-e n t a s p e c tr a t i o s[J].A c t a M a t e r i a eC o m p o s i t a eS i n i c a,2019,36(8):1935-1948(i n c h i n e s e).罗洪林,杨鼎宜,周兴宇,等.不同长径比聚丙烯纤维增强混凝土的力学特性[J].复合材料学报,2019,36(8):1935-1948.[16]L e eJ H,C h oB,C h o iE.F l e x u r a l c a p a c i t y o f f i b e rr e i n-f o r c e dc o n c r e t ew i t hac o n s i d e r a t i o no f c o n c r e t es t r e ng t ha n d f ib e rc o n t e n t[J].C o n s t r u c t i o n a n dB u i ld i n g M a te r i a l s,2017,138:222-231.[17]M y e r sD,K a n g T H K,R a m s e y e rC.E a r l y-a g e p r o p e r t i e so f p o l y m e rf i b e r-r e i n f o r c e d c o n c r e t e[J].S e i k e i K a k o u, 2008,1(2):181-189.[18]K i z i l k a n a t A B.E x p e r i m e n t a le v a l u a t i o n o f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n d f r a c t u r e b e h a v i o r o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e dh i g h s t r e n g t h c o n c r e t e[J].P e r i o d i c aP o l y t e c h n i c aC i v i l E n-g i n e e r i n g,2016,60(2):289-296.[19]W e i m i nS,J i a n Y.H y b r i de f f e c te v a l u a t i o no fs t e e l f i b e ra n d c a rb o n f i b e r o 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钢纤维混凝土抗侵彻与贯穿特性的实验研究第28卷第2期2OO8年3月爆炸与冲击EXPLOSIONANDSHOCKWA VESV o1.28,No.2Mar.,2OO8文章编号:1001-1455(2008)02—0178—08钢纤维混凝土抗侵彻与贯穿特性的实验研究纪)中,龙源,万文乾,邵鲁中(1.解放军理工大学工程兵工程学院,江苏南京210007;2.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京100081)摘要:为考察素混凝土及钢纤维混凝土(钢纤维为平直型与端钩型,体积分数0.01～O.O5)抗侵彻贯穿特性,采用12.7mm弹道炮一测速靶系统开展了初速297～848m/s的弹道冲击实验,获得了弹丸着靶速度及对应的最大侵彻深度,弹坑直径,靶体(板)破坏形态等实验参数,并利用高速摄影系统记录了靶体(板)的动态破坏过程.实验结果的对比表明,靶板的抗侵彻贯穿性能和破坏模式与钢纤维类型及含量密切相关.当钢纤维体积分数为0.05时,端钩型钢纤维混凝土的侵彻深度与相同强度等级素混凝土相比降低约52,且贯穿破坏后靶板碎片的数量及飞散角度大幅降低,显示了高含量异型钢纤维混凝土在抗侵彻贯穿方面的适用性.关键词:爆炸力学;抗侵彻;弹道实验;钢纤维混凝土;贯穿;异型钢纤维中图分类号:0389;TB33国标学科代码:130?35文献标志码:Al引言作为一种工程材料,混凝土在水利,交通,国防,海洋等工程领域应用广泛.