秦 楠,李 瓊,徐 博

(1.鄭州經(jīng)貿(mào)學院 土木建筑學院,鄭州 451191; 2.中原工學院 建筑工程學院,鄭州 450007;3.河南地方煤炭集團有限公司,鄭州 450000)

1 研究背景

普通混凝土材料是建筑工程中使用最為廣泛的材料,但由于其本身承載能力有限,不能滿足某些特殊工程中的應用。隨著建設工程的快速發(fā)展,高強混凝土材料使用范圍越來越為廣泛,其本身具備結(jié)構(gòu)致密、高工作性、高耐久性和高體積穩(wěn)定性等特點,在大跨度橋梁、超高層建筑、隧道等建設領域中表現(xiàn)卓越[1-3]。但混凝土材料由于其本身性能的原因存在著抗拉強度低、易開裂、延展性差及抵抗沖擊、疲勞能力弱等缺點[4-5],限制了其在工程領域的應用范圍。研究表明纖維的摻入能夠減小試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)、增加混凝土材料的延性,提高混凝土的抗裂性能,阻礙裂紋的擴展,增強其抗沖擊、抗疲勞性能[6-8]。

聚甲醛(POM)纖維是一種綜合性能優(yōu)良、抗拉強度高、耐疲勞、耐腐蝕性好的工程纖維[9],具有優(yōu)異的分散性,其分子結(jié)構(gòu)中含有大量醚鍵,與無機材料間能夠形成良好的相容性,對混凝土材料均相性及力學性能有著顯著提升,其增強效果超過目前廣泛使用的聚丙烯(PP)等纖維[10-11],因此被眾多專家學者研究。 張麗輝等[12]通過對試驗POM纖維混凝土與聚丙烯纖維混凝土的力學性能進行比較,發(fā)現(xiàn)POM纖維混凝土具備更優(yōu)異的力學性能;張麗輝等[13]發(fā)現(xiàn)POM纖維的摻入能增強砂漿塑性,減小裂縫開裂程度;侯帥等[14]對POM纖維增強混凝土劈裂抗拉強度進行研究,發(fā)現(xiàn)POM纖維對混凝土劈裂拉伸強度存在著明顯的提升,且纖維長度為6 mm效果最好;楊富花等[15]通過試驗對POM纖維增強再生混凝土進行研究,發(fā)現(xiàn)POM纖維對試件抗壓強度存在顯著增強,且纖維長度6 mm時效果最佳,試件抗折強度及彎曲韌性都有所提升。眾多研究表明POM纖維摻入能夠顯著提升混凝土材料的力學性能,但研究成果僅停留在靜載作用下,纖維高強混凝土建筑物在設計使用年限會承受各種動載的作用,如道路上行駛的汽車、撞擊載荷等,動載作用下混凝土材料的性能不同于靜載[16-17]。梁寧慧等[18]通過試驗研究了不同應變率下聚丙烯纖維混凝土力學性能變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)試件動態(tài)壓縮強度變形和韌性表現(xiàn)出顯著的應變率效應;張玉武等[19]發(fā)現(xiàn)超高分子量聚乙烯纖維混凝土抗壓強度、峰值應變及彈性模量會隨應變率的增大而增大;動載作用下混凝土材料的承載能力明顯高于靜載,因此只用靜載作用下力學特性去評估混凝土材料的好壞是不全面的,低估材料本身的性能。

為研究POM纖維高強混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)及在動載作用下的力學性能,本文采用NMR技術(shù)測量不同纖維摻量下試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),利用巖石力學試驗機和分離式霍普金森壓桿研究不同加載率下POM纖維高強混凝土單軸壓縮力學性能,從纖維摻量及應變率2個角度對高強混凝土材料T2圖譜分布規(guī)律、單軸抗壓強度、韌性及能量耗散影響規(guī)律進行研究,研究成果可填補POM纖維高強混凝土性能方面的相關空白。

2 原材料及試驗方法

2.1 原材料

原材料中水泥品種為海螺牌P·O 42.5,細骨料選用細度模數(shù)2.56的淮河河砂,粗骨料為粒徑在5～15 mm間的普通碎石,拌合水為實驗室自來水,選用Sika Viscocrete 3000高效減水劑。研究表明纖維長度為6 mm時靜載作用下POM纖維混凝土力學性能較好[14-15],因此選用江蘇蘇博特新材料股份有限公司所生產(chǎn)的POM纖維,纖維長度6 mm,其部分物理性能如表1所示。

