玄武巖纖維包裹混凝土圓形柱的抗沖擊性能研究

李明釗， 張志剛， 葛 濤， 譚萬鵬， 郭家齊， 閆煥敏

(空軍工程大學(xué) 機(jī)場建筑工程系，西安 710038)

?

玄武巖纖維包裹混凝土圓形柱的抗沖擊性能研究

李明釗， 張志剛， 葛 濤， 譚萬鵬， 郭家齊， 閆煥敏

(空軍工程大學(xué) 機(jī)場建筑工程系，西安 710038)

對C30、C40、C50三種強(qiáng)度等級的素混凝土及1～4層玄武巖纖維(BFRP)包裹試件進(jìn)行了SHPB沖擊試驗，分析了試件在沖擊作用下的破壞現(xiàn)象，研究了應(yīng)變率和約束比對應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響，得到了BFRP約束混凝土的動態(tài)強(qiáng)度擬合公式。試驗結(jié)果表明：BFRP包裹試件的抗打擊能力和變形能力較未包裹試件有較大提高，具有良好的吸能能力；隨著包裹層數(shù)的增加和應(yīng)變率提高，試件抗沖擊強(qiáng)度和變形能力提高明顯，應(yīng)力應(yīng)變曲線下降段的下降速度開始變緩，說明纖維在試件中所起的作用增強(qiáng)。

玄武巖纖維包裹混凝土；分離式霍普金森壓桿；約束比；應(yīng)變率效應(yīng)；動態(tài)強(qiáng)度

連續(xù)玄武巖纖維具有高力學(xué)強(qiáng)度、高彈性模量、高熱穩(wěn)定性、優(yōu)異的耐酸堿性、質(zhì)量輕和成本低等特點，可將其摻入混凝土中或制成纖維布后包裹混凝土構(gòu)件以增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能。將玄武巖纖維摻入混凝土中制成玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土可有效改善混凝土的脆性，提高動態(tài)壓縮強(qiáng)度，抗彎強(qiáng)度，沖擊韌性以及能量吸收特性[1-3]。在建筑物構(gòu)件外包裹玄武巖纖維布是一種有效的加固方法[4]，運(yùn)用范圍更加廣泛，比如對地震后建筑的快速粘貼加固。研究表明，玄武巖纖維包裹加固能顯著提高混凝土構(gòu)件的抗震性能，改變混凝土構(gòu)件的破壞形態(tài)，提高抗剪承載力、延性和耗能能力[5-7]?；炷敛牧蠟閼?yīng)變率敏感性材料，SHPB試驗結(jié)果表明[8]，素混凝土圓柱構(gòu)件的破壞應(yīng)力和破壞應(yīng)變隨應(yīng)變率的增大而增大。李祥龍等[9]研究了鋼質(zhì)套筒側(cè)限約束下混凝土試件在沖擊荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變特性，認(rèn)為試件的延性和抗破壞能力均明顯增強(qiáng)，其破壞應(yīng)變?yōu)闊o圍壓沖擊試驗中1.8～2.8倍。對于玄武巖纖維包裹混凝土圓形柱的抗沖擊性能，目前研究較少。本文采用?100 mm分離式霍普金森壓桿(Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB)試驗系統(tǒng)，對不同層數(shù)玄武巖纖維包裹的混凝土圓柱形試件進(jìn)行了沖擊加載試驗，研究了約束比和應(yīng)變率對試件抗沖擊性能的影響。

1 SHPB沖擊試驗概簡介

1.1 試件制作

試件尺寸為?98 mm×50 mm，具體制作方案如表1所示(其中玄1層表示粘貼1層玄武巖纖維布，其他依此類推)。本次試驗采用成都航天拓鑫科技有限公司生產(chǎn)的BW200-100玄武巖纖維布，單纖維直徑7μm，拉伸斷裂強(qiáng)度為1 600 N/50 mm(拉伸斷裂強(qiáng)度是指將單位寬度的試樣拉伸至斷裂時所需施加的最大力，單位為N/50 mm)，纖維布的粘貼按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[10]規(guī)定的方法，采用濕黏法進(jìn)行粘貼，采用3 cm的搭接長度。膠黏劑采用TTL型環(huán)氧樹脂膠黏劑，抗拉強(qiáng)度48 MPa，受拉彈模2.7 GPa，伸長率1.6%，與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度2.71 MPa。試件粗骨料為10～15 mm的碎石，水泥選用PO 42.5普通硅酸鹽水泥。砂子為中砂，細(xì)度模數(shù)2.37的干燥河砂，混凝土拌和水為自來水。由于制作混凝土料棒的專用模具內(nèi)徑較小，C40和C50混凝土為增加其和易性添加了少量木鈣減水劑(FDN)，其用量不超過水泥用量的0.5%。三種強(qiáng)度混凝土的質(zhì)量配合比及7 d、

