纖維增強(qiáng)混凝土材料抗沖擊荷載試驗(yàn)研究

田文基，李長(zhǎng)輝，牛炳巖，岳澤皓，王蘊(yùn)智

(中國(guó)民航大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，天津市東麗區(qū)津北公路2898號(hào) 300300)

當(dāng)前，混凝土仍然是世界上主要的建筑材料之一，在許多工程領(lǐng)域都有著極其廣泛的應(yīng)用。它具有就地取材、原材料豐富、成本低、可塑性好、高強(qiáng)度、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。但混凝土同樣也有不可避免的缺點(diǎn)，諸如抗拉強(qiáng)度較低、自重太大和容易出現(xiàn)裂縫等。隨著混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的提升，這些缺點(diǎn)會(huì)被放大，在很大程度上限制了常規(guī)混凝土材料的使用范圍[1]。

在混凝土中添加纖維可以減緩或者阻止混凝土的開(kāi)裂，幫助混凝土承擔(dān)拉力，有效彌補(bǔ)普通混凝土的抗拉能力較低的缺點(diǎn)[2]。在20世紀(jì)初先有奧地利人發(fā)明石棉水泥板，六七十年代鋼纖維、玻璃纖維等也被廣泛應(yīng)用于增強(qiáng)水泥材料[3]。按照不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)可分為不同類(lèi)型的纖維混凝土，根據(jù)添加的纖維的彈性模量不同可分為柔性纖維混凝土和剛性纖維混凝土兩種[4]。這些研究中所使用的纖維主要為不同長(zhǎng)度、不同等效直徑、不同長(zhǎng)徑比和不同體積摻量的鋼纖維[5-7]、聚丙烯纖維以及聚乙烯醇纖維[8-10]。李長(zhǎng)輝和王朝輝[11]在沉管隧道混凝土剪力鍵中加入鋼纖維及玄武巖纖維，研究了沉管隧道混凝土剪力鍵的混凝土損傷、混凝土應(yīng)變及鋼筋應(yīng)變的變化規(guī)律。李忠獻(xiàn)等[12]系統(tǒng)地研究了混雜纖維混凝土的力學(xué)性能，主要包括軸心抗壓、軸心抗拉、四點(diǎn)彎曲及抗剪切試驗(yàn)等。由上述分析可知，目前國(guó)內(nèi)對(duì)合成纖維增強(qiáng)混凝土材料在抵抗沖擊荷載疲勞等方面的研究有限。文中研究了在沖擊荷載作用下合成纖維混凝土的力學(xué)性能，探討新型合成纖維材料對(duì)于抗沖擊性能的影響規(guī)律及作用機(jī)理。制作合成纖維混凝土及普通混凝土試件，采用落錘試驗(yàn)儀對(duì)其施加沖擊荷載，觀測(cè)并記錄在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中兩種試件的初裂時(shí)間、初裂裂縫寬度、初裂落錘次數(shù)、裂縫開(kāi)展情況、發(fā)生破壞及失效時(shí)的裂縫寬度及落錘次數(shù)等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比兩種材料試件在沖擊疲勞試驗(yàn)下的破壞過(guò)程及破壞模式。文中針對(duì)添加不同含量的纖維，對(duì)混凝土的抗沖擊性能做出研究分析，旨在研究纖維的種類(lèi)、含量的改變對(duì)混凝土抗沖擊性能的影響，探討新型合成纖維材料對(duì)于混凝土抗沖擊性能的影響規(guī)律，為機(jī)場(chǎng)新材料場(chǎng)道的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供試驗(yàn)和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)配比

本次試驗(yàn)所使用到的制備合成纖維混凝土的原材料分別為：硅酸鹽水泥、實(shí)驗(yàn)室精選砂、碎石、水、長(zhǎng)度40mm合成聚丙烯纖維(PP)、長(zhǎng)度20mm合成聚丙烯纖維(PP)以及聚丙烯腈纖維。改性合成聚丙烯纖維及聚丙烯腈纖維樣品見(jiàn)圖1。

