聚甲醛纤维高强混凝土孔隙特征及动态力学特性

2023-07-03秦楠,李琼,徐博

长江科学院院报 2023年6期

秦楠,李琼,徐博

(1.郑州经贸学院土木建筑学院,郑州 451191; 2.中原工学院建筑工程学院,郑州 450007;3.河南地方煤炭集团有限公司,郑州 450000)

1 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[1-3]。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、疲劳能力弱等缺点[4-5],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[6-8]。

聚甲醛(POM)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[9],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(PP)等纤维[10-11],因此被众多专家学者研究。张丽辉等[12]通过对试验POM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POM纤维混凝土具备更优异的力学性能;张丽辉等[13]发现POM纤维的掺入能增强砂浆塑性,减小裂缝开裂程度;侯帅等[14]对POM纤维增强混凝土劈裂抗拉强度进行研究,发现POM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6 mm效果最好;杨富花等[15]通过试验对POM纤维增强再生混凝土进行研究,发现POM纤维对试件抗压强度存在显著增强,且纤维长度6 mm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POM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[16-17]。梁宁慧等[18]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[19]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POM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NMR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POM纤维高强混凝土单轴压缩力学性能,从纤维掺量及应变率2个角度对高强混凝土材料T2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POM纤维高强混凝土性能方面的相关空白。

2 原材料及试验方法

2.1 原材料

原材料中水泥品种为海螺牌P·O 42.5,细骨料选用细度模数2.56的淮河河砂,粗骨料为粒径在5～15 mm间的普通碎石,拌合水为实验室自来水,选用Sika Viscocrete 3000高效减水剂。研究表明纤维长度为6 mm时静载作用下POM纤维混凝土力学性能较好[14-15],因此选用江苏苏博特新材料股份有限公司所生产的POM纤维,纤维长度6 mm,其部分物理性能如表1所示。

表1 纤维部分物理力学性能Table 1 Physical and mechanical properties of fiber

2.2 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C60,配置方法主要是提高水泥强度和减小水灰比[1],C60混凝土配合比为m水泥∶m水∶m砂子∶m石子∶m减水剂=3.03∶1∶3.67∶7.45∶0.03,POM纤维的体积掺量分别为0%、0.15%、0.3%、0.45%、0.6%,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150 mm×150 mm×150 mm(长×宽×高)标准混凝土立方体试块,经24 h养护成型后进行拆模,拆模后将试件置于标准养护环境中进行28 d养护,养护结束后将部分试件加工成直径74 mm、高度37 mm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[8]。

2.3 试验设备及方案

采用苏州某公司所产型号MesoMR23-060V-1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3块试件,由于试件过程中数据存在离散性,数据分析时选取2组较为接近数据并取平均值。

SHPB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7 850 kg/m3,弹性模量210 GPa,纵波波速为5 190 m/s,选用不同冲击气压以获取不同应变率。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BX120-3AA型应变片,其电阻为120±0.2 Ω,灵敏度系数为2.08%,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1。

图1 示波器处原始波形Fig.1 Original waveform at the oscilloscope

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[20],其计算公式如下:

(1)

式中:εi(t)、εr(t)、εt(t)分别为在时间t时对应的入射、反射、透射应变,无量纲;ls为混凝土试件高度(m);C0为压杆自身的波速(m/s);E为弹性模量(MPa);A、AS分别为压杆及试件的横截面积(m2)。

SHPB试验装置在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[21],典型应力平衡曲线如图2所示。

图2 应力平衡曲线Fig.2 Stress balance curves

根据一维弹性波理论可求得试件的入射能Wi、反射能Wr、透射能Wt、耗散能Ws,相关计算公式如下:

(2)

Ws(t)=Wi(t)-Wr(t)-Wt(t) 。

(3)

式中C0为压杆中纵波波速(m/s)。

根据试样的耗散能,定义试样的能量耗散率ωd和破碎耗能密度εd,其计算公式如下[22]:

(4)

(5)

式中:εd为破碎耗能密度(J/cm3);V为试件体积(cm3)。

3 试验结果与讨论

3.1 NMR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T2图谱准确地反映出试件内部的孔隙结构分布,T2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T2越大,孔隙半径越大,弛豫时间和孔隙尺寸可用式(6)表示[23]。

(6)

式中:ρ为材料弛豫强度;S为孔隙表面积;V为孔隙体积。

纤维掺量对试件T2图谱分布影响规律如图3所示。由图3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0.029 7～3.531 1 ms范围内所占孔隙数目最多。随着POM纤维掺量的增多,试件T2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0.15%、0.3%、0.45%、0.6%时T2图谱第一峰值分别降低了13.8%、18.5%、25.4%、26.7%,说明POM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0.15%T2图谱峰值降幅最大,纤维掺量为0.45%与0.6%时其峰值相近,说明纤维掺量超过一定量后其作用不再明显,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[24],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[25]。POM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。

