竹纖維混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究

羅皓鵬， 仰 濤， 巫緒濤

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外關(guān)于BFRC力學(xué)性能的研究尚處于起步階段,已有的研究主要集中在靜力性能。研究發(fā)現(xiàn)細(xì)絲型BFRC的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均比素混凝土下降,但抗拉強(qiáng)度下降幅度較小。竹纖維可以改善混凝土脆性破壞特點(diǎn),混凝土韌性增加[7]。竹纖維的增韌能力主要在于有效抑制混凝土基體早期裂紋擴(kuò)展,采用纖維間距理論能夠合理分析其劈裂強(qiáng)度與纖維含量和長(zhǎng)度的關(guān)系[8]。細(xì)圓柱型竹纖維對(duì)混凝土靜力性能的提高優(yōu)于細(xì)絲型竹纖維,其抗壓和抗折強(qiáng)度有小幅下降,但采用合理的纖維長(zhǎng)度時(shí),劈裂強(qiáng)度顯著增加[9]。在沖擊載荷作用下,纖維對(duì)混凝土的普遍增韌將有效提高混凝土的緩沖吸能特性,從而增強(qiáng)混凝土的抗沖擊能力。因此研究其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能在抗爆震的民用和軍用防護(hù)結(jié)構(gòu)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文采用SHPB裝置對(duì)細(xì)圓柱型BFRC進(jìn)行了沖擊壓縮和動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn),得到其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能隨應(yīng)變率、纖維含量的變化規(guī)律,并給出經(jīng)驗(yàn)型公式。這些研究有利于拓寬BFRC的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 試樣制備

原材料包括：標(biāo)號(hào)P·O32.5R水泥，粒徑6～8mm碎石，細(xì)度模數(shù)2.8的中砂，直徑1.5mm、長(zhǎng)度20mm的細(xì)圓柱型竹纖維?；炷粱w配合比：水泥：水：砂：碎石=1:0.46:1.72:2.33。共制備了4種組別試樣，竹纖維體積分?jǐn)?shù)φi分別為：0%(素混凝土)、0.5%、1.5%和2.5%。

圖1 試驗(yàn)試樣

為了均勻分散混凝土中的竹纖維,采用濕法拌和。為了直接獲得竹纖維對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)性能的單因素影響,未對(duì)竹纖維及其與基體結(jié)合界面進(jìn)行任何處理。試樣經(jīng)裝模、振實(shí)、靜止、拆模和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天。制備的試樣尺寸包括兩種規(guī)格:Φ70mm×150mm(用于靜態(tài)壓縮試驗(yàn)),Φ70mm×35mm(用于靜態(tài)劈裂、沖擊壓縮和動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn))。為保證試驗(yàn)精度,所有試樣均對(duì)表面進(jìn)行磨削加工,控制兩端面不平行度小于0.1 mm。加工后的部分試樣如圖1所示。

共進(jìn)行了4種類(lèi)型試驗(yàn):靜態(tài)壓縮、靜態(tài)劈裂、沖擊壓縮和動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn)。其中靜態(tài)壓縮和劈裂試驗(yàn)采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)完成。沖擊壓縮和動(dòng)態(tài)劈裂采用直徑74mm直錐變截面SHPB裝置完成。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 靜態(tài)強(qiáng)度及分析

表1BFRC靜態(tài)抗壓和劈裂強(qiáng)度

竹纖維含量/(%)00.51.52.5 抗壓強(qiáng)度/MPa37.3727.7430.8729.52 劈裂強(qiáng)度/MPa4.052.792.872.23

