聚甲醛纖維高強(qiáng)混凝土孔隙特征及動(dòng)態(tài)力學(xué)特性

秦 楠,李 瓊,徐 博

(1.鄭州經(jīng)貿(mào)學(xué)院 土木建筑學(xué)院,鄭州 451191; 2.中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院,鄭州 450007;3.河南地方煤炭集團(tuán)有限公司,鄭州 450000)

1 研究背景

普通混凝土材料是建筑工程中使用最為廣泛的材料,但由于其本身承載能力有限,不能滿足某些特殊工程中的應(yīng)用。隨著建設(shè)工程的快速發(fā)展,高強(qiáng)混凝土材料使用范圍越來(lái)越為廣泛,其本身具備結(jié)構(gòu)致密、高工作性、高耐久性和高體積穩(wěn)定性等特點(diǎn),在大跨度橋梁、超高層建筑、隧道等建設(shè)領(lǐng)域中表現(xiàn)卓越[1-3]。但混凝土材料由于其本身性能的原因存在著抗拉強(qiáng)度低、易開(kāi)裂、延展性差及抵抗沖擊、疲勞能力弱等缺點(diǎn)[4-5],限制了其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。研究表明纖維的摻入能夠減小試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)、增加混凝土材料的延性,提高混凝土的抗裂性能,阻礙裂紋的擴(kuò)展,增強(qiáng)其抗沖擊、抗疲勞性能[6-8]。

聚甲醛(POM)纖維是一種綜合性能優(yōu)良、抗拉強(qiáng)度高、耐疲勞、耐腐蝕性好的工程纖維[9],具有優(yōu)異的分散性,其分子結(jié)構(gòu)中含有大量醚鍵,與無(wú)機(jī)材料間能夠形成良好的相容性,對(duì)混凝土材料均相性及力學(xué)性能有著顯著提升,其增強(qiáng)效果超過(guò)目前廣泛使用的聚丙烯(PP)等纖維[10-11],因此被眾多專家學(xué)者研究。 張麗輝等[12]通過(guò)對(duì)試驗(yàn)POM纖維混凝土與聚丙烯纖維混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)POM纖維混凝土具備更優(yōu)異的力學(xué)性能;張麗輝等[13]發(fā)現(xiàn)POM纖維的摻入能增強(qiáng)砂漿塑性,減小裂縫開(kāi)裂程度;侯帥等[14]對(duì)POM纖維增強(qiáng)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)POM纖維對(duì)混凝土劈裂拉伸強(qiáng)度存在著明顯的提升,且纖維長(zhǎng)度為6 mm效果最好;楊富花等[15]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)POM纖維增強(qiáng)再生混凝土進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)POM纖維對(duì)試件抗壓強(qiáng)度存在顯著增強(qiáng),且纖維長(zhǎng)度6 mm時(shí)效果最佳,試件抗折強(qiáng)度及彎曲韌性都有所提升。眾多研究表明POM纖維摻入能夠顯著提升混凝土材料的力學(xué)性能,但研究成果僅停留在靜載作用下,纖維高強(qiáng)混凝土建筑物在設(shè)計(jì)使用年限會(huì)承受各種動(dòng)載的作用,如道路上行駛的汽車、撞擊載荷等,動(dòng)載作用下混凝土材料的性能不同于靜載[16-17]。梁寧慧等[18]通過(guò)試驗(yàn)研究了不同應(yīng)變率下聚丙烯纖維混凝土力學(xué)性能變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)試件動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度變形和韌性表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變率效應(yīng);張玉武等[19]發(fā)現(xiàn)超高分子量聚乙烯纖維混凝土抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變及彈性模量會(huì)隨應(yīng)變率的增大而增大;動(dòng)載作用下混凝土材料的承載能力明顯高于靜載,因此只用靜載作用下力學(xué)特性去評(píng)估混凝土材料的好壞是不全面的,低估材料本身的性能。

