早齡期補償收縮鋼纖維混凝土沖擊壓縮性能試驗

黃　偉，　段　寅

(1．淮南聯合大學　建筑工程系， 安徽　淮南　232038；2．安徽理工大學　礦山地下工程教育部工程研究中心， 安徽　淮南　232001)

?

早齡期補償收縮鋼纖維混凝土沖擊壓縮性能試驗

黃偉1，2，段寅1

(1．淮南聯合大學建筑工程系， 安徽淮南232038；2．安徽理工大學礦山地下工程教育部工程研究中心， 安徽淮南232001)

摘要：采用HCSA膨脹劑(摻量8%)和鋼纖維(體積摻量1.0%)制備補償收縮鋼纖維混凝土試樣，利用直徑為74 mm的分離式霍普金森壓桿對3 d和7 d齡期混凝土試樣進行沖擊壓縮性能試驗，測試不同應變率下試樣的應力-應變曲線及其破壞形態。試驗結果表明：補償收縮鋼纖維混凝土的動態抗壓強度隨著齡期增長而增長，3 d齡期混凝土應力變化較小，應變增幅明顯，是由于早齡期混凝土剛性小所致，試件破壞程度隨應變率增大而加劇，水泥基體與鋼纖維之間握裹力沒有完全形成，造成鋼纖維摻入對改善混凝土破壞程度不明顯；7 d齡期混凝土動態抗壓強度有所提升，應力峰值點凸顯，達到峰值應力后，應力變化較快，呈現彈塑性變化特征，伴隨水泥基體與鋼纖維之間握裹力增大，試件破碎塊度逐漸減小，鋼纖維對改善混凝土沖擊力學性能逐步凸顯。

關鍵詞：補償收縮鋼纖維混凝土；早齡期；分離式霍普金森壓桿；應變率；應力-應變曲線

礦山巷道支護結構大都采用錨噴支護[1,2]，普通素混凝土存在早期收縮大、脆性大和韌性差、抗滲阻裂效果不好等缺點。這些缺點將可能造成巷道支護結構的破壞，降低巷道的使用壽命，同時也對煤礦運營產生嚴重的安全隱患。補償收縮鋼纖維混凝土的發展和運用解決了普通混凝土的缺陷，膨脹劑和鋼纖維雙摻混凝土中，充分利用開裂前膨脹劑的防滲作用和開裂后期鋼纖維的阻裂增強作用，有效控制礦山巷道裂縫。但煤礦巷道掘進施工是采用循環不間斷工作程序，導致支護混凝土養護和掘進之間間隔時間短，上一班組施工的混凝土強度還沒有完全形成時，下一班組開始掘進，爆破產生的沖擊荷載同樣對巷道支護結構產生影響，導致混凝土結構產生一定的損傷，因而有必要對早齡期補償收縮鋼纖維混凝土的動態力學性能進行研究。國內外學者對混凝土材料[3]、鋼纖維混凝土動態力學性能研究較多[4,5]，如胡時勝等[6]利用改進的Hopkinson壓桿對混凝土材料進行沖擊壓縮實驗，得出混凝土材料不僅具有敏感的應變速率效應，還具有明顯的損傷軟化效應。嚴少華等[7]對不同鋼纖維含量的高強鋼纖維混凝土進行了動態和靜態壓縮試驗，歸納出抗壓強度與應變率之間關系。對于早齡期混凝土Lew和Richard[8]研究了混凝土的抗壓、劈裂強度和粘結強度。Yi S T等[9]研究了混凝土強度和齡期對混凝土應力-應變曲線的影響，提出以強度和齡期作為變量的新模型，能較好的擬合各種實驗曲線。許金余[10]，羅鑫等[11]對纖維增強地質聚合物混凝土早期沖擊力學性能的對比研究，得出纖維增強地質聚合物混凝土早期沖擊力學性能具有顯著的應變率和較強的能量吸收能力。沈毅[12]研究了普通混凝土和高強混凝土的早齡期力學性能，得出了混凝土宏觀力學性能以及內部孔等結果參數隨齡期的變化規律。王世鳴等[13]對采用靜載和動載作用下不同齡期混凝土力學特性進行試驗研究，系統研究不同齡期下混凝土的力學特性及隨齡期變化的規律。

