沖擊荷載下3種典型纖維混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究

楊國(guó)梁，張博文，霍英杰，童鼎泰，董智文

[中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083]

0 引言

當(dāng)建筑物受到爆炸荷載下沖擊荷載作用時(shí)，為了保障建筑物的安全性、耐久性、可持續(xù)性，需要提高混凝土的抗沖擊性能。因此，研究沖擊荷載下典型纖維混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能是非常有必要的。

高延性纖維增強(qiáng)混凝土是經(jīng)過(guò)系統(tǒng)性設(shè)計(jì)，在拉伸和剪切荷載下能夠呈現(xiàn)高延展性的一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。均勻、雜亂地分布在混凝土中的纖維類似于鋼筋的作用，形成一個(gè)“三維的箍筋”系統(tǒng)，提高混凝土的強(qiáng)度、抗沖擊性能與抗彎極限強(qiáng)度，同時(shí)保證混凝土核心部分不易被破壞，塑性提升幅度較大，且能量消耗低。

近年來(lái)，纖維混凝土獲得了快速發(fā)展，尤其在各類防護(hù)等級(jí)較高的建筑中應(yīng)用廣泛，國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者進(jìn)行了纖維混凝土的抗沖擊試驗(yàn)研究。劉新榮和柯煒[1]研究了多尺寸聚丙烯纖維混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，結(jié)果表明，單摻聚丙烯粗纖維可提高混凝土的整體性，單摻聚丙烯細(xì)纖維主要是提高混凝土破壞后的抗沖擊性能，而混摻纖維混凝土各個(gè)時(shí)期的抗沖擊性能均得到提高。權(quán)娟娟等[2]研究了高延性水泥基復(fù)合材料高溫作用后的拉伸性能，結(jié)果表明，常溫下利用鋼纖維等量替代PVA纖維將劣化PVA-ECC的拉伸應(yīng)變硬化能力；高溫對(duì)PVA-ECC和HyECC的拉伸強(qiáng)度和拉伸韌性均有明顯的劣化作用?；荽娴萚3]研究了玄武巖-PVA混雜纖維混凝土力學(xué)性能，結(jié)果表明，玄武巖纖維、PVA纖維和混雜纖維可明顯提高混凝土的抗折強(qiáng)度，且混雜纖維對(duì)抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)作用尤為明顯。權(quán)長(zhǎng)青等[4]通過(guò)正交試驗(yàn)研究了鋼纖維、聚丙烯纖維及粉煤灰對(duì)混凝土的作用效果，結(jié)果表明，鋼纖維的作用效果最佳，其次為聚丙烯纖維，粉煤灰的作用效果最差。

目前，增加混凝土的變形、改善混凝土的脆性的技術(shù)路線主要是通過(guò)在混凝土中添加適當(dāng)?shù)耐饧犹盍蠈?shí)現(xiàn)[5]。本文以玻璃纖維、鋼纖維、聚丙烯纖維為增強(qiáng)材料，在不同的纖維質(zhì)量摻量下選取合適的氣壓對(duì)試件進(jìn)行SHPB沖擊試驗(yàn)，最終確定在沖擊荷載下3種典型纖維混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)

1.1 試件制備

水泥：諸城九七建材有限公司，P·O52.5水泥，主要性能如表1所示；骨料：中砂建筑材料有限公司，Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.5，顆粒級(jí)配如表2所示；粉煤灰：河南寧存建材有限公司，Ⅰ級(jí)，細(xì)度8.0%，含水量0.1%，燒失量2.0%，需水量比80%，SO3含量1.5%；減水劑：常州萊佑貿(mào)易有限公司，早強(qiáng)型聚羧酸減水劑，減水率10%～25%，固含量98%；水：自來(lái)水；玻璃纖維：中山強(qiáng)威網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，伸長(zhǎng)率4.8%，密度2.76g/cm3；鋼纖維：沭陽(yáng)縣京宇商貿(mào)中心，端鉤型，長(zhǎng)度30mm，直徑0.75mm，長(zhǎng)徑比40，密度7.85g/cm3，抗拉強(qiáng)度1000MPa；聚丙烯纖維：沭陽(yáng)華琪坊商貿(mào)中心，長(zhǎng)度6mm，密度0.91g/cm3，抗拉強(qiáng)度800MPa。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