為研究POM纖維高強(qiáng)混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)及在動(dòng)載作用下的力學(xué)性能,本文采用NMR技術(shù)測(cè)量不同纖維摻量下試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),利用巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)和分離式霍普金森壓桿研究不同加載率下POM纖維高強(qiáng)混凝土單軸壓縮力學(xué)性能,從纖維摻量及應(yīng)變率2個(gè)角度對(duì)高強(qiáng)混凝土材料T2圖譜分布規(guī)律、單軸抗壓強(qiáng)度、韌性及能量耗散影響規(guī)律進(jìn)行研究,研究成果可填補(bǔ)POM纖維高強(qiáng)混凝土性能方面的相關(guān)空白。

2 原材料及試驗(yàn)方法

2.1 原材料

原材料中水泥品種為海螺牌P·O 42.5,細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)2.56的淮河河砂,粗骨料為粒徑在5～15 mm間的普通碎石,拌合水為實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水,選用Sika Viscocrete 3000高效減水劑。研究表明纖維長(zhǎng)度為6 mm時(shí)靜載作用下POM纖維混凝土力學(xué)性能較好[14-15],因此選用江蘇蘇博特新材料股份有限公司所生產(chǎn)的POM纖維,纖維長(zhǎng)度6 mm,其部分物理性能如表1所示。

表1 纖維部分物理力學(xué)性能Table 1 Physical and mechanical properties of fiber

2.2 試驗(yàn)配比及試件制備

本次試驗(yàn)高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C60,配置方法主要是提高水泥強(qiáng)度和減小水灰比[1],C60混凝土配合比為m水泥∶m水∶m砂子∶m石子∶m減水劑=3.03∶1∶3.67∶7.45∶0.03,POM纖維的體積摻量分別為0%、0.15%、0.3%、0.45%、0.6%,澆筑前將纖維攪拌分開(kāi)使其更好地分散于混凝土中。按配合比澆筑為150 mm×150 mm×150 mm(長(zhǎng)×寬×高)標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊,經(jīng)24 h養(yǎng)護(hù)成型后進(jìn)行拆模,拆模后將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境中進(jìn)行28 d養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)結(jié)束后將部分試件加工成直徑74 mm、高度37 mm的圓柱體進(jìn)行沖擊試件,試驗(yàn)前利用聲波測(cè)速儀選取波速相近試件進(jìn)行試驗(yàn)[8]。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備及方案

采用蘇州某公司所產(chǎn)型號(hào)MesoMR23-060V-1核磁共振儀測(cè)量試件孔隙結(jié)構(gòu),測(cè)試前利用高壓水泵將不同纖維摻量的高強(qiáng)混凝土試件進(jìn)行真空飽水處理,飽水結(jié)束后對(duì)不同纖維摻量試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量。每組準(zhǔn)靜態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及動(dòng)態(tài)沖擊壓縮試驗(yàn)選取3塊試件,由于試件過(guò)程中數(shù)據(jù)存在離散性,數(shù)據(jù)分析時(shí)選取2組較為接近數(shù)據(jù)并取平均值。

SHPB試驗(yàn)裝置組成包括動(dòng)力系統(tǒng)、子彈、入射桿、透射桿與阻尼裝置及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等,壓桿由合金鋼制成,其密度為7 850 kg/m3,彈性模量210 GPa,縱波波速為5 190 m/s,選用不同沖擊氣壓以獲取不同應(yīng)變率。試驗(yàn)前將沖擊桿、入射桿、試件、反射桿中心置于同一水平線上,將凡士林均勻涂抹至試件表面以減小試樣與桿件之間的摩擦作用,在入射桿端頭位置粘貼波形整形器以減小波形的震蕩。在入射桿、透射桿上粘貼BX120-3AA型應(yīng)變片,其電阻為120±0.2 Ω,靈敏度系數(shù)為2.08%,通過(guò)示波器對(duì)應(yīng)變片信號(hào)進(jìn)行放大處理,示波器上所顯示波形如圖1。

圖1 示波器處原始波形Fig.1 Original waveform at the oscilloscope

三波法處理數(shù)據(jù)能夠有效避免人為因素影響從而具備良好的可信度[20],其計(jì)算公式如下:

(1)

