低溫玄武巖纖維混凝土抗沖擊性能研究

耿志晨，崔云鵬，鄧玉姣，李 浪

(沈陽(yáng)理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

在我國(guó)北方地區(qū)，大量的大型混凝土建筑長(zhǎng)期處于低溫環(huán)境，如橋梁、隧道及邊防建筑等。 受低溫影響，建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定程度的損壞，如自由水凝結(jié)成冰造成裂縫，會(huì)導(dǎo)致大型混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度損失及使用年限縮短，從而帶來安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。 此外，低溫環(huán)境下的大型混凝土工程還要考慮由于地震、爆炸及外部撞擊帶來的影響和破壞，其中大部分沖擊瞬時(shí)速率高、破壞力大，可看作受到瞬時(shí)沖擊力的作用，因此在混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究中，引入沖擊韌性來表征混凝土抵抗沖擊荷載的能力[1]。 提高混凝土沖擊韌性最經(jīng)濟(jì)最便捷的方法之一就是加入短切玄武巖纖維，因其本身具有韌性高、穩(wěn)定性良好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。 Sim 等[2]對(duì)玄武巖纖維的力學(xué)性能、耐久性等進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其拉伸強(qiáng)度約為碳纖維的30%、約為高強(qiáng)度玻璃纖維的60%，加速風(fēng)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，玄武巖纖維比玻璃纖維具有更好的耐久性。 玄武巖纖維在建筑材料領(lǐng)域中具有很大的使用價(jià)值。

混凝土在高速變形下的力學(xué)性能區(qū)別于靜態(tài)荷載下的力學(xué)性能。 在瞬時(shí)荷載下，混凝土內(nèi)部各點(diǎn)受力情況隨應(yīng)變率的變化而有所不同，故在研究時(shí)需模擬實(shí)際的應(yīng)變速率條件[3]。 聶良學(xué)等[4]使用霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究了混凝土在沖擊荷載下的力學(xué)性能，結(jié)果表明，在一定的體積摻量下，相比于素混凝土，其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和變形能力均有顯著提高，對(duì)混凝土增韌效果明顯。Zhang 等[5]研究了不同體積摻量玄武巖纖維混凝土的抗沖擊荷載性能，結(jié)果顯示，玄武巖纖維的增韌作用使混凝土的脆性降低，動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度與應(yīng)變速率近似呈線性關(guān)系。 由此可見，玄武巖纖維可提高混凝土的抗沖擊性能。 謝永亮等[6]從相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量變化兩個(gè)角度研究了玄武巖纖維混凝土的抗凍性，結(jié)果顯示，玄武巖纖維的加入能夠明顯地改善機(jī)場(chǎng)路面混凝土的抗凍性。 廉杰等[7]在混凝土中加入短切玄武巖纖維，在6 種長(zhǎng)徑比和5 種體積摻量的不同條件下進(jìn)行抗拉、抗壓、彎拉強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試塊強(qiáng)度和抗裂性均得到了改善。

目前對(duì)于低溫環(huán)境下玄武巖纖維混凝土的抗沖擊性能研究尚不多見，本文對(duì)不同摻量的玄武巖纖維混凝土常溫養(yǎng)護(hù)28 d 后，分別再常溫養(yǎng)護(hù)14 d 和低溫養(yǎng)護(hù)14 d，并采用分離式霍普金森壓桿對(duì)兩組混凝土試塊施加沖擊荷載，通過數(shù)據(jù)處理軟件獲得其應(yīng)力－應(yīng)變曲線及比吸能等力學(xué)性能，重點(diǎn)分析低溫養(yǎng)護(hù)下玄武巖纖維混凝土試塊的抗沖擊性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

水泥(P?O 42.5)，沈陽(yáng)冀東水泥有限責(zé)任公司；短切玄武巖纖維，河南登電玄武石纖有限公司，長(zhǎng)徑比為0.05~0.125，其物性參數(shù)見表1 所示。

表1 玄武巖纖維物性參數(shù)

