活性粉末混凝土高溫后沖擊力學(xué)性能研究

王立聞，龐寶君，林 敏，張 凱，陳 勇，王少恒

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，RPC)是由法國(guó)BOUYGUES公司在1993年研制成功的一種超高性能混凝土［1］。因其具有優(yōu)良性能，因此在橋梁、海洋、核電、航天及軍事防護(hù)等工程領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，已經(jīng)成為研究的新熱點(diǎn)［2－3］。

RPC制備時(shí)需摻入鋼纖維以改善其脆性特性。隨著RPC材料在工程中的應(yīng)用，其服役環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，存在高溫后承受沖擊載荷的情況，如火箭發(fā)射臺(tái)導(dǎo)流槽等。這對(duì)RPC材料的抗火(高溫)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，即需要考慮高溫后的抗沖擊性能。

目前，鋼纖維對(duì)高性能混凝土高溫后靜力學(xué)特性的影響規(guī)律研究較多。Luo等［4］的研究表明，高溫后鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度高于素混凝土，并認(rèn)為是混凝土基體內(nèi)部損傷減少和鋼纖維增強(qiáng)增韌作用綜合影響的結(jié)果。Poon等［5］通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維的摻入可明顯地提高混凝土高溫后的抗壓強(qiáng)度和彈性模量。Chen等［6］的研究也認(rèn)為，鋼纖維的存在可減少高溫后混凝土內(nèi)部的損傷，降低高溫后混凝土力學(xué)性能的損失。然而，鋼纖維對(duì)RPC材料高溫后沖擊力學(xué)性能的影響研究還很少見(jiàn)到報(bào)道。

因此，研究鋼纖維對(duì)RPC材料高溫過(guò)火后沖擊壓縮力學(xué)性能的影響規(guī)律是必要的。本文的研究工作可為RPC材料的抗火設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)與參考。

1 材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料與配合比

水泥:P·O42.5型硅酸鹽水泥。硅灰:挪威?？瞎旧a(chǎn)的中質(zhì)硅灰，比表面積為1.5×105cm2/g。石英粉:粒徑分布為5～30μm，其中 SiO2含量大于99.6%。石英砂:109～212μm和212～380μm兩種級(jí)配石英砂。鋼纖維:高強(qiáng)超細(xì)鋼纖維，平均lf=12 mm，df=0.2 mm，抗拉強(qiáng)度不低于1 000 MPa。減水劑:聚羧酸高效減水劑。

實(shí)驗(yàn)共制備 5 類試樣，分別為 V0、V0.5、V1.0、V1.5和V2.0。其中V代表鋼纖維，具體數(shù)值代表體積摻量。RPC基體的配合比見(jiàn)表1，減水劑的用量為2.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，其它均為質(zhì)量比。

表1 RPC基體配合比Tab.1 Mixture proportion of RPC matrix

1.2 試樣制備過(guò)程

將原材料按配合比混合，放入水泥砂漿攪拌機(jī)中，逐漸加水?dāng)嚢?，直至均勻。攪拌完成后，將拌合物澆注于?nèi)徑36.5 mm，長(zhǎng)度600 mm的模具中，在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)5 min成型。試件成型后移入養(yǎng)護(hù)室，24 h拆模，在60℃蒸汽中養(yǎng)護(hù)3天。根據(jù)SHPB實(shí)驗(yàn)對(duì)試樣尺寸的要求，使用切片機(jī)將試件制成Φ36.5×23 mm的圓柱體，兩端進(jìn)行精磨，不平行度≤0.02 mm。

最后將制備好的試樣烘干后放入加熱爐中加熱，由于加熱溫度達(dá)到800℃以上時(shí)，試樣常出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象，較難獲得完整的試樣，因此本文的過(guò)火溫度選為400℃、600℃及800℃。升溫方式:最初電爐以全功率輸出，最高升溫速率可達(dá)16℃/min。隨溫度升高，升溫速率逐漸降低，快達(dá)到預(yù)定溫度(比預(yù)定溫度低100℃左右)時(shí)，電爐進(jìn)行自動(dòng)整定，最低升溫速率僅為1℃/min。達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)保持該溫度1 h，然后打開(kāi)爐門(mén)自然降溫，3 h后取出試件并靜置于常溫下，24 h后進(jìn)行試驗(yàn)。制備好的試樣如圖1所示。

圖1 試樣外貌Fig.1 Pictures of specimens

1.3 混凝土SHPB實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)空間碎片高速撞擊研究中心的Φ40 mm SHPB裝置上進(jìn)行的。壓桿和子彈的材料均為高強(qiáng)度合金鋼，入射桿、透射桿長(zhǎng)度均為1 800 mm，子彈長(zhǎng)度300 mm。圖2為SHPB實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

