任韋波，許金余,2，白二雷，范建設(shè)

(1.空軍工程大學(xué)機(jī)場(chǎng)建筑工程系，陜西 西安 710038； 2.西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院，陜西 西安 710072； 3.中國(guó)航空港建設(shè)第九工程總隊(duì)，四川 新津 611430)

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高溫后玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性

任韋波1，許金余1,2，白二雷1，范建設(shè)3

(1.空軍工程大學(xué)機(jī)場(chǎng)建筑工程系，陜西 西安 710038； 2.西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院，陜西 西安 710072； 3.中國(guó)航空港建設(shè)第九工程總隊(duì)，四川 新津 611430)

為研究溫度、加載速率、纖維摻量對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土(BFRC)動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度和沖擊韌度的影響，利用?100 mm分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置，對(duì)經(jīng)歷不同溫度作用后的BFRC進(jìn)行沖擊加載實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：高溫后BFRC的動(dòng)壓強(qiáng)度及沖擊韌度在同一溫度下隨平均應(yīng)變率的上升近似線性增大；溫度的升高總體上導(dǎo)致BFRC在同一加載速率下的動(dòng)壓強(qiáng)度及沖擊韌度減小、應(yīng)變率敏感性減弱；同一工況下，BFRC的動(dòng)壓強(qiáng)度和沖擊韌度較素混凝土普遍提高，且當(dāng)纖維體積摻量為0.2%時(shí)強(qiáng)韌化效果相對(duì)最佳。由此可見，高溫后BFRC的沖擊壓縮特性受溫度、加載速率、纖維摻量的綜合作用影響，摻入玄武巖纖維可以有效降低高溫后BFRC的損傷劣化程度。

固體力學(xué)；動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度；SHPB；玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土；高溫；沖擊韌度

纖維增強(qiáng)混凝土(FRC)具有優(yōu)異的強(qiáng)度變形特性，在防爆、抗震、抗沖擊等安全防護(hù)工程領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。學(xué)者們已對(duì)多種FRC材料在常溫條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能開展了研究[1-6]，其中纖維增強(qiáng)材料包括鋼纖維、合成纖維、玄武巖纖維、碳纖維、混雜纖維等，混凝土基體包括普通硅酸鹽混凝土、地質(zhì)聚合物混凝土、活性粉末混凝土等，結(jié)果表明，通過摻入纖維可以有效改善混凝土的脆性，提高其抵抗沖擊荷載作用的能力。然而，實(shí)際使用過程中，構(gòu)件在承受沖擊、振動(dòng)、碰撞等動(dòng)力荷載的同時(shí)，往往也會(huì)受到溫度荷載的影響[7]，例如，火災(zāi)中化學(xué)物質(zhì)的爆炸燃燒導(dǎo)致建筑物上部結(jié)構(gòu)垮塌并對(duì)下部處于高溫狀態(tài)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行撞擊，軍事防護(hù)工程在遭受打擊武器高速侵徹的同時(shí)也要經(jīng)受來自武器爆炸衍生高溫的作用。在這些情況下，由于高溫導(dǎo)致混凝土內(nèi)部物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變、力學(xué)性能指標(biāo)下降[8-10]，因而此時(shí)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算、毀傷效應(yīng)分析時(shí)，就不能單純地考慮動(dòng)荷載的沖擊破壞作用，還需要計(jì)入溫度的損傷劣化效應(yīng)，否則就會(huì)因高估材料的承載能力而造成使用安全隱患。此外，掌握FRC材料在高溫條件下的動(dòng)力響應(yīng)特性，對(duì)合理進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)的損傷修復(fù)評(píng)估、檢驗(yàn)防護(hù)工程的防御效能，優(yōu)化武器戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)，拓展FRC的應(yīng)用領(lǐng)域等也很有意義。

本文中利用?100 mm分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置，對(duì)經(jīng)高溫作用后的玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土(BFRC)進(jìn)行沖擊加載實(shí)驗(yàn)，研究不同溫度、加載速率、纖維摻量對(duì)BFRC動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度和沖擊韌度的影響，并分析其作用原因。

