PVA纖維混凝土的動(dòng)態(tài)壓縮性能試驗(yàn)研究

蘇　駿， 汪思維， 陳　明， 張　鵬

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

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PVA纖維混凝土的動(dòng)態(tài)壓縮性能試驗(yàn)研究

蘇駿， 汪思維， 陳明， 張鵬

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

[摘要]為了研究PVA纖維混凝土的動(dòng)態(tài)壓縮性能，采用Φ74SHPB(分離式霍普金森壓桿)裝置對(duì)三種體積摻量的PVA纖維混凝土進(jìn)行不同應(yīng)變率下的沖擊壓縮試驗(yàn)，獲得了較高應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，PVA纖維混凝土是一種應(yīng)變率敏感材料，在沖擊荷載作用下，其破壞應(yīng)力、峰值應(yīng)變、峰值韌度等技術(shù)指標(biāo)都隨應(yīng)變率的增加而增大。

[關(guān)鍵詞]纖維混凝土； 沖擊壓縮試驗(yàn)； 破壞應(yīng)力； 峰值應(yīng)變； 峰值韌度

1試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)裝置與內(nèi)容

本試驗(yàn)利用Φ74 SHPB(分離式霍普金森壓桿)裝置對(duì)PVA纖維混凝土進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮性能試驗(yàn)。該試驗(yàn)裝置主要由主體設(shè)備、能源系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)三部分組成。試驗(yàn)選用800 mm子彈(打擊桿)，入射桿全長(zhǎng)3 200 mm，為變截面桿，透射桿長(zhǎng)度為1 600 mm，直徑為74 mm。能源系統(tǒng)的作用是調(diào)節(jié)高壓氣體的激發(fā)氣壓數(shù)值從而控制子彈沖擊速度，以獲得不同應(yīng)變率下的加載波形；測(cè)試系統(tǒng)由速度測(cè)試儀、應(yīng)變片、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀以及測(cè)量分析儀組成。除對(duì)PVA纖維混凝土進(jìn)行沖擊壓縮試驗(yàn)研究之外，在SHT4106電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上完成PVA纖維混凝土部分試樣的靜力壓縮試驗(yàn)。

1.2試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料中，粗骨料采用粒徑為5~20 mm連續(xù)級(jí)配的碎石，細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.6的河砂，水泥采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。PVA纖維選用上海博寧工程纖維材料有限公司生產(chǎn)的PVA纖維，體積摻量分別為0.08%、0.1%、0.2%，其性能指標(biāo)見表1。

PVA纖維混凝土動(dòng)態(tài)壓縮試樣采用Φ70 mm×35 mm的圓柱體試塊。按照試驗(yàn)的配合比要求，制作完成了100 mm×100 mm×100 mm試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后，用混凝土鉆芯機(jī)鉆取Φ70 mm的芯樣，然后用巖石切割機(jī)切取Φ70 mm×35 mm的圓柱體試塊，并用打磨機(jī)對(duì)切割好的試塊進(jìn)行端面水磨精細(xì)加工，使試樣端面不平整度控制在0.02 mm以內(nèi)。SHPB試驗(yàn)混凝土配合比見表2。

表1　PVA纖維的基本性能

表2　混凝土配合比

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1PVA纖維混凝土靜態(tài)壓縮抗壓強(qiáng)度分析

在靜力壓縮試驗(yàn)中，根據(jù)PVA纖維體積摻量(0、0.08%、0.1%、0.2%)的不同將試驗(yàn)分為4組，每組完成3次測(cè)試，然后以3個(gè)測(cè)量值的算術(shù)平均值作為測(cè)定值，具體結(jié)果見表3。

表3　PVA纖維混凝土抗壓強(qiáng)度

由表3可知，當(dāng)PVA纖維體積摻量在0.08%時(shí)，PVA纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度相比于素混凝土提高了3.9%；當(dāng)PVA纖維體積摻量在0.1%時(shí)，PVA纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度提高了1.2%；當(dāng)PVA纖維體積摻量在0.2%時(shí)，PVA纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度卻略有降低，說明PVA纖維的摻入能提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。

