UHMWPE纤维混凝土动态压缩力学性能研究

UHMWPE纤维混凝土动态压缩力学性能研究张玉武;晏麓晖;李凌锋【摘要】试验研究了一种捻制超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维增强的新型纤维混凝土动态压缩力学性能.研制了4种纤维体积掺量(0.3％、0.5％、0.7％、1.0％)的C70等级纤维混凝土,采用Φ100 mm分离式霍普金森压杆进行冲击压缩试验,研究了纤维混凝土在140～255 s-1应变率下的动态压缩力学性能.试验结果表明:UHMWPE纤维混凝土抗压强度、峰值应变和弹性模量具有明显的应变率敏感性;纤维混凝土抗压强度应变率敏感性弱于素混凝土,但其弹性模量应变率敏感性强于素混凝土;动态强度增长因子与应变率对数呈线性关系,具体关系与纤维掺量相关.%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-1 with 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.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2017(036)008【总页数】5页(P92-96)【关键词】UHMWPE;纤维混凝土;动态压缩性能;动态强度;试验【作者】张玉武;晏麓晖;李凌锋【作者单位】国防科技大学指挥军官基础教育学院,长沙410072;诺丁汉大学工程学院,诺丁汉NG7 2RD;国防科技大学指挥军官基础教育学院,长沙410072;国防科技大学指挥军官基础教育学院,长沙410072【正文语种】中文【中图分类】TU528.572纤维混凝土(FRC)是以水泥、水、砂、石等成分组成的素混凝土为基体，掺入乱向分布短纤维作为增强体而形成的复合材料[1]。

学者对各类纤维(如玻璃纤维[2]、聚丙烯纤维[3]和钢纤维[4]等)增强混凝土的力学性能进行了广泛研究。

研究表明，纤维混凝土较普通混凝土具有更优异的抗拉、阻裂特性和韧性，且性能的改善与纤维的强度、模量、在基体中的均匀分散性及其纤维和基体的界面特性密切相关，其中纤维自身的性能最为重要[5]。

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是一种高强度、高模量、低密度、抗冲击性能优良的柔性防弹纤维，掺加于不含粗骨料的水泥净浆或砂浆中，复合材料的抗拉增强和增韧性能优良[6]。

目前，仅朱林[7]研究了含有粗骨料UHMWPE纤维混凝土的静态力学性能和抗侵彻性能，发现UHMWPE纤维混凝土性能优于同纤维掺量的钢纤维和聚丙烯纤维混凝土。

随着地震、飓风等自然灾害以及高速撞击和爆炸恐怖袭击等威胁的增加，现代混凝土工程设施不仅要考虑常规荷载，还需考虑偶然强冲击作用。

近年来，高应变率下混凝土动态力学性能受到了越来越多关注。

不同强度混凝土动态性能研究表明[8]，混凝土的抗拉强度和抗压强度随应变率增加而提高，纤维混凝土也表现了同样的应变率效应，但还未见关于UHMWPE纤维混凝动态力学性能的研究报道。

本文在文献[7]基础上，研究了捻制UHMWPE纤维增强混凝土的动态压缩力学性能。

基于C70强度等级混凝土，研制了4种纤维体积掺量纤维混凝土，利用Φ100 mm分离式Hopkinson压杆(SHPB)，考虑四种加载应变率进行冲击试验，结合高速相机获得了动态压缩性能和破坏过程，研究了纤维掺量和应变率对纤维混凝土动态强度增长因子(DIF)、峰值应变和弹性模量的影响变化规律。

1.1 原材料及配合比设计原材料：纤维为湖南中泰特种装备有限责任公司生产的ZTX99-400D加捻UHMWPE纤维(每束由400根单丝捻制而成)，单束纤维具体物化性能指标见表1；杭州南方42.5R级普通硅酸盐水泥；粒径5～10 mm连续级配碎石；细度模数2.5，表观密度2.68 g/cm3的湘江中等河砂；湖南博赛特建材公司生产的微硅灰(SiO2含量不低于95%，粒径0.1～0.3 m)；湖南金华达建材公司早强高效萘系减水剂，减水率26.5%；普通自来水。

按照C70等级高强混凝土设计制备素混凝土和体积掺量分别为0.3%、0.5%、0.7%、1.0%4种UHMWPE纤维混凝土。

基体混凝土配合比设计参数为：水胶比0.326，砂率40%，高效减水剂掺量1.6%，微硅灰9.5%，具体配合比参数见表2。

四种纤维混凝土的纤维掺量分别为0 kg/m3、2.91 kg/m3、4.85 kg/m3、6.79 kg/m3、9.70 kg/m3。

1.2 试件制备为避免纤维缠绕、结团导致混凝土内部形成大缺陷，参考文献[6,9]，通过试制研究，确定试验纤维混凝土制备流程为：①水泥、砂、石、微硅灰干拌120 s；②掺入UHMWPE纤维干拌，纤维小股分散投入，边掺加边搅拌，全部掺入后再搅拌120 s；③加入混合均匀的水和减水剂搅拌180 s；④卸料。

