纤维增强混凝土(FRC)具有优异的强度变形特性, 在防爆、抗震、抗冲击等安全防护工程领域有良好的应用前景。学者们已对多种FRC材料在常温条件下的动态力学性能开展了研究^[1-6], 其中纤维增强材料包括钢纤维、合成纤维、玄武岩纤维、碳纤维、混杂纤维等, 混凝土基体包括普通硅酸盐混凝土、地质聚合物混凝土、活性粉末混凝土等, 结果表明, 通过掺入纤维可以有效改善混凝土的脆性, 提高其抵抗冲击荷载作用的能力。然而, 实际使用过程中, 构件在承受冲击、振动、碰撞等动力荷载的同时, 往往也会受到温度荷载的影响^[7], 例如, 火灾中化学物质的爆炸燃烧导致建筑物上部结构垮塌并对下部处于高温状态的结构进行撞击, 军事防护工程在遭受打击武器高速侵彻的同时也要经受来自武器爆炸衍生高温的作用。在这些情况下, 由于高温导致混凝土内部物质结构发生改变、力学性能指标下降^[8-10], 因而此时在进行结构设计计算、毁伤效应分析时, 就不能单纯地考虑动荷载的冲击破坏作用, 还需要计入温度的损伤劣化效应, 否则就会因高估材料的承载能力而造成使用安全隐患。此外, 掌握FRC材料在高温条件下的动力响应特性, 对合理进行工程结构的损伤修复评估、检验防护工程的防御效能, 优化武器战斗部设计, 拓展FRC的应用领域等也很有意义。

本文中利用∅100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)装置, 对经高温作用后的玄武岩纤维增强混凝土(BFRC)进行冲击加载实验, 研究不同温度、加载速率、纤维掺量对BFRC动态压缩强度和冲击韧度的影响, 并分析其作用原因。

1.   试件制备

材料:(1)42.5R级普通硅酸盐水泥; (2)一级粉煤灰, 密度2.05 g/cm³, 比表面积≥355 m²/kg; (3)微硅粉, 平均粒径0.1~0.15 μm, 比表面积15~27 m²/g; (4)石灰岩碎石, 密度2.70 g/cm³, 粒径5~20 mm; (5)中砂, 密度2.63 g/cm³, 细度模数2.78, 含泥量1.1%;(6)FDN高效减水剂, 减水率20%;(7)自来水; (8)短切玄武岩纤维:单丝直径15 μm, 短切长度18 mm, 密度2 650 kg/m³, 杨氏模量93~110 GPa, 熔点960 ℃, 抗拉强度4 150~4 800 MPa, 极限伸长率3.1%。

利用上述原材料, 按照表 1中所列配合比, 经搅拌、成型及28 d标准养护, 制得基体强度等级为C50的素混凝土(PC)以及纤维体积掺量分别为0.1%、0.2%和0.3%的玄武岩纤维混凝土(简称BC1、BC2和BC3)。试件规格分2种:(1)标准立方体试件(150 mm×150 mm×150 mm), 用于常温下静态压缩实验; (2)短圆柱体试件(∅98 mm×50 mm), 用于常温下静态压缩实验和高温后冲击压缩实验。

表  1  BFRC配合比

Table  1.  Mix proportions of BFRC  kg/m³

水泥	粉煤灰	硅灰	碎石	砂	FDN	水	玄武岩纤维
							φ=0.1%	φ=0.2%	φ=0.3%
371	99	25	1 008	672	5	180	2.65	5.30	7.95

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2.   实验设备与方法

2.1   试件加热及冷却

试件加热采用RX3-20-12型箱式电阻炉。实验温度等级设为常温、200、400、600和800 ℃, 升温速率为10 ℃/min, 为确保加热的稳定性、均匀性, 当试件加热至目标温度后还需在箱内恒温2 h, 同时, 为模拟实际救火现场情况, 对加热完成的试件进行喷水冷却处理(喷淋30 min), 而后移入室内静置, 1 d后进行动压实验。

2.2   SHPB实验

高温后BFRC的动态压缩实验采用∅100 mm SHPB实验系统。实验时撞击杆的加载速度通过调节气压枪内的气压进行控制, 并由激光测速仪进行测量, 杆中的应变波由粘贴在压杆表面的应变片进行记录, 具体实验原理及数据处理方法可参见文献[11]。

本实验针对每一温度下的每种试件共进行5个不同加载速率(5.5、6.5、7.5、8.5、9.5 m/s)的冲击实验, 每一加载速率下至少进行3次重复实验。此外, 为减小加载波在传播过程中的弥散效应, 保证试件在破坏前的应力均匀性, 采用波形整形技术^[12], 即在入射杆打击面中心粘贴厚度为1 mm, 直径分别为30、35、40、45、50 mm的铝片作为波形整形器。

