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彈!彈!彈!彈出新高度——武漢理工大學(xué)超高小分隊(duì)參賽心得
時(shí)間:2021-01-25    來(lái)源:CCPA-UHPC分會(huì)    分享:
超高性能混凝土本質(zhì)上是通過(guò)保證水泥等顆粒在有限空間內(nèi)的緊密堆積,從而獲得密實(shí)的水泥基材料,即超高性能混凝土基體的密實(shí)堆積結(jié)構(gòu)是保證其優(yōu)異性能的重要因素。





萌芽階段——UHPC定制大賽通知

2020年9月,為進(jìn)一步提升UHPC的材料性能、推廣其應(yīng)用,中國(guó)混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)舉辦了首屆全國(guó)UHPC設(shè)計(jì)定制大賽。我們?cè)趯?dǎo)師余睿老師的積極鼓勵(lì)與支持下報(bào)名參加了此次“歷練之旅”,以提升團(tuán)隊(duì)合作能力、默契程度以及UHPC的設(shè)計(jì)制備能力。然而,如何做出球型的超高性能混凝土?如何保證超高性能混凝土球的輕質(zhì)高強(qiáng)?如何讓球彈起來(lái)并具有一定的高度?對(duì)于我們來(lái)說(shuō),即使已在超高性能混凝土領(lǐng)域耕耘多年并積累了一定的技術(shù)成果,這次比賽仍是一個(gè)充滿未知的挑戰(zhàn)與冒險(xiǎn)。


圖1 團(tuán)隊(duì)成員



初具雛形——UHPC彈性球制備


超高性能混凝土本質(zhì)上是通過(guò)保證水泥等顆粒在有限空間內(nèi)的緊密堆積,從而獲得密實(shí)的水泥基材料,即超高性能混凝土基體的密實(shí)堆積結(jié)構(gòu)是保證其優(yōu)異性能的重要因素。而早在2014年,余睿老師在荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)攻博時(shí)便提出了采用修正的Andreasen-Andersen堆積模型進(jìn)行UHPC配合比設(shè)計(jì)的方法。基于此,我們開(kāi)發(fā)出了自己的配合比設(shè)計(jì)軟件,如圖2所示。


根據(jù)配合比設(shè)計(jì)軟件,我們?cè)O(shè)計(jì)出了更優(yōu)異的UHPC基礎(chǔ)配合比,并在基礎(chǔ)配合比中摻入了2%體積分?jǐn)?shù)的長(zhǎng)直鋼纖維進(jìn)行基體增韌。制備出超高性能混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊后對(duì)其各項(xiàng)基礎(chǔ)性能進(jìn)行評(píng)估與驗(yàn)證,再通過(guò)不斷地試驗(yàn)與調(diào)整,最終,我們確定了制備UHPC彈性球的最優(yōu)配合比。


圖2 基于MAA的配合比設(shè)計(jì)方法


根據(jù)大賽對(duì)UHPC彈性球結(jié)構(gòu)示意:內(nèi)部集中填充輕物質(zhì)球體,空心球體或分散填充輕物質(zhì)球體。團(tuán)隊(duì)采用如圖3所示的設(shè)計(jì)理念,即在內(nèi)部加入空心球體,在內(nèi)外模具之間澆筑工作性能優(yōu)異的UHPC漿體,由此制備空心UHPC彈性球。關(guān)于模具,經(jīng)過(guò)多方尋找對(duì)比,團(tuán)隊(duì)最后選擇用橡膠充氣球作為彈力球的內(nèi)模具,用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的亞克力球殼作為彈力球的外模具。在解決了內(nèi)模與外模的問(wèn)題后,如何將內(nèi)模固定在球心成為了團(tuán)隊(duì)制備彈力球的重中之重。


 圖3  彈性球設(shè)計(jì)理念


為了解決這個(gè)問(wèn)題,團(tuán)隊(duì)起初選擇使用塑料支架支撐內(nèi)模,從而使得內(nèi)模與外模之間預(yù)留出一定的空隙。同時(shí)將彈性球的澆筑分為兩個(gè)環(huán)節(jié):第一個(gè)環(huán)節(jié)只澆筑半個(gè)球型,在澆筑完成后,將整個(gè)模具安裝在液壓機(jī)上,保持內(nèi)模位置不變,恒壓24h使內(nèi)模完全固定在設(shè)計(jì)的位置;一天后完成另一個(gè)半球的澆筑。


雖然以上方案制作出來(lái)的彈性球在第一次彈跳實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出不錯(cuò)的彈跳高度與較小的裂紋開(kāi)裂,但經(jīng)過(guò)多次彈跳測(cè)試后,彈性球表面出現(xiàn)了較多裂紋,且裂紋集中在支架所在的位置。


視頻1 第一次彈性球測(cè)試


由此我們思考,能否不用支架使內(nèi)模固定在設(shè)計(jì)的位置?


