1、Industrial Construction Vol.53,No.4,2023工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期173 不同养护条件下玄武岩纤维混凝土动态压缩力学特性及能量耗散研究 王大鹏1吴凯2(1.山东省烟台市芝罘区住房和城乡建设局,山东烟台264001;2.天津大学土木工程系,天津300072)摘要:为探究冲击荷载作用下养护条件对玄武岩纤维混凝土力学性能的影响,采用分离式霍普金森压杆试验装置(SHPB)对不同养护龄期(1 d、3 d、7 d、14 d、28 d)及养护相对湿度(35%、55%、75%、95%)的玄武岩纤维混凝土开展动态单轴压缩试验,分析养护龄期及养护相对湿度对试
2、件的平均应变率、峰值应力、能量耗散及分形维数的影响规律。结果表明:相同冲击荷载作用下试件平均应变率会随养护龄期的增长、相对湿度的增大而降低,峰值应力随之增大,养护龄期与平均应变率间呈指数负相关,与峰值应力间呈指数正相关;冲击荷载作用下试件能量时程曲线可分为三个阶段,其透射能、耗散能及破碎耗能密度均随养护龄期的增长、相对湿度的增大而增大,反射能随之降低,养护龄期的增长、相对湿度的增大会使试件水化产物增多,增强试件整体性;养护相对湿度为 95%时,相较于养护龄期为 1 d 试件,养护龄期为 3 d、7 d、14 d、28 d 试件分形维数降幅分别为 8.61%、13.91%、23.58%、26.6
3、8%,养护龄期减少、相对湿度降低会使试件破碎程度增加,分形维数随之增大。关键词:玄武岩纤维;养护龄期;相对湿度;峰值应力;破碎耗能密度;分形维数 DOI:10.13204/j.gyjzG22082212Dynamic Compression Mechanical Characteristics and Energy DissipationLaw of Basalt Fiber Reinforced Concrete Under Different Curing Conditions WANG Dapeng1WU Kai2(1.Housing and Urban-Rural Developmen
4、t Bureau of Zhifu District,Yantai 264001,China;2.Department of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)Abstract:In order to explore the effect of curing conditions on the mechanical properties of basalt fiber reinforced concrete under impact load,the dynamic uniaxial compression te
5、sts of basalt fiber reinforced concrete with different curing ages(1,3,7,14,28 d)and curing relative humidity(35%,55%,75%,95%)were carried out with split Hopkinson compression bar test device(SHPB).The effects of curing age and relative humidity on the average strain rate,peak stress,energy dissipat
6、ion and fractal dimension of the specimens were analyzed.The results showed that under the same impact load,the average strain rate of specimens would decrease with the increase of curing age and relative humidity.The curing age had an exponential negative correlation with the average strain rate an
7、d an exponential positive correlation with the peak stress.The energy time history curve of the specimen under impact load could be divided into three stages.The transmission energy,dissipation energy and crushing energy density increased with the increase of curing age and relative humidity,and the
8、 reflection energy decreased with it.The increase of curing age and relative humidity would increase the hydration products of the specimen andenhance the integrity of the specimen.When the curing relative humidity was 95%,compared with the specimens with the curing age of 1 d,the decrease of the fr
