不同应变率下干燥及饱水玄武岩纤维混凝土力学性能

贾文振,李 磊

(1.烟台职业学院 建筑工程系,山东 烟台 264670;2.东南大学 土木工程学院,南京 210096)

0 引 言

当今建筑行业混凝土已成为不可替代的建筑材料,为进一步增强混凝土建筑的安全性,复合化成为改善混凝土材料性能的重要方法,而纤维掺入混凝土中是提高混凝土材料性能的核心方法之一[1-2]。玄武岩纤维是一种由玄武岩矿石经超高温熔融后拉丝形成的高性能纤维材料,价格相对低廉且耐高温、耐腐蚀,与胶凝材料间存在良好的相容性,因此具备良好的发展前景[3-5]。现有的研究成果表明混凝土中掺入玄武岩纤维能够提高其力学性能。胡显奇等[6]对标准养护条件下玄武岩纤维混凝土力学性能进行研究,结果表明其抗拉、抗压力学性能得到明显提高;贺东青等[7]通过试验发现玄武岩纤维的掺入使混凝土由脆性破坏转变为良好的延性破坏,其抗弯性能、弯曲韧性都得到显著提高;何军拥等[8]发现玄武岩纤维的掺入对混凝土材料的抗水渗、抗氯离子渗透及抗冻性均有良好的改善。

混凝土结构在水中工作时会长期处于含水状态,相较于干燥混凝土,其力学性能会存在较大的改变[9-11]。王海龙等[12-13]通过试验对干燥及饱和混凝土力学性能进行研究,结果表明孔隙水压力的存在会减小裂纹扩展的摩阻力,增大混凝土损伤,饱和混凝土材料的抗压强度、劈裂强度均会降低;王乾峰等[14]在对干燥及饱和混凝土力学性能研究中发现相较于干燥混凝土,饱和混凝土强度与弹性模量均降低。混凝土结构除了受到静荷载作用外,还会受到地震、海浪冲击及撞击等动荷载作用,动静荷载下混凝土材料的力学性能存在诸多不同。Rossi等[15]在对干燥及湿态混凝土进行动态压缩试验时发现湿态混凝土的水敏感性强于干燥混凝土,自由水的存在对混凝土的动态力学性能存在显著影响;张永亮等[16]通过试验发现随着应变率的增加,饱和及干燥混凝土抗压强度、弹性模量均增加,且饱水混凝土变化更加明显;白卫峰等[17]通过试验建立起饱和混凝土的动态拉伸本构模型,揭示了饱和混凝土的损伤力学破坏机制。众多研究成果表明饱水混凝土材料力学性能会发生变化,且应变率对饱水混凝土力学性能影响较大。

为进一步探究饱水作用及应变率对玄武岩纤维混凝土整体性及力学性能的影响,本文以干燥及饱水玄武岩纤维混凝土为研究对象,采用超声波检测仪测量干燥及饱水纤维混凝土纵波波速,利用静态压力机及分离式霍普金森压杆试验装置对干燥及饱水纤维混凝土开展不同应变率下的单轴压缩试验,分析饱水作用及应变率对纤维混凝土纵波波速及力学性能的影响规律,并从破坏机理方面分析试件力学性能变化原因,为水利工程玄武岩纤维混凝土结构的安全性能提供试验依据。

图1 短切玄武岩纤维

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

原材料选用八公山牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥,细骨料选用细度模数为2.6的天然河砂,粗骨料选用粒径<18 mm的碎石,水为天然自来水,减水剂选用聚羧酸系高性能减水剂,玄武岩纤维选用浙江石金玄武岩纤维股份有限公司所生产的短切玄武岩纤维,其体积掺量为胶凝材料的0.4%,长度为6 mm[18],纤维结构如图1所示,性能指标如表1所示。

表1 纤维的性能指标

1.2 试件制备及试验过程

试验依据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)配置C40强度混凝土,各原材料配合比m水泥∶m沙子∶m石子∶m水=1∶1.2∶2.2∶0.45,减水剂含量为胶凝材料质量的1%,采用两次投料法进行拌制,使玄武岩纤维均匀分散于混凝土中,按配合比浇筑成150 mm×150 mm×150 mm立方体及Φ74 mm×H37 mm圆柱体标准试件,拆模后将试件置于养护湿度≥95%、温度为(20±2)℃的养护室中进行为期28 d的标准养护,养护结束后对试件端面进行打磨,使试件两端面不平行度在0.05 mm以内,单面平整度在0.02 mm以内[19]。对部分试件进行体积、质量及纵波波速的测量,测量结束后将试件置于真空饱水装置中进行24 h饱水处理,饱水结束后擦干试件表面积水,并对饱水试件质量及纵波波速进行测量,计算试件孔隙度(P)、饱和含水率(ωs)及饱水后试件纵波波速增量(s)间的关系,其计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：m1、ms分别为干燥及饱水条件下试件的质量;Vk、V1分别为孔隙体积及试件体积;ρs为水的密度;vs、v1分别为饱水及干燥试件纵波波速。