表1 纖維部分物理力學性能Table 1 Physical and mechanical properties of fiber

2.2 試驗配比及試件制備

本次試驗高強混凝土強度設計等級為C60,配置方法主要是提高水泥強度和減小水灰比[1],C60混凝土配合比為m水泥∶m水∶m砂子∶m石子∶m減水劑=3.03∶1∶3.67∶7.45∶0.03,POM纖維的體積摻量分別為0%、0.15%、0.3%、0.45%、0.6%,澆筑前將纖維攪拌分開使其更好地分散于混凝土中。按配合比澆筑為150 mm×150 mm×150 mm(長×寬×高)標準混凝土立方體試塊,經(jīng)24 h養(yǎng)護成型后進行拆模,拆模后將試件置于標準養(yǎng)護環(huán)境中進行28 d養(yǎng)護,養(yǎng)護結(jié)束后將部分試件加工成直徑74 mm、高度37 mm的圓柱體進行沖擊試件,試驗前利用聲波測速儀選取波速相近試件進行試驗[8]。

2.3 試驗設備及方案

采用蘇州某公司所產(chǎn)型號MesoMR23-060V-1核磁共振儀測量試件孔隙結(jié)構(gòu),測試前利用高壓水泵將不同纖維摻量的高強混凝土試件進行真空飽水處理,飽水結(jié)束后對不同纖維摻量試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)進行測量。每組準靜態(tài)單軸抗壓強度試驗及動態(tài)沖擊壓縮試驗選取3塊試件,由于試件過程中數(shù)據(jù)存在離散性,數(shù)據(jù)分析時選取2組較為接近數(shù)據(jù)并取平均值。

SHPB試驗裝置組成包括動力系統(tǒng)、子彈、入射桿、透射桿與阻尼裝置及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等,壓桿由合金鋼制成,其密度為7 850 kg/m3,彈性模量210 GPa,縱波波速為5 190 m/s,選用不同沖擊氣壓以獲取不同應變率。試驗前將沖擊桿、入射桿、試件、反射桿中心置于同一水平線上,將凡士林均勻涂抹至試件表面以減小試樣與桿件之間的摩擦作用,在入射桿端頭位置粘貼波形整形器以減小波形的震蕩。在入射桿、透射桿上粘貼BX120-3AA型應變片,其電阻為120±0.2 Ω,靈敏度系數(shù)為2.08%,通過示波器對應變片信號進行放大處理,示波器上所顯示波形如圖1。

圖1 示波器處原始波形Fig.1 Original waveform at the oscilloscope

三波法處理數(shù)據(jù)能夠有效避免人為因素影響從而具備良好的可信度[20],其計算公式如下:

(1)

式中:εi(t)、εr(t)、εt(t)分別為在時間t時對應的入射、反射、透射應變,無量綱;ls為混凝土試件高度(m);C0為壓桿自身的波速(m/s);E為彈性模量(MPa);A、AS分別為壓桿及試件的橫截面積(m2)。

SHPB試驗裝置在應用過程中受外界因素影響會使試驗結(jié)果產(chǎn)生一定誤差,因此需要對每一次沖擊結(jié)果進行應力平衡檢測以保證試驗結(jié)果的準確性[21],典型應力平衡曲線如圖2所示。

圖2 應力平衡曲線Fig.2 Stress balance curves

根據(jù)一維彈性波理論可求得試件的入射能Wi、反射能Wr、透射能Wt、耗散能Ws,相關計算公式如下:

(2)

Ws(t)=Wi(t)-Wr(t)-Wt(t) 。

(3)

式中C0為壓桿中縱波波速(m/s)。

根據(jù)試樣的耗散能,定義試樣的能量耗散率ωd和破碎耗能密度εd,其計算公式如下[22]:

(4)

(5)

式中:εd為破碎耗能密度(J/cm3);V為試件體積(cm3)。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 NMR試驗結(jié)果

核磁共振技術(shù)可在試件損傷程度較小的情況下利用T2圖譜準確地反映出試件內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)分布,T2圖譜中橫坐標代表孔徑大小,波峰面積代表孔隙數(shù)目,弛豫時間T2越大,孔隙半徑越大,弛豫時間和孔隙尺寸可用式(6)表示[23]。

(6)