2.2PVA纖維混凝土動(dòng)態(tài)壓縮抗壓強(qiáng)度分析

SHPB試驗(yàn)共對(duì)3種纖維摻量(0.08%、0.1%、0.2%)的PVA纖維混凝土試樣進(jìn)行了不同應(yīng)變率下的沖擊壓縮試驗(yàn)，平均應(yīng)變率分別取為45s-1、67s-1、90s-1。每種應(yīng)變率下做6次實(shí)驗(yàn)，選取其中較好的應(yīng)力-應(yīng)變曲線作為試驗(yàn)結(jié)果。圖1為同種纖維摻量下不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。SHPB試驗(yàn)結(jié)果歸納于表4。

由圖1和表4可知，在沖擊荷載作用下，PVA纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增加而提高。在45 s-1、67 s-1、90 s-1應(yīng)變率下，0.08%PVA纖維摻量混凝土的峰值應(yīng)力分別為55.1 MPa、62.7 MPa、76.7 MPa，分別是靜態(tài)抗壓強(qiáng)度(50.5 MPa)的1.09倍、1.24倍、1.52倍；0.1%PVA纖維摻量下混凝土的峰值應(yīng)力分別為55.3 MPa、64.7 MPa、68.5 MPa，分別是靜態(tài)抗壓強(qiáng)度(49.2 MPa)

的1.12倍、1.32倍、1.39倍；0.2%PVA纖維摻量下混凝土的峰值應(yīng)力分別為56.4 MPa、58.7 MPa、71.9 MPa，分別是靜態(tài)抗壓強(qiáng)度(48.3 MPa)的1.17倍、1.22倍、1.49倍。

(a)0.08%PVA纖維摻量

(b)0.1%PVA纖維摻量

(c)0.2%PVA纖維摻量圖 1　不同纖維摻量下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

PVA纖維摻量/%平均應(yīng)變率/s-1靜態(tài)抗壓強(qiáng)度/MPa峰值應(yīng)力/MPaεpεmaxDIF破壞形態(tài)0.0845679050.550.550.555.162.776.70.010000.006540.007900.017220.026990.037491.091.241.52粗裂紋,邊緣剝落碎裂成大塊碎裂成小塊0.145679049.249.249.255.364.768.50.005570.009620.013120.017150.02310.033581.121.321.39粗裂紋,邊緣剝落碎裂成大塊碎裂成小塊0.245679048.348.348.356.458.771.90.006350.00750.009220.016450.020590.035141.171.221.49細(xì)裂紋,邊緣剝落碎裂成大塊碎裂成小塊

表中εp、εmax分別為應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的峰值應(yīng)變、極限應(yīng)變；

動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度增長(zhǎng)因子DIF=峰值應(yīng)力/靜態(tài)抗壓強(qiáng)度

圖 2　應(yīng)力-應(yīng)變率曲線

圖 3　DIF-應(yīng)變率曲線

由圖2可看出，混凝土的破壞應(yīng)力隨應(yīng)變率的增加呈非線性增加。當(dāng)PVA纖維摻量為0.08%和0.2%時(shí)，混凝土的破壞應(yīng)力在90 s-1應(yīng)變率的破壞應(yīng)力增幅比其在67 s-1應(yīng)變率時(shí)的破壞應(yīng)力增幅大得多，其應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)更顯著。而當(dāng)PVA纖維摻量為0.1%時(shí)，混凝土在90 s-1應(yīng)變率下的破壞應(yīng)力增幅則比其在67 s-1應(yīng)變率下的破壞應(yīng)力增幅小。其主要原因是：在PVA纖維摻量為0.1%的時(shí)候，其臨界應(yīng)變率比較小，Ross等人[4]認(rèn)為混凝土臨界應(yīng)變率為60 s-1~80 s-1，當(dāng)達(dá)到其臨界應(yīng)變率的時(shí)候，其應(yīng)變率效應(yīng)有所減弱，即其破壞應(yīng)力增幅減小。

研究纖維混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變率關(guān)系，主要是研究混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度相對(duì)于靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)。DIF的計(jì)算結(jié)果見表4，DIF與應(yīng)變率的關(guān)系見圖3，可以看出，隨著應(yīng)變率的增加，DIF值呈上升趨勢(shì)，最大達(dá)到1.52倍。在不同應(yīng)變率下，增強(qiáng)效果各不相同，在45 s-1應(yīng)變率下，PVA纖維摻量為0.2%的混凝土增強(qiáng)效果最佳；在67 s-1應(yīng)變率下，PVA纖維摻量為0.1%的混凝土增強(qiáng)效果最佳；在90 s-1應(yīng)變率下，PVA纖維摻量為0.08%的混凝土增強(qiáng)效果最佳。

