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玄武岩纤维增强泡沫混凝土的单轴拉伸及准静态压缩性能

王小娟, 崔浩儒, 周宏元, 李秀杰

王小娟, 崔浩儒, 周宏元, 等. 玄武岩纤维增强泡沫混凝土的单轴拉伸及准静态压缩性能[J]. 复合材料学报, 2023, 40(3): 1569-1585. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220422.001
引用本文: 王小娟, 崔浩儒, 周宏元, 等. 玄武岩纤维增强泡沫混凝土的单轴拉伸及准静态压缩性能[J]. 复合材料学报, 2023, 40(3): 1569-1585. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220422.001
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WANG Xiaojuan, CUI Haoru, ZHOU Hongyuan, et al. Mechanical performance of basalt fiber reinforced foam concrete subjected to quasi-static tensile and compressive tests[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2023, 40(3): 1569-1585. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220422.001
Citation: WANG Xiaojuan, CUI Haoru, ZHOU Hongyuan, et al. Mechanical performance of basalt fiber reinforced foam concrete subjected to quasi-static tensile and compressive tests[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2023, 40(3): 1569-1585. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220422.001
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玄武岩纤维增强泡沫混凝土的单轴拉伸及准静态压缩性能

  • 1.

    北京工业大学　城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124

  • 2.

    北京理工大学　爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081

基金项目: 国家重点研发计划(2019 YFD1101005)；国家自然科学基金(52178096；51808017；51778028
详细信息
    通讯作者:

    周宏元，博士，教授，博士生导师，研究方向为吸能材料、结构防护、结构抗爆设计　E-mail：hzhou@bjut.edu.cn

  • 中图分类号: TB301；TB332

Mechanical performance of basalt fiber reinforced foam concrete subjected to quasi-static tensile and compressive tests

  • 1.

    Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China

  • 2.

    State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China

Funds: National Key Research and Development Project (2019 YFD1101005); National Natural Science Foundation of China (52178093; 51808017; 51778028)

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    摘要
  • 摘要: 为研究玄武岩纤维增强泡沫混凝土的力学性能，共设计了52组试件，讨论了玄武岩纤维体积掺量和纤维长度对各密度试件的拉伸和压缩性能的影响。结果表明：玄武岩纤维可显著提高试件的抗拉峰值应力(最大提升达到737%)和峰值应变(最大提升达到833%)，可有效改善中高密度试件的受拉失效模式，使其出现伪应变硬化现象，提升了试件的抗拉承载能力和变形能力。试件抗拉峰值应力和峰值应变随纤维体积掺量增大而增大，随纤维长度增长先增大后降低；另一方面，玄武岩纤维能改变试件的受压破坏模式，使其从纵向劈裂破坏转变为斜向剪切破坏和横向压溃破坏，显著提高了中低密度试件的抗压承载力和吸能能力(最大提升达到328%)。试件的吸能能力随纤维体积掺量增大而增强，随纤维长度增长先提升后降低。
    Abstract: To investigate the mechanical properties of basalt fiber reinforced foam concrete, the quasi-static tensile and compressive tests were carried out on the prepared 52 groups of specimens, and the effects of basalt fiber volume fraction and fiber length on the tensile and compressive properties of specimens with different densities were experimentally studied. The test results show that the basalt fiber could significantly improve the tensile peak stress (maximum improvement of 737%) and peak strain (maximum improvement of 833%) of specimens. Due to the appearance of pseudo strain hardening phenomenon, the basalt fiber could effectively improve the tensile failure mode of the medium and high density specimens, so as to improve the tensile bearing capacity and deformation ability of specimens. It is found that tensile peak stress and peak strain increase with increasing the fiber volume fraction, and increase first and then decrease with increasing the fiber length. Furthermore, basalt fiber could change the compression failure mode of specimens with the observed trend from longitudinal splitting failure to oblique shear failure and transverse crushing failure, resulting in significant improvement of the compressive bearing capacity and energy absorption ability of low and medium density specimens. In addition, it is observed that increasing the fiber volume content will lead to an increase in the energy absorption (maximum improvement of 328%) of the specimen, which increases first and then decreases with increasing the fiber length.
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  • 泡沫混凝土作为一种轻质填充材料，具有隔音隔热性能好、密度和强度可调整、低碳环保等优点，被广泛应用于保温隔热层、吸音层、轻钢龙骨复合墙体[1-2]等。早期一些专家对泡沫混凝土孔隙率、流动性、吸水率等物理性能[3-4]开展了深入研究。近年来，泡沫混凝土作为一种多孔材料，其良好的吸能缓冲特性受到了广泛关注，因此诸多学者开展了其静动态力学性能及吸能特性的研究。张锦华等[5]探明了不同密度等级的泡沫混凝土单轴压缩的破坏特征；王武祥等[6]分析了泡沫混凝土绝干密度与抗压强度的关系。另外，马芹永等[7]通过泡沫混凝土SHPB试验研究了其动态力学性能；刘海燕等[8]研究了泡沫混凝土的吸能机制。

    上述研究成果展现了泡沫混凝土良好的吸能特性，但抗拉强度低、韧性差、吸能效率低等缺点限制了其在工程上的应用。一些学者通过添加辅助胶凝材料如粉煤灰[9]、再生微粉和微硅粉[10]等来改善泡沫混凝土收缩大、易开裂的问题，也有一些学者通过掺入纤维如玻璃纤维[11]、玄武岩纤维[12-14]、聚丙烯纤维[15]等来提高泡沫混凝土抗压强度及抗裂性。在诸多纤维材料中，玄武岩纤维具有化学性质稳定、与混凝土相容性好、生产成本低廉、绿色环保、耐火性好[16-18]等优势，能显著提高泡沫混凝土抗裂性能[14]，但是对于玄武岩纤维增强泡沫混凝土的拉伸性能和压缩吸能性能的研究却鲜有报道。

    鉴于此，本文设计了4种密度的泡沫混凝土与4种不同长度和4种不同掺量的玄武岩纤维组合制备了玄武岩纤维泡沫混凝土，系统研究了玄武岩纤维增强泡沫混凝土在准静态压缩下的破坏模式、抗压强度、压实应变和能量吸收等问题及在单轴拉伸下的失效过程、破坏模式、峰值应力、峰值应变等问题。

    1.   试验材料及试验方法

    1.1   原材料和试件制备

    水泥为河北省三河市产钧牌普通硅酸盐水泥P.O 42.5，其28天抗压强度为48 MPa，基本参数见表1；玄武岩纤维(BF)为江苏绿材谷新材料科技发展有限公司提供，长度分别为6 mm、9 mm、12 mm、15 mm，如图1所示，厂家提供的主要力学性能指标见表2；发泡剂为市售的动物蛋白类发泡剂，拌合水为实验室自来水。

    表  1  水泥基本参数
    Table  1.  Basic parameters of cement
    CementSpecific surface area/(m2·kg−1)Setting time/minFlexural strength/MPaCompressive strength/MPa
    InitialFinal3 days28 days3 days28 days
    P.O 42.53407027068.53548
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    图  1  玄武岩纤维(BF)
    Figure  1.  Basalt fiber (BF)
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    表  2  BF的主要性能指标
    Table  2.  Main properties of BF
    Diameter/μmTensile strength/MPaElastic modulus/GPaElongation/%Density/(kg·m-3)
    134150-475095-1153.12650
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    玄武岩纤维增强泡沫混凝土(BF/FC)由图2设备进行制备，具体过程为：(1) 将发泡剂和水按1∶40的体积比混合成发泡液，将称量好的发泡液注入到发泡机中，见图2，制出稳定均匀的气泡；(2) 将水泥和水按水灰比0.5混合搅拌2 min制成水泥浆；(3) 将称量好的BF掺入水泥浆体中，搅拌2 min；(4) 将气泡通入到搅拌均匀的纤维水泥浆中，通过泡沫用量来控制FC的密度，继续搅拌1 min得到均匀的BF/FC浆体；(5) 将BF/FC浆体浇注到试模中，刮平表面，在室温下静置24 h；(6) 将试件拆模并在养护室中养护28天，养护室的温度为(20±2)℃，相对湿度为90%~95%。

