高強(qiáng)混凝土巴西圓盤動態(tài)劈裂試驗

趙　軍，繆昌國，姚如勝

(1.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.北海藝術(shù)設(shè)計學(xué)院 建筑學(xué)院，廣西 北海 536000)

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高強(qiáng)混凝土巴西圓盤動態(tài)劈裂試驗

趙軍1，繆昌國1，姚如勝2

(1.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.北海藝術(shù)設(shè)計學(xué)院 建筑學(xué)院，廣西 北海 536000)

以圓形紫銅片作為波形整形器，利用直徑100 mm的霍普金森壓桿裝置，研究了不同彈速沖擊下高強(qiáng)混凝土平臺巴西圓盤試件的動態(tài)拉伸強(qiáng)度，得到了高強(qiáng)混凝土在沖擊作用下的劈裂強(qiáng)度、破壞模式和應(yīng)力時程曲線。試驗結(jié)果表明：隨著沖擊應(yīng)變率的提高，高強(qiáng)混凝土試件的動態(tài)劈裂強(qiáng)度和破壞程度不斷增大，具有顯著的應(yīng)變率敏感性。高速沖擊荷載下的混凝土斷面區(qū)較為光滑，裂縫直接穿過石子導(dǎo)致試樣斷裂。

動態(tài)劈裂試驗；高強(qiáng)混凝土；拉伸強(qiáng)度；分離式霍普金森壓桿

0　引言

民用和軍事工程所用混凝土在設(shè)計時需要考慮承受沖擊荷載，例如核電站的保護(hù)殼、抵御導(dǎo)彈的防空洞、重復(fù)動態(tài)載荷作用下的機(jī)場跑道，此外，還要考慮龍卷風(fēng)、地震和海浪等自然災(zāi)害引起的混凝土結(jié)構(gòu)動態(tài)加載[1-3]。因此，研究民用和軍用建筑混凝土在爆炸及動態(tài)荷載下的反應(yīng)對目標(biāo)的破壞和防御有非常重要的意義。目前，在中國動荷載作用下的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中，只是針對混凝土靜態(tài)強(qiáng)度的一定比例提升，并且一般取混凝土的動態(tài)抗拉強(qiáng)度為動態(tài)抗壓強(qiáng)度的1/10，沒有對不同加載條件下的混凝土拉伸性能作出明確規(guī)定。

高強(qiáng)混凝土是一種發(fā)展迅速的高性能混凝土材料，目前，已經(jīng)有大量學(xué)者研究了不同加載速率對其動態(tài)抗壓強(qiáng)度、臨界應(yīng)變、彈性模量和泊松比等方面的影響[4-5]，研究表明高強(qiáng)混凝土在高應(yīng)變率下具有敏感性[6-8]?；炷翉?qiáng)度和變形特性會隨著加載速率的增加而產(chǎn)生變化，文獻(xiàn)[9-10]通過試驗得到了混凝土強(qiáng)度隨著應(yīng)變率增加的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[11-13]利用霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar，SHPB)試驗裝置對直徑76 mm混凝土試件進(jìn)行了動態(tài)試驗，發(fā)現(xiàn)混凝土的動態(tài)抗拉強(qiáng)度較準(zhǔn)靜態(tài)抗拉強(qiáng)度提高了5倍以上。文獻(xiàn)[14]研究了應(yīng)變率為2.0×10-4s-1、2.0×10-3s-1和2.0×10-2s-1時的混凝土動態(tài)抗拉強(qiáng)度，相比于準(zhǔn)靜態(tài)下的抗拉強(qiáng)度分別提升了14%、33%和56%。但這些針對混凝土的動態(tài)力學(xué)研究主要集中在普通混凝土，而對高強(qiáng)混凝土的沖擊拉伸力學(xué)特性還鮮有研究。本文制備了高強(qiáng)度等級C80混凝土，采用SHPB試驗裝置進(jìn)行高強(qiáng)混凝土的沖擊劈裂拉伸試驗，通過計算高強(qiáng)混凝土在沖擊破壞過程中的劈裂拉伸強(qiáng)度，得到了高強(qiáng)混凝土的拉伸動態(tài)力學(xué)性能。

1　平臺巴西圓盤試驗原理

直接拉伸、抗彎試驗和巴西圓盤劈裂常用于測定混凝土的拉伸強(qiáng)度，其中，直接拉伸方法可以直接得到混凝土的抗拉強(qiáng)度，但是由于混凝土試件難以夾持且容易造成偏拉，一般難以測定。為了得到混凝土的動態(tài)拉伸強(qiáng)度，主要參考國際巖石力學(xué)學(xué)會和美國材料試驗學(xué)會推薦的巴西圓盤試件測試抗拉強(qiáng)度[15]。由于對心受壓圓盤存在理論上的彈性力學(xué)解，通過圓盤劈裂試驗可以得到材料的拉伸強(qiáng)度，文獻(xiàn)[16]將圓盤兩側(cè)平行的平面作為加載面有效降低了傳統(tǒng)方法兩側(cè)產(chǎn)生的集中應(yīng)力，該方法稱之為平臺巴西圓盤試驗。平臺巴西圓盤劈裂受力示意圖如圖1所示。

