玄武巖纖維混凝土沖擊力學性能試驗研究

玄武巖纖維混凝土沖擊力學性能試驗研究

玄武巖纖維是一種新型的混凝土增強材料，由純火山巖（包括玄武巖）巖漿巖在高溫下融合并拉伸而成。這是典型的硅酸鹽纖維，具有自然的兼容性和較高的強度。廉杰等研究了玄武巖纖維體積摻量與單絲長徑比對玄武巖纖維混凝土(basalfiberreinforcedconcrete,BFRC)抗壓、劈拉、抗折強度及抗斷裂性能的影響，結(jié)果表明：在混凝土中摻加亂向短切玄武巖纖維后，混凝土的強度及抗斷裂性能會得到明顯改善。Dias等和Zielinski等研究了玄武巖纖維摻量對玄武巖纖維增強無機聚合物水泥混凝土斷裂韌度、強度的影響，并將其與玄武巖纖維增強硅酸鹽水泥混凝土的試驗結(jié)果進行對比，結(jié)果表明：玄武巖纖維增強無機聚合物水泥混凝土具有更加優(yōu)越的抗斷裂性能。值得注意的是，當玄武巖纖維的摻量為1%(體積分數(shù))時，玄武巖纖維增強硅酸鹽水泥混凝土的準靜態(tài)抗壓強度、劈裂抗拉強度，較素混凝土分別降低了26.4%和12%。采用φ100mm分離式霍普金森壓桿(splitHopkinsonpressurebar,SHPB)試驗裝置，研究了BFRC在沖擊荷載作用下的動態(tài)力學性能，并將其與相同纖維摻量的碳纖維混凝土(carbonfiberreinforcedconcrete,CFRC)的沖擊力學性能進行對比分析。1測試1.1纖維原料的質(zhì)量指標試驗用原材料為：P·O42.5R秦嶺水泥；韓城第二發(fā)電廠生產(chǎn)的一級粉煤灰；涇陽縣石灰?guī)r碎石(5～10mm,15%，質(zhì)量分數(shù)，下同；10～20mm,85%)；灞河中砂，細度模數(shù)為2.8；廣州建寶新型建材有限公司生產(chǎn)的FDN高效減水劑；橫店集團上海俄金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)的玄武巖纖維；日本東麗公司生產(chǎn)的碳纖維，具體物理、力學性能指標見表1。表2為C50混凝土基體的配合比。1.2彈性桿應變計算SHPB試驗的基本原理是細長桿中彈性應力波傳播理論，建立在兩個基本假設(shè)的基礎(chǔ)上：(1)平面假設(shè)，即應力波在細長桿中傳播過程中，彈性桿中的每個橫截面始終保持平面狀態(tài)；(2)應力均勻假設(shè)，即應力波在試件中傳播過程中，試件中的應力處處相等?；谝陨蟽蓚€假設(shè)，采用動態(tài)應變測試系統(tǒng)采集彈性桿中的應變波形，然后通過彈性桿中的應變計算出試件的應力σs、應變率εs及應變εs，即其中：E為桿的彈性模量；c為桿中波速；A,As分別為桿、試件的橫截面面積；ls為試件的初始厚度；εi，εr，εt分別為桿中的入射、反射和透射應變。2shpb試驗、bfrc2.1比能量吸收試驗SHPB試驗所用射彈長0.5m，試件的幾何尺寸為φ95mm×50mm，試驗時在試件端面涂抹薄薄的一層石墨與潤滑劑的混合物，以消除界面摩擦效應。素混凝土及玄武巖纖維摻量分別為0.1%，0.2%，0.3%的BFRC的28d立方抗壓強度分別為61.6,60.3,59.9,51.6MPa。采用單位體積的混凝土材料吸收應力波能量的大小，即比能量吸收a來表征混凝土材料韌性，其中：τ1，τ2分別為反射波、透射波相對于入射波的時間延遲；T為試件完全破壞時刻。BFRC的SHPB試驗結(jié)果、不同應變率(20～100s–1)下的應力–應變曲線分別如表3、圖1所示。2.2應變率對材料基本特征的影響圖2給出BFRC的動態(tài)抗壓強度與比能量吸收隨平均應變率的變化情況。由圖2可知，BFRC的動態(tài)抗壓強度與沖擊韌性隨平均應變率的提高而近似線性增加，具有顯著的應變率相關(guān)性。應變率硬化原因可從以下兩方面進行解釋：(1)混凝土內(nèi)部，骨料周圍及整個水泥漿體中布滿了大小不同的微裂紋和微孔洞等損傷，裂紋的產(chǎn)生和擴展直接導致混凝土材料的破壞。