竹纤维混凝土的动态力学性能研究

罗皓鹏， 仰 涛， 巫绪涛

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

近年来,国内外关于BFRC力学性能的研究尚处于起步阶段,已有的研究主要集中在静力性能。研究发现细丝型BFRC的静态抗压强度和抗拉强度均比素混凝土下降,但抗拉强度下降幅度较小。竹纤维可以改善混凝土脆性破坏特点,混凝土韧性增加[7]。竹纤维的增韧能力主要在于有效抑制混凝土基体早期裂纹扩展,采用纤维间距理论能够合理分析其劈裂强度与纤维含量和长度的关系[8]。细圆柱型竹纤维对混凝土静力性能的提高优于细丝型竹纤维,其抗压和抗折强度有小幅下降,但采用合理的纤维长度时,劈裂强度显著增加[9]。在冲击载荷作用下,纤维对混凝土的普遍增韧将有效提高混凝土的缓冲吸能特性,从而增强混凝土的抗冲击能力。因此研究其动态力学性能在抗爆震的民用和军用防护结构中具有重要的应用价值。本文采用SHPB装置对细圆柱型BFRC进行了冲击压缩和动态劈裂试验,得到其动态力学性能随应变率、纤维含量的变化规律,并给出经验型公式。这些研究有利于拓宽BFRC的应用领域。

1 试样制备

原材料包括：标号P·O32.5R水泥，粒径6～8mm碎石，细度模数2.8的中砂，直径1.5mm、长度20mm的细圆柱型竹纤维。混凝土基体配合比：水泥：水：砂：碎石=1:0.46:1.72:2.33。共制备了4种组别试样，竹纤维体积分数φi分别为：0%(素混凝土)、0.5%、1.5%和2.5%。

图1 试验试样

为了均匀分散混凝土中的竹纤维,采用湿法拌和。为了直接获得竹纤维对混凝土动态性能的单因素影响,未对竹纤维及其与基体结合界面进行任何处理。试样经装模、振实、静止、拆模和标准养护28天。制备的试样尺寸包括两种规格:Φ70mm×150mm(用于静态压缩试验),Φ70mm×35mm(用于静态劈裂、冲击压缩和动态劈裂试验)。为保证试验精度,所有试样均对表面进行磨削加工,控制两端面不平行度小于0.1 mm。加工后的部分试样如图1所示。

共进行了4种类型试验:静态压缩、静态劈裂、冲击压缩和动态劈裂试验。其中静态压缩和劈裂试验采用电子万能试验机完成。冲击压缩和动态劈裂采用直径74mm直锥变截面SHPB装置完成。

2 试验结果及分析

2.1 静态强度及分析

表1BFRC静态抗压和劈裂强度

竹纤维含量/(%)00.51.52.5 抗压强度/MPa37.3727.7430.8729.52 劈裂强度/MPa4.052.792.872.23

各组别BFRC试样的静态抗压和劈裂强度如表1所列。显然BFRC静态强度显著低于素混凝土,但随纤维含量增加非单调递减,纤维含量1.5%时,抗压和劈裂强度均高于另外2个含量。这是由于竹纤维对混凝土基体具有2方面影响:① 竹纤维和混凝土基体结合强度不高,两者之间的界面是新的薄弱区,即增加了缺陷源,这是静态强度下降的主要原因。② 竹纤维对基体的裂纹扩展具有一定的阻裂作用,当纤维含量增加到一定幅度时,阻裂性能有所提升,从而强度增加。但纤维含量继续增加时,由于静态下混凝土失效主要表现为主裂纹扩展,竹纤维的阻裂性能有限,因而强度再次下降。

2.2 冲击压缩应力-应变曲线及破坏形态分析

部分试样典型压缩应力应变曲线如图2所示,所有力学参数如表2所列。

图2 不同应变率下BFRC的应力应变曲线

表2 冲击压缩下BFRC主要力学参数

根据图2和表1可以发现BFRC的动态压缩力学行为具有如下特点如下:

(1) BFRC具有显著的应变率效应。同组别试样的抗压强度随应变率增加而显著增加,抗压强度对应的破坏应变也基本随应变率的增加而增加。随试验应变率提高,试样失效模式由静态主裂纹扩展转变为多裂纹扩展,裂纹扩展需要的能量大幅增加,导致抗压强度的增加。同时,由于裂纹扩展速率有限,随应变率增加裂纹扩展滞后越来越明显也导致抗压强度上升。

