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新型混凝土组合防护层的抗侵彻性能研究

杨少伟  
【摘要】:目前,钢纤维混凝土己成功应用于军事防护结构以及核设施,然而,这些结构可能受到火灾或高温的破坏,同时还可能处于冲击荷载的作用下。当弹体侵彻混凝土防护结构时,由于弹体与混凝土之间的摩擦产生大量热量,使得弹体周围混凝土的温度急剧升高,因此研究混凝土在高温后的动态性能就显得尤为重要。因此,本文利用Φ40mmSHPB(Split Hopkins Pressure Bar)研究了钢纤维混凝土高温后的动态力学性能,在此基础上,设计了一种具有良好的抗侵彻性能的钢纤维混凝土组合结构,并对弹体侵彻混凝土的过程进行了数值模拟。 本文首先对不同钢纤维体积含量的混凝土高温后的静力学性能进行了分析,利用SEM对钢纤维混凝土受高温后的显微结构进行研究。对混凝土抗压强度和劈拉强度试验数据进行拟合,得到混凝土的抗压强度与温度的关系符合Boltzmann函数;劈拉强度与温度的关系符合: y = y0 +Ae?x/t。高温后钢纤维混凝土显微结构的变化与其宏观力学性能的变化相一致,随温度的升高,混凝土基体中水化产物的微观形貌与组成表现出不同的特点,水泥石从致密逐渐变得疏松,裂纹逐渐增多,裂纹宽度变大,且相互贯通。高温后,水泥石与集料两者之间产生间隙和裂缝,破坏了两者之间的粘结性能,同时,钢纤维与水泥基体之间的粘结力也降低,较少了纤维传递荷载的能力。 采用应变直测法与改进的SHPB试验相结合的方法,准确获得高温后钢纤维混凝土在动态冲击荷载作用下的应力-应变曲线,避免了传统SHPB试验在曲线初始阶段人工取值的误差。对钢纤维混凝土高温后的SHPB试验表明:随着温度的升高,其极限应力随之降低,温度对钢纤维混凝土的弹性模量影响不大。与钢纤维混凝土相比,钢纤维活性粉末混凝土高温后的SHPB试验试件破坏程度低,但是,随着温度的升高,各水胶比钢纤维活性粉末混凝土的弹性模量有不同程度的降低。随着水胶比的降低,高温后SFRPC的动态强度残余率随之降低,表明更低的水胶比在高温时受到的损伤更大。 本文提出新型的混凝土防护层,采用多种材料复合的形式,设计活性粉末混凝土-蜂窝结构-泡沫铝-钢纤维混凝土组合结构,提高防护层的抗侵彻能力。采用Φ12.7mm二级轻气炮对15个360mm×360mm×400mm混凝土试件进行抗侵彻试验。结果表明,具有组合结构的混凝土试件,弹体的侵彻深度比由单一钢纤维混凝土材料制成的试件降低了三分之一。 利用AUTODYN-3D有限元计算软件对钢纤维混凝土靶板以及新型抗侵彻组合层的侵彻过程进行了数值模拟,得到了靶板破坏形态、弹体侵彻过程的速度变化等重要的侵彻参数和规律。


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