裂紋產(chǎn)生所需的能量遠比裂紋擴展所需的能量高，應變率越大，產(chǎn)生的裂紋數(shù)目就越多，因而需要的能量就越多，又因為沖擊荷載作用的時間極短，材料沒有足夠的時間用于能量的累積，即變形緩沖作用小，根據(jù)沖量定理或功能原理，它只有通過增加應力的辦法來抵消外部沖量或能量，因此，材料的強度隨應變率的增加而增加。(2)類似于Bracc和Janach等對巖石應變率硬化的分析，混凝土的應變率硬化效應可以看作材料由一維應力狀態(tài)向一維應變狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的力學響應，其理由是：混凝土試件比較大，在SHPB試驗中，試件內(nèi)部的受力狀態(tài)己不能準確地說是一維應力，特別是在試件的中心部位，在沖擊荷載作用下，由于材料的慣性作用，試件側(cè)向的應變受到限制，并且應變率越高，這個限制作用越大，材料近似處于圍壓狀態(tài)，從而其強度隨應變率的增加而增加。玄武巖纖維對混凝土的動力學性能具有一定的改善作用，然而隨著纖維摻量的增加，作用越來越不明顯。當玄武巖纖維摻量為0.1%時，其對混凝土的增強、增韌效果最佳。BFRC準靜態(tài)抗壓強度隨纖維體積率的增加而降低的主要原因是：隨著玄武巖纖維摻量的增加，其在BFRC的拌制過程中成團的幾率也會隨之而增加，從而很容易在基體內(nèi)部留下孔隙，在準靜態(tài)荷載的作用下，有足夠的時間在孔隙周圍形成應力集中，直接導致BFRC內(nèi)部局部應力嚴重超高，容易產(chǎn)生局部破壞。因此，BFRC的準靜態(tài)強度總體上低于素混凝土。BFRC沖擊抗壓強度總體上高于素混凝土的主要原因是：(1)沖擊荷載作用的時間極短，還沒有來得及在玄武巖纖維成團處形成應力集中，BFRC就已經(jīng)達到極限壓縮強度而破壞；(2)混凝土是一種應變率敏感材料，玄武巖纖維–混凝土基體界面力學性能的發(fā)揮直接導致了BFRC呈現(xiàn)出比素混凝土更加顯著的應變率相關(guān)性，即隨著應變率的提高，BFRC動態(tài)壓縮強度的平均增長速率要高于素混凝土。因此，基于以上兩點，BFRC沖擊抗壓強度總體上高于素混凝土。3shpb測試cfrc3.1抗壓強度的比較碳纖維體積摻量分別為0.1%，0.2%，0.3%的CFRC的28d立方抗壓強度分別為63.2,60.7,57.7MPa。CFRC的SHPB試驗結(jié)果如表4所示。3.2纖維增強效果圖3給出了CFRC的動態(tài)抗壓強度、比能量吸收隨平均應變率的變化情況。從圖3可以看出，CFRC的動態(tài)抗壓強度與沖擊韌性隨平均應變率的提高而近似線性增加，具有顯著的應變率相關(guān)性。此外，碳纖維對混凝土具有良好的增強效果，而增韌效果不明顯。隨著纖維摻量的增加，碳纖維的增強效果越來越顯著。當碳纖維的摻量為0.3%時，其對混凝土的增強效果最佳。4bfrc的沖擊壓縮強度圖4為相同纖維摻量時，纖維混凝土材料沖擊力學性能的對比結(jié)果。從圖4可以看出：當纖維摻量為0.1%時，在20～100s–1的應變率范圍內(nèi)，BFRC的沖擊壓縮強度與韌性都優(yōu)于CFRC。當纖維摻量為0.2%時，應變率低于53.7s–1時，BFRC的沖擊壓縮強度高于CFRC，應變率大于53.7s–1時，BFRC的沖擊壓縮強度低于CFRC；應變率低于60.5s–1時，BFRC的沖擊壓縮韌性不及CFRC，應變率大于60.5s–1時，BFRC的沖擊壓縮韌性優(yōu)于CFRC，但與素混凝土相比，無明顯改善。當纖維摻量為0.3%時，BFRC的沖擊壓縮強度低于CFRC；韌性與CFRC相當，但與素混凝土相比，無明顯改善?；谝陨蠈FRC與CFRC沖擊力學性能的對比分析，發(fā)現(xiàn)：玄武巖纖維對混凝土的增強、增韌效果明顯優(yōu)于碳纖維的，尤其是纖維摻量為0.1%時，玄武巖纖維的增強、增韌效果