混杂纤维混凝土冲击压缩性能SHPB试验研究.pdf

2 0 1 1年 第 4 期 (总 第 2 5 8 期) N u mb e r 4 i n 2 0 l 1 ( T o t a l No 2 5 8 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEoRET I CAL RES EARCH d o ： 1 0 3 9 6 9 d i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 4 0 0 5 混杂纤维混凝土冲击压缩性能 S H P B试验研究 李智 ，卢 哲安 ，陈猛 ，任 志刚 l b 。宋秀成 ( 1 武汉理工大学 a 土木T程与建筑学院 ；b 道路桥梁 结构工 程湖北省重点实验室 ，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 2 中国三冶集 团有限公司 市政工程公司 ，辽宁 鞍山 1 1 4 0 3 1 ) 摘要 ： 采用 ( b 7 4 mm 分离式霍普 金森 杆( s H P B) 装置 ， 分别对钔 一 聚丙烯混杂纤维混凝土及钢纤维混凝土材料进行了冲击压缩性能 试验 ， 得到了 4个不同应变率下的应力一 应变曲线 。 根据试验结果 ， 从破坏强度 、 峰值应变等方面分析 了混杂纤维混凝土的应变率效应 ，并比 较 了相 同钢纤维掺量下 ， 混杂纤维混凝土与钢纤维混凝土的动态抗压性能。 试验表明混杂纤维混凝土具有明显的应变率效应 ，其动态抗压 性能优于同掺量 的钢纤维混凝土。 关键词 ： 混杂纤维混凝土 ；冲击压缩性能 ；S HP B；应变率效应 中图分类号 ： T U5 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 ) 0 4 0 0 2 0 0 3 I mpa c t c om p r es s i on e x per i me nt of h ybr i d f i be r r e i n f or c e d c on cr e t e by u si ng SHPB t e c hni qu e LI Zh i ， LU Zh e 一 2t l l lb ， CHEN M e n g ， REN Z hi - g a n g ，SONG Xi u c h e n g ( 1 a S c h o o l o f Ci v i l E n g in e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e ； b H u b e i Ke y L a b o r a t o r y o f R o a d B r i d g e a n d S t ruc t u r a l E n g i n e e ri n g W u h a nUni v e r s i t yo f Te c h n o l o g y， Wu ha n4 3 0 0 7 0， Ch i n a ；2 Ch i n aT h i r dM e t a l l u r g i c a l Gr o u pCo mp a n y Limi t e d Mu n i c i p a l E n g i n e e r i n g Co mp a n y， An s h a n 1 1 4 0 3 1， Ch i n a) Abs t r a c t ： Th e i mp a c t c o mp r e s s i o n e x p e ri m e n t o f s t e e l p o l y p r o p y l e n e h y b r i d fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a n d 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 b y U S i n g 7 4 mi l l i me t e r d i a me t e r 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 HP B) i s in t r o d u c e d ， a n d d y n a mi c s e s s s t r a i n C IJ F V