高温下钢纤维混凝土吸能特性研究.pdf

2 0 1 4年 第 2期 ( 总第 2 9 2期 ) 混 凝 土 N u mb e r 2 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 2) Con c r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 0 2 0 0 4 高温下钢纤维混凝土吸能特性研究 王志坤 ，许金余 ，范建设 z ，尹跃刚 。 ( 1 空军工程大学 机场建筑工程系，陕西 西安 7 1 0 0 3 8 ；2 中国航空港建设第九工程总队，四川 成都 6 1 1 4 3 0 ； 3 空军航空大学 飞行训练基地后勤部机场营房科，吉林 长春 1 3 0 0 6 2 ) 摘要： 采用 1 O O ra i n分离式霍普金森压杆系统以及 自主研制的高温加热设备， 研究了高温下素混凝土以及钢纤维混凝土的 冲击吸能特性 ， 分析 了温度 、 加载速率等因素对混凝土吸能特性的影响规律。 结果表明： 钢纤维混凝土较素混凝土在 冲击能量吸 收方面性能更加优异， 具有更高的韧性； 混凝土的能量密度随加载速率的提高而增大， 随作用温度的升高而减小； 高温对能量密 度的弱化效应 比加载速率引起的强化效应表现更为突出， 造成材料能量密度下降。 关键词 ： 钢纤维混凝土；分离式霍普金森压杆 ；能量吸收；高温 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 7 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 1 4 0 4 S t u d y on e n e r g y a b s or p t i on p r op e r t i e s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a t e l e v a t e d t e mp e r a t u r e s WANGZh i ku n1 ， XUJ i n y u1 ， FAN J i a n s h e ， YI N Ya o g a n g ( 1 De p a r t me n t o f Ai r fi e l d a n dBu i l d i n gE n g i n e e ri n g， Ai r F o r c e E n g i n e e ri n gUn i v e r s i t y 。 Xi a n7 1 0 0 3 8 ， C h i n a ； 2 Th eNi n t hEng i n e e r i ngHe a dGr o u po f Ch i naAi r po r t ， Ch e n g d u61 1 43 0， Ch i na ； 3 L o g i s t i c s De p a r t me n t ， Ai r F o r c e Av i a t i o nUn i v e r s i t y ， C h a n g c h t m 1 3 0 0 6 2， C h i n a ) Ab s t r a c t ： A 1 0 0 mi t t d i a me t e r s p l i t Ho p k i n s o n p r e s s u r e b a r a n d a h o me g r o wn h e a t i n g e q u i p me n t we r e u s e d t o e x p e r i me n t a l l y s t u d y t h e i mp a c t e n e r g y a b s o rpt i o n c h a r a c t e ris t i c s o f pl a i n c o n c r e t e a n d s t e e l fibe r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a t e l e v a t e d t e mp e r a tur e s Th e e ffe c t s o f t e mp e r a t u r e a n d l oa d i n g r a t e o n t