式中:ρ為材料弛豫強度;S為孔隙表面積;V為孔隙體積。

纖維摻量對試件T2圖譜分布影響規(guī)律如圖3所示。由圖3可知纖維的摻入使混凝土試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化,試件圖片曲線主要呈雙峰曲線,且第一峰值高度明顯大于第二峰值,說明弛豫時間在0.029 7～3.531 1 ms范圍內(nèi)所占孔隙數(shù)目最多。隨著POM纖維摻量的增多,試件T2圖譜峰值降低,峰值位置明顯向左偏移,相較于素混凝土試件,纖維摻量為0.15%、0.3%、0.45%、0.6%時T2圖譜第一峰值分別降低了13.8%、18.5%、25.4%、26.7%,說明POM纖維的摻入使混凝土材料內(nèi)部孔隙數(shù)目減少,孔隙直徑減小,總孔隙率降低,纖維摻量為0.15%T2圖譜峰值降幅最大,纖維摻量為0.45%與0.6%時其峰值相近,說明纖維摻量超過一定量后其作用不再明顯,纖維在混凝土試件內(nèi)部分布雜亂無章,且能夠填充于部分較大的孔隙中,從而增加混凝土的密實性[24],另一方面纖維的存在能夠減少大孔隙的生成,將部分大裂隙分割轉(zhuǎn)化為小裂隙并形成貫通,水泥漿能夠進入孔隙內(nèi)部從而減小試件裂隙總量,降低孔隙率[25]。POM纖維的摻入能夠有效減少試件內(nèi)部孔隙率,增加試件整體性。

圖3 不同纖維摻量下試件T2圖譜Fig.3 T2 spectra of specimens with different fiber content

3.2 應力-應變曲線

通過對采集信號數(shù)據(jù)的處理可求得試件相應數(shù)據(jù),試驗結(jié)果如表2所示,靜載作用下試件應力-應變曲線如圖4所示,沖擊荷載作用下試件應力-應變曲線如圖5所示;0.35 MPa氣壓、不同纖維摻量試件應力-應變曲線如圖6所示。

圖4 靜態(tài)應力-應變曲線Fig.4 Static stress-strain curves

圖5 不同沖擊氣壓下試件動態(tài)應力-應變曲線Fig.5 Dynamic stress-strain curves of specimens under different impact air pressure

圖6 不同纖維摻量下試件應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of specimens with different fiber content

表2 試驗結(jié)果Table 2 Test results

由表2和圖4—圖6可知試件在靜載作用下的應力-應變曲線與動載作用下時存在明顯不同,靜載下試件存在明顯的壓密階段,這是由于混凝土材料內(nèi)部存在大量原生裂隙,應變率較小時此階段在應力-應變曲線中被呈現(xiàn),而應變率較大時試件內(nèi)部裂隙來不及被壓密而直接進入彈性變形階段。由圖5可知隨著應變率的增大,素混凝土峰值應力、彈性模量及峰值應變隨之增加,試件存在明顯的應變率效應,相較于0.25,0.35、0.45、0.55 MPa氣壓下試件峰值應力增加了16.1%、38.4%、70.0%;由圖6可知纖維摻量的增大使得混凝土材料性能提升,試件峰值應力先增大后略有降低,極限應變不斷增加,纖維摻量為0.45%時試件峰值應力最大,纖維的摻入也提高了試件的延性。

3.3 峰值應力

試件峰值應力隨纖維摻量的變化規(guī)律如圖7所示。不同應變率下試件峰值應力隨纖維摻量的增加先增大后降低,適量纖維的摻入能夠增強試件抵抗外荷載的能力,而過量的纖維對試件增強效果不再明顯。研究表明素混凝土內(nèi)部孔隙率較高,而摻入纖維通過改變試件部分孔隙結(jié)構(gòu),使水泥漿進入充斥于孔隙內(nèi)部,從而降低試件總孔隙率,增強試件整體性,且POM纖維與水泥基材料間具有良好的相容性,纖維能夠與骨料間形成良好的黏結(jié)作用,同時纖維在混凝土結(jié)構(gòu)中的任意分布所形成的網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)能使骨料連接間更加密實,從而限制混凝土的在荷載作用下的膨脹開裂,提高其承載能力[26]。POM纖維摻量為0.6%時其峰值應力明顯低于摻量為0.45%時,說明摻量在0.3%～0.6%之間存在一個最佳摻量,混凝土中纖維的過量反而會降低其整體性能。

