高溫后鋼纖維橡膠自密實(shí)混凝土動(dòng)態(tài)沖擊性能

莊金平, 任 凱, 許 可, 陳劍星

(1.福建理工大學(xué) 福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州 350118; 2.福建理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,福州 350118;3.四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院, 成都 610065)

將廢棄橡膠輪胎破碎而成的橡膠顆粒作為骨料摻入混凝土中,極大地改善了廢棄橡膠輪胎占地以及環(huán)境污染等問(wèn)題[1-3]。由于橡膠自身具有良好的彈性、耐久性及變形能力已成為有效改善混凝土脆性,提升其變形能力及抗沖擊性能的有效手段[4-5]。此外,文獻(xiàn)[6-7]表明,自密實(shí)混凝土(self compacting concrete,SCC)具有免振搗的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),可利用其較高的流動(dòng)特性將質(zhì)量輕、密度小的橡膠顆粒均勻填充至混凝土內(nèi)部,有效避免了因振搗而造成混凝土內(nèi)部橡膠顆粒分布不均勻以及橡膠顆粒與基體界面黏結(jié)較低等不利影響。然而,橡膠顆粒的摻入仍無(wú)法避免地造成了混凝土內(nèi)部孔隙率以及薄弱界面的增加[8-9],這也是橡膠自密實(shí)混凝土(rubber self-compacting concrete,RSCC)抗壓強(qiáng)度低于普通混凝土的重要因素[10-11]。

趙秋蘭等[12-13]利用鋼纖維與橡膠顆粒的協(xié)調(diào)作用將強(qiáng)度高、剛度大的鋼纖維引入橡膠混凝土中,使抗壓、抗彎剪等力學(xué)性均得到有效提升。為進(jìn)一步探明鋼纖維橡膠混凝土(steel fiber rubber concrete,SFRC)高溫后其殘余力學(xué)性能。劉鋒等[14]利用橡膠粉與鋼纖維對(duì)高強(qiáng)混凝土進(jìn)行改性,有效改善了高溫后混凝土的爆裂現(xiàn)象以及脆性特征。李旭東[15]通過(guò)高溫后立方體抗壓試驗(yàn)表明了鋼纖維的摻入可在一定程度上減緩橡膠混凝土殘余抗壓強(qiáng)度的退化。Guo等[16-18]通過(guò)圓柱體軸壓和梁的抗彎試驗(yàn)探討了橡膠摻量對(duì)高溫后SFRC抗壓強(qiáng)度、剛度、耗能以及斷裂韌性等力學(xué)性能的影響,并分別依據(jù)殘余強(qiáng)度和耗能能力提出了滿足不同性能需求的最優(yōu)橡膠摻量范圍。

通過(guò)以上論述可知,目前眾多學(xué)者對(duì)鋼纖維橡膠混凝土的關(guān)注點(diǎn)集中于靜態(tài)力學(xué)性能方面,而對(duì)于鋼纖維橡膠自密實(shí)混凝土(steel fiber rubber self-compacting concrete ,SFRSCC)高溫后的動(dòng)力特性少有報(bào)道。與此同時(shí),橡膠顆粒一般在200～300 ℃開始進(jìn)入軟化階段,當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃時(shí)已基本裂解[19-20];由于鋼纖維自身的熔點(diǎn)較高,SFRSCC經(jīng)過(guò)600 ℃高溫作用后,基體內(nèi)部亂向分布的鋼纖維雖然仍可起到減緩強(qiáng)度的退化作用[21],但考慮到混凝土基體性能的劣化以及橡膠的分解,其高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能必然與常溫工況有所差異。因此,對(duì)于探明高溫后SFRSCC混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究顯得尤為迫切。

為此,本文利用直徑為80 mm分離式-霍普金森壓桿裝置對(duì)高溫冷卻后的鋼纖維橡膠自密實(shí)混凝土開展動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)研究,在確定出最優(yōu)鋼纖維摻量和溫度影響的基礎(chǔ)上,探討SFRSCC高溫橡膠裂解后的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,從而為高溫后其結(jié)構(gòu)抗沖擊分析提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料及配合比