表2 砂的顆粒級(jí)配

根據(jù)JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》、GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》及實(shí)際情況進(jìn)行纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)。普通混凝土配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（砂）∶m（水）∶m（減水劑）=494∶90∶707∶187∶8.4，在普通混凝土配合比基礎(chǔ)上，摻加質(zhì)量摻量分別為1.0%、1.5%、2.0%的不同纖維，制得玻璃纖維混凝土、鋼纖維混凝土及聚丙烯纖維混凝土。

為充分拌合纖維混凝土試件，發(fā)揮不同類型纖維在混凝土中的作用，使用混凝土攪拌機(jī)均勻攪拌后利用振搗機(jī)充分振搗，增強(qiáng)混凝土的密實(shí)性，排除混凝土中的氣泡，以提高混凝土的強(qiáng)度，減少試驗(yàn)誤差。試件采用100 mm×100 mm×100 mm模具澆筑，成型后用不透水的薄膜覆蓋表面，標(biāo)準(zhǔn)條件下靜置24 h后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d。養(yǎng)護(hù)后切割成尺寸為φ50 mm×25 mm圓餅試件。

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）土木工程動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，使用SHPB動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試不同纖維混凝土試件的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。為保證波阻抗相同，子彈、入射桿、透射桿均采用均質(zhì)鋼材，長(zhǎng)度分別為800、3200、1800 mm，直徑均為50 mm。試驗(yàn)前在子彈與入射桿碰撞端面貼波形整形器，使之有效延長(zhǎng)入射脈沖的上升沿、平滑波形、消除波形振蕩，減少了大直徑桿帶來(lái)的彌散效應(yīng)。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)示意

入射應(yīng)變波、反射應(yīng)變波和波透射應(yīng)變波中，測(cè)得其中2個(gè)即可通過(guò)公式圖確定試件的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，消去時(shí)間變量后得到試件動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。進(jìn)而分析纖維混凝土的強(qiáng)度和塑性[6]。

采用SHPB試驗(yàn)研究纖維類型及纖維質(zhì)量摻量對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，且本文研究發(fā)生爆破時(shí)在爆炸沖擊荷載下不同類型纖維對(duì)混凝土的影響，故選擇較高的打擊氣壓進(jìn)行試驗(yàn)。設(shè)計(jì)纖維質(zhì)量摻量分別為1.0%、1.5%、2.0%，打擊氣壓分別為0.20、0.25、0.30 MPa，進(jìn)行3組平行試驗(yàn)取平均值，以減少誤差。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表3所示，編號(hào)中B、G、J分別代表玻璃纖維混凝土、鋼纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

2 結(jié)果及分析

對(duì)玻璃纖維、鋼纖維、聚丙烯纖維混凝土在纖維摻量為1.0%、1.5%、2.0%情況下分組分別進(jìn)行打擊氣壓為0.20、0.25、0.30 MPa的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

2.1 峰值應(yīng)力分析

根據(jù)SHPB試驗(yàn)各數(shù)據(jù)的入射波、反射波和透射波，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到動(dòng)態(tài)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系。相同打擊氣壓下纖維混凝土的峰值應(yīng)力相較于普通混凝土變化率如表5所示。當(dāng)纖維的質(zhì)量摻量為1.5%時(shí)，纖維混凝土在不同打擊氣壓時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示；當(dāng)打擊氣壓為0.25 MPa時(shí)，纖維混凝土在不同纖維質(zhì)量摻量時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

表5 相同打擊氣壓下纖維混凝土的峰值應(yīng)力變化率

圖2 纖維混凝土在不同打擊氣壓時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3 纖維混凝土在不同纖維摻量時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)表5及圖2、圖3的試驗(yàn)結(jié)果分析可知：

（1）纖維質(zhì)量摻量相同時(shí)，隨著打擊氣壓的升高，混凝土的峰值應(yīng)力會(huì)隨之提高，即混凝土的強(qiáng)度提高，并且提高較均勻。

（2）打擊氣壓相同時(shí)，不同纖維質(zhì)量摻量的混凝土峰值應(yīng)力由大到小順序?yàn)閾?.5%纖維＞摻2.0%纖維＞摻1.0%纖維。當(dāng)纖維摻量為1.5%時(shí)，混凝土的峰值應(yīng)力最大、強(qiáng)度最高。

