泡沫鋁-鋼纖維混凝土靜態(tài)壓縮性能試驗(yàn)研究

梁 力，王立然，李明姝，高軒麟，李 明

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110819)

0 引 言

導(dǎo)彈發(fā)射井、機(jī)庫(kù)門等均采用傳統(tǒng)鋼包混凝土作為其外部防護(hù)結(jié)構(gòu)，鋼包混凝土雖對(duì)混凝土保護(hù)作用較好，但是因自重大和機(jī)動(dòng)性能較差等缺點(diǎn)限制了其適用范圍。而泡沫鋁作為近些年來(lái)被廣泛研究的新型功能-結(jié)構(gòu)一體化材料，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、吸能緩沖等一系列的優(yōu)越性能[1-2]，鋼纖維混凝土也因具有良好的抗拉和抗沖擊韌性等性能，在橋梁和軍事防護(hù)結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用[3-5]。將二者結(jié)合形成的泡沫鋁-鋼纖維混凝土新型復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以改善傳統(tǒng)鋼包混凝土防護(hù)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，因此這種新型復(fù)合結(jié)構(gòu)受到了國(guó)內(nèi)外防護(hù)工程領(lǐng)域?qū)W者的高度關(guān)注。

Koniki等[6]、張玉杰等[7]進(jìn)行了鋼纖維混凝土單軸壓縮試驗(yàn)，對(duì)不同強(qiáng)度特性的數(shù)據(jù)進(jìn)行了非線性回歸分析，證明了添加端鉤鋼纖維能夠顯著影響混凝土在單軸應(yīng)力作用時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變特性。曹曉卿等[8]在對(duì)泡沫鋁的單向壓縮行為及其吸能性能的研究中指出，在準(zhǔn)靜態(tài)條件下，泡沫鋁的泡孔尺寸對(duì)其壓縮性能和吸能性能影響較大，泡沫鋁孔徑越大，其彈性模量與塑性模量越小、屈服強(qiáng)度越大。Jeon等[9]通過(guò)用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描對(duì)閉孔泡沫鋁的塑性倒塌進(jìn)行了有限元模擬，發(fā)現(xiàn)了泡沫鋁的孔徑大小和“孔壁”材料的塑性性能直接影響泡沫鋁材料屈服平臺(tái)的應(yīng)力大小。陳猛等[10]、Hassanpour等[11]等對(duì)巖石-鋼纖維混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了壓縮性能試驗(yàn)，得到了巖石-鋼纖維混凝土復(fù)合層試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)鋼纖維可明顯提高巖石-鋼纖維混凝土復(fù)合層試件的抗壓強(qiáng)度。

上述研究中，大多是對(duì)泡沫鋁或鋼纖維混凝土單體材料力學(xué)性能研究，對(duì)泡沫鋁-鋼纖維混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究較少。本文通過(guò)對(duì)泡沫鋁-鋼纖維混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)的靜態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)，研究泡沫鋁孔徑大小和鋼纖維摻量對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)抗壓性能的影響，并通過(guò)進(jìn)行拌合物性能試驗(yàn)，對(duì)比分析泡沫鋁孔徑大小和鋼纖維摻量對(duì)泡沫鋁-鋼纖維混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)抗壓性能的影響和作用機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

試驗(yàn)采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.25的天然河砂,粗骨料采用粒徑為5～10 mm的普通碎石,減水劑采用萘系高效減水劑,工業(yè)鋼纖維為衡水普方路橋養(yǎng)護(hù)有限公司生產(chǎn)的端勾型鋼纖維,結(jié)構(gòu)膠為改性環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠。泡沫鋁由安徽一鳴新材料有限公司生產(chǎn)，厚度為10 mm，相對(duì)密度為0.35，孔徑分別為3～6 mm、6～9 mm和9～12 mm，孔隙率約為80%。鋼纖維物理和力學(xué)性能見(jiàn)表1,不同摻量混凝土配合比見(jiàn)表2。