圖7 峰值應力隨纖維摻量的變化規(guī)律Fig.7 Variation law of peak stress with fiber content

3.4 韌 性

韌性是混凝土材料自身延性及抵抗外荷載能力綜合性能的體現(xiàn)。表示材料韌性的方法有很多,其中能量法最為直接,其計算方法為試件應力-應變曲線在坐標系中所形成的面積[27]。不同纖維摻量下試件韌性變化規(guī)律如圖8所示。由表2和圖8可知在纖維摻量一致時,應變率的增大使得試件韌性增加,這是由于試件存在應變率效應,其峰值應力,極限應變隨著增加,同時伴隨著試件韌性的增大;在應變率一定時,隨著纖維摻量的增大韌性隨之增加,在摻量達到0.45%時達到峰值隨后不斷降低,摻量為0.45%時其韌性最高,這與其強度變化規(guī)律呈現(xiàn)一致性。纖維的摻入能夠提高試件塑性,增強試件抵抗在外荷載作用下的變形能力,纖維在混凝土內(nèi)部的空間分布使各材料間的黏結(jié)作用增強,試件增強性能隨之增加,纖維的空間網(wǎng)狀分布對內(nèi)部骨料形成搭接支撐作用,在外部荷載作用使試件發(fā)生開裂時纖維的黏結(jié)作用使得試件仍具備一定的承載變形能力,從而降低試件脆性破壞程度,提高試件的延展性能。

圖8 韌性隨纖維摻量變化規(guī)律Fig.8 Variation law of toughness with fiber content

3.5 能量耗散規(guī)律

材料微觀結(jié)構(gòu)的損傷到宏觀破壞的過程實際是能量耗散的過程,其本質(zhì)是在能量作用下一種失穩(wěn)的狀態(tài),在荷載作用過程試件內(nèi)部存在著能量間的轉(zhuǎn)化[28]。素混凝土在0.45 MPa沖擊氣壓下典型能量時程曲線如圖9所示。

圖9 試件能量時程曲線Fig.9 Energy-time history curves of specimen

由圖9可知各能量隨時間增長而增大,能量增長過程可分成3個階段:0～50 μs間各能量增加幅度較小,此階段混凝土處孔隙壓密變形階段,內(nèi)部孔隙被壓縮且自身伴隨著彈性變形,試件所吸收能量以彈性變形能的方式被儲存;50～250 μs間各能量隨時間呈線性增長,由于試件與壓桿間波阻抗不匹配,在接觸面會產(chǎn)生透反射,部分波在入射桿與試件接觸面反射,部分波穿過試件到達透射桿,其余能量用于試件損傷被消耗,試件內(nèi)部裂紋發(fā)生擴展并產(chǎn)生大量新生裂隙;250～300 μs間應力波對試件作用結(jié)束,各能量趨于穩(wěn)定。

為進一步分析各能量間及能量與纖維摻量之間的關系,對相關數(shù)據(jù)進行處理,入射能與耗散能關系如圖10所示,纖維摻量與耗能密度關系如圖11所示。

圖11 耗能密度隨纖維摻量的變化規(guī)律Fig.11 Variation law of energy consumption density with fiber content

由表2和圖10可知不同纖維摻量下試件耗散能隨入射能的增大而增大,兩者呈良好的線性關系,耗散能所占入射能比例始終<0.5,這也表明著入射能一半以上會以桿件彈性能的形式被消耗。由圖11可知試件破碎耗能密度隨纖維摻量的增加先增大后減小,纖維摻量為0.45%時試件破碎耗能密度最大,這也進一步說明了纖維摻量為0.45%時試件性能最佳,應變率越大試件耗能密度變化幅值越明顯。POM纖維摻入混凝土材料中,一方面纖維隨機分布形成網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)增強試件整體性,另一方面纖維自身具有較高的抗拉強度,在外荷載作用下POM纖維同樣受到荷載作用,其本身高抗拉強度在受到外來荷載時能夠有效吸收消耗外來能量,同時纖維與水泥基材料間良好的相容性使其能夠緊密粘接,外力作用時纖維被撥出過程中同樣消耗大量能量,從而增加試件本身的吸能能力[29]。

4 結(jié) 論

(1)試件T2圖譜主要呈雙峰形態(tài),隨著纖維摻量的增多,圖譜峰值降低,峰值位置明顯向左偏移,纖維的摻量減少試件內(nèi)部孔隙數(shù)目,減小孔隙直徑,降低孔隙率,增加試件整體性。

(2)靜載作用下試件應力-應變曲線存在壓密階段,而動載作用時試件直接進入彈性變形階段;試件峰值強度、彈性模量及峰值應變均隨應變率的增大而增加,摻入POM纖維能夠有效提升混凝土材料的力學性能。

(3)纖維摻量的增加使得試件峰值應力和韌性先增大后降低,在0.3%～0.6%間存在一個最佳摻量,纖維的摻入能減小試件孔隙率并在試件內(nèi)部形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),提高試件整體性。

(4)試件各能量隨時間的增長而增大,耗散能與入射能間存在良好的線性正相關,試件破碎耗能密度隨纖維摻量的增加先增大后減小,纖維摻量為0.45%時試件破碎耗能密度最大。