不同應變率下聚甲醛纖維機場道面混凝土彎曲性能研究

王禎輝，郭榮鑫，晏 永，張久長，李黎山

(1.昆明理工大學建筑工程學院，云南省土木工程防災重點實驗室，昆明 650500; 2.昆明理工大學云南工業干部學院，昆明 650500)

0 引 言

機場混凝土道面供飛機滑行、起飛和降落使用，道面結構在服役過程中需要承受各種復雜環境作用、彎拉疲勞荷載及沖擊荷載的反復作用，不同性質荷載及沖擊作用下道面混凝土應變率不同。混凝土承受不同性質荷載時，材料隨之反饋出不同量級的應變[1]，準靜態荷載應變率變化范圍為10-6～10-5s-1，車輛沖擊荷載應變率變化范圍為10-4～10-3s-1，飛機沖擊荷載應變率變化范圍為10-2～10-1s-1，強烈沖擊荷載應變率變化范圍為100～103s-1。混凝土是應變率敏感材料，其強度、韌性等均會隨應變率不同而變化。

纖維混凝土動力性能的研究對其用于機場道面建設有著重要的意義，在當前混凝土動態力學性能試驗中，以分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar, SHPB)試驗系統及液壓試驗系統較多。SHPB技術被認為是測量固體材料在高應變率(101～103s-1)下動態特性的最有效的方法[2]。Wang等[3]通過材料測試系統和SHPB試驗研究了鋼纖維混凝土的壓縮力學行為，發現素混凝土在低應變率的單一沖擊下可能會失效，而纖維混凝土可以抵抗高應變率的重復沖擊，應變率對混凝土強度影響較大。肖巖等[4]基于SHPB技術對輕質高強纖維混凝土進行沖擊試驗研究，發現應變率在40～140 s-1時，混凝土動態強度隨著應變率的增大而增大。相較于SHPB系統，液壓試驗系統技術相對成熟，應變率/荷載速率控制精度高，測量精確且方便，該類設備適用于10-5～10-1s-1應變率范圍下各種不同性質荷載對混凝土性能影響的研究[2]。部分學者基于液壓試驗系統對不同應變率下各種水泥基材料開展了研究。宣衛紅等[5]對高性能水泥基復合材料(high performance cement-based composites, HPCC)在不同應變率下的斷裂性能進行了研究，發現HPCC彎曲強度與應變率比呈對數關系，含鋼纖維HPCC斷裂能對應變率敏感性略低于HPCC。周知等[6]研究發現，鋼纖維橡膠混凝土的動態抗壓強度隨應變率的提高而增大。Millard等[7]研究發現，超高性能纖維增強混凝土的彎曲強度隨應變率的增加而降低，且高強混凝土具有較低的應變率敏感性。

聚甲醛(polyoxymethylene, POM)纖維是一種具有良好力學強度、耐堿腐蝕性及高硬挺度的新型有機纖維，根據本課題組相關研究成果，POM纖維在機場道面混凝土中具有明確的應用價值，而關于POM纖維機場道面混凝土(POM fiber airport pavement concrete, PFAPC)動態力學性能的研究較少，對其開展動態力學性能研究具有重要意義。SHPB系統由于測試應變率(101～103s-1)較高，對機場道面混凝土而言，其承受飛機沖擊荷載時應變率變化范圍為10-2～10-1s-1，SHPB試驗對低應變率工況有一定局限性，因此本研究基于液壓試驗系統開展。本文考慮了五種加載應變率，對PFAPC進行了四點彎曲試驗，分析了其抗彎撓度、彎曲模量、彎曲強度、韌性指數等參數隨應變率變化的規律，通過觀察POM纖維斷口形貌，總結了各應變率下的纖維失效模式。

1 實 驗

1.1 原材料及配合比

PFAPC的性能見表1。水泥采用P·O 42.5水泥，其密度為3 100 kg/m3。粉煤灰采用F型Ⅰ級低鈣粉煤灰，其密度為2 300 kg/m3。礦渣粉采用S95級高爐礦渣粉，其密度為2 900 kg/m3。粗集料采用4.75～16.00 mm和16.00～26.50 mm雙級配碎石，其合成表觀密度為2 748 kg/m3。細集料依據昆明地材特點選用機制砂，規格為Ⅰ區粗砂，細度模數為3.13，表觀密度為2 708 kg/m3。水采用當地生活飲用水，外加劑采用聚羧酸高性能減水劑。POM纖維產自云天化集團有限責任公司，其物理力學指標見表2。

表1 PFAPC的性能Table 1 Properties of PFAPC

表2 POM纖維的物理力學指標Table 2 Physical and mechanical indexes of POM fiber

1.2 試件制備及試驗方法

為充分考慮試件的質量及均勻性，嚴格控制各組分投料順序以及攪拌時間。先將膠凝材料與粗、細集料混合干拌1 min，再將纖維均勻撒入混合料中繼續干拌1 min，最后將混合均勻的水/減水劑溶液加入拌合物中繼續攪拌直至纖維分散均勻。將拌合物裝入100 mm×100 mm×400 mm試模，振搗密實后待24 h脫模，放入溫度(20±2) ℃、相對濕度95%以上的標準養護室養護至28 d后進行四點彎曲測試。

