大摻量粉煤灰超高性能鋼纖維混凝土的靜動態(tài)力學行為

劉建忠，孫 偉，繆昌文，劉加平，崔 鞏，呂 進，張倩倩

(1.江蘇省建筑科學研究院有限公司高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇南京210008;2.東南大學江蘇省土木工程材料重點實驗室，江蘇南京211189)

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類的生存空間日趨受到擠壓，正逐步向高空、地下、海洋等推進，混凝土結(jié)構(gòu)正向高層、地下、深海、大跨方向發(fā)展;同時，也應當注意到，具有戰(zhàn)略意義的軍事工程和重要民用建筑也將可能面臨更加嚴峻的常規(guī)武器精確打擊和恐怖爆炸襲擊以及偶然性沖擊爆炸事件的威脅.傳統(tǒng)混凝土已不能滿足上述發(fā)展的要求，研發(fā)性能更加優(yōu)異的超高性能混凝土已成為混凝土技術(shù)發(fā)展的重要方向［1－3］.

筆者先前采用工程中易得的原材料和常規(guī)的攪拌工藝，研制出了粉煤灰質(zhì)量摻量達50%、28 d抗壓強度大于100 MPa，并具有良好的流動性和韌性的大摻量粉煤灰超高性能鋼纖維增強混凝土［4］.這里在上述基礎上系統(tǒng)研究了4種不同鋼纖維摻量(體積摻量分別為 0.0%，1.0%，1.5%，2.0%)的大摻量粉煤灰超高性能混凝土的單軸壓縮強度、彈性模量、單軸抗拉強度、彎曲韌性、斷裂韌性、斷裂能等靜態(tài)力學行為，以及高速沖擊壓縮作用下的應力波傳播規(guī)律、應力–應變曲線和破壞特征等動態(tài)力學行為，可為大摻量粉煤灰超高性能鋼纖維增強混凝土在民用、軍事等工程中的應用提供技術(shù)支撐和依據(jù).

1 試驗過程

1.1 原材料

1)膠凝材料:京陽P·II52.5水泥，28 d抗折和抗壓強度分別為9.87 MPa和60.1 MPa;南京熱電廠I級粉煤灰;上海產(chǎn)硅灰.3種膠凝材料化學成分見表1.

表1 膠凝材料的化學組成 %

2)集料:潔凈的中砂和玄武巖碎石.用于靜態(tài)力學性能試驗的碎石由5～10 mm和10～20 mm兩種粒徑組成，按體積比4∶6比例混合使用;用于動態(tài)力學性能試驗的碎石粒徑為5～10 mm.

3)外加劑:江蘇博特新材料有限公司研制與生產(chǎn)的PCAR－Ⅶ聚羧酸高效減水劑，液態(tài)，固含量為30%.

4)鋼纖維:端部扁平的圓直鋼纖維，長度20 mm，直徑0.4 mm，抗拉強度大于1 100 MPa.

1.2 配合比

試驗用混凝土配合比見表2，主要考察纖維摻量(體積摻量分別為 0%，1.0%，1.5%，2.0%)對大摻量粉煤灰超高性能混凝土靜動態(tài)力學行為的影響規(guī)律.

表2 試驗用混凝土配合比

1.3 試件準備

1)混凝土攪拌:將稱好的碎石、砂、水泥、硅灰、粉煤灰和礦粉按先后順序倒入攪拌鍋內(nèi)，干拌10 s，然后同時加入水和外加劑;當混凝土呈現(xiàn)流態(tài)時，將鋼纖維以人工方式灑入攪拌鍋內(nèi)，再攪拌90 s.混凝土攪拌采用60 L臥式攪拌機，攪拌機的葉片轉(zhuǎn)速為45 r/min.