圖2 SHPB實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Sketch of SHPB experiment

傳統(tǒng)SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)基于一維假設(shè)和應(yīng)力均勻性假設(shè)［7］。本文選用鉛片作為波形整形器，形狀為6 mm×6 mm×1 mm的長(zhǎng)方體，實(shí)驗(yàn)時(shí)放置在入射桿前端面。圖3所示為應(yīng)變率80 s－1時(shí)典型入射波、反射波及透射波波形圖。可見(jiàn)，反射波有一明顯的平臺(tái)段，占整個(gè)有效加載段的50%左右，說(shuō)明在試樣的整個(gè)加載過(guò)程中，大部分時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了近似恒應(yīng)變率加載。沖擊加載的平均應(yīng)變率均控制在75～85 s－1。

圖3 典型的SHPB實(shí)驗(yàn)波形Fig.3 Typical SHPB experiment signal

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

圖4所示為高溫過(guò)火前后試樣沖擊壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線，為了便于分析，將描述應(yīng)力應(yīng)變曲線特征的主要力學(xué)參數(shù)匯總成表2。

2.1.1 動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度

文中動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度是指應(yīng)力應(yīng)變曲線峰值應(yīng)力值，用符號(hào)D表示。而動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)是指試樣高溫后動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與常溫下動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的比值，表達(dá)式為:

式中:KD表示動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度折減系數(shù);DT表示高溫后動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度值;D20表示常溫下動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度值。

圖4 高應(yīng)變率(75～85 s－1)下RPC試樣沖擊壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Dynamic compression stress-strain curves for RPC specimens under high strain rate(75 ～85 s－1)

表2 高應(yīng)變率(75～85 s－1)下試樣高溫過(guò)火前后動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Tab.2 Dynamic testing results of specimens before and after exposure in high temperature under high strain rate(75 ～85 s－1)

分析表2中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著過(guò)火溫度的升高，RPC試樣的D值均有不同程度的降低。圖5所示為RPC材料在常溫下、400℃、600℃及800℃高溫過(guò)火后RPC基體微觀組織結(jié)構(gòu)的SEM掃描電鏡圖片?？梢?jiàn)，常溫下水泥石結(jié)構(gòu)非常均勻、密實(shí)，無(wú)裂紋。400℃高溫過(guò)火后，基體結(jié)構(gòu)開(kāi)始有所變化，并因蒸汽壓的存在產(chǎn)生了微觀裂紋。當(dāng)過(guò)火溫度達(dá)到600℃時(shí)，裂紋寬度進(jìn)一步增加。而800℃高溫過(guò)火后，基體組織結(jié)構(gòu)已經(jīng)破碎。高溫后RPC材料內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)的劣化是其宏觀力學(xué)性能降低的根本原因。

圖5 RPC基體SEM掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.5 SEM photos for RPCmatrix

圖6 和圖7所示分別為高溫后動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度及折減系數(shù)隨過(guò)火溫度的變化規(guī)律。

由圖6可見(jiàn)，無(wú)論高溫作用與否，摻加鋼纖維的試樣D值均要高于V0試樣。說(shuō)明鋼纖維在常溫下及高溫后對(duì)RPC材料均起到了增強(qiáng)作用。由表2中數(shù)據(jù)可知:

(1)常溫下，V0.5、V1.0、V1.5、V2.0 試樣較 V0試樣分別提高了 8.8%、19.7%、10.1%、13.7%。

(2)400℃高溫后，V0.5、V1.0、V1.5、V2.0 試樣較 V0 試樣分別提高了 8.4%、18.0% 、6.7%、13.8%。

(3)600℃高溫后，V0.5、V1.0、V1.5、V2.0 試樣較 V0 試樣分別提高了 20.9%、28.1%、23.1%、21.1%。

(4)800℃高溫后，V0.5、V1.0、V1.5、V2.0 試樣較 V0 試樣分別提高了 16.7%、35.1%、6.7%、24.8%。

由圖7可見(jiàn)，600℃和800℃高溫過(guò)火后，摻加鋼纖維試樣的KD值整體上大于V0試樣。

2.1.2 能量吸收能力(韌性)

從宏觀角度考慮，韌性可以定義為材料從加載到失效為止吸收能量的能力。因此，韌性是材料強(qiáng)度和延性兩種機(jī)制的綜合效果，所以用其評(píng)價(jià)材料抗沖擊性能的優(yōu)劣更為合理。