1.2 分離式霍普金森壓桿

本文采用分離式霍普金森壓桿(山東宗德機(jī)電設(shè)備廠，直徑為75 mm)對(duì)混凝土施加沖擊荷載。 整個(gè)壓桿分為子彈、入射桿、透射桿和吸收桿四部分，設(shè)備的工作原理簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

圖1 分離式霍普金森壓桿工作原理簡(jiǎn)圖

分離式霍普金森壓桿工作時(shí)，首先利用氣壓將子彈發(fā)射，子彈撞擊到入射桿產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波通過入射桿傳遞到試塊產(chǎn)生反射和透射，反射波傳遞到入射桿，透射波傳遞至透射桿，最后由吸收桿吸收。 入射桿和透射桿上各有高敏感度導(dǎo)體應(yīng)變片連接橋盒，以由超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集入射、反射及透射電壓，并繪制入射電壓與透射電壓波形圖，再利用一維應(yīng)力波理論計(jì)算試塊的應(yīng)變率、應(yīng)變和應(yīng)力。 整個(gè)試驗(yàn)過程滿足平面假設(shè)、均勻化假設(shè)，忽略端面摩擦效應(yīng)。

1.3 試驗(yàn)方法

在強(qiáng)度等級(jí)為C40 的混凝土配合比設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，選用粒徑級(jí)配分布(5 ~20 mm)的工程常用粗骨料和不同體積摻量(0%、0. 20%、0. 25%、0.30%、0.35%、0.40%)的短切玄武巖纖維(長(zhǎng)度12 mm)制作混凝土，水膠比為0.4，細(xì)骨料采用中砂。 不同樣品編號(hào)及配合比設(shè)計(jì)(其中纖維用量按照體積摻量折算為質(zhì)量表示)見表2 所示。

表2 不同樣品配合比設(shè)計(jì) kg/m3

將混凝土拌合后倒入模具，制成高度為35 mm、直徑為75 mm 的圓柱形混凝土試塊，并在常溫(20 ℃)下養(yǎng)護(hù)28 d；為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使用角磨機(jī)將養(yǎng)護(hù)完成的試塊表面打磨平整并測(cè)其質(zhì)量和尺寸；將一部分試塊在－20 ℃低溫養(yǎng)護(hù)14 d，另一部份試塊繼續(xù)保持20 ℃常溫養(yǎng)護(hù)14 d，齡期結(jié)束后進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試。

將完成養(yǎng)護(hù)的試塊前后兩面均勻快速涂抹凡士林后放到入射桿和透射桿之間，本試驗(yàn)采用黃銅片作為整形片貼在入射桿前端以吸收部分高頻振蕩波；采用不同加載氣壓對(duì)不同組試塊(每組三個(gè)試塊) 進(jìn)行沖擊試驗(yàn)， 加載氣壓分別為0.08 MPa、0.10 MPa、0.12 MPa，對(duì)應(yīng)的沖擊速度分別為 3.9 m/s、4.6 m/s、5.9 m/s；通過數(shù)據(jù)處理軟件獲取應(yīng)力－應(yīng)變曲線等相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 破壞形態(tài)

常溫和低溫養(yǎng)護(hù)的試塊受到?jīng)_擊后呈現(xiàn)的破碎狀態(tài)無明顯差別，相同體積摻量的玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土試塊在不同加載氣壓下的破碎狀態(tài)如圖2 所示。

秀容川再不能鎮(zhèn)定了，他把螞蟻、蟲子這段連看了兩遍，心想：“這不是寫我嗎？我小時(shí)候，就有這事兒。難道我真是秀容月明的兒子？”

圖2 試塊在不同加載氣壓下的破碎狀態(tài)