依據(jù)JGJ/T 283—2012《自密實(shí)性混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[22]及JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[23],共設(shè)計(jì)7組SFRSCC配合比,如表1所示。橡膠顆粒以等體積替代砂的方式摻入,考慮到橡膠摻量對(duì)其工作性能及力學(xué)性能的影響,其摻量ρr分別為10%、20%和30%[24],鋼纖維摻量體積分?jǐn)?shù)分別為φ=0.5%,φ=1.0%及φ=1.5%,水膠比為0.29。其中,以SF1.5-R10-600為例,表示鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為φ=1.5%,橡膠摻入量為10%,經(jīng)歷600 ℃高溫冷卻后的試件。

表1 鋼纖維橡膠自密實(shí)混凝土配合比

包括福建水泥股份有限公司生產(chǎn)P.O.42.5等級(jí)的普通硅酸鹽水泥,密度為3.1 g/cm3;采用普通中砂,表觀密度為2.65 g/cm3;粗骨料采用粒徑9～15 mm的反擊破碎石,密度為2.75 g/cm3;摻和料選用I級(jí)粉煤灰;聚羧酸高效減水劑,減水率30%;剪切波浪形鋼纖維(steel fiber,SF),長(zhǎng)度為40 mm,長(zhǎng)徑比為20;Hilal[25]研究表明,橡膠粒徑越大,對(duì)抗壓強(qiáng)度的不利影響也越大,因而選用粒徑為1～2 mm的廢舊細(xì)橡膠顆粒。鋼纖維及橡膠性能參數(shù)如表2及表3所示,剪切波浪形鋼纖維及橡膠顆粒如圖1所示。

圖1 剪切波浪形鋼纖維及橡膠顆粒

表2 鋼纖維性能參數(shù)

表3 橡膠性能參數(shù)

1.2 試樣設(shè)計(jì)及制備

靜態(tài)試件選用150 mm×150 mm×300 mm棱柱體測(cè)定軸心抗壓性能,各組設(shè)計(jì)3個(gè)。為減少長(zhǎng)徑比對(duì)動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)的結(jié)果的影響[26],動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)采用φ72 mm×36 mm圓盤,長(zhǎng)徑比為0.5,各組共設(shè)計(jì)3個(gè)。

在制備混凝土前,為減少試樣內(nèi)部氣泡并增強(qiáng)混凝土基體與橡膠的黏結(jié),將橡膠顆粒浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為ω=5%的NaOH溶液中,1 d后置入烘干箱備用[27]。制作試樣時(shí),先將粗骨料與細(xì)骨料倒入攪拌機(jī)中攪拌60 s;其次將粉煤灰、橡膠及鋼纖維依次加入攪拌60 s;然后將減水劑與水的混合溶液倒入攪拌機(jī)中攪拌120 s;最終將拌合好的漿體注入內(nèi)徑為72 mm的PVC管中。28 d后將圓柱體PVC管切割為φ72 mm×36 mm圓盤試樣并對(duì)其表面進(jìn)行打磨處理,澆筑成型的圓盤試樣如圖2所示。此外,部分漿體用于坍落度進(jìn)行檢測(cè),測(cè)試結(jié)果如圖3所示。經(jīng)實(shí)測(cè),坍落擴(kuò)展度為600 mm,滿足JGJ/T 283—2012《自密實(shí)性混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中SF1性能等級(jí)要求。

圖2 澆筑成型圓盤試樣

圖3 坍落擴(kuò)展度實(shí)測(cè)圖

1.3 試驗(yàn)設(shè)備及加載

采用宏順工業(yè)電火爐對(duì)試樣進(jìn)行高溫處理,設(shè)備如圖4所示。加熱過(guò)程采用線性升溫方式,升溫速率為10 ℃/min。試樣設(shè)定溫度分別為300 ℃、600 ℃及900 ℃,當(dāng)爐溫達(dá)到設(shè)定溫度后恒溫2 h,升溫時(shí)間如表4所示。加熱結(jié)束后待爐內(nèi)溫度冷卻至室溫狀態(tài)再將試件取出。

圖4 升溫加載設(shè)備

表4 高溫加載時(shí)間

靜態(tài)抗壓試驗(yàn)采用HCT306B液壓試驗(yàn)機(jī)的位移控制加載模式,加載速率為0.2 mm/min。各組試件取3個(gè)試件的平均值為該試件的軸心抗壓強(qiáng)度,各組試件試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 SFRSCC加載試驗(yàn)結(jié)果

