郝逸飛,郝 洪
(1. 科廷大學(xué)土木與機(jī)械工程學(xué)院,Bentley WA 6102;2. 天津大學(xué)-科廷大學(xué)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與防護(hù)聯(lián)合研究中心,天津300072)
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螺旋鋼纖維混凝土抗沖擊試驗(yàn)分析
郝逸飛1 2,郝 洪1 2
(1. 科廷大學(xué)土木與機(jī)械工程學(xué)院,Bentley WA 6102;2. 天津大學(xué)-科廷大學(xué)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與防護(hù)聯(lián)合研究中心,天津300072)
摘要:大量研究表明在混凝土中加入鋼纖維可顯著增強(qiáng)混凝土的延展性與抗拉強(qiáng)度,從而可提高混凝土建筑的抗爆抗沖擊性能. 目前在施工作業(yè)中普遍應(yīng)用的是直鋼纖維或鉤尾鋼纖維. 上述種類的鋼纖維只能在混凝土基體中提供二維平面黏結(jié),在混凝土構(gòu)件受力開裂下極其容易發(fā)生鋼纖維與混凝土脫離的情況,從而限制了鋼纖維提高混凝土建筑抗爆抗沖擊性能的有效性. 本文針對(duì)建筑的抗爆抗沖擊安全需求設(shè)計(jì)開發(fā)了螺旋鋼纖維混凝土建筑材料,并開展了分離式霍普金森桿(SHPB)和落錘試驗(yàn),對(duì)材料與梁構(gòu)件在高速?zèng)_擊下的響應(yīng)進(jìn)行了研究. 結(jié)果表明,與傳統(tǒng)鋼纖維相比,螺旋鋼纖維可有效控制混凝土開裂,對(duì)提高防護(hù)建筑抗爆抗沖擊性能有著極大的貢獻(xiàn).
關(guān)鍵詞:螺旋鋼纖維;混凝土;高應(yīng)變率;抗爆抗沖擊
大量試驗(yàn)研究表明,在混凝土中加入離散的短鋼纖維可明顯增強(qiáng)混凝土的抗拉強(qiáng)度、延展性及抗沖擊性能[1-3].因此,鋼纖維混凝土(steel fiber reinforced concrete,SFRC)復(fù)合材料被越來越多地用來建造高層、大跨及防護(hù)建筑.防護(hù)工程要承受可能的沖擊與爆炸作用,設(shè)計(jì)者需要了解SFRC材料在動(dòng)載作用下的性能.國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者通過考慮不同形狀的鋼纖維,對(duì)SFRC材料的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了大量研究.Lok等[4]采用分離式霍普金森桿(split Hopkinson pressure bar,SHPB)裝置進(jìn)行了鉤尾(hooked-end)SFRC材料的動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果表明,盡管鉤尾鋼纖維可顯著增強(qiáng)混凝土試件峰后延展性,但當(dāng)應(yīng)變率超過50 s-1時(shí),由于鋼纖維與混凝土基體的脫離,相對(duì)于素混凝土材料,SFRC材料的抗沖擊性能提高程度十分有限.另有試驗(yàn)表明,鋼纖維的形狀與長(zhǎng)度都對(duì)SFRC的抗爆抗沖擊性能有著重要影響[5-6].
值得注意的是,無(wú)論在實(shí)際工程應(yīng)用還是實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中,目前普遍采用的是直(straight)鋼纖維或鉤尾鋼纖維[5-7].此類鋼纖維只能在二維平面的一個(gè)或兩個(gè)方向上為混凝土基體提供黏結(jié),在高速?zèng)_擊下極易導(dǎo)致鋼纖維與混凝土基體脫離現(xiàn)象的發(fā)生.因此,改進(jìn)鋼纖維的形狀,以提高鋼纖維與混凝土基體之間的錨固與摩擦黏結(jié),可直接有效地增強(qiáng)SFRC的抗爆抗沖擊性能.
