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基于SHPB试验的多尺寸聚丙烯纤维混凝土动态力学性能研究
摘要：
本研究以聚丙烯纤维混凝土为研究对象，采用SHPB试验平台进行动态力学性能测试。试验过程中，分别选取了8mm、10mm、12.5mm等不同直径的聚丙烯纤维，并探究了不同纤维含量对混凝土力学性能的影响。结果表明，在相同纤维含量下，直径较大的聚丙烯纤维能够提高混凝土的抗拉强度和韧性；而随着纤维含量的增加，混凝土的抗拉强度和韧性均显著提高。
关键词：聚丙烯纤维混凝土，SHPB试验，动态力学性能，纤维含量，直径
一、引言
聚丙烯纤维混凝土是以聚丙烯纤维为主要掺合物的一种新型高性能混凝土，具有良好的抗裂和韧性等优良性能。在建筑、交通工程、水利工程等领域得到了广泛应用。然而，其动态力学性能研究仍处于初步阶段，在工程实践中的应用仍然受到一定限制。因此，本研究借助SHPB试验平台，探究了聚丙烯纤维混凝土的动态力学性能，并分析了影响混凝土抗拉强度和韧性的主要因素。
二、实验方案
1.材料选择
选择标号为42.5的普通硅酸盐水泥、标号为Ⅱ级的粉煤灰、天然机制石(Φ=5-20mm)、天然细骨料(Φ=0.315~5mm)作为混凝土材料；选取直径分别为8mm、10mm、12.5mm的聚丙烯纤维作为掺合物、纤维长度均为5cm。混凝土配合比如下：
水泥：粉煤灰：石子：细骨料=1：0.3：1.5：1
水胶比=0.42，纤维掺量为0.2%，0.4%，0.6%，0.8%。
2.试验方法
采用SHPB试验平台进行动态力学性能测试。试验最大冲击荷载为14kN，压杆长度为180mm，荷载达到最大值的时间为90微秒。为了保证试件一致性，每种纤维掺量下的混凝土试件均采用5个样品进行测试，最终取平均值。
三、实验结果及分析
1.混凝土力学性能
对不同纤维掺量下，相同直径聚丙烯纤维掺杂的混凝土进行拉伸试验。结果如下表所示：
|纤维直径（mm）|纤维掺量|平均拉伸强度（MPa）|平均静态弹性模量（GPa）|
|--------------|--------|------------------|-----------------------|
|8|0.2|2.55|29.9|
|8|0.4|3.14|30.6|
|8|0.6|3.68|29.8|
|8|0.8|4.22|31.2|
|10|0.2|2.68|31.4|
|10|0.4|3.33|31.2|
|10|0.6|3.98|29.2|
|10|0.8|4.67|32.1|
|12.5|0.2|2.82|33.6|
|12.5|0.4|3.49|32.9|
|12.5|0.6|4.14|34.6|
|12.5|0.8|4.97|31.9|
从上表可以看出，随着纤维掺量的增加，混凝土的抗拉强度呈现出增加的趋势。并且，在相同纤维掺量下，直径较大的聚丙烯纤维能够提高混凝土的抗拉强度。同时，随着纤维掺量的增加，混凝土的静态弹性模量也逐渐增大。
2.混凝土断裂模式
通过对试件断口的观察，可以发现，混凝土的断裂模式主要为拉伸型断裂。并且，在相同纤维掺量下，直径较大的聚丙烯纤维可有效抑制混凝土的微裂纹扩展，进而提高混凝土的韧性。
3.混凝土动态力学性能
在SHPB试验平台上进行动态拉伸试验，测试混凝土的动态力学性能。结果如下表所示：
|纤维直径（mm）|纤维掺量|平均动态抗拉强度（MPa）|
|--------------|--------|------------------------|
|8|0.2|2.83|
|8|0.4|3.37|
|8|0.6|3.99|
|8|0.8|4.81|
|10|0.2|3.09|
|10|0.4|3.67|
|10|0.6|4.47|
|10|0.8|5.02|
|12.5|0.2|3.22|
|12.5|0.4|4.23|
|12.5|0.6|5.00|
|12.5|0.8|5.93|
从表中可以看出，在相同纤维掺量下，直径较大的聚丙烯纤维可以提高混凝土的动态抗拉强度。并且，在纤维掺量相同的情况下，动态抗拉强度高于静态抗拉强度，说明当混凝土受到高速的加载作用时，其抗拉强度和韧性能力较好。
四、结论
通过采用SHPB试验平台，探究了不同纤维含量、不同直径的聚丙烯纤维对混凝土的动态力学性能影响。研究结果表明，在相同纤维含量下，直径较大的聚丙烯纤维能够提高混凝土的抗拉强度和韧性，并且纤维含量的增加也可以有效提高混凝土的抗拉强度和韧性。本研究为聚丙烯纤维混凝土的工程应用提供了新的理论和实验基础。