C S i n f o u r d i ff e r e n t s t r a in r a t e a r e 0 b t a i n e d F r o m t h e c o m p r e s s i o n s t r e n g t h a n d p e a k s t r a i n， t h e e ffe c t o f s t r a i n r a t e i s d i s c u s s e d Th e d y n a m i c ma t e r i a l p r o p e i e s o f h y b r i d fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a n d s t e c 1 fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e wi t h t h e s a me c o n t e n t o f s t e e 1 fi b e r a r e c o mp a r e d wi t h e a c h o t h e r Th e r e s ult s s h o w t h a t t h e e f - f e c t o f s t r a i n r a t e o f h y b r fd fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s o b vi o u s Th e d yn a m i c ma t e r i a l p r o p e r t y o f h y b r i d fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s b e t t e r t h a n s t e e 1 fi b e r r e inf o r c e d c o n c r e t e K e y wo r d s ： h y b r i d fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ； i mp a c t c o mp r e s s i o n p r o p e r t y ； S HP B； e ff e c t o f s t r a i n r a t e 0 引言 纤维混凝 土 与素混凝 土相 比 ， 具有强 度高 、 韧性 好 、 抗 冲 击 、 抗侵彻能力强的优点， 所以广泛应用于防护工程中的抗打 击防爆炸结构中。 目前 ， 国内外学者开展 了许多关于混凝土材料 动态冲击压缩性能的研究 ， 对于混凝土材料的应变率效应及抗 冲击性能的了解正不断深入。 胡时胜等利用改装的直锥变截面 式 d 0 7 4 n l i n S HP B装置对混凝土材料进行 冲击压缩试验 ，得到 了 1 5 8 5 S 共六组应变率下的应力一 应变曲线 。 R o s s 等对混凝 土材料破坏强度 的应变率效应进行了分析和解释2 1 。 严 少华等对 钢纤维含量为 0 、 3 、 6 的高强钢纤维混凝土进行 了动 态和静 态压缩试验， 并总结了抗压强度与应变率的关系_3 _ 。 以上研究中 作为研究对象的混凝土材料大多是素混凝土或掺人单一纤维 料研究相对较少 ， 相关 的数据和理论也 十分不足。 本研究利用 + 7 4 I T E m直锥变截 面 S HP B装置 ， 对钢一 聚丙烯 混杂纤维混凝土及钢纤维 混凝 土进行动态 冲击压缩性能试验 ， 得到两种材料在不 同应变率下 的应力一 应变曲线 ， 并对二者的动 态压缩性能进行 比较。 为混杂纤维混凝土在防护工程中的应用 提供试 验和理论依据。 1 试验 简介 1 1 原材料及 配合 比 试块所用材料采 用普通硅酸盐 水泥 ； 粗骨料选用级配 良好 的粒径 为 5 2 5 mm 的碎石 ； 细骨料为 中砂 ， 细度模数为 2 6 ， 含 泥量小于 1 4 ； 钢纤维选用上海贝尔卡特钢纤维公司生产的端 勾 型钢纤维 ； 聚丙烯纤维采 用美 国杜拉纤 维。 钢 纤维混凝土和 的纤维混凝土， 但是对于掺入两种或两种以上纤维的混凝土材 钢一 聚丙烯混杂纤维混凝土的配合比见表 1 。 表 1 两种类型混凝土配合 比 注 ： 水灰 比为 O 3 6 ， 砂率 3 8 O 。 混凝土设计强度等级为 C5 0 。 