28 d標(biāo)準(zhǔn)立方體強(qiáng)度如表2所示，本次實驗試件齡期為28 d。

1.2 試驗設(shè)備與方法

本試驗采用?100 mm的SHPB實驗裝置，其入射桿應(yīng)力峰值可以達(dá)到400 MPa，作用時間為300 μs，應(yīng)變率范圍為10～10-3s-1。試驗采用波形整形技術(shù)以保證應(yīng)力均勻性。

圖1為?100 mm的SHPB試驗裝置圖。試驗時，通過發(fā)射裝置內(nèi)的高壓氣體驅(qū)動子彈撞擊入射桿產(chǎn)生入射波εi(t)，致使夾在入射、透射射桿之間的試件產(chǎn)生變形破壞，由此產(chǎn)生反射波εr(t)和透射波εt(t)，之后利用粘貼在壓桿上的電阻。

表1 試件制作方案Tab.1 Specimen production plan

表2 混凝土質(zhì)量配合比及各齡期強(qiáng)度Tab.2 Mix proportion and compressive strength of concrete

圖1 ?100 mm SHPB試驗裝置圖Fig.1 Photo of ?100 mm SHPB

(1)

2 沖擊實驗現(xiàn)象分析

2.1 素混凝土試件沖擊現(xiàn)象

對素混凝土進(jìn)行SHPB沖擊實驗時，其破壞形態(tài)有三種：當(dāng)子彈速度較小時，試件表面出現(xiàn)裂紋，局部開裂，破碎面小；當(dāng)子彈速度適中時，試件裂縫明顯，局部碎裂并脫落；當(dāng)子彈速度較高時，試件完全斷裂，部分碎裂脫落，或完全碎裂成細(xì)小塊狀，見圖2。

圖2 SHPB沖擊實驗中素混凝土試件的破壞形態(tài)Fig.2 The destroying forms of plain concrete specimen in impact test

2.2 BFRP包裹混凝土試件沖擊現(xiàn)象

BFRP包裹混凝土試件進(jìn)行SHPB沖擊實驗時，往往混凝土被沖擊成碎塊，并向四周飛濺。多數(shù)情況由于沖擊后混凝土碎塊飛濺開，所以只剩下BFRP纖維環(huán)，BFRP包裹混凝土試件的沖擊破環(huán)形態(tài)主要有三種情況，即①纖維環(huán)破碎為多片；②纖維環(huán)破碎為幾塊；③纖維環(huán)局部撕裂，但整體仍較完整，如圖3所示。實驗數(shù)據(jù)顯示，混凝土碎塊大小與沖擊能量沒有直接關(guān)系，碎塊大小實際上反映BFRP薄弱區(qū)域分布，有明顯薄弱點的碎塊較大，相反無明顯薄弱點的形成的碎塊較多且小，高速加載時，BFRP的應(yīng)力急速增加，部分纖維絲斷裂后，應(yīng)力還來不及重新分布吸收，BFRP就已經(jīng)被撕開。

圖3 SHPB沖擊實驗中BFRP包裹混凝土的破壞形態(tài)Fig.3 The destroying forms of BFRP impact test with SHPB

