不同養(yǎng)護條件下玄武巖纖維混凝土動態(tài)壓縮力學(xué)特性及能量耗散研究*

王大鵬 吳 凱

(1.山東省煙臺市芝罘區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局, 山東煙臺 264001; 2.天津大學(xué)土木工程系, 天津 300072)

混凝土材料中摻入適量的纖維能夠有效提高其力學(xué)性能,增強其延展性[1-3]?，F(xiàn)有研究成果表明混凝土材料中摻入適量的玄武巖纖維能夠有效提高其抗拉強度、韌性及吸能效果[4-5]。賀晶晶等在玄武巖纖維長度和摻量對混凝土拉伸強度影響的研究中發(fā)現(xiàn)纖維的摻入能夠增強試件拉伸強度[6]。侯敏等在對玄武巖纖維混凝土的增強機理研究中發(fā)現(xiàn)在混凝土中玄武巖纖維均勻分布且呈各項異性,在混凝土內(nèi)部形成密閉空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[7]。李為民等利用SHPB裝置對素混凝土及玄武巖纖維混凝土進(jìn)行不同應(yīng)變率下的沖擊試驗,發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維混凝土的沖擊壓縮強度和能量吸收能力較素混凝土有明顯提高[8]。混凝土性能的好壞除了與材料屬性有關(guān),還受養(yǎng)護環(huán)境的影響,研究表明混凝土構(gòu)件力學(xué)性能與養(yǎng)護環(huán)境下的溫度、相對濕度及養(yǎng)護齡期密切相關(guān)[9-12]。劉鵬等研究了不同養(yǎng)護齡期下水泥混凝土力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)[13],結(jié)果表明養(yǎng)護齡期的增加使得混凝土抗壓強度不斷增加,表面透氣和吸水系數(shù)不斷降低,其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)更加致密。賈瑜對不同養(yǎng)護齡期下多孔水泥混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究[14],結(jié)果表明隨著養(yǎng)護齡期的增長,試件比表面積、平均半徑、氣孔間距系數(shù)、氣孔總弦長隨之減小。趙陸岳對不同養(yǎng)護齡期下粉煤灰混凝土高溫力學(xué)性能進(jìn)行研究[15],結(jié)果表明養(yǎng)護齡期的增長會增強試件抵抗外荷載的能力。劉鵬等對不同養(yǎng)護齡期下水泥混凝土性能及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究[16],發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護齡期的增長會使試件抗壓強度不斷增加,表面透氣性和吸水性不斷降低,孔隙率減小。養(yǎng)護齡期的增長對混凝土材料力學(xué)性能存在提升作用,同樣養(yǎng)護相對濕度對其也存在影響。馬軍濤等對不同養(yǎng)護濕度下混凝土材料的碳化速率進(jìn)行研究[17],結(jié)果表明標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護下混凝土試件抗碳化能力顯著高于自然養(yǎng)護試件。汪學(xué)正等對不同養(yǎng)護濕度下發(fā)泡混凝土力學(xué)性能進(jìn)行研究[18],發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護濕度的增加會使試件干密度及抗壓強度增大,吸水率減小。楊榮周等對不同養(yǎng)護濕度下橡膠水泥砂漿動態(tài)壓縮力學(xué)性能進(jìn)行研究[19],發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護濕度的降低會減小試件吸能效果,增大試件分形維數(shù)及破碎程度。延永東等對不同養(yǎng)護濕度作用下混凝土內(nèi)氯離子擴散規(guī)律進(jìn)行研究[20],發(fā)現(xiàn)早期養(yǎng)護濕度的增加會降低氯離子在試件內(nèi)部的擴散系數(shù)。養(yǎng)護濕度的變化同樣會對混凝土材料性能造成影響,濕度越高,試件力學(xué)性能越好,但現(xiàn)有研究成果僅停留在靜載階段,對于養(yǎng)護齡期、濕度對混凝土材料動態(tài)力學(xué)性能的研究鮮有涉及,而動載作用下試件力學(xué)性能與靜載存在不同[21]。

為進(jìn)一步探究養(yǎng)護濕度、齡期對玄武巖纖維混凝土動態(tài)力學(xué)性能的影響,采用SHPB試驗裝置對不同養(yǎng)護濕度(35%、55%、75%、95%)、不同養(yǎng)護齡期(1,3,7,14,28 d)試件開展動態(tài)單軸壓縮試驗,分析養(yǎng)護濕度及齡期對玄武巖纖維混凝土峰值應(yīng)力、能量耗散及分形維數(shù)影響規(guī)律。

