PVA纖維混凝土的動態壓縮性能試驗研究

蘇　駿， 汪思維， 陳　明， 張　鵬

(湖北工業大學土木工程與建筑學院， 湖北 武漢 430068)

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PVA纖維混凝土的動態壓縮性能試驗研究

蘇駿， 汪思維， 陳明， 張鵬

(湖北工業大學土木工程與建筑學院， 湖北 武漢 430068)

[摘要]為了研究PVA纖維混凝土的動態壓縮性能，采用Φ74SHPB(分離式霍普金森壓桿)裝置對三種體積摻量的PVA纖維混凝土進行不同應變率下的沖擊壓縮試驗，獲得了較高應變率下的應力-應變關系。試驗結果表明，PVA纖維混凝土是一種應變率敏感材料，在沖擊荷載作用下，其破壞應力、峰值應變、峰值韌度等技術指標都隨應變率的增加而增大。

[關鍵詞]纖維混凝土； 沖擊壓縮試驗； 破壞應力； 峰值應變； 峰值韌度

1試驗概況

1.1試驗裝置與內容

本試驗利用Φ74 SHPB(分離式霍普金森壓桿)裝置對PVA纖維混凝土進行動態壓縮性能試驗。該試驗裝置主要由主體設備、能源系統和測試系統三部分組成。試驗選用800 mm子彈(打擊桿)，入射桿全長3 200 mm，為變截面桿，透射桿長度為1 600 mm，直徑為74 mm。能源系統的作用是調節高壓氣體的激發氣壓數值從而控制子彈沖擊速度，以獲得不同應變率下的加載波形；測試系統由速度測試儀、應變片、動態應變儀以及測量分析儀組成。除對PVA纖維混凝土進行沖擊壓縮試驗研究之外，在SHT4106電液伺服萬能試驗機上完成PVA纖維混凝土部分試樣的靜力壓縮試驗。

1.2試驗材料

試驗材料中，粗骨料采用粒徑為5~20 mm連續級配的碎石，細骨料選用細度模數為2.6的河砂，水泥采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。PVA纖維選用上海博寧工程纖維材料有限公司生產的PVA纖維，體積摻量分別為0.08%、0.1%、0.2%，其性能指標見表1。

PVA纖維混凝土動態壓縮試樣采用Φ70 mm×35 mm的圓柱體試塊。按照試驗的配合比要求，制作完成了100 mm×100 mm×100 mm試件，在標準養護室養護28 d后，用混凝土鉆芯機鉆取Φ70 mm的芯樣，然后用巖石切割機切取Φ70 mm×35 mm的圓柱體試塊，并用打磨機對切割好的試塊進行端面水磨精細加工，使試樣端面不平整度控制在0.02 mm以內。SHPB試驗混凝土配合比見表2。

表1　PVA纖維的基本性能

表2　混凝土配合比

2試驗結果與分析

2.1PVA纖維混凝土靜態壓縮抗壓強度分析

在靜力壓縮試驗中，根據PVA纖維體積摻量(0、0.08%、0.1%、0.2%)的不同將試驗分為4組，每組完成3次測試，然后以3個測量值的算術平均值作為測定值，具體結果見表3。

表3　PVA纖維混凝土抗壓強度

由表3可知，當PVA纖維體積摻量在0.08%時，PVA纖維混凝土的抗壓強度相比于素混凝土提高了3.9%；當PVA纖維體積摻量在0.1%時，PVA纖維混凝土的抗壓強度提高了1.2%；當PVA纖維體積摻量在0.2%時，PVA纖維混凝土的抗壓強度卻略有降低，說明PVA纖維的摻入能提高混凝土的抗壓強度。

2.2PVA纖維混凝土動態壓縮抗壓強度分析

SHPB試驗共對3種纖維摻量(0.08%、0.1%、0.2%)的PVA纖維混凝土試樣進行了不同應變率下的沖擊壓縮試驗，平均應變率分別取為45s-1、67s-1、90s-1。每種應變率下做6次實驗，選取其中較好的應力-應變曲線作為試驗結果。圖1為同種纖維摻量下不同應變率下的應力-應變曲線。SHPB試驗結果歸納于表4。

由圖1和表4可知，在沖擊荷載作用下，PVA纖維混凝土的抗壓強度隨著應變率的增加而提高。在45 s-1、67 s-1、90 s-1應變率下，0.08%PVA纖維摻量混凝土的峰值應力分別為55.1 MPa、62.7 MPa、76.7 MPa，分別是靜態抗壓強度(50.5 MPa)的1.09倍、1.24倍、1.52倍；0.1%PVA纖維摻量下混凝土的峰值應力分別為55.3 MPa、64.7 MPa、68.5 MPa，分別是靜態抗壓強度(49.2 MPa)

的1.12倍、1.32倍、1.39倍；0.2%PVA纖維摻量下混凝土的峰值應力分別為56.4 MPa、58.7 MPa、71.9 MPa，分別是靜態抗壓強度(48.3 MPa)的1.17倍、1.22倍、1.49倍。