螺旋形鋼纖維的幾何形態(tài)簡(jiǎn)單,易于加工制作;同時(shí)因其與混凝土基體存在三維接觸,可極大增強(qiáng)鋼纖維與混凝土基體的黏結(jié)力,進(jìn)而減少鋼纖維與混凝土基體脫離情況的發(fā)生,顯著增強(qiáng)SFRC的抗爆抗沖擊性能.鑒于此,本文提出了螺旋鋼纖維的概念,并對(duì)螺旋SFRC材料進(jìn)行了靜力與動(dòng)力沖擊加載的試驗(yàn)研究.試驗(yàn)中設(shè)置了鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1% 的鉤尾SFRC、螺旋SFRC以及不含鋼纖維的素混凝土圓柱試件,利用液壓伺服剛性壓力機(jī)測(cè)試試件在靜態(tài)單軸壓縮及劈裂下的力學(xué)性能;同時(shí)利用SHPB裝置,對(duì)SFRC試件進(jìn)行沖擊試驗(yàn)以測(cè)試在動(dòng)態(tài)荷載下的材料屬性;此外,制作了SFRC梁試件,開展了落錘沖擊荷載下SFRC梁的抗彎試驗(yàn),證實(shí)了螺旋鋼纖維對(duì)增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)抗爆抗沖擊性能的有效性.
分別采用鉤尾鋼纖維與螺旋鋼纖維(見圖1)制作SFRC試件.鋼纖維長(zhǎng)徑比均為50.鋼纖維參數(shù)如表1所示.
圖1 鉤尾鋼纖維及螺旋鋼纖維Fig.1 Hooked-end steel fiber and spiral steel fiber
素混凝土及鋼纖維混凝土試件的配比如表2所示.
表1 鋼纖維參數(shù)Tab.1 Specifications of steel fibers
表2 試件配比Tab.2 Mixture proportions
試件形狀為φ100 mm×200 mm圓柱體.制作試件的材料分別為素混凝土、鉤尾SFRC和螺旋SFRC.按照美國(guó)測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)(ASTM)[8]的要求進(jìn)行測(cè)試.準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)采用INSTRON1196試驗(yàn)機(jī)開展,加載速度為0.2 mm/min.
2.1單軸壓縮試驗(yàn)
通過單軸壓縮試驗(yàn)得到各試件軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖2所示.可以看出添加鋼纖維與否對(duì)試件的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度并無(wú)明顯影響.其次,有別于素混凝土在抵達(dá)峰值應(yīng)力后完全破壞的表現(xiàn),SFRC試件在峰后仍有大約10 mPa的殘余強(qiáng)度,并表現(xiàn)出了極強(qiáng)的延展性.不同鋼纖維形狀對(duì)SFRC試件的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線無(wú)明顯影響.
圖2 單軸壓縮試驗(yàn)下各試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of plain concrete and SFRC specimens under uniaxial compression
2.2劈裂試驗(yàn)
劈裂試驗(yàn)設(shè)置如圖3所示.試件兩側(cè)分別設(shè)置線性可變差動(dòng)變壓器(linear variable differential transducer,LVDT),即直線位移傳感器,用以測(cè)量試件在劈裂過程中的裂紋開口(crack opening displacement,COD).試件的抗拉強(qiáng)度為[9]
式中:P為試件的豎向承載力;L為試件的長(zhǎng)度;D為試件的直徑;b為承載木條寬度.
在劈裂試驗(yàn)中得出的素混凝土與SFRC試件典型應(yīng)力-COD曲線如圖4所示.