2)沖擊壓縮試驗用試件成型與加工:將外徑為75 mm(內(nèi)徑為72 mm)的PVC管切割成約300 mm長度，并用管帽將切割好的PVC管的一端密封.開啟混凝土振動臺，將一端密封好的PVC管立于混凝土振動臺上，邊振動邊往PVC管內(nèi)裝入混凝土，以使混凝土成型、密實.從養(yǎng)護室取出養(yǎng)護至所需齡期的混凝土試件.將300 mm長的試件切割成約40 mm厚，送到專業(yè)打磨混凝土試件的工廠進行打磨，以保證混凝土表面平整度小于0.02 mm，加工完試件的尺寸為38 mm±1 mm，即用于沖擊壓縮試驗的試件規(guī)格為φ72 mm×38 mm.

1.4 試驗方法

參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)進行軸心抗壓強度和彈性模量測試，試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm.

參照《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)進行軸心抗拉強度的測試，試件尺寸為100 mm×100 mm×500 mm，在試件兩端預埋直徑20 mm且在靠近端部50 mm處均勻地焊有4根等距細鋼筋(用于減輕拉伸過程中的應力集中)的螺紋鋼，其埋入試件內(nèi)的深度為125 mm.試驗前，在試件兩端黏貼鋼板，避免試件端部拉斷;同時，在軸拉試件的兩端設計了兩個球面裝置，用于避免試件在受拉過程中出現(xiàn)偏心現(xiàn)象.

參照ASTM C1018—98規(guī)范進行彎曲性能試驗，用三分點加載梁進行試驗，跨度為300 mm，所用試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm.采用閉環(huán)液壓伺服試驗機進行加載，按照恒位移控制方法加載，位移速率為0.05 mm/min，并自動采集數(shù)據(jù)，得到荷載－撓度全曲線.采用ASTM C1018—98的韌性指數(shù)法分析曲線數(shù)據(jù)，定義出現(xiàn)第1條裂縫時梁對應的跨中撓度為δ，分別選用初裂點撓度值δ的倍數(shù)作為測點撓度，即 3.0δ，5.5δ，10.5δ，如圖 1 所示.圖中 3.0δ，5.5δ，10.5δ處曲線所包圍的面積與 δ處曲線所包圍的面積之比來表征彎曲韌性指數(shù)，分別用I5，I10和I20來表示;殘余強度指標用R來表示，有 R5，10和 R10，20兩個指標，來表示材料的塑性性能.具體的表達式分別見式(1)—(5).

圖1 韌性指標計算示意圖

參照《水工混凝土斷裂試驗規(guī)程》(DL/T 5332—2005)［5］，采用楔入劈拉法來研究混凝土的斷裂性能.試件尺寸L×h×t=200 mm×170 mm×100 mm，相對裂縫切口深度a0/h=0.5，具體尺寸如圖2(a)所示;裂縫由埋入1.5 mm厚的鋼片預制而成，鋼片端部磨成刀刃狀.試驗加載裝置與受力示意圖如圖2(b)所示，在600 kN液壓伺服試驗機下進行加載，自動采集裂縫口的張開位移CMOD和荷載.在預制裂縫的側(cè)面貼有4個應變片，以監(jiān)測混凝土裂縫穩(wěn)定擴展及失穩(wěn)斷裂的過程.

試驗采用分離式Hopkinson桿試驗裝置，示意圖如圖3所示.該裝置由高壓氣槍、子彈、入射桿、透射桿、阻尼器，以及測速器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成.子彈、入射桿和透射桿的直徑均為75 mm，子彈長度為500 mm，入射桿長度為5.5 m，透射桿長度為3.5 m.在距入射桿打擊端2 755 mm處和距透射桿打擊端1 330 mm處各貼一組應變片(由對稱的兩個應變片組成)，桿的應變用兩片試驗結(jié)果的平均值來表示.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 大摻量粉煤灰超高性能鋼纖維混凝土的靜態(tài)力學行為

2.1.1 單軸壓縮性能

測試了4組大摻量粉煤灰超高性能混凝土單軸壓縮情況下的軸心抗壓強度和彈性模量，結(jié)果分別如圖4和圖5所示.從試驗結(jié)果可以看出，隨著鋼纖維摻量的增加，大摻量粉煤灰超高性能混凝土的軸心抗壓強度和彈性模量均略有增大，且增幅均在10%以內(nèi).2.0%鋼纖維摻量相對于1.5%鋼纖維摻量混凝土的彈性模量略有降低.

