DIC方法測量高溫后輕骨料混凝土彈性模量應(yīng)用研究

郭佳棟, 宋曉磊, 焦曉磊, 劉云鵬

(1.天津市交通科學(xué)研究院, 天津 300000;2.天津市公路事業(yè)發(fā)展服務(wù)中心, 天津 300000;3.北京科技大學(xué), 北京 100083)

0 引言

輕骨料混凝土的密度相比普通混凝土小20%～40%,輕質(zhì)、保溫隔熱性能好,符合綠色建筑和綠色建材的發(fā)展要求[1]. 同時由于骨料的多孔特征使得混凝土的各向異性更加復(fù)雜,除脆性高外高溫爆裂性也高于普通混凝土.

眾多試驗(yàn)研究表明,在混凝土中摻入纖維可起到“二次微加筋”作用,提高其力學(xué)性能,改善脆性缺陷[2-3]. 還可阻止混凝土的高溫爆裂,提高結(jié)構(gòu)的抗高溫?fù)p傷與劣化能力[4]. 纖維的加入也改變了混凝土高溫受力變形特性,研究表明,隨著受熱溫度的升高,纖維混凝土與普通混凝土的彈性模量與抗壓強(qiáng)度都呈下降趨勢,而峰值應(yīng)變上升[5]. 除高溫后力學(xué)性能降低外,抗壓變形性能劣化程度不同,加入纖維對混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有明顯影響[6]. 因此,纖維輕骨料混凝土在多因素影響下高溫后彈性模量的變化規(guī)律及機(jī)理研究十分重要.

對混凝土構(gòu)件受載變形狀態(tài)的分析常采用應(yīng)變片抽樣采集再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,但由于混凝土體量較大,應(yīng)變片的測量范圍有限,在反映構(gòu)件真實(shí)特性時有局限性. 數(shù)字圖像相關(guān)方法(DIC)是1種光學(xué)測量技術(shù),具有非接觸、高精度、全場測量等優(yōu)點(diǎn),可對混凝土在外荷載作用下結(jié)構(gòu)表面變形場進(jìn)行測量[7-8]. 將DIC方法應(yīng)用于纖維混凝土高溫后彈性模量的測定,分析混凝土在荷載作用下的變形狀態(tài)具有重要意義.

本文采用玄武巖纖維對輕骨料混凝土進(jìn)行改性,研究DIC方法在測量輕骨料混凝土彈性模量試驗(yàn)中的精確度與可行性,研究纖維摻量對輕骨料混凝土彈性模量的影響及高溫后纖維輕骨料混凝土彈性模量的變化.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥:P·O 42.5普通硅酸鹽水泥;粗骨料:5～20 mm連續(xù)級配頁巖碎石型陶粒;細(xì)骨料:砂,細(xì)度模數(shù)2.6,Ⅱ區(qū)中砂級配;玄武巖纖維:長度20 mm;減水劑:聚羧酸高性能減水劑;水:試驗(yàn)室自來水.

1.2 配合比設(shè)計(jì)

參照《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》JGJ51—2002進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),加入體積摻量為0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%玄武巖纖維,具體配合比見表1.

表1 輕骨料混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

對養(yǎng)護(hù)28 d試件進(jìn)行彈性模量測量試驗(yàn),將試件用于測量彈性模量的一面用砂紙打磨平整,標(biāo)定好粘貼應(yīng)變片的位置,試件表面長度方向貼2個應(yīng)變片以測定其縱向應(yīng)變,沿寬度中線方向粘貼1個應(yīng)變片以測定其橫向應(yīng)變,待應(yīng)變片與試件完全粘結(jié)后用白漆噴涂試件表面并覆蓋應(yīng)變片,避免應(yīng)變片粘貼痕跡對DIC測試結(jié)果的影響,自然晾干后制作黑色散斑,見圖1,散斑直徑0.5～2 mm無規(guī)律均勻分布于試件待測表面.

圖1 試件表面散斑制作

彈性模量試驗(yàn)開始時,對試件進(jìn)行預(yù)壓3次,預(yù)壓結(jié)束后進(jìn)行持續(xù)加載并啟動圖像采集系統(tǒng),為減少試件輕微平動和偏轉(zhuǎn)對試驗(yàn)結(jié)果的影響,把加載至50 kN時的圖像作為初始圖像,荷載每上升10 kN保持恒載30 s,系統(tǒng)采集1張圖像,直至加載結(jié)束. 計(jì)算圖像時,分不同大小的3個計(jì)算區(qū)域像素(1 365×990、1 410×245、1 435×100),較小的計(jì)算區(qū)域與豎向2個應(yīng)變片測量區(qū)域相當(dāng). 采用VIC-2D 2009計(jì)算圖像,然后將所得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB進(jìn)行處理,參照潘兵提出的試驗(yàn)中消除微小偏轉(zhuǎn)角方法[9],運(yùn)行編譯程序進(jìn)行計(jì)算處理,得到彈性模量測量結(jié)果.

通過室溫測量彈性模量的試驗(yàn),分析纖維體積摻量對輕骨料混凝土彈性模量的影響,優(yōu)選配合比進(jìn)行高溫后殘余彈性模量試驗(yàn). 高溫試驗(yàn)設(shè)備采用箱式電爐,選定100、200、300、500、700、900 ℃ 6個目標(biāo)溫度段,升溫速率為10 ℃/min,升溫至目標(biāo)溫度后恒溫3 h,恒溫結(jié)束后試件在爐膛內(nèi)自然冷卻至室溫.