混凝土搅拌卸料后直接装模，经振动台振动密实，抹平成型面，24 h后拆模，放入温度为20±2 ℃、相对湿度超过95%的标准养护室中养护28 d。

依据SHPB装置杆件直径Φ100 mm及试验要求[10]，试件经浇筑、养护、打磨为直径92 mm，高46 mm的短圆柱体，两端面不平整度≤0.2 mm。

按照5种纤维掺量(包括0%掺量素混凝土)和5种应变率(包括准静压试验)分组，共25组，每组4个试件，其中3个用于试验，1个为备用，以防止试验较大的离散性造成的有效数据不足。

1.3 试验方法短圆柱体准静态压缩试验采用INSTRON1346电液伺服万能试验机完成，试验先以0.8 MPa/s速率加载，接近峰值应力时切换为1.0 mm/min的位移加载模式，获得完整的应力-应变全曲线。

动态压缩试验采用湖南大学Φ100 mmSHPB进行，撞击子弹长1.5 m，输入杆长6.0 m，输出杆长4.0 m，杆件材料为弹簧钢，杨氏模量为210 GPa，弹性波波速为5 122 m/s。

采用Photron FASTCAM SA5型高速摄像机对试件破坏过程图像进行采集，拍摄速度为30 000帧/s，数据记录方式为自动触发控制。

试件四周用有机玻璃罩保护，以避免碎块崩溅对人员和设备造成伤害。

2.1 试验结果图1、图2分别为=175 s-1时，素混凝土和纤维掺量为1.0%的混凝土试样在五个不同时刻的破坏过程图像；图3给出的是=175 s-1试验后，回收的5种纤维混凝土试样照片；图4～图8为5种纤维混凝土不同应变率下的应力应变关系；表3给出了不同应变率下纤维混凝土短柱压缩强度fc和压缩强度对应的峰值应变εm。

上述图、表编号HUx-y中，x=0、3、5、7、10分别表示纤维掺量为0、0.3%、0.5%、0.7%、1.0%的混凝土试样，y=0、1、2、3、4分别表示=10-3 s-1、140 s-1、175 s-1、200 s-1、255 s-1的试验状态。

2.2 破坏特征分析分析纤维掺量对破坏特征的影响，需控制应变率相同。

以应变率为=175 s-1为例，可以看到，在相同应变率下，素混凝土和纤维混凝土具有相似的破坏模式和破坏过程(图1、图2)：在初始加载时刻，试件表面随机萌生纵向裂纹，随后裂纹逐渐增长增宽，试件压缩变短，最后试件因侧向膨胀作用周边材料失去粘结力并飞溅。

然而，相比素混凝土，纤维混凝土试件在冲击过程中裂纹少而细，且扩展速度慢；破碎时，碎块粉碎程度低、飞散速度慢、崩溅范围小。

在相同应变率下(图3)，素混凝土破坏最为严重，随着纤维掺量的增加，破坏程度逐渐降低，残留的较大块体数量逐渐增多。

据此可知，纤维很好地发挥了桥接作用，具有明显的阻裂增强效果。

2.3 动态压缩强度分析由于柔性纤维本身不具备抗压能力，且纤维的掺入增加了结合界面，一定程度增加了混凝土的内部缺陷，这种缺陷的大小和分布主要取决于纤维的分散均匀性，纤维掺量效应相对较弱，所以，虽然纤维能很好增强混凝土的开阻裂能力，但二者交互影响，使得纤维混凝土的准静态压缩强度=10-3 s-1)随纤维掺量的增加没有明显改善，而是或高或低于素混凝土，但总体变化在6%以内。

与素混凝土一样，UHMWPE纤维混凝土压缩强度具有明显的应变率效应，随应变率的增加压缩强度增大(图4～图8和表3)。

定义动态强度增长因子(DIF)式中:fcd为动态压缩强度;fc为准静态压缩强度。

动态强度增长因子随应变率变化关系如图9所示。

显然，同纤维掺量混凝土的DIF 随应变率对数呈线性增加规律，即DIF可表示为式中:a,b为材料常数，与纤维掺量有关，具体见表4。

分析图9和表3、表4发现，静态强度较低者(如HU0)随应变率增加提高越快，斜率越大，强度较高者(如HU3)，提高较缓，即斜率较小；但也与纤维掺量有关，当掺量较大时(如HU10)，DIF增长斜率减小，表明较高的纤维掺量可能会降低抗压强度的应变率敏感性。