圖4 混凝土28 d軸心抗壓強度

圖5 混凝土28 d彈性模量

2.1.2 單軸拉伸性能

測試了4組大摻量粉煤灰超高性能混凝土28 d軸心抗拉強度，同時研究了鋼纖維摻量Vsf為2.0%的H103混凝土抗拉強度隨時間的變化規(guī)律(7，28，60，90 d)，測試結(jié)果分別如圖6和圖7所示.從試驗結(jié)果可以看出，不摻鋼纖維的H100混凝土在拉伸過程中表現(xiàn)出明顯的彈性變形，拉伸過程中發(fā)生脆性斷裂，而摻入1.0%，1.5%，2.0%的鋼纖維混凝土在拉伸過程中表現(xiàn)出塑性變形，發(fā)生塑性斷裂.摻入1.0%和2.0%的鋼纖維混凝土28 d抗拉強度分別提高了13%和18%.對于鋼纖纖摻量為2.0%的H103混凝土，其抗拉強度隨著齡期的增長逐漸增加，7，60，90 d的抗拉強度分別為28 d抗拉強度的81%，110%，119%，這可能與摻入了大量的粉煤灰摻合料，對混凝土后期強度貢獻較大有關(guān).

2.1.3 彎曲性能

1)荷載–撓度曲線

4組不同鋼纖維體積摻量的混凝土的彎曲荷載–撓度曲線，如圖8所示.從試驗結(jié)果可以看出:隨鋼纖維體積摻量的增大，彎曲荷載－撓度曲線逐漸飽滿，曲線下方與x軸所圍成的包絡面積大幅度增加.

圖8 混凝土荷載－撓度全曲線

2)初裂強度與極限強度

根據(jù)測試結(jié)果，取P－δ曲線上由線性轉(zhuǎn)向非線性時對應的點為初裂點.各配比混凝土具體的初裂點和極限強度如圖9所示，其中不摻鋼纖維混凝土的初裂載荷與極限荷載一樣;隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的初裂強度和極限強度均有顯著的提高;在混凝土中摻入1.0%，1.5%，2.0%的鋼纖維，混凝土的初裂抗彎強度分別提高了5.1%，13.4%，18.5%，極限抗彎強度分別提高了 10.3%，37.0%，51.2%.

圖9 混凝土的初裂和極限強度

3)韌性指數(shù)與殘余強度

按照式(1)—(5)計算出了韌性指數(shù)(I5，I10和I20)和殘余強度(R5，10和 R10，20)，分別如圖 10 和圖11所示.

從試驗結(jié)果可以得出:

與不摻鋼纖維的H100混凝土相比，摻入鋼纖維，混凝土韌性指數(shù)大幅度提高，且隨著體積摻量的增加，其增韌效果越來越顯著.摻量為1.0%的H101 混凝土，其 I5，I10，I20分別為 8.5，14.8，22.0;摻量為 1.5%的 H102 混凝土，其 I5，I10，I20分別為10.0，20.1，32.0;摻量為 2.0% 的 H103 混凝土，其I5，I10，I20分別為 10.9，21.2，29.7.

與不摻鋼纖維的H100混凝土相比，鋼纖維的摻入，混凝土的殘余強度隨著鋼纖維體積分數(shù)的增加而增大.鋼纖維體積摻量為1.0%，1.5%和2.0%的混凝土，其殘余強度 R5，10分別為 126.4，200.9 和206.8，殘余強度 R10，20分別為 71.0，119.7 和 84.9.

2.1.4 斷裂性能

1)P－CMOD曲線

對圖2(b)的加載過程，進行受力分析可得式中mg為夾具自重，約為0.06 kN.

