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在高应变率下的不同聚灰比的碳纤维增强聚合物混凝土的动态压缩力学性能

刘高杰 白二雷 徐金玉 宁阳 王腾娇

摘要

实验研究了可再分散聚合物乳液粉末对碳纤维增强聚合物混凝土(CFRPC)动态压缩性能的影响。用U100mm分离霍普金森压杆对0.2%碳纤维与混凝土体积比0%、4%、8%和12%聚合物水泥比(质量比)的CFRPC圆柱试样(直径100mm，高度50mm)进行冲击实验。从试件的动态抗压强度、变形和韧性等方面分析了乳液粉对CFRPC的影响。我们发现，在相同的应变速率下，CFRPC的动态抗压强度最初随着聚合物含量的增加而增加，然后下降。当聚合物水泥比为4%时，试样的动态抗压强度最高，达到21.47~26.58%。CFRPC的抗压强度和峰值应变具有明显的应变速率敏感性。适量的聚合物可以有效地提高CFRPC的动态压缩性能。样品破碎和孔隙率分析表明，提高聚合物水泥比可以减少混凝土基体中的孔隙数量，达到更优的孔隙分布和更好的致密性。

关键词：聚合物乳液粉末 碳纤维增强聚合物 分离霍普金森压杆(SHPB) 动态抗压性能 动态强度 应变率效应

1.引言

能够抵抗武器冲击的材料在军事防护工程中具有重要的意义。最近，人们对纤维增强聚合物混凝土(FRPC)越来越感兴趣)。FRPC以水泥为粘结材料，无机材料为集料，以及粘结纤维、聚合物、填料和外加剂。相对于常规混凝土，这种组合随着时间的推移继续硬化，导致复合材料具有高强度、低渗透性和高抗冲击、腐蚀。多项研究发现，与纤维或聚合物混凝土相比，FRPC具有更高的抗拉强度、更强的抗裂性和更好的韧性。FRPC的性能可能受到各种因素的影响，包括纤维和聚合物在基体中的分布，以及纤维、聚合物和基体的界面特性。然而，其性能在很大程度上取决于纤维和聚合物的选择和比例。碳纤维是一种具有高刚度、高模量、高耐化学性、低密度和高导电性的复合材料。它与素混凝土浸渍，产生一个边缘混凝土继承其特点。聚合物乳液粉末是一种粘接力高的胶粘剂可塑性和工作性。当与水、水泥和集料混合时，它很容易分布在基体的过渡间表面形成高粘附聚合物，提高了混凝土的抗拉强度和抗断裂能力。与碳纤维和聚合物混合的混凝土具有高强度和刚度以及塑性和耐久性等优点。此外，除了常规加载外，现代混凝土制造商还关注混凝土结构受到意外的强烈影响例如地震、龙卷风和爆炸。关键的兴趣是混凝土在高应变率下的动态力学性能。据报道，包括纤维增强聚合物混凝土在内的各种混凝土的拉伸和压缩强度随应变速率的增加而增加。然而，CFRPC的动态压缩性能研究较少。因此，了解乳液粉末在高应变速率下对CFRPC动态压缩性能的改性作用是非常重要的。在此基础上，对CFRPC进行了以往的准静态压缩试验采用U100mm分裂霍普金森压杆(SHPB)对不同聚合物水泥比的CFRPC试样进行了动态压缩试验)。进行了动态抗压强度，峰值应变和压缩韧性测试。采用汞侵入孔法对CFRPC孔隙分布进行了评价。研究了聚合物水泥比和应变率对CFRPC动态压缩力学性能和孔结构的影响。对CFRPC动态力学性能的机理进行了评价。本研究是对先前研究的后续研究旨在开发具有优良抗冲击性能的军用防护工程材料。此外，碳纤维的压缩灵敏度和导电性使CFRPC在智能材料中具有应用的潜力。

材料和方法

2.1试验材料和混合比

图一是具体研究的流程图。

用于CFRPC制备的原料有水泥，石灰石碎石，河砂，水，碳纤维，聚合物乳液粉末和各种混凝土添加剂。基于PAN的短切碳纤维(图2）直径7.0plusmn;0.2㎛，长6mm，含碳量，断裂伸长率1.25%～1.60%，拉伸强度gt;3GPa，电阻率为。德国Wacker公司生产的VAE乳剂粉，具有以下特点：1～7㎛；固体含量；灰分含量=13%plusmn;2%；体积密度=400～500。关于CFRPC原材料的进一步细节如前面所述。

表1是在0.2%碳纤维含量（碳纤维与混凝土的体积比)的试样中加入0%、4%、8%和12%的聚合物水泥比。

2.2样品制备

制备了四种样品，分别为PC0（含0%聚合物）、PC4（含4%聚合物）、PC8（含8%聚合物）、PC12（含12%聚合物）。对于5个应变率的交叉比较，需要20组试样，每个试样由4个试样组成（3个独立的试样用于测试和标准偏差计算，1个用于备份）。