静态压缩装置采用WAW-1000万能试验机,以0.15 mm/s的加载速率对干燥及饱水试件进行单轴压缩试验。动态压缩试验采用冲击动力实验室直径为74 mm变截面分离式霍普金森压杆试验装置,采用不同冲击气压(0.25、0.35、0.45、0.55 MPa)对试件开展冲击压缩试验以获取不同应变率。试验装置采用撞击杆、入射杆、透射杆长度分别为0.6、1.8、3.2 m,杆的材质为合金钢,密度为7 850 kg/m3,弹性模量为210 GPa,纵波波速为5 190 m/s。子弹撞击入射杆端时产生入射波,波沿入射杆向前传播,由于混凝土材料与钢材波阻抗不一致,在两材料接触面波会发生反射与透射[20]。入射、反射和透射波通过应变片进行采集,应变片型号为BX120-3AA,电阻为(120±0.2)Ω,灵敏度系数为2.08%,应变片上所接收的信号通过示波器进行显示,其典型波形如图2所示。

图2 实测波形

(4)

(5)

2 试验结果与分析

2.1 试件含水率及纵波波速变化规律

混凝土材料内部的整体性可通过超声波检测原理进行测量[21],混凝土材料内部存在大量裂纹孔隙,裂隙对波的传播存在影响,孔隙水的存在同样会对试件纵波波速造成影响。试件含水率及纵波波速测量结果如表2所示,纤维混凝土孔隙度与饱和含水率的关系如图3所示,饱和含水率与纵波波速增量的关系如图4所示。

由表2和图3、图4可知玄武岩纤维混凝土孔隙度在1.89%～3.05%之间,试件饱和含水率与孔隙度间呈良好的线性正相关关系;试件纵波波速增量随饱和含水率的增大而增大,两者间也存在良好的线性正相关关系。试件内部孔隙度越大,孔隙水含量越多,其饱和含水率就越大;干燥纤维混凝土内部存在大量原生裂纹孔隙,超声波在传播至薄弱面时会发生反射、折射等现象,使波传播路径变长,波速随之降低[22]。饱水试件裂隙中充满水溶液,而波在水中的传播速度要大于在空气中的传播速度[23]。虽然水的溶解、软化作用会减弱矿物颗粒间的黏结作用,降低试件整体性,在一定程度上降低纵波波速,但相对于波在液体中传播增量其影响较小,相较于干燥试件,饱水纤维混凝土试件纵波波速仍会增加,且试件饱和含水率越高,其纵波波速增量越大。

表2 玄武岩纤维混凝土含水率及纵波波速试验结果

图3 孔隙度与饱和含水率间的关系

图4 饱和含水率与纵波波速增量间的关系

2.2 不同应变率下试件力学特性

对干燥及饱水玄武岩纤维混凝土试件开展不同应变率下的单轴压缩试验,静态单轴压缩试验加载速率控制为0.15 mm/s,根据计算公式可求出静态加载时的应变率。动态单轴压缩试验选用分离式霍普金森压杆装置,分别选择冲击气压为0.25、0.35、0.45、0.55 MPa以获取不同应变率,不同应变率下试验结果如表3所示,静载作用下试件应力-应变曲线如图5(a)所示,动载作用下试件应力-应变曲线如图5(b)所示。

表3 试件在不同应变率下的力学特性

图5 静载和动载作用下试件应力-应变曲线

由表3及图5可知静、动荷载作用下纤维混凝土应力-应变曲线存在不同,静载作用下试件应力-应变曲线分为孔隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段及破坏阶段,而动载下试件应力-应变曲线分为弹性变形阶段、塑性变形阶段及破坏阶段。纤维混凝土内部存在大量原生裂纹孔隙,静载作用时应变率较小,试件内部裂隙压缩过程可在应力-应变曲线中显示;而动载作用下应变率较高,试件受荷载作用时间较短,试件内部裂隙来不及被压缩而直接进入弹性变形阶段。静载作用下饱水试件应力及弹性模量明显低于干燥试件,随着应变率的增大,干燥及饱水试件峰值应力及弹性模量均增大,但饱水试件增幅明显较大,当应变率<130 s-1时干燥试件应力明显高于饱水试件,当应变率>130 s-1时干燥试件应力低于饱水试件,说明水的存在使纤维混凝土试件产生劣化,而高应变率作用下水对试件力学性能起到提升作用。

为进一步研究饱水作用及应变率对纤维混凝土弹性模量及强度的影响,对相应数据进行处理,试件峰值应力与应变率间的关系如图6(a)所示,弹性模量与应变率间的关系如图6(b)所示。

图6 应变率与峰值应力、弹性模量间的关系

由图6可知纤维混凝土试件弹性模量与峰值应力均随应变率的增大而增大,且应变率与峰值应力间存在良好的指数函数关系,试件存在明显的应变率效应。静载作用下饱水试件峰值应力低于干燥试件,其峰值应力降低了8.6%,随着应变率的增加,试件峰值应力不断增大,饱水试件应力增幅明显高于干燥试件。当应变率达到130 s-1时干燥饱水试件应力基本保持一致;当应变率为160 s-1左右时饱水试件峰值应力高于干燥试件11.4%。弹性模量变化与强度变化基本保持一致,说明高应变率下水的存在对玄武岩纤维混凝土试件力学性能存在增强效果。