由圖2 可明顯看到，隨著沖擊氣壓的增加，試塊受沖擊破壞后形成的碎塊粒度減小。 0.08 MPa氣壓下沖擊后形成的碎塊表觀長(zhǎng)度為35 mm，且有一部分未完全破碎，仍保持圓柱體的部分形態(tài)，通過觀察發(fā)現(xiàn)粗細(xì)骨料并未完全分離且纖維較少出現(xiàn)直接斷裂；0.10 MPa 氣壓沖擊破壞后形成的碎塊表觀長(zhǎng)度明顯減小，且試塊破壞完全，部分纖維出現(xiàn)表面斷裂分離出絲，部分粗骨料斷裂；0.12 MPa氣壓沖擊后形成的試塊粉碎最徹底，大部分碎塊表觀長(zhǎng)度小于10 mm，粗骨料大部分發(fā)生斷裂，纖維大部分?jǐn)嗔褔?yán)重，且在碎塊中存在大量粉末。 當(dāng)氣壓較小，即沖擊速度較小時(shí)，混凝土試塊內(nèi)部裂縫的延展情況類似于靜壓下的損壞情況，只產(chǎn)生少量貫穿裂縫，沖擊后的試塊以大塊為主；隨著氣壓或沖擊速度的提升，混凝土試塊在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大的橫軸方向變形，裂縫來不及貫穿，試塊便快速分裂成較小的碎塊。

2.2 應(yīng)力－應(yīng)變曲線及應(yīng)變率－時(shí)間曲線

常溫養(yǎng)護(hù)28 d ＋14 d 后，使用不同氣壓沖擊不同摻量的玄武巖纖維混凝土，測(cè)試得到其應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖3 所示。

由圖3 可以看出，當(dāng)玄武巖纖維摻量相同時(shí)，隨著沖擊氣壓的升高，試塊所能達(dá)到的峰值應(yīng)力也增加，其中體積摻量為0. 30% 的一組試塊在0.12 MPa氣壓沖擊下的峰值應(yīng)力比0.08 MPa 沖擊下提高了48%。

圖3 常溫養(yǎng)護(hù)下不同摻量的玄武巖纖維混凝土試塊在不同沖擊氣壓下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

當(dāng)沖擊氣壓相同時(shí)，除摻量為0.40%的玄武巖纖維混凝土試塊在0.12 MPa 沖擊氣壓下的峰值應(yīng)力略小于素混凝土外，其余摻量的玄武巖纖維混凝土試塊峰值應(yīng)力均高于素混凝土，且隨著玄武巖纖維摻量增加，混凝土試塊的峰值應(yīng)力大致呈先升高后降低的趨勢(shì)，各沖擊氣壓下纖維摻量為0.30%時(shí)試塊的峰值應(yīng)力均最高。

玄武巖纖維的摻入可增強(qiáng)混凝土試塊的力學(xué)性能，且降低混凝土的總孔隙率和平均孔徑，從而優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)，提升其強(qiáng)度[8]。 此外，玄武巖纖維自身優(yōu)異的性能可以增強(qiáng)混凝土整體的韌性，纖維穿插在粗細(xì)骨料和膠凝材料之間，可以形成網(wǎng)狀增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，有效地傳遞應(yīng)力，使混凝土在受到荷載時(shí)可將其均勻分散而避免在某處集中受力。 隨著摻量增加，更多的纖維分擔(dān)應(yīng)力并有效抑制混凝土試塊內(nèi)部的裂紋拓展；但纖維摻量過多，難以分布均勻，易發(fā)生團(tuán)聚，形成界面薄弱區(qū)，這種混凝土內(nèi)部力學(xué)結(jié)構(gòu)上的缺陷會(huì)導(dǎo)致纖維增強(qiáng)效果有所下降。

