高溫條件下鋼纖維混凝土動態(tài)抗壓性能試驗(yàn)研究

彭 帥， 李 亮， 吳 俊,2， 姜錫權(quán)， 杜修力

(1. 北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；2. 上海工程技術(shù)大學(xué) 軌道交通學(xué)院，上海 201620； 3. 陸軍炮兵防空兵學(xué)院，合肥 230031)

研究高應(yīng)變率及高溫條件下混凝土材料力學(xué)特性的重要手段是開展相關(guān)的試驗(yàn)研究。國內(nèi)外學(xué)者開展了混凝土材料在高溫條件下的動態(tài)加載試驗(yàn)，何遠(yuǎn)明等[1]運(yùn)用SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)裝置和特制的高溫試驗(yàn)爐對鋼管混凝土進(jìn)行高溫條件下的沖擊試驗(yàn)，并對試件的升溫過程進(jìn)行數(shù)值模擬，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明鋼管混凝土是一種比較好的抗高溫抗沖擊材料。Su等[2]通過自主研制的加熱裝置研究了混凝土在不同溫度下的動態(tài)抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果表明在不同溫度下混凝土的動態(tài)抗壓強(qiáng)度和能量吸收比均隨應(yīng)變率的增加而增大，并建立了動態(tài)強(qiáng)度增長因子(Dynamic Increase Factor，DIF)和能量吸收率關(guān)于溫度和應(yīng)變率的表達(dá)式。Chen等[3]通過SHPB試驗(yàn)裝置和工業(yè)微波加熱爐對普通混凝土進(jìn)行了高溫高應(yīng)變率加載試驗(yàn)，討論了溫度和應(yīng)變率對混凝土材料力學(xué)性能的影響，并給出了不同溫度條件下混凝土的動態(tài)強(qiáng)度增長系數(shù)與應(yīng)變率的關(guān)系式。此外，王宇濤等[4-6]都開展了混凝土材料的高溫動態(tài)加載試驗(yàn)研究。

本文擬采用直徑為75 mm的大直徑SHPB試驗(yàn)裝置和電阻式高溫加熱爐對鋼纖維混凝土試件進(jìn)行高溫條件下的動態(tài)沖擊試驗(yàn)，研究溫度和應(yīng)變率對鋼纖維混凝土在高溫條件下動態(tài)力學(xué)性能的影響規(guī)律，并對比鋼纖維混凝土和普通混凝土高溫動態(tài)力學(xué)性能的差異。此外，作為計(jì)算動態(tài)強(qiáng)度增長因子的基礎(chǔ)，還將進(jìn)行鋼纖維混凝土試件在高溫條件下的靜態(tài)壓縮試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)簡介

1.1 試件制備

本次試驗(yàn)中，水泥選用強(qiáng)度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥；粗骨料選用粒徑為5～10 mm卵石和碎石；細(xì)骨料選用中粗河沙，大粒徑5 mm，細(xì)度模數(shù)2.8～3.0,含泥量小于1%；外加劑選用聚羧酸高效減水劑母液；鋼纖維選用超短超細(xì)鍍銅鋼纖維，其纖維長度8 mm、彈性模量210 GPa、抗拉強(qiáng)度3 600 MPa；本次試驗(yàn)的試件所采用的配合比見表1。

表1 混凝土試件配合比Tab.1 Mix proportion of concrete kg/m3

用于靜態(tài)壓縮試驗(yàn)的試件為直徑70 mm，高140 mm的圓柱形試件，用于動態(tài)沖擊試驗(yàn)的試件為直徑70 mm，高35 mm的圓柱形試件。試件通過相應(yīng)尺寸的模具制作而成，在試驗(yàn)之前全部進(jìn)行打磨，保證其端面的平整度和平行度都滿足試驗(yàn)求。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)采用的高溫動態(tài)加載設(shè)備由SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)以及特制的電阻式高溫加熱爐組成(見圖1)。試驗(yàn)過程中試件從開始加熱到保溫完成后進(jìn)行動態(tài)加載均在爐腔內(nèi)進(jìn)行。采用鄭州大學(xué)教育部纖維復(fù)合建筑材料與結(jié)構(gòu)工程研究中心的高溫壓縮試驗(yàn)機(jī)(見圖2)對鋼纖維混凝土試件進(jìn)行高溫條件下的靜態(tài)壓縮試驗(yàn)。

