王大鹏 吴 凯
(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)
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]。侯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。
1.1 试验过程
试验选用海螺牌P·O 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BC3-12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 1 Performance indexes of basalt fibers
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φ74×37 mm圆柱体模具进行浇筑,待试件成型后进行拆模,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,在两材料接触面波会发生反射与透射[27],入射、反射和透射波通过应变片进行采集,应变片型号为BX120-3AA,其电阻阻值为(120±0.2)Ω,灵敏度系数为2.08%±1%,应变片上所接收的信号通过示波器进行显示,其典型波形图如图1所示。
图1 实测波形Fig.1 Measured waveforms
动态单轴压缩试验采集数据利用三波法进行处理,试验中所求得应变率、应变及应力如式(1)所示[28]。
(1a)
(1b)
(1c)
式中:εi(t)、εr(t)、εt(t)为时刻t的入射应变、反射应变、透射应变,无量纲;ls为试件厚度,m;C0为压杆的纵波波速,m/s;E为弹性模量,MPa;A、AS分别为压杆的横截面积和试件的横截面积,m2。
根据一维应力波理论可计算出各能量,其计算式如下:
(2a)
(2b)
(2c)
Ws(t)=Wi(t)-Wr(t)-Wt(t)
(2d)
(2e)
式中:Wi(t)、Wr(t)、Wt(t)、Ws(t)为时刻t的入射能、反射能、透射能、耗散能,J;ξ为破碎耗能密度,J/cm3;V为试件体积,cm3。
由一维应力波传播规律可知在冲击子弹作用下在入射杆前端会形成应力波,应力波沿杆件向前传播,在首次到达入射杆粘贴应变片处波通过应变片被收集,形成入射波,随着波的进一步传播在杆件与试件接触面时入射波发生透反射,反射波沿入射杆被反向传播,再次被入射杆处应变片收集形成反射波,透射波穿过试件到达透射杆处被透射杆粘贴应变片收集形成透射波,在试验过程中入射波与反射波之和等于透射波,此时达到应力平衡状态,也表明此次冲击试验数据的有效性,对于入射波、反射波及透射波的选取均是从波的上升沿起点处进行选取的。应力波在试件内部传播过程中波会沿传播方向逐渐衰减,当波首次到达试件末端时两端存在明显应力差,在试件内部来回发生多次反射后试件两端应力差会逐渐减小直至基本消失,此时试件两端达到应力平衡状态,为保证冲击试验数据的有效性,需对每一次冲击数据进行应力平衡检测[29],应力平衡如图2所示。
图2 应力平衡曲线Fig.2 Stress equilibrium curves
冲击荷载下试件分形维数能够定量描述试件的破坏程度,采用碎屑的质量-等效边长计算出试件在冲击荷载作用下的分形维数[30],其计算式如下。
D=3-α
(3)
式中:MLeq为等效边长为Leq时所对应的碎屑质量,g;M为计算尺度内碎屑的总质量,g;MLeq/M为等效边长小于Leq的碎屑的累计百分含量;D为分形维数;α为MLeq/M-Leq在双对数坐标下的斜率值。
2.1 峰值应力
冲击荷载作用下不同养护湿度、龄期试件力学性能变化如表2所示,相同冲击气压下试件所获取的平均应变率如图3所示,峰值应力与养护龄期关系如图4所示。
由图3可知:相同冲击气压下随着养护龄期的增长,试件所获取的平均应变率随之减小,两者呈指数函数负相关,相对湿度为95%时相较于养护龄期为1 d试件,养护龄期为3,7,14,28 d试件应变率降XWY-95-14中XWY表示玄武岩纤维混凝土试件,95表示相对湿度为95%,14表示养护龄期为14 d。
