1、初始应力损伤碳纤维高强混凝土动态力学性能研究:/初始应力损伤碳纤维高强混凝土动态力学性能研究郝 丽 张 凯 吴文飞(包头铁道职业技术学院 包头 太原理工大学 木建筑工程学院 太原 中国建筑一局集团有限公司西北分公司 西安)摘要:为探究初始应力损伤下碳纤维高强混凝土试件在冲击荷载作用下的力学性能变化规律采用声波检测仪测量不同应力幅值(、为试件的单轴抗压强度)损伤下碳纤维高强混凝土纵波波速及损伤因子利用电液伺服压力机及分离式霍普金森压杆()对损伤试件开展不同应变率下的单轴压缩试验分析试件峰值应力、动态增强因子()、能量耗散与应变率及试件损伤程度间的关系 结果表明:循环荷载损伤下试件纵波波速降低且损
2、伤应力幅值越大试件纵波波速降幅越大损伤因子增幅增加损伤因子与应力幅值间呈二次函数正相关 气压下 、损伤应力作用下试件峰值应力降幅分别为 、降幅不断增大损伤试件承载能力随之降低且损伤应力幅值越大试件损伤程度越高峰值应力及 越小动载作用下试件入射能、反射能、透射能及耗散能均随时间的增加而增大并最终趋于定值随着损伤应力幅值的增大试件反射能不断增大透射能及耗散能逐渐减小应力损伤作用会降低试件的能量耗散密度且损伤应力幅值越大试件吸能效果越低关键词:冲击荷载 应力损伤 碳纤维高强混凝土 损伤因子 峰值应力 能量耗散 复合材料中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:国家自然科学基金()作者
3、简介:郝丽()女 硕士 讲师 主要从事混凝土性能、建筑构件力学性能方面的研究 (.):().().().年 月复合材料科学与工程 .:前 言我国建筑工程发展迅速混凝土以其自身独特的优势一直是建筑行业使用最为广泛的建筑材料但由于超高层建筑、大跨度桥梁、深海隧道及复杂环境下建筑物不断涌现普通混凝土已经不能够满足使用要求高强混凝土本身具备承载能力高、耐腐蚀性强及力学性能好的诸多优点在建筑领域使用愈加频繁 但混凝土由于自身属性原因存在着抗拉强度低、韧性差、易开裂等诸多缺点在外荷载作用下极易发生突然脆性破坏从而给建筑物的安全性带来极大的隐患 研究表明混凝土中掺入纤维能够有效提升其抗裂性能及韧性有效防止混
4、凝土建筑物在外荷载作用下发生脆性破坏增强其自身的安全性能 相较于常见的钢纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维碳纤维有着较好的抗拉强度、弹性模量耐碱、耐热等性能短切碳纤维的应用工艺简单分布均匀无明显的各向异性适合混凝土现浇工艺特别是大体积混凝土工程施工因此在土木工程领域有着广泛的应用在建筑行业领域碳纤维往往会作为混凝土材料中的掺合物以提高其力学性能由于外在环境的复杂性混凝土建筑物往往会在承受外荷载作用发生损伤后仍继续工作这种损伤对混凝土结构物的力学性能及安全性存在着巨大影响 蒋建华等对初始应力损伤下再生混凝土的抗硫酸盐腐蚀性进行研究结果表明初始应力的增加导致试件抗压强度、弹性模量及抗腐蚀性均随之降低 高矗
5、等通过试验对初始应力损伤下轻骨料混凝土的抗冻性能进行研究发现初始应力损伤会使轻骨料混凝土抗冻融性能劣化速率加快 赵庆新等通过试验对应力损伤后混凝土的抗碳化性能进行研究结果表明试件碳化深度会随损伤度的增加而增加 初始应力作用会对混凝土造成损伤从而降低其本身的性能以往研究成果均是应力损伤对试件耐久性及静态力学性能的影响极少有涉及到应力损伤下混凝土动态力学性能的研究动载作用下混凝土力学性能与静载作用下时存在诸多不同且建筑物在设计使用年限内会经常受到动荷载作用因此研究动载作用下应力损伤混凝土力学性能变化规律对混凝土建筑的安全性具有重要意义本文基于试验研究不同应力幅值损伤作用下碳纤维高强混凝土动态力学性