1.3 加載方案

本次試驗(yàn)通過對處于20 ℃，200 ℃，400 ℃，600 ℃，800 ℃等不同溫度下的三種配合比的混凝土試件進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和不同子彈射速的動態(tài)沖擊試驗(yàn)，得到其在相應(yīng)試驗(yàn)條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。通過對試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行比較，分析溫度、應(yīng)變率對鋼纖維混凝土材料抗壓性能的影響。由于混凝土材料是一種非均質(zhì)材料，因此在靜態(tài)壓縮試驗(yàn)中每種配合比試件在同一試驗(yàn)條件下進(jìn)行三次加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取三次試驗(yàn)的平均值。在進(jìn)行動態(tài)沖擊試驗(yàn)時，對每種配合比試件在相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)(一般需5次)，選取破壞模式和應(yīng)力-應(yīng)變曲線相似的三組有效數(shù)據(jù)進(jìn)行平均化處理作為該試驗(yàn)條件下的試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 高溫動態(tài)加載設(shè)備Fig.1 Dynamic loading equipment for elevated temperature

圖2 高溫壓縮試驗(yàn)機(jī)Fig.2 Compression test machine for elevated temperature

1.4 加熱方案

混凝土材料作為一種熱惰性材料，研究其在高溫狀態(tài)下的力學(xué)性能必須保證加載時混凝土試件整體均勻地處于目標(biāo)溫度。由于本文研究工作中涉及的靜態(tài)試驗(yàn)和動態(tài)試驗(yàn)的加熱設(shè)備不同，試件的尺寸也不同，因此針對靜態(tài)和動態(tài)試驗(yàn)分別制定不同的加熱方案以確保試件在加載時的溫度滿足要求。

根據(jù)之前研究人員使用本文高溫靜壓設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合此次試驗(yàn)的試件尺寸，本文的高溫靜態(tài)壓縮試驗(yàn)采用的加熱方案如圖3所示：試件加熱過程中爐腔每分鐘升溫3.33 ℃，爐腔到目標(biāo)溫度后保持溫度不變維持一定時間，其中爐腔加熱到200 ℃，400 ℃時維持溫度2 h，加熱到600 ℃，800 ℃時維持溫度3 h，確保對試件進(jìn)行加載時，試件整體均勻處于目標(biāo)溫度。

對于高溫條件下的動態(tài)沖擊試驗(yàn)，通過在試件中心埋置熱電偶的方法實(shí)時測量試件中心溫度隨爐腔溫度的變化情況。由于試件關(guān)于中心軸對稱且四周均勻受熱，因此可以認(rèn)為當(dāng)試件中心達(dá)到目標(biāo)溫度時試件整體均勻達(dá)到目標(biāo)溫度。進(jìn)行三次測量，求其平均值作為測量結(jié)果，以確定高溫條件下動態(tài)沖擊試驗(yàn)的加熱方案(加熱時間和保溫時間)。不同目標(biāo)溫度對應(yīng)的試件中心的升溫過程如圖4所示，由此得到的試件加熱方案如表2所示。

圖3 高溫靜態(tài)試驗(yàn)加熱方案Fig.3 Heating scheme for static loading test at elevated temperature

圖4 試件中心升溫過程Fig.4 Temperature rising course of specimen center

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2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞狀態(tài)對比

加載速率為8 m/s時，三種配合比的混凝土試件在常溫、600 ℃，800 ℃下的破壞狀態(tài)的對比如圖5所示。通過橫向?qū)Ρ瓤梢钥闯?，普通混凝土承受動態(tài)荷載后基本上完全碎裂而鋼纖維混凝土的破壞程度遠(yuǎn)低于普通混凝土；當(dāng)試驗(yàn)溫度達(dá)到800 ℃后，鋼纖維混凝土試件的破壞情況與普通混凝土基本一致，但還存在較大的碎塊未完全碎裂。說明鋼纖維的添加可以顯著提高混凝土材料的的抗沖擊性能。受到爆炸沖擊荷載的作用時，使用鋼纖維混凝土的結(jié)構(gòu)構(gòu)件相比使用普通混凝土的結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以減少破片的飛散，更好地保護(hù)建筑物內(nèi)的人員和設(shè)施。當(dāng)混凝土材料的溫度達(dá)到800 ℃后鋼纖維對混凝土材料的抗沖擊能力的提升作用基本喪失。通過縱向?qū)Ρ瓤梢钥闯觯簩τ谕慌浜媳然炷猎嚰?，隨著試驗(yàn)溫度的升高，試件的破壞程度越來越嚴(yán)重。