(a)0.08%PVA纖維摻量

(b)0.1%PVA纖維摻量

(c)0.2%PVA纖維摻量圖 1　不同纖維摻量下的應力-應變曲線

PVA纖維摻量/%平均應變率/s-1靜態抗壓強度/MPa峰值應力/MPaεpεmaxDIF破壞形態0.0845679050.550.550.555.162.776.70.010000.006540.007900.017220.026990.037491.091.241.52粗裂紋,邊緣剝落碎裂成大塊碎裂成小塊0.145679049.249.249.255.364.768.50.005570.009620.013120.017150.02310.033581.121.321.39粗裂紋,邊緣剝落碎裂成大塊碎裂成小塊0.245679048.348.348.356.458.771.90.006350.00750.009220.016450.020590.035141.171.221.49細裂紋,邊緣剝落碎裂成大塊碎裂成小塊

表中εp、εmax分別為應力-應變曲線中的峰值應變、極限應變；

動態壓縮強度增長因子DIF=峰值應力/靜態抗壓強度

圖 2　應力-應變率曲線

圖 3　DIF-應變率曲線

由圖2可看出，混凝土的破壞應力隨應變率的增加呈非線性增加。當PVA纖維摻量為0.08%和0.2%時，混凝土的破壞應力在90 s-1應變率的破壞應力增幅比其在67 s-1應變率時的破壞應力增幅大得多，其應變率增強效應更顯著。而當PVA纖維摻量為0.1%時，混凝土在90 s-1應變率下的破壞應力增幅則比其在67 s-1應變率下的破壞應力增幅小。其主要原因是：在PVA纖維摻量為0.1%的時候，其臨界應變率比較小，Ross等人[4]認為混凝土臨界應變率為60 s-1~80 s-1，當達到其臨界應變率的時候，其應變率效應有所減弱，即其破壞應力增幅減小。

研究纖維混凝土的動態抗壓強度與應變率關系，主要是研究混凝土的動態抗壓強度相對于靜態抗壓強度的增長。DIF的計算結果見表4，DIF與應變率的關系見圖3，可以看出，隨著應變率的增加，DIF值呈上升趨勢，最大達到1.52倍。在不同應變率下，增強效果各不相同，在45 s-1應變率下，PVA纖維摻量為0.2%的混凝土增強效果最佳；在67 s-1應變率下，PVA纖維摻量為0.1%的混凝土增強效果最佳；在90 s-1應變率下，PVA纖維摻量為0.08%的混凝土增強效果最佳。

2.3峰值應變與極限應變分析

圖4和圖5為PVA纖維混凝土動態峰值應變及動態極限應變與應變率的關系曲線。

圖 4　峰值應變-應變率曲線

圖5　極限應變-應變率曲線

從圖4、圖5可看出，PVA纖維混凝土的峰值應變和極限應變隨著應變率的增加而增加。0.1% PVA纖維摻量的混凝土的峰值應變在90s-1應變率下峰值應變最大為0.013；0.08%PVA纖維摻量的混凝土極限應變最大為0.037。

2.4峰值韌度和沖擊韌度分析

纖維混凝土韌性是反應材料在變形過程中吸收能量的重要性能，體現了材料的力學性能，分別采用峰值韌度和沖擊韌度作為評價指標，計算結果見表5。

表5　韌度計算結果

PVA纖維混凝土的峰值韌度-應變率以及沖擊韌度-應變率關系曲線見圖6和圖7。由此可知，PVA纖維混凝土存在應變率增強效應。隨著應變率增加，其峰值韌度、沖擊韌度呈總體增加的趨勢，即韌性增大的趨勢。總體來看，PVA纖維體積摻量在0.1%時混凝土在各種應變率下的韌性最好。

圖 6　峰值韌度-應變率曲線

圖 7　沖擊韌度-應變率曲線

3結論

本文分別對三種不同體積摻量下PVA纖維混凝土的動態壓縮性能進行了研究，并得到不同應變率下的動態抗壓應力-應變曲線，通過對試驗數據的分析，得出以下結論：

1)在沖擊荷載作用下，相對于靜態混凝土,三種PVA纖維摻量下的混凝土抗壓強度隨著應變率的增加得到了不同幅度的提升。

2)峰值應變、極限應變、峰值韌度以及沖擊韌度都存在應變率效應，在三個應變率條件下，其值隨應變率的增加而增大。

3)PVA纖維混凝土的動態壓縮性能的應變率增強效應與實驗過程中裂紋的擴展、沖擊荷載下試件的慣性約束作用以及動態壓縮下混凝土的損傷演化方式等有關。

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[責任編校： 張巖芳]

Experimental Study on Dynamic Compression Properties of Polyvinyl Alcohol(PVA) Fiber Concrete

SU Jun，WANG Siwei, CHEN Ming，ZHANG Peng

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Abstract：In order to research the dynamic compression properties of PVA fiber concrete, a SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar) of 74mm was used to make the impact compression experiments with different strain rate ranges for PVA fiber concrete of three different volume contents, and the dynamic stress-strain relationships in the scope of high strain rate were then obtained. The results show that PVA fiber concrete is a strain sensitive material; the failure stress, the peak strain, the peak toughness and other technical indicators increase with the increasing strain rate when they were under the action of the impact load.

Keywords：fiber concrete; impact compression experiment; the failure stress; the peak strain; the peak toughness

[中圖分類號]TU528.572

[文獻標識碼]：A

[文章編號]1003-4684(2016)01-0108-04

[作者簡介]蘇駿(1971-)， 男， 安徽六安人，工學博士，湖北工業大學教授，研究方向為纖維混凝土結構與工程結構抗震

[基金項目]湖北省自然科學基金(2011CDB094)

[收稿日期]2015-04-20