圖1 合成聚丙烯纖維及聚丙烯腈纖維Fig.1 Synthetic polypropylene fiber and polyacrylonitrile fiber

本次試驗(yàn)所用的水泥為實(shí)驗(yàn)室中的唐山順發(fā)P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，所用集料碎石的實(shí)測(cè)最大粒徑為Dmax=37.5mm，實(shí)測(cè)砂率為40%。同時(shí)進(jìn)行不摻加任何纖維的普通混凝土對(duì)照組試驗(yàn)，用來(lái)更加直觀地比較摻加纖維后混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能的改變，有利于之后進(jìn)行分析以及研究[15]。表1為普通混凝土材料及纖維增強(qiáng)混凝土材料配合比。

表1 纖維增強(qiáng)混凝土材料配合比

1.2 試件制作

為了保證拌合出的混凝土強(qiáng)度一致，均采用先干拌后濕拌的方法，且拌合步驟高度一致，盡可能減少因工序不同而帶來(lái)的試驗(yàn)結(jié)果誤差。在拌合前首先將鐵板進(jìn)行潤(rùn)濕，以保證鐵板不會(huì)因吸水而影響新拌混凝土水灰比。拌合過(guò)程如圖2(a)所示。

此次抗沖擊試驗(yàn)采用100mm×100mm×100mm立方體試件，試件的制備嚴(yán)格執(zhí)行《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)[16]，每組成型后的立方體試件如圖2(b)所示。將成型后試件放置在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至28天后進(jìn)行試驗(yàn)。

(a)拌合過(guò)程

(b)成型后立方體試件圖2 拌合過(guò)程及成型后立方體試件圖Fig.2 Mixing procedure and cubic specimens

2 抗沖擊性能試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)方法

混凝土的抗沖擊性可反映混凝土材料在破壞前能吸收的能量的大小，吸收能量越多則混凝土的韌性越好，其應(yīng)對(duì)荷載劇增等突發(fā)情況時(shí)的安全保障性也越強(qiáng)。本次試驗(yàn)選用落錘試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行混凝土的抗沖擊性能檢測(cè)。本次試驗(yàn)所采用的落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)裝置如圖3所示。

圖3 沖擊試驗(yàn)裝置圖Fig.3 Impact test sevice

試驗(yàn)機(jī)主要由承臺(tái)、落錘、控制裝置、軌道組成，可以手動(dòng)修改落錘的質(zhì)量以及下落高度。根據(jù)中國(guó)工程建設(shè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]進(jìn)行試驗(yàn)，落錘質(zhì)量確定為9kg，下落高度確定為500mm。試驗(yàn)過(guò)程中具體操作步驟如下：

(1)拿出符合試驗(yàn)條件的試件放入承臺(tái)中心的固定架中；

(2)在試件表面上放置上小鋼球，其目的是保證落錘擊打的點(diǎn)集中到試件同一位置；

(3)試驗(yàn)開(kāi)始之前先確定并調(diào)整落錘質(zhì)量及落錘下落高度。使控制臺(tái)開(kāi)關(guān)有電，電磁鐵打開(kāi)能讓落錘吸住，關(guān)閉能使落錘下降砸擊試件，則完成一次試驗(yàn)。

(4)試驗(yàn)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為記錄試件初次破壞產(chǎn)生裂縫的錘擊數(shù)以及完全破壞時(shí)的錘擊數(shù)，認(rèn)為當(dāng)試件3條邊緣接觸到承臺(tái)上的固定架時(shí)為試件破壞的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)采用的是100mm×100mm×100mm的立方體試件，試驗(yàn)采集記錄數(shù)據(jù)如下：

①混凝土試件出現(xiàn)第一次裂縫時(shí)的錘擊數(shù)N1；

②混凝土完全破壞時(shí)，總共的錘擊數(shù)N2。

通過(guò)式(1)計(jì)算試件初次破壞消耗的沖擊能量W1，以及完全破壞時(shí)的沖擊能量W2本實(shí)驗(yàn)主要比較最終破壞能量計(jì)W2。

W=mgh×N

(1)

式中：m為落錘質(zhì)量，取9kg；g為重力加速度；h為重錘的下落距離，取500mm；N為落錘下落次數(shù)。

通過(guò)式(2)計(jì)算試件的延性指數(shù)β：

β=(N2-N1)/N2

(2)

沖擊試驗(yàn)所記錄的出現(xiàn)第一條裂縫時(shí)的錘擊數(shù)N1、完全破壞時(shí)錘擊數(shù)N2、所吸收的能量W與延性指數(shù)β如表2和圖4所示。其中A組表示不含纖維素混凝土試件，B，C，D分別代表20mm聚丙烯纖維、40mm聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維，數(shù)字代表每m3試件纖維含量。

