泡沫鋁-鋼纖維混凝土靜態壓縮性能試驗研究

梁 力，王立然，李明姝，高軒麟，李 明

(東北大學資源與土木工程學院，沈陽 110819)

0 引 言

導彈發射井、機庫門等均采用傳統鋼包混凝土作為其外部防護結構，鋼包混凝土雖對混凝土保護作用較好，但是因自重大和機動性能較差等缺點限制了其適用范圍。而泡沫鋁作為近些年來被廣泛研究的新型功能-結構一體化材料，具有輕質高強、吸能緩沖等一系列的優越性能[1-2]，鋼纖維混凝土也因具有良好的抗拉和抗沖擊韌性等性能，在橋梁和軍事防護結構中廣泛應用[3-5]。將二者結合形成的泡沫鋁-鋼纖維混凝土新型復合結構，可以改善傳統鋼包混凝土防護結構的缺點，因此這種新型復合結構受到了國內外防護工程領域學者的高度關注。

Koniki等[6]、張玉杰等[7]進行了鋼纖維混凝土單軸壓縮試驗，對不同強度特性的數據進行了非線性回歸分析，證明了添加端鉤鋼纖維能夠顯著影響混凝土在單軸應力作用時的應力-應變特性。曹曉卿等[8]在對泡沫鋁的單向壓縮行為及其吸能性能的研究中指出，在準靜態條件下，泡沫鋁的泡孔尺寸對其壓縮性能和吸能性能影響較大，泡沫鋁孔徑越大，其彈性模量與塑性模量越小、屈服強度越大。Jeon等[9]通過用X射線計算機斷層掃描對閉孔泡沫鋁的塑性倒塌進行了有限元模擬，發現了泡沫鋁的孔徑大小和“孔壁”材料的塑性性能直接影響泡沫鋁材料屈服平臺的應力大小。陳猛等[10]、Hassanpour等[11]等對巖石-鋼纖維混凝土復合結構進行了壓縮性能試驗，得到了巖石-鋼纖維混凝土復合層試件的應力-應變曲線，發現鋼纖維可明顯提高巖石-鋼纖維混凝土復合層試件的抗壓強度。

上述研究中，大多是對泡沫鋁或鋼纖維混凝土單體材料力學性能研究，對泡沫鋁-鋼纖維混凝土復合結構力學性能的研究較少。本文通過對泡沫鋁-鋼纖維混凝土復合結構的靜態力學性能試驗，研究泡沫鋁孔徑大小和鋼纖維摻量對復合結構抗壓性能的影響，并通過進行拌合物性能試驗，對比分析泡沫鋁孔徑大小和鋼纖維摻量對泡沫鋁-鋼纖維混凝土復合結構抗壓性能的影響和作用機理。

1 實 驗

1.1 原材料及配合比

試驗采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,細骨料采用細度模數為2.25的天然河砂,粗骨料采用粒徑為5～10 mm的普通碎石,減水劑采用萘系高效減水劑,工業鋼纖維為衡水普方路橋養護有限公司生產的端勾型鋼纖維,結構膠為改性環氧樹脂結構膠。泡沫鋁由安徽一鳴新材料有限公司生產，厚度為10 mm，相對密度為0.35，孔徑分別為3～6 mm、6～9 mm和9～12 mm，孔隙率約為80%。鋼纖維物理和力學性能見表1,不同摻量混凝土配合比見表2。

表1 鋼纖維物理和力學性能參數Table 1 Physical and mechanical properties of steel fiber

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportions of concrete /(kg·m-3)

1.2 試驗方案

利用上海新三思萬能試驗機和江蘇東華動態應變儀對泡沫鋁-鋼纖維混凝土復合結構進行靜態壓縮試驗。采用尺寸分別為100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm的試件進行立方體抗壓和軸心抗壓試驗。不同孔徑的泡沫鋁試件如圖1所示。非標準試塊抗壓強度根據尺寸效應系數進行換算。養護完成后將混凝土試件和泡沫鋁試件用環氧樹脂結構膠粘結，粘結面為0.1 mm。試驗參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[12]。分別測試泡沫鋁-鋼纖維混凝土復合結構在鋼纖維摻量變化以及泡沫鋁孔徑變化時對泡沫鋁-鋼纖維混凝土復合層試件的抗壓強度的影響。試件個數統計見表3。

