短切碳纤维混凝土单轴冲击压缩试验与分析.pdf

2 0 1 4年 第 5期 5月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 4 No ． 5 Ma v 短切碳纤维混凝土单轴冲击压缩试验与分析 刘文 勇， 袁 璞 ， 马冬冬 ， 张阳阳 ( 安徽理工大学 ， 矿山地下工程教育部工程研究中心 ， 淮南 2 3 2 0 0 1 ) 摘 要 ： 为研 究短切碳 纤维对混凝土动 态力学性能的影 响， 采 用 07 4 ram 钢质分 离式霍普金森 压杆装置 ， 对 6 种不 同体积掺 量的短切碳 纤维混凝 土进行 单轴冲击压缩试验。 中应 变率 下的短切碳 纤维混凝土动态应力一 应 变曲 线表明 ， 不 同体积掺量的短切碳 纤维混凝土动 态峰值应 变大致相 同， 约为 0 ． 0 0 1 8 ； 由于短切碳纤 维的阻裂作 用 ， 短切 碳纤维混凝土达到峰值应 力后仍有 一定的承 载能力 ， 当轴 向动态极 限应 变超过 0 ． 0 2时 ， 短切 碳纤 维混凝 土的承载 力急剧下降。在 中应变率加 载条件 下， 短切碳 纤维混凝 土动 态平均抗压强度和碳纤维体积掺 量近似服从 高斯分布 。 短切碳纤维混凝土单轴冲击压 缩试验表 明短切碳 纤维合理体积掺 量为 0 ． 6 ％。 关键词 ： 碳纤维混凝土 ； 短切碳纤维 ： 碳 纤维体积掺量 ； 分离式霍普金森压杆 ； 动态抗压 强度 Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o i n v e s t i g a t e t h e e f f e c t o f s h o r t c a r b o n fi b e r o n c o n c r e t e d y n a mi c p r o p e r t i e s ，t h e s t e e l s p l i t Ho p — k i n s o n p r e s s u r e b a r wi t h~7 4 mm i s a d o p t e d t o c o n d u c t u n i a x i a l i mp a c t c o mp r e s s i o n t e s t s f o r s h o r t c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d c o nc r e t e s pe c i me n s i n 6 k i nd s o f s h o r t c a r b o n fib e r v o l u me c o n t e n t s ．Th e dy n a mi c s t r e s s — s t r a i n c u r v e o f s h o rt c a r b o n fibe r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n me d i u m s t r a i n r a t e i n d i c a t e s t h a t t h e d y n a mi c s t r a i n o f t h e c o n c r e t e s p e c i me n s i n v a r i o u s s h o rt c a r -- b o n fi b e r v o l u me c o n t e n t s a r e a l mo s t t h e s a me a n d t h e v a l u e i s a b o u t 0 ． 0 0 1 8 ． Du e t o t h e c r a c k— r e s i s t a n c e e f f e e t o f s h o rt c a r b o n fi b e r ，s h o rt c a r b o n fi b r e r e i n f o r c e d c o n c r e t e c a n g e t a c e rt a i n b e a r i n g c a p a c i t y a f t e r p e a k s t r e s s ．W h e n t h e a x i a l d y n a mi c u l t i ma t e s t r a i n e x c e e d s 0 ． 0 2 ． t h e b e a ri n g c a p a c i t y o f t h e c o n c r e t e wi l l d e c r e a s e s h a r p l y ． Un d e r me d i u m s t r a i n r a t e l o a d i n g ，t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n me a n d y n a mi c c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f s h o rt c a ~o n fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a n d s h o rt c a r b o n fi b e r v o l u me c o n t e n t a p p r o x i ma t e l y o b e y s g a u s s d i s t ri b u t i o n ． Th e u n i a x i a l i mp a c t c o mp r e s s i o n t e s t s o f s h o rt c a r b o n fibr e r e i n f o r ce d c o n c r e t e s h o w t h a t t h e r e a s o na b l e v o l u me c o nt e n t o f s ho rt c a r b o n fibe r i s 0． 