高溫后玄武巖纖維增強混凝土的動態力學特性

任韋波，許金余,2，白二雷，范建設

(1.空軍工程大學機場建筑工程系，陜西 西安 710038； 2.西北工業大學力學與土木建筑學院，陜西 西安 710072； 3.中國航空港建設第九工程總隊，四川 新津 611430)

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高溫后玄武巖纖維增強混凝土的動態力學特性

任韋波1，許金余1,2，白二雷1，范建設3

(1.空軍工程大學機場建筑工程系，陜西 西安 710038； 2.西北工業大學力學與土木建筑學院，陜西 西安 710072； 3.中國航空港建設第九工程總隊，四川 新津 611430)

為研究溫度、加載速率、纖維摻量對玄武巖纖維增強混凝土(BFRC)動態壓縮強度和沖擊韌度的影響，利用?100 mm分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置，對經歷不同溫度作用后的BFRC進行沖擊加載實驗。結果表明：高溫后BFRC的動壓強度及沖擊韌度在同一溫度下隨平均應變率的上升近似線性增大；溫度的升高總體上導致BFRC在同一加載速率下的動壓強度及沖擊韌度減小、應變率敏感性減弱；同一工況下，BFRC的動壓強度和沖擊韌度較素混凝土普遍提高，且當纖維體積摻量為0.2%時強韌化效果相對最佳。由此可見，高溫后BFRC的沖擊壓縮特性受溫度、加載速率、纖維摻量的綜合作用影響，摻入玄武巖纖維可以有效降低高溫后BFRC的損傷劣化程度。

固體力學；動態壓縮強度；SHPB；玄武巖纖維增強混凝土；高溫；沖擊韌度

纖維增強混凝土(FRC)具有優異的強度變形特性，在防爆、抗震、抗沖擊等安全防護工程領域有良好的應用前景。學者們已對多種FRC材料在常溫條件下的動態力學性能開展了研究[1-6]，其中纖維增強材料包括鋼纖維、合成纖維、玄武巖纖維、碳纖維、混雜纖維等，混凝土基體包括普通硅酸鹽混凝土、地質聚合物混凝土、活性粉末混凝土等，結果表明，通過摻入纖維可以有效改善混凝土的脆性，提高其抵抗沖擊荷載作用的能力。然而，實際使用過程中，構件在承受沖擊、振動、碰撞等動力荷載的同時，往往也會受到溫度荷載的影響[7]，例如，火災中化學物質的爆炸燃燒導致建筑物上部結構垮塌并對下部處于高溫狀態的結構進行撞擊，軍事防護工程在遭受打擊武器高速侵徹的同時也要經受來自武器爆炸衍生高溫的作用。在這些情況下，由于高溫導致混凝土內部物質結構發生改變、力學性能指標下降[8-10]，因而此時在進行結構設計計算、毀傷效應分析時，就不能單純地考慮動荷載的沖擊破壞作用，還需要計入溫度的損傷劣化效應，否則就會因高估材料的承載能力而造成使用安全隱患。此外，掌握FRC材料在高溫條件下的動力響應特性，對合理進行工程結構的損傷修復評估、檢驗防護工程的防御效能，優化武器戰斗部設計，拓展FRC的應用領域等也很有意義。

本文中利用?100 mm分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置，對經高溫作用后的玄武巖纖維增強混凝土(BFRC)進行沖擊加載實驗，研究不同溫度、加載速率、纖維摻量對BFRC動態壓縮強度和沖擊韌度的影響，并分析其作用原因。

1 試件制備

材料：(1)42.5R級普通硅酸鹽水泥；(2)一級粉煤灰，密度2.05 g/cm3，比表面積≥355 m2/kg；(3)微硅粉，平均粒徑0.1～0.15 μm，比表面積15～27 m2/g；(4)石灰巖碎石，密度2.70 g/cm3，粒徑5～20 mm；(5)中砂，密度2.63 g/cm3，細度模數2.78，含泥量1.1%；(6)FDN高效減水劑，減水率20%；(7)自來水；(8)短切玄武巖纖維：單絲直徑15 μm，短切長度18 mm，密度2 650 kg/m3，楊氏模量93～110 GPa，熔點960 ℃，抗拉強度4 150～4 800 MPa，極限伸長率3.1%。

