PVA纤维混凝土的动态压缩性能试验研究

苏　骏， 汪思维， 陈　明， 张　鹏

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)



PVA纤维混凝土的动态压缩性能试验研究

苏骏， 汪思维， 陈明， 张鹏

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)

[摘要]为了研究PVA纤维混凝土的动态压缩性能，采用Φ74SHPB(分离式霍普金森压杆)装置对三种体积掺量的PVA纤维混凝土进行不同应变率下的冲击压缩试验，获得了较高应变率下的应力-应变关系。试验结果表明，PVA纤维混凝土是一种应变率敏感材料，在冲击荷载作用下，其破坏应力、峰值应变、峰值韧度等技术指标都随应变率的增加而增大。

[关键词]纤维混凝土； 冲击压缩试验； 破坏应力； 峰值应变； 峰值韧度

1试验概况

1.1试验装置与内容

本试验利用Φ74 SHPB(分离式霍普金森压杆)装置对PVA纤维混凝土进行动态压缩性能试验。该试验装置主要由主体设备、能源系统和测试系统三部分组成。试验选用800 mm子弹(打击杆)，入射杆全长3 200 mm，为变截面杆，透射杆长度为1 600 mm，直径为74 mm。能源系统的作用是调节高压气体的激发气压数值从而控制子弹冲击速度，以获得不同应变率下的加载波形；测试系统由速度测试仪、应变片、动态应变仪以及测量分析仪组成。除对PVA纤维混凝土进行冲击压缩试验研究之外，在SHT4106电液伺服万能试验机上完成PVA纤维混凝土部分试样的静力压缩试验。

1.2试验材料

试验材料中，粗骨料采用粒径为5~20 mm连续级配的碎石，细骨料选用细度模数为2.6的河砂，水泥采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥。PVA纤维选用上海博宁工程纤维材料有限公司生产的PVA纤维，体积掺量分别为0.08%、0.1%、0.2%，其性能指标见表1。

PVA纤维混凝土动态压缩试样采用Φ70 mm×35 mm的圆柱体试块。按照试验的配合比要求，制作完成了100 mm×100 mm×100 mm试件，在标准养护室养护28 d后，用混凝土钻芯机钻取Φ70 mm的芯样，然后用岩石切割机切取Φ70 mm×35 mm的圆柱体试块，并用打磨机对切割好的试块进行端面水磨精细加工，使试样端面不平整度控制在0.02 mm以内。SHPB试验混凝土配合比见表2。

表1　PVA纤维的基本性能

表2　混凝土配合比

2试验结果与分析

2.1PVA纤维混凝土静态压缩抗压强度分析

在静力压缩试验中，根据PVA纤维体积掺量(0、0.08%、0.1%、0.2%)的不同将试验分为4组，每组完成3次测试，然后以3个测量值的算术平均值作为测定值，具体结果见表3。

表3　PVA纤维混凝土抗压强度

由表3可知，当PVA纤维体积掺量在0.08%时，PVA纤维混凝土的抗压强度相比于素混凝土提高了3.9%；当PVA纤维体积掺量在0.1%时，PVA纤维混凝土的抗压强度提高了1.2%；当PVA纤维体积掺量在0.2%时，PVA纤维混凝土的抗压强度却略有降低，说明PVA纤维的掺入能提高混凝土的抗压强度。

2.2PVA纤维混凝土动态压缩抗压强度分析

SHPB试验共对3种纤维掺量(0.08%、0.1%、0.2%)的PVA纤维混凝土试样进行了不同应变率下的冲击压缩试验，平均应变率分别取为45s-1、67s-1、90s-1。每种应变率下做6次实验，选取其中较好的应力-应变曲线作为试验结果。图1为同种纤维掺量下不同应变率下的应力-应变曲线。SHPB试验结果归纳于表4。

由图1和表4可知，在冲击荷载作用下，PVA纤维混凝土的抗压强度随着应变率的增加而提高。在45 s-1、67 s-1、90 s-1应变率下，0.08%PVA纤维掺量混凝土的峰值应力分别为55.1 MPa、62.7 MPa、76.7 MPa，分别是静态抗压强度(50.5 MPa)的1.09倍、1.24倍、1.52倍；0.1%PVA纤维掺量下混凝土的峰值应力分别为55.3 MPa、64.7 MPa、68.5 MPa，分别是静态抗压强度(49.2 MPa)

的1.12倍、1.32倍、1.39倍；0.2%PVA纤维掺量下混凝土的峰值应力分别为56.4 MPa、58.7 MPa、71.9 MPa，分别是静态抗压强度(48.3 MPa)的1.17倍、1.22倍、1.49倍。

(a)0.08%PVA纤维掺量

(b)0.1%PVA纤维掺量

(c)0.2%PVA纤维掺量图 1　不同纤维掺量下的应力-应变曲线

PVA纤维掺量/%平均应变率/s-1静态抗压强度/MPa峰值应力/MPaεpεmaxDIF破坏形态0.0845679050.550.550.555.162.776.70.010000.006540.007900.017220.026990.037491.091.241.52粗裂纹,边缘剥落碎裂成大块碎裂成小块0.145679049.249.249.255.364.768.50.005570.009620.013120.017150.02310.033581.121.321.39粗裂纹,边缘剥落碎裂成大块碎裂成小块0.245679048.348.348.356.458.771.90.006350.00750.009220.016450.020590.035141.171.221.49细裂纹,边缘剥落碎裂成大块碎裂成小块