圖3 劈裂試驗(yàn)設(shè)置Fig.3 Split tensile test setup
圖4 劈裂試驗(yàn)下試件的應(yīng)力-COD曲線Fig.4 Stress-COD curves of plain concrete and SFRC specimens under split tension
從圖4可以看出,素混凝土試件在達(dá)到峰值應(yīng)力(2.3 mPa)的瞬間發(fā)生完全斷裂,因此沒有任何的峰后數(shù)據(jù).而相對(duì)于素混凝土試件,加入體積分?jǐn)?shù)為1% 鋼纖維的試件不僅抗拉強(qiáng)度顯著增強(qiáng),而且其在達(dá)到峰值強(qiáng)度并開裂后的殘余強(qiáng)度與延展性均有顯著提高,由此證明了SFRC的耗能能力.采用不同形狀鋼纖維的SFRC試件應(yīng)力-COD曲線的對(duì)比結(jié)果表明,相對(duì)于鉤尾鋼纖維,螺旋鋼纖維能夠增強(qiáng)SFRC材料的抗拉強(qiáng)度和峰后殘余強(qiáng)度,因此,螺旋鋼纖維對(duì)于增強(qiáng)SFRC試件的裂紋可控性及延展性具有明顯的優(yōu)越性.
為了研究SFRC材料的動(dòng)態(tài)特性,利用SHPB裝置開展了動(dòng)態(tài)單軸壓縮及劈裂試驗(yàn).試件形狀為φ75 mm×37.5 mm圓柱體.試驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖5所示.試驗(yàn)采用漸縮形沖擊桿,可以產(chǎn)生近似半正弦形狀的入射波,從而避免了因壓力桿直徑較大而導(dǎo)致的波的震蕩和彌散現(xiàn)象.分別采用素混凝土、鉤尾SFRC和螺旋SFRC制作試件.不銹鋼桿件材料的參數(shù)為:彈性模量200 GPa,密度7 800 kg/m3,彈性波速5 064 m/s,泊松比0.3.
圖5 SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)布置Fig.5 SHPB test system setup
典型的SHPB單軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力波如圖6所示.
圖6 典型SHPB單軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力波Fig.6 Typical stress waves in SHPB uniaxial compression tests
3.1動(dòng)態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)
基于試件軸向受力平衡和一維波理論,計(jì)算試件的應(yīng)力、應(yīng)變率與應(yīng)變分別為[10]
式中:E、A、C0分別為壓力桿的彈性模量、截面面積和彈性波速;As分別為試件的截面面積;εT和εR為所測(cè)透射與反射應(yīng)變.
眾所周知,以砂漿為基體的材料往往具有應(yīng)變率效應(yīng),即其在高速?zèng)_擊下的強(qiáng)度通常高于靜態(tài)強(qiáng)度.目前普遍采用動(dòng)力放大因子(dynamic increase factor,DIF),即不同應(yīng)變率下動(dòng)態(tài)強(qiáng)度與靜態(tài)強(qiáng)度的比值,來描述材料的應(yīng)變率效應(yīng).通過SHPB沖擊試驗(yàn),得到了在不同應(yīng)變率下試件的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度,結(jié)合試件的靜態(tài)強(qiáng)度,可得出不同材料的DIF取值,如圖7所示.可以得出,所有材料均體現(xiàn)了應(yīng)變率效應(yīng).其中螺旋SFRC的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變率的敏感度最高,而鉤尾SFRC的應(yīng)變率敏感度與素混凝土相似,因此,在高速?zèng)_擊作用下相對(duì)于鉤尾SFRC,螺旋SFRC材料具備更好的抗沖擊性能.
圖7 動(dòng)態(tài)抗壓DIF的比較Fig.7 Comparison of dynamic compressive DIFs
3.2動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn)
利用SHPB開展動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn),將試件縱向與壓力桿縱向保持垂直,試驗(yàn)設(shè)置如圖8所示.
圖8 SHPB動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn)設(shè)置Fig.8 Dynamic split tensile test setup in SHPB
假定試件的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度f(wàn)td與最大透射波成正比[11],則有
式中:PT為透射力;R為壓力桿的半徑;Tσ為透射應(yīng)力波.
相應(yīng)的加載率與應(yīng)變率為
式中Δt為透射波從零到峰值的時(shí)間間隔.