圖1 不同孔徑下的泡沫鋁試件圖Fig.1 Aluminum foam with different diameters

表3 試件個數統計表Table 3 Statistical table of specimen numbers

2 結果與討論

2.1 混凝土拌合物性能

(1)坍落度

不同摻量的鋼纖維混凝土坍落度如圖2所示。F0的坍落度為138 mm，F0.5、F1.0和F1.5分別比F0降低9.5%、18.2%和26.8%。原因是隨著鋼纖維摻量的增加，鋼纖維與骨料之間產生更多的“橋架”支撐，混凝土拌合物內部摩擦阻力增大[13]，導致拌合物流動性減弱，從而使混凝土拌合物坍落度降低。

(2)含氣量

不同摻量的鋼纖維混凝土含氣量如圖3所示。F0含氣量為1.45%，F0.5、F1.0和F1.5的含氣量分別比F0提高了28.5%、49.3%和60.7%。主要原因是鋼纖維的加入在混凝土中形成了纖維與漿體的薄弱界面，產生了更多可供氣體進入的通道。同時，鋼纖維在混凝土中易產生“抱團”現象，增加了混凝土拌合物內部孔隙缺陷，從而混凝土拌合物的含氣量增大。

(3)彈性模量和泊松比

本試驗依據實測的混凝土軸壓應力-應變關系曲線，參照美國規范(ASTM designation：C469)[14]，按照式(1)、(2)計算混凝土的彈性模量和泊松比，測試結果見表4。

E=(S2-S1)/(ε2-0.000 50)

(1)

μ=(ε12-ε11)/(ε2-0.000 50)

(2)

式中：E為彈性模量，MPa；S1為縱向應變為0.50時對應的荷載，MPa；S2為極限荷載值的40%，MPa；ε2為荷載達到S2時，對應的縱向應變；μ為泊松比；ε12為荷載S2對應的試件中部橫向應變；ε11為荷載S1對應的試件中部橫向應變。

圖2 混凝土拌合物坍落度Fig.2 Slump of concrete mixture

圖3 混凝土拌合物含氣量Fig.3 Air content of concrete mixture

表4 鋼纖維混凝土彈性模量和泊松比測試結果Table 4 Test results of elastic modulus and poisson ratio of steel fiber concrete

2.2 立方體抗壓強度

(1)應力-應變曲線特征

不同摻量的泡沫鋁-鋼纖維混凝土立方體抗壓強度如圖4所示(養護齡期為28 d)。F0的立方體抗壓強度為52.1 MPa，F0.5、F1.0和F1.5的立方體抗壓強度較F0分別提高8.1%、17.5%和22.6%，這與文獻[6-9]所得出的結論一致。首要原因是鋼纖維會在混凝土拌合物內部分散形成三維亂向體系，亂相分布的鋼纖維能夠阻礙粗骨料的下沉，使混凝土內部更均勻，從而提高混凝土密實度。其次，在鋼纖維混凝土收縮階段，亂向分布的鋼纖維形成的“網狀結構”能夠分散混凝土所受壓力，從而使混凝土抗收縮性能得到提高，由于鋼纖維彈性模量較高，鋼纖維混凝土可以承擔更大的裂縫尖端應力，因而能有效地減少混凝土原生裂縫的引發數量和阻礙次生裂縫的擴展[15]，從而進一步提升混凝土的抗壓強度。同時鋼纖維還能阻礙裂縫的擴展，當基體開裂后，鋼纖維從基體中拔出或拉斷時承受了一定的應力，使混凝土承受荷載能力增大。隨著鋼纖維摻量的增加，同樣長度的裂縫上“橋聯”纖維數變多，從而更好發揮阻裂作用，增強混凝土的抗壓強度。

圖4 泡沫鋁-鋼纖維混凝土立方體抗壓強度Fig.4 Cubic compressive strength ofaluminum foam-steel fiber concrete

鋼纖維摻量為1.0%時不同孔徑的泡沫鋁-鋼纖維混凝土復合層試件立方體抗壓應力-應變曲線如圖5(a)所示(養護齡期為28 d)。泡沫鋁-鋼纖維混凝土復合層試件的立方體抗壓強度較鋼纖維混凝土增長約5.3%～8.2%，并且在泡沫鋁-鋼纖維混凝土復合層試件受壓前期，其應力-應變曲線出現一段較為明顯的平臺區，如圖5(b)所示。此時應力不變但應變持續增加，隨著泡沫鋁孔徑的增加，平臺區逐漸變長。原因是泡沫鋁的變形機理是“孔梁”發生彈性彎曲，當ε<0.1時應力-應變曲線接近于一條直線。而當泡沫鋁進入塑性平臺階段時，因泡沫鋁相對密度一定，孔隙率一定，泡沫鋁內部胞孔總體積一定，故泡沫鋁孔徑大的試樣，其內部“孔梁”較大。“孔梁”強度的差異導致孔洞發生塑性破壞具有不同時性，泡沫鋁首先在“孔梁”強度最弱處發生塑性破壞，導致“孔梁”斷裂而發生形變，形變四周與壓力垂直平面應力集中，破壞在平面內擴展開來，此時無形變孔洞仍然處于線彈性階段[16]。根據Ashby和Gibson[17]的開孔泡沫模型可推知：