6 ％ ． Ke y wo r d s ： Ca r b o n fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ；S h o rt c a r b o n fi b e r ； C a ~o n fi b e r v o l u me c o n t e n t ； S p l i t Ho p k i n s o n p r e s — s u r e b a r ； D y n a mi c c o mp r e s s i v e s t r e n g t h 中图分 类号 ： T U 5 2 8 ． 5 7 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 — 4 6 3 7 ( 2 0 1 4) 0 5 — 4 6 — 0 4 0前 言 碳纤维具有高强 、 高弹性模量 、 轻质等优点 ， 在 纤维 增强 混凝 土领 域具有 广泛 的应 用前景 【 1 - 2 ] 。碳 纤 维混凝土是在普通混凝土 中掺加乱 向分布的短切 碳纤维 ，它能有效阻止混凝土内部微裂纹 的扩展 ， 并延 缓 宏 观裂 缝 的发 生 和扩 展[ 3 ] 。文 献 『 4 1 研究 了短 切碳纤维掺量为 1 ％、 2 ％混凝土的力学性能 ， 并与普 通混凝土进行对 比分析。文献『 5 1 将短切碳纤维／ J H 2 ,． 活性粉末混凝土中， 分析了碳纤维长度和掺量对其 流动性 、 抗折强度和抗压强度 的影 响。文献[ 6 】 研究 了碳纤维混凝土在轴压疲劳荷载下的破坏机理 。 分 析了碳纤维掺量对混凝土疲劳特性的影响。文献[ 7 】 通过均匀试验研究 了短碳纤维对混凝土工作性能 、 力学性 能 和微观 结构 的影 响 。文献『 8 ] 在 室 内基本 力 学性能试验基础上 ，对碳纤维混凝土静态应力一 应 基 金 项 目 ：博 士 学 科 点 专 项 基 金 优 先 发 展 领 域 项 目 ( 2 01 3 3 41 5 1 3 0 0 0 1 ) 。 —— 46— — 变曲线进行分段 ，建立 了不同掺量应力一 应变曲线 的数学表达式 ， 并确定相应参数与碳纤维体积率 的 关 系。 文献【 3 ] 和文献[ 9 1 使用 Ol O O m m分离式霍普金 森压杆装置，研究了碳纤维体积掺量为 0 ． 1 ％、 0 ． 2 ％ 和 0 ． 3 ％的碳纤维混凝土在不 同应变率下的冲击压 缩性能。文献[ 1 0 1 研究了碳纤维对含微硅粉混凝土 阻尼 比和动态弹性模量 的影响。文献『 1 1 1 结合试验 研究和数值分析 ， 研究 了长碳纤维混凝土板在爆炸 荷载作用下 的动态响应 。文献【 l 2 】 分析 了碳纤维混 凝土在 1 0 1 0 0 s 应变率范围内的单轴冲击压缩应 力一 应变曲线和破坏形态 ，建立 了碳纤维混凝土非 线性 损伤 粘弹性 本构 方程 。 在 上述研 究 的基础 上 ，本 文 采用 0 7 4 mm钢 质 分离式霍普金森压杆装置 ， 对不同短切碳纤维体积 掺量的短切碳纤 维混凝 土试件进行 了单轴 冲击压 缩试验 ． 通过对中应变率下短切碳纤维混凝土的动 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘文勇， 袁 璞 ， 马冬冬 ， 等 短切碳纤维混凝土单轴冲击压缩试验与分析 0 ． 8 ％时 ．短切碳 纤维混凝土试件破碎破碎效果接 近 ， 表现为碎块多 、 块度小。 3短切碳 纤 维体 积掺 量影 响分 析 为定量研 究短切碳纤维体积掺量对 短切碳纤 维 混凝 土动 态抗 压强 度 的影 响 ． 对 比分析 了 4 1 s 中 应变率条件下 ，碳纤维体积掺量 0 ． 1 ％、 0 ． 2 ％、 0 ． 4 ％ 0 ． 6 ％ 、 0 ． 8 ％和 1 ． 0 ％时 短 切 碳 纤 维 混 凝 土 动 态 平 均 抗压强度试验结果。以碳纤维体积掺量 P ， 为横坐 标 。短切碳纤维混凝土平均抗压强度 O-为纵坐标 ， 对试 验 数据 绘 制散 点 图 ． 见 图 6 ， 发 现短 切碳 纤 维 混 凝 土动态平 均抗压强度 o r 和碳纤维体积掺量 P ， 近 似服从高斯分布 ， 拟合公式为 ： 一 ’ o - =3 2． 73 + 4． 8 8 e - 1 6 ． 14 (p cf - 0 ．R = 0． 9 5 在短切碳纤 维混凝 土中 ，短切碳纤维乱 向分 布 ， 在 混凝 土 内部形 成 一个 均 匀 的 三维 网络体 系同 。 在单轴冲击压缩试验中． 混凝土试件是在裂纹尖端 拉 应力 作 用下 破坏 的 。混凝 土 内部乱 向分 布 的短切 碳纤维能减缓裂纹尖端 的应力集中程度 ， 有效 降低 混凝土动态裂纹的扩展速度 ， 从 而提高混凝土抗压 强度 和变形性 能 。随着短切 碳纤维体积掺量 的增 加 ， 碳纤维 的增强 、 增韧效果越强 。但 当碳纤维体积 掺量超过合理体积掺量时 ，在混凝 土搅拌过程中 ， 短 切碳 纤 维 易 结 团 ． 碳 纤 维 分布 不 均 并 在混 凝 土 内 部引人气泡 ， 反而会降低混凝土 的抗压强度 。应变 率为 4 1 s 一条件下 的短切碳纤维混凝土单轴 冲击压 缩试验表 明， 短切碳纤维混凝土动态平均抗压强度 和碳纤维体积掺量近似服从高斯分布。 p 《| ％ 图 6 短切碳纤维体积掺量与短切碳纤维混凝土平均 动态 抗压强度的关系( = 4 1 s 一 ) 4结论 ( 1 ) 短切碳纤维混凝土动态应力一 应 变 曲线表 明， 不 同短切碳纤维体积掺量短切碳纤维混凝土的 动态峰值应变大致相同， 约为 0 ． 