1 試 驗

1.1 試驗過程

試驗選用海螺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.6的天然河砂,含泥量為1.2%,粗骨料選用粒徑為5～15 mm的連續(xù)級配碎石,水為實驗室自來水,外加劑為聚羧酸高效減水劑,減水率為25%,玄武巖纖維選用BC3-12型短切纖維,長度為6 mm、體積摻量在0.4%[22-25],其力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 玄武巖纖維的性能指標(biāo)Table 1 Performance indexes of basalt fibers

試驗選用基準(zhǔn)混凝土的設(shè)計強度等級為C40,混凝土各材料質(zhì)量配合比水泥∶砂∶粗骨料∶水為1∶1.5∶2.0∶0.45,減水劑含量為膠凝材料(水泥)質(zhì)量的1%,玄武巖纖維體積摻量為0.4%,試件澆筑過程中將纖維拌勻后置于材料中,攪拌均勻后利用φ74×37 mm圓柱體模具進(jìn)行澆筑,待試件成型后進(jìn)行拆模,將試件置于養(yǎng)護相對濕度分別為35%、55%、75%、95%,進(jìn)行養(yǎng)護齡期分別為1,3,7,14,28 d不同環(huán)境下的養(yǎng)護,待養(yǎng)護結(jié)束后采用非金屬超聲波檢測儀對試件縱波波速進(jìn)行測量,選取波速相近試件以減少離散性對試驗結(jié)果的影響[26]。利用SHPB裝置對試件開展動態(tài)單軸壓縮試驗,試驗前對試件進(jìn)行試沖,最終選定沖擊氣壓為0.35 MPa,待養(yǎng)護條件達(dá)到后立即對試件開展動態(tài)單軸壓縮試驗,沖擊試驗時將試件置于入射桿與透射桿間并涂抹適量的凡士林以減小端面的摩擦效應(yīng)。

1.2 試驗裝置及原理

動態(tài)壓縮試驗采用沖擊動力實驗室直徑為74 mm SHPB試驗系統(tǒng),采用0.35 MPa氣壓對試件開展沖擊壓縮試驗。試驗裝置采用撞擊桿、入射桿、透射桿長度分別為0.6,1.8,3.2 m,桿的材質(zhì)為合金鋼,其密度為7 850 kg/m3,彈性模量為210 GPa,縱波波速為5 190 m/s。子彈撞擊入射桿端時產(chǎn)生入射波,波沿入射桿向前傳播,由于混凝土材料與鋼材波阻抗不一致,在兩材料接觸面波會發(fā)生反射與透射[27],入射、反射和透射波通過應(yīng)變片進(jìn)行采集,應(yīng)變片型號為BX120-3AA,其電阻阻值為(120±0.2)Ω,靈敏度系數(shù)為2.08%±1%,應(yīng)變片上所接收的信號通過示波器進(jìn)行顯示,其典型波形圖如圖1所示。

圖1 實測波形Fig.1 Measured waveforms

動態(tài)單軸壓縮試驗采集數(shù)據(jù)利用三波法進(jìn)行處理,試驗中所求得應(yīng)變率、應(yīng)變及應(yīng)力如式(1)所示[28]。

(1a)

(1b)

(1c)

式中:εi(t)、εr(t)、εt(t)為時刻t的入射應(yīng)變、反射應(yīng)變、透射應(yīng)變,無量綱;ls為試件厚度,m;C0為壓桿的縱波波速,m/s;E為彈性模量,MPa;A、AS分別為壓桿的橫截面積和試件的橫截面積,m2。

根據(jù)一維應(yīng)力波理論可計算出各能量,其計算式如下:

(2a)

(2b)

(2c)

Ws(t)=Wi(t)-Wr(t)-Wt(t)

(2d)

(2e)