但是,混凝土材料拉压强度比值小,延性差,在拉应力或冲击荷载作用下易发生脆性破坏等,很大程度上影响和阻碍了其进一步应用.同时精确制导武器在战争中的大量应用及钻地武器性能的迅速发展,对防护工程的威胁越来越严重.如何提高混凝土材料的抗冲击侵彻能力,是防护工程领域中今后重点研究的方向.德国的Maestas针对毛石混凝土,挪威的ngberg等瞳]针对活性粉末混凝土,施鹏等口]针对块石混凝土,M.H.Zhang等[4针对不同配合比高强混凝土的抗侵彻,爆炸性能进行了大量的实验研究.以上方法都能不同程度地提高混凝土抗弹丸的冲击能力,但都存在施工难度较大,延性差,易破裂等缺点,尚不理想.为了从根本上改善混凝土材料在抗拉,阻裂和延性等方面的不足,在混凝土中掺人钢纤维材料是一种十分有效的方法.在研究低速拉力,静力受压和弯曲荷载下钢纤维混凝土的基本力学性能方面,国内外学者已经做了不少工作[5书],取得的数据较系统,完整,认识较明确.但混凝土在冲击载荷下的性能并未得到足够的重视,尤其是抗冲击侵彻性能研究相对薄弱.本文中利用j2『12.7mm弹道炮一测速靶系统,对素混凝土以及不同含量,不同类型的钢纤维混凝土靶板进行了侵彻与贯穿模型实验研究,试图为钢纤维混凝土在实际工程中的应用及对遮弹层进行抗侵彻机理的研究奠定基础.2实验设计2.1弹丸实验弹丸直径12.7mm,长63mm,平均质量47.9g;弹丸内部有硬质钢芯,卵形头部,钢芯直径10.1mm,长49mm,平均质量30g,如图l所示.弹丸钢芯材料为35GrMnSiA,密度7.85g/cm.,抗拉强度1.62GPa,屈服应力1.275GPa,硬度HB=图1弹丸钢芯Fig.1Projectilecore*收稿日期:2006—09—18;修回日期:2007—02—06基金项目:北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室开放基金项目(KHJ03—5)作者简介:纪冲(1981一),男,博士.第2期纪冲等:钢纤维混凝土抗侵彻与贯穿特性的实验研究179 241(GB/T231.1—2002),伸长率一O.09,断面收缩率:0.40.考虑弹丸着靶速度的影响,实验中弹速范围为297～848m/s.2.2靶板为了突出钢纤维含量及类型对SFRC材料抗侵彻与贯穿性能的影响,制作了基准混凝土强度为55.0MPa,钢纤维(平直型与端钩型)体积分数分别为0,0.01,0.03,0.05的靶板进行弹道实验.其中素混凝土靶板5块,编号为C-I~C一5;平直型(SW一1)钢纤维混凝土靶板8块,编号为SF一1～SF一8;端钩型(SW一4)钢纤维混凝土靶板8块,编号为WSF-1～WSF一8.用于侵彻实验的靶体尺寸为500mm×500mmX300mm,用于贯穿实验的靶板尺寸为500mm×500mm×8Omm.各靶板模型制作及养护均按照国家标准进行.实验中使用的两种钢纤维外形及基本性能参数如图2,表1所示.(a)Flat-straighttypesteelfiber(SW-1)(b)Hook-liketypesteelfiber(SW-4) 图2实验中使用的钢纤维Fig.2Photographofsteelfiberusedinexperiment表1钢纤维基本性能参数Table1Propertiesofsteelfiber靶体(板)采用的主要原材料如下:水泥为南京江南水泥厂生产的525普通硅酸盐水泥;细骨料为洁净普通河砂,细度模数为 2.7,自然级配;粗骨料采用平均粒径为3mm的石灰岩碎石;钢纤维为江苏省武进市东南新型建筑材料厂生产的平直型(SW-1)与端钩型钢纤维(SW-4);掺合料采用南京热电厂出产的超细粉煤灰;外加剂为南京建科院生产JM-B型减水剂.各类靶板基准混凝土配合比相同.2.3实验装置弹丸发射装置采用12.7mm弹道炮,通过改变火药用量调整弹丸初始速度,弹丸垂直入射靶体.利用锡箔靶和NLG202G-2型电子测时仪(计时精度1Os)测定弹丸着靶速度,使用高速摄影系统记录靶体(板)受冲击时的动态破坏过程.炮靶相距16.0In,炮与第一测速靶相距7.80In,两测速靶相距5.50In.实验靶板垂直固定在靶架上,承弹面迎向弹丸入射方向.实验现场布置情况如图3所示.Highspeedcameral2.7mmgunbarrel…Triggervelocitymeasurement图3实验布置示意图Fig.3Schematicgraphoftheexperimentalset—up Projectilecollector…118O爆炸与冲击第28卷3实验结果及分析3.1实验结果侵彻实验弹丸速度在56I~848m/s范围内,实验结果如表2所示. 