表1 鋼纖維物理和力學(xué)性能參數(shù)Table 1 Physical and mechanical properties of steel fiber

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportions of concrete /(kg·m-3)

1.2 試驗(yàn)方案

利用上海新三思萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和江蘇東華動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀對(duì)泡沫鋁-鋼纖維混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)。采用尺寸分別為100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm的試件進(jìn)行立方體抗壓和軸心抗壓試驗(yàn)。不同孔徑的泡沫鋁試件如圖1所示。非標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強(qiáng)度根據(jù)尺寸效應(yīng)系數(shù)進(jìn)行換算。養(yǎng)護(hù)完成后將混凝土試件和泡沫鋁試件用環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)，粘結(jié)面為0.1 mm。試驗(yàn)參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12]。分別測(cè)試泡沫鋁-鋼纖維混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)在鋼纖維摻量變化以及泡沫鋁孔徑變化時(shí)對(duì)泡沫鋁-鋼纖維混凝土復(fù)合層試件的抗壓強(qiáng)度的影響。試件個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

圖1 不同孔徑下的泡沫鋁試件圖Fig.1 Aluminum foam with different diameters

表3 試件個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of specimen numbers

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝土拌合物性能

(1)坍落度

不同摻量的鋼纖維混凝土坍落度如圖2所示。F0的坍落度為138 mm，F(xiàn)0.5、F1.0和F1.5分別比F0降低9.5%、18.2%和26.8%。原因是隨著鋼纖維摻量的增加，鋼纖維與骨料之間產(chǎn)生更多的“橋架”支撐，混凝土拌合物內(nèi)部摩擦阻力增大[13]，導(dǎo)致拌合物流動(dòng)性減弱，從而使混凝土拌合物坍落度降低。

(2)含氣量

不同摻量的鋼纖維混凝土含氣量如圖3所示。F0含氣量為1.45%，F(xiàn)0.5、F1.0和F1.5的含氣量分別比F0提高了28.5%、49.3%和60.7%。主要原因是鋼纖維的加入在混凝土中形成了纖維與漿體的薄弱界面，產(chǎn)生了更多可供氣體進(jìn)入的通道。同時(shí)，鋼纖維在混凝土中易產(chǎn)生“抱團(tuán)”現(xiàn)象，增加了混凝土拌合物內(nèi)部孔隙缺陷，從而混凝土拌合物的含氣量增大。

(3)彈性模量和泊松比

本試驗(yàn)依據(jù)實(shí)測(cè)的混凝土軸壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，參照美國(guó)規(guī)范(ASTM designation：C469)[14]，按照式(1)、(2)計(jì)算混凝土的彈性模量和泊松比，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

E=(S2-S1)/(ε2-0.000 50)

(1)

μ=(ε12-ε11)/(ε2-0.000 50)

(2)

式中：E為彈性模量，MPa；S1為縱向應(yīng)變?yōu)?.50時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載，MPa；S2為極限荷載值的40%，MPa；ε2為荷載達(dá)到S2時(shí)，對(duì)應(yīng)的縱向應(yīng)變；μ為泊松比；ε12為荷載S2對(duì)應(yīng)的試件中部橫向應(yīng)變；ε11為荷載S1對(duì)應(yīng)的試件中部橫向應(yīng)變。

圖2 混凝土拌合物坍落度Fig.2 Slump of concrete mixture

圖3 混凝土拌合物含氣量Fig.3 Air content of concrete mixture

表4 鋼纖維混凝土彈性模量和泊松比測(cè)試結(jié)果Table 4 Test results of elastic modulus and poisson ratio of steel fiber concrete