式中:εi(t)、εr(t)、εt(t)分別為在時(shí)間t時(shí)對(duì)應(yīng)的入射、反射、透射應(yīng)變,無(wú)量綱;ls為混凝土試件高度(m);C0為壓桿自身的波速(m/s);E為彈性模量(MPa);A、AS分別為壓桿及試件的橫截面積(m2)。

SHPB試驗(yàn)裝置在應(yīng)用過(guò)程中受外界因素影響會(huì)使試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定誤差,因此需要對(duì)每一次沖擊結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力平衡檢測(cè)以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性[21],典型應(yīng)力平衡曲線如圖2所示。

圖2 應(yīng)力平衡曲線Fig.2 Stress balance curves

根據(jù)一維彈性波理論可求得試件的入射能Wi、反射能Wr、透射能Wt、耗散能Ws,相關(guān)計(jì)算公式如下:

(2)

Ws(t)=Wi(t)-Wr(t)-Wt(t) 。

(3)

式中C0為壓桿中縱波波速(m/s)。

根據(jù)試樣的耗散能,定義試樣的能量耗散率ωd和破碎耗能密度εd,其計(jì)算公式如下[22]:

(4)

(5)

式中:εd為破碎耗能密度(J/cm3);V為試件體積(cm3)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 NMR試驗(yàn)結(jié)果

核磁共振技術(shù)可在試件損傷程度較小的情況下利用T2圖譜準(zhǔn)確地反映出試件內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)分布,T2圖譜中橫坐標(biāo)代表孔徑大小,波峰面積代表孔隙數(shù)目,弛豫時(shí)間T2越大,孔隙半徑越大,弛豫時(shí)間和孔隙尺寸可用式(6)表示[23]。

(6)

式中:ρ為材料弛豫強(qiáng)度;S為孔隙表面積;V為孔隙體積。

纖維摻量對(duì)試件T2圖譜分布影響規(guī)律如圖3所示。由圖3可知纖維的摻入使混凝土試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化,試件圖片曲線主要呈雙峰曲線,且第一峰值高度明顯大于第二峰值,說(shuō)明弛豫時(shí)間在0.029 7～3.531 1 ms范圍內(nèi)所占孔隙數(shù)目最多。隨著POM纖維摻量的增多,試件T2圖譜峰值降低,峰值位置明顯向左偏移,相較于素混凝土試件,纖維摻量為0.15%、0.3%、0.45%、0.6%時(shí)T2圖譜第一峰值分別降低了13.8%、18.5%、25.4%、26.7%,說(shuō)明POM纖維的摻入使混凝土材料內(nèi)部孔隙數(shù)目減少,孔隙直徑減小,總孔隙率降低,纖維摻量為0.15%T2圖譜峰值降幅最大,纖維摻量為0.45%與0.6%時(shí)其峰值相近,說(shuō)明纖維摻量超過(guò)一定量后其作用不再明顯,纖維在混凝土試件內(nèi)部分布雜亂無(wú)章,且能夠填充于部分較大的孔隙中,從而增加混凝土的密實(shí)性[24],另一方面纖維的存在能夠減少大孔隙的生成,將部分大裂隙分割轉(zhuǎn)化為小裂隙并形成貫通,水泥漿能夠進(jìn)入孔隙內(nèi)部從而減小試件裂隙總量,降低孔隙率[25]。POM纖維的摻入能夠有效減少試件內(nèi)部孔隙率,增加試件整體性。

圖3 不同纖維摻量下試件T2圖譜Fig.3 T2 spectra of specimens with different fiber content

3.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

通過(guò)對(duì)采集信號(hào)數(shù)據(jù)的處理可求得試件相應(yīng)數(shù)據(jù),試驗(yàn)結(jié)果如表2所示,靜載作用下試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示,沖擊荷載作用下試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示;0.35 MPa氣壓、不同纖維摻量試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。

圖4 靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Static stress-strain curves

圖5 不同沖擊氣壓下試件動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Dynamic stress-strain curves of specimens under different impact air pressure

圖6 不同纖維摻量下試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of specimens with different fiber content

