玄武岩纤维混凝土冲击力学性能试验研究

玄武岩纤维混凝土冲击力学性能试验研究

玄武岩纤维是一种新型的混凝土增强材料，由纯火山岩（包括玄武岩）岩浆岩在高温下融合并拉伸而成。这是典型的硅酸盐纤维，具有自然的兼容性和较高的强度。廉杰等研究了玄武岩纤维体积掺量与单丝长径比对玄武岩纤维混凝土(basalfiberreinforcedconcrete,BFRC)抗压、劈拉、抗折强度及抗断裂性能的影响，结果表明：在混凝土中掺加乱向短切玄武岩纤维后，混凝土的强度及抗断裂性能会得到明显改善。Dias等和Zielinski等研究了玄武岩纤维掺量对玄武岩纤维增强无机聚合物水泥混凝土断裂韧度、强度的影响，并将其与玄武岩纤维增强硅酸盐水泥混凝土的试验结果进行对比，结果表明：玄武岩纤维增强无机聚合物水泥混凝土具有更加优越的抗断裂性能。值得注意的是，当玄武岩纤维的掺量为1%(体积分数)时，玄武岩纤维增强硅酸盐水泥混凝土的准静态抗压强度、劈裂抗拉强度，较素混凝土分别降低了26.4%和12%。采用φ100mm分离式霍普金森压杆(splitHopkinsonpressurebar,SHPB)试验装置，研究了BFRC在冲击荷载作用下的动态力学性能，并将其与相同纤维掺量的碳纤维混凝土(carbonfiberreinforcedconcrete,CFRC)的冲击力学性能进行对比分析。1测试1.1纤维原料的质量指标试验用原材料为：P·O42.5R秦岭水泥；韩城第二发电厂生产的一级粉煤灰；泾阳县石灰岩碎石(5～10mm,15%，质量分数，下同；10～20mm,85%)；灞河中砂，细度模数为2.8；广州建宝新型建材有限公司生产的FDN高效减水剂；横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司生产的玄武岩纤维；日本东丽公司生产的碳纤维，具体物理、力学性能指标见表1。表2为C50混凝土基体的配合比。1.2弹性杆应变计算SHPB试验的基本原理是细长杆中弹性应力波传播理论，建立在两个基本假设的基础上：(1)平面假设，即应力波在细长杆中传播过程中，弹性杆中的每个横截面始终保持平面状态；(2)应力均匀假设，即应力波在试件中传播过程中，试件中的应力处处相等。基于以上两个假设，采用动态应变测试系统采集弹性杆中的应变波形，然后通过弹性杆中的应变计算出试件的应力σs、应变率εs及应变εs，即其中：E为杆的弹性模量；c为杆中波速；A,As分别为杆、试件的横截面面积；ls为试件的初始厚度；εi，εr，εt分别为杆中的入射、反射和透射应变。2shpb试验、bfrc2.1比能量吸收试验SHPB试验所用射弹长0.5m，试件的几何尺寸为φ95mm×50mm，试验时在试件端面涂抹薄薄的一层石墨与润滑剂的混合物，以消除界面摩擦效应。素混凝土及玄武岩纤维掺量分别为0.1%，0.2%，0.3%的BFRC的28d立方抗压强度分别为61.6,60.3,59.9,51.6MPa。采用单位体积的混凝土材料吸收应力波能量的大小，即比能量吸收a来表征混凝土材料韧性，其中：τ1，τ2分别为反射波、透射波相对于入射波的时间延迟；T为试件完全破坏时刻。BFRC的SHPB试验结果、不同应变率(20～100s–1)下的应力–应变曲线分别如表3、图1所示。2.2应变率对材料基本特征的影响图2给出BFRC的动态抗压强度与比能量吸收随平均应变率的变化情况。由图2可知，BFRC的动态抗压强度与冲击韧性随平均应变率的提高而近似线性增加，具有显著的应变率相关性。