0 0 1 8 。 ( 2 ) 由于短切碳纤维 的阻裂作用 ， 短 切碳纤维 混凝土达到峰值应力后仍有一定的承载能力 。 但当 轴 向动态极限应变超过 0 ． 0 2时， 短切碳纤维混凝土 的承载力急剧下降。 ( 3 ) 在 中应变率加载条件下 ， 短切碳纤维混凝 土动态平均抗压强度 和碳纤维体积掺量近似服从 高 斯分 布 。 ( 4 ) 短 切 碳 纤 维 混 凝 土 动 态 抗 压 强 度 表 明 ， 碳 纤维合理体积掺量为 0 ． 6 ％。 参考文献 ： [ 1 ] 耿 志大． 碳纤 维增强混凝 土 [ J 1 ． 混凝土 与水泥制 品， 1 9 9 7 ( 5 ) ： 4 3 - 4 6 ． 【 2 】 杨雨 山， 石建军， 黄志刚． 碳纤 维增强轻骨料混凝 土的试验 研究． 混凝土与水泥制 品 2 0 0 7 ( 1 ) ： 4 6 — 4 7 ． [ 3 ] 翟毅， 许金余， 李 为民， 等． 碳纤 维混凝土动态压缩力学性能 的试验研究l J 1． 混凝土 ， 2 0 0 8 ( 5 ) ： 1 6 — 1 9 ． 『 4 1 任彦华， 程赫明， 何 天淳， 等． 碳 纤维混凝土的力学性能试验 研 究[ J ] ． 云南农业大学学报 ， 2 0 1 0 ， 2 5 ( 5 ) ： 6 9 7 — 7 0 2 ． [ 5 ] 柯开展 ， 周瑞 忠． 短切碳纤维 活性 粉末混凝土最佳配合 比 试 验研 究【 J l _ 福州大 学学报：自然科 学版 ， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 4 ) ： 5 6 0 — 56 5． 【 6 】 邓宗才． 碳纤维 、 钢纤维混凝土低周抗 压疲 劳特性的试验 研究l J 1 ． 水利学报 ， 2 0 0 1 ( 2 ) ： 3 9 — 4 3 ． [ 7 ] 周梅， 曹启昆， 宋琨 ． 短碳纤维增强 高性 能混凝 土的均匀试 验研究 l J 1 ． 混凝土 ， 2 0 0 4 ( 1 0 ) ： 3 5 — 3 7 ． [ 8 ] 周乐， 王晓初， 刘洪涛． 碳 纤维 混凝 土应力一 应 变 曲线试 验 研究I J 1 ． 工程力学， 2 0 1 3 ， 3 0 ( 7 ) ： ， 2 0 0 — 2 0 4 ． [ 9 ] 李 为民， 许金余， 翟毅， 等． 冲击荷载作用下碳纤维 混凝 土的 力学性能Ⅲ． 土木工程学报， 2 0 0 9 ， 4 2 ( 2 ) ： 2 4 — 3 0 ． [ 1 0 】 G i n e r V T B a e z a F ． J ． ， I v o r r a S ． ， e t a 1 ． E f f e c t o f s t e e l a n d c a r b o n fi b e r a d d i t i o n s o n t h e d y n a mi c p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e c o n t a i n i n g s i l i c a f u m e [ J ] ． M a t e r i a l s a n d D e s i g n ， 2 0 1 2 ， ( 3 4 ) ： 3 3 2 - 3 39 ． [ 1 1 ] Z a h r a S ． T a b a t a b a e i ， J e f f e r y S ． V o l z ， J a s o n B a i r d ， e t a 1 ． E x — p e r i me n t a l a n d n u me r i c a l a n a l y s e s o f l o n g c a r b o n fib e r r e i n — f o r c e d c o n c r e t e p a n e l s e x p o s e d t o b l a s t l o a d i n g [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f I mp a c t E n g i n e e rin g ． 2 0 1 3 ． 5 7 ： 7 0 — 8 0 ． 【 1 2 ]白二雷， 许金余， 高志 刚． 碳纤 维混凝 土 的动 态损伤本构 模 型 ． 建筑科 学， 2 0 1 1 , 2 7 ( 1 1 ) ： 2 0 — 2 3 ． [ 1 3 ] P a n k o w M， A t t a r d c ， Wa a s A ． M， S p e c i m e n s i z e a n d s h a p e e f f e c t i n s p l i t H o p k i n s o n p r e s s u r e b a r t e s t i n g I J J ． T h e J o u rna l o f S t r a i n a n a l y s i s f o r E n g i n e e ri n g D e s i g n ， 2 0 0 9 ： 4 4 ( 8 ) ： 6 8 9 - 6 9 8 ． 收稿 日期 ： 2 0 1 4 — 0 3 — 2 4 作者简介 ： 刘 文勇( 1 9 8 6 一 ) ， 男 ， 在读硕士研究生 。 通讯地址 ： 安徽省淮南市安徽理工大学土木建筑学院 联 系 电话 ： 0 5 5 4 — 6 6 6 8 0 4 5 E— ma i l ： 1wy a u s t @ 1 6 3 ． c om —— 49— — 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m