火灾的发生往往会导致混凝土材料微细观结构的损伤劣化,体现在水化物分解、孔隙结构粗化、热开裂和水汽压力升高诱致开裂等,继而导致材料宏观力学性能及耐久性的下降。轻质高强、内部多孔、高热稳定的玻化微珠(GHB)的细观调控功能可实现混凝土耐高温性能的提升。为了研究受高温作用的再生保温混凝土(RATIC)内部细观结构及裂纹变化特征,本研究首先对高温作用后的RATIC开展了立方体抗压强度试验和CT扫描试验,之后利用基于改进的自适应阈值法和区域生长法的图像分割算法,建立了基于真实结构的RATIC细观模型,分析了不同GHB及再生骨料(RCA)掺量的RATIC试件随温度变化时其内部微裂纹的孕育、萌生、发展及贯通过程。并对RATIC破坏形态与CT结果进行了对比分析。研究结果表明:GHB对裂缝的延伸有显著阻断作用,为蒸汽压提供了释放通道,缓解了砂浆区域、孔隙边界处的开裂,减缓了热量的传播,提升了混凝土抗热致损伤性能。
普通混凝土在冲击载荷作用下断裂耗能能力差,而采用单丝态碳纤维掺入混凝土中制备的碳纤维增强混凝土(Carbon fiber reinforced concrete,CFRC)不仅可使混凝土衍生出多种功能性,同时可大大改善混凝土的抗冲击性能。利用落锤试验机对CFRC梁在低速冲击下的动态力学响应进行研究,在此基础上建立基于纤维随机分布的混凝土细观力学模型,研究不同纤维掺量和冲击速度对CFRC梁在低速冲击下力学响应、断裂耗能及破坏形态等的影响规律。结果表明:力学响应方面,基于随机纤维混凝土细观模型的仿真结果与试验结果符合较好;随着碳纤维体积掺量的增大,支座反力峰值变化不大,碳纤维掺量0.4vol%的混凝土梁跨中竖向位移较大,抗冲击韧性最佳。断裂耗能方面,当冲击速度低于6 m·s–1时,增大掺量有利于碳纤维于基体中发挥桥接作用,提升CFRC梁的断裂耗能能力;随着冲击速度的增大,为保证基体非裂缝区碳纤维与混凝土之间协同耗能,进一步提高碳纤维混凝土的纤维掺量是提升冲击下CFRC耗能的关键。破坏行为方面,碳纤维掺量0.8vol%的混凝土梁在冲击下在跨中主裂缝附近呈现数量较多的斜裂纹弥散开裂行为;当冲击速度达到12 m·s–1时,CFRC梁的破坏呈现弯剪破坏形态。本文的研究结果可为CFRC在工程中的推广应用提供参考。
纤维增强金属复合材料在冲击作用下往往会出现冲击损伤及破坏,主要表现在纤维断裂、树脂基体碎裂脱落、金属基延性损伤以及层间的分层脱胶等,进而导致材料宏观力学性能及抗冲击性能下降。为了减小材料层间开裂脱胶程度从而增强材料的抗冲击性能,本研究通过将金属板冲孔,使用碳纤维和芳纶纤维交替穿编后在真空高温下与环氧树脂基体进行浸润固化,制备了一种三维复合材料纤维金属互穿式复合板(FMICP)。本研究利用轻气炮冲击设备进行冲击试验研究FMICP在低速冲击下的力学响应过程。
本研究首先利用真空辅助成型工艺对试验材料进行加工处理,得到了制备成型的FWMIP,之后通过轻气炮冲击设备、速度测量设备、高速图像采集设备进行了试件的冲击试验,基于高速图像采集设备得到了不同冲击速度下的试件冲击变形过程以及弹体的冲击路径变化情况;采用高速水流切割的方法得到了试件变形破坏横截面图像;使用在试件同等变形处取点位后平滑连接的方法得到了试件在不同变形程度的变形区域;利用图像处理软件,提取不同变形区域的像素点后计算出各相应区域的变形面积;通过测量试件横截面的变形得到不同截面的挠度曲线,研究分析了FMICP在不同冲击速度、不同冲击面积和冲孔样式下的宏观力学性能。
