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UHPC彈性球大賽——享受過程,志在參與
時間:2021-02-05    來源:CCPA-UHPC分會    分享:
參加完UHPC分會組織的“全國首屆UHPC設計定制大賽”快一個月的時間了,突然收到分會約稿,頗有些意外兼惶恐。意外在于,作為本次比賽的“孫山之后”,受到約稿深感榮幸;惶恐在于,似乎沒有太多有價值的東西和大家分享,尤其是拜讀了幾篇推文后。故笑語:需飲三大碗——壯膽!

UHPC彈性球大賽——享受過程,志在參與


廣州朋悅建材科技發展有限公司

重慶云天化天聚新材料有限公司



 

參加完UHPC分會組織的“全國首屆UHPC設計定制大賽”快一個月的時間了,突然收到分會約稿,頗有些意外兼惶恐。意外在于,作為本次比賽的“孫山之后”,受到約稿深感榮幸;惶恐在于,似乎沒有太多有價值的東西和大家分享,尤其是拜讀了幾篇推文后。故笑語:需飲三大碗——壯膽!


大賽消息是從趙筠秘書長的朋友圈中得知。第一感覺是一笑過之!原因有二:一是對自己的UHPC質量沒有足夠的信心;二是該比賽是一個多學科的綜合,包括材料、力學設計、制作及養護制度的設計等等,本“小作坊”條件似不具備。不過,沉迷于UHPC的我,還是偷偷的把大賽通知收藏了!直至看到同行的試驗視頻,才下決心報名!


鑒于“UHPC”的優質有機纖維大都依賴進口且價格高昂的情況,結合正在檢驗測試的“重慶云天化天聚新材料有限公司”生產的“聚甲醛POM纖維”的抗壓抗拉性能,決定依托“云天化”的纖維研發和設計優勢,聯合組隊參賽,以向同行展示國產纖維的品質。


工科生的職業習慣:先理論算算!馬上借來《彈性力學》,翻了兩頁,直接崩潰,貌似需要再回學校讀兩年,這肯定就錯過了此次比賽的時間。只能采用“試錯法”,用試驗來檢驗,當然這也是需要基礎計算和設計的。



一、內腔直徑計算


依據不同纖維組合所產生的UHPC密度的不同,經計算,內腔直徑在?140-150mm之間時,彈性球的質量和外徑才能滿足比賽要求。



二、材料纖維組合設計及抗壓抗拉數據


設計三種纖維組合并進行抗壓抗拉檢測(蒸養),結果如下:

1. UHPC+POM纖維(體積摻量1.5%,8mm:12mm=1:2),編號1系列——抗壓:136MPa;抗拉:9.5 MPa

2. UHPC+鍍銅端勾鋼纖維(體積摻量2.8%),編號2系列——抗壓:167MPa;抗拉:11.9MPa


3. UHPC+POM+鍍銅端勾鋼纖維(體積摻量3.0%,POM:鋼纖維=1:1),編號3系列——抗壓:152MPa;抗拉:10.7 MPa。


耐沖擊能力則要通過試驗后的裂紋狀態來判斷。



三、內腔填充物的選擇


為最大限度的應用UHPC,內腔填充物選擇了亞克力空心球和聚苯乙烯泡沫塑料實心球


四、模具選擇


考慮到外觀要求,選擇了硅膠模具外裹石膏加固,見圖1。


圖1 制球用模具



五、制作方法


灌注,抽真空。
依據以上設想,共制作了12個球進行試驗。期間,有不少調整的地方。調整及試驗情況大體如下:


1. 內腔填充物,摒棄了亞克力空心球。原因是試摔中,裂紋明顯大于聚苯乙烯泡沫球。有可能是因為亞克力屬于相對脆性材料,在受沖擊時緩沖作用不明顯,容易產生裂紋;而聚苯乙烯具有一定的抗沖擊能力并能夠較好地緩沖沖擊力。


2. 灌注和抽真空基本無法實現。由于纖維長度較長,模具方面過度考慮外表而刻意縮小灌漿口的尺寸,致使料漿很難流入模具內部,抽真空則由于料漿粘稠,基本不起作用。后改為分邊澆注再合模的辦法。為使分縫處纖維分布基本一致,進行了如下處理:(見圖2)
  • 漿體流動度控制在基本可抹不流掛的程度;

  • 先將一半球填充適量漿體,將內填球體壓入并固定;

  • 在內填充球上半部抹一層漿體,將另一半(已經澆注適量漿體)合模,并振動;

  • 通過澆注口填充漿體壓實球體。


圖2 澆注成型示意


     3. 制作中發現硅膠模存在不少問題,如鋼纖維會刺穿硅膠模,合模縫大,容易變形等。因制作時間緊,未能徹底更正,所以賽球外觀上存有不少瑕疵。


4. 內模固定。試驗中發現同條件兩個球的裂紋發展相差較大。通過在裂紋最大處切開發現,內填泡沫球偏心會造成UHPC球壁厚度不勻,若沖擊點剛好位于相對薄的地方,則很容易造成開裂。隨后改進了固定方案,使內填球位于中心位置,解決了此問題。


5. 試摔試驗表明,三種纖維組合均可達到預設目標,但彈跳高度基本在250-350mm之間。至于彈跳高度,編號1最高,編號2次之,編號3最低;關于開裂程度,編號3最小,編號2次之,編號1最大,但均能滿足比賽要求。


編號為1的純POM纖維球撞擊試驗視頻(見微信文章


圖3 第一次撞擊后的外觀照片

第二次撞擊視頻(見微信文章)


圖4 第二次撞擊后的


圖5 切開后的斷面照片


實際參賽球采用了編號2的纖維方案。主要原因是由于制作過程的曲折,直接影響了養護時間。參賽球從制作到比賽,實際時間只有5天。實際賽績為跳高250mm, 總分61.3,和預想結果基本一致。



下一屆參賽擬改進之處:


1. 模具。可采用硬模或者直接選擇鋼模,以達到變形小及模線小的目的;

2. 采用不同的養護制度,如溫度、時間等,總結摸索UHPC耐沖擊的養護制度;

3. 通過不同水膠比和灌注和合模工藝對比,摸索出外形質量最佳的制作方案;



 

最后,希望協會繼續把此賽事一直辦下去,使之成為UHPC行業同仁及愛好者的一個集比賽、交流和提高的盛會!


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