9、actal dimension of the specimens with the curing age of 3 d,7 d,14 d and 28 d was 8.61%,13.91%,23.58%and 26.68%respectively.The reduction of curing age and relative humidity would increase the fracture degree of the specimen,and the fractal dimension would increase.Keywords:basalt fiber;curing age;r
10、elative humidity;peak stress;crushing energy consumption density;fractal dimension 国家自然科学基金项目(52078332)。第一作者:王大鹏,男,1969 年出生,高级工程师。电子信箱:Wangdapeng20220822 收稿日期:2022-08-22 混凝土材料中掺入适量的纤维能够有效提高其力学性能,增强其延展性1-3。现有研究成果表明混凝土材料中掺入适量的玄武岩纤维能够有效提高其抗拉强度、韧性及吸能效果4-5。贺晶晶等在玄武岩纤维长度和掺量对混凝土拉伸强度影响的研究中发现纤维的掺入能够增强试件拉伸强度6。
11、侯174 工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期敏等在对玄武岩纤维混凝土的增强机理研究中发现在混凝土中玄武岩纤维均匀分布且呈各项异性,在混凝土内部形成密闭空间网状结构7。李为民等利用 SHPB 装置对素混凝土及玄武岩纤维混凝土进行不同应变率下的冲击试验,发现玄武岩纤维混凝土的冲击压缩强度和能量吸收能力较素混凝土有明显提高8。混凝土性能的好坏除了与材料属性有关,还受养护环境的影响,研究表明混凝土构件力学性能与养护环境下的温度、相对湿度及养护龄期密切相关9-12。刘鹏等研究了不同养护龄期下水泥混凝土力学性能及微观结构13,结果表明养护龄期的增加使得混凝土抗压强度不断增加,表面透气和吸水系数不断
12、降低,其内部微观结构更加致密。贾瑜对不同养护龄期下多孔水泥混凝土内部结构进行研究14,结果表明随着养护龄期的增长,试件比表面积、平均半径、气孔间距系数、气孔总弦长随之减小。赵陆岳对不同养护龄期下粉煤灰混凝土高温力学性能进行研究15,结果表明养护龄期的增长会增强试件抵抗外荷载的能力。刘鹏等对不同养护龄期下水泥混凝土性能及微观结构进行研究16,发现养护龄期的增长会使试件抗压强度不断增加,表面透气性和吸水性不断降低,孔隙率减小。养护龄期的增长对混凝土材料力学性能存在提升作用,同样养护相对湿度对其也存在影响。马军涛等对不同养护湿度下混凝土材料的碳化速率进行研究17,结果表明标准养护下混凝土试件抗碳化能
13、力显著高于自然养护试件。汪学正等对不同养护湿度下发泡混凝土力学性能进行研究18,发现养护湿度的增加会使试件干密度及抗压强度增大,吸水率减小。杨荣周等对不同养护湿度下橡胶水泥砂浆动态压缩力学性能进行研究19,发现养护湿度的降低会减小试件吸能效果,增大试件分形维数及破碎程度。延永东等对不同养护湿度作用下混凝土内氯离子扩散规律进行研究20,发现早期养护湿度的增加会降低氯离子在试件内部的扩散系数。养护湿度的变化同样会对混凝土材料性能造成影响,湿度越高,试件力学性能越好,但现有研究成果仅停留在静载阶段,对于养护龄期、湿度对混凝土材料动态力学性能的研究鲜有涉及,而 动 载 作 用 下 试 件 力 学 性
14、能 与 静 载 存 在不同21。为进一步探究养护湿度、龄期对玄武岩纤维混凝土动态力学性能的影响,采用 SHPB 试验装置对不同养护湿度(35%、55%、75%、95%)、不同养护龄期(1,3,7,14,28 d)试件开展动态单轴压缩试验,分析养护湿度及龄期对玄武岩纤维混凝土峰值应力、能量耗散及分形维数影响规律。1试验1.1试验过程试验选用海螺牌 PO 42.5 普通硅酸盐水泥,细骨 料 为 细 度 模 数 2.6 的 天 然 河 砂,含 泥 量 为1.2%,粗骨料选用粒径为 5 15 mm 的连续级配碎石,水为实验室自来水,外加剂为聚羧酸高效减水剂,减水率为 25%,玄武岩纤维选用 BC3-1
15、2 型短切纤维,长度为 6 mm、体积掺量在 0.4%22-25,其力学性能指标如表 1 所示。表 1玄武岩纤维的性能指标Table 1Performance indexes of basalt fibers弹性模量/GPa密度/(g cm-3)抗拉强度/MPa长度/mm直径/m1022.653 800611试验选用基准混凝土的设计强度等级为 C40,混凝土各材料质量配合比水泥 砂 粗骨料 水为1 1.5 2.0 0.45,减水剂含量为胶凝材料(水泥)质量的 1%,玄武岩纤维体积掺量为 0.4%,试件浇筑过程中将纤维拌匀后置于材料中,搅拌均匀后利用 7437 mm 圆柱体模具进行浇筑,待试件成
16、型后进行 拆 模,将 试 件 置 于 养 护 相 对 湿 度 分 别 为35%、55%、75%、95%,进行养护龄期分别为 1,3,7,14,28 d 不同环境下的养护,待养护结束后采用非金属超声波检测仪对试件纵波波速进行测量,选取波速相近试件以减少离散性对试验结果的影响26。利用 SHPB 装置对试件开展动态单轴压缩试验,试验 前 对 试 件 进 行 试 冲,最 终 选 定 冲 击 气 压 为0.35 MPa,待养护条件达到后立即对试件开展动态单轴压缩试验,冲击试验时将试件置于入射杆与透射杆间并涂抹适 量的凡士林 以减 小 端 面 的 摩 擦效应。1.2试验装置及原理动态压 缩 试 验 采 用 冲 击 动 力 实 验 室 直 径 为74 mm SHPB 试验系统,采用 0.35 MPa 气压对试件开展冲击压缩试验。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,其密度为 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