表1 BFRC配合比

利用上述原材料，按照表1中所列配合比，經攪拌、成型及28 d標準養護，制得基體強度等級為C50的素混凝土(PC)以及纖維體積摻量分別為0.1%、0.2%和0.3%的玄武巖纖維混凝土(簡稱BC1、BC2和BC3)。試件規格分2種：(1)標準立方體試件(150 mm×150 mm×150 mm)，用于常溫下靜態壓縮實驗；(2)短圓柱體試件(?98 mm×50 mm)，用于常溫下靜態壓縮實驗和高溫后沖擊壓縮實驗。

2 實驗設備與方法

2.1 試件加熱及冷卻

試件加熱采用RX3-20-12型箱式電阻爐。實驗溫度等級設為常溫、200、400、600和800 ℃，升溫速率為10 ℃/min，為確保加熱的穩定性、均勻性，當試件加熱至目標溫度后還需在箱內恒溫2 h，同時，為模擬實際救火現場情況，對加熱完成的試件進行噴水冷卻處理(噴淋30 min)，而后移入室內靜置，1 d后進行動壓實驗。

2.2 SHPB實驗

高溫后BFRC的動態壓縮實驗采用?100 mm SHPB實驗系統。實驗時撞擊桿的加載速度通過調節氣壓槍內的氣壓進行控制，并由激光測速儀進行測量，桿中的應變波由粘貼在壓桿表面的應變片進行記錄，具體實驗原理及數據處理方法可參見文獻[11]。

本實驗針對每一溫度下的每種試件共進行5個不同加載速率(5.5、6.5、7.5、8.5、9.5 m/s)的沖擊實驗，每一加載速率下至少進行3次重復實驗。此外，為減小加載波在傳播過程中的彌散效應，保證試件在破壞前的應力均勻性，采用波形整形技術[12]，即在入射桿打擊面中心粘貼厚度為1 mm，直徑分別為30、35、40、45、50 mm的鋁片作為波形整形器。

3 結果與分析

3.1 動態壓縮強度

根據《普通混凝土力學性能實驗方法標準》[13]，測得常溫下PC、BC1、BC2和BC3的立方體試件靜態抗壓強度分別為65.6、67.7、70.5和67.0 MPa，短圓柱體試件靜態抗壓強度分別為115.8、122.4、136.9和130.7 MPa，可以看出，由于圓柱體試件長徑比較小，承壓板在試件端面形成巨大約束力導致其強度較立方體試件偏高，尺寸效應明顯。

由圖1～2可知：高溫后BFRC動壓強度在同一溫度下隨加載速率(平均應變率)的提高近似呈線性增大，具有明顯的應變率強化效應。溫度的升高總體上導致試件在同一加載速率下的動壓強度呈下降趨勢，但在200 ℃時降幅較小，甚至較常溫略有增長，同時，試件的平均應變率也隨溫度的上升不斷增大，這主要是因為高溫導致試件酥軟、形變量增大所致。400 ℃之前，試件動壓強度普遍大于常溫下立方體靜壓強度，且應變率敏感性較強，圖1中擬合直線斜率較大，說明應變率強化效應占主導地位，400 ℃以后，試件動壓強度迅速降至常溫立方體靜壓強度以下，應變率敏感性亦逐漸減弱，且在800 ℃時擬合直線斜率降至最低，說明溫度損傷軟化效應占主導地位。同一工況下，BFRC的動壓強度較PC普遍提高(Rd>1)，且隨溫度的上升，這種優勢有所增大，說明摻入玄武巖纖維對高溫后混凝土具有一定的增強效果。BFRC動壓強度隨纖維摻量的變化較為復雜、離散，總體來說，增大纖維摻量可以提高其增強效果，但過多的纖維也會產生一定的負面影響，例如大部分情況下BC3的動壓強度較BC2不升反降，BC2的Rd值整體較高，因此就改善強度而言，纖維體積摻量為0.2%時相對最佳。

圖1 高溫后試件動態壓縮強度與平均應變率的關系Fig.1 Relationships between dynamic compressive strength and average strain rate after elevated temperatures

圖2 不同工況下的Rd值及其空間擬合平面Fig.2 Value of Rd and its fitting plane under different working conditions

3.2 沖擊韌度

圖3 高溫后試件沖擊韌度與平均應變率的關系Fig.3 Relationships between impact toughness and average strain rate after elevated temperatures