研究沖擊荷載下，早期混凝土支護材料的動態性能對改善巷道使用壽命和提高巷道安全穩定系數有至關重要的研究價值。本研究利用膨脹劑和鋼纖維雙摻優勢配置補償收縮鋼纖維混凝土(SCSFRC)進行動態沖擊壓縮性能試驗，分析該種復合材料在不同應變率下的應力-應變曲線和破壞形態。

1SHPB原理及試驗設計

1.1SHPB原理

SHPB試驗基本原理[14]是利用細長桿中彈性應力波傳播理論，建立在平面和應力均勻假定基礎之上。子彈在氣壓作用下，以某一速度撞擊入射桿，在桿內產生入射脈沖信號εi，并在入射桿中產生一個返回的反射脈沖信號εr，透射桿中產生向前的透射脈沖信號εt。由一維波理論得出試件的應力、應變和應變率的計算公式，假定試件兩端面的受力相等，得出εi+εr=εt，這樣可以把三波法簡化為二波法，二波法計算公式[15,16]如下：

(1)

(2)

(3)

1.2原材料及試樣制備

結合錨桿噴射混凝土支護技術規范[17]和補償收縮混凝土應用技術規程[18]，設計SCSFRC配合比。水泥采用普通硅酸鹽水泥P.O42.5；粗骨料粒徑為5～15 mm；細骨料采用中砂，細度模數為2.24；膨脹劑采用HCSA膨脹劑，摻量為8%；鋼纖維采用壓痕波紋型，規格為0.3 mm×1.0 mm×35 mm，長徑比48.5 mm，抗拉強度≥600 MPa，鋼纖維體積摻量為1.0%。混凝土設計配合比為413.6 kg∶220 kg∶980 kg∶760 kg(水泥∶水∶石子∶砂子)。

研究表明[19]SHPB試件長徑比為0.875+0.540εend時，試驗中試件慣性效應和摩擦效應較小，εend為試件的最終應變值。試件尺寸為Φ74 mm×37 mm的圓柱體，根據沖擊試驗用試件采用自制非標準模具制備，試件模具設計如圖1所示。試件脫模后在濕養環境下養護，每批試件提前半天采用專業打磨機進行打磨，厚度控制在37 mm左右，兩端面平行，要求試件端面不平整度不超過±0.05 mm。試件如圖2所示，試驗設計4個氣壓作用，為了防止試件離散性影響試驗結果，每個氣壓制作6個試件，共澆筑48個試件。

圖1　試件模具

圖2　部分混凝土試件

1.3SHPB試驗測試方案

試驗利用安徽理工大學SHPB實驗裝置，其中壓桿系統中入射桿直徑74 mm，透射桿直徑為74 mm；入射桿長2400 mm，透射桿長2000 mm，打擊桿長600 mm，均為合金鋼桿，波阻抗相同。入射桿和透射桿上分別黏貼電阻應變片進行測試，為了保證試件與桿件充分接觸，在試件表面涂抹適量凡士林，忽略接觸處摩擦慣性效應。

試驗采用縱波波速為5190 m/s，壓桿動態響應采集用箔式電阻應變片BX120-4AA，能滿足動態測量精度要求；使用CS-1D動態應變儀放大應變片采集的信號，電阻應變片與CS-1D動態應變儀之間通過Wheatstone電橋連接，利用TST3406動態測試分析儀收集和存儲CS-1D動態應變儀傳來的脈沖信號，獲取試驗數據，保證試驗曲線的精確性。為了改善加載波形，采用黃油作為入射脈沖整形器，使得加載波形變得更寬，上升前沿變緩，典型加載試驗波形如圖3所示。