表2 冲击荷载作用下玄武岩纤维混凝土试验结果Table 2 Test results of basalt fiber reinfored concrete under impact load
图3 不同养护龄期下试件应变率变化规律Fig.3 Variations of strain rate of specimens under different curing ages
图4 不同养护龄期下试件峰值应力变化规律Fig.4 Variations of peak stress of specimens under different curing ages
幅分别为4.77%、8.77%、12.39%、15.35%。相同养护龄期下随着养护相对湿度的增大,试件平均应变率降低,养护28 d,相较于相对湿度为35%试件,相对湿度为55%、75%、95%时试件平均应变率降幅为3.36%、8.74%、11.83%,相对湿度的增加降低了试件的平均应变率。由图4可知:相同养护相对湿度下,随着养护龄期的增长,试件峰值应力随之增大,两者呈指数函数正相关,且在相同养护龄期时,随着相对养护湿度的增大试件峰值应力随之增大,且养护龄期越长,试件应力增幅越显著。结合一维应力波传播规律[31]可知:由于试件与杆件两者间波阻抗不匹配,入射波在入射杆传至玄武岩纤维混凝土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,而试件所获取平均应变率可由反射波求得,反射波信号越大,试件所获取平均应变率越高,试件的应力可由透射波求出。这是由于随着养护龄期的增长及相对湿度的增加,试件中的水泥不断发生水化产生更多的水化产物,充斥于试件内部裂隙中,细化试件孔隙结构,提升其致密性,增强其整体性[14]。水化产物的增多及孔隙率的降低使试件密度及纵波波速增大,波阻抗值随之增加,杆件与试件间的波阻抗比值降低,则在接触面所产生的透射波增大,反射波降低,因此试件所获取的平均应变率降低,峰值应力增大。
2.2 各能量变化规律
养护龄期28 d、相对湿度95%时试件能量时程曲线如图5所示,相对湿度为95%时试件反射能、透射能、耗散能在不同养护条件下变化规律如图6所示,养护龄期为28 d,不同养护相对湿度下试件各能量变化如图7所示。
图5 能量时程曲线Fig.5 Energy time-history curves
由图5可知:试件各能量均随时间的增长而增大,各能量增长趋势基本相同。由能量时程曲线可知试件在冲击荷载作用下能量变化可大致分为三个阶段:0～50 μs内各能量增长不明显,应力波在此阶段处于上升沿,且混凝土内部存在大量原生裂隙,试件在此阶段荷载作用下内部裂隙被压密且能量以弹性能的方式被储存;50～250 μs各能量在稳步上升,反射能高于透射能与吸收能,透射能与耗散能基本相同,这是由于入射杆与混凝土间波阻抗存在较大差异[27],在入射杆与试件接触面上发生反射,部分能量以波的形式被反射回去,小部分能量能够透过混凝土试件在透射杆上进行传播,其余能量被混凝土试件吸收,一方面以弹性能的方式进行储存,另一方面作用于试件上对试件造成塑性损伤,用于试件裂纹的扩展与新生;250 μs以后应力波对试件作用结束,各能量不再增加且趋于一个定值。
图7 各能量与养护相对湿度间的关系Fig.7 Relations between energy and curing relative humidity
由图6可知:相对湿度为95%、不同养护龄期下试件反射能随着养护龄期的增长而降低,两者呈指数函数负相关,而透射能及耗散能随着养护龄期的增长而增大,呈指数函数正相关。说明养护龄期的增长使得试件在冲击荷载作用下所产生的反射作用减弱,透射及吸能效果增加。随着养护龄期的增长,玄武岩纤维混凝土试件内部水化产物不断增多,试件内部原生裂纹及毛细孔得到更多的填充,且纤维与胶凝材料间的黏结效果也逐渐逐渐,试件孔隙率降低,整体性能增大,其本身抵抗外荷载能力增强,吸能效果随之增大。由图7可知:随着养护相对湿度的增大试件反射能整体呈下降趋势,而入射能及吸收能整体呈增大趋势,结合一维应力波传播规律可知由于试件与杆件间的波阻抗(密度与纵波波速的乘积)存在差异,波在试件与杆件的接触面会产生透反射,当杆件与试件间的波阻抗比值越大,则反射波越大,透射波越小。随着养护湿度的增大,试件通过混凝土孔隙进入试件内部水分增多,在水分充足的环境下试件内部水泥水化程度更加充分,水化产物增多,试件内部结构更加致密,整体性增强,试件此时波阻抗增大,杆件与试件间的波阻抗比值减小,此时反射波减小,透射波增大,而试件整体性增加使其在相同冲击荷载作用下其吸能效果增大,因此随着养护相对湿度的增大试件反射能整体呈下降趋势,而入射能及吸收能整体呈增大趋势。图7中反射能随养护相对湿度先增大后减小又增大这可能是由于试件本身的离散性及试验过程中误差导致试验结果存在波动,但反射能随着养护相对湿度的增大整体呈降低趋势。