動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)采用湖南大學(xué)工程結(jié)構(gòu)綜合防護(hù)研究所研制的分離式-霍普金森壓桿裝置進(jìn)行沖擊加載,如圖5所示。入射桿、透射桿以及撞擊桿的長(zhǎng)度分別為4 m,3 m和1 m;桿件為高強(qiáng)度鋼42CrMo,密度為7 850 kg/m3,其三桿的直徑均為80 mm。共取0.2 MPa,0.3 MPa和0.5 MPa 3組氣壓進(jìn)行沖擊試驗(yàn),即三種不同應(yīng)變率下的加載波如圖6(a)所示。沖擊前在圓盤兩側(cè)均勻涂抹凡士林,并放置于入射桿與透射桿之間以減小桿與試件間摩擦阻力的影響。此外,為過(guò)濾高頻脈沖,提升入射波加載上升延時(shí),采用φ25 mm×2 mm的紫銅片對(duì)波形進(jìn)行整形處理[28]。加載過(guò)程中試件兩端面的受力狀態(tài)如圖6(b)所示。由圖6(b)可以看出,入射與反射兩種波形疊加與透射波基本吻合,說(shuō)明試件兩端的滿足應(yīng)力均勻性假定[29],確保了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。

圖5 分離式-霍普金森壓桿裝置

圖6 不同加載波及動(dòng)態(tài)力平衡

(1)

(2)

(3)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

SFRSCC在經(jīng)歷不同溫度及應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖7所示。圖7中,各曲線為3組試樣的實(shí)測(cè)擬合結(jié)果曲線。從圖7中可以看出:在動(dòng)態(tài)壓縮初始階段,應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系基本呈線性關(guān)系;隨著應(yīng)力的增長(zhǎng),試樣內(nèi)部裂縫開始生成與擴(kuò)展,此時(shí)試樣損傷加劇,應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)入非線性階段;當(dāng)試樣裂紋基本貫通且寬度逐漸增加時(shí),即試樣進(jìn)入應(yīng)變軟化階段,應(yīng)力-應(yīng)變開始進(jìn)入下降階段。從圖7(a)中也可以看出,隨著溫度上升,其動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度逐漸降低,峰值應(yīng)變逐漸增大,應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸趨于扁平。此外,SFRSCC表現(xiàn)出一定的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng),動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度及峰值應(yīng)變均隨著應(yīng)變率的提升而有所增長(zhǎng)(見(jiàn)圖7(b)～圖7(e))。

圖7 SFRSCC動(dòng)態(tài)沖擊應(yīng)力-應(yīng)變曲線

溫度對(duì)SFRSCC動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力、動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變影響的關(guān)系,如圖8所示。從圖8中可以看出:在10%橡膠摻量相同的情況下,隨著溫度的提升,SFRSCC動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度呈下降趨勢(shì),其中無(wú)鋼纖維試樣(SF0-R10)的動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度下降最為顯著,當(dāng)經(jīng)歷600 ℃及900 ℃后,SF0-R10的動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度相較于300 ℃分別下降了38.4%和66.7%;而SF1.0-R10試樣的動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度分別下降了19.87%和64.07%。于此同時(shí),SF0-R10與SF1.0-R10的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變均表現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì),說(shuō)明高溫會(huì)進(jìn)一步增加SFRSCC的變形能力,而鋼纖維的加入也使試樣的變形能力要優(yōu)于無(wú)鋼纖維試樣。

圖8 溫度對(duì)SFRSCC動(dòng)態(tài)峰值的影響

另一方面,橡膠顆粒在200～300 ℃開始軟化裂解,當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃時(shí)已基本全部降解,通過(guò)表5分析得知:在10%橡膠摻量不變的情況下,當(dāng)應(yīng)變率為86～92 s-1時(shí),隨著鋼纖維摻量的提升,SFRSCC動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度呈逐漸上升的趨勢(shì);其中,試樣的各殘余強(qiáng)度分別比無(wú)鋼纖維試樣(20.01 MPa,φ(SF)=0)高出51.17%(30.25 MPa,φ(SF)=0.5%),66.32%(33.28 MPa,φ(SF)=1.0%)及79.81%(35.98 MPa,φ(SF)=1.5%)。這表明:當(dāng)升溫至600 ℃后,此時(shí)的橡膠顆粒雖然已基本分解,但鋼纖維的摻入仍可改善其動(dòng)態(tài)殘余強(qiáng)度的退化[30],其中體積分?jǐn)?shù)φ(SF)=1.5%的改善效果最為顯著;當(dāng)溫度升至900 ℃后,基體損傷已尤為嚴(yán)重,動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度的惡化程度與無(wú)鋼纖維試樣已處于同一水平。因此,為進(jìn)一步明確橡膠摻量對(duì)高溫后SFRSCC動(dòng)態(tài)沖擊性能的影響,以下主要在體積分?jǐn)?shù)φ(SF)=1.5%的基礎(chǔ)上進(jìn)行橡膠摻量影響規(guī)律的分析。