在其他的加載速率條件下，三種配合比的混凝土試件的破壞狀態(tài)的對比具有和圖5相同的規(guī)律。在同一試驗(yàn)溫度下，試件的破壞狀態(tài)隨著加載速率的提高而加劇，其中普通混凝土試件在各加載速率下都發(fā)生破碎，加載速率越高碎裂程度越嚴(yán)重；鋼纖維混凝土試件在本次試驗(yàn)的加載速率下(除800 ℃以外)并無明顯破碎，只是隨著加載速率的增大，試件上的裂縫變大增多。

圖5 不同溫度下不同類型混凝土試件破壞情況對比Fig.5 Comparison of failure performance of concrete specimens at different temperatures

2.2 溫度的影響

表3給出了不同加載速率下，三種配合比試件在不同溫度條件下的動態(tài)強(qiáng)度和峰值應(yīng)變。由表中數(shù)據(jù)可知，鋼纖維的添加對混凝土動態(tài)抗壓強(qiáng)度的提升并不明顯，但可以顯著提高其在動態(tài)加載條件下的變形能力。沖擊加載速率為8 m/s時，不同溫度條件下試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的對比如圖6所示。由圖可知，在動態(tài)加載速率一定的情況下，隨著試驗(yàn)溫度的提高，試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸趨于扁平，其動態(tài)抗壓強(qiáng)度逐漸降低，峰值應(yīng)變逐漸增大。以C60S2試件為例，其在200 ℃，400 ℃，600 ℃和800 ℃時的動態(tài)抗壓強(qiáng)度分別為常溫下動態(tài)抗壓強(qiáng)度的78%，69%，55%和29%。這種變化表明高溫對鋼纖維混凝土和普通混凝土的動態(tài)力學(xué)性能有明顯的損傷作用。當(dāng)試驗(yàn)溫度為200 ℃時，三種配合比試件的動態(tài)抗壓強(qiáng)度相比常溫有明顯的下降，峰值應(yīng)變增大；當(dāng)試驗(yàn)溫度為400 ℃時，三種混凝土試件的動態(tài)抗壓強(qiáng)度與200 ℃時相比略微降低，峰值應(yīng)變繼續(xù)增大。當(dāng)試驗(yàn)溫度為600 ℃和800 ℃時，三種混凝土材料的動態(tài)抗壓強(qiáng)度均隨溫度的升高而大幅度降低，峰值應(yīng)變顯著增大。

圖6 沖擊加載速率為8 m/s時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curve when the impact velocity is 8 m/s

對于混凝土材料的強(qiáng)度隨著溫度升高而降低的現(xiàn)象，一些學(xué)者通過對高溫后的混凝土材料進(jìn)行微觀分析指出[7-9]：當(dāng)試驗(yàn)溫度在300 ℃以內(nèi)時，混凝土材料中的自由水和一部分凝膠水蒸發(fā)，水泥漿體收縮骨料受熱膨脹，混凝土材料更加密實(shí)，同時混凝土試件內(nèi)部也會產(chǎn)生一些微裂縫，強(qiáng)度提高因素和損傷因素共同產(chǎn)生影響，此階段混凝土的強(qiáng)度變化比較復(fù)雜，靜態(tài)加載條件下強(qiáng)度在常溫水平上上下波動，但動態(tài)加載時，由于內(nèi)部微裂縫的存在強(qiáng)度會有明顯的下降；當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃時，C-S-H凝膠體開始變得松散，氫氧化鈣開始少量分解；當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃時，混凝土完全脫水，漿體大幅度收縮同時骨料繼續(xù)受熱膨脹，內(nèi)應(yīng)力變大，骨料和漿體的黏結(jié)面出現(xiàn)開裂，氫氧化鈣大量分解，混凝土試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，抗壓強(qiáng)度急劇下降；當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃時，混凝土試件的內(nèi)應(yīng)力繼續(xù)增大，裂縫繼續(xù)發(fā)展同時石英開始由α型轉(zhuǎn)變?yōu)棣滦?，體積發(fā)生膨脹，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞加??；當(dāng)溫度達(dá)到700 ℃時，氫氧化鈣大量分解，骨料與漿體之間的裂縫迅速擴(kuò)展；當(dāng)溫度達(dá)到900 ℃時，石灰石開始分解，骨料與漿體完全脫離，混凝土幾乎完全喪失承載能力。

2.3 應(yīng)變率的影響

圖7為C60S1試件在不同應(yīng)變率條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖7可知，在試驗(yàn)溫度為400 ℃時，平均應(yīng)變率由75 s-1提高到105 s-1，峰值應(yīng)力從91 MPa提高到102 MPa，提高了約12%；應(yīng)變率由75 s-1提高到140 s-1，峰值應(yīng)力從91 MPa提高到113 MPa，提高了約24%。由試驗(yàn)結(jié)果可以得到，無論是常溫試驗(yàn)條件還是高溫試驗(yàn)條件下，三種配合比的混凝土試件其動態(tài)抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變均隨著應(yīng)變率的增大而提高，表明在常溫和高溫條件下普通混凝土和鋼纖維混凝土的動態(tài)抗壓強(qiáng)度均具有應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)。