    图  2  发泡设备
    Figure  2.  Foaming machine
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    1.2   试件设计

    共设计了52组单轴拉伸试件和准静态压缩试件，每组包含3个相同的拉伸试件和3个相同的压缩试件，总计156个拉伸试件和156个压缩试件。单轴拉伸试件采用100 mm×100 mm×300 mm棱柱体试件，准静态压缩试件采用100 mm× 100 mm×100 mm立方体试件。考虑了3个试验变量：FC密度、BF体积掺量及玄武岩纤维长度。FC密度为400 kg/m3、700 kg/m3、1000 kg/m3、1300 kg/m3；BF体积掺量为0vol%、0.15vol%、0.30vol%、0.45vol%；BF长度为6 mm、9 mm、12 mm、15 mm。BF/FC的配合比见表3，试件汇总见表4。

    表  3  玄武岩纤维增强泡沫混凝土(BF/FC)配合比
    Table  3.  Mix proportion of basalt fiber reinforced foam concrete (BF/FC)
    Target density of foam concrete/(kg·m−3)Cement/
    (kg·m−3)    		Water/
    (kg·m−3)    		Foam/
    (kg·m−3)    		Length of
    fiber/mm    		Fiber volume
    fraction/vol%    		Mass of fiber/
    (kg·m−3)
    400230.98115.4956.560/6/12/150/0.15/0.3/0.450/3.98/7.96/11.94
    700439.22219.6144.380/6/12/150/0.15/0.3/0.450/3.98/7.96/11.94
    1000647.45323.7332.270/6/12/150/0.15/0.3/0.450/3.98/7.96/11.94
    1300855.67427.8420.090/6/12/150/0.15/0.3/0.450/3.98/7.96/11.94
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    表  4  BF/FC试件汇总
    Table  4.  Summary of BF/FC specimens
    Tensile specimenCompressive specimen
    FC-424FC-439
    0.15vol%BF(6)/FC-4140.15vol%BF(6)/FC-438
    0.30vol%BF(6)/FC-4260.30vol%BF(6)/FC-440
    0.45vol%BF(6)/FC-4050.45vol%BF(6)/FC-428
    0.15vol%BF(9)/FC-4110.15vol%BF(9)/FC-444
    0.30vol%BF(9)/FC-4320.30vol%BF(9)/FC-440
    0.45vol%BF(9)/FC-4190.45vol%BF(9)/FC-423
    0.15vol%BF(12)/FC-4160.15vol%BF(12)/FC-439
    0.30vol%BF(12)/FC-4050.30vol%BF(12)/FC-429
    0.45vol%BF(12)/FC-4240.45vol%BF(12)/FC-442
    0.15vol%BF(15)/FC-4350.15vol%BF(15)/FC-419
    0.30vol%BF(15)/FC-4190.30vol%BF(15)/FC-415
    0.45vol%BF(15)/FC-4070.45vol%BF(15)/FC-404
    FC-713FC-710
    0.15vol%BF(6)/FC-7210.15vol%BF(6)/FC-736
    0.30vol%BF(6)/FC-7260.30vol%BF(6)/FC-713
    0.45vol%BF(6)/FC-7140.45vol%BF(6)/FC-730
    0.15vol%BF(9)/FC-7080.15vol%BF(9)/FC-740
    0.30vol%BF(9)/FC-7190.30vol%BF(9)/FC-702
    0.45vol%BF(9)/FC-7320.45vol%BF(9)/FC-720
    0.15vol%BF(12)/FC-7260.15vol%BF(12)/FC-725
    0.30vol%BF(12)/FC-7320.30vol%BF(12)/FC-704
    0.45vol%BF(12)/FC-7340.45vol%BF(12)/FC-711
    0.15vol%BF(15)/FC-7150.15vol%BF(15)/FC-715
    0.30vol%BF(15)/FC-7110.30vol%BF(15)/FC-725
    0.45vol%BF(15)/FC-7030.45vol%BF(15)/FC-696
    FC-1032FC-1025
    0.15vol%BF(6)/FC-10240.15vol%BF(6)/FC-1026
    0.30vol%BF(6)/FC-10170.30vol%BF(6)/FC-1044
    0.45vol%BF(6)/FC-10090.45vol%BF(6)/FC-1016
    0.15vol%BF(9)/FC-10030.15vol%BF(9)/FC-1011
    0.30vol%BF(9)/FC-10130.30vol%BF(9)/FC-1003
    0.45vol%BF(9)/FC-10260.45vol%BF(9)/FC-992
    0.15vol%BF(12)/FC-10110.15vol%BF(12)/FC-997
    0.30vol%BF(12)/FC-10070.30vol%BF(12)/FC-997
    0.45vol%BF(12)/FC-10230.45vol%BF(12)/FC-1016
    0.15vol%BF(15)/FC-10340.15vol%BF(15)/FC-1001
    0.30vol%BF(15)/FC-10100.30vol%BF(15)/FC-1000
    0.45vol%BF(15)/FC-10320.45vol%BF(15)/FC-1041
    FC-1305FC-1322
    0.15vol%BF(6)/FC-13170.15vol%BF(6)/FC-1331
    0.30vol%BF(6)/FC-13330.30vol%BF(6)/FC-1332
    0.45vol%BF(6)/FC-13190.45vol%BF(6)/FC-1308
    0.15vol%BF(9)/FC-13260.15vol%BF(9)/FC-1320
    0.30vol%BF(9)/FC-13220.30vol%BF(9)/FC-1326
    0.45vol%BF(9)/FC-13070.45vol%BF(9)/FC-1293
    0.15vol%BF(12)/FC-13110.15vol%BF(12)/FC-1307
    0.30vol%BF(12)/FC-13040.30vol%BF(12)/FC-1308
    0.45vol%BF(12)/FC-13370.45vol%BF(12)/FC-1306
    0.15vol%BF(15)/FC-13280.15vol%BF(15)/FC-1302
    0.30vol%BF(15)/FC-13210.30vol%BF(15)/FC-1310
    0.45vol%BF(15)/FC-13170.45vol%BF(15)/FC-1296
    Note: Three number in the materials name indicate the volume fraction of the fiber, the length of the fiber, and the density of the specimen, respectively.
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    1.3   单轴拉伸和准静态压缩试验

    加载设备采用MTS公司的Exceed E45电子万能试验机(300 kN)如图3(a)所示。为了提高拉伸试验精度，避免加载过程中偏心引起的二次应力及试件末端的表面砂浆与粘结层撕裂导致应力-应变曲线急剧下降的问题，参考Li等[19]的试验制作了拉伸夹具。试件两端采用E44环氧树脂胶(环氧树脂胶厚度不超过1 mm，与300 mm长度的试件相比可忽略不计；环氧树脂胶的弹性模量约为3.0 GPa，远高于试件的弹性模量，因此可忽略其拉伸变形量；环氧树脂胶抗拉强度高于10 MPa远大于试件抗拉强度) 和带有螺孔的钢板粘结，钢板通过螺栓固定在试验机夹头上。在加载前，调整试件与加载设备连接夹头的松紧程度和预拉夹头球铰，校正试件微量的不均匀受力。采用位移控制的加载方式，加载速度为0.2 mm/min，对应的名义应变率为1.11×10−5 s−1，并在拉伸过程中采集力-位移数据。夹具形式、试件粘接形式和加载装置如图3(b)和图3(c)所示。

    图  3  试验设备、试件及加载装置
    Figure  3.  Test instrument, specimen and loading device
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    在准静态压缩试验过程中，为了受力均匀，在试件两端分别放置两块钢板，如图3(d)所示。准静态压缩试验采用位移控制的加载方式，加载速度为5 mm/min，对应的名义应变率为8.3×10−4 s−1，并在压缩过程中记录实时力-位移数据。