（3）3類纖維混凝土在相同打擊氣壓作用下，強(qiáng)度基本都高于普通混凝土，說(shuō)明摻入適量纖維可以提高混凝土的強(qiáng)度。在打擊氣壓相同條件下，當(dāng)纖維摻量分別為1.0%、1.5%、2.0%時(shí)，與普通混凝土相比，玻璃纖維混凝土的峰值壓力平均提高了1.04%、16.62%、12.17%，鋼纖維混凝土的峰值壓力平均提高了29.52%、43.68%、42.79%，聚丙烯纖維混凝土的峰值壓力平均提高了33.5%3、43.42%、14.61%。玻璃纖維對(duì)ECC有增強(qiáng)效果，聚丙烯纖維對(duì)ECC有較強(qiáng)的增強(qiáng)效果，而鋼纖維對(duì)ECC的增強(qiáng)效果最顯著，且均在纖維摻量為1.5%時(shí)增強(qiáng)效果最好，玻璃纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土和鋼纖維混凝土的峰值應(yīng)力較普通混凝土最高可分別提高26.43%、59.15%、69.03%。

2.2 塑性分析

塑性指材料抵抗變形的能力，由相關(guān)研究可知[7]，單一混凝土材料在動(dòng)態(tài)沖擊作用下，其峰值應(yīng)變與應(yīng)變率呈正相關(guān)關(guān)系，應(yīng)變率與材料塑性大體呈線性關(guān)系，故可以通過(guò)應(yīng)變率來(lái)研究材料的塑性。相同打擊氣壓下纖維混凝土的應(yīng)變率相較于普通混凝土變化率如表6所示。

表6 相同打擊氣壓下纖維混凝土的應(yīng)變率變化率

由表6可見(jiàn)：相較于普通混凝土，纖維混凝土的應(yīng)變率普遍下降，說(shuō)明摻入適量纖維可以改善混凝土的塑性。對(duì)于同種類型的纖維混凝土，在質(zhì)量摻量相同的情況下，隨打擊氣壓的增大，應(yīng)變率增大。當(dāng)纖維摻量分別為1.0%、1.5%、2.0%時(shí)，相較于普通混凝土，玻璃纖維混凝土的應(yīng)變率變化率平均值分別為9.91%、-1.02%、-4.65%，鋼纖維混凝土的應(yīng)變率變化率平均值分別為-0.12%、-5.92%、-33.11%，聚丙烯纖維混凝土的應(yīng)變率變化率平均值分別為-21.55%、-17.83%、-5.96%。玻璃纖維對(duì)ECC的塑性改善效果不明顯，而聚丙烯纖維和鋼纖維則對(duì)ECC的塑性改善效果十分顯著。

對(duì)照同種纖維質(zhì)量摻量、同種氣壓對(duì)應(yīng)的應(yīng)變率，2.0%鋼纖維的改善效果較好，打擊氣壓為0.20、0.25、0.30MPa時(shí)的應(yīng)變率較普通混凝土分別減小31.10%、24.65%、43.58%，表明適量鋼纖維對(duì)于ECC的塑性有顯著影響。1.5%聚丙烯纖維的改善效果也較好，在0.20 MPa打擊氣壓下應(yīng)變率較普通混凝土減小40.90%；在0.25 MPa打擊氣壓下，由于聚丙烯纖維摻量超過(guò)最優(yōu)摻量，應(yīng)變率增大，說(shuō)明摻入過(guò)量聚丙烯纖維不利于混凝土的塑性。玻璃纖維的效果不明顯。綜合考慮，3種纖維中，聚丙烯纖維對(duì)于改善混凝土塑性效果最佳，適量摻入可以大大提高混凝土的抗沖擊性能。

2.3 能量耗散分析

相同打擊氣壓下纖維混凝土的能量耗散相較于普通混凝土變化率如表7所示。

表7 相同打擊氣壓下纖維混凝土的能量耗散變化率

由表7可見(jiàn)，在相同打擊氣壓作用下，玻璃纖維混凝土和鋼纖維混凝土相較于普通混凝土的能量耗散均減少，而聚丙烯纖維混凝土的變化不同。對(duì)于同種類型的纖維混凝土，在纖維質(zhì)量摻量相同的情況下，隨打擊氣壓的增大，能量耗散增加。當(dāng)纖維摻量分別為1.0%、1.5%、2.0%時(shí)，相較于普通混凝土，玻璃纖維混凝土的能量耗散變化率平均值分別為-42.01%、-39.56%、-27.34%，鋼纖維混凝土的能量耗散變化率平均值分別為-19.81%、-57.29%、-15.24%，而聚丙烯纖維混凝土的能量耗散變化率平均值分別為14.24%、1.37%、50.88%。玻璃纖維和鋼纖維均可大大減少混凝土材料的能量耗散，但聚丙烯纖維卻會(huì)增加能量耗散。3種纖維中，鋼纖維對(duì)于減少能量耗散效果最佳。在0.20MPa打擊氣壓下?lián)?.0%玻璃纖維和在0.30 MPa打擊氣壓下?lián)?.5%鋼纖維減小能量耗散效果最佳，能量耗散較普通混凝土分別減小了54.82%、68.92%。