2.2 破碎形態(tài)分析

由圖9(a)橫向?qū)Ρ瓤梢钥闯?在常溫狀態(tài)(89～95 s-1),沖擊荷載作用下,隨著橡膠摻量的增加,試樣的破碎程度有所減緩,說(shuō)明橡膠顆粒的摻入進(jìn)一步提高了SFRSCC抗沖擊性能[31]。由圖9(b)～圖9(d)橫向與縱向?qū)Ρ瓤梢钥闯?當(dāng)試樣經(jīng)歷600 ℃高溫作用后,呈現(xiàn)出與常溫下不同的規(guī)律,隨橡膠摻量的增加,沖擊荷載下試樣的破碎程度均逐漸加重。當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到152～160 s-1時(shí),三種橡膠摻量下的試樣均已粉碎性破壞。由于橡膠自身具有良好的彈性及變形能力,在常溫沖擊荷載時(shí)可吸收部分應(yīng)力,減少基體內(nèi)部的應(yīng)力集中,在一定程度上抑制了裂紋的擴(kuò)展;同時(shí),橡膠顆粒與漿體的黏結(jié)也進(jìn)一步提高了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)度,因此常溫下SFRSCC的抗沖擊性能得以提高[32-33]。但是,當(dāng)試樣經(jīng)歷600 ℃高溫作用后,此時(shí)水化產(chǎn)物以及橡膠顆粒的分解,使內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為松散,基體內(nèi)部的孔隙密度也會(huì)進(jìn)一步升高;因此,橡膠摻量越多,高溫后其沖擊荷載作用下的破碎程度也越為嚴(yán)重。

圖9 高溫后SFRSCC的破碎形態(tài)

此外,在87～91 s-1應(yīng)變率范圍內(nèi),鋼纖維仍與基體保持一定黏結(jié);但當(dāng)應(yīng)變率提升至152～160 s-1時(shí),鋼纖維與基體完全剝離,其鋼纖維的橋接作用已基本喪失。說(shuō)明當(dāng)溫度升至600 ℃后,雖然基體的劣化與鋼纖維熱損傷效應(yīng)導(dǎo)致鋼纖維與基體界面的黏結(jié)力進(jìn)一步弱化,抗破碎的能力有所降低,但鋼纖維在中低應(yīng)變率范圍內(nèi)仍可起到部分的橋接作用。

2.3 動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度及峰值應(yīng)變

橡膠摻量對(duì)常溫及600 ℃動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力-應(yīng)變的影響,如圖10所示。從圖10中可以看出:隨著橡膠摻量的增加,SFRSCC在常溫以及600 ℃后這兩種狀態(tài)下的峰值應(yīng)變均呈逐漸上升的趨勢(shì);其中,600 ℃后的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變明顯大于常溫試樣;SFRSCC的動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度均隨著橡膠摻量的增加而有所下降;當(dāng)橡膠摻量在0～10%內(nèi),其動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度下降趨勢(shì)較為平緩,當(dāng)橡膠摻量大于10%時(shí),開始有顯著下降的趨勢(shì)。通過(guò)量化橡膠摻量對(duì)SFRSCC動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度的影響可知:對(duì)于經(jīng)歷600 ℃后的試樣,當(dāng)ρr增加至10%時(shí),其動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度相較于無(wú)橡膠基準(zhǔn)組(SF1.5-R0-600)下降了4.56%;當(dāng)ρr增加至20%時(shí),其動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度下降了42.23%;當(dāng)ρr增加至30%時(shí),其動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度下降了52.89%;另一方面,在常溫狀態(tài)下,當(dāng)橡膠摻量從0提升至30%時(shí),其動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度相較于無(wú)橡膠基準(zhǔn)組(SF1.5-R0-20)分別降低了5.98%(R10),32.70%(R20)及38.95%(R30)。這表明:無(wú)論是在常溫試驗(yàn)工況下還是在600 ℃橡膠顆粒完全裂解后的條件下,橡膠摻量的提升均會(huì)進(jìn)一步加劇動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的劣化;當(dāng)橡膠摻量小于10%時(shí),其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的降幅相對(duì)較小;當(dāng)橡膠摻量大于10%時(shí),其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的惡化較為顯著。