2.2 立方體抗壓強(qiáng)度

(1)應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

不同摻量的泡沫鋁-鋼纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度如圖4所示(養(yǎng)護(hù)齡期為28 d)。F0的立方體抗壓強(qiáng)度為52.1 MPa，F(xiàn)0.5、F1.0和F1.5的立方體抗壓強(qiáng)度較F0分別提高8.1%、17.5%和22.6%，這與文獻(xiàn)[6-9]所得出的結(jié)論一致。首要原因是鋼纖維會(huì)在混凝土拌合物內(nèi)部分散形成三維亂向體系，亂相分布的鋼纖維能夠阻礙粗骨料的下沉，使混凝土內(nèi)部更均勻，從而提高混凝土密實(shí)度。其次，在鋼纖維混凝土收縮階段，亂向分布的鋼纖維形成的“網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)”能夠分散混凝土所受壓力，從而使混凝土抗收縮性能得到提高，由于鋼纖維彈性模量較高，鋼纖維混凝土可以承擔(dān)更大的裂縫尖端應(yīng)力，因而能有效地減少混凝土原生裂縫的引發(fā)數(shù)量和阻礙次生裂縫的擴(kuò)展[15]，從而進(jìn)一步提升混凝土的抗壓強(qiáng)度。同時(shí)鋼纖維還能阻礙裂縫的擴(kuò)展，當(dāng)基體開(kāi)裂后，鋼纖維從基體中拔出或拉斷時(shí)承受了一定的應(yīng)力，使混凝土承受荷載能力增大。隨著鋼纖維摻量的增加，同樣長(zhǎng)度的裂縫上“橋聯(lián)”纖維數(shù)變多，從而更好發(fā)揮阻裂作用，增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度。

圖4 泡沫鋁-鋼纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度Fig.4 Cubic compressive strength ofaluminum foam-steel fiber concrete

鋼纖維摻量為1.0%時(shí)不同孔徑的泡沫鋁-鋼纖維混凝土復(fù)合層試件立方體抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5(a)所示(養(yǎng)護(hù)齡期為28 d)。泡沫鋁-鋼纖維混凝土復(fù)合層試件的立方體抗壓強(qiáng)度較鋼纖維混凝土增長(zhǎng)約5.3%～8.2%，并且在泡沫鋁-鋼纖維混凝土復(fù)合層試件受壓前期，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)一段較為明顯的平臺(tái)區(qū)，如圖5(b)所示。此時(shí)應(yīng)力不變但應(yīng)變持續(xù)增加，隨著泡沫鋁孔徑的增加，平臺(tái)區(qū)逐漸變長(zhǎng)。原因是泡沫鋁的變形機(jī)理是“孔梁”發(fā)生彈性彎曲，當(dāng)ε<0.1時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近于一條直線。而當(dāng)泡沫鋁進(jìn)入塑性平臺(tái)階段時(shí)，因泡沫鋁相對(duì)密度一定，孔隙率一定，泡沫鋁內(nèi)部胞孔總體積一定，故泡沫鋁孔徑大的試樣，其內(nèi)部“孔梁”較大。“孔梁”強(qiáng)度的差異導(dǎo)致孔洞發(fā)生塑性破壞具有不同時(shí)性，泡沫鋁首先在“孔梁”強(qiáng)度最弱處發(fā)生塑性破壞，導(dǎo)致“孔梁”斷裂而發(fā)生形變，形變四周與壓力垂直平面應(yīng)力集中，破壞在平面內(nèi)擴(kuò)展開(kāi)來(lái)，此時(shí)無(wú)形變孔洞仍然處于線彈性階段[16]。根據(jù)Ashby和Gibson[17]的開(kāi)孔泡沫模型可推知：

(3)

式中：σf、σs分別為泡沫鋁和鋁的強(qiáng)度；t、l分別為泡沫鋁包壁的厚度和長(zhǎng)度。

由于泡沫鋁孔洞大小接近,孔洞分布均勻，可認(rèn)為t/l為常數(shù)，故σf為一常量，所以在泡沫鋁-鋼纖維混凝土復(fù)合層試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線上呈現(xiàn)平臺(tái)區(qū)。泡沫鋁的孔徑越小，孔洞壁越薄，孔洞壁上的缺陷在受到壓縮作用時(shí)，產(chǎn)生斷裂的概率就會(huì)越大，破壞的越快，平臺(tái)區(qū)越短。當(dāng)材料內(nèi)部孔洞均因應(yīng)力集中發(fā)生塑性破壞后，泡沫鋁被壓實(shí)，應(yīng)變會(huì)逐漸由混凝土提供。導(dǎo)致泡沫鋁-鋼纖維混凝土復(fù)合層試件壓縮應(yīng)力隨應(yīng)變的增加急劇升高。表現(xiàn)為圖5(a)中所示的復(fù)合層試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線的急劇上升階段。