6、能分别以、应力损伤下碳纤维高强混凝土为研究对象利用声波测量仪、电液伺服压力机及 装置对不同损伤程度试件开展不同应变率下的单轴压缩试验分析试件纵波波速、损伤因子、峰值应力、及能量耗散随应力损伤幅值及应变率间的变化规律揭示荷载作用对应力损伤碳纤维高强混凝土力学性能的影响 试验材料与方法 原材料及试件制备试验选用海螺牌 普通硅酸盐水泥细骨料选用细度模数为 的天然河砂粗骨料选用粒径小于 的花岗岩连续集配碎石水为实验室自来水外加剂为聚羧酸高效减水剂碳纤维采用日本东丽工业公司生产的长度为 的短切碳纤维碳纤维物理性能参数如表 所示表 碳纤维的物理性能参数 长度/直径/弹性模量/密度/()抗拉强度/.试验选用
7、基准混凝土设计抗压强度为 通过减小水灰比及提高水泥强度的方法来配置高强混凝土 水泥、水、砂子、石子、减水剂的质量配合比为 研究表明碳纤维掺 年第 期初始应力损伤碳纤维高强混凝土动态力学性能研究量为胶凝材料质量分数的 时对混凝土性能提升最大按配合比浇筑 混凝土立方体试块浇筑完成后将试块放置在相对湿度、温度保持在()的养护室中进行为期 的标准养护养护结束后经取芯、切割、打磨将试件制成 圆柱体标准试件试件两端面不平行度小于 单面平整度在 以内选取纵波波速相近试件进行试验以减少误差 试验装置及原理采用非金属超声波检测仪测量损伤前后试件纵波波速由损伤力学理论可将超声波波速 定义为损伤变量来计算试件损伤因
8、子不同应力幅值损伤作用下试件损伤因子如式()所示 ()式中:为超声波波速的损伤因子无量纲为初始超声波速/为不同应力幅值损伤下试件超声波速/静态压缩试验采用电液伺服压力机对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 的 试验装置对试件开展单轴冲击压缩试验 静载作用下试件应变率计算公式如式()所示动载作用下采集数据利用三波法进行处理其应变率、应变及应力计算公式如式()所示()()()()()()()()()()()()()()式中:为应变率 为加载速率/为试件高度()、()、()为时刻 的入射应变、反射应变、透射应变无量纲 为试件高度为压杆的纵波波速/为压杆的弹性模量、分别为压杆的横
9、截面积和试件的横截面积根据一维弹性波理论可求得试件的入射能、反射能、透射能、耗散能 及破碎耗能密度相关计算公式如下()()()()()()()()()()()()()()式中:为入射能为反射能为透射能为耗散能为破碎耗能密度/为试件体积假设混凝土试样两端面在冲击载荷过程中保持平整加载过程中的任何时刻试样中微量元素段的力模型都会得到简化如图 所示图 混凝土试样微量元素段应力模型 假设均匀圆柱形试样轴向应力为()试件的轴向应变为 此外由于材料的泊松效应试样还同时具有垂直应变 和()()()()()()因为 是和 与 相关的函数与 和 没有关系对相应位移 和 进行积分可获得轴向位移与 对轴向位移进行求
10、导可获得垂直于轴的粒子运动的速度、和加速度、()()()()年 月复合材料科学与工程 ()()()()忽略惯性作用可得单位体积的平均横向动能()()式中:是截面对 轴的回转半径()()从图 中可以看出试件微量元素中存在一对静态平衡力 和非静态平衡力(/)从能量的角度来看微元素体的轴向动能来自非静力平衡力所做的功静态平衡力所做的功转化为微元素应变能的增加和垂直于轴向的动能 由于试样的运动受入射杆和透射杆的束缚轴向动能会逐渐转移到弹性杆上最终消散不会影响试件的碎裂 然而当微量元素段积累的应变能增加时能量将在试件的破碎行为中消散并转化为其他形式的能量例如混凝土的破坏破碎能量和碎块的动能 结合上述等式
11、可进一步进行简化 ()当应变率的变化率很小时 在等式中可以忽略 因此当应变速率恒定时试样两端在冲击载荷下的力是一对平衡力通过理论分析得到了混凝土试件在冲击荷载作用下动态力学的基本参数和动能的表达式从理论上验证了基于三波法处理动态力学数据的可行性此外为保证试验的可靠性有必要验证混凝土试样在冲击载荷下的应力平衡 图 为试样的典型应力平衡测试曲线 通过测试应力平衡可知试样上的应力符合应力平衡假设且试样两端的应力平衡可以得到满足这表明混凝土试样的加工和放置符合 一维应力波假设、端部摩擦和惯性效应的要求这也表明本试验中通过 装置获得的试验结果是可靠的图 应力平衡曲线 试验过程将成型试件利用电液伺服压力机