1 試件制備

材料：(1)42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥；(2)一級(jí)粉煤灰，密度2.05 g/cm3，比表面積≥355 m2/kg；(3)微硅粉，平均粒徑0.1～0.15 μm，比表面積15～27 m2/g；(4)石灰?guī)r碎石，密度2.70 g/cm3，粒徑5～20 mm；(5)中砂，密度2.63 g/cm3，細(xì)度模數(shù)2.78，含泥量1.1%；(6)FDN高效減水劑，減水率20%；(7)自來水；(8)短切玄武巖纖維：?jiǎn)谓z直徑15 μm，短切長(zhǎng)度18 mm，密度2 650 kg/m3，楊氏模量93～110 GPa，熔點(diǎn)960 ℃，抗拉強(qiáng)度4 150～4 800 MPa，極限伸長(zhǎng)率3.1%。

表1 BFRC配合比

利用上述原材料，按照表1中所列配合比，經(jīng)攪拌、成型及28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，制得基體強(qiáng)度等級(jí)為C50的素混凝土(PC)以及纖維體積摻量分別為0.1%、0.2%和0.3%的玄武巖纖維混凝土(簡(jiǎn)稱BC1、BC2和BC3)。試件規(guī)格分2種：(1)標(biāo)準(zhǔn)立方體試件(150 mm×150 mm×150 mm)，用于常溫下靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)；(2)短圓柱體試件(?98 mm×50 mm)，用于常溫下靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)和高溫后沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

2.1 試件加熱及冷卻

試件加熱采用RX3-20-12型箱式電阻爐。實(shí)驗(yàn)溫度等級(jí)設(shè)為常溫、200、400、600和800 ℃，升溫速率為10 ℃/min，為確保加熱的穩(wěn)定性、均勻性，當(dāng)試件加熱至目標(biāo)溫度后還需在箱內(nèi)恒溫2 h，同時(shí)，為模擬實(shí)際救火現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)加熱完成的試件進(jìn)行噴水冷卻處理(噴淋30 min)，而后移入室內(nèi)靜置，1 d后進(jìn)行動(dòng)壓實(shí)驗(yàn)。

2.2 SHPB實(shí)驗(yàn)

高溫后BFRC的動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)采用?100 mm SHPB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)時(shí)撞擊桿的加載速度通過調(diào)節(jié)氣壓槍內(nèi)的氣壓進(jìn)行控制，并由激光測(cè)速儀進(jìn)行測(cè)量，桿中的應(yīng)變波由粘貼在壓桿表面的應(yīng)變片進(jìn)行記錄，具體實(shí)驗(yàn)原理及數(shù)據(jù)處理方法可參見文獻(xiàn)[11]。

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)每一溫度下的每種試件共進(jìn)行5個(gè)不同加載速率(5.5、6.5、7.5、8.5、9.5 m/s)的沖擊實(shí)驗(yàn)，每一加載速率下至少進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。此外，為減小加載波在傳播過程中的彌散效應(yīng)，保證試件在破壞前的應(yīng)力均勻性，采用波形整形技術(shù)[12]，即在入射桿打擊面中心粘貼厚度為1 mm，直徑分別為30、35、40、45、50 mm的鋁片作為波形整形器。

3 結(jié)果與分析

3.1 動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[13]，測(cè)得常溫下PC、BC1、BC2和BC3的立方體試件靜態(tài)抗壓強(qiáng)度分別為65.6、67.7、70.5和67.0 MPa，短圓柱體試件靜態(tài)抗壓強(qiáng)度分別為115.8、122.4、136.9和130.7 MPa，可以看出，由于圓柱體試件長(zhǎng)徑比較小，承壓板在試件端面形成巨大約束力導(dǎo)致其強(qiáng)度較立方體試件偏高，尺寸效應(yīng)明顯。

