不同摻量鋼纖維混凝土低溫動(dòng)力學(xué)性能研究

高原 張偉?張海波 劉陳?沈哲

摘要：采用SHPB試驗(yàn)裝置結(jié)合低溫恒溫循環(huán)系統(tǒng)，研究鋼纖維混凝土的低溫動(dòng)力學(xué)性能。制作了不同摻量的鋼纖維混凝土試件，分別在常溫和低溫環(huán)境中對(duì)試件進(jìn)行沖擊性能試驗(yàn)，繪制各應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。結(jié)果表明：鋼纖維的摻入對(duì)混凝土的低溫動(dòng)力學(xué)性能有顯著改善，當(dāng)鋼纖維摻量由0%增至1%時(shí)，動(dòng)強(qiáng)度提高約20%。鋼纖維摻量達(dá)到2%時(shí)，改善幅度下降，動(dòng)強(qiáng)度變化不明顯，鋼纖維的最佳摻量為1.5%。

關(guān)鍵詞：鋼纖維；SHPB；低溫；應(yīng)變

中圖分類號(hào)：TU502 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）23-0010-03

目前鋼纖維混凝土材料已廣泛應(yīng)用于各類建筑工程和防護(hù)工程。在我國(guó)北方高寒地區(qū)，分布著許多機(jī)場(chǎng)工程、飛機(jī)洞庫(kù)，這些結(jié)構(gòu)中的鋼纖維混凝土材料，除了要承受設(shè)計(jì)靜荷載、爆炸沖擊動(dòng)荷載外，往往還要承受由于溫度急劇變化帶來(lái)的溫度附加荷載，這些溫度附加荷載在設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有考慮。但是，鋼纖維混凝土材料構(gòu)件在溫度荷載和沖擊動(dòng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)抗力和強(qiáng)度會(huì)明顯降低，材料出現(xiàn)損傷，甚至破壞，影響使用壽命，給高寒地區(qū)防護(hù)工程帶來(lái)嚴(yán)重的不利影響。目前，有關(guān)溫度對(duì)混凝土及纖維混凝土材料力學(xué)性能影響規(guī)律方面的研究文獻(xiàn)資料較少，特別是在低溫和動(dòng)載共同作用下混凝土及纖維混凝土材料的力學(xué)性能及其損傷機(jī)理研究更少。因此，開(kāi)展低溫下素混凝土和鋼纖維混凝土的動(dòng)力學(xué)性能以及損傷研究，對(duì)軍事工程中混凝土和鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及使用壽命的估計(jì)極為重要，具有重要的學(xué)術(shù)和工程應(yīng)用價(jià)值。

山根昭、門佛爾等學(xué)者認(rèn)為混凝土抗壓強(qiáng)度在低溫下有提高，且溫度越低，強(qiáng)度的提高越大，靜彈性模量也是隨溫度下降而提高，但其增長(zhǎng)率比抗壓強(qiáng)度小；抗拉強(qiáng)度在低溫狀態(tài)下也有提高。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)混凝土材料SHPB試驗(yàn)是在室溫情況下進(jìn)行的，低溫下的鋼纖維混凝動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究和本構(gòu)模型研究相對(duì)較少。本次試驗(yàn)主要模擬寒區(qū)鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境下的動(dòng)力學(xué)性能變化，測(cè)試不同摻量的鋼纖維試件在-40℃情況下的動(dòng)力學(xué)性能變化。傳統(tǒng)的混凝土材料SHPB試驗(yàn)研究大多使用電阻應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)當(dāng)透射波較小時(shí)，在透射桿上貼半導(dǎo)體應(yīng)變片所測(cè)試驗(yàn)結(jié)果更為精確，且有利于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。因此本試驗(yàn)中透射桿應(yīng)變片為半導(dǎo)體應(yīng)變片。另外為了使試件在試驗(yàn)過(guò)程中始終處于穩(wěn)定的低溫狀態(tài)，在試驗(yàn)裝置中增加了低溫恒溫裝置系統(tǒng)以保持試件的溫度。