2.4 最優(yōu)化分析

當(dāng)打擊氣壓為0.20 MPa時(shí)，提高強(qiáng)度、改善塑性效果最好的是摻1.5%聚丙烯纖維，混凝土的峰值應(yīng)力可達(dá)54.04 MPa，較普通混凝土提高了69.03%，應(yīng)變率為71.89 s-1，較普通混凝土減小了40.90%；而減小能量耗散效果最好的是摻1.5%鋼纖維，此時(shí)混凝土的能量耗散為2.82 J，較普通混凝土減小了56.81%。

當(dāng)打擊氣壓為0.25 MPa時(shí)，提高強(qiáng)度、改善塑性效果最好的是摻1.5%鋼纖維，混凝土的峰值應(yīng)力為58.59 MPa，較普通混凝土提高了40.40%，應(yīng)變率為87.35 s-1，較普通混凝土減小了24.65%；減小能量耗散效果最好的是摻1.5%玻璃纖維，此時(shí)混凝土的能量耗散為4.32 J，較普通混凝土減小了46.86%。

當(dāng)打擊氣壓為0.30 MPa時(shí)，提高強(qiáng)度、改善塑性效果最好的是摻2.0%鋼纖維，混凝土的峰值應(yīng)力為58.98MPa，較普通混凝土提高了40.23%，應(yīng)變率為88.99s-1，較普通混凝土減小了43.58%；減小能量耗散效果最好的是摻1.5%鋼纖維，此時(shí)混凝土的能量耗散為6.52 J，較普通混凝土減小了68.92%。

由上述分析可知，玻璃纖維在低打擊氣壓下可以提高混凝土的各方面性能，但在高打擊氣壓條件下效果不太顯著；鋼纖維在各種情況下對(duì)混凝土性能均有利，尤其對(duì)混凝土的強(qiáng)度提高明顯，峰值應(yīng)力可以達(dá)到60MPa，且在高打擊氣壓0.3MPa作用下較其他2種纖維表現(xiàn)優(yōu)異；聚丙烯纖維對(duì)混凝土的強(qiáng)度及韌性提高均有較好的效果，但能量耗散在某種情況下會(huì)增大。且3種纖維的質(zhì)量摻量為1.5%時(shí)混凝土的性能較優(yōu)。

3 結(jié)論

（1）在相同打擊氣壓條件下，纖維增強(qiáng)混凝土較普通混凝土的強(qiáng)度更高；對(duì)于同種纖維類型的混凝土，纖維質(zhì)量摻量一定時(shí)，隨著打擊氣壓的升高，纖維混凝土的強(qiáng)度提高；打擊氣壓一定時(shí)，纖維摻量為1.5%時(shí)效果最佳。3種纖維類型中，鋼纖維和聚丙烯纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度的提高較為顯著，其中摻1.5%鋼纖維和聚丙烯纖維時(shí)效果較好。

（2）摻入適量纖維可以提高混凝土的塑性；對(duì)于同種纖維類型的混凝土，纖維質(zhì)量摻量一定時(shí)，隨打擊氣壓的提高，應(yīng)變率增大，塑性提高。3種纖維類型中，聚丙烯纖維及鋼纖維對(duì)塑性改善效果顯著，而玻璃纖維對(duì)塑性改善效果一般。

（3）對(duì)于同種纖維類型的混凝土，纖維質(zhì)量摻量一定時(shí)，隨打擊氣壓的提高，能量耗散增加；打擊氣壓一定時(shí)，纖維摻量為1.5%時(shí)效果較佳。3種纖維中，玻璃纖維和鋼纖維可以顯著減少能量耗散，聚丙烯纖維則沒(méi)有明顯效果。

（4）結(jié)合強(qiáng)度、塑性以及減少能量耗散效果分析：在3種纖維中，鋼纖維性能最優(yōu)，強(qiáng)度高、塑性好、能量耗散少；玻璃纖維雖可以減少能量耗散，但對(duì)混凝土強(qiáng)度提高效果不明顯；聚丙烯纖維可以改善塑性，但能量耗散較大。