賈文振,李 磊

(1.煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院 建筑工程系,山東 煙臺(tái) 264670;2.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院,南京 210096)

0 引 言

當(dāng)今建筑行業(yè)混凝土已成為不可替代的建筑材料,為進(jìn)一步增強(qiáng)混凝土建筑的安全性,復(fù)合化成為改善混凝土材料性能的重要方法,而纖維摻入混凝土中是提高混凝土材料性能的核心方法之一[1-2]。玄武巖纖維是一種由玄武巖礦石經(jīng)超高溫熔融后拉絲形成的高性能纖維材料,價(jià)格相對(duì)低廉且耐高溫、耐腐蝕,與膠凝材料間存在良好的相容性,因此具備良好的發(fā)展前景[3-5]?，F(xiàn)有的研究成果表明混凝土中摻入玄武巖纖維能夠提高其力學(xué)性能。胡顯奇等[6]對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能進(jìn)行研究,結(jié)果表明其抗拉、抗壓力學(xué)性能得到明顯提高;賀東青等[7]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維的摻入使混凝土由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榱己玫难有云茐?其抗彎性能、彎曲韌性都得到顯著提高;何軍擁等[8]發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維的摻入對(duì)混凝土材料的抗水滲、抗氯離子滲透及抗凍性均有良好的改善。

混凝土結(jié)構(gòu)在水中工作時(shí)會(huì)長(zhǎng)期處于含水狀態(tài),相較于干燥混凝土,其力學(xué)性能會(huì)存在較大的改變[9-11]。王海龍等[12-13]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)干燥及飽和混凝土力學(xué)性能進(jìn)行研究,結(jié)果表明孔隙水壓力的存在會(huì)減小裂紋擴(kuò)展的摩阻力,增大混凝土損傷,飽和混凝土材料的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度均會(huì)降低;王乾峰等[14]在對(duì)干燥及飽和混凝土力學(xué)性能研究中發(fā)現(xiàn)相較于干燥混凝土,飽和混凝土強(qiáng)度與彈性模量均降低?；炷两Y(jié)構(gòu)除了受到靜荷載作用外,還會(huì)受到地震、海浪沖擊及撞擊等動(dòng)荷載作用,動(dòng)靜荷載下混凝土材料的力學(xué)性能存在諸多不同。Rossi等[15]在對(duì)干燥及濕態(tài)混凝土進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)濕態(tài)混凝土的水敏感性強(qiáng)于干燥混凝土,自由水的存在對(duì)混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能存在顯著影響;張永亮等[16]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變率的增加,飽和及干燥混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量均增加,且飽水混凝土變化更加明顯;白衛(wèi)峰等[17]通過(guò)試驗(yàn)建立起飽和混凝土的動(dòng)態(tài)拉伸本構(gòu)模型,揭示了飽和混凝土的損傷力學(xué)破壞機(jī)制。眾多研究成果表明飽水混凝土材料力學(xué)性能會(huì)發(fā)生變化,且應(yīng)變率對(duì)飽水混凝土力學(xué)性能影響較大。

為進(jìn)一步探究飽水作用及應(yīng)變率對(duì)玄武巖纖維混凝土整體性及力學(xué)性能的影響,本文以干燥及飽水玄武巖纖維混凝土為研究對(duì)象,采用超聲波檢測(cè)儀測(cè)量干燥及飽水纖維混凝土縱波波速,利用靜態(tài)壓力機(jī)及分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置對(duì)干燥及飽水纖維混凝土開展不同應(yīng)變率下的單軸壓縮試驗(yàn),分析飽水作用及應(yīng)變率對(duì)纖維混凝土縱波波速及力學(xué)性能的影響規(guī)律,并從破壞機(jī)理方面分析試件力學(xué)性能變化原因,為水利工程玄武巖纖維混凝土結(jié)構(gòu)的安全性能提供試驗(yàn)依據(jù)。