为弹丸的着靶速度,H为靶体的侵彻深度,D为靶面弹坑平均直径. 贯穿实验弹丸速度在297～626m/s范围内,实验结果如表2所示. 直径,D为靶板背面弹坑平均直径.其中为钢纤维体积含量,其中:D为靶板正面弹坑平均表2侵彻和贯穿实验结果Table2Resultsofthepenetrationandperforationexperiments侵彻实验结果贯穿实验结果靶号纤维类型f/(m/s)H/cmD/cm靶号纤维类型仇/(m/s)D1/cmD2/cm C-1—071917.624.0C一3045619.O26.0C一2—054912.222.0C_4053717.729,5SF-I平直0,0172312.512.5C_5029713.0SF-3平直0,035618,111.0SF-2平直0,0151213,319.5SF-4平直0,0382813,112,8SF-5平直0.03525i0.0i0.7SF-7平直0.057068.312.1SF-6平直0.034179.113.0WSF_1端钩0,0184815.014.5SF-8平直0.055167.59.5WSF_2端钩0.0384412.912.0WSF_5端钩0.035429,7i0,5wSF_3端钩0,0384811.814.0WSF_6端钩0.0362610.811.7WSF_4端钩0,035698.212.6WSF_8端钩0.055278.08.7wSF_7端钩0.058409,310.0注:由于弹丸速度较低,C_5靶板未发生贯穿,侵彻深度为5.5cm,背面有微细裂纹.3.2靶板破坏特征及分析3.2.1侵彻破坏特征及分析典型的侵彻实验靶体破坏状况如图4所示.(a)C-1(b)SF-1(c)WSF?l(d)SF-7■一■簟一图4典型侵彻实验试件破坏情况Fig,4Photographsoftypicalpenetrationexperiments靶体C-1与SF一1,SF一7的入射速度相近,与SF-4,WSF一1～WSF-3,WSF-7入射速度相差大于100m/s,而素混凝土与钢纤维混凝土受侵彻破坏程度却有明显的差别:C-1素混凝土靶体表现为典型的脆性破坏,有5条较大的裂缝呈辐射状从着靶点扩展到靶体边缘并贯穿至背部,从而失去承载能力,且靶体正面弹坑面积较大(图4(a));相比较而言,平直型或端钩型钢纤维混凝土靶体均保持了背部的完整性,没有任何裂纹.钢纤维混凝土靶体正面的破坏区域较小,局限于着靶点较近的圆形区域内,并第2期纪冲等:钢纤维混凝土抗侵彻与贯穿特性的实验研究181且只是在钢纤维含量较低时有少而细的裂纹由靶体正面着靶点向外扩散(图4(b)～(e)).实验宏观现象说明钢纤维混凝土在承受弹丸冲击时可有效地阻止防护结构的开裂,具有良好的抗冲击剥落成坑性能(其中一0.05的端钩型钢纤维混凝土性能最优越),这对实际工程(如机场跑道)中遭受钻地武器打击后的抢修是非常有利的.实验发现,弹丸高速碰撞混凝土类靶体后在弹着点附近产生高应力区,该处靶体材料出现粉碎性破坏,并因高速碰撞发出巨大火光.因弹丸高速挤入介质而产生的剪切,挤压作用以及靶体的自由面效应,靶表面破碎的混凝土材料介质颗粒剥离而向反向(初期因温度较高仍呈现火光)喷射,这种喷射现象在所拍摄到的高速摄影照片上可以清楚地观测到(见图5),并产生一个漏斗状的弹坑(见图4).在离靶(a)C—l图5侵彻过程高速摄影照片Fig.5High—speedrecordingphotographsofpenetratingprocess182爆炸与冲击第28卷体不远的地面上,发现一些质量不等,大小不一和形状不同的混凝土材料碎片,这些碎片显然来自于原弹坑位置处的混凝土材料.从高速摄影照片上可以看出,由于钢纤维混凝土的抗压,抗剪等性能显着提高[4],在相近弹丸速度冲击下,钢纤维混凝土碎片反向喷射范围较素混凝土小,且随钢纤维含量增大更趋明显.随着弹丸在靶中的继续挤入,将在靶中产生一定深度的弹坑,该弹坑形状为圆柱形直孔,其直径略大于弹丸口径.在与弹丸外表面毗邻的较窄的(1～2个弹径范围)区域中,由于弹丸的摩擦作用以及自由面反射的作用,形成了粉碎区.