根據(jù)式(6)可利用PV－CMOD曲線，求得PHCMOD曲線，具體結(jié)果如圖12所示.由試驗結(jié)果可以看出:加入鋼纖維后，混凝土承受的最大荷載和曲線的豐滿度有了很大的提高，而且隨著鋼纖維摻量的增加而增大.

圖12 PH－CMOD曲線

2)斷裂韌性

雙支座楔入劈拉試件可以忽略水平分力P'H的影響，直接采用緊湊拉伸法K1C的表達式［5］:

式中:PHmax為最大水平載荷，以 PH=(PV+mg)/(2tanα)計算;t為試件厚度;h為試件高度;α0為預制裂縫長度.

通過式(7)可以得出不同纖維體積分數(shù)下大摻量粉煤灰超高性能混凝土的斷裂韌度，計算結(jié)果見表3.由表3可知，在大摻量粉煤灰超高性能混凝土中摻入鋼纖維，混凝土的斷裂韌性明顯提高，而且體積分數(shù)越大，增加的幅度就越大.與不摻纖維的基準混凝土 H100相比，摻入體積分數(shù)1.0%，1.5%，2.0%的鋼纖維，混凝土的斷裂韌度分別提高了2.72，3.06，3.53 倍.

表3 楔入劈拉試驗結(jié)果

3)斷裂能

試件從起裂到破壞全過程中裂縫擴展所消耗的平均能量，即為斷裂能GF.在試驗中，由于荷載–變形曲線下降段的后部變化非常緩慢，所以要盡可能取荷載為零時作為試驗結(jié)束的依據(jù).但由于受試驗中采用的位移傳感器最大量程的限制，沒能采集到荷載為0時的位移，故本試驗采取了簡化的方法，直接計算圖12中PH－CMOD曲線所圍起的面積作為斷裂能.這對于計算不摻鋼纖維的混凝土而言，可以準確計算，但對于摻鋼纖維的混凝土來說，計算結(jié)果是偏保守的，即低估了摻鋼纖維混凝土的斷裂能.簡要計算后的斷裂能見表3.從計算結(jié)果可以看出，在大摻量粉煤灰超高性能混凝土中摻入鋼纖維，混凝土的斷裂能明顯提高.摻入體積分數(shù)1.0%，1.5%和2.0%的鋼纖維，混凝土的斷裂能分別提高了11.1，12.4，16.3 倍.

2.2 大摻量粉煤灰超高性能鋼纖維混凝土的動態(tài)力學行為

2.2.1 沖擊壓縮試驗波形

通過調(diào)節(jié)高壓氮氣氣壓，可獲得不同的子彈速度;同時，在入射桿子彈撞擊端黏貼一定厚度的薄片作為脈沖整形器，減少波形彌散［6］，實現(xiàn)對試件受載應變率的控制.由于氣壓控制的精度并不是很高，而且即使是相同的氣壓，子彈的速度也可能會有差異，因此試驗過程中子彈速度只能控制在一定范圍內(nèi)，也即只能將應變率控制在相近的程度.試驗過程中，選擇了 6 種氣壓值，分別為 0.25，0.30，0.35，0.40，0.45，0.50，0.55，0.60 MPa，所對應的子彈速度約為4.5，6.5，7.8，9.0，9.8，11.0 m/s.圖13 給出了4組超高性能混凝土在不同子彈速度下的沖擊壓縮試驗波形(圖中P25表示氣壓為0.25 MPa，以此類推).

從圖13沖擊壓縮試驗波形可以看出:

1)隨著氣壓的增加，子彈速度逐漸增加，入射波、反射波和透射波強度均顯著提高.根據(jù)一維應力波理論［7］，試件所受應力與透射波強度成正比，試件應變與反射波下的面積成正比，因此隨著子彈速度的提高，試件所承受的應力和應變也顯著提高.