圖1 短切玄武巖纖維

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

原材料選用八公山牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.6的天然河砂,粗骨料選用粒徑<18 mm的碎石,水為天然自來(lái)水,減水劑選用聚羧酸系高性能減水劑,玄武巖纖維選用浙江石金玄武巖纖維股份有限公司所生產(chǎn)的短切玄武巖纖維,其體積摻量為膠凝材料的0.4%,長(zhǎng)度為6 mm[18],纖維結(jié)構(gòu)如圖1所示,性能指標(biāo)如表1所示。

表1 纖維的性能指標(biāo)

1.2 試件制備及試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)配置C40強(qiáng)度混凝土,各原材料配合比m水泥∶m沙子∶m石子∶m水=1∶1.2∶2.2∶0.45,減水劑含量為膠凝材料質(zhì)量的1%,采用兩次投料法進(jìn)行拌制,使玄武巖纖維均勻分散于混凝土中,按配合比澆筑成150 mm×150 mm×150 mm立方體及Φ74 mm×H37 mm圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件,拆模后將試件置于養(yǎng)護(hù)濕度≥95%、溫度為(20±2)℃的養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行為期28 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)結(jié)束后對(duì)試件端面進(jìn)行打磨,使試件兩端面不平行度在0.05 mm以內(nèi),單面平整度在0.02 mm以內(nèi)[19]。對(duì)部分試件進(jìn)行體積、質(zhì)量及縱波波速的測(cè)量,測(cè)量結(jié)束后將試件置于真空飽水裝置中進(jìn)行24 h飽水處理,飽水結(jié)束后擦干試件表面積水,并對(duì)飽水試件質(zhì)量及縱波波速進(jìn)行測(cè)量,計(jì)算試件孔隙度(P)、飽和含水率(ωs)及飽水后試件縱波波速增量(s)間的關(guān)系,其計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：m1、ms分別為干燥及飽水條件下試件的質(zhì)量;Vk、V1分別為孔隙體積及試件體積;ρs為水的密度;vs、v1分別為飽水及干燥試件縱波波速。

靜態(tài)壓縮裝置采用WAW-1000萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),以0.15 mm/s的加載速率對(duì)干燥及飽水試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)采用沖擊動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室直徑為74 mm變截面分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置,采用不同沖擊氣壓(0.25、0.35、0.45、0.55 MPa)對(duì)試件開展沖擊壓縮試驗(yàn)以獲取不同應(yīng)變率。試驗(yàn)裝置采用撞擊桿、入射桿、透射桿長(zhǎng)度分別為0.6、1.8、3.2 m,桿的材質(zhì)為合金鋼,密度為7 850 kg/m3,彈性模量為210 GPa,縱波波速為5 190 m/s。子彈撞擊入射桿端時(shí)產(chǎn)生入射波,波沿入射桿向前傳播,由于混凝土材料與鋼材波阻抗不一致,在兩材料接觸面波會(huì)發(fā)生反射與透射[20]。入射、反射和透射波通過(guò)應(yīng)變片進(jìn)行采集,應(yīng)變片型號(hào)為BX120-3AA,電阻為(120±0.2)Ω,靈敏度系數(shù)為2.08%,應(yīng)變片上所接收的信號(hào)通過(guò)示波器進(jìn)行顯示,其典型波形如圖2所示。

圖2 實(shí)測(cè)波形

(4)

(5)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試件含水率及縱波波速變化規(guī)律

混凝土材料內(nèi)部的整體性可通過(guò)超聲波檢測(cè)原理進(jìn)行測(cè)量[21],混凝土材料內(nèi)部存在大量裂紋孔隙,裂隙對(duì)波的傳播存在影響,孔隙水的存在同樣會(huì)對(duì)試件縱波波速造成影響。試件含水率及縱波波速測(cè)量結(jié)果如表2所示,纖維混凝土孔隙度與飽和含水率的關(guān)系如圖3所示,飽和含水率與縱波波速增量的關(guān)系如圖4所示。