各組別BFRC試樣的靜態(tài)抗壓和劈裂強(qiáng)度如表1所列。顯然BFRC靜態(tài)強(qiáng)度顯著低于素混凝土,但隨纖維含量增加非單調(diào)遞減,纖維含量1.5%時(shí),抗壓和劈裂強(qiáng)度均高于另外2個(gè)含量。這是由于竹纖維對(duì)混凝土基體具有2方面影響:① 竹纖維和混凝土基體結(jié)合強(qiáng)度不高,兩者之間的界面是新的薄弱區(qū),即增加了缺陷源,這是靜態(tài)強(qiáng)度下降的主要原因。② 竹纖維對(duì)基體的裂紋擴(kuò)展具有一定的阻裂作用,當(dāng)纖維含量增加到一定幅度時(shí),阻裂性能有所提升,從而強(qiáng)度增加。但纖維含量繼續(xù)增加時(shí),由于靜態(tài)下混凝土失效主要表現(xiàn)為主裂紋擴(kuò)展,竹纖維的阻裂性能有限,因而強(qiáng)度再次下降。

2.2 沖擊壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)及破壞形態(tài)分析

部分試樣典型壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)如圖2所示,所有力學(xué)參數(shù)如表2所列。

圖2 不同應(yīng)變率下BFRC的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

表2 沖擊壓縮下BFRC主要力學(xué)參數(shù)

根據(jù)圖2和表1可以發(fā)現(xiàn)BFRC的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)行為具有如下特點(diǎn)如下:

(1) BFRC具有顯著的應(yīng)變率效應(yīng)。同組別試樣的抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率增加而顯著增加,抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的破壞應(yīng)變也基本隨應(yīng)變率的增加而增加。隨試驗(yàn)應(yīng)變率提高,試樣失效模式由靜態(tài)主裂紋擴(kuò)展轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗔鸭y擴(kuò)展,裂紋擴(kuò)展需要的能量大幅增加,導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度的增加。同時(shí),由于裂紋擴(kuò)展速率有限,隨應(yīng)變率增加裂紋擴(kuò)展滯后越來(lái)越明顯也導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度上升。

(2) 抗壓強(qiáng)度。相近應(yīng)變率下BFRC的抗壓強(qiáng)度均低于素混凝土,且隨應(yīng)變率上升差值變化較小,即竹纖維對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度沒(méi)有增強(qiáng)作用。

(3) 應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)。其上升線(xiàn)性段基本不隨應(yīng)變率及纖維含量變化而變化,即彈性模量變化不大。這也從另一角度反映了應(yīng)變率和纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響與裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展密切相關(guān)。

(4) 與素混凝土相比。①BFRC應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的塑性上升段和破壞下降段更平緩,頂部具有更小的曲率。②BFRC的破壞應(yīng)變顯著大于素混凝土。③根據(jù)相近應(yīng)變率下試樣破壞狀況的照片可以看出,素混凝土碎塊基本均勻,隨纖維含量的增加碎塊大小不一,附著較多纖維的碎塊明顯較大。這3方面體現(xiàn)了竹纖維對(duì)混凝土基體的增韌。

2.3 抗壓強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)分析

混凝土的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度可以看成2部分:靜態(tài)強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)增幅。為了更清晰反映與應(yīng)變率相關(guān)的動(dòng)態(tài)增幅項(xiàng)的變化規(guī)律,按下式定義動(dòng)態(tài)增強(qiáng)因子DIFc[10]:

圖3 BFRC的DIFc隨應(yīng)變率的變化規(guī)律

(1)

(2)

擬合效果如圖3所示,相關(guān)系數(shù)R2的范圍為0.96～0.98。

根據(jù)圖3和式(1)、式(2)可以發(fā)現(xiàn):① BFRC的DIFc隨應(yīng)變率冪函數(shù)變化,即隨應(yīng)變率增加,動(dòng)態(tài)增幅項(xiàng)對(duì)動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的影響顯著增加。② 式(1)系數(shù)b隨纖維含量變化線(xiàn)性減小,即BFRC抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變率的敏感性隨纖維含量的增加而減小。

