鋼纖維三維編織增強混凝土(3D-BSFC)的靜動態(tài)力學性能的試驗研究與數(shù)值模擬.pdf

1、混凝土是目前應用最廣泛的工程材料，存在抗拉強度低、韌性差等固有弱點，改進的主要方法是摻加鋼纖維，已有研究證明，混凝土的強度等級越高、鋼纖維的摻量越大，纖維的長徑比越大，在基體中的分布越均勻，鋼纖維增強混凝土的強度也越高，其抗沖擊、抗侵徹、抗爆炸和抗震塌能力越強。本文嘗試將三維編織技術(shù)和SFRC相結(jié)合，開發(fā)三維編織鋼纖維增強混凝土(3-Dbraided steel fiber reinforced concrete，簡寫為3D-BSFC)

2、，提高混凝土中鋼纖維的含量，控制鋼纖維的分布和取向，形成3-D鋼纖維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮鋼纖維在混凝土中的增強增韌效能，得到性能優(yōu)越的3D-BSFC，為防護工程提供了一種新的優(yōu)質(zhì)混凝土工程材料。本文取得的主要研究成果如下：
　　 1、首先采用分層鋪放－澆注工藝及鋼纖維三維骨架編織-澆注工藝方法，成功制備出鋼纖維體積率Vf為5％、10%的三維正交3D-BSFC材料，以及相應Vf的二維正交2D-BSFC材料，其砂漿體積填充率達到100

3、%。
　　 2、采用微機控制電液伺服萬能試驗機對3D-BSFC試件進行了2種低應變率(10.4s-1和10-2S-1)下的準靜態(tài)單軸壓縮試驗，獲得了應力-應變?nèi)€，研究了其強度、壓縮韌性以及彈性模量等基本力學特性，探討了鋼纖維摻量和應變率對其基本力學性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，高摻量3-D正交鋼纖維對混凝土的強度可提高3倍以上，同時改善其變形能力，使韌性增強3.87倍；在較低應變率狀態(tài)下，強度和彈性模量隨著應變率的增大而增大，范

4、圍為10%～30%。根據(jù)力學性能和增強增韌效果，獲得了力學性能最優(yōu)的3D-BSFC材料。
　　 3、采用直徑為75 mm的分離式霍普金森壓桿(Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB)裝置研究了混凝土基體材料及其相應的3D-BSFC試件的沖擊壓縮力學性能，得到了不同應變率下3D-BSFC材料的應力應變關系和動態(tài)強度增長因子(Dynamic Increasing Factor，簡稱DIF)，觀察了試件的破

5、壞形態(tài)，研究了纖維體積率和纖維種類對3D-BSFC的動態(tài)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，3D-BSFC的沖擊抗壓強度具有明顯的應變率硬化效應，其沖擊抗壓強度和彈性模量隨應變率增大而增大，峰值應變隨應變率的增長而逐漸減小。3D-BSFC的DIF與應變率對數(shù)成雙直線函數(shù)關系。在沖擊壓縮條件下，3D-BSFC的韌性基本上是隨著應變率的增大而遞增，在相同應變率下，鋼纖維體積率越大，其韌性越強。混凝土類材料的沖擊抗壓強度與應變率之間的關系存在一個臨界應

6、變率尼，當應變率超過k時其DIF顯著增加，研究發(fā)現(xiàn)，混凝土類材料的動態(tài)應變率臨界值k隨其靜態(tài)抗壓強度的增大而增加。由于3-D鋼纖維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)有效地限制了材料在沖擊壓縮作用下的側(cè)向拉伸破壞，3D-BSFC具有很強的抗動態(tài)破壞能力，沖擊后試件的完整性好。
　　 4、首次將高速攝像系統(tǒng)與SHPB沖擊實驗系統(tǒng)綜合運用，獲得了3D-BSFC試件高速沖擊過程中的變形場與應變場。結(jié)果表明，結(jié)果表明，在沖擊過程中試件沿沖擊方向的位移場和應變場都不

7、是均勻的，而且試件相同橫截面徑向方向不同點的位移方向是隨著時間變化的。在SHPB實驗中，難以避免試件的端面摩擦效應、彌散效應和慣性效應對實驗結(jié)果的影響。沖擊過程中變形場和應變場的精確分析，有利于改進實驗的軟硬件環(huán)境，推動混凝土類材料的SHPB實驗技術(shù)發(fā)展。
　　 5、基于實測的準靜態(tài)和動態(tài)力學數(shù)據(jù)，采用考慮損傷的ZWT本構(gòu)模型擬合了3D-BSFC的動態(tài)本構(gòu)關系。結(jié)果表明，ZWT本構(gòu)模型能夠較準確地反映3D-BSFC試件的動態(tài)應力

8、應變曲線的上升段。
　　 6、用HJC模型使用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對3D-BSFC抗沖擊和抗侵徹進行了數(shù)值模擬，抗沖擊數(shù)值計算給出的試件強度與實測值比較接近，從數(shù)值角度驗證了本文SHPB實驗的有效性。同時模擬金屬炮彈對SC0靶板、SC05靶板和SC10靶板的侵徹過程，結(jié)果表明：炮彈貫穿靶板時，相同初始速度及板厚，靶板材料的Vf越高，炮彈的速度下降越明顯，材料的抗侵徹越好；同時，炮彈殘片越小，炮彈越容易產(chǎn)生破碎，靶

9、板的貫穿孔越小，孔緣的殘余應變越大，靶板的變形性能越好。入射角較小時，由貫穿通道較長，貫穿時間較長，炮彈剩余速度也較小，貫穿難度越大，但是60°傾斜入射比90°垂直入射產(chǎn)生的殘余應變更大，破壞更嚴重?？疾炫趶棇癜宓拇怪鼻謴厣疃龋号趶棇C10靶板和SC05靶板的侵徹深度分別是SC0靶板的57%和80%，即相同初始條件下，靶板材料的Vf越高，侵徹深度越小；而且殘余應變越大，塑性變形能力越強，吸能效果越好；同時，炮彈速度減小越快，靶板的抗