A study on impact compression mechanical properties of PP/CF reinforced coral sand cement-based composites
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摘要: 在人工海水制备珊瑚砂水泥基复合材料中混杂加入碳纤维和聚丙烯纤维,得到4种不同纤维掺量的碳-聚丙烯混杂纤维增强珊瑚砂水泥基复合材料。采用直径100 mm的分离式Hopkinson压杆,对材料进行5种应变率下的冲击压缩试验,采用LS-DYNA进行相应的冲击压缩数值模拟。结果表明:(1) 试验应变率临界值为200 s−1,当试验应变率大于200 s−1时,混杂碳纤维和聚丙烯纤维所形成的纤维网络对试块的增韧效果加强;(2) 碳-聚丙烯混杂纤维增强珊瑚砂水泥基复合材料峰值应力具有明显的应变率效应,且动态增强因子对应变率的敏感程度较高;(3) 使用珊瑚砂细骨料导致试块内微裂纹和微空洞等缺陷较多,在珊瑚砂水泥基复合材料内混杂掺加碳纤维和聚丙烯纤维后,试块冲击抗压强度的提升有限,但珊瑚砂水泥基复合材料的抗冲击韧性显著提升;(4) 通过试验数据和参数调试确定了HJC模型的参数,试块峰值应力的模拟结果与试验结果的误差在5.97 %以内。
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关键词:
- 碳纤维 /
- 聚丙烯纤维 /
- 珊瑚砂水泥基复合材料 /
- 分离式Hopkinson压杆 /
- 冲击压缩力学性能 /
- LS-DYNA
Abstract: Four kinds of carbon-polypropylene hybrid fiber reinforced coral sand cement-based composites with different fiber content were obtained by mixing carbon fiber and polypropylene fiber into coral sand cement-based composites prepared by artificial seawater. Impact compression tests of this material under five strain rates were carried out with a 100-mm diameter split Hopkinson pressure bar. The parameters of Holmquist-Johnson-Cook model are determined by experimental data and parameter debugging. Based on Holmquist-Johnson-Cook model, LS-DYNA is used to simulate the impact compression of this material. By analyzing the failure mode, stress-strain curve and energy dissipation of the test blocks, the impact compression mechanical properties of carbon-polypropylene hybrid fiber reinforced coral sand cement-based composites are studied. The results are as follows. (1) The critical value of test strain rate is 200 s−1; when the test strain rate is greater than 200 s−1, the fiber network formed by hybrid carbon fiber and polypropylene fiber strengthens the toughening effect of the test block. (2) The peak stress of carbon-polypropylene hybrid fiber reinforced coral sand cement-based composites exhibits obvious strain rate effect, and the dynamic increase factor is highly sensitive to the strain rate. (3) The use of fine aggregate of coral sand results in more defects such as micro-cracks and micro-voids in the test block; after mixing carbon fiber and polypropylene fiber into the coral sand cement-based composites, the improvement of the impact compressive strength of the test block is limited, but the impact toughness of the coral sand cement-based composites is significantly enhanced. (4) LS-DYNA is used to numerically simulate the impact compression test process of hybrid carbon fiber (15.75 kg/m3) and polypropylene fiber (1.82 kg/m3), while the error between the simulation results of peak stress and the test results is within 5.97 %. The study is of great significance for the preparation of high performance coral sand cement-based composites and the emergency repair of offshore islands and reefs. -