表中εp、εmax分别为应力-应变曲线中的峰值应变、极限应变；

动态压缩强度增长因子DIF=峰值应力/静态抗压强度

图 2　应力-应变率曲线

图 3　DIF-应变率曲线

由图2可看出，混凝土的破坏应力随应变率的增加呈非线性增加。当PVA纤维掺量为0.08%和0.2%时，混凝土的破坏应力在90 s-1应变率的破坏应力增幅比其在67 s-1应变率时的破坏应力增幅大得多，其应变率增强效应更显著。而当PVA纤维掺量为0.1%时，混凝土在90 s-1应变率下的破坏应力增幅则比其在67 s-1应变率下的破坏应力增幅小。其主要原因是：在PVA纤维掺量为0.1%的时候，其临界应变率比较小，Ross等人[4]认为混凝土临界应变率为60 s-1~80 s-1，当达到其临界应变率的时候，其应变率效应有所减弱，即其破坏应力增幅减小。

研究纤维混凝土的动态抗压强度与应变率关系，主要是研究混凝土的动态抗压强度相对于静态抗压强度的增长。DIF的计算结果见表4，DIF与应变率的关系见图3，可以看出，随着应变率的增加，DIF值呈上升趋势，最大达到1.52倍。在不同应变率下，增强效果各不相同，在45 s-1应变率下，PVA纤维掺量为0.2%的混凝土增强效果最佳；在67 s-1应变率下，PVA纤维掺量为0.1%的混凝土增强效果最佳；在90 s-1应变率下，PVA纤维掺量为0.08%的混凝土增强效果最佳。

2.3峰值应变与极限应变分析

图4和图5为PVA纤维混凝土动态峰值应变及动态极限应变与应变率的关系曲线。

图 4　峰值应变-应变率曲线

图5　极限应变-应变率曲线

从图4、图5可看出，PVA纤维混凝土的峰值应变和极限应变随着应变率的增加而增加。0.1% PVA纤维掺量的混凝土的峰值应变在90s-1应变率下峰值应变最大为0.013；0.08%PVA纤维掺量的混凝土极限应变最大为0.037。

2.4峰值韧度和冲击韧度分析

纤维混凝土韧性是反应材料在变形过程中吸收能量的重要性能，体现了材料的力学性能，分别采用峰值韧度和冲击韧度作为评价指标，计算结果见表5。

表5　韧度计算结果

PVA纤维混凝土的峰值韧度-应变率以及冲击韧度-应变率关系曲线见图6和图7。由此可知，PVA纤维混凝土存在应变率增强效应。随着应变率增加，其峰值韧度、冲击韧度呈总体增加的趋势，即韧性增大的趋势。总体来看，PVA纤维体积掺量在0.1%时混凝土在各种应变率下的韧性最好。

图 6　峰值韧度-应变率曲线

图 7　冲击韧度-应变率曲线

3结论

本文分别对三种不同体积掺量下PVA纤维混凝土的动态压缩性能进行了研究，并得到不同应变率下的动态抗压应力-应变曲线，通过对试验数据的分析，得出以下结论：

1)在冲击荷载作用下，相对于静态混凝土,三种PVA纤维掺量下的混凝土抗压强度随着应变率的增加得到了不同幅度的提升。

2)峰值应变、极限应变、峰值韧度以及冲击韧度都存在应变率效应，在三个应变率条件下，其值随应变率的增加而增大。

3)PVA纤维混凝土的动态压缩性能的应变率增强效应与实验过程中裂纹的扩展、冲击荷载下试件的惯性约束作用以及动态压缩下混凝土的损伤演化方式等有关。

[参考文献]

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[3]邓宗才.高性能合成纤维混凝土[M].北京：科学出版社，2003.

[4]杜修力，窦国钦，李亮，等.纤维高强混凝土的动态力学性能实验研究[J].工程力学，2011.

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[责任编校： 张岩芳]

Experimental Study on Dynamic Compression Properties of Polyvinyl Alcohol(PVA) Fiber Concrete

SU Jun，WANG Siwei, CHEN Ming，ZHANG Peng

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Abstract：In order to research the dynamic compression properties of PVA fiber concrete, a SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar) of 74mm was used to make the impact compression experiments with different strain rate ranges for PVA fiber concrete of three different volume contents, and the dynamic stress-strain relationships in the scope of high strain rate were then obtained. The results show that PVA fiber concrete is a strain sensitive material; the failure stress, the peak strain, the peak toughness and other technical indicators increase with the increasing strain rate when they were under the action of the impact load.

Keywords：fiber concrete; impact compression experiment; the failure stress; the peak strain; the peak toughness

[中图分类号]TU528.572

[文献标识码]：A

[文章编号]1003-4684(2016)01-0108-04

[作者简介]苏骏(1971-)， 男， 安徽六安人，工学博士，湖北工业大学教授，研究方向为纤维混凝土结构与工程结构抗震

[基金项目]湖北省自然科学基金(2011CDB094)

[收稿日期]2015-04-20