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全国UHPC设计大赛

大赛新闻

UHPC弹性球大赛——享受过程，志在参与

时间：2021-02-05 来源：CCPA-UHPC分会分享：

参加完UHPC分会组织的“全国首届UHPC设计定制大赛”快一个月的时间了，突然收到分会约稿，颇有些意外兼惶恐。意外在于，作为本次比赛的“孙山之后”，受到约稿深感荣幸；惶恐在于，似乎没有太多有价值的东西和大家分享，尤其是拜读了几篇推文后。故笑语：需饮三大碗——壮胆！

UHPC弹性球大赛——享受过程，志在参与

广州朋悦建材科技发展有限公司

重庆云天化天聚新材料有限公司

大赛消息是从赵筠秘书长的朋友圈中得知。第一感觉是一笑过之！原因有二：一是对自己的UHPC质量没有足够的信心；二是该比赛是一个多学科的综合，包括材料、力学设计、制作及养护制度的设计等等，本“小作坊”条件似不具备。不过，沉迷于UHPC的我，还是偷偷的把大赛通知收藏了！直至看到同行的试验视频，才下决心报名！

鉴于“UHPC”的优质有机纤维大都依赖进口且价格高昂的情况，结合正在检验测试的“重庆云天化天聚新材料有限公司”生产的“聚甲醛POM纤维”的抗压抗拉性能，决定依托“云天化”的纤维研发和设计优势，联合组队参赛，以向同行展示国产纤维的品质。

工科生的职业习惯：先理论算算！马上借来《弹性力学》，翻了两页，直接崩溃，貌似需要再回学校读两年，这肯定就错过了此次比赛的时间。只能采用“试错法”，用试验来检验，当然这也是需要基础计算和设计的。

一、内腔直径计算

依据不同纤维组合所产生的UHPC密度的不同，经计算，内腔直径在Ø140-150mm之间时，弹性球的质量和外径才能满足比赛要求。

二、材料纤维组合设计及抗压抗拉数据

设计三种纤维组合并进行抗压抗拉检测（蒸养），结果如下：

1. UHPC+POM纤维（体积掺量1.5%，8mm:12mm=1:2），编号1系列——抗压：136MPa；抗拉：9.5 MPa。

2. UHPC+镀铜端勾钢纤维（体积掺量2.8%），编号2系列——抗压：167MPa；抗拉：11.9MPa。

3. UHPC+POM+镀铜端勾钢纤维（体积掺量3.0%，POM：钢纤维=1:1），编号3系列——抗压：152MPa；抗拉：10.7 MPa。

耐冲击能力则要通过试验后的裂纹状态来判断。

三、内腔填充物的选择

为最大限度的应用UHPC，内腔填充物选择了亚克力空心球和聚苯乙烯泡沫塑料实心球。

四、模具选择

考虑到外观要求，选择了硅胶模具外裹石膏加固，见图1。

图1 制球用模具

五、制作方法

灌注，抽真空。

依据以上设想，共制作了12个球进行试验。期间，有不少调整的地方。调整及试验情况大体如下：

1. 内腔填充物，摒弃了亚克力空心球。原因是试摔中，裂纹明显大于聚苯乙烯泡沫球。有可能是因为亚克力属于相对脆性材料，在受冲击时缓冲作用不明显，容易产生裂纹；而聚苯乙烯具有一定的抗冲击能力并能够较好地缓冲冲击力。

2. 灌注和抽真空基本无法实现。由于纤维长度较长，模具方面过度考虑外表而刻意缩小灌浆口的尺寸，致使料浆很难流入模具内部，抽真空则由于料浆粘稠，基本不起作用。后改为分边浇注再合模的办法。为使分缝处纤维分布基本一致，进行了如下处理：（见图2）

浆体流动度控制在基本可抹不流挂的程度；
先将一半球填充适量浆体，将内填球体压入并固定；
在内填充球上半部抹一层浆体，将另一半（已经浇注适量浆体）合模，并振动；
通过浇注口填充浆体压实球体。

图2 浇注成型示意

3. 制作中发现硅胶模存在不少问题，如钢纤维会刺穿硅胶模，合模缝大，容易变形等。因制作时间紧，未能彻底更正，所以赛球外观上存有不少瑕疵。

4. 内模固定。试验中发现同条件两个球的裂纹发展相差较大。通过在裂纹最大处切开发现，内填泡沫球偏心会造成UHPC球壁厚度不匀，若冲击点刚好位于相对薄的地方，则很容易造成开裂。随后改进了固定方案，使内填球位于中心位置，解决了此问题。

5. 试摔试验表明，三种纤维组合均可达到预设目标，但弹跳高度基本在250-350mm之间。至于弹跳高度，编号1最高，编号2次之，编号3最低；关于开裂程度，编号3最小，编号2次之，编号1最大，但均能满足比赛要求。

编号为1的纯POM纤维球撞击试验视频（见微信文章）

图3 第一次撞击后的外观照片

第二次撞击视频（见微信文章）

图4 第二次撞击后的外观

图5 切开后的断面照片

实际参赛球采用了编号2的纤维方案。主要原因是由于制作过程的曲折，直接影响了养护时间。参赛球从制作到比赛，实际时间只有5天。实际赛绩为跳高250mm, 总分61.3，和预想结果基本一致。

下一届参赛拟改进之处：

1. 模具。可采用硬模或者直接选择钢模，以达到变形小及模线小的目的；

2. 采用不同的养护制度，如温度、时间等，总结摸索UHPC耐冲击的养护制度；

3. 通过不同水胶比和灌注和合模工艺对比，摸索出外形质量最佳的制作方案；

最后，希望协会继续把此赛事一直办下去，使之成为UHPC行业同仁及爱好者的一个集比赛、交流和提高的盛会！

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