圖3　試樣試驗典型波形

2SHPB試驗結果分析

2.1混凝土試件應力-應變曲線

根據試驗結果，四種氣壓作用下選擇典型混凝土試件的應力-應變曲線如圖4。從圖中可以看出不同應變率下SCSFRC應力與應變的變化趨勢基本一致，隨著應變率的增加，混凝土應力峰值基本都呈現增長趨勢。縱觀應力-應變圖可看出，3 d齡期混凝土初始應力-應變曲線上升較快，基本呈現彈性變形，達到峰值應力后，應力基本沒有變化，應變增幅明顯，表明早齡期混凝土剛性小，變形增大，主要是由于水化反應劇烈，混凝土仍處于不穩定期；對于7 d齡期混凝土試件峰值形成的更加明顯，表明試件剛度增大，達到峰值應力后，應力降低梯度較快，整個曲線呈現拋物線下降趨勢，有明顯的彈塑性變形特征。SCSFRC典型試樣的靜態與動態抗壓強度關系如表1所示，從表中數據可知3 d和7 d混凝土動態抗壓強度增長因子基本都在1.2～1.64之間，這與大多數研究者所得的結論基本一致[20]。

圖4 　SCSFRC動態應力-應變曲線

編號靜態抗壓強度/MPa動態抗壓強度/MPa動態抗壓強度增長因子SCSFRC-321.831.41.4431.61.4534.01.5634.91.60SCSFRC-730.343.81.4545.01.4947.31.5648.11.59

2.2混凝土試件破壞特性

圖5　補償收縮鋼纖維混凝土典型試件破壞

3結論

結合煤礦巷道SCSFRC支護結構的應用現狀，本文采用分離式霍普金森壓桿試驗裝置，對早齡期SCSFRC進行沖擊壓縮試驗，通過分析試驗數據，得出以下結論：

(1)隨著應變率的提高，SCSFRC峰值應力基本呈現逐漸增加，應力-應變曲線變化趨勢基本一致；3 d齡期時，混凝土試件的應變增幅明顯，表明早齡期混凝土剛性小，混凝土內部結構處于不穩定所致。7 d齡期時，混凝土應力-應變曲線峰值比較明顯，混凝土剛度逐漸增大，應力與應變曲線呈現拋物線型，有明顯的彈塑性變形特征。

(2)SCSFRC試件的破壞特征可以看出，沖擊荷載作用下，混凝土試件呈現拉伸破壞，應變率與試件破壞離散度成正比，3 d混凝土試件破壞后，鋼纖維與水泥基體脫離，水泥基體塊度較小，主要是早齡期水泥基體與鋼纖維之間握裹力不夠造成的；齡期增長為7 d時，鋼纖維與水泥基體咬合力增強，相比于3 d齡期鋼纖維混凝土，混凝土的破壞程度得到改善，其強度和韌性也明顯增大。

參考文獻

[1]王煥文, 王繼良. 錨噴支護[M]. 北京: 煤炭工業出版社, 1989.

[2]何滿潮. 中國煤礦軟巖巷道工程支護設計與施工指南[M]. 北京: 科學出版社, 2004.

[3]董毓利, 謝和平, 趙鵬. 不同應變率下混凝土受壓全過程的實驗研究及其本構模型[J]. 水利學報, 1997, (7): 72-77.

[4]梁濟豐, 呂磊, 王峰. 低溫下鋼纖維混凝土SHPB試驗研究[J]. 混凝土與水泥制品, 2013, (10): 43-47.

[5]郟晨, 焦楚杰, 張亞芳, 等. 鋼纖維活性粉末混凝土SHPB試驗研究[J]. 廣州大學學報(自然科學版), 2013, 12(2): 56-60.

[6]胡時勝, 王道榮, 劉劍飛. 混凝土材料動態力學性能的實驗研究[J]. 工程力學, 2001, 18(5): 115-118.

[7]嚴少華, 李志成, 王明洋, 等. 高強鋼纖維混凝土沖擊壓縮特性試驗研究[J]. 爆炸與沖擊, 2002, 22(3): 237-241.

[8]Lew H S, Reichard T W. Mechanical properties ofconcrete at early ages[J]. American Concrete Institute Journal Proceedings, 1978, 75(10): 533-542.