參考 Taerwe［8］和 Nataraja［9］文獻(xiàn)中的說(shuō)明，將韌性(Toughness)定義為指定應(yīng)變值應(yīng)力應(yīng)變曲線下包圍的面積，用符號(hào)T表示，計(jì)算方法如圖8所示。將試樣韌性指標(biāo)T值與動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度指標(biāo)D值的比值定義為相對(duì)韌性(Specific Toughbess)，用符號(hào)ST表示。ST可以反映出應(yīng)力應(yīng)變曲線峰值應(yīng)力點(diǎn)過(guò)后塑性流動(dòng)的變化趨勢(shì)。ST值越大，說(shuō)明曲線越平緩，塑性流動(dòng)現(xiàn)象越明顯。而韌性折減系數(shù)KT是指試樣高溫后韌性與常溫下韌性的比值。在本文研究中，計(jì)算韌性指標(biāo)T時(shí)指定的應(yīng)變值為0.020。

圖6 D隨過(guò)火溫度的變化規(guī)律Fig.6 Variation of D with temperature

圖7 KD隨過(guò)火溫度的變化規(guī)律Fig.7 Variation of KD with temperature

圖8 韌性指標(biāo)T值計(jì)算方法示意圖Fig.8 Sketch of calculation method for toughness T

圖9 所示為高溫后韌性T隨過(guò)火溫度的變化規(guī)律?？梢?jiàn)，400℃高溫后，韌性指標(biāo)T值不降反升。這是因?yàn)楦邷仉m然降低了試樣的D值，但也同時(shí)提高了試樣的變形能力，體現(xiàn)在應(yīng)力應(yīng)變曲線上即為峰值應(yīng)力后的塑性流動(dòng)性能提高。而韌性是材料強(qiáng)度和延性兩種機(jī)制的綜合效果。因此，T值隨溫度下降的速度低于D值。當(dāng)過(guò)火溫度達(dá)到600℃時(shí)T值明顯降低。800℃高溫后試樣的T值已經(jīng)降為原來(lái)的1/3左右。這是因?yàn)楦邷睾笤嚇觿?dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的降低幅度大于其塑性流動(dòng)性能的增長(zhǎng)程度。同時(shí)可以看到，常溫下及高溫后摻加鋼纖維的試樣T值均要高于V0試樣。說(shuō)明鋼纖維在常溫下及高溫后對(duì)RPC材料均有增韌的作用。

圖10所示為高溫后韌性折減系數(shù)KT隨過(guò)火溫度的變化規(guī)律。可見(jiàn)，同KD相比，韌性折減系數(shù)KT值相對(duì)較大，這是由高溫后試樣變形能力增強(qiáng)引起的。同時(shí)可見(jiàn)，400℃、600℃和800℃高溫后，摻加鋼纖維試樣的KT值整體上都低于V0試樣，即高溫后鋼纖維的增韌作用不如常溫下表現(xiàn)明顯。這是因?yàn)楦邷刈饔靡呀?jīng)使試樣的變形能力提高了，因此鋼纖維的增韌作用相對(duì)就變?nèi)趿?。且由圖9可見(jiàn)，過(guò)火溫度越高，鋼纖維摻量試樣與V0試樣韌性指標(biāo)T值就越接近。說(shuō)明隨著過(guò)火溫度的升高鋼纖維的增韌作用變?nèi)酢?/p>

圖11所示為相對(duì)韌性 ST的變化規(guī)律?？梢园l(fā)現(xiàn):

(1)無(wú)論高溫作用與否，摻加鋼纖維試樣ST值均大于V0試樣，說(shuō)明鋼纖維對(duì)RPC材料韌性指標(biāo)T的增強(qiáng)方式不僅僅提高了其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度值，同時(shí)還對(duì)峰值應(yīng)力后塑性流動(dòng)性能有影響，使其增強(qiáng)。且常溫下塑性流動(dòng)性能的增加幅度大，高溫后增加幅度小。

(2)隨著過(guò)火溫度的升高，試樣的ST值均相應(yīng)地增大。說(shuō)明高溫作用對(duì)試樣變形能力的增強(qiáng)體現(xiàn)在塑性流動(dòng)性能的提高上。正是高溫作用對(duì)塑性流動(dòng)性能的提高削弱了鋼纖維在這方面的貢獻(xiàn)。

圖9 T隨過(guò)火溫度變化規(guī)律Fig.9 Variation of T with temperature

圖10 KT隨過(guò)火溫度變化規(guī)律Fig.10 Variation of KT with temperature

圖11 ST的變化規(guī)律Fig.11 Variation of ST

2.2 沖擊破壞分析

圖12 ～圖14所示分別為常溫下、600℃及800℃高溫過(guò)火后試樣的沖擊壓縮破碎模式。從破碎形式上看，試樣多呈現(xiàn)邊緣開(kāi)始剝落，由外及里，逐漸向芯部發(fā)展的趨勢(shì)。但高溫后試樣因內(nèi)部組織的損傷及物理化學(xué)變化表現(xiàn)出粉碎性的破壞形式。從破碎程度上看，摻加鋼纖維的試樣多呈裂而不散的狀態(tài)，且隨著鋼纖維摻量的增加，破碎程度逐漸降低。試樣組織結(jié)構(gòu)因高溫產(chǎn)生損傷。因此，相同鋼纖維體積摻量下，800℃高溫后的試樣破碎程度最高。