通過(guò)剖析彈性球的內(nèi)部我們發(fā)現(xiàn),很多支架在其中并沒(méi)有起到固定內(nèi)模的作用,反而因?yàn)檎掣讲焕喂?,支架在澆筑時(shí)隨著砂漿流動(dòng),形成了宏觀缺陷。在發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問(wèn)題后,我們馬上和余睿老師討論,決定調(diào)整方向,放棄使用支架,而是直接通過(guò)測(cè)量預(yù)留高度后內(nèi)模剩余的高度來(lái)推算內(nèi)模下方砂漿的厚度。調(diào)整方案后,我們制得了“UHPC彈性球2.0”,經(jīng)過(guò)彈跳測(cè)試,彈性球的彈跳高度并無(wú)太大變化,但裂紋數(shù)量大幅度較少。按照此方法我們制作出了若干彈性球并測(cè)定相應(yīng)的彈跳高度,且都在團(tuán)隊(duì)的預(yù)測(cè)值范圍之內(nèi)。

圖4 支架露出


完成設(shè)計(jì)后,我們對(duì)彈性球進(jìn)行打磨、修復(fù)、涂色并畫(huà)上屬于團(tuán)隊(duì)專屬的logo,帶著他們踏上了比賽的征程。


圖5 打磨修飾后的UHPC彈性球


實(shí)戰(zhàn)演練——UHPC設(shè)計(jì)大賽現(xiàn)場(chǎng)


懷著無(wú)比激動(dòng)的心情,我們團(tuán)隊(duì)終于來(lái)到了“首屆全國(guó)UHPC設(shè)計(jì)定制大賽”的現(xiàn)場(chǎng)。在比賽中,我們團(tuán)隊(duì)的彈性球彈跳高度達(dá)到了40cm左右,裂紋數(shù)量也相對(duì)較少。這令我們驚喜又期待,驚喜的是大家齊心協(xié)力傾注心血培育出的“孩子”能有如此優(yōu)秀的表現(xiàn),期待的是以我們團(tuán)隊(duì)的最終比賽結(jié)果,或許真能奪得優(yōu)異的成績(jī)與名次。


視頻2 彈跳高度比賽現(xiàn)場(chǎng)


圖6 彈性球裂紋


然而,在攀登高峰的路途上,或許總會(huì)有風(fēng)急雨驟。雖然我們對(duì)團(tuán)隊(duì)的球很有信心,但競(jìng)賽場(chǎng)上高手云集,大家的成績(jī)更是一個(gè)比一個(gè)優(yōu)秀,與最高回彈70-80cm的參賽組相比,我們還是相形見(jiàn)絀。最終,這場(chǎng)比賽,我們團(tuán)隊(duì)遺憾落敗。


回來(lái)以后,團(tuán)隊(duì)成員們進(jìn)行了認(rèn)真地總結(jié),分析差距,相比于其他優(yōu)秀團(tuán)隊(duì),我們團(tuán)隊(duì)存在彈性球成型量少、測(cè)試次數(shù)不足、兩半球接縫處不夠美觀且粘接性較弱有待優(yōu)化、準(zhǔn)備時(shí)間也不夠充分,走了許多的彎路并未及時(shí)尋求出提高UHPC球彈性的方法等諸多問(wèn)題。獲此成績(jī),小分隊(duì)隊(duì)員心中都難免失落,但回想整個(gè)比賽過(guò)程,我們認(rèn)為這不僅是一次制作挑戰(zhàn),一次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),還是一次彈性碰撞的挑戰(zhàn)。而經(jīng)歷了這次比賽的我們也看到了自己的問(wèn)題:作為研究生,我們?cè)谘芯縐HPC的基礎(chǔ)理論知識(shí)的同時(shí),更不能忽略其工程的實(shí)踐應(yīng)用。


此次比賽好像一把拓寬視野的鑰匙,面臨創(chuàng)新與挑戰(zhàn),我們收獲了好的創(chuàng)意與團(tuán)隊(duì)合作的美好回憶,更是在這個(gè)過(guò)程中互相學(xué)習(xí)彼此優(yōu)點(diǎn)共同進(jìn)步,共同找出存在的問(wèn)題并吸取教訓(xùn),攜手共克難關(guān)。經(jīng)過(guò)這次比賽,我們更加堅(jiān)定了奮斗的方向,并會(huì)努力朝著目標(biāo)共進(jìn)共勉,相信下一次的比賽,我們會(huì)彈出新的高度!青春正當(dāng)時(shí),科研不止步。希望年年都參賽、年年有進(jìn)步、年年有收獲!


來(lái)源:CCPA-UHPC分會(huì)

編輯:徐潔
審核:張慶歡
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