h e e n e r g y a bs o r b i n g f e a t u r e s of c o nc r e t e s we r e i n v e s t i g a t e d Th e r e s u l t s s h o we d t h a t c o mp a r e d wi t h pl a i n c o n c r e t e， s t e e l fib e r r e i n f o r c e d c o nc r e t e h a d a mo r e e xc e l l e n t p e r f o r ma n c e i n a bs o r b i n g i mpa c t e ne r g y a n d i t ha d a h i g he r d uc t i l i t y Th e e n e r gy d e n s i ty o f c o n c r e t e i n c r e a s e d wi t h t h e ris i n g o f l o a d i n g r a t e and d e c r e a s e d wi t h t h e ris i n g o f t e mp e r a tur e T h e we a k e n i n g e ffe c t c a u s e d b y t e mp e r a t u r e wa s mo r e p r o n o u n c e d t h a n t h e s t r e n g t h e n i n g e ff e c t c a u s e d b y l o a d i n g r a t e o n e n e r gy d e n s i ty o f c o n c r e t e ， a n d t h e e n e r gy de ns i t y of c o n c r e t e e v e n t ua l l y d e s c e n de d wi t h t h e i n flu e n c e o f t wo e ffo r t s K e ywor d s ： s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ； s p l i t Ho p k i n s o np r e s s ure b a r ； e n e r gy a b s o rpt i o n ； e l e v a t e dt e mp e r a tur e 0 引 言 钢纤维混凝土 ( s t e e l fi b e r r e i n f o r e e d c o n c r e t e ， S F R C) 是 在普通素混凝土 中均匀掺人乱 向分布的钢纤维所形成 的 一 种纤维增强混凝土 1 】 ， 目前 已被广泛应用于各类建筑与 桥梁工程 中。 近年来 ， 随着城市建筑密度 日趋增加 ， 火灾事 故频发 ， 同时 由火灾及其他因素导致的爆炸事故使建筑结 构可能同时遭受爆炸和火灾的袭击 ， 危害极大 。 另外 ， 钢纤 维混凝土在桥梁工程中应用广泛 ， 且桥梁建设过程中模板 失火 、 使用过程中交通事故引发的火灾时有发生 。 上述灾害 使钢纤 维混凝 土的高温性能 及吸能特性成 为 目前工程领 域 日益关注的问题 。 国内外对高温下 S F R C力学性能 的研究很少 ， 绝大部 分研究集中于高温后 S F R C的静态力学、 热力学和热损伤特 性2 - 6 。 混凝土 的高温分离式霍普金森压杆 ( 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 ， S H P B ) 试验是研究高温下混凝土动态力学特性 收稿 日期 ：2 0 1 3 - - 0 8 1 4 基金项目：国家 自然科学基金项 目( 5 1 0 7 8 3 5 0 、 5 1 2 0 8 5 0 7 ) 1 4 的一种重要手段。 本研究基于 自主研制 的适用于 + 1 0 0 m m S H P B装 置问 的高温试 验设备 ， 对高温下混凝 土的动态力 学特性进行了试验 ， 分析了温度 、 加载速率等因素对 P C及 S F R C吸能特性的影响。 