通過SHPB試驗(yàn)所測(cè)得試件在動(dòng)態(tài)劈裂下的DIF如圖9所示.
圖9 動(dòng)態(tài)劈裂抗拉DIF的比較Fig.9 Comparison of dynamic split tensile DIFs
由圖9可以觀察到與動(dòng)態(tài)抗壓試驗(yàn)類似的現(xiàn)象,即所有材料在動(dòng)態(tài)劈裂作用下都體現(xiàn)了應(yīng)變率效應(yīng),并且螺旋SFRC的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變率的敏感度最高,證明了在高速?zèng)_擊下,螺旋SFRC相較于鉤尾SFRC具有抗沖擊性能優(yōu)勢(shì).
在以上關(guān)于材料的靜、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上,開展了梁構(gòu)件在落錘沖擊下的抗彎試驗(yàn)以檢驗(yàn)其響應(yīng).試件形狀設(shè)置為100 mm×100 mm×350 mm的長(zhǎng)方體,分別采用鉤尾鋼纖維及螺旋鋼纖維.落錘試驗(yàn)設(shè)置如圖10所示,落錘為15.2 kg鐵塊.將落錘吊起至距離試件一定高度時(shí),釋放卡鉤,落錘以自由落體運(yùn)動(dòng)沖擊目標(biāo).在試件上表面與鐵架之間塞入泡沫塑料以減小試件在沖擊力施加后的回彈,并在試件中間位置放置底端為半圓形的鐵氈,將沖擊力轉(zhuǎn)換為點(diǎn)力形式.兩個(gè)固定在地面的測(cè)力計(jì)中心距離為300 mm,在測(cè)力計(jì)上方放置鐵滾軸,因此可將試件視為跨度300 mm的簡(jiǎn)支梁.使用LVDT測(cè)量試件的跨中豎向位移.
圖10 落錘試驗(yàn)設(shè)置Fig.10 Drop-weight test setup
落錘高度為0.5 m,重復(fù)沖擊試件直至完全斷裂.歷次沖擊下鉤尾SFRC和螺旋SFRC試件的沖擊力-跨中位移關(guān)系曲線比較如圖11所示.
圖11 不同試件的沖擊力-跨中位移曲線的比較Fig.11 Comparison of load-midspan displacement curvesof different specimens
通過圖11的比較可以看出,在前兩次沖擊作用下,鉤尾SFRC與螺旋SFRC試件的力-位移曲線相似;相較于鉤尾SFRC試件在第2次沖擊后完全破壞的情況,螺旋SFRC試件能夠承受多一次的沖擊,考慮到保護(hù)試件下面的位移傳感器,并未進(jìn)行第4次沖擊;相較于鉤尾SFRC試件的最大跨中位移(約17 mm),螺旋SFRC試件的最大跨中位移約為30 mm,具有更強(qiáng)的變形能力.試件的破壞情況如圖12所示:鉤尾SFRC在第2次沖擊后完全破壞為兩截,斷裂部分完全分離;螺旋SFRC在經(jīng)歷第3次沖擊后,斷裂部分仍有鋼纖維與混凝土緊密黏結(jié).因此,螺旋SFRC在吸能及抗沖擊性能方面的優(yōu)勢(shì)極為明顯.
圖12 試件破壞情況Fig.12 Damage patterns of specimens
鋼纖維越長(zhǎng),在試件內(nèi)的份額越多,其所能提供的力學(xué)性能更優(yōu)越.然而當(dāng)鋼纖維的尺度與份額超過一定范圍,鋼纖維混凝土的易和性大大降低,容易出現(xiàn)鋼纖維在混凝土內(nèi)打結(jié)成團(tuán)的現(xiàn)象.因此鋼纖維的長(zhǎng)徑比一般控制在100以內(nèi),體積分?jǐn)?shù)一般控制在0.5% ~1.5%[12-13].本文試驗(yàn)所采用的是常規(guī)混凝土,需將試件振搗以釋放氣泡,所以鋼纖維在試件中的位置與方向是隨機(jī)分布的.若能采用自密式混凝土制作試件,鋼纖維隨著混凝土的流動(dòng)而具有一定的方向性,其抗彎折能力會(huì)更強(qiáng),抗爆抗沖擊性能提高得更顯著.