    2.   单轴拉伸试验结果

    2.1   BF/FC的破坏模式

    不同密度BF/FC试件的破坏模式如图4所示。首先荷载随着拉伸变形的增大逐步增加，当试件标距内出现肉眼可见的裂缝时，试件被拉断并伴随着“砰”的响声，经观察主裂缝两边无微裂缝，且出现在试件标距内的任意位置，具有随机性。随着密度增加试件断裂时发出的声响也会增大，但随着纤维掺量的提高，断裂时发出的声响变小。观察试件破坏形态发现，随着试件密度的增大，其断口趋于平整、清晰。此外，对于纤维掺量较高且长度较长的试件可在断口处清晰看见拔出的纤维。

    图  4  BF/FC拉伸破坏模式
    Figure  4.  Tensile failure mode of BF/FC
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    2.2   BF/FC的形变

    由于FC内部缺陷较多导致试验数据离散性较大，因此在3个数据中选取峰值应力为中值的应力-应变曲线进行试验结果分析[19]。本试验4组不同密度FC试件的应力-应变曲线如图5所示。在加载初期，试件处于弹性阶段，应力随应变线性增加，不同密度FC的拉伸弹性模量基本相同。弹性阶段结束试件即发生破坏，因此FC的初裂应变为峰值应变，初裂强度为峰值强度，达到峰值强度后曲线无平滑的下降段。FC的峰值强度和峰值应变均随其密度提高而增加。

    图  5  不同密度FC单轴拉伸名义应力-名义应变曲线
    Figure  5.  Nominal stress-nominal strain curves of FC with different densities subjected to uniaxial tension
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    48组BF/FC试件拉伸应力-应变曲线如图6所示，特征点如表5所示。在初期加载阶段，试件处于弹性阶段，应力-应变关系表现为线性增加，不同试件的拉伸弹性模量差别不大。当试件达到峰值应变后，试件即发生破坏。在低密度FC中掺入玄武岩纤维后，可以观察到试件到达峰值应变后曲线的下降段较平缓，如图6(a)~6(b)所示。低密度玄BF/FC试件达到峰值应变后发生开裂，纤维的桥接作用使裂缝处仍能传递拉应力，因此截面应力未发生陡降。当BF/FC密度较高时，试件达到峰值应变时的应力较大，纤维的有限桥接作用无法传递较大的拉应力，导致试件发生突然破坏，如图6(e)~6(h)。如图6(c)~6(d)所示，虽然一些试件的峰值应力接近，但其下降段不尽相同。这是由于试件中BF的分布具有随机性，试件发生拉伸破坏的位置及裂缝走向也具有随机性，当断裂面处纤维分布较多时，试件发生破坏后，大量的纤维能够继续传递拉应力，故其下降段较平缓；当断裂面处纤维分布较少时，试件发生破坏后，少量的纤维难以传递拉应力，导致下降段发生陡降。

    图  6  48组BF/FC单轴拉伸名义应力-名义应变曲线
    Figure  6.  Nominal stress-nominal strain curves of 48 sets of BF/FC subjected to uniaxial tension
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    表  5  BF/FC单轴拉伸试件的特征点
    Table  5.  Characteristics of BF/FC specimen subjected to uniaxial tension
    Specimen indexPeak stress/MPaImprovement rate/%Peak strainImprovement rate/%FM
    FC-424 0.019 - 0.012 - Ⅰ
    0.15vol%BF(6)/FC-414 0.033 74 0.049 308 Ⅰ
    0.30vol%BF(6)/FC-426 0.033 74 0.037 208 Ⅰ
    0.45vol%BF(6)/FC-405 0.036 90 0.048 300 Ⅰ
    0.15vol%BF(9)/FC-411 0.065 242 0.039 225 Ⅰ
    0.30vol%BF(9)/FC-432 0.077 305 0.047 292 Ⅰ
    0.45vol%BF(9)/FC-419 0.104 447 0.059 392 Ⅰ
    0.15vol%BF(12)/FC-416 0.087 358 0.050 317 Ⅰ
    0.30vol%BF(12)/FC-405 0.130 584 0.080 567 Ⅰ
    0.45vol%BF(12)/FC-424 0.159 737 0.112 833 Ⅰ
    0.15vol%BF(15)/FC-435 0.098 416 0.046 283 Ⅰ
    0.30vol%BF(15)/FC-419 0.121 537 0.059 392 Ⅰ
    0.45vol%BF(15)/FC-407 0.099 421 0.047 292 Ⅰ
    FC-713 0.058 - 0.032 - Ⅰ
    0.15vol%BF(6)/FC-721 0.079 37 0.035 10 Ⅰ
    0.30vol%BF(6)/FC-726 0.122 110 0.054 69 Ⅰ
    0.45vol%BF(6)/FC-714 0.146 152 0.070 119 Ⅰ
    0.15vol%BF(9)/FC-708 0.134 131 0.067 109 Ⅰ
    0.30vol%BF(9)/FC-719 0.196 238 0.098 206 Ⅰ
    0.45vol%BF(9)/FC-732 0.224 286 0.101 216 Ⅰ
    0.15vol%BF(12)/FC-726 0.151 160 0.072 125 Ⅰ
    0.30vol%BF(12)/FC-732 0.196 238 0.092 188 Ⅰ
    0.45vol%BF(12)/FC-734 0.308 431 0.175 447 Ⅰ
    0.15vol%BF(15)/FC-715 0.125 116 0.072 125 Ⅰ
    0.30vol%BF(15)/FC-711 0.196 238 0.095 198 Ⅰ
    0.45vol%BF(15)/FC-703 0.250 331 0.145 353 Ⅰ
    FC-1032 0.105 - 0.058 - Ⅰ
    0.15vol%BF(6)/FC-1024 0.187 78 0.120 107 Ⅰ
    0.30vol%BF(6)/FC-1017 0.259 147 0.141 143 Ⅰ
    0.45vol%BF(6)/FC-1009 0.302 188 0.177 205 Ⅰ
    0.15vol%BF(9)/FC-1003 0.242 131 0.159 174 Ⅰ
    0.30vol%BF(9)/FC-1013 0.261 149 0.203 250 Ⅱ
    0.45vol%BF(9)/FC-1026 0.308 193 0.275 374 Ⅱ
    0.15vol%BF(12)/FC-1011 0.288 174 0.208 259 Ⅱ
    0.30vol%BF(12)/FC-1007 0.325 210 0.200 245 Ⅱ
    0.45vol%BF(12)/FC-1023 0.426 306 0.247 326 Ⅱ
    0.15vol%BF(15)/FC-1034 0.165 57 0.082 41 Ⅰ
    0.30vol%BF(15)/FC-1010 0.281 168 0.144 148 Ⅰ
    0.45vol%BF(15)/FC-1032 0.346 137 0.184 217 Ⅱ
    FC-1305 0.183 - 0.088 - Ⅰ
    0.15vol%BF(6)/FC-1317 0.224 22 0.115 31 Ⅰ
    0.30vol%BF(6)/FC-1333 0.234 28 0.103 17 Ⅰ
    0.45vol%BF(6)/FC-1319 0.326 78 0.158 80 Ⅰ
    0.15vol%BF(9)/FC-1326 0.239 31 0.133 51 Ⅰ
    0.30vol%BF(9)/FC-1322 0.251 37 0.135 53 Ⅰ
    0.45vol%BF(9)/FC-1307 0.280 53 0.173 97 Ⅱ
    0.15vol%BF(12)/FC-1311 0.216 18 0.112 27 Ⅰ
    0.30vol%BF(12)/FC-1304 0.297 62 0.167 90 Ⅰ
    0.45vol%BF(12)/FC-1337 0.406 122 0.314 257 Ⅱ
    0.15vol%BF(15)/FC-1328 0.208 14 0.121 38 Ⅰ
    0.30vol%BF(15)/FC-1321 0.311 70 0.193 119 Ⅱ
    0.45vol%BF(15)/FC-1317 0.373 104 0.221 151 Ⅱ
    Note: FM—Failure mode.
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    高密度BF/FC试件的应力-应变曲线如图6(e)~6(h)所示，观察到斜率减小的折线型弹性阶段，弹性阶段斜率的减小代表试件拉伸弹性模量的减小。在试件的几何形状、边界条件和外力的作用形式未发生改变时，弹性模量的减小意味着试件抗拉刚度的减小。试件在抗拉刚度减小的同时还能继续承受荷载，可认为试件在拉伸过程中出现了伪应变硬化的现象。在对纤维织物混凝土，工程水泥基复合材料(ECC)[20-22]等拉伸试验研究中出现了伪应变硬化的现象，即材料在拉伸过程中出现了裂缝、损伤、缺陷后仍具有抵抗变形的能力，同时产生了一定程度的塑性变形。对比图6(b)、图6(d)、图6(f)、图6(h)，BF/FC应力-应变曲线弹性阶段的转折点和对应相同密度FC峰值点较接近，说明BF/FC出现伪应变硬化现象时，试件薄弱面达到极限抗拉强度继而出现裂缝，裂缝出现时纤维的桥接作用能有效抑制裂缝扩展，使试件能够继续承载。最后当裂缝处的纤维拔出或断裂时，试件无法继续承载并突然发生破坏。这种伪应变硬化现象主要出现在密度较高、纤维掺量高和长度较长的BF/FC中，FC密度越高、纤维掺量越高及长度越长基材与纤维的相互作用越强，从而伪应变硬化现象越明显。