1 试验 方案 1 1 原材料及试件制备 水 泥 ： 选用 P O 4 2 5 R级秦岭水泥 ； 硅灰 ： 选用西安霖 源微硅粉 ， 平均粒径 0 1 - 0 1 5 Ix m， 比表面积为 1 5 2 7 m 2 g ， S i O ： 含 量 9 2 ； 粉煤灰 ： 韩城第 二发 电厂 提供 ， 表 观密度 2 0 5 0 k g m ， 比表 面积 3 5 5 m 2 k g ； 粗 骨料 ： 选用泾 阳县石 灰岩碎石 ， 粒径 5 - 2 0 mm， 表观密度 2 7 0 0 k g m ， 堆积密度 1 6 2 0 k g m ， 含泥量 0 2 ； 细骨料： 选用灞河中砂， 细度模数 为 2 7 8 ， 级配合格， 表观密度2 6 3 0 k g 1 T l 3 , 堆积密度1 5 0 0 k g m ， 含泥量 1 1 ； 水： 自来水； 减水剂 ： F D N高效减水剂 ， 掺量 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 为 1 ， 减水率为2 0 ； 钢纤维 ： 选用铣削型钢纤维， 纤维掺 量为 1 ， 具体各项性质见表 1 。 混凝土基体配合比见表 2 。 试件制备： 试件由圆柱体钢模成型， 室温暴露 2 4 h后 拆模， 立即进行标准养护( ( 2 0 _+ 2 ) ， 相对湿度 R H 9 5 ) ， 2 8 d 后取出， 进行切割、 打磨后制成用于试验的圆柱体试 件 ， 几何 尺寸约为 9 8 mmx 4 8 mm。 表 1 钢纤维性能指标 表 2 混凝土基体 配合比 k g m3 水泥 硅灰 粉煤灰 砂 碎石 水 F D 3 7 5 2 5 1 2 5 6 9 0 1 0 30 1 8 O 5 1 2 S HP B试验 系统 试验采用的4 , 1 o o mm S H P B系统如图 l 所示。 该设备 可对试件施加应变率为 1 0 1 0 S 的冲击荷载， 其基本原理 为 ： 通过加速的短杆撞击入射杆产生应力脉冲 ， 对试 件进 行加载， 同时利用粘贴在压杆上的应变片记录脉冲信息， 再根据式( 1 ) ， 利用人射、 反射和透射脉冲便可得到试件的 动态应力 t r , ( t ) 、 应变 s ( f ) 及应变率 ( f ) 。 滑道 子弹波形整形器 支架入射杆 电阻应变计 透射杆 吸收杆 图 1 S HP B试验系统示意图 ( f ) E A ) ( ) c ( f ) 圳专 )_ l( f ) ( 1 ) 专 ( f ) ) ) 出 式中 ： E 杆 的弹性模量 ； A、 A 压杆 、 试件的横截面积 ； C 杆中波速 ； 试件的初始厚度； 反 杆中的入射、 反射、 透射脉冲。 要使 S H P B试验结果具备较高的可靠性 ， 关键是实现 试验过程中的恒应变率加载。 基于此， 本试验采用波形整形 器技术 阎 ， 即在人射杆 打击 面中心处粘贴厚度 为 1 m m， 直 径分别 为 2 O 、 2 2 、 2 5 、 2 7 、 3 0 m m 的 H6 2黄铜 波形 整形 器 。 当铜片受到冲击时发生塑性变形 ， 吸收部分能量 ， 从而达 到延长入射波升时 的效果 ， 保证 了试件 在破坏前有足够长 的时间达到应力均匀状态。 此外 ， 波形整形技术还有利于减 小弥散效应对试验结果 的干扰。 1 3 升温及 恒温设 备 高温试验系统嘲 采用预热炉和试验炉两种加热设备 。 预热炉可对试件进行加热和恒温处理 ， 试验炉能够较为精 确的调节试件在加载时的温度。 此套加热设备效率高 ， 对 试验温度控制精确。 加热制度： 加热速率为 1 0C mi n ， 试件在预热炉内加 热至预定试验温度并恒温 4 h 后 ， 使用特制夹具将试件取出， 置于试验炉 内， 经温度调节后进行加载试验。 试验温度分别选为常温( 2 0 ) 、 2 0 0 、 4 0 0 、 6 0 0 、 8 0 0， 子弹加载速度分别为 6 5 、 7 5 、 8 5 、 9 5 、 l 0 5 r n s ， 对应每种温 度及加载速率， 每个试件共进行三次重复试验， 结果取其 平均值 。 2 试验 结果与讨论 2 1 能量密度的计算 根据能量守恒定律可以得 出： 材料的破坏可以看作是 不同形式的能量相互转化的结果。 因此 ， 从能量的角度来看 ， 混凝土的每一种应力应变状态都对应着相应的能量状态。 