钢纤维再生混凝土动态冲击试验破坏形式研究

2020-06-03韦芳芳华子伟于玮伟

河南科学 2020年4期

骆豪，韦芳芳，朱俞，华子伟，于玮伟

（河海大学土木与交通学院，南京 210000）

再生混凝土是将废弃的混凝土块进行回收利用，然后再经破碎、清洗与分级后，按一定的比例与级配混合重新形成的再生骨料，部分或全部代替砂石等天然骨料，再加入水泥、水或部分天然骨料配制而成的新的混凝土，也叫作再生骨料混凝土. 如果能够有效合理地利用再生骨料或再生混凝土，可很好地节约天然资源，这对于保护环境和节约自然资源具有重要意义. 循环再利用废弃混凝土是发展绿色混凝土的重要措施之一，具有很明显的经济效益、环境效益和社会效益［1-3］.

与天然骨料相比，再生骨料具有孔隙率高、吸水性大、强度低等特性，承受荷载时再生骨料表面和水泥胶凝材料的黏结偏弱，容易出现裂缝［4-5］，故可将钢纤维引入再生混凝土中，形成一种新型复合材料. 钢纤维均匀地分布于再生混凝土中，可以有效弥补再生混凝土骨料强度低、微裂纹多等缺陷，改善再生混凝土的力学性能［6-9］. 另一方面，对于混凝土结构，不可避免地要承受动荷载，建筑物必须具有良好的抗冲击性能，才能减少或避免人们的生命财产蒙受损失. 所以研究混凝土类材料的动态冲击性能具有一定的指导意义.

李智［10］研究发现不同的子弹冲击速度下，混杂纤维混凝土试样的破坏形态并非恒定的，不同应变率下试样的破坏形态及破坏程度存在差别. 当子弹冲击速度较低时，即在较低的应变率下，试样的破坏程度也较小；子弹冲击速度较高时，即在较高的应变率下，试样的破坏程度也较大. Hao等［11］发现钢纤维混凝土的破坏有较高的应变率相关性. 当应变率较低时，破坏模式是因为混凝土的破坏和纤维的脱黏碎裂；当应变率相对较高时，可以观察到集料的破坏，纤维被拉直或折断. 这也与Hou等［12］的结论类似.

基于各种混凝土类材料的动态试验结果与研究方法，国内外对钢纤维再生骨料混凝土的动态冲击破坏形态与模式研究尚少，故对钢纤维再生骨料混凝土展开一系列试验研究.

1 霍普金森杆动态冲击压缩试验方案

依据相关规范［13-15］，本试验采用水灰比为0.4，并设计了五种钢纤维体积掺量，分别为0%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%，再生粗骨料取代率为50%，同时制作无钢纤维的天然粗骨料的素混凝土试件作为对照. SHPB试验装置是通过改变冲击气压值控制应变率的大小，试验选取的冲击气压值分别为0.4、0.5、0.6 和0.7 MPa.SHPB试验的配合比及试件工况如表1所示，表中各材料用量为单位立方米所需用量，单位kg. 试验使用了强度等级为42.5 MPa的普通波特兰水泥和实验室用水. 在纤维混凝土中，纤维的有效性随着最大集料尺寸的增加而降低［11］. 因此，在混凝土中使用的粗集料最大尺寸限制在10 mm以内. 再生粗骨料是经过5 mm和10 mm孔径的筛网过滤筛选清洗的粒径为5～10 mm的连续级配的碎石，见图1和图2. 细骨料为优质河砂，粒径小于4.75 mm；减水剂采用萘系减水剂粉剂，推荐用量为胶凝材料质量的1%；钢纤维类型选择端钩式切断弓形，其图样见图3，钢纤维再生混凝土的冲击压缩试验的试件尺寸为Ø74 mm×32 mm. 试验首先浇筑Ø150 mm×300 mm的标准圆柱体作为模型试块，然后在标准条件下养护28 d后将模型试块进行取芯、切割、打磨得到冲击压缩试验的试件，如图4.

图1 天然粗骨料Fig.1 Natural coarse aggregate

图2 再生粗骨料Fig.2 Recycled coarse aggregate

图3 钢纤维Fig.3 Steel fiber

表1 SHPB试验配合比及试件工况Tab.1 Mix proportions of SHPB test and working conditions of test specimens

图4 SHPB试件Fig.4 Specimens in SHPB

如图5所示，本研究中的SHPB试验是在河海大学实验室使用74 mm直径的SHPB试验系统完成的. 引入万向头技术可以改善试件与杆系表面之间的接触状态，从而使试件的冲击受力状态保持良好，见图6. 试验过程中在入射杆杆端粘贴波形整形器以减小高频振荡的影响，进而减小横向惯性效应和波形弥散效应［16-20］.为此选取黄铜片作为波形整形器，其尺寸为直径20 mm，厚度1 mm，见图7. SHPB进行试验时将气罐中的气体压入充气阀中，然后调节好气压设定值，打开开关利用压缩气体产生的冲击气压撞击子弹，子弹再撞击入射杆，传递应力波，测速系统是由一对平行光源和测速电路组成，通过测量子弹经过两光源的时间计算出子弹的速度.

图5 SHPB装置示意图（单位：mm）Fig.5 Schematic illustration of SHPB apparatus

图6 万向头Fig.6 Universal joint

图7 波形整形器Fig.7 Pulse shapers

2 破坏形态与模式分析

通过对再生骨料类混凝土添加不同掺量钢纤维进行冲击压缩试验，由此得出各种破坏模式. 图8显示了不同钢纤维体积掺量的再生混凝土在不同等级冲击气压下的破坏模式，冲击气压值越高，动态应变率越大，明显可见试件具有较高的应变率相关性［18，21］，试件损伤程度随冲击气压增大而增大. 从损伤和断裂力学角度［8，11，22］分析破坏过程，试件受到冲击力形成微裂纹，短时间释放能量，然后裂纹稳定发展，随着裂纹尖端一直发展到贯通，最终整体发生破坏.

图8 破坏形式Fig.8 Failure patterns

通过观察试验结果，可以将试件分为四种破坏形态：①轻微开裂，应变率较低或基体静强度较高时，试样保持相对完整，表面有细小的裂纹和少量碎屑剥落；②大块破裂，试件破碎成几个无主形态的大碎片，断口主要沿砂浆与碎屑的界面处，有少量钢纤维脱黏；③小块破裂，随着应变率继续增加或者基体静强度较低时，试件破坏更严重，裂纹碎块数增多，体积更小，钢纤维出现脱黏失效被拔出；④粉碎性破裂，试件逐渐呈现粉碎性破坏，裂纹贯穿于整个试件，钢纤维被拔出更多，破坏最为严重. 观察对比图8（a）和图8（b），看出再生混凝土较天然混凝土在相同冲击气压下破坏更严重，原因是再生粗骨料本身材料强度较天然粗骨料弱. 从以上分析得出，随着应变率增大，试件破坏形态越严重，粉碎面积越大，破碎颗粒越小. 随着钢纤维体积掺量的增大，试件粉碎性破坏形态的趋势越小，可见钢纤维充分发挥出增韧作用，增强了各个小单元之间的协调作用与试件内部的约束力，有效增强混凝土类试件抗冲击性能.