2.3 劈裂強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)分析

BFRC動(dòng)態(tài)劈裂實(shí)驗(yàn)的應(yīng)變率和劈裂強(qiáng)度如表3所列。類(lèi)似沖擊壓縮處理方式,定義動(dòng)態(tài)增強(qiáng)因子DIFt:

表3 動(dòng)態(tài)劈裂下BFRC主要力學(xué)參數(shù)

圖4 BFRC的DIFt隨應(yīng)變率的變化規(guī)律

(3)

(4)

擬合效果如圖8所示,相關(guān)系數(shù)R2的范圍為0.81～0.97。

根據(jù)表3、圖4和式(3)～(4)可以發(fā)現(xiàn):① 與壓縮類(lèi)似,BFRC的劈裂強(qiáng)度也對(duì)應(yīng)變率敏感,所有組別試樣的劈裂強(qiáng)度均隨應(yīng)變率上升而單調(diào)增加。其次,BFRC反映動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度增幅的DIFt也隨應(yīng)變率冪函數(shù)增加。② 所有試樣均沿載荷作用的中心徑向面劈裂成2塊,但素混凝土破壞面附近有大量碎裂小塊,隨著纖維含量增加試樣完整性更好。從斷面可以看到BFRC試樣的竹纖維受力被拔出,當(dāng)纖維含量達(dá)到2.5%時(shí),端面有纖維未完全拔出,裂開(kāi)的兩塊依然連接在一起。反映了竹纖維對(duì)高應(yīng)變率受拉狀態(tài)下混凝土的脆性破壞有顯著改善。③ 式(3)系數(shù)b隨纖維含量變化線(xiàn)性增加,即BFRC劈裂強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變率的敏感性隨纖維含量的增加而增加。

2.4 沖擊壓縮與動(dòng)態(tài)劈裂的比較

(1)應(yīng)變率效應(yīng)。首先兩者均表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變率效應(yīng),隨應(yīng)變率變化,抗拉和劈裂強(qiáng)度出現(xiàn)顯著增加,且DIF增加規(guī)律服從冪函數(shù)關(guān)系。其次在動(dòng)態(tài)拉、壓應(yīng)力狀態(tài)下,竹纖維均對(duì)混凝土脆性破壞特點(diǎn)有顯著改善,提高了混凝土韌性。

(2)兩者的區(qū)別。①劈裂DIFt冪函數(shù)指數(shù)c1=0.7大于壓縮DIFc的c=0.5。②劈裂DIFt系數(shù)b1隨纖維含量線(xiàn)性增加,而壓縮DIFc的系數(shù)b隨纖維含量線(xiàn)性減小。

3 結(jié) 論

利用SHPB實(shí)驗(yàn)裝置,對(duì)BFRC的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了研究,主要結(jié)論如下:

(1)在未進(jìn)行特殊處理情況。竹纖維對(duì)混凝土靜態(tài)壓縮和劈裂強(qiáng)度均呈現(xiàn)削弱影響。隨應(yīng)變率升高,竹纖維對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度有小幅削弱,對(duì)動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度有增強(qiáng)作用。

(2)在高應(yīng)變率拉、壓2種應(yīng)力狀態(tài)。竹纖維均能有效改善混凝土脆性破壞特點(diǎn),破損試樣完整性更好。在壓縮應(yīng)力狀態(tài)下,竹纖維對(duì)混凝土的改性完全體現(xiàn)在阻裂增韌方面。在拉伸應(yīng)力狀態(tài)下,竹纖維對(duì)混凝土基體兼有增韌和動(dòng)態(tài)增強(qiáng)兩種作用。

(3)高應(yīng)變率下的關(guān)系。將混凝土強(qiáng)度分成靜態(tài)強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)增幅更有利于分析靜態(tài)和動(dòng)態(tài)影響,BFRC反映動(dòng)態(tài)行為的DIFc和DIFt與應(yīng)變率均呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系,與纖維含量之間也存在簡(jiǎn)單的單調(diào)關(guān)系。