(3)

式中：σf、σs分別為泡沫鋁和鋁的強度；t、l分別為泡沫鋁包壁的厚度和長度。

由于泡沫鋁孔洞大小接近,孔洞分布均勻，可認為t/l為常數，故σf為一常量，所以在泡沫鋁-鋼纖維混凝土復合層試件應力-應變曲線上呈現平臺區。泡沫鋁的孔徑越小，孔洞壁越薄，孔洞壁上的缺陷在受到壓縮作用時，產生斷裂的概率就會越大，破壞的越快，平臺區越短。當材料內部孔洞均因應力集中發生塑性破壞后，泡沫鋁被壓實，應變會逐漸由混凝土提供。導致泡沫鋁-鋼纖維混凝土復合層試件壓縮應力隨應變的增加急劇升高。表現為圖5(a)中所示的復合層試件應力-應變曲線的急劇上升階段。

圖5 鋼纖維摻量1.0%時不同孔徑泡沫鋁-鋼纖維混凝土復合層試件應力-應變曲線Fig.5 Stress-strain curves of aluminum foam-steel fiber concrete composite layerwith different pore sizes when steel fiber content is 1.0%

(2)破壞形態

復合層試件立方體抗壓強度試驗破壞形態如圖6所示。當泡沫鋁孔徑為3～6 mm時，素混凝土復合層試件泡沫鋁被壓實，混凝土邊緣破碎并在混凝土表面產生多條縱向裂紋。鋼纖維混凝土復合層試件泡沫鋁被壓實，混凝土表面產生多條微小裂縫，隨著鋼纖維摻量的增加，裂縫逐漸出現微裂而不散、裂而不斷的現象。證明了鋼纖維不僅能夠提高混凝土的抗壓強度，并且能夠起到增韌阻裂的效果。當鋼纖維摻量相同時，泡沫鋁孔徑越大，泡沫鋁-鋼纖維混凝土復合結構的破壞程度越低，說明泡沫鋁孔徑越大，泡沫鋁吸能效率越高，對復合結構的保護效果越好。

圖6 復合層試件立方體抗壓破壞圖Fig.6 Cube compressive failure of composite layer specimens

2.3 軸心抗壓強度

不同摻量的鋼纖維混凝土軸心抗壓強度如圖7所示(養護齡期為28 d)。F0的軸心抗壓強度為43.2 MPa，F0.5、F1.0和F1.5的軸心抗壓強度較F0分別提高7.8%、16.3%和23.1%。泡沫鋁-鋼纖維混凝土復合層試件的軸心抗壓強度較鋼纖維混凝土增長約4.7%～6.8%。

圖7 泡沫鋁-鋼纖維混凝土軸心抗壓強度Fig.7 Axial compressive strength of aluminum foam-steel fiber concrete

F0軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比值為0.83。F0.5、F1.0和F1.5的比值分別為0.83、0.82和0.82，表明鋼纖維混凝土抗壓強度的比值與鋼纖維摻量無關。

3 結 論

(1)鋼纖維混凝土的含氣量隨著鋼纖維摻量的增加而增大；坍落度隨著鋼纖維摻量的增加而降低；彈性模量和泊松比隨著鋼纖維摻量的增加而緩慢增大；鋼纖維混凝土的抗壓強度隨著鋼纖維摻量的增加而增大。

(2)在鋼纖維摻量相同時，隨著泡沫鋁孔徑的增加(3～6 mm、6～9 mm、9～12 mm)泡沫鋁-鋼纖維混凝土復合結構的立方體抗壓強度比鋼纖維混凝土增加了5.3%～8.2%；軸心抗壓強度比鋼纖維混凝土增加了4.7%～6.8%；并且泡沫鋁-鋼纖維混凝土復合結構的應力-應變曲線中出現了一段平臺區，平臺區長度隨泡沫鋁孔徑的增加而增大。這使泡沫鋁-鋼纖維混凝土復合結構進入彈塑性變形階段，從而增加了復合結構的韌性，提高了混凝土的安全性能。