圖5 鋼纖維摻量1.0%時(shí)不同孔徑泡沫鋁-鋼纖維混凝土復(fù)合層試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of aluminum foam-steel fiber concrete composite layerwith different pore sizes when steel fiber content is 1.0%

(2)破壞形態(tài)

復(fù)合層試件立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)破壞形態(tài)如圖6所示。當(dāng)泡沫鋁孔徑為3～6 mm時(shí)，素混凝土復(fù)合層試件泡沫鋁被壓實(shí)，混凝土邊緣破碎并在混凝土表面產(chǎn)生多條縱向裂紋。鋼纖維混凝土復(fù)合層試件泡沫鋁被壓實(shí)，混凝土表面產(chǎn)生多條微小裂縫，隨著鋼纖維摻量的增加，裂縫逐漸出現(xiàn)微裂而不散、裂而不斷的現(xiàn)象。證明了鋼纖維不僅能夠提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，并且能夠起到增韌阻裂的效果。當(dāng)鋼纖維摻量相同時(shí)，泡沫鋁孔徑越大，泡沫鋁-鋼纖維混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)的破壞程度越低，說(shuō)明泡沫鋁孔徑越大，泡沫鋁吸能效率越高，對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的保護(hù)效果越好。

圖6 復(fù)合層試件立方體抗壓破壞圖Fig.6 Cube compressive failure of composite layer specimens

2.3 軸心抗壓強(qiáng)度

不同摻量的鋼纖維混凝土軸心抗壓強(qiáng)度如圖7所示(養(yǎng)護(hù)齡期為28 d)。F0的軸心抗壓強(qiáng)度為43.2 MPa，F(xiàn)0.5、F1.0和F1.5的軸心抗壓強(qiáng)度較F0分別提高7.8%、16.3%和23.1%。泡沫鋁-鋼纖維混凝土復(fù)合層試件的軸心抗壓強(qiáng)度較鋼纖維混凝土增長(zhǎng)約4.7%～6.8%。

圖7 泡沫鋁-鋼纖維混凝土軸心抗壓強(qiáng)度Fig.7 Axial compressive strength of aluminum foam-steel fiber concrete

F0軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值為0.83。F0.5、F1.0和F1.5的比值分別為0.83、0.82和0.82，表明鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度的比值與鋼纖維摻量無(wú)關(guān)。

3 結(jié) 論

(1)鋼纖維混凝土的含氣量隨著鋼纖維摻量的增加而增大；坍落度隨著鋼纖維摻量的增加而降低；彈性模量和泊松比隨著鋼纖維摻量的增加而緩慢增大；鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著鋼纖維摻量的增加而增大。

(2)在鋼纖維摻量相同時(shí)，隨著泡沫鋁孔徑的增加(3～6 mm、6～9 mm、9～12 mm)泡沫鋁-鋼纖維混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)的立方體抗壓強(qiáng)度比鋼纖維混凝土增加了5.3%～8.2%；軸心抗壓強(qiáng)度比鋼纖維混凝土增加了4.7%～6.8%；并且泡沫鋁-鋼纖維混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中出現(xiàn)了一段平臺(tái)區(qū)，平臺(tái)區(qū)長(zhǎng)度隨泡沫鋁孔徑的增加而增大。這使泡沫鋁-鋼纖維混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性變形階段，從而增加了復(fù)合結(jié)構(gòu)的韌性，提高了混凝土的安全性能。