[9]Yi S T, Kim J K, Oh T K. Effect of strength and age on the stress-strain curves of concrete specimens[J]. Cement and Concrete Research, 2003, 33(8): 1235-1244.

[10]許金余, 李為民, 范飛林, 等. 地質聚合物混凝土的沖擊力學性能研究[J]. 振動與沖擊, 2009, 28(1): 46-50.

[11]羅鑫, 許金余, 李為民. 纖維增強地質聚合物混凝土早期沖擊力學性能的對比研究[J]. 振動與沖擊, 2009, 28(10): 163 -168.

[12]沈毅. 早齡期混凝土若干性能的研究[D]. 杭州: 浙江大學, 2004.

[13]王世鳴, 李夕兵, 宮鳳強, 等. 靜載和動載下不同齡期混凝土力學特性的試驗研究[J]. 工程力學, 2013, 30(2): 143-149.

[14]王禮立. 應力波基礎[M]. 北京: 國防工業出版社, 1985.

[15]Gray G T. Classic Split-Hopkinson Pressure Bar Testing[C]// Kuhn H, Medlin D. ASM Handbook , Mechanical Testing and Evaluation.Materials Park, OH: ASM International, 2000, 8: 462-476.

[16]宋力, 胡時勝. SHPB數據處理中的二波法與三波法[J]. 爆炸與沖擊, 2005, 25(4): 368-373.

[17]GB 50086-2001, 錨桿噴射混凝土支護技術規范[S].

[18]JGJ/T 178-2009, 補償收縮混凝土應用技術規程[S].

[19]Pankow M, Attard C, Waas A M. Specimen size and shape effect in split Hopkinson pressure bar testing[J]. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design, 2009, 44(8): 689-698．

[20]Bischoff P H, Perry S H. Compressive behaviour of concrete at high strain rates[J]. Materials and Structures, 1991, 24(6): 425-450.

[21]盧芳云, 陳榮, 林玉亮, 等. 霍普金森桿實驗技術[M]. 北京: 科學出版社, 2013.

Impact Compressive Characteristics of Early Age Shrinkage-compensating Steel Fiber Reinforced Concrete

HUANGWei1,2,DUANYin1

(1.Department of Civil Engineering, Huainan Union University ,Huainan 232038,China；2. The Mine Underground Engineering Research Center of the Ministry of Education,Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

Abstract:Shrinkage compensating steel fiber reinforced concrete (SCSFRC) with HCSA expansive agent of 8% dosage and steel fiber of 1.0% volume content were adopted as specimens. Split Hopkinson pressure bar (SHPB) with a diameter of 74mm was employed to conduct shock compression performance tests on 3d and 7d specimens, stress-strain curve and failure mode of the specimens under different strain rate were acquired. Experimental results show that: the dynamic compressive strength of SCSFRC is increasing with age, each age shows the strain rate sensitivity; the variation of stress of 3d concrete is lesser, but strain increase obviously, it is caused by the small rigidity of concrete in the early age, the failure degree of the specimens increased with the increase of the strain rate, and the improvement was not obvious that the grip strength between the cement matrix and the steel fiber was not completely formed; Concrete strength of 7d concrete increased and the stress peak is very obvious; after obtaining the stress peak the gradient of stress variation changes fast and showing characteristic of elastic plastic, with the grip strength increases, the degree of fragmentation of the specimen is gradually reduced, and the impact of steel fiber on the mechanical properties of the concrete is gradually becoming prominent.

Key words：shrinkage-compensating steel fiber reinforced concrete(SCSFRC); early age; split hopkinson pressure bar; rate of strain; stress-strain curve

收稿日期：2015-10-21修回日期： 2016-01-04

作者簡介：黃偉(1980-)，男，安徽青陽人，副教授，博士，研究方向為補償收縮混凝土材料與沖擊動力學(Email：hwaust@163.com)

基金項目：安徽省高校省級優秀青年人才基金(2013SQRL140ZD)； 安徽省住房城鄉建設科學技術計劃項目(2013YF-55)

中圖分類號：TU528.572

文獻標識碼：A

文章編號：2095-0985(2016)03-0053-04