爆破振动强度的影响因素极其复杂,其衰减特征是在基于实践经验和对数据统计分析的基础上得到的,随着爆破技术在边坡工程中的广泛应用,萨道夫斯基公式计算值与实测数据的误差达到50%以上[1],该公式对高差变化较大的地形已不再适用。许多学者采用现场实验、理论分析及数值模拟等手段对爆破振动的地形效应进行了深入研究。台阶地形的放大效应与高程、爆源距、坡面角以及结构面的产状有关[2-5]。吕淑然等[6]认为台阶正高差地形的高程越高放大效应越明显,而唐海等[1]认为台阶地形中振动速度的放大系数存在最大值。万鹏鹏等[7]通过实验观测分析得到台阶地形爆破振动放大效应是受鞭梢效应和坡面效应影响的结论。张伟康等[8]、胡光球等[9]、周同龄等[10]通过分析与爆破振动有关的物理量,运用量纲分析法推导了反映高程放大效应的爆破振动公式并在工程中应用。同时,动力有限元方法成功应用在了爆破动态模拟中,并被证明在边坡顶部质点振动速度都呈现出放大效应[11],放大现象是一个局部的动力响应[12],振动速度放大效应的实质是在台阶平台上产生波形转换及波形叠加[13]。
本文中利用数值模拟方法对台阶地形爆破地震波的放大与衰减规律进行研究,结合现场实验数据分析结果提出台阶地形爆破振动速度预测模型。
1. 数值模拟
1.1 参数选取
模型做如下假设:岩石视为各向同性的连续均匀介质,爆轰产物的膨胀是绝热过程;忽略重力影响。台阶模型的岩石材料参数如表 1所示,炸药材料及状态方程参数如表 2所示。
表 1 岩石材料参数Table 1. Material parameters of rock岩石 岩石密度/(g·cm-3) 弹性模量/GPa 泊松比 切线模量/GPa 抗压强度/MPa 抗拉强度/MPa 闪长玢岩 2.54 57.64 0.27 5.5 56 4.49 表 2 炸药的材料和状态方程参数Table 2. Material and equation of state parameters of explosive密度/(g·cm-3) 爆速/(km·s-1) 爆压/GPa A/GPa B/GPa R1 R2 ω E/GPa 1.0 3 3.43 321.9 0.18 4.2 0.8 0.15 3.51 采用高能炸药材料和JWL状态方程描述,爆轰压力计算:
p=A(1−ωR1V)e−R1V+B(1−ωR2V)e−R2V+ωEV (1) 式中:p为爆轰压力, E为炸药爆轰产物的内能, V为爆轰产物的相对体积, A、B、R1、R2、ω、为所选炸药的性质常数。
1.2 模型建立
利用LS-DYNA程序建立爆破模型,根据实验方案、岩石物理力学参数以及爆破参数,边坡爆破各模型尺寸:台阶高度H分别为12、15、18、21 m;台阶坡底面宽度W分别为10、15、20 m;坡面角为90°。图 1中给出了模型边界条件及炮孔主要参数。
1.3 台阶高度对振速的影响
模型计算时间0.03 s。爆炸后模型质点竖直方向振动速度随时间变化形态如图 2所示。
通过LS-PrePost后处理程序提取时间历程记录点处竖直方向的峰值质点振动速度,12组数值模型的计算结果如图 3所示。
台阶表面质点振动速度总体上随距离的增加呈指数衰减规律;对于单个台阶,由于高差的存在质点振动速度在上级台阶坡顶处产生放大效应。由图 2中曲线分析可得:爆破振动速度的高程放大效应是在爆源距和高差达到一定值后产生。当W=10 m、H=12 m,振动速度的放大效应在第3级台阶出现,为研究产生放大效应后高程对振动速度的影响规律,改变第3级台阶的高度,建立16个台阶模型。
台阶坡顶质点振动速度的放大倍数n随高差的变化曲线如图 4所示,高差由1 m增加到18 m,放大倍数n呈现先增加后降低的变化规律,当高差为9 m时,放大倍数n达到最大值1.34。
质点振动速度的放大倍数并不随台阶高度的增加而单调增加,当台阶高度超过某一临界值时,放大倍数随台阶高度的增加而减小。这一现象表明,高程对地震波既有放大作用也存在衰减作用。
1.4 台阶坡底面宽度对振速的影响
当台阶高度一定,坡底面宽度分别为10、15、20 m时,建立12组数值模型,台阶坡顶、坡底处质点峰值振动速度与坡底面宽度的关系如图 5所示。
图 4中质点峰值振动速度衰减特征显示,坡底面宽度越大,相同高程处质点振动速度越低;坡底面宽度较大台阶的爆破振动速度衰减速率更快。振动速度随坡面宽度增大而减小。在有高差存在的台阶地形中,高程和爆源水平距离的共同作用影响爆破振动速度的大小。
2. 反应高程的数学模型
根据模拟实验数据的分析结果,结合对各参考文献中爆破振动速度计算经验公式的分析,认为用下式对台阶地形爆破振动速度计算更为准确:
v=K(3√QR)α(3√QH)β H≠0 (2) 式中:v为质点峰值振动速度,Q为装药量,R为距爆源的水平距离,H为高程差,K、α、β为与岩石、地形相关的系数。