式中:Wi(t)、Wr(t)、Wt(t)、Ws(t)為時刻t的入射能、反射能、透射能、耗散能,J;ξ為破碎耗能密度,J/cm3;V為試件體積,cm3。

由一維應(yīng)力波傳播規(guī)律可知在沖擊子彈作用下在入射桿前端會形成應(yīng)力波,應(yīng)力波沿桿件向前傳播,在首次到達(dá)入射桿粘貼應(yīng)變片處波通過應(yīng)變片被收集,形成入射波,隨著波的進(jìn)一步傳播在桿件與試件接觸面時入射波發(fā)生透反射,反射波沿入射桿被反向傳播,再次被入射桿處應(yīng)變片收集形成反射波,透射波穿過試件到達(dá)透射桿處被透射桿粘貼應(yīng)變片收集形成透射波,在試驗過程中入射波與反射波之和等于透射波,此時達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài),也表明此次沖擊試驗數(shù)據(jù)的有效性,對于入射波、反射波及透射波的選取均是從波的上升沿起點處進(jìn)行選取的。應(yīng)力波在試件內(nèi)部傳播過程中波會沿傳播方向逐漸衰減,當(dāng)波首次到達(dá)試件末端時兩端存在明顯應(yīng)力差,在試件內(nèi)部來回發(fā)生多次反射后試件兩端應(yīng)力差會逐漸減小直至基本消失,此時試件兩端達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài),為保證沖擊試驗數(shù)據(jù)的有效性,需對每一次沖擊數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)力平衡檢測[29],應(yīng)力平衡如圖2所示。

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

沖擊荷載下試件分形維數(shù)能夠定量描述試件的破壞程度,采用碎屑的質(zhì)量-等效邊長計算出試件在沖擊荷載作用下的分形維數(shù)[30],其計算式如下。

D=3-α

(3)

式中:MLeq為等效邊長為Leq時所對應(yīng)的碎屑質(zhì)量,g;M為計算尺度內(nèi)碎屑的總質(zhì)量,g;MLeq/M為等效邊長小于Leq的碎屑的累計百分含量;D為分形維數(shù);α為MLeq/M-Leq在雙對數(shù)坐標(biāo)下的斜率值。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 峰值應(yīng)力

沖擊荷載作用下不同養(yǎng)護濕度、齡期試件力學(xué)性能變化如表2所示,相同沖擊氣壓下試件所獲取的平均應(yīng)變率如圖3所示,峰值應(yīng)力與養(yǎng)護齡期關(guān)系如圖4所示。

由圖3可知:相同沖擊氣壓下隨著養(yǎng)護齡期的增長,試件所獲取的平均應(yīng)變率隨之減小,兩者呈指數(shù)函數(shù)負(fù)相關(guān),相對濕度為95%時相較于養(yǎng)護齡期為1 d試件,養(yǎng)護齡期為3,7,14,28 d試件應(yīng)變率降XWY-95-14中XWY表示玄武巖纖維混凝土試件,95表示相對濕度為95%,14表示養(yǎng)護齡期為14 d。

表2 沖擊荷載作用下玄武巖纖維混凝土試驗結(jié)果Table 2 Test results of basalt fiber reinfored concrete under impact load

圖3 不同養(yǎng)護齡期下試件應(yīng)變率變化規(guī)律Fig.3 Variations of strain rate of specimens under different curing ages

圖4 不同養(yǎng)護齡期下試件峰值應(yīng)力變化規(guī)律Fig.4 Variations of peak stress of specimens under different curing ages

幅分別為4.77%、8.77%、12.39%、15.35%。相同養(yǎng)護齡期下隨著養(yǎng)護相對濕度的增大,試件平均應(yīng)變率降低,養(yǎng)護28 d,相較于相對濕度為35%試件,相對濕度為55%、75%、95%時試件平均應(yīng)變率降幅為3.36%、8.74%、11.83%,相對濕度的增加降低了試件的平均應(yīng)變率。由圖4可知:相同養(yǎng)護相對濕度下,隨著養(yǎng)護齡期的增長,試件峰值應(yīng)力隨之增大,兩者呈指數(shù)函數(shù)正相關(guān),且在相同養(yǎng)護齡期時,隨著相對養(yǎng)護濕度的增大試件峰值應(yīng)力隨之增大,且養(yǎng)護齡期越長,試件應(yīng)力增幅越顯著。結(jié)合一維應(yīng)力波傳播規(guī)律[31]可知:由于試件與桿件兩者間波阻抗不匹配,入射波在入射桿傳至玄武巖纖維混凝土接觸面時會產(chǎn)生反射波及透射波,桿件與試件間的波阻抗比值越大,由透射桿處應(yīng)變片所接收的透射波信號值越小,入射桿應(yīng)變片處所接收的反射波信號值越大,而試件所獲取平均應(yīng)變率可由反射波求得,反射波信號越大,試件所獲取平均應(yīng)變率越高,試件的應(yīng)力可由透射波求出。這是由于隨著養(yǎng)護齡期的增長及相對濕度的增加,試件中的水泥不斷發(fā)生水化產(chǎn)生更多的水化產(chǎn)物,充斥于試件內(nèi)部裂隙中,細(xì)化試件孔隙結(jié)構(gòu),提升其致密性,增強其整體性[14]。水化產(chǎn)物的增多及孔隙率的降低使試件密度及縱波波速增大,波阻抗值隨之增加,桿件與試件間的波阻抗比值降低,則在接觸面所產(chǎn)生的透射波增大,反射波降低,因此試件所獲取的平均應(yīng)變率降低,峰值應(yīng)力增大。

