氯鹽侵蝕下竹纖維增強(qiáng)混凝土靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)研究

張舒翔

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 611830）

混凝土是一種廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的材料，具有高抗壓強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)。然而，普通混凝土存在抗裂性能差和抗折強(qiáng)度低等問(wèn)題[1]。雖然人工合成纖維可以在一定程度上提高混凝土的性能，但是其生產(chǎn)成本較高，就會(huì)增加混凝土的綜合成本[2]。竹纖維增強(qiáng)混凝土劈裂抗拉性能較好，能增強(qiáng)延性，減少裂縫，延緩開裂[3]。隨著近海建筑群迅速擴(kuò)張，越來(lái)越多的建筑面臨海水侵蝕的問(wèn)題。海水侵蝕是近海建筑研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。

為探究氯鹽侵蝕下對(duì)竹纖維增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響，該試驗(yàn)對(duì)不同竹纖維長(zhǎng)度及摻量下的混凝土開展其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的受力性能試驗(yàn)。探究了在氯鹽侵蝕下竹纖維長(zhǎng)度、摻量及氯鹽侵蝕時(shí)間對(duì)混凝土靜態(tài)性能的影響規(guī)律以及竹纖維對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)受力性能的作用規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)選用P·O42.5R 硅酸鹽水泥，粉煤灰選用密度為2300kg/m3的一級(jí)粉煤灰，細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.6 的中砂，粗骨料選用粒徑為5mm～20mm 的碎石，減水劑選用聚羧酸系高效減水劑，所用的水為自來(lái)水。試驗(yàn)所用的竹纖維長(zhǎng)度分別為30mm 和45mm，設(shè)計(jì)的竹纖維體積分?jǐn)?shù)摻量為0%（素混凝土）、1%和2%。竹纖維增強(qiáng)混凝土配合比見表1。

表1 竹纖維增強(qiáng)混凝土配合比

試樣在標(biāo)準(zhǔn)條件（溫度為（20±3） ℃，相對(duì)濕度≥90%）下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。制備的試件尺寸包括2 種規(guī)格：Φ70 mm×150 mm（用于靜態(tài)壓縮試驗(yàn)）和Φ70 mm×35 mm。共進(jìn)行4 種類型的試驗(yàn)：靜態(tài)壓縮試驗(yàn)、靜態(tài)劈裂抗拉試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)劈裂抗拉試驗(yàn)。其中，靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和劈裂抗拉試驗(yàn)采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)完成。動(dòng)態(tài)壓縮和劈裂抗拉試驗(yàn)采用直徑為74mm 的分離式霍普金森壓桿（SHPB）裝置完成。

2 靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1 為竹纖維增強(qiáng)混凝土的單軸壓縮強(qiáng)度。在竹纖維摻量為1%的混凝土中，竹纖維長(zhǎng)度為30 mm 的試件其單軸壓縮強(qiáng)度與素混凝土相比下降了18.9%，竹纖維長(zhǎng)度為45 mm 的試件其受壓強(qiáng)度與混凝土相比下降了16.2%。然而，當(dāng)竹纖維摻量為2%時(shí)，與竹纖維摻量為1%的試件相比，其抗壓強(qiáng)度提升了4%～6%。這說(shuō)明竹纖維量增加可在一定程度上提高竹纖維的抗拉拔結(jié)作用，從而直接影響竹纖維增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度。

圖1 竹纖維增強(qiáng)混凝土靜態(tài)抗壓強(qiáng)度

圖2 為竹纖維增強(qiáng)混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度。在加載過(guò)程中，竹纖維增強(qiáng)混凝土試件在開裂后裂縫發(fā)展緩慢，由于亂向分布的竹纖維起拉結(jié)作用和傳遞應(yīng)力的作用，裂縫分散為幾條，裂縫寬度也較小，塑性變形較為顯著，延性較好，破壞時(shí)也不會(huì)突然斷裂崩壞，仍由竹纖維連成整體。從圖2 中可以得出，在一定范圍內(nèi)，隨著竹纖維摻量增加，可在一定程度上提高竹纖維增強(qiáng)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，大約提升了9%～12%。

圖2 竹纖維增強(qiáng)混凝土的靜態(tài)劈裂抗拉強(qiáng)度

將圖1 與圖2 對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者有相似的變化規(guī)律。與竹纖維增強(qiáng)混凝土相比，雖然素混凝土在強(qiáng)度方面略有下降，但是在抗裂性能方面明顯提高。這也進(jìn)一步證實(shí)了竹纖維對(duì)混凝土的韌性有一定的提升作用。同時(shí)，由于竹纖維存在，混凝土的破壞過(guò)程更緩慢。

表2 和表3 分別為在氯鹽不同浸泡時(shí)間下的竹纖維增強(qiáng)混凝土試件的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。顯而易見，在氯鹽侵蝕作用下，無(wú)論是素混凝土還是竹纖維增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度均在一定程度上有所下降。隨著浸泡時(shí)間增加，混凝土的強(qiáng)度下降得更明顯。對(duì)比未浸泡的混凝土試件與在氯鹽溶液中浸泡了90 天的混凝土試件，會(huì)發(fā)現(xiàn)素混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度下降了約40%，而竹纖維增強(qiáng)混凝土均下降了20%～30%。除此之外，素混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度下降約30%，而竹纖維增強(qiáng)混凝土均下降了5%～15%。這說(shuō)明加入竹纖維，可填充混凝土內(nèi)部的部分孔隙，在一定程度上提高混凝土的抗氯鹽侵蝕能力。隨著竹纖維摻量增加，混凝土的抗氯鹽侵蝕能力也隨之增強(qiáng)。