2)對于不同纖維摻量的超高性能混凝土，在相同子彈速度下，入射波、反射波和透射波的強度和波形均比較接近，只是透射波下的面積有所差異，即隨著纖維摻量的增加，試件的透射波下的面積略有增大，在沖擊過程中更易于吸收能量，具有更高的消耗能量和抵抗沖擊的能力.

圖13 大摻量粉煤灰超高性能混凝土沖擊壓縮試驗波形

2.2.2 沖擊壓縮應力–應變曲線

圖14給出了大摻量粉煤灰超高性能混凝土在不同應變率下沖擊壓縮應力–應變曲線，可以看出.

1)大摻量粉煤灰超高性能鋼纖維混凝土均具有明顯的應變率效應，隨著子彈速度的提高和應變率的增加，混凝土峰值應力明顯增大.

2)在靜態(tài)試驗中，鋼纖維對混凝土強度的增強效應較為明顯，但隨著應變率的增加，這種增強效果開始削弱.這可從靜態(tài)和動態(tài)應力作用下混凝土材料的損傷演化方式不同來解釋.在準靜態(tài)荷載作用下，混凝土存在明顯的主裂紋萌生、沿薄弱區(qū)域擴展的損傷演化過程，鋼纖維橫跨裂縫可以起到很好的抑制裂縫擴展的作用，即起到阻裂作用，可保持或提高試件的承載力.然而，在高應變率的沖擊壓縮荷載作用下，混凝土會迅速產(chǎn)生大量的微裂紋并在各自區(qū)域內(nèi)同時擴展，鋼纖維還來不及起作用，試件就已經(jīng)產(chǎn)生了大量的損傷，承載能力開始下降，增強效果有限.

3)鋼纖維對大摻量粉煤灰超高性能混凝土具有明顯的增韌作用.隨著鋼纖維用量的增加，動態(tài)應力–應變曲線的峰值增大.鋼纖維對沖擊壓縮應力–應變曲線上升段影響較小，但卻隨著鋼纖維用量的增加下降段趨緩，應力–應變曲線下的面積也逐漸增大，大摻量粉煤灰超高性能混凝土呈現(xiàn)出隨鋼纖維用量的增大，韌性增加、脆性降低的趨勢.

2.2.3 沖擊壓縮試驗的破壞形態(tài)

圖15給出了4組大摻量粉煤灰超高性能混凝土不同應變率下沖擊壓縮的破壞形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn).

1)隨著應變率的增大，試件的破壞逐漸加劇，當應變率達到一定值后，試件會發(fā)生整體式的破碎.在應變率閾值以下，試件均未見損傷，但當應變率達到某一閾值時，試件就會開始出現(xiàn)裂縫，當應變率繼續(xù)提高，試件有可能達到整體式的崩碎.對于不同纖維摻量的試件，閾值的大小不一樣，且隨著鋼纖維摻量的增大，呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢.

2)在相近應變率條件下，摻鋼纖維試件的破壞程度都要比未摻鋼纖維試件輕得多，未摻鋼纖維試件碎成了一堆殘渣，形成大量碎片，而摻鋼纖維試件雖然開裂，但還能夠保持整體性，即裂而不散.這對降低爆炸和侵徹作用下工程的破壞程度、避免碎塊 對人員和設備的二次沖擊傷害非常重要.

3 結(jié)語

1)在大摻量粉煤灰超高性能混凝土中摻入鋼纖維，軸心抗壓強度、彈性模量和抗拉強度略有增大，彎曲和斷裂性能得到明顯改善，韌性指數(shù)、殘余強度、斷裂韌度和斷裂能均成倍提高.

2)在高速沖擊壓縮作用下，鋼纖維摻入大摻量粉煤灰超高性能混凝土中，未能改變應力波的傳播規(guī)律和應變率效應程度，但卻改變了應力－應變曲線下降段的形式和試件破壞的形態(tài)，促使試件破壞的應變率閾值增大并呈現(xiàn)裂而不散的破壞特征.

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