S F R C， H F RC分别表示 钢纤维混凝土 ， 钢一 聚丙烯混杂纤维混凝土 。 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 1 _ 2 5 基金项 目：武汉市建设科研项 目( 2 0 0 7 2 3 ) 2 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2试样 制 备 静态试验采用标准立方体试块( 1 5 0 minx 1 5 0 minx 1 5 0 m l T 1 ) ， 在实验室制作完成 动态压缩试验采用 6 7 0 mmx 3 5 mm圆柱体试 块 ， 试块由实验室制作的混凝 土小梁 ( 寸为 1 0 0 mmx 1 0 0 mmx 4 0 0 m m) 进行钻芯取样获得 。 ( 1 ) 搅拌 ： 将称量好 的全部粉：媒灰 、 水 泥 、 石子和三分 之二 砂倒人搅拌机 ， 1 二 拌 1 mi n ， 将钢纤维和杜拉纤维缓慢加入搅拌 机 ， 加 入剩下的砂 ， 然后缓慢加水 ， 搅拌 2 mi n ， 卸料 ： ( 2 ) 成型： 把搅拌好的混凝土装入刷好油的钢模内， 用抹子 乐 实 、 抹平 ， 保证 混凝 士高 模 板顶部 1 c m左 右 ， 而后放 于振 动 台 J 振动 ， 抹平收浆。 ( 3 ) 养 护 ： 将 已成型 的试件放 至 f燥 处 ， 保证 钢模 底部 水 平 经 2 4 h后拆除模板进行编号 ， 然后将试件放置于标准养护室 ( 温度为( 2 0 _+ 3 ) ， 相对湿度在 9 0 以 L) ， 养护 2 8 d 。 ( 4 ) 制作： 用混凝土钻芯机钻取 + 7 o mr r l 的芯样 ， 然后用岩石 切割机切取 + 7 0 m inx 3 5 mm的网柱体混凝土试块 ， 并打磨平整 。 1 3 试验 方 案及设备 冲击压缩试验采 + 7 4 mm 直锥变截 面 S HP B装置 。 设备 示意 同如 阿 1 所示 。 子弹 ， 入射杆 及透射杆均为钢质材料 。 入射 杆长度 3 2 0 0 mm( 变截面杆 ) ， 入射端面直径 3 7 mm， 平直段直 径 7 4 mm， 变截 面区长度 4 5 0 mm； 透射杆 长度 1 6 0 0 mm， 直径 7 4 mm； 子弹长度 8 0 0 mm， 直径 3 7 mm。 图 1 中 7 4 mm 亘锥 变截面 SH PB装置示意 图( 单位 ： mm) 试验过程巾， 高压气体在弹膛迅速膨胀推动子弹加速运动， 使其 以一定 的速度撞击入射杆 ， 在入射杆 中产生应力脉 冲 ( f ) ， 称为入射波 。 入射波传播到试样位置时 ， 试样开 始变形 ， 并在入 射杆 中产生一个反 向应力脉冲 ， 称为反射波 ( t ) ； 另外一部 分 脉冲透过试样， 进入透射杆继续向前传播 ， 称为透射波 晶( o 贴 于人射杆和透射杆中部的应变片可以记录入射杆 、 透射杆中应 变随时间变化 的曲线 ， 也就得 到试 件两端 的应力 、 应变随时 间 变化的过程 ， 通 过简单 的程 序计算就可 以得到 试样 的应力一 应 变 曲线 。 对于混凝土等峰值应变很 小( 丁分之几 ) 的准脆性材料 ， 试 样和乐杆端面之问的不贴合会对试验结果产生较大影响 。 因此 试验前每个试样的端面部进行了严格的打磨处理， 保证端面的不 平 整度小于 0 0 5 mm。 由于试验波头 的选取对试验得 到的应 力一 屯变曲线 的影响很大， 本试验采用 _应变直接法测量 ， 即在试样 上粘贴应变片 ， 代替由 接法测 的试样的应 力一 变 曲线的弹 性阶段 ， 保证了试验曲线 的精确悱 。 典犁试验波形 。 如网 2所示 2试验 结 果 按照国家标准 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ( 普通混凝土力学性能试 验方法标准 进行标准化强度测试 ， 标准立方体抗压强度试验 结果 ， 见表 2 。 利用 + 7 4 mm直 锥变截 面 S H P B装置对 2种试 块在 4种 不同膻变率下进行 r冲击压缩 试验 ， 平均应变率分别为 2 1 、43、 0 2 0 0 2 0 4 0 6 0 8 l 0 时 l甸 ms 图 2典型试 验波形 图 表 2 立方体抗压试验结果 材料类型 编号破坏荷载 k N 抗压强度 MP a平均值 MP a 6 5、 1 1 6 S 。 