3 試驗結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

3.1.1 應(yīng)變率對應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

C30混凝土包裹1層數(shù)時，在應(yīng)變率小于100 s-1情況下，試件在經(jīng)受打擊后完整，表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗沖擊性。而未經(jīng)包裹的素混凝土即使高強(qiáng)度也很少能達(dá)到100 s-1而保持不壞，這說明玄武巖纖維布的存在極大的提高了基體材料的抗打擊能力，使得脆性性質(zhì)的基體具有了足夠變形能力。圖4為沖擊荷載下C30混凝土試件包裹1～4層BFRP的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，圖中曲線編號以BIC30-101-84.4 s-1為例進(jìn)行說明：BI代表玄武巖包裹試件沖擊試驗，C30為混凝土強(qiáng)度，101為第一組試件中的1號試件，84.4 s-1為平均應(yīng)變率。

對一層包裹試件共進(jìn)行了5個應(yīng)變率分組的沖擊實驗，經(jīng)三波法得到應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖4(a)所示。從圖中可以看出在應(yīng)變率在84.4～120 s-1間纖維基本沒有發(fā)生破壞，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)為三角的形狀，與素混凝土相似，從低應(yīng)變率到高應(yīng)變率的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變的變化并不明顯，這說明在該應(yīng)變率范圍內(nèi)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系對應(yīng)變率是不敏感的。最終在較高的應(yīng)變率121.3 s-1下玄武巖纖維發(fā)生整齊的豎向拉斷。由于一層纖維布提供的約束作用不夠，試件破壞時混凝土存在豎向劈裂破壞現(xiàn)象。混凝土破壞后形成的碎塊體積較大，這說明了約束作用不夠。因此，對混凝土進(jìn)行了2層包裹，以得出包裹強(qiáng)度與基體強(qiáng)度之間的關(guān)系。

包裹兩層玄武巖纖維布后試件在最高應(yīng)變率下纖維環(huán)發(fā)生破壞的情況如圖4(b)所示，纖維環(huán)在豎向表現(xiàn)為層狀交錯撕裂破壞，這是由于在試件內(nèi)部形成的應(yīng)力梯度造成迎沖面和被沖面的變形不均勻造成的。與圖4(a)相比，隨著包裹層數(shù)的增加，應(yīng)變率提高，強(qiáng)度提高明顯，并且下降段的下降速度開始變緩，說明纖維在試件中所起的作用增強(qiáng)，在117.2 s-1和156.6 s-1的應(yīng)變率區(qū)間內(nèi)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線的應(yīng)變率效應(yīng)不明顯，兩條線交織在一起。但應(yīng)變率從89.5 s-1到117.20 s-1變化時，應(yīng)力應(yīng)變曲線變化較大。繼續(xù)增加到3層包裹時，保證試件能打壞的最小應(yīng)變率達(dá)到了158.9 s-1，比包裹兩層時的最小值增加了近70 s-1。

由圖4(c)可知，包裹三層時試件的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線與前兩層相比發(fā)生了顯著的變化，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線在峰值處出現(xiàn)了明顯的波動現(xiàn)象，而在沒有約束的混凝土中很難發(fā)現(xiàn)。約束層數(shù)增加到四層后，試件的破壞應(yīng)變率提高到了200 s-1。如圖4(d)所示，纖維環(huán)具有與兩層和三層包裹時相似的破壞特征，應(yīng)力增加不大，但應(yīng)變增加明顯，應(yīng)力在120～140 MPa附近波動，而應(yīng)變則達(dá)到了0.05。可能原因是當(dāng)包裹層數(shù)為四層時，試件出現(xiàn)塑性變形特性，表現(xiàn)為應(yīng)力增加不大，而應(yīng)變繼續(xù)增加。

當(dāng)基體強(qiáng)度為C40時相同約束比不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變及破壞情況如圖5所示。

圖5 沖擊荷載下C40試件包裹1～4層BFRP的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系Fig.5 The σ-ε relationships of C40 specimen confined by BFRP fibre from one to four layers under impact