圖10 橡膠摻量對(duì)SFRSCC動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力-應(yīng)變的影響

在相近應(yīng)變率范圍內(nèi),將高溫后試樣的動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度與常溫下動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度的比值定義為相對(duì)動(dòng)態(tài)殘余強(qiáng)度率,以表征高溫后動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度的衰減程度,以87～95 s-1應(yīng)變率區(qū)間內(nèi)為例,計(jì)算結(jié)果如圖11所示。從圖11中可以看出:隨著橡膠摻量的提升,600 ℃后的動(dòng)態(tài)殘余強(qiáng)度率分別為56.78%(R0),57.63%(R10),48.74%(R20)和43.81%(R30);其中,無(wú)橡膠摻量(R0)的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度殘余率大致與10%橡膠摻量相同,而20%及30%橡膠摻量的動(dòng)態(tài)殘余強(qiáng)度率則有明顯的下降趨勢(shì)。主要原因可能是:當(dāng)橡膠摻量相對(duì)較小,在升溫加熱的過(guò)程中,基體部分微細(xì)裂縫與橡膠分解所形成的孔道相互貫通,從而緩解了蒸汽壓力對(duì)界面的破壞,因此對(duì)SFRSCC動(dòng)態(tài)殘余強(qiáng)度的劣化影響相對(duì)較小;若進(jìn)一步增加橡膠摻量,則會(huì)導(dǎo)致基體內(nèi)部孔洞數(shù)量急劇升高,所產(chǎn)生的負(fù)面效果也會(huì)進(jìn)一步加劇,因此動(dòng)態(tài)殘余強(qiáng)度率的下降趨勢(shì)較為顯著。

圖11 相對(duì)動(dòng)態(tài)殘余強(qiáng)度率

2.4 沖擊韌性指數(shù)

分析采用ASTM C1018能量比值法[34]作為評(píng)價(jià)高溫后SFRSCC的韌性指標(biāo),以0.85倍的峰值應(yīng)力點(diǎn)作為起裂點(diǎn),并將I5,I10和I30分別為起裂點(diǎn)3倍應(yīng)變、5.5倍應(yīng)變、15.5倍應(yīng)變對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線面積與起裂點(diǎn)的對(duì)應(yīng)的面積比值,韌性評(píng)價(jià)曲線圖如圖12所示。由于本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)僅可求得I5,因而將通過(guò)韌性指數(shù)I5來(lái)表征600 ℃-SFRSCC的沖擊韌性。計(jì)算公式為

圖12 SFRSCC韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)

(4)

由圖13可以看出,在常溫狀態(tài)時(shí),SFRSCC的韌性指數(shù)I5隨著橡膠摻量的增加而得到提升;當(dāng)橡膠摻量提升至10%～30%時(shí),其韌性指數(shù)分別上升了13.83%,34.18%和27.82%。郭永昌等和聞洋等[35]試驗(yàn)均得出,常溫下10%～20%的橡膠摻量并不利于動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng),但應(yīng)力-應(yīng)變所圍成的曲線面積顯著增大,因而韌性得到了有效提高。而在600 ℃后的韌性變化規(guī)律與常溫完全相反?？梢钥闯?在三種相近應(yīng)變率范圍內(nèi),隨著橡膠摻量的增加,SFRSCC的韌性指數(shù)I5呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì),當(dāng)橡膠摻量在20%和30%時(shí),其韌性指數(shù)下降幅度更為顯著。其中,當(dāng)橡膠摻量為10%時(shí),韌性指數(shù)I5相較于基準(zhǔn)組(R0)的平均降幅為8.21%;隨著橡膠摻量的提升,韌性指數(shù)I5的平均降幅達(dá)到了28.12%(R20)和41.36%(R30)這是可能是由于600 ℃高溫作用后的基體損傷較為嚴(yán)重,橡膠顆粒也已基本分解,因此橡膠摻量的增加已無(wú)法起到增韌的效果。