圖7 不同應(yīng)變率條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curves for different strain rate

對于混凝土材料的動態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增大而提高的物理機(jī)制的解釋可以歸納為以下三方面：①黏性效應(yīng)。當(dāng)混凝土材料的應(yīng)變率響應(yīng)小于1 s-1時，材料的動態(tài)力學(xué)性能主要由黏性機(jī)制主導(dǎo)，對于材料的壓縮特性，Gary等[10]認(rèn)為10 s-1為物理機(jī)制的顯著改變臨界值；②裂紋演化?；炷敛牧显趧討B(tài)荷載作用下裂紋由微裂紋階段發(fā)展到微裂紋局部化階段再發(fā)展到宏觀裂紋開裂階段；③慣性效應(yīng)。Lu等[11]認(rèn)為當(dāng)混凝土材料的應(yīng)變率響應(yīng)大于30 s-1時，材料的動態(tài)力學(xué)性能主要以慣性效應(yīng)為主。

表3 不同溫度條件下混凝土試件SHPB試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 SHPB test results of concrete specimens at different temperature

3 高溫條件下鋼纖維混凝土動態(tài)強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)

動態(tài)強(qiáng)度增長因子(DIF)[12]，即混凝土材料的動態(tài)強(qiáng)度與靜態(tài)強(qiáng)度的比值，常被用來表征混凝土材料的應(yīng)變率效應(yīng)。圖8給出了三種配合比的試件在不同溫度條件下DIF值隨應(yīng)變率的變化情況。由圖8可知，在高溫條件下，隨著應(yīng)變率的增大，DIF值不斷增大，表明在高溫條件下鋼纖維混凝土材料的動態(tài)抗壓強(qiáng)度具有應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。圖9給出了在沖擊速率為8 m/s的情況下，三種配合比試件的DIF值隨溫度的變化。由圖可知，溫度的變化對鋼纖維混凝土的DIF值有較大的影響，在同一沖擊速率下隨著溫度的升高，其DIF值先減小后增大。在800 ℃時，鋼纖維混凝土的DIF值明顯大于常溫條件下的DIF值，這表明高溫條件下鋼纖維混凝土的應(yīng)變率效應(yīng)更加顯著。

圖8 不同溫度條件下DIF與應(yīng)變率的關(guān)系Fig.8 Variation of DIF with strain rate at different temperatures

圖9 不同溫度條件下的DIFFig.9 DIF at different temperatures

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用分離式霍普金森壓桿和電阻式高溫加熱爐組合的試驗(yàn)系統(tǒng)，開展了高溫條件下鋼纖維混凝土與普通混凝土材料的動態(tài)抗壓性能試驗(yàn)研究，研究了溫度和應(yīng)變率對鋼纖維混凝土動態(tài)壓縮性能的影響，并對比了鋼纖維混凝土與普通混凝土動態(tài)壓縮特性的差異。由試驗(yàn)結(jié)果的分析可以得到以下結(jié)論：

(1) 隨著試驗(yàn)溫度的升高，鋼纖維混凝土的動態(tài)抗壓強(qiáng)度逐漸下降，動態(tài)峰值應(yīng)變逐漸增大，即鋼纖維混凝土具有明顯的溫度損傷效應(yīng)，隨著溫度的升高，其動態(tài)力學(xué)性能逐漸劣化。

(2) 在高溫條件下，鋼纖維混凝土表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，其動態(tài)抗壓強(qiáng)度和DIF值隨著應(yīng)變率的增大而提高。

(3) 在相同的沖擊加載速率下，鋼纖維混凝土的DIF值隨著溫度的升高先減小后增大，高溫條件下鋼纖維混凝土的DIF值高于其常溫條件下的DIF值。

(4) 在動態(tài)加載條件下，鋼纖維的添加可以顯著增強(qiáng)混凝土材料的抗沖擊能力，表現(xiàn)在鋼纖維的添加提高了混凝土材料的峰值應(yīng)變，即增強(qiáng)了混凝土材料在動態(tài)加載條件下的變形能力。另一方面，在本文所研究的含量范圍內(nèi)，鋼纖維的添加對混凝土材料動態(tài)抗壓強(qiáng)度的提升作用并不明顯。