(2) 抗压强度。相近应变率下BFRC的抗压强度均低于素混凝土,且随应变率上升差值变化较小,即竹纤维对混凝土动态抗压强度没有增强作用。

(3) 应力应变曲线。其上升线性段基本不随应变率及纤维含量变化而变化,即弹性模量变化不大。这也从另一角度反映了应变率和纤维对混凝土力学性能的影响与裂纹失稳扩展密切相关。

(4) 与素混凝土相比。①BFRC应力应变曲线的塑性上升段和破坏下降段更平缓,顶部具有更小的曲率。②BFRC的破坏应变显著大于素混凝土。③根据相近应变率下试样破坏状况的照片可以看出,素混凝土碎块基本均匀,随纤维含量的增加碎块大小不一,附着较多纤维的碎块明显较大。这3方面体现了竹纤维对混凝土基体的增韧。

2.3 抗压强度的应变率效应分析

混凝土的动态强度可以看成2部分:静态强度和动态增幅。为了更清晰反映与应变率相关的动态增幅项的变化规律,按下式定义动态增强因子DIFc[10]:

图3 BFRC的DIFc随应变率的变化规律

(1)

(2)

拟合效果如图3所示,相关系数R2的范围为0.96～0.98。

根据图3和式(1)、式(2)可以发现:① BFRC的DIFc随应变率幂函数变化,即随应变率增加,动态增幅项对动态强度的影响显著增加。② 式(1)系数b随纤维含量变化线性减小,即BFRC抗压强度对应变率的敏感性随纤维含量的增加而减小。

2.3 劈裂强度的应变率效应分析

BFRC动态劈裂实验的应变率和劈裂强度如表3所列。类似冲击压缩处理方式,定义动态增强因子DIFt:

表3 动态劈裂下BFRC主要力学参数

图4 BFRC的DIFt随应变率的变化规律

(3)

(4)

拟合效果如图8所示,相关系数R2的范围为0.81～0.97。

根据表3、图4和式(3)～(4)可以发现:① 与压缩类似,BFRC的劈裂强度也对应变率敏感,所有组别试样的劈裂强度均随应变率上升而单调增加。其次,BFRC反映动态劈裂强度增幅的DIFt也随应变率幂函数增加。② 所有试样均沿载荷作用的中心径向面劈裂成2块,但素混凝土破坏面附近有大量碎裂小块,随着纤维含量增加试样完整性更好。从断面可以看到BFRC试样的竹纤维受力被拔出,当纤维含量达到2.5%时,端面有纤维未完全拔出,裂开的两块依然连接在一起。反映了竹纤维对高应变率受拉状态下混凝土的脆性破坏有显著改善。③ 式(3)系数b随纤维含量变化线性增加,即BFRC劈裂强度对应变率的敏感性随纤维含量的增加而增加。

2.4 冲击压缩与动态劈裂的比较

(1)应变率效应。首先两者均表现出显著的应变率效应,随应变率变化,抗拉和劈裂强度出现显著增加,且DIF增加规律服从幂函数关系。其次在动态拉、压应力状态下,竹纤维均对混凝土脆性破坏特点有显著改善,提高了混凝土韧性。

(2)两者的区别。①劈裂DIFt幂函数指数c1=0.7大于压缩DIFc的c=0.5。②劈裂DIFt系数b1随纤维含量线性增加,而压缩DIFc的系数b随纤维含量线性减小。

3 结 论

利用SHPB实验装置,对BFRC的动态力学性能进行了研究,主要结论如下:

(1)在未进行特殊处理情况。竹纤维对混凝土静态压缩和劈裂强度均呈现削弱影响。随应变率升高,竹纤维对混凝土动态抗压强度有小幅削弱,对动态劈裂强度有增强作用。

(2)在高应变率拉、压2种应力状态。竹纤维均能有效改善混凝土脆性破坏特点,破损试样完整性更好。在压缩应力状态下,竹纤维对混凝土的改性完全体现在阻裂增韧方面。在拉伸应力状态下,竹纤维对混凝土基体兼有增韧和动态增强两种作用。

(3)高应变率下的关系。将混凝土强度分成静态强度和动态增幅更有利于分析静态和动态影响,BFRC反映动态行为的DIFc和DIFt与应变率均呈现幂函数关系,与纤维含量之间也存在简单的单调关系。