由圖1～2可知：高溫后BFRC動(dòng)壓強(qiáng)度在同一溫度下隨加載速率(平均應(yīng)變率)的提高近似呈線性增大，具有明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。溫度的升高總體上導(dǎo)致試件在同一加載速率下的動(dòng)壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，但在200 ℃時(shí)降幅較小，甚至較常溫略有增長(zhǎng)，同時(shí)，試件的平均應(yīng)變率也隨溫度的上升不斷增大，這主要是因?yàn)楦邷貙?dǎo)致試件酥軟、形變量增大所致。400 ℃之前，試件動(dòng)壓強(qiáng)度普遍大于常溫下立方體靜壓強(qiáng)度，且應(yīng)變率敏感性較強(qiáng)，圖1中擬合直線斜率較大，說明應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)占主導(dǎo)地位，400 ℃以后，試件動(dòng)壓強(qiáng)度迅速降至常溫立方體靜壓強(qiáng)度以下，應(yīng)變率敏感性亦逐漸減弱，且在800 ℃時(shí)擬合直線斜率降至最低，說明溫度損傷軟化效應(yīng)占主導(dǎo)地位。同一工況下，BFRC的動(dòng)壓強(qiáng)度較PC普遍提高(Rd>1)，且隨溫度的上升，這種優(yōu)勢(shì)有所增大，說明摻入玄武巖纖維對(duì)高溫后混凝土具有一定的增強(qiáng)效果。BFRC動(dòng)壓強(qiáng)度隨纖維摻量的變化較為復(fù)雜、離散，總體來說，增大纖維摻量可以提高其增強(qiáng)效果，但過多的纖維也會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，例如大部分情況下BC3的動(dòng)壓強(qiáng)度較BC2不升反降，BC2的Rd值整體較高，因此就改善強(qiáng)度而言，纖維體積摻量為0.2%時(shí)相對(duì)最佳。

圖1 高溫后試件動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度與平均應(yīng)變率的關(guān)系Fig.1 Relationships between dynamic compressive strength and average strain rate after elevated temperatures

圖2 不同工況下的Rd值及其空間擬合平面Fig.2 Value of Rd and its fitting plane under different working conditions

3.2 沖擊韌度

圖3 高溫后試件沖擊韌度與平均應(yīng)變率的關(guān)系Fig.3 Relationships between impact toughness and average strain rate after elevated temperatures

由圖3～4可知：相同溫度作用下，隨著加載速率的提高，試件的沖擊韌度不斷增大，兩者具有較好的正相關(guān)性。相同加載速率作用下，溫度對(duì)沖擊韌度的影響隨加載速率的不同而不同，當(dāng)加載速率較低時(shí)(7.5 m/s以下)，試件沖擊韌度在200 ℃時(shí)較常溫有所減小，400 ℃時(shí)有所回升，而后隨溫度的升高逐漸降低，當(dāng)加載速率較高時(shí)(7.5 m/s以上)，試件沖擊韌度隨溫度的升高呈下降趨勢(shì)，但在200 ℃時(shí)較常溫略有提高。試件沖擊韌度的應(yīng)變率敏感性在600 ℃之前變化不大(200 ℃時(shí)有所增長(zhǎng))，800 ℃時(shí)明顯降低，例如對(duì)于BC1，其在圖3中擬合直線的斜率隨溫度的升高依次為11.42、16.19、10.56、11.33和8.83。摻入玄武巖纖維整體上可以提升高溫后混凝土的沖擊韌度，但在部分低溫、低加載速率的工況下，BFRC的沖擊韌度反而小于PC。纖維的增韌效果總體隨其體積摻量的增大而增大，但當(dāng)纖維摻量增至0.3%時(shí)，BC3的沖擊韌度變化較為離散，因此BC2的沖擊韌性相對(duì)最優(yōu)。

圖4 不同工況下的Ri值及其空間擬合平面Fig.4 Value of Ri and its fitting plane under different working conditions

3.3 分析

動(dòng)荷載作用下，隨著加載速率的提高，作用于試件的能量增多且時(shí)間極短，試件的破壞模式由少數(shù)主控裂縫沿最薄弱界面貫穿失效轉(zhuǎn)變?yōu)樵谠煌瑫r(shí)萌發(fā)大量的微裂縫，而裂紋的起裂數(shù)目和擴(kuò)展程度與所受能量呈正比。因此加載速率越大，新產(chǎn)生的微裂紋越多、破壞程度越大，致使試件累積消耗能量增多、韌度增大、再根據(jù)沖量定理，由于試件在高速?zèng)_擊下來不及進(jìn)行變形緩沖，因此只能通過增加應(yīng)力的方式來抵消外部能量，因此動(dòng)壓強(qiáng)度也相應(yīng)提高。

