与普通纤维增强混凝土相比，应变硬化水泥复合材料的高应变率对压缩性能的影响 摘要外文翻译资料

 2022-07-29 15:34:23

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与普通纤维增强混凝土相比，应变硬化水泥复合材料的高应变率对压缩性能的影响

摘要

本文介绍了与具有相似压缩强度的纤维增强高强度混凝土（FRHSC）相比，高应变率对两种应变硬化水泥基复合材料（SHCC）的压缩行为的影响的实验研究。 其中一个SHCC用2％的聚乙烯醇（PVA）纤维（SHCC-PVA）增强，抗压强度为64MPa.另一种用0.5％的钢加1.5％的聚乙烯（PE）纤维 （SHCC-ST PE），抗压强度为83MPa。

分别进行Hopkinson压杆和液压机实验，以确定SHCC和FRHSC的应变速率分别为30至300和10 -4至10 -1s的行为。 对于所考虑的材料，确定动态增加因子（DIF fc），动态载荷下材料强度与静载荷下的材料强度之比。 仔细检查了样品，基质和纤维的断裂形式。 结果表明纤维含量对DIF fc值有显着影响。 另外，表明CEB-FIP 1990和fib 2010代码中的方程式不适用于超过30 s -1的过渡应变率的SHCC和FRHSC。

关键词

压缩属性；动态增加因子；纤维增强高强度混凝土；高应变率；分裂霍普金森压力棒；应变硬化水泥基复合材料

  1. 绪论

在诸如冲击和爆炸等严重负载条件下，建筑材料和结构的性能越来越受到关注。 文献中已经对高应变率对普通混凝土，纤维增强混凝土和超高性能水泥复合材料的压缩性能的影响进行了研究和报道。 这些材料的抗压强度通常随应变速率增加。在过去几十年中，开发和研究了一种通常称为应变硬化水泥基复合材料（SHCC）或工程水泥复合材料（ECC）的材料。 SHCC由特殊设计的水泥浆或砂浆基体和一种或两种类型的纤维组成。当经受拉伸载荷时，其显示出显着的应变硬化行为，并且多次裂纹失效。 与普通纤维增强混凝土相比，SHCC的增强行为表现出优异的能量吸收能力，因此在保护结构中具有潜在应用。

然而，大多数关于SHCC的研究集中在其在准静态条件下的拉伸性能。 一些研究使用液压机器试验研究了中等应变速率下的拉伸性能，达到约10-1s -1。 结果表明，SHCCs的拉伸强度随应变速率增加。 然而，关于不同SHCC的应变能力和应变硬化行为的应变速率效应方面没有共识，这可归因于不同的混合比例，纤维类型，实验装置和试样的几何细节。 关于SHCC的准静态压缩行为的报道是有限的，可用数据在应力 - 应变曲线的抗压强度和形状方面并没有显示出SHCC和普通混凝土之间的显着差异。 然而，由于没有粗骨料，SHCC通常具有较低的杨氏模量。只有在超过10 s-1的高应变率下，SHCC的特性才能得到有限的信息。 例如，Mechtcherine et al.使用分裂的Hopkinson压力棒（SHPB）以散裂构型研究了用聚乙烯醇（PVA）纤维增强的SHCC的拉伸性能，应变速率为140至180s -1。 他们发现SHCC的十几年强度有显着的应变率影响，报告了动态增长因子（DIF，定义为动态特性与相应静态特性的比值）为6.7，高于普通 混凝土，高性能混凝土和超高性能混凝土（UHPC）。SHCC的应变速率敏感性被认为是发展更多数量的微裂纹对等位基因并且与加载方向正交，以及纤维拔出之前和期间PVA纤维的广泛塑性变形。 UHPC没有观察到沿负载方向的平行裂缝，其消耗大量的能量。 使用SHPB测试，Chen et al。 研究了用PVA纤维增强的SHCC的动态压缩性能，并且以85至185s -1的应变速率含有各种量的研磨造粒高炉炉渣（GGBFS）。 随着应变速率的增加，它们的结果显示出抗压强度的显着增加和临界应变（对应于峰值应力的应变）的轻微降低。 此外，更高的GGBFS内容导致动态强度的较小增加。

相关文献综述表明，SHCC在保温结构中具有广阔应用前景的建筑材料的性能，在压电应变率较高的情况下，在准静态条件下仍然很大程度上是未知的。 已发表的文献中的研究都没有报道过SHCC的应变速率敏感度，从准静态到几百次/秒。还有一个问题，关于应变率对压缩率的最全面和广泛接受的模型， CEB-FIP模型代码1990和纤维模型代码2010中给出的具体实践强度适用于SHCC。 CEB-FIP 1990定义了作为混凝土的应变速率和静态抗压强度的函数的动态增加因子（DIF fc），其是冲击强度与静态强度的比率，公式为

f c,imp和f cm分别为冲击和静态抗压强度，应变率（s-1）范围从3* 10〜6〜300s-1; _ e co是准静态应变率，取为-30*10 6 s -1; log c s = 6.156 a s -2，其中s = 1 /（5 9f cm / f cmo），f cmo作为参考强度为10MPa。另一方面，2010年的纤维忽略了混凝土强度的影响，从等式可以出