從養護室取出試件后用打磨機對其受壓面及底面進行拋光處理并在底面粘貼應變片，采用四點加載方式，使用CSS-44100電子萬能試驗機按位移控制加載，位移加載速率分別為0.04 mm/min、0.43 mm/min、4.31 mm/min、43.13 mm/min和431.25 mm/min，相應的應變率分別為10-5s-1、10-4s-1、10-3s-1、10-2s-1和10-1s-1。在試件跨中位置設置位移傳感器，在加載過程中同步采集加載荷載、跨中梁底軸向拉伸應變以及跨中撓度等數據。加載示意圖如圖1所示。四點彎曲試驗結束后，對試件斷口處進行切割，切割成邊長約25 mm的含纖維立方體，使用帶圖像采集系統的德國ZEISS Axio Imager Vario光學顯微鏡觀察其微觀形貌。

圖1 加載示意圖Fig.1 Load diagram

2 結果與討論

2.1 彎曲性能

采用彎曲強度(峰值強度及殘余強度)、抗彎撓度(極限抗彎撓度及峰值撓度)、彎曲模量等指標來表征PFAPC彎曲性能，其中以斷裂后的最大強度(第二峰值強度)作為其殘余強度。不同應變率下PFAPC彎曲荷載-撓度曲線如圖2(a)所示，不同應變率下PFAPC彎曲應力-應變曲線如圖2(b)所示，PFAPC在不同應變率下的彎曲強度及彎曲模量變化如圖3所示。PFAPC在不同應變率下的撓度及彎曲模量等結果詳見表3，每個值為三組數的平均值。

對于彎曲強度，結合圖3和表3可以看出，應變率從10-5s-1升至10-2s-1，PFAPC峰值強度總體呈上升趨勢。其中以應變率10-5s-1及10-4s-1加載時，PFAPC峰值強度變化不明顯，在10-2s-1應變率作用下PFAPC峰值強度及殘余強度最高。一般認為，在沖擊荷載作用下，水泥基體內部缺陷發生的時間較短，根據運動能量沖量規律，沖擊時間隨沖擊速度的增大而減小，斷裂起始會吸收更多的能量，在短時間內使彎曲應力增加[8]。當應變率由10-2s-1增加至10-1s-1時，PFAPC峰值強度出現異常下降情況。通過查閱文獻[9]發現在10-5～10-2s-1應變率范圍內，混凝土基體梁及超高韌性水泥基復合材料梁的彎曲峰值強度隨應變率的變化均不成規律，但總體呈上升趨勢，這與本試驗結果相符。與10-5s-1應變率下的峰值強度及殘余強度相比，其他應變率下PFAPC峰值強度變化范圍為-10.9%～33.5%，殘余強度變化范圍為5.5%～25.0%，相比峰值強度，應變率對殘余強度影響較小，但隨應變率增大總體呈上升趨勢。

對于彎曲模量，從表3可看出，應變率從10-5s-1增加到10-1s-1，PFAPC彎曲模量呈上升趨勢，提升了11.54%。從圖2(b)可看出，在不同應變率作用下，PFAPC最大應變變化不顯著，動荷載作用下的彎曲應力隨著彎曲應變的增加而近似呈線性增加，曲線的總體變化趨勢并沒有隨應變率的增加而發生顯著變化，這也就導致了PFAPC彎曲模量并沒有隨應變率數量級的增加而顯著增長。

對于抗彎撓度，從圖2(a)及表3可看出，隨著應變率的增加，與10-5s-1應變率下的峰值撓度及極限抗彎撓度相比，其他應變率下PFAPC峰值撓度變化范圍為7.1%～28.7%，極限抗彎撓度變化范圍為15.8%～64.2%，相較于極限抗彎撓度，峰值撓度隨應變率的增加而波動上升，即認為應變率對PFAPC開裂前階段的影響較小，而極限抗彎撓度則隨應變率的增加而呈增大的趨勢，即認為應變率對開裂后階段的荷載-撓度曲線影響較大。PFAPC荷載-撓度曲線在試件加載初始階段呈線性上升趨勢，達到峰值荷載后平緩下降，隨著應變率的增加，曲線更飽滿且面積增大，而且在各應變率下，曲線均出現二次強化，荷載明顯出現二次峰值，這與POM纖維在基體斷裂過程中能夠有效橋接并吸收大量能量有關，在試件開裂后，纖維能夠繼續承受一定量荷載，使PFAPC試件在各應變率作用下均能表現出良好的塑性變形能力及延性。

圖2 不同應變率下PFAPC的彎曲性能Fig.2 Bending properties of PFAPC under different strain rates

圖3 不同應變率下試件的彎曲強度及彎曲模量Fig.3 Bending strength and bending modulus of specimens under different strain rates

表3 不同應變率下試件彎曲性能Table 3 Bending properties of specimens under different strain rates