2 圖像處理及結(jié)果分析

2.1 普通輕骨料混凝土彈性模量測量

應(yīng)用DIC方法計(jì)算LC試件表面位移場和應(yīng)變場,同時對比電阻應(yīng)變片測得的應(yīng)變數(shù)據(jù). LC試件應(yīng)用2種測量方法所得結(jié)果見表2,應(yīng)用DIC方法加載至150 kN時試件表面位移云圖見圖2. 繪制DIC應(yīng)力-應(yīng)變曲線、應(yīng)變片應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖3.

圖2 150 kN時試件表面位移云圖

圖3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2 LC彈性模量數(shù)據(jù) GPa

對比2種方法計(jì)算得到的彈性模量,發(fā)現(xiàn)應(yīng)用電測法得到的數(shù)值較應(yīng)用DIC方法得到的彈性模量數(shù)值最大相差3.72 GPa,2種方法所測得的彈性模量屬同一數(shù)量級,表明DIC方法應(yīng)用于測量混凝土彈性模量的可行性. 觀察圖3,可發(fā)現(xiàn)DIC方法不同計(jì)算區(qū)域所得的應(yīng)變結(jié)果相差不大,且數(shù)據(jù)結(jié)果線性較好. 2種方法測得的應(yīng)變相差不超過200 με,分析偏差原因,混凝土為多相非均勻復(fù)合材料,各相材料的彈性模量大小不一,可能致使試件表面應(yīng)變存在不均勻性,應(yīng)變片僅是測量試件表面的局部應(yīng)變,不能表征試件表面全場應(yīng)變,2種方法的差異導(dǎo)致彈性模量測量結(jié)果不一致,但在合理范圍內(nèi).

2.2 纖維輕骨料混凝土彈性模量測量

制備輕骨料混凝土試件,摻入不同摻量玄武巖纖維,應(yīng)用DIC方法進(jìn)行彈性模量測量試驗(yàn),結(jié)果見表3,根據(jù)纖維摻量的不同分析彈性模量的變化規(guī)律,如圖4所示.

圖4 不同纖維摻量輕骨料混凝土彈性模量

表3 纖維輕骨料混凝土彈性模量 GPa

觀察圖4發(fā)現(xiàn),輕骨料混凝土中加入不同摻量的玄武巖纖維后,所測得彈性模量均有不同程度提高,分別高出11.01%、11.66%、19.70%、21.59%、20.67%、1.89%,隨著纖維體積摻量的增加彈性模量逐漸增大,體積摻量達(dá)0.2%時彈性模量最大,隨后降低.

由于玄武巖纖維具有較高的彈性模量和較低的斷裂延伸率,摻入混凝土中起到微加筋的作用,混凝土由于自身不均勻性導(dǎo)致內(nèi)部存在許多微裂縫,在荷載作用下,內(nèi)部微裂縫不斷擴(kuò)展,而纖維均勻分散在混凝土中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[10],裂縫的擴(kuò)展需要克服纖維與混凝土基體的機(jī)械粘結(jié)力,此時纖維受拉應(yīng)力能減少試件受荷載時的橫向膨脹,有效緩解裂縫尖端的應(yīng)力集中現(xiàn)象,增加裂縫的擴(kuò)展阻力,從而減少裂縫的擴(kuò)展.

2.3 高溫后纖維輕骨料混凝土彈性模量測量

優(yōu)選配合比進(jìn)行高溫處理后測量試件彈性模量,升溫達(dá)900 ℃時,各試件表面脫落嚴(yán)重,無法測量彈性模量,其余測量結(jié)果見表4,變化趨勢見圖5.

圖5 高溫后纖維輕骨料混凝土彈性模量

表4 高溫后彈性模量 GPa

觀察圖5在溫度不超過300 ℃時彈性模量無明顯規(guī)律,總體呈下降趨勢,摻入玄武巖纖維后的混凝土彈性模量均高于LC. 分析原因,在該溫度區(qū)間下,混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā),高溫和水蒸氣環(huán)境促進(jìn)水泥進(jìn)一步水化,但不同摻量的玄武巖纖維導(dǎo)致試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異,多因素共同作用造成該溫度區(qū)間不同纖維摻量的輕骨料混凝土彈性模量呈無規(guī)律性降低,但此溫度作用下玄武巖纖維性能未發(fā)生明顯降低,在混凝土內(nèi)部仍能起到一定的增強(qiáng)加筋作用,因此纖維輕骨料混凝土的彈性模量高于LC;溫度達(dá)500 ℃時,玄武巖纖維性能降低,纖維輕骨料混凝土的彈性模量低于LC,BFLC2、BFLC3、BFLC4、BFLC6的殘余彈性模量分別為38.0%、40.5%、40.2%、52.4%.

3 結(jié)論

本文應(yīng)用數(shù)字圖像相關(guān)方法測量纖維輕骨料混凝土的彈性模量,研究纖維摻量對彈性模量的影響,及高溫后彈性模量的變化,得到以下結(jié)論:

1)DIC方法可對試件表面全場應(yīng)變進(jìn)行測量,所測應(yīng)力-應(yīng)變曲線線性較好,應(yīng)用于混凝土彈性模量測量表征性相對較強(qiáng),表明DIC方法應(yīng)用于測量混凝土彈性模量的可行性.

2)輕骨料混凝土中摻入玄武巖纖維可提高其彈性模量. 隨纖維體積摻量的增加彈性模量逐漸升高然后隨之降低,體積摻量達(dá)0.2%時彈性模量最大.

3)高溫作用顯著降低纖維輕骨料混凝土的彈性模量,溫度不超過300 ℃時,玄武巖纖維性能未發(fā)生明顯衰減,仍可增加輕骨料混凝土的彈性模量. 升溫達(dá)500 ℃時,玄武巖纖維輕骨料混凝土彈性模量急劇降低.