竹纖維混凝土的動態力學性能研究

羅皓鵬， 仰 濤， 巫緒濤

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

近年來,國內外關于BFRC力學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。研究發現細絲型BFRC的靜態抗壓強度和抗拉強度均比素混凝土下降,但抗拉強度下降幅度較小。竹纖維可以改善混凝土脆性破壞特點,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展,采用纖維間距理論能夠合理分析其劈裂強度與纖維含量和長度的關系[8]。細圓柱型竹纖維對混凝土靜力性能的提高優于細絲型竹纖維,其抗壓和抗折強度有小幅下降,但采用合理的纖維長度時,劈裂強度顯著增加[9]。在沖擊載荷作用下,纖維對混凝土的普遍增韌將有效提高混凝土的緩沖吸能特性,從而增強混凝土的抗沖擊能力。因此研究其動態力學性能在抗爆震的民用和軍用防護結構中具有重要的應用價值。本文采用SHPB裝置對細圓柱型BFRC進行了沖擊壓縮和動態劈裂試驗,得到其動態力學性能隨應變率、纖維含量的變化規律,并給出經驗型公式。這些研究有利于拓寬BFRC的應用領域。

1 試樣制備

原材料包括：標號P·O32.5R水泥，粒徑6～8mm碎石，細度模數2.8的中砂，直徑1.5mm、長度20mm的細圓柱型竹纖維。混凝土基體配合比：水泥：水：砂：碎石=1:0.46:1.72:2.33。共制備了4種組別試樣，竹纖維體積分數φi分別為：0%(素混凝土)、0.5%、1.5%和2.5%。

圖1 試驗試樣

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混凝土動態性能的單因素影響,未對竹纖維及其與基體結合界面進行任何處理。試樣經裝模、振實、靜止、拆模和標準養護28天。制備的試樣尺寸包括兩種規格:Φ70mm×150mm(用于靜態壓縮試驗),Φ70mm×35mm(用于靜態劈裂、沖擊壓縮和動態劈裂試驗)。為保證試驗精度,所有試樣均對表面進行磨削加工,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。

共進行了4種類型試驗:靜態壓縮、靜態劈裂、沖擊壓縮和動態劈裂試驗。其中靜態壓縮和劈裂試驗采用電子萬能試驗機完成。沖擊壓縮和動態劈裂采用直徑74mm直錐變截面SHPB裝置完成。

2 試驗結果及分析

2.1 靜態強度及分析

表1BFRC靜態抗壓和劈裂強度

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

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

2.2 沖擊壓縮應力-應變曲線及破壞形態分析

部分試樣典型壓縮應力應變曲線如圖2所示,所有力學參數如表2所列。

圖2 不同應變率下BFRC的應力應變曲線

表2 沖擊壓縮下BFRC主要力學參數

根據圖2和表1可以發現BFRC的動態壓縮力學行為具有如下特點如下:

(1) BFRC具有顯著的應變率效應。同組別試樣的抗壓強度隨應變率增加而顯著增加,抗壓強度對應的破壞應變也基本隨應變率的增加而增加。隨試驗應變率提高,試樣失效模式由靜態主裂紋擴展轉變為多裂紋擴展,裂紋擴展需要的能量大幅增加,導致抗壓強度的增加。同時,由于裂紋擴展速率有限,隨應變率增加裂紋擴展滯后越來越明顯也導致抗壓強度上升。

(2) 抗壓強度。相近應變率下BFRC的抗壓強度均低于素混凝土,且隨應變率上升差值變化較小,即竹纖維對混凝土動態抗壓強度沒有增強作用。

(3) 應力應變曲線。其上升線性段基本不隨應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變率和纖維對混凝土力學性能的影響與裂紋失穩擴展密切相關。

(4) 與素混凝土相比。①BFRC應力應變曲線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的破壞應變顯著大于素混凝土。③根據相近應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方面體現了竹纖維對混凝土基體的增韌。

2.3 抗壓強度的應變率效應分析

混凝土的動態強度可以看成2部分:靜態強度和動態增幅。為了更清晰反映與應變率相關的動態增幅項的變化規律,按下式定義動態增強因子DIFc[10]:

圖3 BFRC的DIFc隨應變率的變化規律

(1)

(2)

擬合效果如圖3所示,相關系數R2的范圍為0.96～0.98。

根據圖3和式(1)、式(2)可以發現:① BFRC的DIFc隨應變率冪函數變化,即隨應變率增加,動態增幅項對動態強度的影響顯著增加。② 式(1)系數b隨纖維含量變化線性減小,即BFRC抗壓強度對應變率的敏感性隨纖維含量的增加而減小。

2.3 劈裂強度的應變率效應分析

BFRC動態劈裂實驗的應變率和劈裂強度如表3所列。類似沖擊壓縮處理方式,定義動態增強因子DIFt:

表3 動態劈裂下BFRC主要力學參數

圖4 BFRC的DIFt隨應變率的變化規律

(3)

(4)

擬合效果如圖8所示,相關系數R2的范圍為0.81～0.97。

根據表3、圖4和式(3)～(4)可以發現:① 與壓縮類似,BFRC的劈裂強度也對應變率敏感,所有組別試樣的劈裂強度均隨應變率上升而單調增加。其次,BFRC反映動態劈裂強度增幅的DIFt也隨應變率冪函數增加。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,當纖維含量達到2.5%時,端面有纖維未完全拔出,裂開的兩塊依然連接在一起。反映了竹纖維對高應變率受拉狀態下混凝土的脆性破壞有顯著改善。③ 式(3)系數b隨纖維含量變化線性增加,即BFRC劈裂強度對應變率的敏感性隨纖維含量的增加而增加。

2.4 沖擊壓縮與動態劈裂的比較

(1)應變率效應。首先兩者均表現出顯著的應變率效應,隨應變率變化,抗拉和劈裂強度出現顯著增加,且DIF增加規律服從冪函數關系。其次在動態拉、壓應力狀態下,竹纖維均對混凝土脆性破壞特點有顯著改善,提高了混凝土韌性。

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

3 結 論

利用SHPB實驗裝置,對BFRC的動態力學性能進行了研究,主要結論如下:

(1)在未進行特殊處理情況。竹纖維對混凝土靜態壓縮和劈裂強度均呈現削弱影響。隨應變率升高,竹纖維對混凝土動態抗壓強度有小幅削弱,對動態劈裂強度有增強作用。

(2)在高應變率拉、壓2種應力狀態。竹纖維均能有效改善混凝土脆性破壞特點,破損試樣完整性更好。在壓縮應力狀態下,竹纖維對混凝土的改性完全體現在阻裂增韌方面。在拉伸應力狀態下,竹纖維對混凝土基體兼有增韌和動態增強兩種作用。

(3)高應變率下的關系。將混凝土強度分成靜態強度和動態增幅更有利于分析靜態和動態影響,BFRC反映動態行為的DIFc和DIFt與應變率均呈現冪函數關系,與纖維含量之間也存在簡單的單調關系。