由表2和圖3、圖4可知玄武巖纖維混凝土孔隙度在1.89%～3.05%之間,試件飽和含水率與孔隙度間呈良好的線性正相關(guān)關(guān)系;試件縱波波速增量隨飽和含水率的增大而增大,兩者間也存在良好的線性正相關(guān)關(guān)系。試件內(nèi)部孔隙度越大,孔隙水含量越多,其飽和含水率就越大;干燥纖維混凝土內(nèi)部存在大量原生裂紋孔隙,超聲波在傳播至薄弱面時(shí)會(huì)發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象,使波傳播路徑變長(zhǎng),波速隨之降低[22]。飽水試件裂隙中充滿水溶液,而波在水中的傳播速度要大于在空氣中的傳播速度[23]。雖然水的溶解、軟化作用會(huì)減弱礦物顆粒間的黏結(jié)作用,降低試件整體性,在一定程度上降低縱波波速,但相對(duì)于波在液體中傳播增量其影響較小,相較于干燥試件,飽水纖維混凝土試件縱波波速仍會(huì)增加,且試件飽和含水率越高,其縱波波速增量越大。

表2 玄武巖纖維混凝土含水率及縱波波速試驗(yàn)結(jié)果

圖3 孔隙度與飽和含水率間的關(guān)系

圖4 飽和含水率與縱波波速增量間的關(guān)系

2.2 不同應(yīng)變率下試件力學(xué)特性

對(duì)干燥及飽水玄武巖纖維混凝土試件開展不同應(yīng)變率下的單軸壓縮試驗(yàn),靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)加載速率控制為0.15 mm/s,根據(jù)計(jì)算公式可求出靜態(tài)加載時(shí)的應(yīng)變率。動(dòng)態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)選用分離式霍普金森壓桿裝置,分別選擇沖擊氣壓為0.25、0.35、0.45、0.55 MPa以獲取不同應(yīng)變率,不同應(yīng)變率下試驗(yàn)結(jié)果如表3所示,靜載作用下試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5(a)所示,動(dòng)載作用下試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5(b)所示。

表3 試件在不同應(yīng)變率下的力學(xué)特性

圖5 靜載和動(dòng)載作用下試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由表3及圖5可知靜、動(dòng)荷載作用下纖維混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在不同,靜載作用下試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為孔隙壓密階段、彈性變形階段、塑性變形階段及破壞階段,而動(dòng)載下試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為彈性變形階段、塑性變形階段及破壞階段。纖維混凝土內(nèi)部存在大量原生裂紋孔隙,靜載作用時(shí)應(yīng)變率較小,試件內(nèi)部裂隙壓縮過(guò)程可在應(yīng)力-應(yīng)變曲線中顯示;而動(dòng)載作用下應(yīng)變率較高,試件受荷載作用時(shí)間較短,試件內(nèi)部裂隙來(lái)不及被壓縮而直接進(jìn)入彈性變形階段。靜載作用下飽水試件應(yīng)力及彈性模量明顯低于干燥試件,隨著應(yīng)變率的增大,干燥及飽水試件峰值應(yīng)力及彈性模量均增大,但飽水試件增幅明顯較大,當(dāng)應(yīng)變率<130 s-1時(shí)干燥試件應(yīng)力明顯高于飽水試件,當(dāng)應(yīng)變率>130 s-1時(shí)干燥試件應(yīng)力低于飽水試件,說(shuō)明水的存在使纖維混凝土試件產(chǎn)生劣化,而高應(yīng)變率作用下水對(duì)試件力學(xué)性能起到提升作用。

為進(jìn)一步研究飽水作用及應(yīng)變率對(duì)纖維混凝土彈性模量及強(qiáng)度的影響,對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,試件峰值應(yīng)力與應(yīng)變率間的關(guān)系如圖6(a)所示,彈性模量與應(yīng)變率間的關(guān)系如圖6(b)所示。