通过研究混凝土 的能量特性可 以避免分析复杂的变形过 程， 有利于对混凝土破坏本质进行探索。 相关研究中， 常采 用能量密度 表征材料的能量吸收特性 ， 其物理意义为单 位体积的材料吸收能量的大小， 即： J n ，r = 1 ( ) 2 s ( ) z ( t ) 2 d t ( 2 ) 以 sZ s 式 中： 试件完全破坏时刻。 2 2 温度 对能量密度 的影响 由图 2可见 ： 对于 S F R C， 随着作用温度 的升高 ， 当加 载速率较低时， 能量密度呈现衰减趋势； 当加载速率较高 时 ， 能量密度则呈现出先增大后减小的变化趋势。 对于 P C， 随着作用温度 的升高 ， 当加载速率较低时 ， 能量密度呈现 出先减小， 后增大， 最后再减小的变化趋势； 当加载速率较 高时， 能量密度随着作用温度的提高， 呈现出先增大后减 小的变化趋势 。 由此可见， 随着温度的升高， S F R C以及 P C的吸能能 力 总体上都出现 了弱化现象。 其主要原 因是 ： 高温作用对 S F R C及 P C中水泥基体及骨料均会造成损伤， 随着温度的 升高， 水泥基体中水分蒸发， 孔隙率增大， 微裂缝逐渐产生 1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 鲁 邑 g 一 V o = 6 5m s + ： 7 5m s 一V o ： 9 5m s V o =1 0 5m s ( a ) S F R C - 一 g o = 6 5 m s 一 V o =9 5 m s O 20 O 4 0 0 6 0 0 8 0 0 ， ( b ) P C 图 2 温度对混凝土能量密度的影响 并扩展。 另外 ， 骨料在高温作用 下发生膨胀 ， 骨料与水泥基 体的温度不相容性加剧了混凝土的高温损伤 ， 致使其对外 界能量的吸收能力降低。 此外， 对于 S F R C， 高温作用还会 造成钢纤维与水泥基体 的变形不协调 ， 从 而破坏两者的黏 结强度， 导致 S F R C吸能能力进一步降低。 2 3 加载速 率对能量 密度 的影响 由图 3可见 ： 在 同一 温度下 ， 对 于 S F R C和 P C ， 随着 加载速率的提高， 其能量密度都表现出明显的增长趋势， 均 显示出加载速率强化效应。 2 0 0 时， 随着加载速率提高， P C 能量密度增 幅明显大于其他工况。 吕 g 邑 v o ( m s ) ( a ) S F R C V o (m s ) ( b ) P C 图3 加载速率对混凝土能量密度的影响 吕 岜 g 邑 g 吕 岜 g 邑 ( m s ) ( a ) T = 2 0 o C ( m s ) f b ) T = 2 0 0 V o ( m s ) r c ) T = 4 0 0 ( m s ) ( d ) T = 6 0 0 o C V o ( m s ) ( e ) T = 8 0 0 图 4 钢纤维对混凝土能量密度的影响 以能量密度表征混凝土能量 吸收特性 ， 是材料强度 与 变形性能的综合体现， 其表现出加载速率强化效应的原因 主要有两个方面 ： 混 凝土本 质上是 一种 复合材料 ， 其 内 部布满各 向异性分布 的微孔洞和微裂缝 ， 混凝 土材料破坏 正是由于裂缝的产生和不断扩展 ， 而产生裂缝比裂缝扩展 所需要的能量大得多。 随着加载速率的提高， 材料会产生更 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 多的裂缝 ， 因此吸收的能量将会增 多。 在加载速率较高的 情况下， 试件内部的应力状态已经不是准确的一维应力状 态， 尤其在试件的中心部位， 由于材料的惯性作用， 试件的 侧 向应变受到 限制 ， 材料 近似处 于围压状 态 ， 因此 材料破 坏需要吸收更多的外部能量， 表现出能量密度增大的趋势 2 0 0时， P C能量密度增幅较大的原因是： 温度升至 2 0 0 时， 会使基体内的自由水分蒸发， 同时部分未水化的水泥 颗粒进行二次水化 ， 导致强度提 高 ， 因此裂缝扩展 、 材料破 坏需要 吸收更多外部能量 。 2 4 钢纤维对能量 密度 的影响 由图 4 可 以看出 ， 在 P C中掺人钢纤维后 ， 吸能效果 明 显增强 。 在相同加载速率和温度下 ， S F R C的能量密度较 P C显著提高， 例如， 在温度为 2 0 0， 加载速率为 8 5 r r g s 时， 增幅达到 1 3 8 。 