超高性能水泥基复合材料抗侵彻优化设计(6)
。
混凝土结构是一种复杂的多相材料，弹体对混凝土的侵彻是瞬态、复杂的力学过程，在侵
彻的过程中，混凝土材料内部发生剧烈而复杂的变形和破坏。侵彻过程涉及塑性流动、硬化软
化、损伤断裂、应变率效应等多方面的破坏行为。由于理论水平和试验条件的局限性，使得子
弹在侵入过程中的受力情况、子弹的速度和加速变化等问题都不能清楚的描述。目前在弹体侵
彻方面的研究，主要的研究方法有三种：经验法，解析法和数值法。经验法是在大量试验数据
的基础上进行的一种回归分析；理论法是提出力学理论模型，然后进行求解，有球形空腔理论
和柱形空腔原理、 微分面力原理等； 数值法是利用现代数值计算方法结合计算机技术进行研究，
主要有有限元、有限差分、离散元、等方法。
本课题研究超高性能水泥基复合材料在高速下的侵彻效应。通过超声波探测仪，得出实验
前后，靶材的损伤数据，再通过弹体入射深度、试件表征形貌研究超高强水泥基材料的抗侵彻
性能。 然后结合所得数据利用相关软件画出图表并采用非线性有限元法对材料的冲击动力学行
为进行数值模拟。从而得出超高性能水泥基复合材料组成的最优方案。
2. UHPCC 材料制备
2.1 实验原材料及设备
2.1.1 原材料
（1）水泥：南京小野田水泥厂 P·II 52.5硅酸盐水泥。
（2）工业废渣：
①粉煤灰：南京热电厂超细粉煤灰，比表面积 720m2
/kg。
②硅灰：比表面积 22000m2
/kg，平均粒径 0.2μm。
③矿渣微粉：比表面积 800m2
/kg。
（3）减水剂：格雷斯公司生产的聚羧酸高效减水剂，减水率≥40％，掺量以胶凝材料质
量百分数计。
（4）细集料：最大粒径 2.5mm的普通黄砂。
（5）水：自来水。
（6）增强纤文：13mm钢纤文、PAN纤文、PP纤文、玄武岩纤文 BF、CF 纤文。
钢纤文 （SF） ： 表面镀铜， 直径 0.2mm， 两种长度分别为 13mm和 20mm， 弹性模量 210GPa，
抗拉强度>1800MPa。
聚丙烯纤文 （PP） 和聚丙烯纤文网状： 长 6mm和 15mm， 直径 30-40um， 弹性模量 4-9GPa，
抗拉强度：270-700Mpa。
玄武岩纤文(BF)： 长 6mm和 15mm， 直径 9～17m， 弹性模量 80GPa， 抗拉强度 3000MPa，
延伸率 3.1％。
聚丙烯腈纤文(PAN)：长 6mm 和 15mm；单丝径 12m，抗拉强度>500MPa，弹性模量
>10GPa。
图 2单卧轴混凝土搅拌机
图 3 胶砂搅拌机 图4 混凝土振动台
实验室有两种搅拌机，分别是小型胶砂搅拌机（图 3） 、一台强制式单卧轴混凝土搅拌机
（图 2） 。此单轴卧式混凝土搅拌机为实验专用，容量分别为 15L，由微机控制，操作较为简
便。振动台（图 4）在填装混凝土浆料时使用，排出混凝土中的气泡，能够提高试块密实度。
在制备纤文增强水泥基材料过程中， 所使用的模具为标准水泥用三联模 （如图 5a） 、 八字模 （如
图 5b）以及订做的 30cm×30cm的铁桶（如图 5c） 。试验中另有天平，量筒，烧杯等称量、移
取仪器及振动台等辅助填装设备和工具的使用。
图 6 试件制作流程 制备过程如图 6：
(1)根据配合比计算出每种原料所需的量，然后分别称量，使用工具有电子天平，铁勺，脸盆
量筒，烧杯，搅拌棒，铁钳，并按照密度从小到大依次倒入搅拌机中搅拌，使原料初步混合。
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