    从试件的应力-应变曲线可以归纳为两种失效模式：模式Ⅰ为试件在出现初始裂缝后直接发生破坏；模式Ⅱ为试件出现了明显的伪应变硬化现象。各组试件的失效模式归类如表5所示。试验结果表明：掺入适量纤维可使脆性破坏的失效模式Ⅰ变为伪塑性破坏的失效模式Ⅱ，提高FC的韧性和耗能能力。

    2.3   BF/FC拉伸试验数据

    BF掺量及长度对BF/FC峰值应力的影响如图7和图8所示，具体试验数据见表5。

    图  7  BF掺量对BF/FC拉伸峰值应力的影响
    Figure  7.  Effect of BF volume fraction on peak stress of BF/FC under tension
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    图  8  BF长度对BF/FC拉伸峰值应力的影响
    Figure  8.  Effect of length of BF on peak stress of BF/FC under tension
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    BF对不同密度FC抗拉性能的提升效果显著，BF对400 kg/m3、700 kg/m3、1000 kg/m3和1300 kg/m3试件的峰值强度平均提升了357%、206%、161%和53%，峰值应变平均提升了367%、180%、207%和84%。试验数据表明BF对低密度FC的抗拉性能提升效果最好。密度较低时，FC基底材料较松散，与纤维的相互作用较弱，虽然掺入纤维后试件抗拉强度的提升较小，但相较于FC自身极低的抗拉强度，提升效果十分显著；密度较高时，泡沫混凝土基底材料较密实，与纤维的相互作用较强，同时FC自身已具有较高的抗拉强度，虽然掺入纤维后抗拉强度提升较多，但相对提升效果不如低密度那样明显。

    如图7所示，在相同密度、相同纤维长度下，试件的抗拉性能随着纤维掺量增加而提升。当BF体积分数为0.45vol%时，试件抗拉性能提升最明显。许多学者在研究BF掺量对于混凝土受拉性能影响时发现，BF体积分数在0.4vol%~0.6vol%时混凝土受拉性能提升作用达到峰值[13, 23]。目前有限试验数据无法验证0.45vol%为最佳纤维体积掺量，后续试验中会考虑更高的纤维掺量。

    如图8所示，在相同密度、相同体积掺量下，BF长度对试件抗拉性能先提升后降低。当BF长度为12 mm 时，试件的抗拉性能改善最显著。但当BF长度为15 mm时，试件的抗拉强度有所降低，纤维越长导致其在混凝土内部的分散性就越差，纤维更易聚集成团，试件产生薄弱区，如图9所示。

    图  9  15 mm BF成团示意图
    Figure  9.  Schematic of gathering of BF with length of 15 mm
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    2.4   BF/FC的微观形貌

    为了观察BF/FC试件拉伸后纤维形态，分别从FC-424、0.15vol%BF(6)/FC-414、0.45vol%BF(6)/FC-405、0.15vol%BF(15)/FC-435四个试件的断裂面上切割出尺寸为8 mm×8 mm×5 mm试件，采用场发射扫描电子显微镜ZEISS Gemini 300，对切割出的试件进行SEM分析。FC-424的SEM图像如图10(a)所示，可以观察到低密度FC的基材较松散，并能分析出水化产物的构成。0.15vol%BF(6)/FC-414的SEM图像如图10(b)所示，当纤维长度过短或者纤维掺量不足时，纤维与基材之间出现了明显的粘结滑移，基材内出现了较明显的微裂缝。试件的密度较低导致基材与纤维的相互作用较弱，因此纤维表面并未观察到明显划痕。0.45vol%BF(6)/FC-405的SEM图像如图10(c)所示，当纤维掺量过多时，纤维在基材中会成簇分布，使基材的结构较松散，从而难以提升整体抗拉强度；0.15vol%BF(15)/FC-435的SEM图像如图10(d)所示，当纤维长度过长时，纤维不能完全均匀分散，纤维会出现弯曲、打卷等乱向分布，削弱了纤维的桥接效果。总体来说，微观结构机制分析与宏观试验结果较一致。

    图  10  BF/FC的SEM图像
    Figure  10.  SEM images of BF/FC
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    3.   准静态压缩试验结果及分析

    3.1   BF/FC破坏模式

    在准静态压缩试验过程中，BF/FC在不同密度和不同纤维掺量及长度下呈现3种不同的破坏模式：横向压溃破坏、斜截面剪切破坏和纵向劈裂破坏。其中，横向压溃破坏是在压缩过程中，试件表面首先出现未贯穿的横向主裂缝，然后横向主裂缝的两侧出现较短的纵向裂缝或斜裂缝，随着纵向裂缝或斜裂缝的扩展，试件表面逐渐剥落直至试件被压溃，如图11(a)所示。斜截面剪切破坏是在压缩过程中，试件首先出现贯穿的斜向主裂缝，然后主裂缝两侧出现纵向裂缝，随着裂缝扩展，试件表面逐渐剥落，最终试件被压溃，如图11(b)所示。纵向劈裂破坏是在压缩过程中，试件首先出现贯穿的纵向主裂缝，然后主裂缝两侧出现较多的纵向裂缝，随着裂缝扩展，试件逐渐剥落直至压溃，如图11(c)所示。