螺旋鋼纖維對(duì)混凝土延性的極大增強(qiáng),可顯著降低混凝土結(jié)構(gòu)因近距離爆炸抗剪失效突然破壞,尤其是關(guān)鍵承重構(gòu)件的突然失效導(dǎo)致建筑連續(xù)倒塌的可能.此外,鋼纖維的熔點(diǎn)高(1 600°),在高溫情況下仍能夠?qū)炷撂峁┯行юそY(jié).反觀合成纖維的熔點(diǎn)一般在165°,在火荷載作用下,合成纖維熔化并喪失對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用.因此當(dāng)考慮高溫與爆炸荷載聯(lián)合作用時(shí),螺旋鋼纖維的應(yīng)用可對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)性能的提高有顯著效果.
本文提出了螺旋鋼纖維的概念并開展了一系列試驗(yàn)對(duì)螺旋SFRC材料的靜、動(dòng)態(tài)特性以及抗沖擊性能進(jìn)行了研究.試驗(yàn)結(jié)果表明,無(wú)論在靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)受力情況下,螺旋鋼纖維均比鉤尾鋼纖維提供更好的對(duì)混凝土基體的黏結(jié)加固作用,對(duì)增強(qiáng)混凝土延性、裂紋可控性及吸能耗能有著顯著優(yōu)勢(shì).
螺旋鋼纖維制作簡(jiǎn)單,并能提供對(duì)混凝土基體的三維黏結(jié),因此螺旋SFRC作為一種新型建筑材料在提高建筑抗爆抗沖擊性能方向具有極大的工程應(yīng)用前景.
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(責(zé)任編輯:樊素英)
Test Analysis on Spiral Steel Fiber Reinforced Concrete Subjected to Impact Loads
Hao Yifei1 2,Hao Hong1 2
(1.School of Civil and Mechanical Engineering,Curtin University,Bentley WA 6102,Australia;2.Tianjin University and Curtin University Joint Research Center of Structural Monitoring and Protection,Tianjin 300072,China)
Abstract:Many studies have demonstrated that adding steel fibers to concrete mixture is able to markedly increase the ductility and tensile strength and thus enhance the resistance of concrete structures against blast and impact loads.However,it is noticeable that in current construction industry,the popularly used steel fibers are mainly straight fibers or hooked-end fibers that are only able to provide bonding to concrete matrix in a 2D plane.Because concretes using these fibers are vulnerable to fiber debonding,the effectiveness of using these steel fibers to improve the blast or impact load resistance is strongly limited.The present study proposes spiral steel fibers to reinforce concrete material and carries out both split Hopkinson pressure bar(SHPB)tests to investigate the material properties under high-speed compression and split tension and drop-weight tests to study the behavior of spiral fiber reinforced concrete beams under centre-point impact loads.The test results show that compared with conventional steel fibers,the crack controllability,residual strength and strain rate sensitivity can be greatly enhanced by spiral steel fibers.The significant contribution of spiral steel fibers to the improvement of protective structures against blast and impact loads is demonstrated.
Keywords:spiral steel fiber;concrete;high strain rate;blast and impact resistance
中圖分類號(hào):TU528.572
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):0493-2137(2016)04-0355-06
DOI:10.11784/tdxbz201403084
收稿日期:2014-03-26;修回日期:2015-07-05.
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51227006).
作者簡(jiǎn)介:郝逸飛(1985— ),男,博士,講師,hao.yifei@outlook.com.
通訊作者:郝洪,hong.hao@curtin.edu.au.