通过研究分析不同冲击速度、不同冲击面积和冲孔样式下FWMIP试件的冲击响应过程、试件不同变形区域与试件横截面变形效果图可以发现:(1)FMICP在低速冲击下的破坏模式可分为整体面板塑形变形和冲击中心区域的局部变形,主要包括金属板的剪切破坏,纤维的拉伸断裂,树脂基体的损伤裂缝、断裂和剥落。试件未出现穿透前,能量吸收方式主要为整体塑形变形和树脂基体裂缝的开展;穿透后,能量耗散的方式为局部剪切冲塞破坏和试件的反复振动。(2)通过拟合计算得出FWMIP试件的理论弹道极限速度在33.85m/s,冲击速度增大后试件被贯穿导致试件的刚度会急剧下降。冲击速度从35.19m/s增加至78.08m/s时,纤维发挥桥接拉伸作用逐渐显著,吸收能量从30.78J增加至70.67J,发生贯穿的面积仅仅增加126.94mm,通过对比和分析变形损伤面积可知,FMICP整体变形对速度敏感性较低,贯穿边界处的局部变形受速度影响较大。(3)弹体冲击面积对能量吸收的影响较大,随着冲击面积的减小,FMICP冲切破坏逐渐明显,纤维拉伸耗能逐渐减小。在相同能量49J冲击作用下,当冲击面积较小时,等效变形轮廓图较为密集,FMICP产生的局部破坏较明显。冲击面积从177mm增加至491mm后,吸收能量增加了10.08J。(4)金属板冲孔类型对试件吸能能力有较大的影响,冲孔类型改变了应力传播路径和金属基所占比例。圆矩型和椭圆型的孔洞边缘较为平滑,矩型的孔洞边角容易发生应力集中,因而矩型的吸能能力较差;矩型和圆矩型的胞元孔洞面积为15.14mm和16mm,高于椭圆型孔洞20.54%和27.39%,使椭圆型孔洞FMICP有较高的金属板质量占比,椭圆型(41.11J)相比于圆矩型(35.10J)和矩型(34.08J)因此有较好的吸能能力。
三维复合材料纤维金属互穿式复合板是将使用穿编后固化的方法,使得纤维之间首先形成初步自锁,在固化之前与金属基互锁进一步增强纤维-金属整体性,最终通过固化的方式再次加强材料的整体连接性,减小复合材料在冲击作用下的分层脱胶程度,从而增强其抗冲击性能;纤维金属互穿式复合板具有轻质、耐腐蚀以及抗冲击整体性能较好的特点,可以通过改变材料类型、冲孔数量等应用于不同的场景。
纤维增强金属复合材料除了有高比强度和高比模量、良好的耐热性能以外还具有良好的抗疲劳性、抗冲击性和损伤容度,受到广泛的关注和研究。然而由于纤维层和金属层之间的界面粘结强度受不同材料的影响,在冲击荷载作用下容易发生金属层和纤维层分层从而严重影响复合材料的力学性能。
本研究的创新点和亮点主要有三点:(1)试件设计:碳纤维在荷载作用下裂纹增长率较低,芳纶纤维抗疲劳损伤性能较好,铝合金板轻质高强,通过将铝合金板冲孔,碳纤维和芳纶纤维双向交替穿编的方法,制备了一种三维复合材料纤维金属互穿式复合板(FMICP),使纤维与金属两种材料形成互锁,增强FMICP整体性和抗冲击性能。(2)试件制备:纤维通过平纹穿编成型,穿编过程中能够通过纤维预应力张拉进行纤维应力调控;铝基合金板为纤维提供了穿编基体,能够进行二次加工冲孔,可控调节冲孔尺寸、样式以及数量。(3)研究方法:利用轻气炮冲击系统进行了低速冲击试验,研究了FMICP在不同冲击速度、不同冲击面积、不同金属板冲孔类型变量下的动态力学响应。通过研究发现,FMICP在不同冲击速度下都没有出现大面积的脱胶现象,仅在冲击点附近出现微小的树脂剥落;冲击面积的增大使参与拉伸作用的纤维数量增多,降低了FMICP的局部变形程度,吸收了更多的冲击能量;椭圆形孔洞FMICP的吸收能量的能力更优。
纤维增强金属复合材料受到冲击时容易发生金属与纤维分层从而影响力学性能,为了缓解此类现象,将金属板冲孔,使用碳纤维和芳纶纤维交替穿编,制备了一种三维复合材料纤维金属互穿式复合板(Fiber Metal Interpenetrating Composite Plate,FMICP)。进行了低速冲击试验,研究了FMICP在不同冲击速度、冲击面积和冲孔样式下的力学性能。研究表明:当冲击速度在35.19~78.08 m/s之间时,FMICP发生了贯穿破坏,吸收了39.78~70.67 J的冲击能量;受到恒定49 J冲击能量时,冲击面积为491 mm2的FMICP最高能够吸收42.77 J能量;随着冲击面积的增大,FMICP中受到拉伸的纤维数量增多,冲击造成的冲切破坏和局部损伤减小;冲孔类型改变了FMICP中金属基的占比和应力传递方式,椭圆冲孔FMICP (41.11 J)相对矩型冲孔FMICP (34.08 J)能够起到更好的吸收能量的作用。本研究结果可为FMICP的推广应用提供参考。