表2 氯鹽不同浸泡時(shí)間的竹纖維增強(qiáng)混凝土靜態(tài)抗壓強(qiáng)度

表3 氯鹽不同浸泡時(shí)間的竹纖維增強(qiáng)混凝土靜態(tài)劈裂抗拉強(qiáng)度

3 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果及分析

該試驗(yàn)選取竹纖維長(zhǎng)度為45 mm的試件進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，分別在竹纖維摻量為0%、1%以及2%的不同應(yīng)變率條件下，竹纖維增強(qiáng)混凝土動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變特征如圖3 所示。

圖3 不同應(yīng)變率下的竹纖維增強(qiáng)混凝土動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變特征

通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)所有實(shí)驗(yàn)組上升線性段，基本不隨應(yīng)變率及纖維含量變化而變化，即彈性模量變化不大。這也從另一方面反映了應(yīng)變率和竹纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響與裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展密切相關(guān)。除此之外，與素混凝土相比，竹纖維增強(qiáng)混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線的塑性上升段和破壞下降段更平緩，且頂部具有更小的曲率。同時(shí)，竹纖維增強(qiáng)混凝土的破壞應(yīng)變顯著大于素混凝土。根據(jù)并結(jié)合相近應(yīng)變率下試樣的破壞情況，對(duì)比素混凝土碎塊大小基本均勻，竹纖維增強(qiáng)混凝土碎塊，隨著纖維含量增加，碎塊大小不一，附著較多纖維的碎塊明顯較大。說(shuō)明竹纖維對(duì)混凝土有增強(qiáng)其韌性的作用。

同時(shí)，隨著試驗(yàn)的應(yīng)變率提高，試樣失效模式逐漸由靜態(tài)主裂紋擴(kuò)展轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗔鸭y主擴(kuò)展，試件的抗壓強(qiáng)度增加。同時(shí)，由于裂紋擴(kuò)展速率是有限的，隨著應(yīng)變率增加，裂紋擴(kuò)展的滯后現(xiàn)象也越來(lái)越明顯，因此抗壓強(qiáng)度增加。在相近的應(yīng)變率下，竹纖維增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度基本低于素混凝土。隨著應(yīng)變率上升，竹纖維增強(qiáng)混凝土與素混凝土的抗壓強(qiáng)度差異性相對(duì)較小，這就說(shuō)明竹纖維對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)作用并不顯著。

圖4 為高應(yīng)變率下的氯鹽侵蝕時(shí)間對(duì)竹纖維增強(qiáng)混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，在高應(yīng)變率下，竹纖維增強(qiáng)混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度仍低于素混凝土。然而，隨著在氯鹽溶液中浸泡時(shí)間增長(zhǎng)，竹纖維增強(qiáng)混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度下降的速率比素混凝土慢。素混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度受到氯鹽侵蝕的影響更明顯。這就說(shuō)明竹纖維在一定程度上可以提高混凝土抵抗氯鹽侵蝕的能力，并提高混凝土的耐久性。

圖4 高應(yīng)變率下的氯鹽侵蝕時(shí)間對(duì)竹纖維增強(qiáng)混凝土的動(dòng)態(tài)壓縮性能影響

表4 為竹纖維增強(qiáng)混凝土在動(dòng)態(tài)劈裂抗拉方面的主要力學(xué)參數(shù)。竹纖維提高混凝土的劈裂強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變率敏感，隨著應(yīng)變率增加，所有組試樣的劈裂強(qiáng)度單調(diào)增加。雖然竹纖維增強(qiáng)混凝土的動(dòng)態(tài)劈裂抗拉強(qiáng)度仍低于素混凝土，但是竹纖維的摻入提高了混凝土的韌性。隨著竹纖維摻量增加，混凝土的動(dòng)態(tài)劈裂抗拉強(qiáng)度也有一定程度地提高。這說(shuō)明，在沖擊荷載作用下，竹纖維能夠幫助混凝土起到緩沖和吸能，并在混凝土中起到抗拉咬合作用，從而抑制混凝土裂縫的發(fā)展，并提高混凝土力學(xué)性能的效果。

表4 動(dòng)態(tài)劈裂抗拉下的竹纖維增強(qiáng)混凝土的主要力學(xué)參數(shù)

4 結(jié)論

竹纖維增強(qiáng)混凝土在開裂過(guò)程中，橫跨于裂縫上的竹纖維能夠有效地限制混凝土裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。這種特性克服了混凝土抗拉強(qiáng)度低、易開裂等固有缺陷，提高了混凝土的變形能力。

竹纖維增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變率敏感。由于裂紋擴(kuò)展速率有限，隨著應(yīng)變率增加，竹纖維能夠滯后地阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度上升。

竹纖維的加入能夠填充混凝土內(nèi)部的部分孔隙，從而在一定程度上提高混凝土抵抗氯鹽侵蝕的能力，提高混凝土的耐久性。