如图 6所示,炸药爆炸后产生的爆破地震波传播至点A、B、C时,水平距离R对振动速度的衰减作用相同,A点振动速度为v,由于高程的影响B点振速为v+v′,高差h1对振动速度起到放大作用;当单个台阶高程增加为h1+h2时,C点速度降为v-v″,此时高程对振动速度起到衰减的作用。式(2)中R为距爆源水平距离,不影响高差对振速的作用。高差H值在一定范围内,产生振速放大效应,数据拟合得到的β为负值;高程增加到某一值后,此时速度v随着H的不断增加而降低,数据拟合得到的β为正值。
3. 工程实例
露天深孔爆破炮孔直径310 mm,孔深14~17.5 m,超深2~2.5 m,填塞长度7~8 m,孔网参数:矿石a×b=(7~8) m×(6~7) m,岩石a×b=(5~9) m×(4~8) m。露天台阶高度12~15 m。
爆破振动监测工作采用TC-4850爆破测振仪,如图 7所示。布置8个测点采集各台阶坡底和坡顶质点振动速度,测点位置如图 8所示。
从表 3数据可知,测点4、6和8均出现振动速度放大现象,根据公式(2)进行数据拟合处理得:
表 3 爆破振动观测结果Table 3. Blasting vibration measurements测点 最大单孔起爆药量/kg 水平距离/m 垂直距离/m 峰值振动速度/(cm·s-1) MP1 500 14.8 0.0 38.35 MP2 44.1 30.8 3.33 MP3 86.4 43.0 1.41 MP4 90.3 54.0 1.50 MP5 132.8 63.0 0.94 MP6 140.3 74.1 1.08 MP7 183.3 90.2 0.69 MP8 190.9 103.0 0.87 v=18.76(3√Q/R)1.757 (3√Q/H)−0.945 相关系数r2=0.995 3;撒道夫斯基公式拟合相关系数为0.945 3,相关性与公式(2)相比较低,且不能直观体现地形高差对爆破振动速度的影响。
4. 结论
(1) 台阶表面质点振动速度随着距离的增加整体上呈指数衰减规律;对于单个台阶,由于高差的存在坡顶质点产生振动速度放大效应,放大效应在距爆源一定距离、达到一定高差的条件下产生。
(2) 坡顶质点振动速度放大倍数并不随台阶高度的增加而单调增加,台阶高度超过某一临界值后,放大倍数随台阶高度的增加而减小。
(3) 坡底面宽度越大,爆破振动速度衰减速率越快,相同高程处质点振动速度越小。
(4) 台阶地形爆破振动速度预测模型为v=K(3√QR)α(3√QH)β(H≠0),模型对类似工程的爆破地震波衰减规律研究具有一定的参考价值。
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表 1 碳纤维和聚丙烯纤维的性能参数
Table 1. Properties of carbon fiber and polypropylene fiber
原材料 密度/(g·cm−3) 长度/mm 直径/μm 弹性模量/GPa 抗拉强度/MPa 碳纤维 1.75 12 7.0 228 3 500 聚丙烯纤维 0.91 19 32.7 4.236 469 表 2 PP/CF增强珊瑚砂水泥基复合材料的配比
Table 2. Proportion of carbon-polypropylene hybrid fiber reinforced coral sand cement-based composites
复合材料 w/(kg·m−3) 水胶比 塌落度/mm 水泥 粉煤灰 珊瑚砂 人工海水 减水剂 碳纤维 聚丙烯纤维 1 450 450 1 080 225 9 0 0 0.25 0 2 450 450 1 080 225 9 5.25 1.82 0.25 70 3 450 450 1 080 225 9 10.50 1.82 0.25 65 4 450 450 1 080 225 9 15.75 1.82 0.25 60 表 3 不同龄期试块的静态抗压强度
Table 3. Static compressive strengths of test blocks at different ages
试块 龄期/d 静态抗压强度/MPa 强度升降/% 1 7 37.64 0 28 40.67 0 2 7 34.80 −7.54 28 35.11 −13.67 3 7 39.52 4.99 28 42.06 3.41 4 7 47.64 26.57 28 48.31 18.78 表 4 PP/CF增强珊瑚砂水泥基复合材料的HJC模型参数
Table 4. HJC model parameters of the carbon-polypropylene hybrid fiber reinforced coral sand cement-based composites
ρ/(g·cm−3) G/GPa A B fc/MPa C N Smax T/MPa D1 2.12 10.66 0.62 1.60 48.31 0.006 5 0.61 7 4.009 0.04 D2 εf,min pc/MPa μc pl/MPa μl K1/GPa K2/GPa K3/GPa Sf 1.0 0.01 16.10 0.001 800 0.1 85 171 208 0.002 表 5 数值模拟结果有效性验证
Table 5. A validation of numerical simulation results
˙ε/s−1 fc/MPa σp/MPa ησ/% εp ηε/% 试验 模拟 试验 模拟 113.03 48.31 60.12 63.71 5.97 0.0103 0.0092 10.68 157.88 48.31 72.71 73.72 1.39 0.0068 0.0073 7.35 200.39 48.31 86.76 87.34 0.67 0.0088 0.0102 15.90 222.74 48.31 98.89 104.28 5.45 0.0068 0.0069 1.47 -
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