圖1　平臺巴西圓盤劈裂受力示意圖

根據(jù)彈性理論相關(guān)計算，巴西圓盤加載直徑上任一點的應(yīng)力狀態(tài)可以表示為：

(1)

(2)

τxy=0,

(3)

其中：P為劈裂載荷,kN；D為試件的直徑,mm；B為試件的厚度,mm；σx為x方向上的應(yīng)力,MPa；σy為y方向上的應(yīng)力,MPa；τxy為x、y方向上的剪力,MPa。為了解決兩端應(yīng)力集中的問題，平臺巴西圓盤試件將集中力改為平臺上的均布力加載，如圖1所示。研究結(jié)果表明：當(dāng)加載角大于一個臨界值(2α≥20°)時，可以保證試件中心起裂。根據(jù)格里菲斯(Griffith)強(qiáng)度理論，平臺巴西圓盤拉伸強(qiáng)度的理論解可以表示為：

(4)

其中：k為與2α相關(guān)的系數(shù)。

由于本試驗采取的平臺巴西圓盤試件所對應(yīng)的角度為20°，劈裂強(qiáng)度的計算公式為：

(5)

動態(tài)劈裂試樣耗散的能量Ws(t)遵守能量守恒定律，可以根據(jù)下式計算：

Ws(t)=Wi(t)-Wr(t)-Wt(t);

(6)

(7)

(8)

(9)

其中：Wi(t)、Wr(t)和Wt(t)分別為入射波、反射波和透射波能量,J；εi、εr和εt分別為入射波、反射波和透射波的應(yīng)變值；A為壓桿橫截面面積,m2;E為材料的彈性模量,Pa；C0為應(yīng)力波的波速,m/s；t為應(yīng)力波傳遞時間,s。

2　試驗方案

2.1試件制備

高強(qiáng)混凝土的原材料主要有：PO 52.5級普通硅酸鹽水泥；細(xì)度模數(shù)為2.4的中砂；石子采用 5～15 mm連續(xù)級配碎石；硅灰，二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于99%，平均粒徑約5 μm；高效減水劑，聚羧酸高性能減水劑含固量30%，減水率在25%以上。本文試驗中：高強(qiáng)混凝土的水灰比為0.33；單方混凝土中水泥的含量為500 kg/m3；河砂為870 kg/m3；石子為1 020 kg/m3；硅灰為 40 kg/m3；減水劑為 1.8 kg/m3。

將混凝土的各項原材料精確稱量后，先將細(xì)骨料和水泥投入攪拌機(jī)攪拌均勻，然后再投入粗骨料進(jìn)行攪拌，最后加水?dāng)嚢? min即可得到流動度良好的混凝土。將混凝土裝入圓柱體聚氯乙烯 (polyvinyl chloride,PVC)試模中，并在振動臺上振搗密實，振動時間約為1 min。試件成型24 h后脫模進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d。試樣采用直徑為70 mm、高度為35 mm、中心角為20°的平臺巴西圓盤圓柱體。根據(jù)GB/T 50081—2002 普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)試驗。測試結(jié)果表明：試件的立方體抗壓強(qiáng)度fc=82.8 MPa，靜態(tài)劈裂強(qiáng)度fst=7.65 MPa。

2.2試驗裝置

本試驗采用直徑為100 mm的SHPB試驗裝置。SHPB試驗裝置簡圖如圖2所示，該裝置由發(fā)射裝置、子彈、入射桿、透射桿和吸收桿組成。裝置使用激光測速儀測量打擊桿撞擊的速度，入射桿和透射桿均為高強(qiáng)度合金桿，彈性模量210 GPa，泊松比為0.25～0.30，密度為 7 850 kg/m3。

圖2　SHPB試驗裝置簡圖

3　試驗結(jié)果

本試驗采用的平臺巴西圓盤直徑D為68 mm，厚度為34 mm，試件表面突起不超過0.025 mm，兩平面的平行度必須控制在0.25 mm以內(nèi)，以保證試件從中心起裂。平臺的寬度2b與平臺對應(yīng)的角度有關(guān)，主要通過角度來確定平臺的寬度，在本試驗中角度必須保證中心夾角為20°，才能使得試件從中心起裂。本試驗一共設(shè)4組動態(tài)劈裂試驗，每組設(shè)1個打擊氣壓，每個打擊氣壓下重復(fù)3次試驗。為了得到在靜態(tài)加載下的試件劈裂強(qiáng)度，試驗將試塊放置于液壓試驗機(jī)的兩塊承壓板之間，加載速率選擇0.07 mm/s。為了防止兩端的應(yīng)力集中，在試樣兩端放置厚度為10 mm的橡膠墊片，施加面荷載直至試樣破壞，間接得到試樣的準(zhǔn)靜態(tài)劈裂強(qiáng)度為7.65 MPa。