2.2 POM纖維斷裂形貌

不同應變率下PFAPC試件中POM纖維斷裂形貌如圖4所示。從圖4(a)～(c)可看出，在準靜態(10-5s-1)及車輛沖擊荷載(10-4～10-3s-1)作用下，由于加載速率相對較低，PFAPC基體裂紋擴展也較緩慢，POM纖維直接從基體中拔出，其整體形貌較為完整；當考慮到飛機沖擊作用(10-2～10-1s-1)時，纖維雖能從基體中完整拔出，但其表面有不同程度的基體碎屑黏附，見圖4(d)，極少數纖維出現斷裂破壞現象，如圖4(e)所示。在五種應變率作用下，POM纖維的拔出是主要的失效模式，頸縮及拔斷破壞較少。

圖4 不同應變率下PFAPC中纖維斷裂形貌Fig.4 Fracture morphology of fibers in PFAPC under different strain rates

2.3 彎曲韌性指數

韌性是評估材料和結構在地震、沖擊和爆炸荷載下能量吸收能力的一個有效參數[10]。彎曲韌性用來考察纖維混凝土開裂后的增韌效果，一般用纖維混凝土在彎曲破壞過程中吸收的能量來進行計算和評價[11]，彎曲韌性定義為在荷載-撓度曲線下達到一定撓度的面積。關于PFAPC的彎曲韌性，利用當前國際上較為流行的ASTM C 1018標準[12]進行評定。ASTM C 1018 標準評價方法采用彎曲韌性指數I(I5、I10、I20)及殘余強度系數R(R5,10、R10,20)來表征纖維混凝土的彎曲韌性。I5、I10、I20及R5,10、R10,20的計算公式分別為：

(1)

(2)

式中：δ為初裂點對應的跨中撓度，mm；Tδ、T3.0δ、T5.5δ和T10.5δ分別為初裂撓度δ、3.0δ、5.5δ和10.5δ時荷載-撓度曲線下的面積，kN·mm，即圖5(a)中OAB、OACD、OAEF和OAGH所包圍的面積。初裂點為荷載-撓度曲線上升段首次出現由線性變為非線性的轉折點，詳見圖5(a)中的標注，P為初裂點對應的起裂荷載。ASTM C 1018標準規定，對于理想彈塑性材料，其荷載-撓度曲線如圖5(b)所示，I5=5，I10=10，I20=20，R5,10=100，R10,20=100，低于該值則說明材料具有相對較低的塑性，對于素混凝土，R趨于0。

根據ASTM C 1018標準計算得到不同應變率下PFAPC的韌性指數和殘余強度系數，如表4所示。理論上講，PFAPC的彎曲韌性指數應小于理想彈塑性材料，但從表4可看出，當應變速率為10-3s-1、10-2s-1和10-1s-1時，PFAPC的I5、I10、I20值出現大于5、10、20的現象。文獻[13]參照ASTM C 1018標準計算得到的韌性指數，除個別情況外，均大于理想彈塑性材料的相應值，并認為這主要與纖維混凝土受力特點以及彎曲初裂點的選取方法有關。文獻[14]對通過ASTM C 1018標準計算出的彎曲韌性指數結果偏大同樣提出了質疑，并認為對于理想彈塑性材料，超過初裂點后荷載不再增長，而纖維混凝土有較高的殘余彎曲強度，這就導致彎曲韌性指數計算結果偏大。對于本試驗，在10-5s-1和10-4s-1兩種應變率下，PFAPC韌性指數值均小于理想彈塑性材料。隨加載應變率的升高，PFAPC韌性指數有較大的增長趨勢，特別是在飛機沖擊荷載(10-2～10-1s-1)工況下，其彎曲韌性指數增幅較大，這表明PFAPC在沖擊荷載作用下能吸收較大的能量，產生一定變形而不被破壞，具有一定的彎曲韌性。同樣，這也解釋了為何當應變率為10-2s-1和10-1s-1時，PFAPC抗彎撓度有所增長(見表3)，文獻[15]也得到類似的結論。此外，從表4中可看出，PFAPC的殘余強度系數穩定在100左右，則認為該材料具有優良的韌性。

圖5 彎曲韌性指數計算示意圖Fig.5 Calculation diagram of bending toughness index

表4 不同應變率下的韌性指數I和殘余強度系數RTable 4 Toughness index I and residual strength coefficient R under different strain rates

3 結 論

(1)PFAPC的彎曲峰值強度隨應變率增大總體呈上升趨勢，其中在10-1s-1應變率下，出現異常下降。相比峰值強度，應變率對殘余強度影響較小但隨應變率增大總體呈上升趨勢。隨著應變率增大，PFAPC彎曲模量有增加的趨勢。相較于極限抗彎撓度，峰值撓度隨應變率的增加波動上升，即對開裂前階段荷載-撓度曲線影響較小，而極限抗彎撓度則隨應變率的增加呈增大的趨勢，即對開裂后階段荷載-撓度曲線影響較大。

(2)在各應變率作用下，POM纖維破壞模式主要為拔出破壞。

(3)PFAPC能在車輛及飛機沖擊作用下吸收大量能量，產生一定的變形而不被破壞，具有優良的彎曲韌性。