由圖5可知，在C40混凝土包裹一層纖維布時，應(yīng)變率在107～140 s-1間的應(yīng)力應(yīng)變曲線只有一個峰值出現(xiàn)，表現(xiàn)出素混凝土的特征，纖維吸能現(xiàn)象不明顯。當(dāng)約束層數(shù)增加到2層后，應(yīng)力應(yīng)變曲線的下降段開始慢慢變緩，該現(xiàn)象表明纖維約束作用逐步增強(qiáng)。當(dāng)纖維增加到3層后，可以看出應(yīng)力在峰值附近波動開始變的明顯起來。說明纖維的韌性開始發(fā)揮作用，應(yīng)力的波動范圍從80 ～200 MPa。當(dāng)纖維約束增加到4層后，應(yīng)變率在219.4～273.83 s-1之間時，應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)力在100～180 MPa之間變動，與3層包裹時相比，應(yīng)力波動的范圍變窄，表明材料的吸能能力開始穩(wěn)定。纖維環(huán)的破壞特征與以往相同。當(dāng)C50混凝土作基體材料時，不同應(yīng)變率下的試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6所示，C50纖維約束的應(yīng)力應(yīng)變及破壞情況與前述現(xiàn)象相似。

圖6 沖擊荷載下C50試件包裹1～4層BFRP的σ-ε關(guān)系Fig.6 The σ-ε relationships of C50 specimen confined by BFRP fibre from one to four layers under impact

3.1.2 約束比對應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

為研究約束比對試件性能的影響，將同約束比試件在相近應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行對比分析。給出在相似應(yīng)變率下C30、C40和C50三種基體強(qiáng)度混凝土包裹1～4層數(shù)BFRP的關(guān)系曲線，如圖7所示。從圖中可以看出隨著包裹層數(shù)的增加，應(yīng)力和應(yīng)變增加的比較明顯，但在較高的應(yīng)變率附近由于應(yīng)變率的波動性較大掩蓋了應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系對應(yīng)變率的敏感性，但是由于實驗設(shè)備的打擊能力有限，很難對更高的應(yīng)變率進(jìn)行較大范圍的劃分，需要借助于更高的應(yīng)變率實驗設(shè)備進(jìn)行實驗。

3.2 BFRP約束混凝土的動態(tài)強(qiáng)度

按式(2)對 BFRP包裹混凝土試件的動態(tài)強(qiáng)度進(jìn)行回歸分析：

(2)

(3)

圖7 相近應(yīng)變率下不同約束比試件的σ-ε曲線Fig.7 The σ-ε curves of specimens with different confining rations under similar strain rates

圖8 BFRP約束混凝土動態(tài)強(qiáng)度比/fcd與動態(tài)約束比/fcd關(guān)系Fig.8 The relational curves between /fcdand /fcd for BFRP confined concrete

4 結(jié) 論

(1)BFRP包裹混凝土短柱與未包裹相比，其強(qiáng)度提高值約為約束強(qiáng)度的2倍左右。未經(jīng)包裹的素混凝土試件很少能達(dá)到100 s-1的應(yīng)變率而保持不壞，這說明玄武巖纖維極大的提高了基體材料抗打擊能力，使得脆性性質(zhì)的基體具有了足夠的強(qiáng)度和變形能力。

(2)BFRP約束混凝土試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線在峰值應(yīng)力附近具有波動性，即應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出多個波峰現(xiàn)象，說明混凝土與纖維的破壞不同步。這也體現(xiàn)了BFRP約束試件具有良好的吸能能力，這適應(yīng)了防護(hù)工程對材料的塑性變形要求。BFRP包裹可顯著提高構(gòu)件在沖擊荷載下的變形能力。

(3)BFRP包裹混凝土在沖擊荷載作用下的承載能力應(yīng)以纖維拉壞為標(biāo)準(zhǔn)，不能以混凝土的破壞來確定。因為在纖維沒有被拉壞前，包裹試件始終具有承載能力。

[1] 李為民，許金余. 玄武巖纖維對混凝土的增強(qiáng)和增韌效應(yīng)[J].硅酸鹽學(xué)報，2008,6(4):476-479. LI Weimin, XU Jinyu. Strengthening and toughening in basalt fiber-reinforced concrete[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2008,6(4):476-479.

[2] 沈劉軍，許金余，李為民.玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土靜、動力性能試驗研究[J].混凝土，2008,222(4):66-69. SHEN Liujun, XU Jinyu, LI Weimin. Experimental investigation on the static and dynamic behaviour of basalt fibers reinforced concrete[J]. Concrete, 2008,222(4):66-69.