    图  11  BF/FC压溃模式
    Figure  11.  Failure pattern of BF/FC
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    各密度未掺BF的FC均呈现纵向劈裂破坏。对于400 kg/m3的BF/FC，当纤维掺量为0.15vol%时，试件呈纵向劈裂破坏；当纤维掺量增加至0.3vol%时，试件发生斜截面剪切破坏；当纤维掺量继续增加至0.45vol%时，纤维长度为6 mm和15 mm的试件出现斜截面剪切破坏，纤维长度为9 mm和12 mm的试件为横向压溃破坏。对于700 kg/m3的BF/FC，当纤维掺量为0.15vol%时，试件为纵向劈裂破坏；当纤维掺量增加到0.3vol%时，纤维长度为9 mm和12 mm的试件出现斜截面剪切破坏，纤维长度为6 mm和15 mm的试件呈现纵向劈裂破坏；当纤维掺量增至0.45vol%时，仅12 mm纤维的试件表现出横向压溃破坏，其他试件皆发生斜截面剪切破坏。对于1000 kg/m3的BF/FC，当纤维掺量为0.15vol%时，试件呈现纵向劈裂破坏；当纤维掺量增加至0.3vol%和0.45vol%时，仅掺12 mm纤维的试件呈斜截面剪切破坏，其余试件均发生纵向劈裂破坏。对于1300 kg/m3的BF/FC，试件均呈现竖向劈裂破坏。以掺入12 mm纤维长度的试件为例，典型的裂缝开展模式见图12。观察各试件的裂缝开展和破坏模式发现：随着纤维掺量的增加，中低密度试件从纵向劈裂破坏转变为斜截面剪切破坏直至横向压溃破坏。对中高密度试件，纤维掺量的增加使试件从纵向劈裂破坏转变为斜截面剪切破坏。高密度试件均发生纵向劈裂破坏，纤维的掺入未改变其破坏模式。在同一纤维掺量下，9 mm和12 mm的中长度纤维对试件破坏模式的改变作用显著；由于6 mm短纤维与基材的相互作用较弱及15 mm长纤维在试件内易成团导致纤维对试件压缩力学性能作用不明显，因此6 mm的短纤维和15 mm的长纤维对改变试件破坏模式的影响较小。

    图  12  纤维长度为12 mm的BF/FC裂缝开展模式
    Figure  12.  Crack development of BF/FC with fiber length of 12 mm
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    FC抗拉强度低且在压缩过程中有向外膨胀的趋势，因此试件易发生受拉破坏产生贯穿的纵向裂缝。泡沫混凝土密度越高，泊松比越大导致压缩时向外膨胀作用越显著，更易出现竖向裂缝。试件掺入纤维后，纤维在试件内部的拉结作用显著提高了试件的抗拉强度，有效约束试件横向变形，限制了竖向裂缝的发展。随着掺量增加，裂缝的初始走向逐渐从竖向转变为斜向，甚至产生横向初始裂缝。当试件密度较低时，较强的纤维拉结作用显著影响了初始裂缝的发展方向；当试件密度较高时，试件的泊松比较大，有限的纤维拉结作用无法有效限制竖向裂缝的开展。

    图13为400 kg/m3试件压缩应变达到70%时的压溃情况。其中图13(a)为试件FC-439的压溃情况，其破坏模式为竖向劈裂破坏；图13(b)为试件0.30vol%BF(12)/FC-429的压溃情况，其破坏模式为斜截面剪切破坏；图13(c)为试件0.45vol%BF(12)/FC-442的压溃情况，其破坏模式为横向压溃破坏。如图13所示：试件FC-439外圈散落着未被压实的剥落块且体积较大，试件中心呈现较小的圆形压实区域；试件0.30vol%BF(12)/FC-429外圈散落着较少剥落块，大部分剥落块体积较小且呈片状，试件中心呈较大的多边形压实区域，试件表面可观察到纤维的拔出；试件0.45vol%BF(12)/FC-442外圈散落着少量未被压实的剥落块且体积较小，试件呈较完整的方形压实区域，试件表面存在大量纤维的拔出。

    图  13  BF/FC试件压溃情况对比
    Figure  13.  Comparison of collapse modes of BF/FC specimens
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    3.2   BF/FC单轴压缩吸能能力

    与拉伸试验相同，在3个数据中选取峰值应力为中值的应力-应变曲线进行试验结果分析[19]。通常使用初始峰值应力、平台应力、压实应变、吸能总量和比吸能来评价多孔材料的吸能能力。本文采用的是由Miltz等[24]提出的用能量吸收效率Ef来确定材料的压实应变：

    Ef(εa)=1σa∫εa0σ(ε) dε,0⩽ (1)

    式中： \sigma \left( \varepsilon \right) 是泡沫材料在受压状态下的名义应力-应变关系；\varepsilon 介于0~{\varepsilon _{\text{a}}}之间；{\varepsilon _{\text{a}}}是试件任一时刻的应变值；{\sigma _{\text{a}}}是\varepsilon = {\varepsilon _{\text{a}}}时所对应的应力，吸能效率极大值所对应的应变即为压实应变{\varepsilon _{\text{D}}}[25]，压实应变{\varepsilon _{\text{D}}}可由下式求出：

    \left. {\frac{{{\text{d}}{E_{\text{f}}}({\varepsilon _{\text{a}}})}}{{{\text{d}}{\varepsilon _{\text{a}}}}}} \right|\begin{array}{*{20}{c}} {} \\ {{\varepsilon _{\text{a}}} = {\varepsilon _{\text{D}}} = 0} \end{array} ,\quad 0 \leqslant {\varepsilon _{\text{a}}} < 1 (2)

    平台应力{\sigma _{\text{m}}}为试件达到压实应变前所承受的应力的平均值，平台应力{\sigma _{\text{m}}}可由下式计算：

    {\sigma _{\rm{m}}} = \frac{1}{{{\varepsilon _{\text{D}}}}}\int_0^{{\varepsilon _{\text{D}}}} {\sigma \left( \varepsilon \right)} {\text{d}}\varepsilon (3)

    总吸能{E_{\text{a}}}由荷载-位移关系曲线积分获得：

    {E_{\text{a}}} = \int_0^l P {\text{d}}l (4)

    其中：l为试件达到压实应变之前，任一时刻的位移值； P 为任一位移值试件受到的压力。

    比吸能{E_{{\text{SA}}}}是试件的总吸能Ea与试件总质量m的比值：

    {E_{{\text{SA}}}} = \frac{{{E_{\text{a}}}}}{m} (5)

    表6为不同BF/FC准静态压缩试验能量吸收指标。图14、图15为BF掺量及长度对试件能量吸收的影响。如表6所示， 400 kg/m3的BF/FC的峰值应力、平台应力、吸能和比吸能均随纤维掺量的增加而增加，随纤维长度的增加先增大后减小。与拉伸试验现象相同，BF随纤维长度的增加变得易打结且不易分散，导致试件局部有效截面积减小，继而承载力降低。由表6可知，700 kg/m3、1000 kg/m3、1300 kg/m3的中高密度BF/FC的峰值应力差别不大，纤维的掺入未显著提高试件的峰值应力，但其平台应力、吸能和比吸能随纤维掺量的增加而增大，随纤维长度的增加先增大后减小。结合表6分析，当纤维长度为12 mm，体积掺量为0.45vol%时，试件的平台应力、吸能及比吸能均达到最大值，442 kg/m3、711 kg/m3、1016 kg/m3、1306 kg/m3的BF/FC与对应密度FC相比，平台应力分别提高了282%、134%、127%、168%，总吸能分别提高了328%、155%、135%、174%。其结果表明BF对低密度试件的吸能能力有较显著的提升，保证了材料轻量化的同时提高了其吸能能力。