由圖3～4可知：相同溫度作用下，隨著加載速率的提高，試件的沖擊韌度不斷增大，兩者具有較好的正相關性。相同加載速率作用下，溫度對沖擊韌度的影響隨加載速率的不同而不同，當加載速率較低時(7.5 m/s以下)，試件沖擊韌度在200 ℃時較常溫有所減小，400 ℃時有所回升，而后隨溫度的升高逐漸降低，當加載速率較高時(7.5 m/s以上)，試件沖擊韌度隨溫度的升高呈下降趨勢，但在200 ℃時較常溫略有提高。試件沖擊韌度的應變率敏感性在600 ℃之前變化不大(200 ℃時有所增長)，800 ℃時明顯降低，例如對于BC1，其在圖3中擬合直線的斜率隨溫度的升高依次為11.42、16.19、10.56、11.33和8.83。摻入玄武巖纖維整體上可以提升高溫后混凝土的沖擊韌度，但在部分低溫、低加載速率的工況下，BFRC的沖擊韌度反而小于PC。纖維的增韌效果總體隨其體積摻量的增大而增大，但當纖維摻量增至0.3%時，BC3的沖擊韌度變化較為離散，因此BC2的沖擊韌性相對最優。

圖4 不同工況下的Ri值及其空間擬合平面Fig.4 Value of Ri and its fitting plane under different working conditions

3.3 分析

動荷載作用下，隨著加載速率的提高，作用于試件的能量增多且時間極短，試件的破壞模式由少數主控裂縫沿最薄弱界面貫穿失效轉變為在原位同時萌發大量的微裂縫，而裂紋的起裂數目和擴展程度與所受能量呈正比。因此加載速率越大，新產生的微裂紋越多、破壞程度越大，致使試件累積消耗能量增多、韌度增大、再根據沖量定理，由于試件在高速沖擊下來不及進行變形緩沖，因此只能通過增加應力的方式來抵消外部能量，因此動壓強度也相應提高。

不同溫度作用后，試件內部的熱應力以及各相間的變形差導致試件出現不同程度的損傷破壞，尤其是400 ℃以后，部分水化產物開始熔融分解、骨料逐漸膨脹破裂[14]，使得試件性能急劇惡化。例如圖5為采用BJQF-1型智能裂縫測寬儀得到的高溫后試件溫度裂縫檢測圖，可以看出，200 ℃時，PC表面無明顯的裂縫形成，平均裂縫寬度僅為0.053 mm，而當溫度升至600 ℃時，高溫損傷加重致使裂縫顯著增大，裂縫平均寬度達到0.384 mm。因此，隨著溫度的升高，試件的損傷劣化程度加劇，裂紋起裂、擴展的臨界應力降低，試件在動荷載作用下迅速失穩破壞，導致其動壓強度及沖擊韌度受損、應變率敏感性降低。

200 ℃時，試件受熱膨脹導致部分孔隙、裂紋收縮閉合，內部自由水分蒸發形成的溫濕環境也有助于未水化的水泥顆粒進行二次水化[15]，因而此時試件的熱損傷程度較小，動壓強度及其應變率敏感性較常溫有所提高。此外，由于試件初始損傷降低，破壞所需的臨界應力增大，因此在較低加載速率作用下其破壞程度較常溫有所減小，部分沖擊能量未能引發并參與試件的塑性變形破壞，而是以彈性能的方式耗散釋放，致使沖擊韌度下降。而隨著加載速率的提高，被“激活”的裂縫數量逐漸增多且擴展程度不斷增強，外部沖擊能量已足以使試件完全破壞，但由于試件整體性能的提升，使得裂紋貫穿速度相對較慢，有效截面積下降延緩，致使耗散能累積增大，沖擊韌度接近、甚至略高于常溫水平。

摻入玄武巖纖維后，三維亂向分布的纖維在試件內部形成一個微加筋系統，使得試件在凝結硬化過程中的收縮裂縫以及高溫下溫度裂縫得到有效約束，初始損傷程度明顯降低，例如圖5中在600 ℃時，BC2平均裂縫寬度較PC明顯減小，僅為0.222 mm。同時，利用纖維的橋聯阻裂作用還可以減緩裂縫尖端的應力集中，分散、消耗部分沖擊能，導致裂縫在擴展方向上受阻，增加其擴展路徑的曲折性，使得更多的細觀裂紋產生并參與試件的破碎過程，因此BFRC的強度與韌性較PC普遍增大，但是在溫度與加載速率較低時，由于纖維提高了BFRC抵抗沖擊荷載作用的能力，使其破壞程度及能耗水平下降，因而此時BFRC的沖擊韌度小于PC。

