1、收稿日期:修回日期:作者简介:秦 楠()女河南开封人讲师硕士主要从事建筑设计及其理论方面的研究:.:./.():聚甲醛纤维高强混凝土孔隙特征及动态力学特性秦 楠李 琼徐 博(.郑州经贸学院 土木建筑学院郑州 .中原工学院 建筑工程学院郑州.河南地方煤炭集团有限公司郑州)摘 要:为探究聚甲醛()纤维高强混凝土内部孔隙特征及在冲击荷载作用下的安全性制备混凝土设计强度等级为、纤维长度为 、体积掺量分别为、.、.、.、.的聚甲醛纤维高强混凝土采用核磁共振()技术分析不同纤维掺量下试件 图谱分布规律利用岩石力学试验机对不同纤维掺量下试件进行准静态压缩试验利用霍普金森压杆()装置对试件开展不同应变率下(.
2、、.、.、.)的动态单轴压缩力学试验分析不同纤维掺量下的 纤维高强混凝土内部孔隙结构及在不同应变率下应力应变曲线、峰值应力、韧性及能量耗散的变化规律 结果表明:纤维的掺入使 图谱峰值降低图谱曲线向左偏移试件内部孔隙数目减少孔隙直径减小孔隙率降低试件存在明显的应变率效应 纤维的掺入增强了试件整体性能不同应变率下试件峰值应力随纤维掺量的增加先增大后降低当纤维掺量达到.时试件动态压缩强度达到峰值掺入过量纤维试件强度有所降低纤维的掺入增强试件在抵抗外荷载时的韧性试件耗散能随入射能的增大而增大两者呈良好的线性关系试件破碎耗能密度随纤维掺量的增加先增大后减小掺量为.时效果最佳应变率的增大会使试件耗能密度变
3、化幅值增大关键词:聚甲醛纤维高强混凝土核磁共振应力应变曲线峰值应力韧性破碎耗能密度中图分类号:文献标志码:文章编号:()开放科学(资源服务)标识码():(.):().().(.)().第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报.年 月 .:研究背景普通混凝土材料是建筑工程中使用最为广泛的材料但由于其本身承载能力有限不能满足某些特殊工程中的应用 随着建设工程的快速发展高强混凝土材料使用范围越来越为广泛其本身具备结构致密、高工作性、高耐久性和高体积稳定性等特点在大跨度桥梁、超高层建筑、隧道等建设领域中表现卓越 但混凝土材料由于其本身性能的原因存在着抗拉强度低、易开裂、延展性差及抵抗冲击、疲劳能力弱等
4、缺点限制了其在工程领域的应用范围研究表明纤维的掺入能够减小试件内部孔隙结构、增加混凝土材料的延性提高混凝土的抗裂性能阻碍裂纹的扩展增强其抗冲击、抗疲劳性能聚甲醛()纤维是一种综合性能优良、抗拉强度高、耐疲劳、耐腐蚀性好的工程纤维具有优异的分散性其分子结构中含有大量醚键与无机材料间能够形成良好的相容性对混凝土材料均相性及力学性能有着显著提升其增强效果超过目前广泛使用的聚丙烯()等纤维因此被众多专家学者研究 张丽辉等通过对试验 纤维混凝土与聚丙烯纤维混凝土的力学性能进行比较发现 纤维混凝土具备更优异的力学性能张丽辉等发现 纤维的掺入能增强砂浆塑性减小裂缝开裂程度侯帅等对 纤维增强混凝土劈裂抗拉强度
5、进行研究发现 纤维对混凝土劈裂拉伸强度存在着明显的提升且纤维长度为 效果最好杨富花等通过试验对 纤维增强再生混凝土进行研究发现 纤维对试件抗压强度存在显著增强且纤维长度 时效果最佳试件抗折强度及弯曲韧性都有所提升 众多研究表明 纤维掺入能够显著提升混凝土材料的力学性能但研究成果仅停留在静载作用下纤维高强混凝土建筑物在设计使用年限会承受各种动载的作用如道路上行驶的汽车、撞击载荷等动载作用下混凝土材料的性能不同于静载 梁宁慧等通过试验研究了不同应变率下聚丙烯纤维混凝土力学性能变化规律发现试件动态压缩强度变形和韧性表现出显著的应变率效应张玉武等发现超高分子量聚乙烯纤维混凝土抗压强度、峰值应变及弹性模
6、量会随应变率的增大而增大动载作用下混凝土材料的承载能力明显高于静载因此只用静载作用下力学特性去评估混凝土材料的好坏是不全面的低估材料本身的性能为研究 纤维高强混凝土内部孔隙结构及在动载作用下的力学性能本文采用 技术测量不同纤维掺量下试件内部孔隙结构利用岩石力学试验机和分离式霍普金森压杆研究不同加载率下 纤维高强混凝土单轴压缩力学性能从纤维掺量及应变率 个角度对高强混凝土材料 图谱分布规律、单轴抗压强度、韧性及能量耗散影响规律进行研究研究成果可填补 纤维高强混凝土性能方面的相关空白 原材料及试验方法.原材料原材料中水泥品种为海螺牌 .细骨料选用细度模数.的淮河河砂粗骨料为粒径在 间的普通碎石拌合