不同溫度作用后，試件內(nèi)部的熱應(yīng)力以及各相間的變形差導(dǎo)致試件出現(xiàn)不同程度的損傷破壞，尤其是400 ℃以后，部分水化產(chǎn)物開始熔融分解、骨料逐漸膨脹破裂[14]，使得試件性能急劇惡化。例如圖5為采用BJQF-1型智能裂縫測(cè)寬儀得到的高溫后試件溫度裂縫檢測(cè)圖，可以看出，200 ℃時(shí)，PC表面無明顯的裂縫形成，平均裂縫寬度僅為0.053 mm，而當(dāng)溫度升至600 ℃時(shí)，高溫?fù)p傷加重致使裂縫顯著增大，裂縫平均寬度達(dá)到0.384 mm。因此，隨著溫度的升高，試件的損傷劣化程度加劇，裂紋起裂、擴(kuò)展的臨界應(yīng)力降低，試件在動(dòng)荷載作用下迅速失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致其動(dòng)壓強(qiáng)度及沖擊韌度受損、應(yīng)變率敏感性降低。

200 ℃時(shí)，試件受熱膨脹導(dǎo)致部分孔隙、裂紋收縮閉合，內(nèi)部自由水分蒸發(fā)形成的溫濕環(huán)境也有助于未水化的水泥顆粒進(jìn)行二次水化[15]，因而此時(shí)試件的熱損傷程度較小，動(dòng)壓強(qiáng)度及其應(yīng)變率敏感性較常溫有所提高。此外，由于試件初始損傷降低，破壞所需的臨界應(yīng)力增大，因此在較低加載速率作用下其破壞程度較常溫有所減小，部分沖擊能量未能引發(fā)并參與試件的塑性變形破壞，而是以彈性能的方式耗散釋放，致使沖擊韌度下降。而隨著加載速率的提高，被“激活”的裂縫數(shù)量逐漸增多且擴(kuò)展程度不斷增強(qiáng)，外部沖擊能量已足以使試件完全破壞，但由于試件整體性能的提升，使得裂紋貫穿速度相對(duì)較慢，有效截面積下降延緩，致使耗散能累積增大，沖擊韌度接近、甚至略高于常溫水平。

摻入玄武巖纖維后，三維亂向分布的纖維在試件內(nèi)部形成一個(gè)微加筋系統(tǒng)，使得試件在凝結(jié)硬化過程中的收縮裂縫以及高溫下溫度裂縫得到有效約束，初始損傷程度明顯降低，例如圖5中在600 ℃時(shí)，BC2平均裂縫寬度較PC明顯減小，僅為0.222 mm。同時(shí)，利用纖維的橋聯(lián)阻裂作用還可以減緩裂縫尖端的應(yīng)力集中，分散、消耗部分沖擊能，導(dǎo)致裂縫在擴(kuò)展方向上受阻，增加其擴(kuò)展路徑的曲折性，使得更多的細(xì)觀裂紋產(chǎn)生并參與試件的破碎過程，因此BFRC的強(qiáng)度與韌性較PC普遍增大，但是在溫度與加載速率較低時(shí)，由于纖維提高了BFRC抵抗沖擊荷載作用的能力，使其破壞程度及能耗水平下降，因而此時(shí)BFRC的沖擊韌度小于PC。