2.3 饱水纤维混凝土破坏机理分析

纤维混凝土作为一种多孔材料,饱水作用下水溶液会进入混凝土内部裂纹与孔隙中。一方面两者间的相互作用会产生物理化学反应,在物理作用下水溶液会沿裂隙进入试件内部,试件内部胶结体会在水中发生腐蚀与溶解,降低骨料间的黏结力,从而使试件发生软化[24]。另一方面试件内部分物质会与水发生反应,对试件造成劣化,从而降低试件力学性能。裂隙中自由水的存在会对孔壁产生压力,在静载作用时孔隙自由水能够达到裂缝尖端,而纤维混凝土受压过程中体积被压缩,裂隙缝间的自由水像楔体一样加速了裂纹扩展,从而降低了混凝土强度[25]。

水对混凝土材料力学性质也存在很大影响,由饱和孔隙介质弹性理论知当混凝土材料内部孔隙裂纹充满水时,孔隙水会降低其有效应力。当饱水纤维混凝土受到荷载作用时孔隙裂隙变形由有效应力引起,有效应力方程式为[26]

σ′ij=σij-φp。

(6)

式中：σ′ij为有效应力;σij为总应力;φ为内摩擦角;p为孔隙水压力。

由式(6)可知,孔隙中孔压的存在会抵消一部分轴压σ1和σ3,试件达到相同压缩量时需要施加更大的轴压,因为孔隙水压力的作用减小了混凝土的有效平均应力,但偏应力不变,由摩尔库伦定律可知试件更容易达到极限强度。因此饱水作用对静载作用下纤维混凝土造成劣化主要包括3个方面：①水的侵蚀作用会使混凝土材料溶解,降低其整体性能;②水溶液会降低骨料间的黏结作用,降低其摩擦力,使试件软化;③静载作用下孔隙水会到达裂隙尖端,所形成的裂隙尖端水压力加速了裂隙的扩展,从而降低试件抵抗外荷载的能力。

而动载作用下随着应变率的增大,饱水纤维混凝土峰值应力及弹性模量会高于干燥试件,说明高应变率下水的存在对纤维混凝土试件强度存在提升效果。研究表明[25]动载作用下混凝土材料裂纹扩展速度较快,当应变率达到一定值后裂隙中的自由水很难到达裂纹尖端,从而形成孔隙负压,阻碍裂隙的扩展,其不同应变率下裂纹中水压力分布如图7所示。

图7 不同应变率下裂纹中水压力分布

饱水初期,水会吸附在孔壁和骨料颗粒表面,形成具有一定厚度的水膜,水溶液在裂纹扩张过程中会产生阻碍裂纹扩展的黏聚力F1[27]。Zhang等[28]发现在动载作用下饱水混凝土强度提高的原因可由物理学中Stefan效应解释。当两个半径为r的平行圆板间存在黏性液体,以相对速度dv/dt发生分离时,会产生一个反作用F2阻止平板间的分离,F1、F2计算公式如下：

(7)

(8)

式中：V为液体体积;γ为表面能;θ为湿润角;S为水的弯月面半径;η为液体的黏度;h为圆形平板间的距离。

在这种水-纤维混凝土动力耦合作用下,孔隙负压及水的黏聚作用阻碍了裂纹扩展及试件的破坏,增强了试件在外动载作用下的抗压强度与弹性模量,且应变率越高,其增强效果越明显。结合本次试验可知饱水玄武岩纤维混凝土体系中既存在水对试件的侵蚀劣化作用,又存在高应变率下水-纤维混凝土动力耦合强化作用。当应变率<130 s-1时,侵蚀劣化作用高于强化作用,干燥试件强度及弹性模量高于饱水试件;当应变率=130 s-1时,干燥及饱水试件强度及弹性模量基本保持一致,当应变率>130 s-1时,动力耦合强化作用占主导作用,饱水试件强度及弹性模量高于干燥试件。

3 结 论

(1)玄武岩纤维混凝土的孔隙度在1.89%～3.05%之间,孔隙度与饱和含水率间呈良好的线性正相关关系,饱水作用会增大试件纵波波速,饱和含水率越高,试件纵波波速增量越大。

(2)静载作用下试件应力-应变曲线存在明显的孔隙压密阶段,高应变率下试件内部原生裂隙来不及被压缩而直接进入弹性变形阶段。静载作用下干燥试件强度及弹性模量高于饱水试件,水对玄武岩纤维混凝土存在劣化作用。当应变率>130 s-1时干燥试件强度及弹性模量低于饱水试件,高应变率下水对纤维混凝土力学性能存在提升效果。

(3)水对玄武岩纤维混凝土既存在侵蚀劣化作用,又存在水-纤维混凝土动力耦合强化作用。当应变率<130 s-1时,水的侵蚀劣化作用高于动力耦合强化作用,干燥纤维混凝土试件力学性能高于饱水试件;应变率>130 s-1时,动力耦合强化作用占主导,饱水试件强度高于干燥试件。