[3] 趙慶新，董進(jìn)秋，潘慧敏，等. 玄武巖纖維增韌混凝土沖擊性能[J].復(fù)合材料學(xué)報，2010,27(6):120-125. ZHAO Qingxin, DONG Jinqiu, PAN Huimin, et al. Impact behavior of basalt fiber reinforced concrete[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2010,27(6):120-125.

[4] 歐陽利軍，丁斌，陸洲導(dǎo).玄武巖纖維及其在建筑結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2010,(3): 84-88. OUYANG Lijun, DING Bin, LU Zhoudao. BFRP and its application review in structural strengthening[J].Fiber Reinforced Plastics/Composites, 2010,(3):84-88.

[5] 歐陽利軍，丁斌，陸洲導(dǎo)，等. 玄武巖纖維與碳纖維加固短柱抗震試驗研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013,41(2):166-172. OUYANG Lijun, DING Bin, LU Zhoudao, et al. Experimental study on seismic performance of short columns strengthened with BFRP and CFRP[J]. Journal of Tongji University(Natural Science),2013,41(2):166-172.

[6] 吳剛，顧冬生，蔣劍彪，等. 玄武巖纖維與碳纖維加固混凝土圓形柱抗震性能比較研究[J].工業(yè)建筑，2007,37(6):19-23. WU Gang, GU Dongsheng, JIANG Jianbiao, et al. Comparative study on seismic performance of circular concrete columns strengthened with BFRP and CFRP composites[J]. Industrial Construction, 2007,37(6):19-23.

[7] 周運(yùn)瑜，余江滔，陸洲導(dǎo)，等.玄武巖纖維加固震損混凝土框架節(jié)點的抗震性能[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010,41(4):1514-1521. ZHOU Yunyu, YU Jiangtao, LU Zhoudao, et al. Seismic behavior of BFRP-reinforced pre-damaged concrete beam-column joints[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2010,41(4):1514-1521.

[8] 張志剛，孔大慶，宮光明，等. 高應(yīng)變率下混凝土動態(tài)力學(xué)性能SHPB實驗[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007,8(6):611-618. ZHANG Zhigang, KONG Daqing, GONG Guangming, et al. Dynamic mechanical behavior of concrete under high strain rate using SHPB[J]. Journal of PLA University(Science and Technology), 2007,8(6):611-618.

[9] 李祥龍，劉殿書，馮明德，等. 鋼質(zhì)套筒被動圍壓下混凝土材料的沖擊動態(tài)力學(xué)性能[J]. 爆炸與沖擊，2009，29(5)：463-467. LI Xianglong, LIU Dianshu, FENG Mingde, et al. Dynamic mechanical properties of concrete materials subjected to passive confining pressure produced by a steel sleeve[J]. Explosion and Shock Waves, 2009, 29(5): 463-467.

[10] 國家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心，四川省建筑科學(xué)研究院，清華大學(xué)，等.碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程:CECS 146[S]. 中國: 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會，2003.

[11] 王禮立.應(yīng)力波基礎(chǔ)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.

Experiments on impact behaviors of BFRP confined concrete columns

LI Mingzhao, ZHANG Zhigang, GE Tao, TAN Wanpeng, GUO Jiaqi, YAN Huanmin

(Department of Airfield and Building Engineering, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China)

SHPB impact experiments were made on plain concrete specimens and specimens confined with different amount of BFRP layers. The plain concrete specimens were made of C30, C40 and C50 cement. The damage phenomena of specimens were analysed and the influences of strain rate and confinement ratio on the stress-strain curve were investigated. The dynamic strength fitting formula for BFRP confined specimens was achieved. The test results show that BFRP confined specimens have better anti-strike capability, energy absorption capability and deformability compared with those without BFRP confinement. The impact strength and deformability of specimens increase significantly with the increase of strain rate and the amount of BFRP layers, and the slope at the decline section of stress-strain curve becomes smaller, which indicates that BFRP plays a more significant role in concrete specimens.

basalt fiber reinforced plastics (BFRP) confined concrete; split hopkinson pressure bar (SHPB); confinement ratio; strain rate effect; dynamic strength

爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點實驗室開放課題(DPMEIKF201409)

2015-08-05 修改稿收到日期：2015-11-11

李明釗 男，碩士生，1991年生

張志剛 男，博士，副教授，1970年生

TU377

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.22.032