表1為高強(qiáng)混凝土動態(tài)劈裂試驗結(jié)果。在打擊氣壓分別為0.25 MPa、0.35 MPa、0.45 MPa和0.55 MPa 時，4組劈裂試件的平均劈裂強(qiáng)度分別為11.7 MPa、15.4 MPa、17.9 MPa和18.5 MPa。由表1可以看出：隨著動態(tài)劈裂試驗打擊氣壓的增加，高強(qiáng)混凝土的平均動態(tài)劈裂強(qiáng)度也會有所提高，但是提高的幅度會逐漸減小。圖3為不同打擊氣壓下的高強(qiáng)混凝土劈裂拉伸應(yīng)力時程曲線，從圖3可以看出：隨著打擊氣壓的不斷升高，高強(qiáng)混凝土的峰值劈裂強(qiáng)度不斷提高，同時其上升段的斜率也不斷提升。隨著打擊氣壓的升高，下降段逐漸變得陡峭，整體曲線形式由緩變陡，說明試件的變形破壞過程加快，荷載達(dá)到峰值應(yīng)力的時間由70 μs減少至40 μs。

表1　高強(qiáng)混凝土動態(tài)劈裂試驗結(jié)果

根據(jù)式(6)～式(9)可以得到高強(qiáng)混凝土的典型入射波、反射波和透射波的能量變化曲線，如圖4所示。從圖4中可以看出：試件在受力的前50 μs內(nèi)耗散的能量基本可以忽略。試件大部分能量耗散在其劈裂達(dá)到極限強(qiáng)度的50～200 μs，而這個階段主要是試件劈裂裂紋形成和演化階段。從表1中可以看出：隨著打擊氣壓的不斷升高，耗散能量分別為21.53 J、23.36 J、24.97 J和22.08 J，呈現(xiàn)出先上升后穩(wěn)定的趨勢。

圖3　高強(qiáng)混凝土劈裂拉伸應(yīng)力時程曲線

圖4　高強(qiáng)混凝土劈裂拉伸能量變化曲線

圖5為不同打擊氣壓下試件動態(tài)劈裂破壞形貌。傳統(tǒng)的無平臺巴西圓盤由于加持兩端的集中應(yīng)力會存在三角形粉碎區(qū)域，一般入射桿接觸端的粉碎程度高于透射桿端，并且隨著應(yīng)變率的增大，粉碎程度和區(qū)域也逐漸加大。通過引入兩端的平臺可以發(fā)現(xiàn)：試件沿加載直徑方向裂為完整的兩半，在打擊氣壓為0.45 MPa和 0.55 MPa時，試件的兩端會有三角形的破壞區(qū)域，整體而言，隨著打擊氣壓的不斷升高，試樣的完整性逐步降低。通過觀察試件斷面可以發(fā)現(xiàn)：打擊氣壓較低時，裂縫的發(fā)展主要沿著石子表面的界面過渡區(qū)發(fā)展；打擊氣壓較大時，斷面處的石子會直接發(fā)生斷裂，斷面較為平滑。

圖5　不同打擊氣壓下試件動態(tài)劈裂破壞形貌

由于高強(qiáng)混凝土試件的制備是通過改變水灰比、水泥膠砂和石子的比例得到，一般認(rèn)為高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度相比于低強(qiáng)度的傳統(tǒng)混凝土有顯著提高，但是其抗拉性能變化不大。高強(qiáng)骨料、輔助膠凝材料和高效減水劑的使用可降低混凝土水膠比并提高混凝土的密實度，這樣的基體會使裂紋發(fā)生和擴(kuò)展需要更多的能量耗散，從而提高材料的抗壓及其抗打擊能力。

4　結(jié)論

(1)通過SHPB動態(tài)劈裂試驗發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)混凝土的動態(tài)劈裂強(qiáng)度隨著打擊氣壓的升高而上升，呈現(xiàn)出應(yīng)變量敏感性。但是動態(tài)劈裂強(qiáng)度的上升幅度卻隨著打擊氣壓的升高而有所減緩。

(2)應(yīng)力時程曲線反映的是試件中應(yīng)力隨時間的變化過程。隨著打擊氣壓的增大，高強(qiáng)混凝土試件中應(yīng)力的上升段和下降段對應(yīng)的時間變短，說明試件的破壞過程加快。

(3)SHPB動態(tài)劈裂試驗中，高強(qiáng)混凝土的耗散能量可以有效反映其抗拉伸損傷性能的變化。試樣大部分的能量耗散集中在試件劈裂裂紋形成和演化階段。隨著打擊氣壓的增大，耗散能量呈現(xiàn)出先升高后穩(wěn)定的趨勢，試件的裂縫由沿著界面過渡區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楣橇咸幍闹苯訑嗔选?/p>

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國家自然科學(xué)基金項目(51568016);廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實驗中心項目(KH2011YB025)

趙軍(1970-),男,四川南部人,教授,博士,主要研究方向為結(jié)構(gòu)加固和復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性.

2016-07-11

1672-6871(2017)01-0056-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.01.012

TU528.01

A