1 試驗(yàn)材料及試件制作

1.1 試驗(yàn)原材料

1.1.1 試驗(yàn)用鋼纖維選用山東路邦金屬纖維科技有限公司生產(chǎn)的銑削型鋼纖維，纖維直徑D=0.2mm，長(zhǎng)度L=10～15mm。

1.1.2 水泥采用徐州中聯(lián)水泥廠生產(chǎn)的標(biāo)號(hào)為32.5的復(fù)合硅酸鹽水泥。

1.1.3 細(xì)骨料為洗凈河沙，細(xì)度模數(shù)2.6。

1.1.4 粗骨料為洗凈連續(xù)粒級(jí)碎石，最大粒徑12mm。

1.1.5 減水劑使用山東同盛建材有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑。

1.2 試件制作

1.2.1 素混凝土試件制作。本試驗(yàn)素混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30。根據(jù)《水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG-E30-2005）中混凝土配比要求和方法，經(jīng)試配后確定本試驗(yàn)所用混凝土配合比如表1所示。

1.2.2 鋼纖維混凝土試件制作。本試驗(yàn)鋼纖維混凝土配比是在素混凝土基體強(qiáng)度上進(jìn)行設(shè)計(jì)。參照有關(guān)資料規(guī)范：每增加0.5%鋼纖維，1m3混凝土增加水8kg，砂率增加3%，其他材料在水灰比不變的條件下做相應(yīng)的變化。試驗(yàn)結(jié)合以上方法對(duì)鋼纖維混凝土的配比進(jìn)行調(diào)整，共設(shè)計(jì)了3種含量鋼纖維混凝土試件。配比如表2所示。

試件制作主要依據(jù)《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》，制作時(shí)，混凝土先用攪拌機(jī)預(yù)拌除纖維外的其他材料，然后逐漸投入鋼纖維，當(dāng)全部投完后再攪拌1分鐘，將拌和物倒入Φ74mm×34mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試模，并在振動(dòng)臺(tái)上振實(shí)后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28d。試件養(yǎng)護(hù)完成后經(jīng)磨平機(jī)磨平，以保證兩端面不平行度和不垂直度均小于0.02mm。

2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)使用空軍勤務(wù)學(xué)院材料動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室直徑為74mm的SHPB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。進(jìn)行低溫試驗(yàn)時(shí)采用自制低溫恒溫循環(huán)系統(tǒng)，主要分為低溫恒溫液浴循環(huán)裝置和低溫保溫裝置兩部分。

本試驗(yàn)將四種不同含量的鋼纖維混凝土試件（體積比分別為0%、1%、1.5%、2.0%）放入低溫交變?cè)囼?yàn)箱，降溫至-40℃并保持24h后，取出試件進(jìn)行低溫動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表3所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

本試驗(yàn)在低溫狀態(tài)（-40℃），對(duì)素混凝土以及3種不同摻量的鋼纖維混凝土在3個(gè)應(yīng)變率等級(jí)下，各進(jìn)行3組SHPB沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

在表4數(shù)據(jù)可以看到，低溫環(huán)境下，鋼纖維摻量從0%提高到1%時(shí)，峰值應(yīng)力沒(méi)有明顯變化，且當(dāng)氣壓為0.6MPa，應(yīng)變率提高至80s-1時(shí)，鋼纖維混凝土較素混凝的動(dòng)強(qiáng)度反而略有下降，這可能是由于，低摻量的鋼纖維取代水泥基材后，增加了混凝土的空隙率，試件整體性能受到損失，鋼纖維的增強(qiáng)效果尚不足以彌補(bǔ)這一損失，試件的動(dòng)強(qiáng)度下降。