圖13 橡膠摻量對(duì)SFRSCC韌性的影響

通過(guò)上述常溫及高溫后的分析可以看出,雖然在常溫狀態(tài)下,橡膠的摻入使SFRSCC的沖擊韌性有所提高,但橡膠的增加也會(huì)成為高溫后SFRSCC沖擊韌性下降的重要因素。因此,若要有效減緩高溫后SFRSCC動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度及抗沖擊韌性的衰減,其橡膠摻量應(yīng)控制在10%以內(nèi)。

2.5 高溫后機(jī)理分析

高溫后鋼纖維-橡膠與水泥漿體的黏結(jié)情況,如圖14所示。從圖14(a)可以看出,經(jīng)歷300 ℃冷卻后的水泥基體結(jié)構(gòu)較為密實(shí),在基體界面處的橡膠顆粒并未完全分解,其部分橡膠顆粒仍與基體保持黏結(jié)狀態(tài),已分解的部分黑色分解產(chǎn)物附著于基體表面并產(chǎn)生了明顯孔隙,說(shuō)明300 ℃基體內(nèi)橡膠并未完全分解,基體內(nèi)部分橡膠顆粒的存在仍可緩解動(dòng)態(tài)殘余強(qiáng)度的退化,該結(jié)果與張海波等[36]的分析較為一致。依據(jù)文獻(xiàn)[37]的研究成果可知,常溫下鋼纖維的摻入可減少界面過(guò)渡區(qū)裂縫并能有效分散基體內(nèi)收縮拉應(yīng)力,使過(guò)渡區(qū)更為密實(shí),進(jìn)而提高其宏觀力學(xué)性能。但在600 ℃作用后,基體內(nèi)部的C-S-H凝膠、Ca(OH)2及CaCO3等水化產(chǎn)物分解致使結(jié)構(gòu)松散,并且此時(shí)橡膠顆粒已基本分解,其黑色分解產(chǎn)物附著于孔道表面(見(jiàn)圖14(b))。此外,由于高溫后鋼纖維的熱損傷效應(yīng)以及基體的劣化,使基體自身的裂縫以及纖維與基體黏結(jié)部位的微裂縫進(jìn)一步加劇(見(jiàn)圖14(c))。以上分析進(jìn)一步證實(shí),橡膠顆粒完全分解后的動(dòng)態(tài)宏觀力學(xué)性能受水化產(chǎn)物的分解、鋼纖維-界面黏結(jié)力及橡膠顆粒分解等多因素影響,若進(jìn)一步增加橡膠摻量則必然導(dǎo)致高溫后基體內(nèi)部孔隙密度的上升,因而加劇了高溫后SFRSCC動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的劣化。

2.6 動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子預(yù)測(cè)公式

動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子μDIF為動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的比值,用以描述不同應(yīng)變率下其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的增減程度,SFRSCC的應(yīng)變率效應(yīng)也可通過(guò)μDIF加以分析。不同橡膠摻量下600 ℃-SF1.5動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)與應(yīng)變率對(duì)數(shù)的關(guān)系,如圖15所示。從圖15中可以看出,在橡膠摻量相同的情況下,μDIF均隨著應(yīng)變率的提高而提高,大致呈線性的方式增長(zhǎng)。在準(zhǔn)靜態(tài)的荷載作用下,基體內(nèi)初始裂縫有充足的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)展,直至試樣破壞。在高應(yīng)變率下的沖擊荷載下,動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)與裂紋傳播效應(yīng)以及縱向的慣性效應(yīng)密切相關(guān)[38];沖擊速率越高,基體內(nèi)裂紋擴(kuò)展所需的能量也越多,但此時(shí)因裂紋擴(kuò)展所需的時(shí)間極短,沖擊的能量只能被多裂紋同時(shí)吸收,因而表現(xiàn)明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)[39-40]。

圖15 動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子與應(yīng)變率對(duì)數(shù)的關(guān)系