应变率硬化原因可从以下两方面进行解释：(1)混凝土内部，骨料周围及整个水泥浆体中布满了大小不同的微裂纹和微孔洞等损伤，裂纹的产生和扩展直接导致混凝土材料的破坏。裂纹产生所需的能量远比裂纹扩展所需的能量高，应变率越大，产生的裂纹数目就越多，因而需要的能量就越多，又因为冲击荷载作用的时间极短，材料没有足够的时间用于能量的累积，即变形缓冲作用小，根据冲量定理或功能原理，它只有通过增加应力的办法来抵消外部冲量或能量，因此，材料的强度随应变率的增加而增加。(2)类似于Bracc和Janach等对岩石应变率硬化的分析，混凝土的应变率硬化效应可以看作材料由一维应力状态向一维应变状态转换过程中的力学响应，其理由是：混凝土试件比较大，在SHPB试验中，试件内部的受力状态己不能准确地说是一维应力，特别是在试件的中心部位，在冲击荷载作用下，由于材料的惯性作用，试件侧向的应变受到限制，并且应变率越高，这个限制作用越大，材料近似处于围压状态，从而其强度随应变率的增加而增加。玄武岩纤维对混凝土的动力学性能具有一定的改善作用，然而随着纤维掺量的增加，作用越来越不明显。当玄武岩纤维掺量为0.1%时，其对混凝土的增强、增韧效果最佳。BFRC准静态抗压强度随纤维体积率的增加而降低的主要原因是：随着玄武岩纤维掺量的增加，其在BFRC的拌制过程中成团的几率也会随之而增加，从而很容易在基体内部留下孔隙，在准静态荷载的作用下，有足够的时间在孔隙周围形成应力集中，直接导致BFRC内部局部应力严重超高，容易产生局部破坏。因此，BFRC的准静态强度总体上低于素混凝土。BFRC冲击抗压强度总体上高于素混凝土的主要原因是：(1)冲击荷载作用的时间极短，还没有来得及在玄武岩纤维成团处形成应力集中，BFRC就已经达到极限压缩强度而破坏；(2)混凝土是一种应变率敏感材料，玄武岩纤维–混凝土基体界面力学性能的发挥直接导致了BFRC呈现出比素混凝土更加显著的应变率相关性，即随着应变率的提高，BFRC动态压缩强度的平均增长速率要高于素混凝土。因此，基于以上两点，BFRC冲击抗压强度总体上高于素混凝土。3shpb测试cfrc3.1抗压强度的比较碳纤维体积掺量分别为0.1%，0.2%，0.3%的CFRC的28d立方抗压强度分别为63.2,60.7,57.7MPa。CFRC的SHPB试验结果如表4所示。3.2纤维增强效果图3给出了CFRC的动态抗压强度、比能量吸收随平均应变率的变化情况。从图3可以看出，CFRC的动态抗压强度与冲击韧性随平均应变率的提高而近似线性增加，具有显著的应变率相关性。此外，碳纤维对混凝土具有良好的增强效果，而增韧效果不明显。随着纤维掺量的增加，碳纤维的增强效果越来越显著。当碳纤维的掺量为0.3%时，其对混凝土的增强效果最佳。4bfrc的冲击压缩强度图4为相同纤维掺量时，纤维混凝土材料冲击力学性能的对比结果。从图4可以看出：当纤维掺量为0.1%时，在20～100s–1的应变率范围内，BFRC的冲击压缩强度与韧性都优于CFRC。当纤维掺量为0.2%时，应变率低于53.7s–1时，BFRC的冲击压缩强度高于CFRC，应变率大于53.7s–1时，BFRC的冲击压缩强度低于CFRC；应变率低于60.5s–1时，BFRC的冲击压缩韧性不及CFRC，应变率大于60.5s–1时，BFRC的冲击压缩韧性优于CFRC，但与素混凝土相比，无明显改善。当纤维掺量为0.3%时，BFRC的冲击压缩强度低于CFRC；韧性与CFRC相当，但与素混凝土相比，无明显改善。基于以上对BFRC与CFRC冲击力学性能的对比分析，发现：玄武岩纤维对混凝土的增强、增韧效果明显优于碳纤维的，尤其是纤维掺量为0.1%时，玄武岩纤维的增强、增韧效果