當(dāng)鋼纖維體積率增長(zhǎng)至1.5%時(shí)，試件峰值應(yīng)力在不同應(yīng)變率下分別增至78.43MPa、85.91MPa、87.36MPa，相對(duì)素混凝土動(dòng)強(qiáng)度提高了19.52%、18.96%、17.04%?？梢?jiàn)，在（0～1.5%）范圍內(nèi)，鋼纖維摻量與動(dòng)強(qiáng)度提高呈正相關(guān)，動(dòng)強(qiáng)度隨纖維摻量的提高而上升，且上升幅度明顯。因此，為提高混凝土的動(dòng)強(qiáng)度而摻入適量的鋼纖維十分必要、有效。

圖1 -40℃鋼纖維混凝土動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變曲線

鋼纖維體積率為2.0%的試件相對(duì)鋼纖維體積率為1.5%的試件動(dòng)強(qiáng)度增加很少，出現(xiàn)上述情況是因?yàn)楫?dāng)鋼纖維含量增大到一定程度后，在混凝土攪拌工程中，鋼纖維容易結(jié)團(tuán)。而鋼纖維長(zhǎng)度增大，這種現(xiàn)象更加明顯，會(huì)造成混凝土基體的孔隙率增多，導(dǎo)致鋼纖維與混凝土基體之間的界面粘結(jié)力下降。如果繼續(xù)提高鋼纖維的摻量可能會(huì)導(dǎo)致試件的動(dòng)強(qiáng)度下降。因此，鋼纖維混凝土的增強(qiáng)作用，除了取決于鋼纖維體積率外，還取決于鋼纖維成型工藝、基體間的界面粘結(jié)系數(shù)等因素。片面地加大鋼纖維摻量，不能充分發(fā)揮鋼纖維的增強(qiáng)效果。根據(jù)上述結(jié)論，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益因素，在工程中可以選擇1.5%作為鋼纖維混凝土的最佳摻量。

通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理，得到其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。由圖1可以看出，在-40℃的環(huán)境下鋼纖維混凝土材料是應(yīng)變率敏感材料，對(duì)于各摻量的鋼纖維試件來(lái)說(shuō)，其動(dòng)彈性模量和峰值應(yīng)力均隨應(yīng)變率的增大而呈增大趨勢(shì)。平均應(yīng)變率的變化主要由氣壓變化引起。以鋼纖維含量1%為例，氣壓由0.3提高到0.4，平均應(yīng)變率提高31%，而此時(shí)峰值應(yīng)力隨之提高4MPa。而氣壓提高0.6后，平均應(yīng)變率提高20.3%，增幅減緩，但峰值應(yīng)力仍提高了7MPa，這說(shuō)明低溫環(huán)境中，應(yīng)力應(yīng)變兩者關(guān)系不是線性的，在接近應(yīng)力峰值區(qū)域，應(yīng)變率提高，應(yīng)力變化加速。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）鋼纖維的加入對(duì)混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能有較大的提升。鋼纖維摻量增加，混凝土的峰值應(yīng)力和動(dòng)彈模量也隨之提高。鋼纖維摻量在0%～1%區(qū)間時(shí)，混凝土應(yīng)力峰值增長(zhǎng)幅度明顯，動(dòng)強(qiáng)度提高了約20%。

（2）當(dāng)鋼纖維的摻量增長(zhǎng)至1.5%時(shí)，峰值應(yīng)力提高20%，動(dòng)強(qiáng)度顯著改善；繼續(xù)提高鋼纖維的摻量至2.0%時(shí)，混凝土的動(dòng)強(qiáng)度雖然有所增強(qiáng)，但比較1.5%摻量時(shí)，增強(qiáng)效果不明顯。在工程中可以選擇1.5%作為鋼纖維混凝土的最佳摻量。

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作者簡(jiǎn)介：高原（1989—），男，空軍勤務(wù)學(xué)院學(xué)員二隊(duì)碩士研究生，研究方向：作戰(zhàn)工程保障；張偉（1969—），男，空軍勤務(wù)學(xué)院機(jī)場(chǎng)工程與保障系教授，博士，研究方向：作戰(zhàn)工程保障。