    表  6  BF/FC准静态压缩能量吸收指标
    Table  6.  Energy absorption characteristics of BF/FC under quasi-static compression
    Specimen indexPeak and plateau stress/MPa{\varepsilon _{\text{D}}}{E_{\text{a}}}/J and {E_{{\text{SA}}}}/(J·g-1)
    FC-4390.525/0.4110.47190.0/0.433
    0.15vol%BF(6)/FC-4380.995/0.6960.42309.5/0.707
    0.30vol%BF(6)/FC-4401.259/0.6360.43311.2/0.707
    0.45vol%BF(6)/FC-4281.589/1.0500.51532.9/1.245
    0.15vol%BF(9)/FC-4441.246/0.7240.52407.1/0.917
    0.30vol%BF(9)/FC-4401.229/0.8810.52448.7/1.020
    0.45vol%BF(9)/FC-4231.772/1.2500.43576.2/1.362
    0.15vol%BF(12)/FC-4391.254/0.9230.52468.0/1.066
    0.30vol%BF(12)/FC-4291.755/1.4270.57789.4/1.840
    0.45vol%BF(12)/FC-4421.910/1.5700.56813.1/1.840
    0.15vol%BF(15)/FC-4191.390/0.7840.53441.2/1.053
    0.30vol%BF(15)/FC-4151.696/1.3990.51692.0/1.668
    0.45vol%BF(15)/FC-4041.443/0.8460.59490.2/1.213
    FC-7104.561/1.4590.33614.8/0.866
    0.15vol%BF(6)/FC-7364.220/1.4300.53831.6/1.130
    0.30vol%BF(6)/FC-7134.137/1.8480.39857.7/1.203
    0.45vol%BF(6)/FC-7304.470/1.3860.57916.7/1.256
    0.15vol%BF(9)/FC-7405.072/1.7180.44955.6/1.291
    0.30vol%BF(9)/FC-7023.553/2.6360.491258.0/1.792
    0.45vol%BF(9)/FC-7205.070/3.2490.441423.4/1.977
    0.15vol%BF(12)/FC-7255.723/2.4400.451118.3/1.542
    0.30vol%BF(12)/FC-7044.063/2.9940.521534.3/2.179
    0.45vol%BF(12)/FC-7114.305/3.4130.501566.7/2.204
    0.15vol%BF(15)/FC-7155.250/2.3380.37985.8/1.379
    0.30vol%BF(15)/FC-7254.648/3.2920.471516.5/2.092
    0.45vol%BF(15)/FC-6965.064/2.7190.491313.5/1.887
    FC-10259.459/3.7600.361587.9/1.549
    0.15vol%BF(6)/FC-102611.707/3.7580.462086.0/2.033
    0.30vol%BF(6)/FC-104413.488/4.3270.492365.9/2.266
    0.45vol%BF(6)/FC-101612.417/5.0470.482558.2/2.518
    0.15vol%BF(9)/FC-101111.565/4.9330.372096.2/2.073
    0.30vol%BF(9)/FC-100312.319/5.5360.472580.7/2.573
    0.45vol%BF(9)/FC-99211.471/6.7390.513193.3/3.219
    0.15vol%BF(12)/FC-9978.913/5.0170.522716.4/2.725
    0.30vol%BF(12)/FC-99712.503/6.9590.553374.7/3.385
    0.45vol%BF(12)/FC-101614.011/8.5290.503739.2/3.680
    0.15vol%BF(15)/FC-10019.984/4.9690.512536.6/2.534
    0.30vol%BF(15)/FC-100011.940/5.3900.532981.3/2.981
    0.45vol%BF(15)/FC-104112.538/6.9110.513430.7/3.296
    FC-132223.601/4.5470.382351.2/1.779
    0.15vol%BF(6)/FC-133124.556/5.9200.372646.3/1.988
    0.30vol%BF(6)/FC-133223.282/5.9900.433180.0/2.377
    0.45vol%BF(6)/FC-130820.178/8.6690.494136.7/3.163
    0.15vol%BF(9)/FC-132023.643/6.1240.372759.1/2.090
    0.30vol%BF(9)/FC-132624.580/6.5020.503776.5/2.848
    0.45vol%BF(9)/FC-129325.920/9.0830.474189.5/3.240
    0.15vol%BF(12)/FC-130721.120/7.1360.443452.7/2.642
    0.30vol%BF(12)/FC-130820.126/10.7080.505135.4/3.926
    0.45vol%BF(12)/FC-130622.800/12.1940.566433.7/4.926
    0.15vol%BF(15)/FC-130224.311/5.3970.392816.0/2.163
    0.30vol%BF(15)/FC-131023.903/11.0510.525432.6/4.147
    0.45vol%BF(15)/FC-129620.191/9.7940.524884.6/3.769
    Notes: {\varepsilon _{\text{D}}}—Densification strain; {E_{\text{a}}}and {E_{{\text{SA}}}}—Energy absorption and specific energy absorption.
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    图  14  BF维掺量对BF/FC吸能的影响
    Figure  14.  Effect of BF volume fraction on energy absorption of BF/FC specimen
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      15  BF长度对BF/FC吸能的影响
      15.  Effect of BF length of on energy absorption of BF/FC specimen
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    选取了能量吸收能力最好的12 mm试块名义应力-应变曲线进行对比分析，图16为选取的应力-应变曲线。FC和BF/FC试件准静态压缩名义应力-应变曲线基本相似，试件依次出现弹性阶段、平台阶段和密实阶段。对于400 kg/m3试件，FC和BF/FC应力-应变均无明显峰值；对于700 kg/m3试件，泡沫混凝土有较明显的峰值应力，BF/FC无明显峰值应力；1000 kg/m3和1300 kg/m3试件均有明显峰值应力。BF/FC的平台应力均高于相同密度等级的FC的平台应力，随着纤维掺量的增加试件的平台应力显著提高，其吸能能力也大幅度提高。FC主要靠气孔的坍塌破坏进行吸能，而BF/FC作为纤维复合材料可以通过基材开裂破碎、纤维断裂、纤维与基材摩擦等多种方式进行吸能[26]。在一定范围内，纤维越长、体积掺量越高，纤维断裂与摩擦吸收的能量也就越多，其损伤过程也越为稳定，故其平台应力也就越高，吸能也就越多。掺入BF会导致FC小孔数量急剧增加[27-28]，内部孔结构更加均匀，降低了由初始缺陷导致试件破坏的机率，从而使其破坏过程更加稳定，因此BF/FC的吸能性能优于泡沫混凝土。

    图  16  BF长度为12 mm的BF/FC名义应力-应变曲线
    Figure  16.  Nominal stress-strain curves of BF/FC with BF length of 12 mm
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    4.   结 论

    开展了52组玄武岩增强泡沫混凝土试件的单轴拉伸和准静态压缩试验，研究了玄武岩纤维体积掺量和纤维长度对不同密度试件的破坏模式、承载能力、变形能力、吸能能力的影响。

    (1) 玄武岩纤维可显著提高试件的抗拉峰值应力和峰值应变。试件的抗拉峰值应力和峰值应变随纤维体积掺量增大而增大，随纤维长度增长先增大后降低。掺入玄武岩纤维能改变1000 kg/m3、1300 kg/m3中高密度试件的受拉失效模式，使其出现伪应变硬化现象，从脆性破坏转变为伪塑性破坏，提升了试件的承载能力和变形能力。

    (2) 玄武岩纤维可显著提升400 kg/m3试件的抗压峰值应力，对700 kg/m3、1000 kg/m3、1300 kg/m3试件的抗压峰值应力提升不明显；对各密度试件的压实应变、平台应力、总吸能和比吸能均有显著提升。试件的吸能能力随纤维体积掺量增大而增强，随纤维长度增长先提升后降低。

    (3) 玄武岩纤维可改变400 kg/m3、700 kg/m3、1000 kg/m3中低密度试件的受压破坏模式，使其从纵向劈裂破坏转变为斜向剪切破坏和横向压溃破坏，显著提高试件的吸能能力。

    (4) 当玄武岩纤维的体积掺量为0.45%、长度为12 mm时，玄武岩纤维泡沫混凝土的抗拉峰值应力、峰值应变和压缩吸能能力均达到最大值。本文推荐0.45%体积分数、12 mm的玄武岩纤维泡沫混凝土应用于吸能防护领域。

  • 图  1   玄武岩纤维(BF)

    Figure  1.   Basalt fiber (BF)

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    图  2   发泡设备

    Figure  2.   Foaming machine

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    图  3   试验设备、试件及加载装置

    Figure  3.   Test instrument, specimen and loading device

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    图  4   BF/FC拉伸破坏模式

    Figure  4.   Tensile failure mode of BF/FC

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    图  5   不同密度FC单轴拉伸名义应力-名义应变曲线

    Figure  5.   Nominal stress-nominal strain curves of FC with different densities subjected to uniaxial tension

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    图  6   48组BF/FC单轴拉伸名义应力-名义应变曲线