2.2 各能量變化規(guī)律

養(yǎng)護齡期28 d、相對濕度95%時試件能量時程曲線如圖5所示,相對濕度為95%時試件反射能、透射能、耗散能在不同養(yǎng)護條件下變化規(guī)律如圖6所示,養(yǎng)護齡期為28 d,不同養(yǎng)護相對濕度下試件各能量變化如圖7所示。

圖5 能量時程曲線Fig.5 Energy time-history curves

由圖5可知:試件各能量均隨時間的增長而增大,各能量增長趨勢基本相同。由能量時程曲線可知試件在沖擊荷載作用下能量變化可大致分為三個階段:0～50 μs內(nèi)各能量增長不明顯,應(yīng)力波在此階段處于上升沿,且混凝土內(nèi)部存在大量原生裂隙,試件在此階段荷載作用下內(nèi)部裂隙被壓密且能量以彈性能的方式被儲存;50～250 μs各能量在穩(wěn)步上升,反射能高于透射能與吸收能,透射能與耗散能基本相同,這是由于入射桿與混凝土間波阻抗存在較大差異[27],在入射桿與試件接觸面上發(fā)生反射,部分能量以波的形式被反射回去,小部分能量能夠透過混凝土試件在透射桿上進(jìn)行傳播,其余能量被混凝土試件吸收,一方面以彈性能的方式進(jìn)行儲存,另一方面作用于試件上對試件造成塑性損傷,用于試件裂紋的擴展與新生;250 μs以后應(yīng)力波對試件作用結(jié)束,各能量不再增加且趨于一個定值。

圖7 各能量與養(yǎng)護相對濕度間的關(guān)系Fig.7 Relations between energy and curing relative humidity

由圖6可知:相對濕度為95%、不同養(yǎng)護齡期下試件反射能隨著養(yǎng)護齡期的增長而降低,兩者呈指數(shù)函數(shù)負(fù)相關(guān),而透射能及耗散能隨著養(yǎng)護齡期的增長而增大,呈指數(shù)函數(shù)正相關(guān)。說明養(yǎng)護齡期的增長使得試件在沖擊荷載作用下所產(chǎn)生的反射作用減弱,透射及吸能效果增加。隨著養(yǎng)護齡期的增長,玄武巖纖維混凝土試件內(nèi)部水化產(chǎn)物不斷增多,試件內(nèi)部原生裂紋及毛細(xì)孔得到更多的填充,且纖維與膠凝材料間的黏結(jié)效果也逐漸逐漸,試件孔隙率降低,整體性能增大,其本身抵抗外荷載能力增強,吸能效果隨之增大。由圖7可知:隨著養(yǎng)護相對濕度的增大試件反射能整體呈下降趨勢,而入射能及吸收能整體呈增大趨勢,結(jié)合一維應(yīng)力波傳播規(guī)律可知由于試件與桿件間的波阻抗(密度與縱波波速的乘積)存在差異,波在試件與桿件的接觸面會產(chǎn)生透反射,當(dāng)桿件與試件間的波阻抗比值越大,則反射波越大,透射波越小。隨著養(yǎng)護濕度的增大,試件通過混凝土孔隙進(jìn)入試件內(nèi)部水分增多,在水分充足的環(huán)境下試件內(nèi)部水泥水化程度更加充分,水化產(chǎn)物增多,試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密,整體性增強,試件此時波阻抗增大,桿件與試件間的波阻抗比值減小,此時反射波減小,透射波增大,而試件整體性增加使其在相同沖擊荷載作用下其吸能效果增大,因此隨著養(yǎng)護相對濕度的增大試件反射能整體呈下降趨勢,而入射能及吸收能整體呈增大趨勢。圖7中反射能隨養(yǎng)護相對濕度先增大后減小又增大這可能是由于試件本身的離散性及試驗過程中誤差導(dǎo)致試驗結(jié)果存在波動,但反射能隨著養(yǎng)護相對濕度的增大整體呈降低趨勢。

2.3 分形維數(shù)及破裂破碎形態(tài)

不同養(yǎng)護環(huán)境下養(yǎng)護相對濕度與破碎耗能密度間的關(guān)系如圖8所示,養(yǎng)護齡期與分形維數(shù)間的關(guān)系如圖9所示。