表2 試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results

由表2和圖4—圖6可知試件在靜載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與動(dòng)載作用下時(shí)存在明顯不同,靜載下試件存在明顯的壓密階段,這是由于混凝土材料內(nèi)部存在大量原生裂隙,應(yīng)變率較小時(shí)此階段在應(yīng)力-應(yīng)變曲線中被呈現(xiàn),而應(yīng)變率較大時(shí)試件內(nèi)部裂隙來(lái)不及被壓密而直接進(jìn)入彈性變形階段。由圖5可知隨著應(yīng)變率的增大,素混凝土峰值應(yīng)力、彈性模量及峰值應(yīng)變隨之增加,試件存在明顯的應(yīng)變率效應(yīng),相較于0.25,0.35、0.45、0.55 MPa氣壓下試件峰值應(yīng)力增加了16.1%、38.4%、70.0%;由圖6可知纖維摻量的增大使得混凝土材料性能提升,試件峰值應(yīng)力先增大后略有降低,極限應(yīng)變不斷增加,纖維摻量為0.45%時(shí)試件峰值應(yīng)力最大,纖維的摻入也提高了試件的延性。

3.3 峰值應(yīng)力

試件峰值應(yīng)力隨纖維摻量的變化規(guī)律如圖7所示。不同應(yīng)變率下試件峰值應(yīng)力隨纖維摻量的增加先增大后降低,適量纖維的摻入能夠增強(qiáng)試件抵抗外荷載的能力,而過(guò)量的纖維對(duì)試件增強(qiáng)效果不再明顯。研究表明素混凝土內(nèi)部孔隙率較高,而摻入纖維通過(guò)改變?cè)嚰糠挚紫督Y(jié)構(gòu),使水泥漿進(jìn)入充斥于孔隙內(nèi)部,從而降低試件總孔隙率,增強(qiáng)試件整體性,且POM纖維與水泥基材料間具有良好的相容性,纖維能夠與骨料間形成良好的黏結(jié)作用,同時(shí)纖維在混凝土結(jié)構(gòu)中的任意分布所形成的網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)能使骨料連接間更加密實(shí),從而限制混凝土的在荷載作用下的膨脹開(kāi)裂,提高其承載能力[26]。POM纖維摻量為0.6%時(shí)其峰值應(yīng)力明顯低于摻量為0.45%時(shí),說(shuō)明摻量在0.3%～0.6%之間存在一個(gè)最佳摻量,混凝土中纖維的過(guò)量反而會(huì)降低其整體性能。

圖7 峰值應(yīng)力隨纖維摻量的變化規(guī)律Fig.7 Variation law of peak stress with fiber content

3.4 韌 性

韌性是混凝土材料自身延性及抵抗外荷載能力綜合性能的體現(xiàn)。表示材料韌性的方法有很多,其中能量法最為直接,其計(jì)算方法為試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線在坐標(biāo)系中所形成的面積[27]。不同纖維摻量下試件韌性變化規(guī)律如圖8所示。由表2和圖8可知在纖維摻量一致時(shí),應(yīng)變率的增大使得試件韌性增加,這是由于試件存在應(yīng)變率效應(yīng),其峰值應(yīng)力,極限應(yīng)變隨著增加,同時(shí)伴隨著試件韌性的增大;在應(yīng)變率一定時(shí),隨著纖維摻量的增大韌性隨之增加,在摻量達(dá)到0.45%時(shí)達(dá)到峰值隨后不斷降低,摻量為0.45%時(shí)其韌性最高,這與其強(qiáng)度變化規(guī)律呈現(xiàn)一致性。纖維的摻入能夠提高試件塑性,增強(qiáng)試件抵抗在外荷載作用下的變形能力,纖維在混凝土內(nèi)部的空間分布使各材料間的黏結(jié)作用增強(qiáng),試件增強(qiáng)性能隨之增加,纖維的空間網(wǎng)狀分布對(duì)內(nèi)部骨料形成搭接支撐作用,在外部荷載作用使試件發(fā)生開(kāi)裂時(shí)纖維的黏結(jié)作用使得試件仍具備一定的承載變形能力,從而降低試件脆性破壞程度,提高試件的延展性能。