7、水为实验室自来水选用 高效减水剂 研究表明纤维长度为 时静载作用下 纤维混凝土力学性能较好因此选用江苏苏博特新材料股份有限公司所生产的 纤维纤维长度 其部分物理性能如表 所示 第 期秦 楠 等 聚甲醛纤维高强混凝土孔隙特征及动态力学特性表 纤维部分物理力学性能 材料弹性模量/抗拉强度/密度/()直径/聚甲醛纤维.试验配比及试件制备本次试验高强混凝土强度设计等级为 配置方法主要是提高水泥强度和减小水灰比混凝土配合比为 水泥 水 砂子 石子 减水剂.纤维的体积掺量分别为、.、.、.、.浇筑前将纤维搅拌分开使其更好地分散于混凝土中 按配合比浇筑为 (长宽高)标准混凝土立方体试块经 养护成型后进行拆模
8、拆模后将试件置于标准养护环境中进行 养护养护结束后将部分试件加工成直径 、高度 的圆柱体进行冲击试件试验前利用声波测速仪选取波速相近试件进行试验.试验设备及方案采用苏州某公司所产型号 核磁共振仪测量试件孔隙结构测试前利用高压水泵将不同纤维掺量的高强混凝土试件进行真空饱水处理饱水结束后对不同纤维掺量试件内部孔隙结构进行测量 每组准静态单轴抗压强度试验及动态冲击压缩试验选取 块试件由于试件过程中数据存在离散性数据分析时选取 组较为接近数据并取平均值 试验装置组成包括动力系统、子弹、入射杆、透射杆与阻尼装置及数据采集系统等压杆由合金钢制成其密度为 /弹性模量 纵波波速为 /选用不同冲击气压以获取不同
9、应变率 试验前将冲击杆、入射杆、试件、反射杆中心置于同一水平线上将凡士林均匀涂抹至试件表面以减小试样与杆件之间的摩擦作用在入射杆端头位置粘贴波形整形器以减小波形的震荡 在入射杆、透射杆上粘贴 型应变片其电阻为.灵敏度系数为.通过示波器对应变片信号进行放大处理示波器上所显示波形如图 三波法处理数据能够有效避免人为因素影响从而具备良好的可信度其计算公式如下:()()()()()()()()()()()()()图 示波器处原始波形.式中:()、()、()分别为在时间 时对应的入射、反射、透射应变无量纲 为混凝土试件高度()为压杆自身的波速(/)为弹性模量()、分别为压杆及试件的横截面积()试验装置在
10、应用过程中受外界因素影响会使试验结果产生一定误差因此需要对每一次冲击结果进行应力平衡检测以保证试验结果的准确性典型应力平衡曲线如图 所示05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0-1 2 0-8 0-4 004 08 01 2 01 6 0 应力/MP a入射应力反射应力入射应力+反射应力透射应力图 应力平衡曲线.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 相关计算公式如下:()()()()()()()()()()()()式中 为压杆中纵波波速(/)根据试样的耗散能定义试样的能量耗散率 和破碎耗能密度 其计算公式如下:()()()()()长江科学院院报 年 式
11、中:为破碎耗能密度(/)为试件体积()试验结果与讨论.试验结果核磁共振技术可在试件损伤程度较小的情况下利用 图谱准确地反映出试件内部的孔隙结构分布图谱中横坐标代表孔径大小波峰面积代表孔隙数目弛豫时间 越大孔隙半径越大弛豫时间和孔隙尺寸可用式()表示 ()表 试验结果 试件编号平均应变率/动态抗压强度/韧性静态平均抗压强度/入射能/耗散能/能量耗散率/破碎耗能密度/().注:.中的 代表聚甲醛纤维 代表纤维掺量为.代表冲击气压为.依此类推式中:为材料弛豫强度 为孔隙表面积 为孔隙体积纤维掺量对试件 图谱分布影响规律如图 所示 由图 可知纤维的掺入使混凝土试件内部孔隙结构发生明显变化试件图片曲线主