    Figure  6.   Nominal stress-nominal strain curves of 48 sets of BF/FC subjected to uniaxial tension

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    图  7   BF掺量对BF/FC拉伸峰值应力的影响

    Figure  7.   Effect of BF volume fraction on peak stress of BF/FC under tension

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    图  8   BF长度对BF/FC拉伸峰值应力的影响

    Figure  8.   Effect of length of BF on peak stress of BF/FC under tension

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    图  9   15 mm BF成团示意图

    Figure  9.   Schematic of gathering of BF with length of 15 mm

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    图  10   BF/FC的SEM图像

    Figure  10.   SEM images of BF/FC

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    图  11   BF/FC压溃模式

    Figure  11.   Failure pattern of BF/FC

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    图  12   纤维长度为12 mm的BF/FC裂缝开展模式

    Figure  12.   Crack development of BF/FC with fiber length of 12 mm

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    图  13   BF/FC试件压溃情况对比

    Figure  13.   Comparison of collapse modes of BF/FC specimens

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    图  14   BF维掺量对BF/FC吸能的影响

    Figure  14.   Effect of BF volume fraction on energy absorption of BF/FC specimen

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    15   BF长度对BF/FC吸能的影响

    15.   Effect of BF length of on energy absorption of BF/FC specimen

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    图  16   BF长度为12 mm的BF/FC名义应力-应变曲线

    Figure  16.   Nominal stress-strain curves of BF/FC with BF length of 12 mm

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    表  1   水泥基本参数

    Table  1   Basic parameters of cement

    CementSpecific surface area/(m2·kg−1)Setting time/minFlexural strength/MPaCompressive strength/MPa
    InitialFinal3 days28 days3 days28 days
    P.O 42.53407027068.53548
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    表  2   BF的主要性能指标

    Table  2   Main properties of BF

    Diameter/μmTensile strength/MPaElastic modulus/GPaElongation/%Density/(kg·m-3)
    134150-475095-1153.12650
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    表  3   玄武岩纤维增强泡沫混凝土(BF/FC)配合比

    Table  3   Mix proportion of basalt fiber reinforced foam concrete (BF/FC)

    Target density of foam concrete/(kg·m−3)Cement/
    (kg·m−3)    		Water/
    (kg·m−3)    		Foam/
    (kg·m−3)    		Length of
    fiber/mm    		Fiber volume
    fraction/vol%    		Mass of fiber/
    (kg·m−3)
    400230.98115.4956.560/6/12/150/0.15/0.3/0.450/3.98/7.96/11.94
    700439.22219.6144.380/6/12/150/0.15/0.3/0.450/3.98/7.96/11.94
    1000647.45323.7332.270/6/12/150/0.15/0.3/0.450/3.98/7.96/11.94
    1300855.67427.8420.090/6/12/150/0.15/0.3/0.450/3.98/7.96/11.94
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    表  4   BF/FC试件汇总

    Table  4   Summary of BF/FC specimens

    Tensile specimenCompressive specimen
    FC-424FC-439
    0.15vol%BF(6)/FC-4140.15vol%BF(6)/FC-438
    0.30vol%BF(6)/FC-4260.30vol%BF(6)/FC-440
    0.45vol%BF(6)/FC-4050.45vol%BF(6)/FC-428
    0.15vol%BF(9)/FC-4110.15vol%BF(9)/FC-444
    0.30vol%BF(9)/FC-4320.30vol%BF(9)/FC-440
    0.45vol%BF(9)/FC-4190.45vol%BF(9)/FC-423
    0.15vol%BF(12)/FC-4160.15vol%BF(12)/FC-439
    0.30vol%BF(12)/FC-4050.30vol%BF(12)/FC-429
    0.45vol%BF(12)/FC-4240.45vol%BF(12)/FC-442
    0.15vol%BF(15)/FC-4350.15vol%BF(15)/FC-419
    0.30vol%BF(15)/FC-4190.30vol%BF(15)/FC-415
    0.45vol%BF(15)/FC-4070.45vol%BF(15)/FC-404
    FC-713FC-710
    0.15vol%BF(6)/FC-7210.15vol%BF(6)/FC-736
    0.30vol%BF(6)/FC-7260.30vol%BF(6)/FC-713
    0.45vol%BF(6)/FC-7140.45vol%BF(6)/FC-730
    0.15vol%BF(9)/FC-7080.15vol%BF(9)/FC-740
    0.30vol%BF(9)/FC-7190.30vol%BF(9)/FC-702
    0.45vol%BF(9)/FC-7320.45vol%BF(9)/FC-720
    0.15vol%BF(12)/FC-7260.15vol%BF(12)/FC-725
    0.30vol%BF(12)/FC-7320.30vol%BF(12)/FC-704
    0.45vol%BF(12)/FC-7340.45vol%BF(12)/FC-711
    0.15vol%BF(15)/FC-7150.15vol%BF(15)/FC-715
    0.30vol%BF(15)/FC-7110.30vol%BF(15)/FC-725
    0.45vol%BF(15)/FC-7030.45vol%BF(15)/FC-696
    FC-1032FC-1025
    0.15vol%BF(6)/FC-10240.15vol%BF(6)/FC-1026
    0.30vol%BF(6)/FC-10170.30vol%BF(6)/FC-1044
    0.45vol%BF(6)/FC-10090.45vol%BF(6)/FC-1016
    0.15vol%BF(9)/FC-10030.15vol%BF(9)/FC-1011
    0.30vol%BF(9)/FC-10130.30vol%BF(9)/FC-1003
    0.45vol%BF(9)/FC-10260.45vol%BF(9)/FC-992
    0.15vol%BF(12)/FC-10110.15vol%BF(12)/FC-997
    0.30vol%BF(12)/FC-10070.30vol%BF(12)/FC-997
    0.45vol%BF(12)/FC-10230.45vol%BF(12)/FC-1016
    0.15vol%BF(15)/FC-10340.15vol%BF(15)/FC-1001
    0.30vol%BF(15)/FC-10100.30vol%BF(15)/FC-1000
    0.45vol%BF(15)/FC-10320.45vol%BF(15)/FC-1041
    FC-1305FC-1322
    0.15vol%BF(6)/FC-13170.15vol%BF(6)/FC-1331
    0.30vol%BF(6)/FC-13330.30vol%BF(6)/FC-1332
    0.45vol%BF(6)/FC-13190.45vol%BF(6)/FC-1308
    0.15vol%BF(9)/FC-13260.15vol%BF(9)/FC-1320
    0.30vol%BF(9)/FC-13220.30vol%BF(9)/FC-1326
    0.45vol%BF(9)/FC-13070.45vol%BF(9)/FC-1293
    0.15vol%BF(12)/FC-13110.15vol%BF(12)/FC-1307
    0.30vol%BF(12)/FC-13040.30vol%BF(12)/FC-1308
    0.45vol%BF(12)/FC-13370.45vol%BF(12)/FC-1306
    0.15vol%BF(15)/FC-13280.15vol%BF(15)/FC-1302
    0.30vol%BF(15)/FC-13210.30vol%BF(15)/FC-1310
    0.45vol%BF(15)/FC-13170.45vol%BF(15)/FC-1296
    Note: Three number in the materials name indicate the volume fraction of the fiber, the length of the fiber, and the density of the specimen, respectively.
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    表  5   BF/FC单轴拉伸试件的特征点

