不同量16 mm碳纤维增强混凝土梁落锤冲击试验

2022-06-24赵伟李峰

高科技纤维与应用 2022年2期

赵伟，李峰

(1.西安交通工程学院，土木工程学院，西安 710300；2.西北工业大学，力学与土木建筑学院，西安 710300)

0 引言

混凝土在建筑领域属于一种重要的承重材料，可将其与钢筋或经过预应力处理钢绞线共同组成为预应力混凝土结构来提升整体力学性能[1-2]。混凝土存在明显脆性，同时断裂过程能耗也较低，虽然可以利用混凝土与预应力混凝土满足静态载荷的使用要求，但依然无法满足极端载荷条件下承载性能[3-5]。

到目前为止，只有少数文献报道了单丝态碳纤维增强混凝土(CFRC)动态抗弯特性的相关内容[6-8]。还有一些研究人员在水泥基质中添加适当含量的单丝态碳纤维获得碳纤维增强水泥基复合材料(CFRCCs)并对其各项性能进行了综合分析，结果发现该材料能够同时具有抗冲击、优异导电性等性能[9-10]。从表面接触层面分析，碳纤维具备较强的憎水性，并且密度也比水泥砂浆更小，无法实现碳纤维和水泥之间的相互融合分散。如何实现碳纤维的均匀分散逐渐成为学者研究热点。Gao等人[11]研究了不同混合方法对 CFRCCs 的影响，比较了 2～5 mm短切碳纤维和水泥两者的相对加料顺序，提出碳纤维提前于水泥的加料法所得试件的均匀分散平均面积更高。此外，Chuang等人[12]提出了制备 CFRCCs的三步分散法和六步分散法，对比了三种分散剂对5～7 mm长度短切碳纤维分散的作用，其中羟乙基纤维素(Hydroxyethyl Cellulose, HEC)对碳纤维的分散效果最好。

根据以上研究结果，通过分散剂制备16 mm碳纤维增强混凝土梁，能够使混凝土内碳纤维达到良好分散的形态，进而通过实验测试研究了其落锤冲击性能。

1 材料与方法

1.1 材料与主要设备

本实验选择TZ300(24K)聚丙烯腈(PAN)碳纤维，其长度可达16 mm，各项物理力学性能参数见表1[13]，同时加入羟乙基纤维素(HEC)进行分散，控制黏度为30 000 Pa·s；利用磷酸三丁酯实现液体消泡功能，再以聚羧酸(PCA)进行减水；选择PO42.5硅酸盐水泥作为胶凝；粗骨料采用粒径尺寸接近5 mm的石子；细骨料采用粒径尺寸在2.5 mm以内的河砂。

表1 碳纤维物理力学属性

试件制备需要的仪器包括可以对碳纤维预分散处理的KQ250E型超声振动仪，该设备由昆山超声仪器企业制造，以及迈方仪器设备制造的JJ-5型水泥胶砂搅拌机与60 L型单卧结构混凝土搅拌机。

1.2 试件配比

将试件梁尺寸设置在400 mm×100 mm×100 mm。配制得到的素混凝土中水泥∶水∶细骨料∶粗骨料：高效减水剂按照质量比为1∶0.6∶1.7∶3∶0.002的条件进行。CFRC梁中除包含以上各成分外，还加入了五种体积比的碳纤维，范围在0.20%～0.40%之间。表2给出了该试件配比参数。

表2 CFRC试件配比参数

1.3 落锤冲击试验

本实验在图1所示的INSTRON-9350落锤试验机上完成，可以达到最大锤头速率是20 m/s。保持低速冲击状态，锤头通过自由落体方式进行加速。设定落锤质量等于20.5 kg，以20 mm外径的半球形锤头和力传感器相连，再以钢制结构制备锤头。冲击处理时，落锤测试机利用力传感器采集落锤冲击载荷，保持采集频率20 kHz。表3给出了对各工况进行测试的结果。各工况下分别对3个试件进行测试，获得的均值作为最终数据。

图1 落锤冲击试验系统

表3 CFRC梁冲击断裂耗能结果

2 结果分析

2.1 结构响应分析及断裂过程

图2给出了采用锤头力传感器测试加入不同比例碳纤维条件下的CFRC梁冲击载荷变化曲线。各工况下形成的冲击时程曲线都是对3个同样试件进行冲击得到的时程曲线均值。结果发现，加入不同比例的碳纤维制得的试件冲击时程曲线基本一致。

图2 不同碳纤维掺杂量CFRC梁冲击力时程

根据拉、压应变曲线的变化趋势分析试件梁受到低速冲击载荷作用时的响应情况。图3给出了CFRC梁断裂破坏拉、压应变过程。根据图3可知，对试件梁进行拉、压应变测试，控制掺量等于0.35%，落锤质量为20.5 kg，保持冲击速度2.4 m/s，总共包括三个不同的阶段。CFRC梁在初始冲击阶段上部与下部分别形成压应力与拉应力，形成了更明显的拉、压应变对称程度。

图3 CFRC梁断裂破坏拉、压应变过程

2.2 断裂耗能分析

表3给出了各工况下CFRC梁的裂缝从初始位置扩展到顶端区域所需的时间及其产生的最大竖向位移。通过分析发现，掺入不同体积比的试件梁形成了相近的裂缝扩展时间(基本都在0.6 ms附近)；而当碳纤维掺入量上升后则会引起竖向位移最大值明显提高的现象。综合考虑试件梁裂缝扩展时间以及最大竖向位移可知，在碳纤维体积比低于0.35%的条件下，提高混凝土内的碳纤维比例后，CFRC梁依然可以保持恒定的裂缝扩展时间，而混凝土韧性则呈现明显增强的特征。混凝土韧性是在冲击阶段当CFRC梁达到接近0的广义变形力时，梁形成的跨中竖向位移。而当碳纤维加入的体积比大于0.35%之后，CFRC梁发生了最大竖向位移vmax快速降低的结果。根据以上分析可以确定碳纤维加入最优体积比是在0.35%。

图4是在加入体积比0.35%的CFRC时形成的梁断面微观形貌。此时形成了长度基本为微米级的拔出形态碳纤维，同时还可以发现碳纤维拔出后产生了很长的凹槽，可以推断此时已经形成了更长混凝土凹槽拔出状态的碳纤维。根据图4可知，此时拔出态碳纤维比断裂碳纤维更多，因此当CFRC梁受到冲击作用发生破坏后，碳纤维可以通过拔出方式来增强抗冲击效果[14]。碳纤维形成团簇形态后将会减小与混凝土的黏结作用。经载荷冲击后，碳纤维体积比达到0.40%时形成了明显的团簇结构，之后通过裂后桥接减弱CFRC梁韧性改善效果。