2.3峰值應(yīng)變與極限應(yīng)變分析

圖4和圖5為PVA纖維混凝土動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變及動(dòng)態(tài)極限應(yīng)變與應(yīng)變率的關(guān)系曲線。

圖 4　峰值應(yīng)變-應(yīng)變率曲線

圖5　極限應(yīng)變-應(yīng)變率曲線

從圖4、圖5可看出，PVA纖維混凝土的峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變隨著應(yīng)變率的增加而增加。0.1% PVA纖維摻量的混凝土的峰值應(yīng)變?cè)?0s-1應(yīng)變率下峰值應(yīng)變最大為0.013；0.08%PVA纖維摻量的混凝土極限應(yīng)變最大為0.037。

2.4峰值韌度和沖擊韌度分析

纖維混凝土韌性是反應(yīng)材料在變形過程中吸收能量的重要性能，體現(xiàn)了材料的力學(xué)性能，分別采用峰值韌度和沖擊韌度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5　韌度計(jì)算結(jié)果

PVA纖維混凝土的峰值韌度-應(yīng)變率以及沖擊韌度-應(yīng)變率關(guān)系曲線見圖6和圖7。由此可知，PVA纖維混凝土存在應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)。隨著應(yīng)變率增加，其峰值韌度、沖擊韌度呈總體增加的趨勢(shì)，即韌性增大的趨勢(shì)?？傮w來看，PVA纖維體積摻量在0.1%時(shí)混凝土在各種應(yīng)變率下的韌性最好。

圖 6　峰值韌度-應(yīng)變率曲線

圖 7　沖擊韌度-應(yīng)變率曲線

3結(jié)論

本文分別對(duì)三種不同體積摻量下PVA纖維混凝土的動(dòng)態(tài)壓縮性能進(jìn)行了研究，并得到不同應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出以下結(jié)論：

1)在沖擊荷載作用下，相對(duì)于靜態(tài)混凝土,三種PVA纖維摻量下的混凝土抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增加得到了不同幅度的提升。

2)峰值應(yīng)變、極限應(yīng)變、峰值韌度以及沖擊韌度都存在應(yīng)變率效應(yīng)，在三個(gè)應(yīng)變率條件下，其值隨應(yīng)變率的增加而增大。

3)PVA纖維混凝土的動(dòng)態(tài)壓縮性能的應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)與實(shí)驗(yàn)過程中裂紋的擴(kuò)展、沖擊荷載下試件的慣性約束作用以及動(dòng)態(tài)壓縮下混凝土的損傷演化方式等有關(guān)。

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[責(zé)任編校： 張巖芳]

Experimental Study on Dynamic Compression Properties of Polyvinyl Alcohol(PVA) Fiber Concrete

SU Jun，WANG Siwei, CHEN Ming，ZHANG Peng

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Abstract：In order to research the dynamic compression properties of PVA fiber concrete, a SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar) of 74mm was used to make the impact compression experiments with different strain rate ranges for PVA fiber concrete of three different volume contents, and the dynamic stress-strain relationships in the scope of high strain rate were then obtained. The results show that PVA fiber concrete is a strain sensitive material; the failure stress, the peak strain, the peak toughness and other technical indicators increase with the increasing strain rate when they were under the action of the impact load.

Keywords：fiber concrete; impact compression experiment; the failure stress; the peak strain; the peak toughness

[中圖分類號(hào)]TU528.572

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]：A

[文章編號(hào)]1003-4684(2016)01-0108-04

[作者簡(jiǎn)介]蘇駿(1971-)， 男， 安徽六安人，工學(xué)博士，湖北工業(yè)大學(xué)教授，研究方向?yàn)槔w維混凝土結(jié)構(gòu)與工程結(jié)構(gòu)抗震

[基金項(xiàng)目]湖北省自然科學(xué)基金(2011CDB094)

[收稿日期]2015-04-20