随着加载速率的提高 ， S F R C以及 P C 的 能量密度都呈现出明显的上升趋势。 同一温度下， 在加载速 率较高时， P C能量密度的增幅明显大于 S F R C 。 以上现象可解 释为 ： 混凝土的破坏实际上就是微裂缝 萌生 、 扩展 、 贯通 ， 直到产生宏观裂纹， 最终导致混凝土失 稳破裂， 这些过程中时刻伴随着外界能量的传输以及能量 的转化。 钢纤维是一种刚性纤维， 具有较高的弹性模量以及 优异的抗拉性能。 在裂缝扩展延伸的过程中， 纤维的阻裂增 强作用明显， 以使裂纹的产生和扩展必须吸收更多的外界 能量 ， 从而使试件的吸能能力得 到明显提高。 此外 ， 钢纤维 具有较好的热传导性能， 且在P C中呈三维乱向分布且互相 搭接， 掺入钢纤维即可改善 P C整体的导热性， 使 P C在高 温下更快地达 到温度均匀 ， 从 而降低温度应力 ， 减少 内部 损伤 ， 并可抑制由于快速升温造成的体积变化 ， 从而减少 材料内部微缺陷的产生及发展， 阻碍裂纹的产生和扩展， 提 高材料能量密度 。 上接第 1 3页 行更加深入系统的研究 ， 从而更好地指导工程实践。 参考文献： 【 1 】 G B T 1 4 6 8 4 -2 0 0 1 ， 建筑用砂 S E 京： 中国标准出版社 ， 2 0 0 1 2 】邓君尧， 毕万里， 等 机制砂商品混凝土研究【 J 1 混凝土， 1 9 9 3 ( 4 ) ： 2 8 3 6 3 3 江京平， 高智祥， 等 机制砂超高强高性能混凝土的研制 J J _ 混凝 土， 2 0 0 0 ( 4 ) ： 1 8 2 2 4 】 江京平， 张纽 ， 等 C 6 0 机制砂高性能泵送混凝土的试验研究叨 施工技术 ， 2 0 0 0 ( 5 ) ： 2 6 2 8 5 】吴明威， 付兆岗， 等 机制砂中石粉含量对混凝土性能影响的试 验研究 J 铁道建筑技术， 2 0 0 0 ( 4 ) ： 4 6 4 9 【 6 】杨建辉， 童智洋 利用机制砂配制自密实混凝土 J 】 世界桥梁， 2 o o 3 ( 1 ) ： 3 0 3 2 【 7 】杨玉辉， 周明凯， 等 C 8 0机制砂泵送混凝土的配制及其影响因 素 J 】 武汉理工大学学报， 2 0 0 5 ( 8 ) ： 2 7 3 0 8 】李北星， 周明凯， 等 石粉与粉煤灰对 C 6 0 机制砂高性能混凝土 性能的影响 J 建筑材料学报， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 3 8 1 3 8 7 【 9 】蒋正武， 石连富， 等 用机制砂配制自密实混凝士的研究 J 1 建筑 材料学报 ， 2 0 0 7 ( 2 ) ： 1 5 4 1 6 0 1 o 陈正发， 刘桂凤， 等 机制砂混凝土在冻融循环下的强度和耐久 性研究f J 1 _ 混凝土， 2 0 1 1 ( 7 ) ： 7 9 8 1 ， 8 4 3结 论 ( 1 ) S F R C较 P C拥有更加优异的吸能特性 ， 加载速率强 化效应与高温损伤是影响混凝土冲击力学性能的重要因素。 ( 2 ) J i ll 载速率的提高对混凝土的能量密度具有明显的 强化效应， 而高温则对其产生明显的弱化效应。 ( 3 ) 加载速率强化作用与高温弱化作用通过耦合 的方 式对混凝土的吸能特性产生影响 ， 且最终高温弱化作用超 过加载速率强化作用 ， 使混凝土的能量密度产生明显下降。 参考文献 ： 1 杨少伟， 巴恒静 钢纤维混凝土高温后 S H P B试验研究f J _ 中国 矿业大学学报， 2 0 0 9 ， 3 8 ( 4 ) ： 5 6 2 5 6 5 2 2 赵军， 高丹盈， 王邦 高温后钢纤维高强混凝土力学性能试验研 究f J 1 混凝土 ， 2 0 0 6 ( 1 1 ) ： 4 6 3 3 陈辉国， 刘盈丰， 孙波， 等 钢纤维掺量对混凝土高温力学性能 的影响 J J 重庆交通大学学报， 2 0 1 0 ， 2 9 ( 4 ) ： 5 5 2 5 5 4 4 】杨少伟， 刘丽美， 王勇威， 等 高温后钢纤维活性粉末混凝土 S H P B试验研究 J 】 四川大学学报， 2 0 1 0 ， 4 2 ( 1 ) ： 2 5 2 9 5 5 张彦春， 胡晓波， 白成彬 钢纤维混凝土高温后力学强度研究 J J 混凝土 ， 2 0 0 1 ( 9 ) ： 