图3 不同纤维掺量下试件T2图谱Fig.3 T2 spectra of specimens with different fiber content

3.2 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2所示,静载作用下试件应力-应变曲线如图4所示,冲击荷载作用下试件应力-应变曲线如图5所示;0.35 MPa气压、不同纤维掺量试件应力-应变曲线如图6所示。

图4 静态应力-应变曲线Fig.4 Static stress-strain curves

图5 不同冲击气压下试件动态应力-应变曲线Fig.5 Dynamic stress-strain curves of specimens under different impact air pressure

图6 不同纤维掺量下试件应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of specimens with different fiber content

表2 试验结果Table 2 Test results

由表2和图4—图6可知试件在静载作用下的应力-应变曲线与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5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0.25,0.35、0.45、0.55 MPa气压下试件峰值应力增加了16.1%、38.4%、70.0%;由图6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0.45%时试件峰值应力最大,纤维的掺入也提高了试件的延性。

3.3 峰值应力

试件峰值应力随纤维掺量的变化规律如图7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POM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[26]。POM纤维掺量为0.6%时其峰值应力明显低于掺量为0.45%时,说明掺量在0.3%～0.6%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。

图7 峰值应力随纤维掺量的变化规律Fig.7 Variation law of peak stress with fiber content

3.4 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[27]。不同纤维掺量下试件韧性变化规律如图8所示。由表2和图8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,极限应变随着增加,同时伴随着试件韧性的增大;在应变率一定时,随着纤维掺量的增大韧性随之增加,在掺量达到0.45%时达到峰值随后不断降低,掺量为0.45%时其韧性最高,这与其强度变化规律呈现一致性。纤维的掺入能够提高试件塑性,增强试件抵抗在外荷载作用下的变形能力,纤维在混凝土内部的空间分布使各材料间的黏结作用增强,试件增强性能随之增加,纤维的空间网状分布对内部骨料形成搭接支撑作用,在外部荷载作用使试件发生开裂时纤维的黏结作用使得试件仍具备一定的承载变形能力,从而降低试件脆性破坏程度,提高试件的延展性能。

图8 韧性随纤维掺量变化规律Fig.8 Variation law of toughness with fiber content

3.5 能量耗散规律

材料微观结构的损伤到宏观破坏的过程实际是能量耗散的过程,其本质是在能量作用下一种失稳的状态,在荷载作用过程试件内部存在着能量间的转化[28]。素混凝土在0.45 MPa冲击气压下典型能量时程曲线如图9所示。

图9 试件能量时程曲线Fig.9 Energy-time history curves of specimen

由图9可知各能量随时间增长而增大,能量增长过程可分成3个阶段:0～50 μs间各能量增加幅度较小,此阶段混凝土处孔隙压密变形阶段,内部孔隙被压缩且自身伴随着弹性变形,试件所吸收能量以弹性变形能的方式被储存;50～250 μs间各能量随时间呈线性增长,由于试件与压杆间波阻抗不匹配,在接触面会产生透反射,部分波在入射杆与试件接触面反射,部分波穿过试件到达透射杆,其余能量用于试件损伤被消耗,试件内部裂纹发生扩展并产生大量新生裂隙;250～300 μs间应力波对试件作用结束,各能量趋于稳定。

为进一步分析各能量间及能量与纤维掺量之间的关系,对相关数据进行处理,入射能与耗散能关系如图10所示,纤维掺量与耗能密度关系如图11所示。

图11 耗能密度随纤维掺量的变化规律Fig.11 Variation law of energy consumption density with fiber content

由表2和图10可知不同纤维掺量下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,耗散能所占入射能比例始终<0.5,这也表明着入射能一半以上会以杆件弹性能的形式被消耗。由图11可知试件破碎耗能密度随纤维掺量的增加先增大后减小,纤维掺量为0.45%时试件破碎耗能密度最大,这也进一步说明了纤维掺量为0.45%时试件性能最佳,应变率越大试件耗能密度变化幅值越明显。POM纤维掺入混凝土材料中,一方面纤维随机分布形成网状空间结构增强试件整体性,另一方面纤维自身具有较高的抗拉强度,在外荷载作用下POM纤维同样受到荷载作用,其本身高抗拉强度在受到外来荷载时能够有效吸收消耗外来能量,同时纤维与水泥基材料间良好的相容性使其能够紧密粘接,外力作用时纤维被拨出过程中同样消耗大量能量,从而增加试件本身的吸能能力[29]。