3.   结果与分析

3.1   动态压缩强度

根据《普通混凝土力学性能实验方法标准》^[13], 测得常温下PC、BC1、BC2和BC3的立方体试件静态抗压强度分别为65.6、67.7、70.5和67.0 MPa, 短圆柱体试件静态抗压强度分别为115.8、122.4、136.9和130.7 MPa, 可以看出, 由于圆柱体试件长径比较小, 承压板在试件端面形成巨大约束力导致其强度较立方体试件偏高, 尺寸效应明显。

图 1为高温后试件动态压缩强度f_cd与平均应变率间的关系, 其中每种试件的五个数据点依次对应5种不同的加载速率(下同)。同时, 为比较纤维对f_cd的影响, 定义同一工况下BFRC与PC动压强度的比值为相对强度比R_d, 图 2为不同工况下的R_d值及其空间拟合平面图。

图  1  高温后试件动态压缩强度与平均应变率的关系

Figure  1.  Relationships between dynamic compressive strength and average strain rate after elevated temperatures

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图  2  不同工况下的R_d值及其空间拟合平面

Figure  2.  Value of R_d and its fitting plane under different working conditions

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由图 1~2可知:高温后BFRC动压强度在同一温度下随加载速率(平均应变率)的提高近似呈线性增大, 具有明显的应变率强化效应。温度的升高总体上导致试件在同一加载速率下的动压强度呈下降趋势, 但在200 ℃时降幅较小, 甚至较常温略有增长, 同时, 试件的平均应变率也随温度的上升不断增大, 这主要是因为高温导致试件酥软、形变量增大所致。400 ℃之前, 试件动压强度普遍大于常温下立方体静压强度, 且应变率敏感性较强, 图 1中拟合直线斜率较大, 说明应变率强化效应占主导地位, 400 ℃以后, 试件动压强度迅速降至常温立方体静压强度以下, 应变率敏感性亦逐渐减弱, 且在800 ℃时拟合直线斜率降至最低, 说明温度损伤软化效应占主导地位。同一工况下, BFRC的动压强度较PC普遍提高(R_d > 1), 且随温度的上升, 这种优势有所增大, 说明掺入玄武岩纤维对高温后混凝土具有一定的增强效果。BFRC动压强度随纤维掺量的变化较为复杂、离散, 总体来说, 增大纤维掺量可以提高其增强效果, 但过多的纤维也会产生一定的负面影响, 例如大部分情况下BC3的动压强度较BC2不升反降, BC2的R_d值整体较高, 因此就改善强度而言, 纤维体积掺量为0.2%时相对最佳。

3.2   冲击韧度

冲击韧度(I), 即试件动态应力应变曲线下方包围的面积, 表征从开始加载至彻底破坏失效时试件吸收能量的大小, 是材料强度、变形特性的综合体现。图 3为高温后试件冲击韧度I与平均应变率间的关系, 同时, 定义同一工况下BFRC与PC冲击韧度的比值为相对韧度比R_i, 不同工况下的R_i值及其空间拟合平面见图 4。

图  3  高温后试件冲击韧度与平均应变率的关系

Figure  3.  Relationships between impact toughness and average strain rate after elevated temperatures

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图  4  不同工况下的R_i值及其空间拟合平面

Figure  4.  Value of R_i and its fitting plane under different working conditions

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由图 3~4可知:相同温度作用下, 随着加载速率的提高, 试件的冲击韧度不断增大, 两者具有较好的正相关性。相同加载速率作用下, 温度对冲击韧度的影响随加载速率的不同而不同, 当加载速率较低时(7.5 m/s以下), 试件冲击韧度在200 ℃时较常温有所减小, 400 ℃时有所回升, 而后随温度的升高逐渐降低, 当加载速率较高时(7.5 m/s以上), 试件冲击韧度随温度的升高呈下降趋势, 但在200 ℃时较常温略有提高。试件冲击韧度的应变率敏感性在600 ℃之前变化不大(200 ℃时有所增长), 800 ℃时明显降低, 例如对于BC1, 其在图 3中拟合直线的斜率随温度的升高依次为11.42、16.19、10.56、11.33和8.83。掺入玄武岩纤维整体上可以提升高温后混凝土的冲击韧度, 但在部分低温、低加载速率的工况下, BFRC的冲击韧度反而小于PC。纤维的增韧效果总体随其体积掺量的增大而增大, 但当纤维掺量增至0.3%时, BC3的冲击韧度变化较为离散, 因此BC2的冲击韧性相对最优。

3.3   分析

动荷载作用下, 随着加载速率的提高, 作用于试件的能量增多且时间极短, 试件的破坏模式由少数主控裂缝沿最薄弱界面贯穿失效转变为在原位同时萌发大量的微裂缝, 而裂纹的起裂数目和扩展程度与所受能量呈正比。因此加载速率越大, 新产生的微裂纹越多、破坏程度越大, 致使试件累积消耗能量增多、韧度增大、再根据冲量定理, 由于试件在高速冲击下来不及进行变形缓冲, 因此只能通过增加应力的方式来抵消外部能量, 因此动压强度也相应提高。