圖4 為常溫28 d ＋14 d 養(yǎng)護(hù)下不同摻量的玄武巖纖維混凝土試塊在不同沖擊氣壓下的應(yīng)變率－時(shí)間曲線。

圖4 常溫養(yǎng)護(hù)下不同摻量的玄武巖纖維混凝土試塊在不同沖擊氣壓下的應(yīng)變率－時(shí)間曲線

由圖4 可見，素混凝土試塊的峰值應(yīng)變率隨著沖擊氣壓的提高而增大。 一方面，因?yàn)闆_擊氣壓越大，沖擊速度越大，高速?zèng)_擊狀態(tài)下，沖擊荷載的作用時(shí)間極短，由沖量定理和能量守恒定律可知，速度越大，試塊受到的沖擊能越大；另一方面，素塊因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不能吸收掉大部分沖擊能，導(dǎo)致部分沖擊能轉(zhuǎn)化成應(yīng)變能，宏觀上表現(xiàn)為內(nèi)部裂紋擴(kuò)展加快、峰值應(yīng)變率增加。 加入玄武巖纖維后，雖然應(yīng)變率曲線具有一定離散性，但不難發(fā)現(xiàn)，在相同的沖擊氣壓下，大部分纖維增強(qiáng)試塊的峰值應(yīng)變率比素混凝土試塊有所降低，說明這些摻量的玄武巖纖維在混凝土受到瞬時(shí)荷載時(shí)發(fā)揮了吸能作用，減緩了裂紋擴(kuò)展，提升了試塊的整體抗沖擊性能。

圖5 低溫養(yǎng)護(hù)后不同摻量的玄武巖纖維混凝土試塊在不同沖擊氣壓下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

對(duì)比圖5 和圖3 可見:沖擊氣壓和纖維摻量相同時(shí)，相較于常溫養(yǎng)護(hù)，低溫養(yǎng)護(hù)下混凝土試塊的峰值應(yīng)力有所提高；低溫養(yǎng)護(hù)下試塊的峰值應(yīng)力隨沖擊氣壓和纖維摻量的變化規(guī)律與常溫養(yǎng)護(hù)下大致相同，最優(yōu)摻量仍為0.30%，摻量為0.35%和0.40%的兩組試塊在相同沖擊氣壓下的峰值應(yīng)力下降幅度遠(yuǎn)大于常溫養(yǎng)護(hù)下的情況。 纖維摻量增加造成分散性下降，纖維之間出現(xiàn)大量孔隙，這些孔隙中含有較多的水分及 Na＋、K＋、Ca2＋、等離子[9]，纖維表面也存在少量水分，這些物質(zhì)在試塊低溫養(yǎng)護(hù)后會(huì)結(jié)冰，從而造成混凝土試塊微裂縫的擴(kuò)大和增多，導(dǎo)致其力學(xué)性能下降[10]。

低溫養(yǎng)護(hù)下不同摻量的玄武巖纖維混凝土試塊在不同沖擊氣壓下的應(yīng)變率－時(shí)間曲線如圖6所示。

對(duì)比圖6 和圖4 可見，在沖擊氣壓和纖維摻量均相同時(shí)，絕大部分低溫養(yǎng)護(hù)下試塊(包括素混凝土和纖維增強(qiáng)混凝土)的峰值應(yīng)變率小于常溫養(yǎng)護(hù)下試塊的峰值應(yīng)變率，且大部分纖維增強(qiáng)混凝土試塊的峰值應(yīng)變率小于素塊。

圖6 低溫養(yǎng)護(hù)下不同摻量的玄武巖纖維混凝土試塊在不同沖擊氣壓下的應(yīng)變率－時(shí)間曲線

從裂紋演化的橫向慣性效應(yīng)上分析，低溫下混凝土內(nèi)部水分會(huì)有結(jié)冰現(xiàn)象，導(dǎo)致裂紋不能迅速擴(kuò)展，使試塊的損傷演化和徑向膨脹速率小于沖擊荷載的加載速率，故低溫下試塊的峰值應(yīng)變率有所下降，纖維增強(qiáng)效應(yīng)有所提升，試塊整體的抗沖擊性能提高。

2.3 沖擊韌性

沖擊試驗(yàn)可理解為入射桿沖擊能轉(zhuǎn)化為試塊本身應(yīng)變能的過程，因此材料的吸能能力是研究的重點(diǎn)。 沖擊韌性用來表征混凝土受到?jīng)_擊荷載時(shí)吸收能量的能力，是混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)強(qiáng)度和延展性的綜合表征方法，通常用應(yīng)力－應(yīng)變曲線圍成的面積來表示，定義為比吸能[11]。