    Table  5   Characteristics of BF/FC specimen subjected to uniaxial tension

    Specimen indexPeak stress/MPaImprovement rate/%Peak strainImprovement rate/%FM
    FC-424 0.019 - 0.012 - Ⅰ
    0.15vol%BF(6)/FC-414 0.033 74 0.049 308 Ⅰ
    0.30vol%BF(6)/FC-426 0.033 74 0.037 208 Ⅰ
    0.45vol%BF(6)/FC-405 0.036 90 0.048 300 Ⅰ
    0.15vol%BF(9)/FC-411 0.065 242 0.039 225 Ⅰ
    0.30vol%BF(9)/FC-432 0.077 305 0.047 292 Ⅰ
    0.45vol%BF(9)/FC-419 0.104 447 0.059 392 Ⅰ
    0.15vol%BF(12)/FC-416 0.087 358 0.050 317 Ⅰ
    0.30vol%BF(12)/FC-405 0.130 584 0.080 567 Ⅰ
    0.45vol%BF(12)/FC-424 0.159 737 0.112 833 Ⅰ
    0.15vol%BF(15)/FC-435 0.098 416 0.046 283 Ⅰ
    0.30vol%BF(15)/FC-419 0.121 537 0.059 392 Ⅰ
    0.45vol%BF(15)/FC-407 0.099 421 0.047 292 Ⅰ
    FC-713 0.058 - 0.032 - Ⅰ
    0.15vol%BF(6)/FC-721 0.079 37 0.035 10 Ⅰ
    0.30vol%BF(6)/FC-726 0.122 110 0.054 69 Ⅰ
    0.45vol%BF(6)/FC-714 0.146 152 0.070 119 Ⅰ
    0.15vol%BF(9)/FC-708 0.134 131 0.067 109 Ⅰ
    0.30vol%BF(9)/FC-719 0.196 238 0.098 206 Ⅰ
    0.45vol%BF(9)/FC-732 0.224 286 0.101 216 Ⅰ
    0.15vol%BF(12)/FC-726 0.151 160 0.072 125 Ⅰ
    0.30vol%BF(12)/FC-732 0.196 238 0.092 188 Ⅰ
    0.45vol%BF(12)/FC-734 0.308 431 0.175 447 Ⅰ
    0.15vol%BF(15)/FC-715 0.125 116 0.072 125 Ⅰ
    0.30vol%BF(15)/FC-711 0.196 238 0.095 198 Ⅰ
    0.45vol%BF(15)/FC-703 0.250 331 0.145 353 Ⅰ
    FC-1032 0.105 - 0.058 - Ⅰ
    0.15vol%BF(6)/FC-1024 0.187 78 0.120 107 Ⅰ
    0.30vol%BF(6)/FC-1017 0.259 147 0.141 143 Ⅰ
    0.45vol%BF(6)/FC-1009 0.302 188 0.177 205 Ⅰ
    0.15vol%BF(9)/FC-1003 0.242 131 0.159 174 Ⅰ
    0.30vol%BF(9)/FC-1013 0.261 149 0.203 250 Ⅱ
    0.45vol%BF(9)/FC-1026 0.308 193 0.275 374 Ⅱ
    0.15vol%BF(12)/FC-1011 0.288 174 0.208 259 Ⅱ
    0.30vol%BF(12)/FC-1007 0.325 210 0.200 245 Ⅱ
    0.45vol%BF(12)/FC-1023 0.426 306 0.247 326 Ⅱ
    0.15vol%BF(15)/FC-1034 0.165 57 0.082 41 Ⅰ
    0.30vol%BF(15)/FC-1010 0.281 168 0.144 148 Ⅰ
    0.45vol%BF(15)/FC-1032 0.346 137 0.184 217 Ⅱ
    FC-1305 0.183 - 0.088 - Ⅰ
    0.15vol%BF(6)/FC-1317 0.224 22 0.115 31 Ⅰ
    0.30vol%BF(6)/FC-1333 0.234 28 0.103 17 Ⅰ
    0.45vol%BF(6)/FC-1319 0.326 78 0.158 80 Ⅰ
    0.15vol%BF(9)/FC-1326 0.239 31 0.133 51 Ⅰ
    0.30vol%BF(9)/FC-1322 0.251 37 0.135 53 Ⅰ
    0.45vol%BF(9)/FC-1307 0.280 53 0.173 97 Ⅱ
    0.15vol%BF(12)/FC-1311 0.216 18 0.112 27 Ⅰ
    0.30vol%BF(12)/FC-1304 0.297 62 0.167 90 Ⅰ
    0.45vol%BF(12)/FC-1337 0.406 122 0.314 257 Ⅱ
    0.15vol%BF(15)/FC-1328 0.208 14 0.121 38 Ⅰ
    0.30vol%BF(15)/FC-1321 0.311 70 0.193 119 Ⅱ
    0.45vol%BF(15)/FC-1317 0.373 104 0.221 151 Ⅱ
    Note: FM—Failure mode.
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    表  6   BF/FC准静态压缩能量吸收指标

    Table  6   Energy absorption characteristics of BF/FC under quasi-static compression

    Specimen indexPeak and plateau stress/MPa{\varepsilon _{\text{D}}}{E_{\text{a}}}/J and {E_{{\text{SA}}}}/(J·g-1)
    FC-4390.525/0.4110.47190.0/0.433
    0.15vol%BF(6)/FC-4380.995/0.6960.42309.5/0.707
    0.30vol%BF(6)/FC-4401.259/0.6360.43311.2/0.707
    0.45vol%BF(6)/FC-4281.589/1.0500.51532.9/1.245
    0.15vol%BF(9)/FC-4441.246/0.7240.52407.1/0.917
    0.30vol%BF(9)/FC-4401.229/0.8810.52448.7/1.020
    0.45vol%BF(9)/FC-4231.772/1.2500.43576.2/1.362
    0.15vol%BF(12)/FC-4391.254/0.9230.52468.0/1.066
    0.30vol%BF(12)/FC-4291.755/1.4270.57789.4/1.840
    0.45vol%BF(12)/FC-4421.910/1.5700.56813.1/1.840
    0.15vol%BF(15)/FC-4191.390/0.7840.53441.2/1.053
    0.30vol%BF(15)/FC-4151.696/1.3990.51692.0/1.668
    0.45vol%BF(15)/FC-4041.443/0.8460.59490.2/1.213
    FC-7104.561/1.4590.33614.8/0.866
    0.15vol%BF(6)/FC-7364.220/1.4300.53831.6/1.130
    0.30vol%BF(6)/FC-7134.137/1.8480.39857.7/1.203
    0.45vol%BF(6)/FC-7304.470/1.3860.57916.7/1.256
    0.15vol%BF(9)/FC-7405.072/1.7180.44955.6/1.291
    0.30vol%BF(9)/FC-7023.553/2.6360.491258.0/1.792
    0.45vol%BF(9)/FC-7205.070/3.2490.441423.4/1.977
    0.15vol%BF(12)/FC-7255.723/2.4400.451118.3/1.542
    0.30vol%BF(12)/FC-7044.063/2.9940.521534.3/2.179
    0.45vol%BF(12)/FC-7114.305/3.4130.501566.7/2.204
    0.15vol%BF(15)/FC-7155.250/2.3380.37985.8/1.379
    0.30vol%BF(15)/FC-7254.648/3.2920.471516.5/2.092
    0.45vol%BF(15)/FC-6965.064/2.7190.491313.5/1.887
    FC-10259.459/3.7600.361587.9/1.549
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    Notes: {\varepsilon _{\text{D}}}—Densification strain; {E_{\text{a}}}and {E_{{\text{SA}}}}—Energy absorption and specific energy absorption.
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-03-01
  • 修回日期:  2022-04-11
  • 录用日期:  2022-04-11
  • 网络出版日期:  2022-04-21
  • 刊出日期:  2023-03-14

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  • 1.   试验材料及试验方法

  • 1.1   原材料和试件制备

  • 1.2   试件设计

  • 1.3   单轴拉伸和准静态压缩试验

  • 2.   单轴拉伸试验结果

  • 2.1   BF/FC的破坏模式

  • 2.2   BF/FC的形变

  • 2.3   BF/FC拉伸试验数据

  • 2.4   BF/FC的微观形貌

  • 3.   准静态压缩试验结果及分析

  • 3.1   BF/FC破坏模式

  • 3.2   BF/FC单轴压缩吸能能力

  • 4.   结 论

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