标本分6步完成。（1）对每种成分进行加权。水在称重前加热至70-80℃，以避免蒸发造成的质量损失。（2）将加热的水转移到绝缘中容器在连续搅拌下，用电动搅拌器低速(120r/min)搅拌。然后逐渐加入分散剂进入水中，直到液体变成凝胶，允许在不搅拌的情况下冷却室温。再低速搅拌凝胶，均匀加入切碎的碳纤维。继续搅拌10min，直到纤维均匀分散在溶液中，变成螺纹。最后，加入减水剂、聚结剂和防泡剂，搅拌60s，这是碳纤维分散液。（3）乳胶粉与水泥混合，人工搅拌，直到混合均匀。（4）将细骨料，一半的碳纤维分散液和粗骨料放入混凝土搅拌机中搅拌60s.接下来，加入步骤3中得到的混合粉和剩余一半的碳纤维分散液，搅拌60s.然后加入抗泡剂，搅拌120s。然后将混合物倒入搅拌机中，手动搅拌60s。（5）将混合物填充到模具中。为了达到更大的压缩，模具在振动机上摇动两次30s，以避免纤维的定向分布。在摇动之间，混合物经手动敲击30s。最后，对成型试样的顶部进行了手动切割。（6）标本在室内固化1天，取出模具，在温度20plusmn;2°C/95%RH的标准间继续固化28天。

为保证混凝土基体中纤维分布均匀，采用岩心取样法制作试件。试件满足养护条件后，进行切芯，切割，研磨，保证试件表面的平整度。每个SHPB试验的试样都形成一个直径为100毫米和高度为50毫米的短圆柱体，如图3所示。采用双面磨床进行试样抛光，本机配有200个金刚石砂轮。各地面试件表面粗糙度le;0.2mm。与棒材接触的试样表面也涂上石墨和润滑剂的混合物。在SHPB试验中，采用0.5的L/D比、小于0.2mm的表面粗糙度和混合物来最小化端部摩擦约束和横向惯性约束。

图1：技术路线线路图

图2：短切碳纤维图3：用于SHPB测试的CFRP的

表1：碳纤维增强聚合物混凝土(CFRPC)试件的组成混合物比例(kg/m3).

a:河砂细度模数为2.8

b:石灰石碎石粒径为5mm至20mm

2.3试验方案

为了比较，进行了实验，以确定准静态压缩强度。首先，电液伺服万能试验机开始加载0.5MPa/s至0.8MPa/s。当应力接近峰值时，机器以1.0mm/min的速度转换为位移加载模式。测试细节已经显示，准静态压缩测试结果如表2所示。

为了获得混凝土的动态压缩性能，进行了一系列的霍普金森压杆分离实验。使用的SHPB(图4)直径为100毫米，有1.5米的前锋杆，6.0米的输入杆和4.0米的输出杆。所有棒材均采用杨氏模量为210GPa，弹性波速为5122m/s的弹簧钢。在实验过程中，前锋杆冲击输入杆，然后通过输入杆、试样和输出杆传递压应力。根据应力均匀性假设（），可以用三波分析得到以下方程。

（1）

因此，从试验数据中导出了不同试样在不同应变速率下的应力-应变曲线，其中E是棒材的弹性模量；c是应力波速度；A和是棒材和试样的横截面积；是试样的原始厚度；和分别是反射脉冲和透射脉冲的时滞。

在入射杆的冲击端安装了脉冲整形器，在我们先前的研究的基础上，采用直径为25mm，厚度为1mm的H62黄铜脉冲整形器对波形进行了优化。所有试验均检查了应力平衡，实验证明，脉冲整形器消除了波形的高频振荡，达到了应力平衡条件。这意味着H62黄铜脉冲整形器和测试得到的动态抗压强度是可靠的。前锋棒是由加压气体推动的。不同的压力产生不同的应变速率。本实验采用的压力分别为0.3MPa、0.35MPa、0.4MPa、0.45MPa和0.5MPa。在本研究中，使用了相同压力下应变速率的平均值。对于每个聚合物水泥贸易，加载了5种不同的应变速率，共20组试样进行了本实验。每组包括三个相同的样本进行测量，以获得标准差。每组测试结果为三个测试结果的平均值，所有结果汇总见表3。

汞侵入孔测量：在汞侵入孔法之前，样品在烘箱中干燥6h，在精密电子秤上称重样品，放置样品管并密封，然后在低压站和高压站连续进行孔隙分析。

表2：CFRPC准静态压缩试验结果

a:准静态抗压强度

b:峰值应变

图4：直径100毫米SHPB测试装置和图表

表3：CFRPC SHPB的试验总结

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