钢纤维活性粉末混凝土的动态力学性能

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1、第３１卷第５期爆炸与冲击Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．５２０１１年９月ＥＸＰＬＯＳＩＯＮＡＮＤＳＨＯＣＫＷＡＶＥＳＳｅｐｔ．，２０１１文章编号：１００１－１４５５（２０１１）０５－０５４０－０８＊钢纤维活性粉末混凝土的动态力学性能任兴涛１，２，周听清１，钟方平２，胡永乐２，王万鹏２（１．中国科学技术大学近代力学系，安徽合肥２３００２６；２．西北核技术研究所，陕西西安７１００２４）摘要：利用７４ｍｍＳＨＰＢ实验装置对钢纤维活性粉末混凝土（ＲＰＣ）进行动态压缩实验和动态劈裂拉伸实验。获得了钢纤维ＲＰＣ在１～１０２－

2、１应变率加载下的动态力学参数。对试件内的动态应力分布进行数ｓ值模拟，验证了动态实验的有效性。结果表明，钢纤维ＲＰＣ的动态压缩和动态劈裂拉伸的力学性能均表现出显著的应变率效应。随着应变率的增加，钢纤维ＲＰＣ冲击压缩破坏应力、冲击压缩破坏应变、弹性模量、动态劈裂拉伸破坏应力均有一定程度的增加，动态拉压比相对静态拉压比也有显著的提高。关键词：固体力学；应变率效应；ＳＨＰＢ；活性粉末混凝土；动态压缩；动态劈裂中图分类号：Ｏ３４７；ＴＵ４３５国标学科代码：１３０·１５文献标志码：Ａ［１］活性粉末混凝土（ｒｅａｃｔ

3、ｉｖｅｐｏｗｄｅｒｃｏｎｃｒｅｔｅ，ＲＰＣ）是Ｐ．Ｒｉｃｈａｒｄ等研制的一种具有超高强度、高韧性、高耐久性的水泥基复合材料，因组分的细度和反应活性的增加而得名。ＲＰＣ材料在建筑结构、石［２］油工业、核废料隔离与控制以及防爆结构等诸多领域展现出广阔的应用前景。ＲＰＣ材料在工程应用中，除了承受准静态荷载，往往还要承受撞击、爆炸、侵彻等动态荷载。因此对ＲＰＣ材料的动态力学性能的研究是工程应用的关键，具有重要的理论意义和实用价值。分离式霍布金森压杆（ｓｐｌｉｔＨｏｐｋｉｎｓｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｂａｒ，ＳＨＰＢ）

4、是研究材料动态力学性能的重要工具。为开展基于ＳＨＰＢ对混凝土动态力学性能的研究，一些国家国家已先后建立起了５１ｍｍ、［３］７６ｍｍ、１００ｍｍ和２００×２００束型等ＳＨＰＢ装置。Ｊ．Ｗ．Ｔｅｄｅｓｃｏ等利用５１ｍｍＳＨＰＢ装置对［４－５］混凝土进行动态实验，认为混凝土是应变率敏感材料，而且应变率有临界值。胡时胜等利用自行研发的变截面７４ｍｍＳＨＰＢ装置对混凝土动态力学性能进行实验，认为混凝土是应变率敏感材料，高应变率下的敏感性远大于低应变率（准静态实验）的敏感性，并且混凝土材料在冲击加载条件下

5、的损伤［６－７］软化效应十分明显，讨论了混凝土材料的损伤演化过程，给出了损伤演化方程。黄政宇等利用ＳＨＰＢ装置分别对有约束和无约束的素活性粉末混凝土、掺聚丙烯纤维和钢纤维的活性粉末混凝土在静载和不同动载速率下进行实验，得到不同应变率下试件的动态压缩强度、动力增长系数及应力－应变曲线。又研究了直径为７０ｍｍ的圆柱体试件的动态拉伸性能，得到了不同应变率下的混凝土劈裂拉伸强度和拉伸应力－时间曲线，总结了级配钢纤维活性粉末混凝土的应变率效应以及影响钢纤维混凝土动［８］态拉伸性能的因素。赖建中等采用ＳＨＰＢ装置对

6、不同纤维掺量的ＲＰＣ材料进行了层裂性能实验。研究得出了入射波强度和冲击次数对层裂过程中应力波传播的影响规律。结果表明，随着入射波强度的增加和冲击次数的提高，材料的拉伸损伤逐渐增加，反射拉伸波的强度逐渐降低。ＲＰＣ材料层裂强［９］度和破坏形态具有明显的应变率效应，层裂强度和破坏程度随着应变率的提高而增加。杨少伟等利用ＳＨＰＢ装置对常温以及经历４００℃和８００℃高温的ＲＰＣ进行了单轴冲击压缩实验。结果表明，经历４００℃和８００℃高温后，ＲＰＣ材料的动态峰值应力和弹性模量均有较大程度的降低。本文中利用７４ｍ

7、ｍ变截面大直径ＳＨＰＢ实验装置对钢纤维ＲＰＣ进行动态压缩实验和动态劈裂拉伸实验，得到了钢纤维ＲＰＣ在不同应变率加载时的动态力学性能参数和变化规律。＊收稿日期：２０１０－０７－０９；修回日期：２０１０－０９－２９作者简介：任兴涛（１９８０—），男，硕士，工程师。第５期任兴涛等：钢纤维活性粉末混凝土的动态力学性能５４１１材料制备１．１原材料钢纤维ＲＰＣ的原材料：（１）自来水。（２）水泥，５２．５级硅酸盐水泥。（３）石英砂，粒径范围为０．２３～０．４５ｍｍ，ＳｉＯ２含量不小于９９．０％。（４）石英粉，粒径范围

8、０．０３～０．０８ｍｍ，ＳｉＯ２含量不小于９９．０％，密度为２．６３ｇ／ｃｍ３。（５）硅灰，ＳｉＯ含量大于９０％，平均粒径为约０．１μｍ，比表面积１８．６ｍ２／ｇ，密度为２．２３。（６）高效减水剂，聚羧酸高性能减水剂含固量２０％，减水率在２５％以上。（７）钢纤维，平直型３０ｇ／ｃｍ镀铜钢纤维，直径为０．２ｍｍ，长度为１３．０ｍｍ，抗拉强度不低于２０００ＭＰａ。１．２配合比设计采用正交实验方法确定钢纤维ＲＰＣ配合比。表１钢纤维ＲＰＣ的配合比根