纤维增强水泥基复合材料的动态压缩性能试验研究

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建筑物在使用寿命内不仅要承受静力荷载,也不能避免会遭受到冲击荷载的作用,如强震区建筑结构的设计要考虑地震作用;国防工程中防护结构的设计要考虑抵御冲击与爆炸作用等。混凝土类材料在动载作用下更易发生脆性破坏,这就极大限制了其在相关领域的运用与推广。工程纤维增强水泥基复合材料(Engineered fiber reinforced Cementitious Composite,简称ECC)的出现较好地解决了混凝土材料抗拉强度低、抗裂差等缺点,且ECC还具有能量耗散能力强、极限拉应变大、韧性好等优点,成为近些年研究的热点。目前,国内外学者对PVA-ECC动态性能的研究相对较少,现有的研究主要集中在常温下低应变率对材料力学性能的影响,尚缺乏较为系统和全面的研究。本文的主要工作是采用霍普金森杆(SHPB)冲击压缩试验装置对常温状态下和高温作用后浸水冷却的PVA-ECC进行了动态力学研究,主要内容和结论有以下几个方面:(1)由于对材料的应变率敏感性分析的需要,首先对常温状态和高温作用后的PVA-ECC进行了静态压缩试验,测得常温状态下试件的立方体抗压强度fcu、轴心抗压强度fc和峰值应变εo;测得高温-浸水冷却后PVA-ECC试件的立方体抗压强度fcu、轴心抗压强度fc和质量损失率;得出了材料fcu与fc的回归方程。(2)常温(25℃)状态下对PVA-ECC材料进行了动态压缩,得出了动态应力-应变曲线,并对试件的应变率敏感性、破坏形态、动态峰值应力、峰值应变、弹性模量和韧性指标等进行了分析,随着应变率的增大,ECC材料的动态峰值应力、峰值应变和韧性均明显提高,具有较强的应变率效应。随着纤维体积掺量的增大,PVA-ECC动态峰值应力、峰值应变和韧性均明显提高,且PVA纤维对ECC峰后韧性的提高最为明显。随着ECC基体强度的提高,材料的动态峰值应力明显增大,动态峰值应变则提高不明显,并且基体强度高的ECC试件的峰后韧性明显降低,脆性较为明显。(3)高温-浸水冷却后对PVA-ECC试件进行了动态压缩,得出了试件不同过火温度的动态应力-应变曲线,并对试件的应变率敏感性、破坏形态、动态峰值应力和峰值应变等进行了分析,在三种过火温度下,随着应变率的增大,试件的动态峰值应力和峰值应变均明显提高,表现出较强的应变率效应。试件的动态峰值应变随温度的升高而增大,而材料的动态峰值应力只在过火温度为150℃时略有提高,在过火温度为250℃和350℃时,试件的动态峰值应力明显下降;在三种过火温度下,试件的动态峰值应变均随着纤维体积掺量的增加而提高;试件的峰值应力只在150℃高温-水冷后,随着纤维体积掺量的增加而提高,在250℃和350℃时,试件的峰值应力随着纤维体积掺量的增加而减小。随着ECC基体强度的增加,试件的动态峰值应力提高较为明显,而试件的动态峰值应变略有提高,提高幅度较小。
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