圖6 應(yīng)變率與峰值應(yīng)力、彈性模量間的關(guān)系

由圖6可知纖維混凝土試件彈性模量與峰值應(yīng)力均隨應(yīng)變率的增大而增大,且應(yīng)變率與峰值應(yīng)力間存在良好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系,試件存在明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。靜載作用下飽水試件峰值應(yīng)力低于干燥試件,其峰值應(yīng)力降低了8.6%,隨著應(yīng)變率的增加,試件峰值應(yīng)力不斷增大,飽水試件應(yīng)力增幅明顯高于干燥試件。當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到130 s-1時(shí)干燥飽水試件應(yīng)力基本保持一致;當(dāng)應(yīng)變率為160 s-1左右時(shí)飽水試件峰值應(yīng)力高于干燥試件11.4%。彈性模量變化與強(qiáng)度變化基本保持一致,說(shuō)明高應(yīng)變率下水的存在對(duì)玄武巖纖維混凝土試件力學(xué)性能存在增強(qiáng)效果。

2.3 飽水纖維混凝土破壞機(jī)理分析

纖維混凝土作為一種多孔材料,飽水作用下水溶液會(huì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部裂紋與孔隙中。一方面兩者間的相互作用會(huì)產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng),在物理作用下水溶液會(huì)沿裂隙進(jìn)入試件內(nèi)部,試件內(nèi)部膠結(jié)體會(huì)在水中發(fā)生腐蝕與溶解,降低骨料間的黏結(jié)力,從而使試件發(fā)生軟化[24]。另一方面試件內(nèi)部分物質(zhì)會(huì)與水發(fā)生反應(yīng),對(duì)試件造成劣化,從而降低試件力學(xué)性能。裂隙中自由水的存在會(huì)對(duì)孔壁產(chǎn)生壓力,在靜載作用時(shí)孔隙自由水能夠達(dá)到裂縫尖端,而纖維混凝土受壓過(guò)程中體積被壓縮,裂隙縫間的自由水像楔體一樣加速了裂紋擴(kuò)展,從而降低了混凝土強(qiáng)度[25]。

水對(duì)混凝土材料力學(xué)性質(zhì)也存在很大影響,由飽和孔隙介質(zhì)彈性理論知當(dāng)混凝土材料內(nèi)部孔隙裂紋充滿水時(shí),孔隙水會(huì)降低其有效應(yīng)力。當(dāng)飽水纖維混凝土受到荷載作用時(shí)孔隙裂隙變形由有效應(yīng)力引起,有效應(yīng)力方程式為[26]

σ′ij=σij-φp。

(6)

式中：σ′ij為有效應(yīng)力;σij為總應(yīng)力;φ為內(nèi)摩擦角;p為孔隙水壓力。

由式(6)可知,孔隙中孔壓的存在會(huì)抵消一部分軸壓σ1和σ3,試件達(dá)到相同壓縮量時(shí)需要施加更大的軸壓,因?yàn)榭紫端畨毫Φ淖饔脺p小了混凝土的有效平均應(yīng)力,但偏應(yīng)力不變,由摩爾庫(kù)倫定律可知試件更容易達(dá)到極限強(qiáng)度。因此飽水作用對(duì)靜載作用下纖維混凝土造成劣化主要包括3個(gè)方面：①水的侵蝕作用會(huì)使混凝土材料溶解,降低其整體性能;②水溶液會(huì)降低骨料間的黏結(jié)作用,降低其摩擦力,使試件軟化;③靜載作用下孔隙水會(huì)到達(dá)裂隙尖端,所形成的裂隙尖端水壓力加速了裂隙的擴(kuò)展,從而降低試件抵抗外荷載的能力。

