[01175222]混杂纤维高强混凝土的抗冲击性能

1、课题来源与背景 课题来源：国家科技计划自然科学基金项目“混杂纤维高强混凝土的抗冲击性能”（项目编号：51278135）。 背景：在混凝土中掺入纤维可改善混凝土某些方面的特性,但是纤维的性能各异,造价有高有低,掺入单一纤维可在某些方面对混凝土的性能有一定的提高,但不能综合改善混凝土性能。混杂纤维高强混凝土（HFRHSC）能充分发挥各组分材料的性能,具有显著的增强（抗拉）、增韧、阻裂、抗冲击效果,并且耐久性能良好。开展对混杂纤维混凝土动态力学性能的研究,提高建筑物抗爆和抗冲击性能,在公路、桥梁工程,修复结构,抗震、抗暴结构物上应用前景广阔。 2、研究目的与意义 本项目成果有助于HFRHSC防护工程的计算、设计,主要针对防护工程在遭受弹体攻击时,防护结构的损伤、破碎、断裂、层裂现象的计算,并根据计算结果设计防护层的构造与厚度。 可供在防护工程中的设计参考,研究成果有良好的工程应用前景 3、主要论点与论据 （1） SHPB冲击压缩和拉伸试验研究表明,强度和韧性的增强是混杂纤维对混凝土基体最显著的贡献。 （2）SHPB冲击劈裂拉伸试验发现,在拉伸工况下,HFRHSC也是应变率敏感材料,在临界应变率（5s-1）前后,动态强度增强因子（DIF）与应变率关系曲线的斜率不同。 （3）用分形维数来定量分析混凝土材料的内部细观损伤演化行为,建立了考虑分形损伤演化的SHPB动态损伤本构关系,建立了HFRHSC弹性模量方程。 （4）层裂试验结果表明： HFRHSC的层裂强度随应变率的增加先提高后降低;层裂峰值损伤应变率阀值随钢纤维体积率的增加而增大,随聚丙烯纤维体积率的增加而减小;层裂破坏位置与试块自由端的距离随应变率的提高而减小;层裂次数随应变率的提高而增多;裂缝的走向趋势杂乱,基本不与自由端平行,呈现出锯齿形。 （5）建立了HFRHSC层裂本构方程,该方程考虑了静态素混凝土劈裂强度、钢纤维体积率、聚丙烯纤维体积率、应变率等四方面对层裂强度的影响,由方程所得曲线与试验结果基本一致。 （6）利用ANSYS/LS-DYNA数值仿真再现了瞬态冲击下试块的破坏过程。 （7）采用离散元PFC2D软件建立了颗粒流数值模型,进行了单轴压缩试验的数值仿真,分析了试块破坏过程和特征以及力学响应。采用离散元颗粒流软件EDEM建立了颗试块模型,对HFRHSC的粘结力参数进行了标定。 4、创见与创新 用分形维数对混凝土动态强度和应变率进行定量描述,建立了考虑分形损伤变量的冲击本构方程,并对HFRHSC试件在冲击作用下内部各个微秒级时段的受力、应变、裂缝产生与开展、试件形貌演变进行数值分析。 5、社会经济效益 节约能源和资源,保护生态环境,符合国家可持续发展战略,构建资源节约型和环境友好型社会。