12、进行准静态加载试验三个试件为一组取三个试件实测抗压强度的平均值作为此批混凝土强度 的代表值 由于静载作用下试件尺寸与动载作用下试件尺寸存在不同长径比的改变会使试件抗压强度发生变化因此要分别测量出静载及动载作用试件的单轴抗压强度 利用压力机对试件进行循环加卸载进行应力制损考虑到实际工程中混凝土受力水平大于 应力水平较小时试件处于弹性变形综合以上因素选取损伤应力水平为 、每个试件循环加载次数为 次加载速率为 /试件加载致损曲线如图 所示图 试件加载致损曲线 加载损伤结束后采用超声波检测装置测量试件纵波波速以获取试件损伤因子采用电液伺服压力机及 装置对损伤碳纤维高强混凝土开展不同应变率下的单轴压缩试
13、验电液伺服压力机以 /的加载速率对试件进行单轴压缩动态单轴加载试验分别采用 、四种不同冲击气压以获取不同应变率 年第 期初始应力损伤碳纤维高强混凝土动态力学性能研究 试验结果与分析 不同应力幅值下试件损伤因子试件在循环荷载作用后会发生不同程度的损伤不同应力幅值损伤作用下试件纵波波速及损伤因子变化如表 所示损伤因子随应力幅值变化规律如图 所示表 应力损伤作用下试件纵波波速变化规律 试件编号初始纵波波速/(/)损伤后纵波波速/(/)损伤因子 .注:.代表碳纤维高强混凝土.代表损伤应力幅值为.代表试件编号为 图 不同应力幅值损伤下试件损伤因子 由表 可知循环荷载作用后不同损伤程度混凝土试件纵波波速均
14、有所降低 循环荷载作用下试件内部原生裂纹产生扩展并伴随有新生裂隙的产生且应力幅值越大试件内部裂隙量越多试件本身损伤程度越高纵波波速随之降低 结合图 可知试件损伤因子随应力幅值的增大而增大两者呈良好的二次函数正相关且应力幅值越大损伤因子增幅越大当应力幅值小于 时碳纤维高强混凝土试件在循环荷载发生变形这主要是由于试件内部原生裂隙被压实闭合及内部材料的弹性变形此过程中大部分变形可通过外力的去除而恢复只有少量基体开裂及原生裂隙的闭合不能恢复且应力集中与局部损伤会在一些较大的孔隙中产生其余主要发生弹性变形此阶段试件产生损伤量较小损伤因子较低且增幅较缓 当应力幅值达到 时试件内部裂缝宽度及裂隙数目均会随之
15、增加在此应力水平作用下试件本身塑性变形量增加损伤因子及其增幅显著提高 当应力幅值达到 时试件内部裂隙会在荷载的连续作用下迅速扩展并同时诱发大量新生裂隙裂隙进入不稳定扩展阶段裂隙的相互贯通会形成裂缝但试件仍能保持自身的完整性且具备一定的承载能力在去除外荷载后试件内部裂缝无法恢复试件损伤因子及增幅达到最大值 不同应变率下损伤试件力学测试结果分析通过电液伺服压力机及 试验装置对损伤试件开展不同应变率下的单轴压缩试验每组三块平行试样选取结果接近抗压强度平均值的单个试样结果进行分析其中不同应力幅值损伤下试件峰值应力如图 所示不同冲击气压下试件 变化如图 所示 气压作用下不同应力幅值损伤试件的破裂破碎形态
16、如图 所示图 不同应力幅值损伤下试件峰值应力 年 月复合材料科学与工程图 不同冲击气压下试件动态增强因子 图 .气压下不同应力幅值损伤试件的破碎形态 .由图 可知随着损伤幅值的增加不同冲击气压下损伤碳纤维高强混凝土峰值应力相应减小 气压下、损伤应力作用下试件峰值应力降幅分别为、应力降幅不断增大说明大幅值损伤应力作用下试件损伤程度更高 循环荷载作用下试件内部原生裂纹发生扩展并生成大量新生裂纹裂隙的扩展与新生使试件内部结构产生劣化同时对应力波的传播产生影响 结合一维应力波传播规律可知:由于试件与杆件两者间波阻抗不匹配波在入射杆传至试件接触面时会产生反射波及透射波杆件与试件间的波阻抗比值越大由透射杆处应变片所接收的透射波信号值越小入射杆应变片处所接收的反射波信号值越大损伤应力越大试件损伤程度越高与压杆间的波阻抗比值越大在相同冲击气压下入射杆处应变片接收的反射波信号越大透射波信号越小试件自身峰值应力越低由图 可知随着冲击气压的增大试件峰值应力增加试件存在明显应变率效应 相同冲击气压下损伤应力幅值越大试件峰值应力越低 结合图 不同应力幅值损伤下试件 变化规律可知随着应力幅值的增大试件 相应降低