而動(dòng)載作用下隨著應(yīng)變率的增大,飽水纖維混凝土峰值應(yīng)力及彈性模量會(huì)高于干燥試件,說(shuō)明高應(yīng)變率下水的存在對(duì)纖維混凝土試件強(qiáng)度存在提升效果。研究表明[25]動(dòng)載作用下混凝土材料裂紋擴(kuò)展速度較快,當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到一定值后裂隙中的自由水很難到達(dá)裂紋尖端,從而形成孔隙負(fù)壓,阻礙裂隙的擴(kuò)展,其不同應(yīng)變率下裂紋中水壓力分布如圖7所示。

圖7 不同應(yīng)變率下裂紋中水壓力分布

飽水初期,水會(huì)吸附在孔壁和骨料顆粒表面,形成具有一定厚度的水膜,水溶液在裂紋擴(kuò)張過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生阻礙裂紋擴(kuò)展的黏聚力F1[27]。Zhang等[28]發(fā)現(xiàn)在動(dòng)載作用下飽水混凝土強(qiáng)度提高的原因可由物理學(xué)中Stefan效應(yīng)解釋。當(dāng)兩個(gè)半徑為r的平行圓板間存在黏性液體,以相對(duì)速度dv/dt發(fā)生分離時(shí),會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反作用F2阻止平板間的分離,F1、F2計(jì)算公式如下：

(7)

(8)

式中：V為液體體積;γ為表面能;θ為濕潤(rùn)角;S為水的彎月面半徑;η為液體的黏度;h為圓形平板間的距離。

在這種水-纖維混凝土動(dòng)力耦合作用下,孔隙負(fù)壓及水的黏聚作用阻礙了裂紋擴(kuò)展及試件的破壞,增強(qiáng)了試件在外動(dòng)載作用下的抗壓強(qiáng)度與彈性模量,且應(yīng)變率越高,其增強(qiáng)效果越明顯。結(jié)合本次試驗(yàn)可知飽水玄武巖纖維混凝土體系中既存在水對(duì)試件的侵蝕劣化作用,又存在高應(yīng)變率下水-纖維混凝土動(dòng)力耦合強(qiáng)化作用。當(dāng)應(yīng)變率<130 s-1時(shí),侵蝕劣化作用高于強(qiáng)化作用,干燥試件強(qiáng)度及彈性模量高于飽水試件;當(dāng)應(yīng)變率=130 s-1時(shí),干燥及飽水試件強(qiáng)度及彈性模量基本保持一致,當(dāng)應(yīng)變率>130 s-1時(shí),動(dòng)力耦合強(qiáng)化作用占主導(dǎo)作用,飽水試件強(qiáng)度及彈性模量高于干燥試件。

3 結(jié) 論

(1)玄武巖纖維混凝土的孔隙度在1.89%～3.05%之間,孔隙度與飽和含水率間呈良好的線性正相關(guān)關(guān)系,飽水作用會(huì)增大試件縱波波速,飽和含水率越高,試件縱波波速增量越大。

(2)靜載作用下試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在明顯的孔隙壓密階段,高應(yīng)變率下試件內(nèi)部原生裂隙來(lái)不及被壓縮而直接進(jìn)入彈性變形階段。靜載作用下干燥試件強(qiáng)度及彈性模量高于飽水試件,水對(duì)玄武巖纖維混凝土存在劣化作用。當(dāng)應(yīng)變率>130 s-1時(shí)干燥試件強(qiáng)度及彈性模量低于飽水試件,高應(yīng)變率下水對(duì)纖維混凝土力學(xué)性能存在提升效果。

(3)水對(duì)玄武巖纖維混凝土既存在侵蝕劣化作用,又存在水-纖維混凝土動(dòng)力耦合強(qiáng)化作用。當(dāng)應(yīng)變率<130 s-1時(shí),水的侵蝕劣化作用高于動(dòng)力耦合強(qiáng)化作用,干燥纖維混凝土試件力學(xué)性能高于飽水試件;應(yīng)變率>130 s-1時(shí),動(dòng)力耦合強(qiáng)化作用占主導(dǎo),飽水試件強(qiáng)度高于干燥試件。