不同温度作用后, 试件内部的热应力以及各相间的变形差导致试件出现不同程度的损伤破坏, 尤其是400 ℃以后, 部分水化产物开始熔融分解、骨料逐渐膨胀破裂^[14], 使得试件性能急剧恶化。例如图 5为采用BJQF-1型智能裂缝测宽仪得到的高温后试件温度裂缝检测图, 可以看出, 200 ℃时, PC表面无明显的裂缝形成, 平均裂缝宽度仅为0.053 mm, 而当温度升至600 ℃时, 高温损伤加重致使裂缝显著增大, 裂缝平均宽度达到0.384 mm。因此, 随着温度的升高, 试件的损伤劣化程度加剧, 裂纹起裂、扩展的临界应力降低, 试件在动荷载作用下迅速失稳破坏, 导致其动压强度及冲击韧度受损、应变率敏感性降低。

图  5  高温后试件温度裂缝检测图

Figure  5.  Crack width of specimens after elevated temperatures

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200 ℃时, 试件受热膨胀导致部分孔隙、裂纹收缩闭合, 内部自由水分蒸发形成的温湿环境也有助于未水化的水泥颗粒进行二次水化^[15], 因而此时试件的热损伤程度较小, 动压强度及其应变率敏感性较常温有所提高。此外, 由于试件初始损伤降低, 破坏所需的临界应力增大, 因此在较低加载速率作用下其破坏程度较常温有所减小, 部分冲击能量未能引发并参与试件的塑性变形破坏, 而是以弹性能的方式耗散释放, 致使冲击韧度下降。而随着加载速率的提高, 被“激活”的裂缝数量逐渐增多且扩展程度不断增强, 外部冲击能量已足以使试件完全破坏, 但由于试件整体性能的提升, 使得裂纹贯穿速度相对较慢, 有效截面积下降延缓, 致使耗散能累积增大, 冲击韧度接近、甚至略高于常温水平。

掺入玄武岩纤维后, 三维乱向分布的纤维在试件内部形成一个微加筋系统, 使得试件在凝结硬化过程中的收缩裂缝以及高温下温度裂缝得到有效约束, 初始损伤程度明显降低, 例如图 5中在600 ℃时, BC2平均裂缝宽度较PC明显减小, 仅为0.222 mm。同时, 利用纤维的桥联阻裂作用还可以减缓裂缝尖端的应力集中, 分散、消耗部分冲击能, 导致裂缝在扩展方向上受阻, 增加其扩展路径的曲折性, 使得更多的细观裂纹产生并参与试件的破碎过程, 因此BFRC的强度与韧性较PC普遍增大, 但是在温度与加载速率较低时, 由于纤维提高了BFRC抵抗冲击荷载作用的能力, 使其破坏程度及能耗水平下降, 因而此时BFRC的冲击韧度小于PC。

此外, 虽然增大纤维掺量理论上可以减小纤维间的平均间距^[16], 提高其增强增韧效能的发挥, 但其前提是要保证纤维在基体内均匀分散。而实际实验中, 要使纤维达到绝对分散十分困难, 尤其当纤维掺量较大时, 将大大增加其在搅拌过程中“结块”、“成团”的概率, 导致试件在相对薄弱的“纤维块”间开裂破坏, 同时, 由于高温下纤维与基体间的黏结面受损、握裹力降低, 不但削弱了纤维的强韧化效果, 还使试件内部的软弱层相对增多。因此, 在实际应用中, 不能只是一味的通过增大纤维掺量来提高其作用效果, 而应根据不同的材料、工艺、使用工况及改善目的, 确定出纤维的相对最优掺量。基于本文的实验条件及配比, 当玄武岩纤维体积掺量为0.2%时, 其强韧化效果相对最佳。

4.   结论

(1) 高温后BFRC动压强度和冲击韧性的变化是应变率强化效应和温度损伤软化效应共同作用的结果。试件的动压强度和冲击韧性在同一温度下随平均应变率的提高近似线性增大, 而温度的升高总体上导致BFRC在同一加载速率下的动压强度及冲击韧度减小、应变率敏感性减弱。

(2) 200 ℃时, 由于试件整体性能有所提升, 导致此时动压强度较常温略有增长, 而冲击韧度则在加载速率较低时有所减小, 在加载速率较高时接近、甚至高于常温水平。

(3) 玄武岩纤维可以有效地降低高温后混凝土的损伤劣化程度, 提高其动压强度和冲击韧度, 但是当温度与加载速率较低时, BFRC的冲击韧度小于PC。当纤维体积掺量为0.2%时, 其强韧化效果相对最佳。