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  • ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
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PP/CF增强珊瑚砂水泥基复合材料冲击压缩力学性能研究

郑志豪 任辉启 龙志林 郭瑞奇 蔡洋 黎智健

郑志豪, 任辉启, 龙志林, 郭瑞奇, 蔡洋, 黎智健. PP/CF增强珊瑚砂水泥基复合材料冲击压缩力学性能研究[J]. 爆炸与冲击, 2022, 42(7): 073104. doi: 10.11883/bzycj-2021-0297
引用本文: 郑志豪, 任辉启, 龙志林, 郭瑞奇, 蔡洋, 黎智健. PP/CF增强珊瑚砂水泥基复合材料冲击压缩力学性能研究[J]. 爆炸与冲击, 2022, 42(7): 073104. doi: 10.11883/bzycj-2021-0297
ZHENG Zhihao, REN Huiqi, LONG Zhilin, GUO Ruiqi, CAI Yang, LI Zhijian. A study on impact compression mechanical properties of PP/CF reinforced coral sand cement-based composites[J]. Explosion And Shock Waves, 2022, 42(7): 073104. doi: 10.11883/bzycj-2021-0297
Citation: ZHENG Zhihao, REN Huiqi, LONG Zhilin, GUO Ruiqi, CAI Yang, LI Zhijian. A study on impact compression mechanical properties of PP/CF reinforced coral sand cement-based composites[J]. Explosion And Shock Waves, 2022, 42(7): 073104. doi: 10.11883/bzycj-2021-0297

PP/CF增强珊瑚砂水泥基复合材料冲击压缩力学性能研究

doi: 10.11883/bzycj-2021-0297
基金项目: 国家自然科学基金(51971188);湖南省科技重大专项(2019GK1012);湖湘高层次人才聚集工程-创新团队项目(2019RS1059)
详细信息
    作者简介:

    郑志豪(1998- ),男,硕士研究生,zzhxtu@163.com

    通讯作者:

    任辉启(1953- ),男,博士,研究员,博士生导师,huiq_ren@163.com

  • 中图分类号: O346

A study on impact compression mechanical properties of PP/CF reinforced coral sand cement-based composites

  • 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。
  • 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。

    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
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    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
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    采用高能炸药材料和JWL状态方程描述,爆轰压力计算:

    p=A(1ωR1V)eR1V+B(1ωR2V)eR2V+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, ABR1R2ω、为所选炸药的性质常数。

    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。

    图  1  计算模型示意图
    Figure  1.  Sketch map of calculation model

    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。

    图  2  振动速度云图
    Figure  2.  Vibration velocity nephogram

    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。

    图  3  质点峰值振动速度随高程变化曲线
    Figure  3.  Variation of peak particle vibration velocity with elevation

    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。

    图  4  放大倍数随高程变化曲线
    Figure  4.  Variation of amplification factor with elevation

    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。

    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  5  振动速度与坡底面宽度的关系
    Figure  5.  Relation of bottom width with vibration velocity

    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。

    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(3QR)α(3QH)β    H0
    (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,Kαβ为与岩石、地形相关的系数。

    图 6所示,炸药爆炸后产生的爆破地震波传播至点ABC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。

    图  6  高程对振速的放大与衰减示意图
    Figure  6.  Amplification and attenuation of vibration velocity based on elevation

    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。

    图  7  爆破振动速度现场监测
    Figure  7.  Field monitoring of blasting vibration velocity
    图  8  测点布置台阶剖面图
    Figure  8.  Arrangement of measuring points

    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
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    v=18.76(3Q/R)1.757 (3Q/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。

    (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(3QR)α(3QH)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。

  • 图  1  圆柱体试块模具

    Figure  1.  Cylindrical test block mold

    图  2  圆柱体试块

    Figure  2.  Cylinder test block

    图  3  材料严重剥落

    Figure  3.  Severe material spalling of test block

    图  4  外观较为完整

    Figure  4.  Complete appearance of test block

    图  5  分离式Hopkinson压杆试验装置

    Figure  5.  Split Hopkinson pressure bar test device

    图  6  入射波应力曲线

    Figure  6.  Stress curves of incident waves

    图  7  初始应变波

    Figure  7.  Initial strain waves

    图  8  应力平衡验证

    Figure  8.  Verification of stress balance

    图  9  应力-应变曲线

    Figure  9.  Stress-strain curves

    图  10  峰值应力与应变率的关系

    Figure  10.  Relations between peak stress and strain rate

    图  11  动态增强因子与应变率的关系

    Figure  11.  Relations between dynamic increase factor and strain rate

    图  12  入射波能量与应变率的关系

    Figure  12.  Relations between incident wave energy and strain rate

    图  13  耗散能量与应变率的关系

    Figure  13.  Relations between energy dissipation and strain rate

    图  14  耗散能量与入射波能量的关系

    Figure  14.  Relations between energy dissipation and incident wave energy

    图  15  SHPB有限元模型

    Figure  15.  A finite element model of the SHPB

    图  16  PP/CF增强珊瑚砂水泥基复合材料的应力-应变曲线

    Figure  16.  Stress-strain curves of the carbon-polypropylene hybrid fiber reinforced coral sand cement-based composites

    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1.75127.02283 500
    聚丙烯纤维0.911932.7 4.236 469
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    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
    14504501 0802259000.250
    24504501 08022595.251.820.2570
    34504501 080225910.501.820.2565
    44504501 080225915.751.820.2560
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    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/%
    1737.640
    2840.670
    2734.80−7.54
    2835.11−13.67
    3739.524.99
    2842.063.41
    4747.6426.57
    2848.3118.78
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    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/GPaABfc/MPaCNSmaxT/MPaD1
    2.1210.660.621.6048.310.006 50.6174.0090.04
    D2εf,minpc/MPaμcpl/MPaμlK1/GPaK2/GPaK3/GPaSf
    1.00.0116.100.0018000.1851712080.002
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    表  5  数值模拟结果有效性验证

    Table  5.   A validation of numerical simulation results

    ˙ε/s−1fc/MPaσp/MPaησ/%εpηε/%
    试验模拟试验模拟
    113.0348.3160.1263.715.970.01030.009210.68
    157.8848.3172.7173.721.390.00680.00737.35
    200.3948.3186.7687.340.670.00880.010215.90
    222.7448.3198.89104.285.450.00680.00691.47
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-07-09
  • 修回日期:  2021-11-19
  • 网络出版日期:  2022-06-10
  • 刊出日期:  2022-07-25

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