圖5 高溫后試件溫度裂縫檢測(cè)圖Fig.5 Crack width of specimens after elevated temperatures

此外，雖然增大纖維摻量理論上可以減小纖維間的平均間距[16]，提高其增強(qiáng)增韌效能的發(fā)揮，但其前提是要保證纖維在基體內(nèi)均勻分散。而實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，要使纖維達(dá)到絕對(duì)分散十分困難，尤其當(dāng)纖維摻量較大時(shí)，將大大增加其在攪拌過程中“結(jié)塊”、“成團(tuán)”的概率，導(dǎo)致試件在相對(duì)薄弱的“纖維塊”間開裂破壞，同時(shí)，由于高溫下纖維與基體間的黏結(jié)面受損、握裹力降低，不但削弱了纖維的強(qiáng)韌化效果，還使試件內(nèi)部的軟弱層相對(duì)增多。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，不能只是一味的通過增大纖維摻量來提高其作用效果，而應(yīng)根據(jù)不同的材料、工藝、使用工況及改善目的，確定出纖維的相對(duì)最優(yōu)摻量?；诒疚牡膶?shí)驗(yàn)條件及配比，當(dāng)玄武巖纖維體積摻量為0.2%時(shí)，其強(qiáng)韌化效果相對(duì)最佳。

4 結(jié) 論

(1)高溫后BFRC動(dòng)壓強(qiáng)度和沖擊韌性的變化是應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)和溫度損傷軟化效應(yīng)共同作用的結(jié)果。試件的動(dòng)壓強(qiáng)度和沖擊韌性在同一溫度下隨平均應(yīng)變率的提高近似線性增大，而溫度的升高總體上導(dǎo)致BFRC在同一加載速率下的動(dòng)壓強(qiáng)度及沖擊韌度減小、應(yīng)變率敏感性減弱。

(2)200 ℃時(shí)，由于試件整體性能有所提升，導(dǎo)致此時(shí)動(dòng)壓強(qiáng)度較常溫略有增長(zhǎng)，而沖擊韌度則在加載速率較低時(shí)有所減小，在加載速率較高時(shí)接近、甚至高于常溫水平。

(3)玄武巖纖維可以有效地降低高溫后混凝土的損傷劣化程度，提高其動(dòng)壓強(qiáng)度和沖擊韌度，但是當(dāng)溫度與加載速率較低時(shí)，BFRC的沖擊韌度小于PC。當(dāng)纖維體積摻量為0.2%時(shí)，其強(qiáng)韌化效果相對(duì)最佳。

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(責(zé)任編輯 曾月蓉)

Dynamic mechanical properties of basalt fiber reinforced concrete after elevated temperatures

Ren Wei-bo1, Xu Jin-yu1,2, Bai Er-lei1, Fan Jian-she3

(1.DepartmentofAirfieldandBuildingEngineering,AirForceEngineeringUniversity,Xi’an710038,Shaanxi,China; 2.CollegeofMechanicsandCivilArchitecture,NorthwestPolytechnicUniversity,Xi’an710072,Shaanxi,China; 3.TheNinthEngineeringHeadGroupofChinaAirport,Xinjin611430,Sichuan,China)

To investigate the influences of temperature, impact velocity and fiber volumetric fraction on dynamic compressive strength and impact toughness of basalt fiber reinforced concrete (BFRC), dynamic compressive experiments were carried out on BFRC after different elevated temperatures by using a 100 mm diameter split Hopkinson pressure bar (SHPB) equipment. The results demonstrate that the dynamic compressive strength and impact toughness increase approximately linearly with the increase of average strain rate under the same temperature. At a fixed impact velocity, the rising of temperature results in a decrease in dynamic compressive strength and impact toughness as well as their strain rate sensitivities. For a given working condition, the dynamic compressive strength and impact toughness of BFRC are generally higher than those of plain concrete. The strengthening and toughening effect are relatively the best when the fiber volumetric fraction is 0.2%. Consequently, changes in dynamic compressive properties of BFRC after elevated temperatures are the combining effects of temperature, impact velocity and fiber volumetric fraction. The adding of basalt fiber can significantly decrease the thermal deterioration of BFRC.

solid mechanics; dynamic compressive strength; SHPB; basalt fiber reinforced concrete; elevated temperature; impact toughness

10.11883/1001-1455(2015)01-0036-07

2013-06-26；

2013-12-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51078350,51208507)

任韋波(1988— )，男，博士研究生,renweibo_fhgc@163.com。

O347.3 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼： 13015

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