本文介绍了与具有相似压缩强度的纤维增强高强度混凝土（FRHSC）相比，应变速率对两种SHCC的压缩行为的影响的实验研究结果。其中一个SHCC是基于Wang和Li的研究的一个修订的混合物，其中2％的PVA纤维体积（SHCC-PVA），并达到约60MPa的28天抗压强度。另一种由Maalej等人开发的混合物用0.5％的钢纤维和1.5％的聚乙烯（PE）纤维（SHCC-ST PE）进行增强，并具有约80MPa的28天压缩强度。使用SHPB设备确定其在约30至300s -1的高应变速率下的行为，并且使用水硬性材料测试系统（MTS）来确定其中间应变速率为10 -4至10 6的性能。 1 s-1。与普通纤维增强混凝土相比，这项研究有助于理解并扩大可用数据库对高应变率下SHCC的动态性能。结果为具有这种材料的结构的设计提供了有用的信息，防止冲击和冲击负荷，以及数值模拟中的材料建模。

  1. 实验细节

2.1 材料

ASTM I型普通硅酸盐水泥用于所有混合物。 与SHCC-ST PE相比，在SHCC-PVA中使用最大尺寸为0.25mm的筛砂，不需要任何砂。 两种SHCC均未使用粗骨料。 对于FRHSC混合物，使用标称最大尺寸为10mm的破碎的花岗岩粗骨料和天然砂。 两种FRHSC中使用的粗细和聚集体的分级满足ASTM C 136要求，比重分别为2.65和2.63。

在所有混合物中使用比重为1.2的萘类超增塑剂1以增加可加工性。 在一些混合物中使用矿物混合物。 在SHCC-ST PE中使用硅粉，而在SHCC-PVA中使用粉煤灰。 根据Mindess等人的说法，在SHCC-PVA新鲜混合物中使用粘度改良剂外加剂2以便适当地分散纤维并防止新鲜基质的渗出。

使用直型钢纤维，3种PE纤维，4种PVA 5纤维，其性能总结在表1中.PE纤维的伸长率为3.6-3.9％。 与PE纤维相比，钢纤维具有较高的弹性模量，但具有相似的拉伸强度。 PVA纤维的拉伸强度和弹性模量均低于PE纤维。 PE纤维和PVA纤维具有相似的尺寸，比钢纤维（长度相似但直径较小）高得多的纵横比。 为了减少与水泥浆基质的界面粘合，制造商用1.2％的油涂层处理了PVA纤维的表面。

    1. 混合比例

SHCC和FRHSCs的混合比例见表2。

两个SHCC具有相同的水/胶体材料比（w / cm）和纤维总体积。 SHCC-ST PE含有0.5％的钢纤维和1.5％的PE纤维，而SHCC-PVA仅用2％的PVA纤维增强。 在SHCC-ST PE中使用硅粉代替10％的水泥。 为了实现应变硬化行为，在SHCC-PVA混合物中引入高含量的飞灰以减少界面粘结，并改变基体特性以控制裂纹宽度。

两个FRHSC具有不同的w / cm比，以达到不同程度的强度。 两种混合物用混凝土体积的0.5％的钢纤维增强。

    1. 可加工性，标本制备和固化

将SHCC在Hobart混合器中混合，而FRHSC在大尺寸搅拌机中混合。 最后添加纤维。 通过加入钢丝纤维通过筛子和使用压缩空气将PE和PVA纤维松散并加入到湿混合物中之前，谨慎地防止纤维球化。

将SHCC在Hobart混合器中混合，而FRHSC在大尺寸搅拌机中混合。最后加入纤维。通过加入钢丝纤维通过筛子，然后在加入湿混合物之前用压缩空气将PE和PVA纤维松散，进行防止纤维球化。混合后立即确定新鲜混合物的可加工性。存在各种测试以评估水泥基材料的可操作性，这取决于材料的类型和流动性。一般来说，Vebe测试用于评估非常干燥的混凝土和纤维增强混凝土的可加工性，其具有5至30s的Vebe时间。根据BS EN 1015-3：1999使用流量表测试来评估砂浆的可加工性。本研究中使用的SHCC包括没有任何粗骨料的砂浆和水泥浆混合物，因此使用流程表测试来确定其可加工性。 FRHSC的Vebe时间为8-9 s，而SHCC的流量表值为150-165 mm（表2）。

制备了表3中列出的试样进行各种试验。将圆筒铸造在PVC模具中。 模制的样品首先用湿亚麻和塑料片覆盖24小时以预防水分流失。 然后将所有样品转移到雾室，并在28-30℃的温度下再固化20天。 之后，将样品放置在温度为30℃，相对湿度为65％的室中，直至测试日期为止。