12、要呈双峰曲线且第一峰值高度明显大于第二峰值说明弛豫时间在.范围内所占孔隙数目最多随着 纤维掺量的增多试件 图谱峰值降低峰值位置明显向左偏移相较于素混凝土试件纤维掺量为.、.、.、.时 图谱第一峰值分别降低了.、.、.、.说明 纤维的掺入使混凝土材料内部孔隙数目减少孔隙直径减小总孔隙率降低纤维掺量为.0.0 10.111 01 0 01 0 0 0 1 0 0 0 002 04 06 08 01 0 01 2 01 4 000.1 50.30.4 50.6弛豫时间/m s信号强度n/a/%图 不同纤维掺量下试件 图谱.图谱峰值降幅最大纤维掺量为.与.时其峰值相近说明纤维掺量超过一定量后其作用不再
13、明显纤维在混凝土试件内部分布杂乱无章且能够填充于部分较大的孔隙中从而增加混凝土的密实性另一方面纤维的存在能够减少大孔隙的生成将部分大裂隙分割转化为小裂隙并形成贯通水泥浆能够进入孔隙内部从而减小试件裂隙总量降低孔隙率 纤维的掺入能够有效减少试件内部孔隙率增加试件整体性.应力应变曲线通过对采集信号数据的处理可求得试件相应数据试验结果如表 所示静载作用下试件应力应变曲线如图 所示冲击荷载作用下试件应力应 第 期秦 楠 等 聚甲醛纤维高强混凝土孔隙特征及动态力学特性变曲线如图 所示.气压、不同纤维掺量试件应力应变曲线如图 所示0.51.01.52.02.53.002 04 06 08 000.1 50
14、.3 00.4 50.6 03.5应变/1 0-3应力/MP a/%图 静态应力应变曲线.0.0 0 50.0 1 00.0 1 50.0 2 00.0 2 502 04 06 08 01 0 01 2 00.2 50.3 50.4 50.5 5峰值应力/MP a/MP a0.0 3 0图 不同冲击气压下试件动态应力应变曲线.0.0 0 50.0 1 00.0 1 50.0 2 00.0 2 50.0 3 002 04 06 08 01 0 000.1 50.3 00.4 50.6 0峰值应力/MP a/%图 不同纤维掺量下试件应力应变曲线.由表 和图 图 可知试件在静载作用下的应力应变曲线与
15、动载作用下时存在明显不同静载下试件存在明显的压密阶段这是由于混凝土材料内部存在大量原生裂隙应变率较小时此阶段在应力应变曲线中被呈现而应变率较大时试件内部裂隙来不及被压密而直接进入弹性变形阶段 由图 可知随着应变率的增大素混凝土峰值应力、弹性模量及峰值应变随之增加试件存在明显的应变率效应相较于.、.、.气压下试件峰值应力增加了.、.、.由图 可知纤维掺量的增大使得混凝土材料性能提升试件峰值应力先增大后略有降低极限应变不断增加纤维掺量为.时试件峰值应力最大纤维的掺入也提高了试件的延性.峰值应力试件峰值应力随纤维掺量的变化规律如图 所示 不同应变率下试件峰值应力随纤维掺量的增加先增大后降低适量纤维的
16、掺入能够增强试件抵抗外荷载的能力而过量的纤维对试件增强效果不再明显 研究表明素混凝土内部孔隙率较高而掺入纤维通过改变试件部分孔隙结构使水泥浆进入充斥于孔隙内部从而降低试件总孔隙率增强试件整体性且 纤维与水泥基材料间具有良好的相容性纤维能够与骨料间形成良好的黏结作用同时纤维在混凝土结构中的任意分布所形成的网状空间结构能使骨料连接间更加密实从而限制混凝土的在荷载作用下的膨胀开裂提高其承载能力 纤维掺量为.时其峰值应力明显低于掺量为.时说明掺量在.之间存在一个最佳掺量混凝土中纤维的过量反而会降低其整体性能00.10.20.30.40.50.68 01 0 01 2 01 4 00.2 50.3 50.4 50.5 5纤维掺量/%0峰值应力/MP a/MP a图 峰值应力随纤维掺量的变化规律.韧 性韧性是混凝土材料自身延性及抵抗外荷载能力综合性能的体现 表示材料韧性的方法有很多其中能量法最为直接其计算方法为试件应力应变曲线在坐标系中所形成的面积 不同纤维掺量下试件韧性变化规律如图 所示 由表 和图 可知在纤维掺量一致时应变率的增大使得试件韧性增加这是由于试件存在应变率效应其峰值应力极限应变随着