其中素混凝土靶体(图4(a))粉碎区颜色趋白(尤以其中的卵石显着),而各钢纤维混凝土靶体粉碎区内清晰可见拉拔断裂,剪切破坏的钢纤维.粉碎区以外一定范围内的材料经历很大的剪切变形,在介质内产生大量的微裂纹,这些微裂纹相互贯通形成了一定数量的宏观裂隙.经靶体解剖观测,从着靶面至弹丸头尖部停止的稍前处,素混凝土靶中存在明显径向裂纹,靶体易碎分裂成瓣状;由于钢纤维混凝土韧性大幅提高,靶体结构相对完整,裂纹较少.其中仇一0.05的端钩型(SW-4)钢纤维混凝土增韧效果尤为明显.M.J.Forrestal等..,S.Satapathy[利用动态空腔膨胀理论分析了混凝土,陶瓷等材料靶体的侵彻问题,由里向外将靶介质依次分为空腔(隧道)区,粉碎区,径向裂纹区,弹性区,未变形区.素混凝土及钢纤维混凝土靶体实验后破坏状况均表现出与文献E9—1o-I的理论分区相符的特征.3.2.2贯穿破坏特征及分析典型的贯穿实验靶板破坏状况如图6所示.(a)FrontfaceofC4(b)BackfaceofC-4(c)FrontfaceofSF-2(d)BackfaceofSF -2(e)FrontfaceofWSF-5(t3BackfaceofWSF-5(g)FrontfaceofWSF-8(h)Bac kfaceofWSF-8图6典型贯穿买验靶板破坏状况Fig.6Photographsofdamagedtargetsforthetypicalperforationexperiment 由实验宏观破坏现象可以看出,靶板迎弹面弹坑直径小于背面震塌坑直径,这主要是由于两个漏斗坑的形成机理不同造成的:迎弹面弹坑主要是材料的压缩和剪切破坏造成的,而背面震塌坑主要是靶板中的冲击压缩波反射形成拉伸波造成材料拉伸破坏形成的.X.W.Chen等口妇利用剪切冲塞模型,采用正截锥形或斜截锥形近似后坑对正/斜贯穿进行了分析;Q.M.Li等[1.]利用Mohr圆的概念,分析得到正贯穿时后坑的半锥角,有45.<73.3.;龙源等基于双剪应力三参数混凝土材料强度准则,分析得到贯穿时后坑的半锥角由下式确定第2期纪冲等:钢纤维混凝土抗侵彻与贯穿特性的实验研究183一arctan()㈣式中:一.厂c/f,,,f分别为混凝土材料的单轴抗压强度和单轴抗拉强度.对于常规混凝土可取—l0,此时一61.6..本次贯穿实验中素混凝土靶板背面震塌坑取平均值≈65.,证实了相关理论工作的正确性;钢纤维混凝土靶板则存在49.<0<62.(一0.05的端钩型钢纤维混凝土为49.).由于素混凝土存在抗拉性能弱(值较大),断裂韧性不高等缺陷,受弹丸贯穿破坏后产生的碎片具有较高的速度和较大的飞散范围,具有很大的杀伤和破坏威力,对结构内的人员和设备构成严重威胁;而钢纤维混凝土与抗拉特性相关的一系列力学特性得到提高(值较小),使碎片数量及飞散角度大幅减小,从而降低了这种威胁.由(1)式可以看出,贯穿时后坑的半锥角是由靶板材料的单轴抗压强度与单轴抗拉强度之比决定的,不取决于弹丸的着靶速度.而从实验数据可以看出对于同种材料,弹坑直径随弹丸速度提高而增大.另外一个重要现象是素混凝土靶板与钢纤维混凝土靶板的贯穿破坏形态有很大差别:钢纤维混凝土靶板正面压缩漏斗坑与背面震塌漏斗坑之间由侵彻孔互相贯通,侵彻孔洞保持一定长度(见图6(c)～(h)),这种破坏形式可以称为侵彻贯穿现象(见图7(a));而素混凝土靶板正面压缩漏斗坑与背面震塌漏斗坑直接相连,不再出现纯粹的侵彻孔(见图6(a),(b)).这时,贯穿靶板的破坏孔洞直径比弹丸直径要大得多,这种破坏形式可以称为冲击贯穿现象(见图7(b)).由实验宏观破坏现象可知,由于混凝土材料力学性能的差异,在相近速度弹丸冲击作用下,导致了不同的贯穿破坏形态类型.钢纤维混凝土材料优异的力学性能有益于保持贯穿破坏后的整体性[1引.(a)Penetrationperforation(b)Impactperforation图7靶板的破坏形态Fig.7Damagedshapesoftargets3.3侵彻深度的比较1912年,俄国科学家在得涅波河口的~)epe3aH%岛上用76mm加农炮,152mm和280mm榴弹炮,对混凝土,钢筋混凝土进行了侵彻实验,以此为基础建立起Bepe3aH~公式.后来我国引入该公式时也进行了大量的实弹射击实验验证,并进行了部分修正,成为目前我国防护工程设计规范中使用的公式司H一.KqvoCOSfa1(2)口\厶,式中:H为侵彻深度,M为弹丸质量,d为弹丸直径,为弹形系数,.