由圖8可知:試件的破碎耗能密度在0.077～0.25 J·cm-3。隨著養(yǎng)護相對濕度的增大,相同沖擊氣壓下試件破碎耗能密度隨之增大,兩種呈良好的線性正相關(guān)。當(dāng)養(yǎng)護環(huán)境的濕度較低時,水泥水化過程缺乏水分進(jìn)行反應(yīng),從而生成的Ca(OH)2量較少,隨著養(yǎng)護環(huán)境濕度的增加,試件內(nèi)部水化速率增大,生成的水泥水化物填充試件內(nèi)部原生裂隙,試件整體性隨之增加,在相同沖擊荷載下其自身破碎耗能密度隨之增大。相同養(yǎng)護相對濕度下養(yǎng)護齡期的增長使得試件破碎耗能密度增大。

圖9 養(yǎng)護齡期與分形維數(shù)間的關(guān)系Fig.9 Relations between curing age and fractal dimension

由圖9可知:不同養(yǎng)護相對濕度下試件分形維數(shù)隨養(yǎng)護齡期的增長不斷減小,且養(yǎng)護前期分形維數(shù)降幅顯著大于后期,養(yǎng)護相對濕度為95%時,相較于養(yǎng)護齡期為1 d試件,養(yǎng)護齡期為3,7,14,28 d試件分形維數(shù)降幅分別為8.61%、13.91%、23.58%、26.68%。養(yǎng)護齡期越小、相對濕度越低,相同沖擊氣壓下試件破碎時塊度越小,數(shù)量越多,破碎程度越大。養(yǎng)護齡期的減少、相對濕度的降低使得水泥水化產(chǎn)物減少,內(nèi)部孔隙增多,外部沖擊荷載作用下在裂隙處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中從而導(dǎo)致裂隙的進(jìn)一步擴展與新生,試件損傷破碎程度隨之增大,試件分形維數(shù)隨之增加。

不同養(yǎng)護濕度(35%、55%、75%、95%)下養(yǎng)護28 d試件的破裂破碎形態(tài)如圖10所示。

a—95%; b—75%; c—55%; d—35%。圖10 養(yǎng)護28 d、不同養(yǎng)護濕度下試件破裂破碎形態(tài)Fig.10 Fracture and fracture morphology of the specimen after28 days of curing at different curing humidity

由圖10可知:在相同沖擊氣壓下養(yǎng)護28 d、不同養(yǎng)護濕度下試件破裂破碎形態(tài)存在明顯的差異性。養(yǎng)護濕度為95%時試件表面出現(xiàn)大量裂紋,且在試件上端口出發(fā)生破裂,產(chǎn)生碎屑;養(yǎng)護濕度為75%時試件上端斷裂程度明顯增大,產(chǎn)生小塊碎屑數(shù)目增多,隨著養(yǎng)護濕度的進(jìn)一步降低,試件破碎程度增大;養(yǎng)護濕度為35%時試件產(chǎn)生碎塊數(shù)目最多,破碎程度最大,養(yǎng)護濕度的降低使得試件產(chǎn)生的水化產(chǎn)物減少,整體性能降低,其抵抗外荷載作用下的變形能力隨之減弱,破碎程度增大,這與試件分形維數(shù)呈相同變化規(guī)律。

3 結(jié)束語

1) 玄武巖纖維混凝土峰值應(yīng)力隨養(yǎng)護齡期的增長、相對濕度的增大而增大,峰值應(yīng)力與養(yǎng)護齡期間呈指數(shù)函數(shù)正相關(guān),養(yǎng)護齡期的增長及相對濕度的增大使水泥水化產(chǎn)物增多,增強試件整體性及抵抗外荷載能力。

2) 沖擊荷載作用下試件能量變化可分為三個階段,反射能隨著養(yǎng)護齡期的增長及相對濕度的增大而降低,透射能及耗散能養(yǎng)護齡期的增長及相對濕度的增大而增大。

3) 荷載作用下試件的破碎耗能密度在0.077～0.25 J·cm-3,破碎耗能密度與相對濕度間呈線性正相關(guān),養(yǎng)護環(huán)境相對濕度的增加使試件水化速率增大,試件整體性增加,其破碎耗能密度也隨之增大。

4) 養(yǎng)護相對濕度為95%時,相較于養(yǎng)護齡期為1 d試件,養(yǎng)護齡期為3,7,14,28 d試件分形維數(shù)降幅分別為8.61%、13.91%、23.58%、26.68%,養(yǎng)護齡期的增長使試件分形維數(shù)減小。