5 0 5 2 f 6 巴恒静， 杨少伟 钢纤维混凝土高温应力损伤性能 J 】 混凝土， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 1 5 1 7 7 】李为民， 许金余， 沈刘军， 等 直径 1 0 0毫米S H P B应力均匀及恒 应变率加载试验技术研究叨 振动与冲击， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 2 ) ： 1 2 9 1 3 3 8 】8 李为民， 许金余大直径 S H P B试验中的波形整形技术研究f J 1 兵工学报， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 3 ) ： 3 5 0 3 5 5 9 19 范飞林， 许金余， 李志武， 等 高温下混凝土动态力学特性试验f J 】 材料热处理学报， 2 0 1 2 ， 3 3 ( 3 ) ： 2 2 2 7 作者简介： 王志坤( 1 9 9 0 一 ) ， 男， 硕士研究生， 主要从事结构工程 和防护工程方面的研究工作。 联系地址： 西安市空军工程大学航空航天工程学院研管大队 1 队 ( 7 1 0 0 3 8 3 联系电话 ： 1 8 7 1 7 3 9 4 8 5 0 1 1 】 王稷良， 周明凯， 等 机制砂对高强混凝土体积稳定性的影响 J 武汉理工大学学报， 2 o o 7 ( 1 O ) ： 2 0 2 4 【 1 2 王雨利， 刘素霞， 等 机制砂砂浆干缩性能的研究f J j 材料导报， 2 0 1 1 ( 1 8 ) ： 1 1 3 1 1 6 1 3 a c I C o m m i R e e 2 0 9 P r e d i c t i o n o f c r e e p ， s h ri n k a g e a n d t e m p e r a t u r e e f f e c t s i n e o n e r e t e s t r u e t u r e s O R 】 Mi c h i g a n ： A m e ri c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e， 1 9 9 2 【 1 4 G A R D N E R N J ， Z H A O J W C r e e p a n d s h r i n k a g e r e v i s i t e d J A C I M a t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 3 ， 9 0 ( 3 ) ： 2 3 6 2 4 6 1 5 】 潘钻峰 ， 吕志涛， 刘钊， 等 高强混凝土收缩徐变试验及预测模 型研究 J J 公路交通科技 ， 2 0 1 0 ( 2 7 ) ： 1 0 1 5 1 6 C o m i t e E u r o - l n t e r n a t i o n al D u B e t o n C E B F I P Mo d e l C o d e 1 9 9 0 S Lo n do n： T ho ma s Te l f o r d， 1 9 9 3 1 7 B A Z A N T Z P ， B WE J A S C r e e p a n d s h r i n k a g e p r e d i c t i o n m o d e l f o r a n al y s i s a n d d e s i g n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s ： M o d e l B 3 J Ma t e r i al s a n d S t r u c t u r e s 。 1 9 9 5 ( 2 8 ) ： 3 5 7 3 6 5 作者简介 ： 联系地址 ： 联系电话 ： 郑Jl台( 1 9 8 7 一 ) ， 女， 博士研究生， 研究方向： 主要从事机 制砂混凝土的收缩徐变研究。 湖北省华中科技大学土木工程与力学学院( 4 3 0 0 7 4 ) 1 5 97 2 21 5 9 6 7 1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m