在铸造后的第15至21天，除了每个混合物中的三个样品之外，除去用于高应变率试验的顶部和底部10mm的圆柱体。 然后从每个圆筒切割四个直径为77mm，厚度为约39mm（D77〜39-mm）的样品。 将样品的切割表面研磨以确保其垂直于纵向轴线，并且样品的厚度为38plusmn;0.5mm用于SHPB测试。 然后将样品从塑料模具中推出。 剩下的三个规格直接研磨成154mm的长度，然后从塑料模具中推出静态试验。

中层应变速率下的SHPB试验和压缩试验样品在受控的湿度和温度环境下保持至少60天，以确保一致的水分条件，因为水泥基材料的水分条件具有显着的 在高应变率载荷下对其性质的影响。 据Ross等人 混凝土样品中的水具有放大惯性效应的倾向，因此影响在高应变率下测定的混凝土性能。

    1. 测试方法
      1. 静态属性

D100* 200 mm的汽缸用于测定混合物的静态强度，杨氏模量，泊松比和应力 - 应变曲线。 垂直安装两个应变计，另外两个水平放置在中间高度，用于测量杨氏模量和泊松比。 来自这些应变计的信号也分别用于获得压应变历史直到峰值应力点和侧向应变历史，以说明SHCC和FRHSC的应力 - 应变行为。 由于在达到峰值应力点之后，垂直方向的大多数应变计经历了脱粘或断裂，因此信号丢失。 因此，后峰值区域的应变历史由具有样品高度的标距长度的四个换能器测量。 D77*154毫米汽缸来确定混合物的静态强度，然后将其用于计算SHPB测试中的DIF fc。D77* 154毫米汽缸具有与用于SHPB试验的直径相同的直径，但长度/直径比（L / D）为2.0，以满足ASTM C 192的要求。采用这种尺寸来确定静态强度的原因是 在以前的研究中详细描述。使用伺服液压材料测试系统（MTS）来确定SHCC和FRHSC的静态抗压强度。 满载ASTM C39 / C 39M-05的要求，加载速度约为10 -5 s -1。 为了确定SHCC和FRHSC的弯曲行为，按照ASTM C1609指南采用液压Instron机。

2.4.2在约10 -4至10 -1 s -1的应变速率下的抗压强度

伺服液压MTS还用于确定材料在10 -4至10 1 s 1的应变速率下的抗压强度。 D77*38mm汽缸用于该试验，并以不同的位移速率从约0.2至20mm / min加载，其对应于约10 -4至10 1 s -1的应变速率。 使用数字示波器捕获数据。

      1. 高应变率下的抗压强度约为30〜300s-1

通过SHPB设备测定材料在约30至300s -1的高应变速率下的压缩行为，输入和输出条都具有80mm的直径和5m的长度。 考虑到SHPB设备的输入和输出棒的最大骨料尺寸和直径，为试样选择了77mm的直径。

有人认为，SHPB不能确定材料应变速率对混凝土的影响，SHPB确定的高应变率下混凝土抗压强度的显着增加可能不是“真实的”，而是内在的结果 - tia效应[22,23]。 在SHPB压缩试验中，由于故障发生迅速，试样在垂直于载荷的方向上可能没有时间作出反应。 这可能在样品的中心芯上产生有效的惯性约束应力，导致在高应变速率下增加强度。 实际上，这种惯性效应可能与应变率效应同时存在，但可能不是具体行为的主导因素。 例如，Malvern等人的实验表明，SHPB压缩试验中混凝土的惯性约束对于100 s -1的应变速率来说可以忽略不计。数值研究表明，L / D = 100/200 mm样品在约100 s -1的应变速率下的横向惯性约束对DIF的贡献约为10％，并且横向惯性约束效应随试样尺寸而减小。根据Davies和Hunter的说法，如果应变速率是恒定的，或者如果样品尺寸满足，则纵向和径向惯性的SHPB测试的误差可以忽略不计，其中v是泊松比标本。为了最小化惯性效应，最佳L / D在本研究中的泊松比为0.39至0.44，如表4所列。然而，样品长度必须足够长（通常被认为至少3倍的成分组分的最大尺寸）以产生混合物的代表性的体积性质。因此，考虑到纤维的长度，最短的可接受的试样长度约为36-39mm。因此，考虑到惯性效应和纤维尺寸，每个样品的长度约为38mm，L / D比约为0.5。

在试验前，所有试样在两端都涂上一层薄薄的油脂。 使用直径为25-30mm，厚度为1mm的铝盘作为脉冲整形器，以延长上升时间并滤出入射波的高频分量。 使用以下等式来计算所测试样品的应力，应变速率和应变历史，这些应变，应变速率和应变历史分别基于位于输入栏和输出杆中点处的应变仪测量的透射应变和反射应变ε：

其中r，

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