圖8 韌性隨纖維摻量變化規(guī)律Fig.8 Variation law of toughness with fiber content

3.5 能量耗散規(guī)律

材料微觀結(jié)構(gòu)的損傷到宏觀破壞的過(guò)程實(shí)際是能量耗散的過(guò)程,其本質(zhì)是在能量作用下一種失穩(wěn)的狀態(tài),在荷載作用過(guò)程試件內(nèi)部存在著能量間的轉(zhuǎn)化[28]。素混凝土在0.45 MPa沖擊氣壓下典型能量時(shí)程曲線如圖9所示。

圖9 試件能量時(shí)程曲線Fig.9 Energy-time history curves of specimen

由圖9可知各能量隨時(shí)間增長(zhǎng)而增大,能量增長(zhǎng)過(guò)程可分成3個(gè)階段:0～50 μs間各能量增加幅度較小,此階段混凝土處孔隙壓密變形階段,內(nèi)部孔隙被壓縮且自身伴隨著彈性變形,試件所吸收能量以彈性變形能的方式被儲(chǔ)存;50～250 μs間各能量隨時(shí)間呈線性增長(zhǎng),由于試件與壓桿間波阻抗不匹配,在接觸面會(huì)產(chǎn)生透反射,部分波在入射桿與試件接觸面反射,部分波穿過(guò)試件到達(dá)透射桿,其余能量用于試件損傷被消耗,試件內(nèi)部裂紋發(fā)生擴(kuò)展并產(chǎn)生大量新生裂隙;250～300 μs間應(yīng)力波對(duì)試件作用結(jié)束,各能量趨于穩(wěn)定。

為進(jìn)一步分析各能量間及能量與纖維摻量之間的關(guān)系,對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,入射能與耗散能關(guān)系如圖10所示,纖維摻量與耗能密度關(guān)系如圖11所示。

圖11 耗能密度隨纖維摻量的變化規(guī)律Fig.11 Variation law of energy consumption density with fiber content

由表2和圖10可知不同纖維摻量下試件耗散能隨入射能的增大而增大,兩者呈良好的線性關(guān)系,耗散能所占入射能比例始終<0.5,這也表明著入射能一半以上會(huì)以桿件彈性能的形式被消耗。由圖11可知試件破碎耗能密度隨纖維摻量的增加先增大后減小,纖維摻量為0.45%時(shí)試件破碎耗能密度最大,這也進(jìn)一步說(shuō)明了纖維摻量為0.45%時(shí)試件性能最佳,應(yīng)變率越大試件耗能密度變化幅值越明顯。POM纖維摻入混凝土材料中,一方面纖維隨機(jī)分布形成網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)增強(qiáng)試件整體性,另一方面纖維自身具有較高的抗拉強(qiáng)度,在外荷載作用下POM纖維同樣受到荷載作用,其本身高抗拉強(qiáng)度在受到外來(lái)荷載時(shí)能夠有效吸收消耗外來(lái)能量,同時(shí)纖維與水泥基材料間良好的相容性使其能夠緊密粘接,外力作用時(shí)纖維被撥出過(guò)程中同樣消耗大量能量,從而增加試件本身的吸能能力[29]。

4 結(jié) 論

(1)試件T2圖譜主要呈雙峰形態(tài),隨著纖維摻量的增多,圖譜峰值降低,峰值位置明顯向左偏移,纖維的摻量減少試件內(nèi)部孔隙數(shù)目,減小孔隙直徑,降低孔隙率,增加試件整體性。

(2)靜載作用下試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在壓密階段,而動(dòng)載作用時(shí)試件直接進(jìn)入彈性變形階段;試件峰值強(qiáng)度、彈性模量及峰值應(yīng)變均隨應(yīng)變率的增大而增加,摻入POM纖維能夠有效提升混凝土材料的力學(xué)性能。

(3)纖維摻量的增加使得試件峰值應(yīng)力和韌性先增大后降低,在0.3%～0.6%間存在一個(gè)最佳摻量,纖維的摻入能減小試件孔隙率并在試件內(nèi)部形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),提高試件整體性。

(4)試件各能量隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增大,耗散能與入射能間存在良好的線性正相關(guān),試件破碎耗能密度隨纖維摻量的增加先增大后減小,纖維摻量為0.45%時(shí)試件破碎耗能密度最大。