圖5 高溫后試件溫度裂縫檢測圖Fig.5 Crack width of specimens after elevated temperatures

此外，雖然增大纖維摻量理論上可以減小纖維間的平均間距[16]，提高其增強增韌效能的發揮，但其前提是要保證纖維在基體內均勻分散。而實際實驗中，要使纖維達到絕對分散十分困難，尤其當纖維摻量較大時，將大大增加其在攪拌過程中“結塊”、“成團”的概率，導致試件在相對薄弱的“纖維塊”間開裂破壞，同時，由于高溫下纖維與基體間的黏結面受損、握裹力降低，不但削弱了纖維的強韌化效果，還使試件內部的軟弱層相對增多。因此，在實際應用中，不能只是一味的通過增大纖維摻量來提高其作用效果，而應根據不同的材料、工藝、使用工況及改善目的，確定出纖維的相對最優摻量。基于本文的實驗條件及配比，當玄武巖纖維體積摻量為0.2%時，其強韌化效果相對最佳。

4 結 論

(1)高溫后BFRC動壓強度和沖擊韌性的變化是應變率強化效應和溫度損傷軟化效應共同作用的結果。試件的動壓強度和沖擊韌性在同一溫度下隨平均應變率的提高近似線性增大，而溫度的升高總體上導致BFRC在同一加載速率下的動壓強度及沖擊韌度減小、應變率敏感性減弱。

(2)200 ℃時，由于試件整體性能有所提升，導致此時動壓強度較常溫略有增長，而沖擊韌度則在加載速率較低時有所減小，在加載速率較高時接近、甚至高于常溫水平。

(3)玄武巖纖維可以有效地降低高溫后混凝土的損傷劣化程度，提高其動壓強度和沖擊韌度，但是當溫度與加載速率較低時，BFRC的沖擊韌度小于PC。當纖維體積摻量為0.2%時，其強韌化效果相對最佳。

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(責任編輯 曾月蓉)

Dynamic mechanical properties of basalt fiber reinforced concrete after elevated temperatures

Ren Wei-bo1, Xu Jin-yu1,2, Bai Er-lei1, Fan Jian-she3

(1.DepartmentofAirfieldandBuildingEngineering,AirForceEngineeringUniversity,Xi’an710038,Shaanxi,China; 2.CollegeofMechanicsandCivilArchitecture,NorthwestPolytechnicUniversity,Xi’an710072,Shaanxi,China; 3.TheNinthEngineeringHeadGroupofChinaAirport,Xinjin611430,Sichuan,China)

To investigate the influences of temperature, impact velocity and fiber volumetric fraction on dynamic compressive strength and impact toughness of basalt fiber reinforced concrete (BFRC), dynamic compressive experiments were carried out on BFRC after different elevated temperatures by using a 100 mm diameter split Hopkinson pressure bar (SHPB) equipment. The results demonstrate that the dynamic compressive strength and impact toughness increase approximately linearly with the increase of average strain rate under the same temperature. At a fixed impact velocity, the rising of temperature results in a decrease in dynamic compressive strength and impact toughness as well as their strain rate sensitivities. For a given working condition, the dynamic compressive strength and impact toughness of BFRC are generally higher than those of plain concrete. The strengthening and toughening effect are relatively the best when the fiber volumetric fraction is 0.2%. Consequently, changes in dynamic compressive properties of BFRC after elevated temperatures are the combining effects of temperature, impact velocity and fiber volumetric fraction. The adding of basalt fiber can significantly decrease the thermal deterioration of BFRC.

solid mechanics; dynamic compressive strength; SHPB; basalt fiber reinforced concrete; elevated temperature; impact toughness

10.11883/1001-1455(2015)01-0036-07

2013-06-26；

2013-12-16

國家自然科學基金項目(51078350,51208507)

任韋波(1988— )，男，博士研究生,renweibo_fhgc@163.com。

O347.3 國標學科代碼： 13015

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