2.3 分形维数及破裂破碎形态
不同养护环境下养护相对湿度与破碎耗能密度间的关系如图8所示,养护龄期与分形维数间的关系如图9所示。
由图8可知:试件的破碎耗能密度在0.077～0.25 J·cm-3。随着养护相对湿度的增大,相同冲击气压下试件破碎耗能密度随之增大,两种呈良好的线性正相关。当养护环境的湿度较低时,水泥水化过程缺乏水分进行反应,从而生成的Ca(OH)2量较少,随着养护环境湿度的增加,试件内部水化速率增大,生成的水泥水化物填充试件内部原生裂隙,试件整体性随之增加,在相同冲击荷载下其自身破碎耗能密度随之增大。相同养护相对湿度下养护龄期的增长使得试件破碎耗能密度增大。
图9 养护龄期与分形维数间的关系Fig.9 Relations between curing age and fractal dimension
由图9可知:不同养护相对湿度下试件分形维数随养护龄期的增长不断减小,且养护前期分形维数降幅显著大于后期,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3,7,14,28 d试件分形维数降幅分别为8.61%、13.91%、23.58%、26.68%。养护龄期越小、相对湿度越低,相同冲击气压下试件破碎时块度越小,数量越多,破碎程度越大。养护龄期的减少、相对湿度的降低使得水泥水化产物减少,内部孔隙增多,外部冲击荷载作用下在裂隙处容易产生应力集中从而导致裂隙的进一步扩展与新生,试件损伤破碎程度随之增大,试件分形维数随之增加。
不同养护湿度(35%、55%、75%、95%)下养护28 d试件的破裂破碎形态如图10所示。
a—95%; b—75%; c—55%; d—35%。图10 养护28 d、不同养护湿度下试件破裂破碎形态Fig.10 Fracture and fracture morphology of the specimen after28 days of curing at different curing humidity
由图10可知:在相同冲击气压下养护28 d、不同养护湿度下试件破裂破碎形态存在明显的差异性。养护湿度为95%时试件表面出现大量裂纹,且在试件上端口出发生破裂,产生碎屑;养护湿度为75%时试件上端断裂程度明显增大,产生小块碎屑数目增多,随着养护湿度的进一步降低,试件破碎程度增大;养护湿度为35%时试件产生碎块数目最多,破碎程度最大,养护湿度的降低使得试件产生的水化产物减少,整体性能降低,其抵抗外荷载作用下的变形能力随之减弱,破碎程度增大,这与试件分形维数呈相同变化规律。
1) 玄武岩纤维混凝土峰值应力随养护龄期的增长、相对湿度的增大而增大,峰值应力与养护龄期间呈指数函数正相关,养护龄期的增长及相对湿度的增大使水泥水化产物增多,增强试件整体性及抵抗外荷载能力。
2) 冲击荷载作用下试件能量变化可分为三个阶段,反射能随着养护龄期的增长及相对湿度的增大而降低,透射能及耗散能养护龄期的增长及相对湿度的增大而增大。
3) 荷载作用下试件的破碎耗能密度在0.077～0.25 J·cm-3,破碎耗能密度与相对湿度间呈线性正相关,养护环境相对湿度的增加使试件水化速率增大,试件整体性增加,其破碎耗能密度也随之增大。
4) 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3,7,14,28 d试件分形维数降幅分别为8.61%、13.91%、23.58%、26.68%,养护龄期的增长使试件分形维数减小。
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