在常溫狀態(tài)下,橡膠摻量的提高也使DIF-σ得到了一定提升(89～95 s-1),其μDIF分別為1.21(R0),1.68(R10),1.73(R20)和1.75(R30)。分析得知,常溫下μ_DIF的提升,其部分是由于上述的裂紋傳播效應(yīng)所致;此外,基體內(nèi)均勻分布的橡膠顆粒越多,越能有效緩解裂縫尖端所產(chǎn)生應(yīng)力的集中現(xiàn)象,同時(shí)也能夠有效約束試樣的側(cè)向變形,從而抑制了徑向裂紋的擴(kuò)展,因此μDIF有所提升。但相反的是,從圖15中縱向分析可知,在三種相近應(yīng)變率范圍內(nèi),高溫后μDIF隨著橡膠摻量的提升而大致呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì),這是由于高溫后大摻量的橡膠顆粒會(huì)顯著加劇動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度的惡化,因而μDIF呈逐漸下降的趨勢(shì)。

利用動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子CEB-FIP經(jīng)驗(yàn)公式[41](式(5))與試驗(yàn)所得出的μDIF進(jìn)行了對(duì)比。從圖15中可以看出,隨著應(yīng)變率的升高,10%及20%橡膠摻量下的μDIF與經(jīng)驗(yàn)公式值的趨勢(shì)基本一致,而CEB-FIP經(jīng)驗(yàn)公式所計(jì)算的μDIF則明顯高估了30%摻量的SFRSCC,表明現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式仍無(wú)法客觀描述高溫后SFRSCC動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子與應(yīng)變率之間的關(guān)系。考慮到溫度、鋼纖維變量以及橡膠摻量對(duì)SFRSCC動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子的影響,依據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)對(duì)式(5)進(jìn)行部分修正,分別得到高溫后橡膠摻量影響系數(shù)(式(6))以及鋼纖維影響系數(shù)(式(7)),最終利用式(8)可得出高溫后SFRSCC動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子修正值。

動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子μDIF修正值與試驗(yàn)值的結(jié)果對(duì)比,如表6所示。同時(shí)基于式(6)～式(8)對(duì)其他學(xué)者的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,其對(duì)比結(jié)果如表7所示。分析得出,當(dāng)橡膠摻量為0～30%時(shí),試驗(yàn)值與計(jì)算值μDIF-1/μDIF-2均值為0.957,方差為0.006;通過(guò)對(duì)比部分學(xué)者數(shù)據(jù),μDIF-1/μDIF-2平均值為0.956,方差為0.006,表明修正公式擬合較為良好,可進(jìn)一步為SFRSCC動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子與應(yīng)變率的關(guān)系提供一定參考。

表6 動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子試驗(yàn)值與修正值對(duì)比

表7 CEB-FIP修正公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比

(5)

δ(s)=1+0.102 4ρs

(6)

δ(r,T)=(1+1.787 1ρr-9.905 3ρr2)[1- 0.000 2(T-20)+10-7(T-20)2]

(7)

(8)

3 結(jié) 論

(1)隨著橡膠摻量的增加,600 ℃高溫冷卻后的SFRSCC動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度呈降低的趨勢(shì);當(dāng)橡膠摻量為10%,20%和30%時(shí),其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度分別下降了4.56%、42.23%和52.89%。

(2)隨著橡膠摻量的提高,常溫下SFRSCC抵抗破碎的能力及沖擊韌性均得到了有效提高;與之相反,經(jīng)600 ℃高溫冷卻后的SFRSCC其抵抗破碎的能力及沖擊韌性均逐漸降低。其中,當(dāng)橡膠摻量為10%,20%和30%時(shí),其動(dòng)態(tài)韌性指數(shù)I5分別下降了8.21%,28.12%和41.36%。

(3)為有效減緩高溫后SFRSCC動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、沖擊韌性以及抵抗破碎能力的劣化,建議橡膠摻量應(yīng)控制在10%以內(nèi)。

(4)600 ℃后SFRSCC的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子μDIF均隨著應(yīng)變率的提高而提高,表現(xiàn)出一定的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。當(dāng)橡膠摻量超過(guò)10%時(shí),其μDIF會(huì)隨著橡膠摻量的提升而進(jìn)一步降低;其中,當(dāng)橡膠摻量增加至20%和30%時(shí),μDIF分別降低了5%～10%和32%～42%。

(5)提出了高溫后SFRSCC的μDIF預(yù)測(cè)公式,可為進(jìn)一步分析探討高溫后SFRSCC動(dòng)力特性提供一定參考。