为弹径系数,K为靶体材料介质侵彻系数,为弹丸速度,a为命中角,为侵彻偏转系数.由(2)式可以看出,侵彻深度与介质侵彻系数成正比.根据文献[15],对于本文中的实验弹丸,取一1.45,2—0.78,M一0.03kg,一1.02cm,口一0..将上述参数值和表1中的实验数据代人(2)式,可得到混凝土材料介质侵彻系数的比较情况,如图8所示.从图8可以看出,素混凝土介质侵彻系数K一0.702mm.?s/kg最大,而一0.05的钢纤维混凝土(sw一4类型)介质侵彻系数Kqz=0.339mm.?s/kg最小.K.只有K的48.3,表明相同侵彻条件下一0.05的端钩型钢纤维混凝土(sw一4类型)的侵彻深度只有相同基体混凝土预测值的约1/2.高含量钢纤维掺人混凝土中提高了材料的强度和韧性,使得弹丸侵彻过程中耗费的动能增大,因而缩短了侵彻路径.实验证明高含量,端钩型钢纤维混凝土具有优良的抗侵彻特性.184爆炸与冲击第28卷4结论O.8O.70.6O.5O.4O.3O.2O.1Ol234567图8材料介质侵彻系数Fig.8Penetrationcoefficient通过对实验数据及靶板宏观破坏形态的分析可以看出:由于钢纤维混凝土高韧性,高阻裂的特性,从根本上改变了普通混凝土的脆性特征,对于弹丸的侵彻冲击动载产生了较强的抵抗能力,具有优良的抗侵彻与贯穿特性.且由于钢纤维外形的差异导致材料增强与增韧效果不同,使得端钩型(异型)钢纤维混凝土的综合抗冲击能力优于平直型钢纤维混凝土.由于侵彻深度小,裂缝少而浅,且贯穿破坏后的整体性保持较好,可以有效地保障工事结构的安全.以高含量,异型钢纤维混凝土代替普通混凝土作抗常规武器的遮弹层,其抗侵彻,贯穿能力将有很大的提高,防护性能将显着地改善.初步的实验已足以说明,钢纤维混凝土是一种应用前景十分广阔的新型材料.参考文献:E1]周丰峻.国际常规武器效应与结构相互作用会议专题报告[R].洛阳:总参工程兵科研三所,1997.[23LangbergH,MarkesetG.Highperformanceconcrete-penetrationresista 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[33[4][53[6][73[83[9][1O]施鹏.常规弹体对混凝土侵彻的试验研究和数值模拟[D].南京:解放军理工大学,2002..ZhangMH,ShimVPW,LuG,eta1.Resistanceofhigh-strengthconcretetopro jectileimpactEJ].InternationalJournalofImpactEngineering,2005.31(7):825—841.Dong-IIChang,Won-KyuChai.Flexuralfractureandfatiguebehaviorofstee l-fiber-reinforcedconcretestructures[J].NuclearEngineeringandDesign,1995,156(1):201-207. KhaledMarar,Ozg~rEren,Tahir~elik.Relationshipbetweenimpactenergya ndcompressiontoughnessenergyofbigh-strengthfiber-reinforcedconcrete[J].MaterialsLetters,2001,47(4):29 7—304.SongPS,WangSH.Mechanicalpropertiesofhigh-strengthsteelfiber—reinforcedconcrete?[J].ConstructionandBuildingMaterials,2004,18(9):669—673.邓宗才.钢纤维混凝土疲劳断裂与损伤特性的试验研究[J].土木工程,2003,36(2):20—25.DENGZong-cai.Experimentalstudyonfatiguefractureanddamagebehavio rofsteelfibrereinforcedconcrete[J]. 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