|
文献精读 Int. J. Impact Eng.：冲击荷载下3D打印超高性能纤维混凝土的特性  背景介绍 随着社会智能化的发展，3D打印技术已逐渐应用于各种建筑材料和工程领域，极大地解放了劳动力，提高了生产效率。其中，3D打印混凝土因其高效、灵活、能够用于复杂形状而得到广泛应用。由于3D打印混凝土独特的增材制造工艺，能够在静载荷下表现出各向异性，但其动态性能研究仍然不足。研究其动态行为对提高建筑安全性具有重要指导意义。 研究出发点 与普通高强混凝土相比，超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）因其强度和延性优越，更适用于作为3D打印材料使用。已有研究探讨了3D打印超高性能纤维增强混凝土（3DP-UHPFRC）在不同力作用下的力学各向异性特征，然而，尚未有针对高强度、高韧性的3DP-UHPFRC及其动态性能的研究。 全文速览 悉尼理工大学土木与环境工程学院C. Wu课题组对3DP-UHPFRC在冲击载荷下的动态性能进行了研究。以纤维类型、纤维含量、纤维种类、加载方式和冲击速度对3D打印超高性能混凝土（3DP-UHPC）和3DP-UHPFRC动态力学特性的影响。以模铸UHPC（MC-UHPC）和模铸UHPFRC（MC-UHPFRC）为参考试样，比较分析了两种制备方法的差异。并对3DP-UHPFRC的应变速率效应、动态压应力、动态增长因子（DIF）、能量吸收能力和破坏过程的特征进行表征。相关论文以“Characteristics of 3D-printing ultra-high performance fibre-reinforced concrete under impact loading”为题，于2022年发表在International Journal of Impact Engineering上。 图文解析 （1）失效模式 使用了高速摄影记录各组试样在不同加载速率下的破坏过程，如表1所示。其中NF表示未加入纤维的试样，SF6为1%体积掺量6 mm长的钢纤维试样，SF6为1%体积掺量10 mm长的钢纤维试样。可以看出，钢纤维的掺入显著提高了试样的抗破坏能力。6 mm和10 mm钢纤维试样的破坏模式非常相似：当3DP-UHPFRC受到冲击时，由于打印丝内部的钢纤维约束，裂纹出现在没有纤维的脆弱表面。MC-UHPFRC内部均匀，不存在弱表面，当受到冲击时，试样的内侧受外侧约束而外侧未受约束，导致首先从外侧开裂；对不同冲击速读而言，在冲击速度为3.886和6.026 m/s时，3d打印试样的破坏程度存在较小差异。当冲击速度达到8.538 m/s时，试样出现平行裂纹。Z方向的破坏程度最小，其次是Y方向的破坏程度，X方向的破坏程度最严重。因此，3DP-UHPFRC的破坏程度表现出明显的各向异性特征。上述观察表明，MC-UHPFRC和3DP-UHPFRC的失效模式有所不同。 表 1 不同试样的动力破坏模式  （2）动态收缩行为 经过应力平衡检验，确保试验数据可以使用后，对采集的入射波、透射波和反射波进行计算，得到各组试样在不同冲击速度下的应力应变曲线，如图1-3所示。对于无钢纤维试样（图1），当冲击速度为3.886 m/s时，由于冲击力不足以产生完整的应力-应变曲线，试样的应力-应变曲线没有出现明显的下降。随着冲击速度的增加，应力-应变曲线下的面积逐渐增大。当试样中加入两种钢纤维后（图2-3），在冲击速度3.886 m/s时，应力-应变曲线几乎没有下降阶段。当冲击速度达到8.538 m/s时，所有试样的应力-应变曲线均呈下降阶段。此外，钢纤维长度对相同方法制备的试样的应力-应变曲线影响不显著。  图 1 无钢纤维试样的动态应力-应变曲线  图 2 6mm钢纤维试样的动态应力-应变曲线  图 3 10mm钢纤维试样的动态应力-应变曲线 （3）应变率特征 在相同的冲击速度下，3D打印试样的弹性模量是各向异性的，如图4所示。在不同应变速率下，试样的动态弹性模量略有增加，说明应变速率对3D打印试样弹性模量的影响不显著。由于弱表面对结构紧实度有负面影响，在相同应变速率下，3D打印试样的弹性模量表现出各向异性特征。 此外，钢纤维的加入显著提高了3DP-UHPFRC的抗冲击性能，而纤维长度的增加则提高了3DP-UHPFRC的抗冲击性。3DP-UHPFRC的峰值应力在静态和动态荷载下均为各向异性。但是，图5中反应出随着冲击速度的增加，由于应变率效应，3DP-UHPFRC表现出各向同性冲击阻力。  图 4 弹性模量和应变率的关系  图 5 动态峰值应力与制备方法的关系 （4）能量吸收能力比较 图6中，当3D打印试样沿Z方向加载时，对应变率的敏感性与模具浇筑的试样相似。3D打印试样的DIF是各向异性的，在X方向加载的试样表现出最大应变率敏感性。具有钢纤维的3DP-UHPFRC的极限能量吸收能力显著大于不含钢纤维的3DP-UHPC。无论纤维类型如何，3DP-UHPFRC在X方向和Y方向上的最终能量吸收能力比在Z方向上更显著。  图 6 无纤维、6mm钢纤维和10mm钢纤维试样的能量吸收能力比较 总结 本文研究了3DP-UHPFRC在冲击载荷作用下的各向异特征。根据试验结果，分析了应变速率、峰值应力、DIF、能量吸收能力和破坏过程的特征，得出以下结论： (1) 3DP-UHPC的破坏程度没有差异，而3DP-UHPFRC的破坏程度表现出不同的特征，即X方向的破坏程度最大，Y方向次之，Z方向最小。MC-UHPFRC与3DP-UHPFRC的破坏模式存在一定差异。 (2) 在相同冲击速度下，3D打印试样的弹性模量及应变速率均表现出各向异性。此外，钢纤维的加入显著提高了3DP-UHPFRC的抗冲击性能，而纤维长度的增加则提高了3DP-UHPFRC的抗冲击性能。 (3) 3DP-UHPFRC的峰值应力在静、动荷载作用下均呈各向异性。然而，随着冲击速度的增加，由于应变速率效应，3DP-UHPFRC表现出各向同性的抗冲击性能。 (4) 模铸和3D打印试样均为应变率敏感材料。当3D打印试样在Z方向加载时，其应变率敏感性与模铸试样相似。3D打印试样的DIF具有各向异性，其中，X方向加载的DIF具有最大的应变率敏感性。 (5) 添加钢纤维的3DP-UHPFRC的极限吸能能力显著大于不添加钢纤维的3DP-UHPC。无论纤维类型如何，3DP-UHPFRC在X方向和Y方向的极限吸能能力比Z方向更显著。 本期编者简介 翻译： 赵竞硕 硕士生 青海大学 审核： 李雪琪 硕士生 深圳大学 排版： 于坷坷 硕士生 深圳大学 本期学术指导 何 闯 博士后 深圳大学 龙武剑 教 授 深圳大学 文献链接： https:///10.1016/j.ijimpeng.2022.104205 |
|
|