圖12 常溫下試樣沖擊壓縮破碎模式Fig.12 Fragmentation modes of samples within room temperature

2.3 能量分析

本文實(shí)驗(yàn)中使用的沖擊加載設(shè)備為SHPB裝置，由粘貼在壓桿上的應(yīng)變計(jì)得到的波形信號(hào)，可以獲得從開(kāi)始加載到卸載結(jié)束整個(gè)過(guò)程中壓桿上的入射能WI、反射能WR和透射能WT，從而推算出加載過(guò)程中試樣吸收的能量值，計(jì)算公式如下［10］:

試樣在沖擊壓縮過(guò)程中所吸收的能量WL可由如下公式計(jì)算得到:

為了衡量試樣在相同沖擊條件下能量吸收的效率，定義能量吸收率α，計(jì)算公式如下:

將式(2)和式(3)代入式(4)中，可得:

由入射波、反射波及透射波原始數(shù)據(jù)經(jīng)式(3)和式(5)計(jì)算可得到試樣吸收能量和能量吸收率時(shí)程曲線。

圖15和圖16所示分別為常溫下不同鋼纖維體積摻量試樣吸收能量和能量吸收率時(shí)程曲線。圖17和圖18分別為800℃高溫后不同鋼纖維體積摻量試樣吸收能量和能量吸收率時(shí)程曲線。

由圖15和圖17可見(jiàn)，無(wú)論常溫下還是800℃高溫后，摻加鋼纖維后試樣的能量吸收能力都得到了提高。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，800℃高溫后試樣的能量吸收能力低于常溫下。究其原因，在相近的沖擊條件下，造成能量吸收能力不同的根本原因在于能量吸收率的不同。

圖15 常溫下試樣吸收能量時(shí)程曲線Fig.15 Time-history curves of absorbed energy for specimens within room temperature

圖16 常溫下試樣能量吸收率時(shí)程曲線Fig.16 Time-history curves of energy absorbency for specimens within room temperature

圖17 800℃高溫后試樣吸收能量時(shí)程曲線Fig.17 Time-history curves of absorbed energy for specimens after exposure in 800℃

圖18 800℃高溫后試樣能量吸收率時(shí)程曲線Fig.18 Time-history curves of energy absorbency for specimens after exposure in 800℃

由圖16和圖18可見(jiàn)，常溫下及800℃高溫后V0.5、V1.0、V1.5、V2.0 試樣的能量吸收率總體上都高于V0試樣。這是因?yàn)?，活性粉末混凝土材料拉壓比小，脆性?qiáng)，當(dāng)試樣受到?jīng)_擊壓縮載荷后內(nèi)部裂紋擴(kuò)展迅速，常出現(xiàn)崩碎性破壞，使得試樣有效截面積顯著降低，能量吸收能力也就明顯下降。當(dāng)試樣中摻入鋼纖維后，由于鋼纖維的存在使得試樣在承受沖擊壓縮載荷后內(nèi)部裂紋擴(kuò)展受到限制，鋼纖維較好地起到了阻裂的作用，使得試樣保持較高的有效截面積。因此，摻加鋼纖維的試樣能量吸收率高于V0試樣。

3 結(jié)論

(1)隨著過(guò)火溫度的升高，RPC材料動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度均有不同程度的降低。通過(guò)SEM掃描電鏡觀察，認(rèn)為材料微觀組織結(jié)構(gòu)高溫過(guò)火后的損傷是其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度降低的根本原因。

(2)鋼纖維在常溫下及高溫后對(duì)RPC材料動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度均有增強(qiáng)的作用。

(3)高溫后動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度指標(biāo)的損失程度高于韌性指標(biāo)。因?yàn)楦邷刈饔秒m然降低了RPC材料的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，但也同時(shí)提高了塑性流動(dòng)性能。

(4)鋼纖維在常溫下及高溫后對(duì)RPC材料的韌性指標(biāo)均有增加的作用，但高溫后鋼纖維的增韌作用沒(méi)有在常溫下明顯。

(5)對(duì)RPC材料沖擊壓縮過(guò)程進(jìn)行能量分析，發(fā)現(xiàn)常溫下及高溫后鋼纖維試樣的能量吸收率較高，因此其能量吸收能力也較強(qiáng)。相近沖擊條件下，能量吸收能力取決于能量吸收率的大小。

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