計(jì)算得到常溫養(yǎng)護(hù)下不同摻量的玄武巖纖維混凝土試塊比吸能數(shù)值如圖7 所示。

由圖7 可見，常溫養(yǎng)護(hù)下?lián)饺胄鋷r纖維的試塊比吸能均高于素混凝土試塊(1 750 J/kg)，表明玄武巖纖維確可提高吸能能力，增加混凝土的沖擊韌性。 結(jié)合2.2 中強(qiáng)度分析結(jié)果可知，摻量為0.30%時(shí)的試塊既可以保持較高的強(qiáng)度，也可以保持優(yōu)良的延展性和韌性。

圖7 常溫養(yǎng)護(hù)下不同摻量的玄武巖纖維混凝土試塊比吸能

計(jì)算得到低溫養(yǎng)護(hù)下不同纖維摻量的混凝土試塊比吸能數(shù)值如圖8 所示。

圖8 低溫養(yǎng)護(hù)下不同摻量的玄武巖纖維混凝土試塊比吸能

由圖8 可見，低溫養(yǎng)護(hù)下?lián)饺肜w維的混凝土試塊比吸能基本高于低溫下素塊的比吸能(1 985 J/kg)，纖維摻量為0.40%的混凝土試塊由于摻量較大，纖維分布不均勻，孔隙增多，孔隙水分結(jié)冰造成更多的微裂縫產(chǎn)生，使其吸能能力下降，造成韌性下降。 比吸能隨纖維摻量變化規(guī)律與動(dòng)態(tài)沖擊強(qiáng)度相似，纖維摻量為0.30%時(shí)試塊的比吸能最大。 故纖維的最佳摻量為0.30%，此時(shí)混凝土試塊具有較好的吸能能力且動(dòng)態(tài)沖擊強(qiáng)度最大。

3 結(jié)論

對(duì)不同摻量的短切玄武巖纖維混凝土試塊進(jìn)行常溫和低溫養(yǎng)護(hù)后，采用霍普金森壓桿技術(shù)研究其抗沖擊性能，得到如下結(jié)論。

1)隨著沖擊氣壓的提高，試塊的破壞更徹底，碎塊的尺寸更小，出現(xiàn)纖維斷裂和單絲分離的情況。

2)當(dāng)沖擊氣壓一定時(shí)，隨著纖維摻量的增加，常溫和低溫養(yǎng)護(hù)下試塊的峰值應(yīng)力均先增大后有所減小，在相同沖擊氣壓和體積摻量下，低溫養(yǎng)護(hù)下試塊的峰值應(yīng)力均大于常溫養(yǎng)護(hù)下試塊的峰值應(yīng)力。

3)在常溫和低溫養(yǎng)護(hù)下大部分摻入玄武巖纖維的混凝土試塊峰值應(yīng)變率低于素混凝土試塊，低溫養(yǎng)護(hù)下素混凝土試塊和纖維增強(qiáng)混凝土試塊的峰值應(yīng)變率在大部分試驗(yàn)情況下均小于常溫養(yǎng)護(hù)下的峰值應(yīng)變率。

4)常溫和低溫養(yǎng)護(hù)下?lián)饺胄鋷r纖維的混凝土試塊比吸能數(shù)值基本大于素混凝土試塊(除低溫養(yǎng)護(hù)下的0.40%纖維增強(qiáng)混凝土試塊)，表明玄武巖纖維確可提高混凝土的吸能能力，增強(qiáng)其沖擊韌性。

5)玄武巖纖維摻量為0.30%時(shí)，常溫養(yǎng)護(hù)和低溫養(yǎng)護(hù)的混凝土試塊既可保持較高的強(qiáng)度，也可保持優(yōu)良的延展性和韌性，表現(xiàn)出較佳的抗沖擊性能。