表2 試件沖擊次數(shù)、沖擊吸收能量及延性指數(shù)Tab.2 Record of impact times, energy absorption and ductility index of specimens

圖4 試件沖擊吸收能量及延性指數(shù)柱狀圖Fig.4 Histogram of impact absorbed energy and ductility index of specimens

由表2和圖4可以明顯看出，纖維的摻入能顯著提高混凝土試件的初次裂縫與最終破壞時(shí)的錘擊數(shù)，相應(yīng)地提升了混凝土的抗沖擊性能。相比于A組普通混凝土，B1組(1kg/m3摻量)初裂承受的沖擊次數(shù)提高了71.43%，破壞時(shí)承受的沖擊次數(shù)提高了86.67%；B3組(3kg/m3摻量)初裂承受的沖擊次數(shù)提高了100%，破壞時(shí)承受的沖擊次數(shù)提高了140%；B6組(66kg/m3摻量)初裂承受的沖擊次數(shù)提高了85.71%，破壞時(shí)承受的沖擊次數(shù)提高了160%；B9組(9kg/m3摻量)初裂承受的沖擊次數(shù)提高了157.14%，破壞時(shí)承受的沖擊次數(shù)提高了200%。通過(guò)數(shù)據(jù)比較分析表明，隨著纖維混凝土纖維摻加量的提升無(wú)論是初次裂縫的沖數(shù)還是最終破壞的沖擊數(shù)都有較為明顯的增長(zhǎng)。但由3kg/m3至6kg/m3的初裂的沖擊有所下降，可能的原因是在制備過(guò)程中，纖維存在攪拌不均勻而使得接團(tuán)的現(xiàn)象讓混凝土內(nèi)部不夠密實(shí)使得混凝土的抗初次裂縫的次數(shù)有所降低。對(duì)比C組和D組發(fā)現(xiàn)，滿足纖維摻量上升則初裂抗沖擊次數(shù)也上升，并非是3kg/m3與6kg/m3的摻量變化是引起初裂抗沖擊次數(shù)下降的原因，因而認(rèn)為是制備過(guò)程中纖維分散性不好導(dǎo)致的現(xiàn)象?？傮w比較，抗錘擊數(shù)隨摻量增加而提升，9kg/m3摻量性能最優(yōu)，其中B，C，D組9kg/m3纖維摻量對(duì)比A組分別提升了200%，306.67%，60%。

由混凝土吸收沖擊能量公式W=mgh×N可知，變化量為抵抗落錘擊打次數(shù)，對(duì)B組纖維摻量分別為1kg/m3，3kg/m3，6kg/m3，9kg/m3，吸收的能量W隨摻量提升比A組分別提升105.69%，188.93%，239.19%，322.32%。由此得出結(jié)論，纖維摻量的提升能有效提高纖維混凝土的抗沖擊性，且提升得越多,效果越顯著。

對(duì)延性指標(biāo)的觀察，可比較B組與C組的聚丙烯纖維在摻量上升的情況下能否提升混凝土的延性指標(biāo)[7]。其中B組的峰值大約出現(xiàn)在3kg/m3，6kg/m3處，說(shuō)明并非是無(wú)止限提升。不同的纖維其提升延性最佳的摻量并不相同。部分試驗(yàn)試件破壞如圖5所示。

圖5 部分試件完全破壞圖Fig.5 Complete failure of specimens

3 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，纖維的添加能有效提升混凝土在沖擊荷載作用下的初裂次數(shù)、完全破壞時(shí)沖擊次數(shù)、沖擊所吸收的能量、延性指數(shù)以及抗沖擊韌性等指標(biāo)，具體得到結(jié)論如下：

(1)纖維摻量的提高也會(huì)提升混凝土抵抗初裂的沖擊次數(shù)與破壞的沖擊次數(shù)，B組整體成上升趨勢(shì)，摻量從1kg/m3至9kg/m3對(duì)比A組在終裂錘擊數(shù)上分別提升71.43%，100%，85.71%，200%；

(2)C組的摻量從1kg/m3至9kg/m3分別提升120%，200%，250%，306.7%；D組的摻量從1kg/m3至9kg/m3對(duì)比A組分別提升了40%，40%，46%，60%。其中C組的抗沖擊性能提升效果較好，最高提升達(dá)到了306.7%。