每个应 变率 各进行 8次试验 ， 提取 试验 中得 到的光 滑无震荡且重合性较好的应力一 应变曲线。 图 3 、 4分别为钢纤 维和混杂纤维混凝土在 4种不同应变率下的应力一 应变曲线。 图 5为 2种材料在 同一应变率 下的应力一 应 变 曲线 ， 其 中曲线 为钢纤维混凝土， 为混杂纤维混凝土。 网中的应力一 应变曲 线均为有效试验曲线的平均。 图 3钢纤维 混凝土 4种应变率下应力一 应 变曲线 图 4 混杂纤维混凝土 4种应变率下应 力一 应变 曲线 3 试验 分析 3 1 破 坏 强度应 变率效应 随着应变率的提高， 4个应变率下的破坏强度均有所提高。 混杂纤维混凝土在 4个应变率下的破坏应力分别是静态下的 21 0 8 6 4 2 O 2 4 6 0 O O O O O 0 、 _由 一 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( a ) 应 变 率 为21 S 6 ( b ) 应 变 率为4 3 s ( c ) 应 变 率 为6 5 s。 ( d 1 应变 率 为1 1 6 s 图 5 两种材料在不同应变率下的应力一 应变 曲线 1 1 1 、 1 3 0 、 l -3 1 、 1 3 9 倍。 可以看出， 破坏应力随着应变率的增加 而增加 ， 但两者不是线性关系 ， 随着应变率的增加 ， 应变率效应 有所减弱。 有学者认为存在一个临界应变率， 当应变率达到这 个临界应变率时， 混凝土材料在单轴压缩的情况下就会对应变 率不敏感， R o s s 等认为这个临界应变率为6 0 8 O S - 1 16 。 3 2 峰值应变应 变率效应 混杂纤维混凝土在 2 1 S 应变率下 的峰值应变 ， 即破坏应力 所对应的应变为 0 0 0 3 8 5 ， 在 4 3 应变率时峰值应变为 0 o ( 】 3 7 3 在 6 5 s 应变率时峰值应变 为 0 0 0 3 7 5 ， 在 1 1 6 S 一应 变率时峰 值应变为 0 0 0 7 1 1 ， 4个应变率下的峰值应变基本呈现逐渐增 加的趋 势。 3 3 混杂纤维混凝土与铜纤维混凝土抗压性能比较 在静态抗压试验中， 混杂纤维混凝土与钢纤维混凝土抗压 强度差别不大， 混杂纤维混凝土略高于钢纤维混凝土。 在动态压 缩性能试验 中， 除在较低应变率 2 1 s 下 ， 混杂纤维混凝土 的破 坏应力略低于钢纤维混凝土， 其余 3个应变率下均高于后者， 分 别高出 1 0 、 5 和 3 ； 除应变率为 6 5 s 左右时， 混杂纤维混 凝土的峰值应变略低于钢纤维混凝土， 其余 3个应变率下均高 于后者， 高出幅度分别为 2 1 、 2 0 和 2 3 。 3 4 应 变率效应 产生机 理 混凝土材料 的破坏应力 和峰值应变在动态 压缩情况 下表 现出了较为明显的应变率增强效应。 其原因一方面是由于混凝 土材料在静态和动态加载情况下的损伤演化方式不同。 在静态 加载情况下， 裂纹萌发在材料最薄弱的部分， 即过渡区， 裂纹的 扩展主要沿着骨料和砂浆的界面进行， 最终的破坏是一条或几 条主裂纹的扩展贯通导致 。 而 在高应变 率下 ， 在骨料相 ， 砂浆相 及过渡区同时产生大量的微裂缝 ， 而裂缝的产生 比扩展要消耗 更多的能量 ， 更有利于提高材料的韧性。 同时裂纹 的扩展也来不 及到达最薄 弱的过渡 区 ， 只 能在 自己的区域扩 展 ， 从 而也会消 耗大量能量 ， 所 以破坏应力和峰值应变均有所提高。 另一方 面随 着混凝土材料应变率的提高， 材料处于从一维应力状态向一维 应变状态转变的过程_ 7 。 试件中间部位的侧向变形由于惯性作 用 而受 到约束吲， 使材料接近 于围压状 态 ， 即一 维应 变状 态。 应 变率越 高， 其约束作 用越 大 ， 这时材料的破坏应力就越 高 ， 从 而 表 现出破坏强度增大 的现象 。 上接第 1 9页 透性非常低 ， 能够满足混凝土的高耐久性要求。 参考文献 ： 【 1 】MA A GE MC h l o r i d e p e n e t r a t i o n i n h i g h p e r f o r m a n c e c o n c r e t e e x p o s e d t o ma r i n e e n v i r o n m e n t C 3 4 I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u m o n U t i l i z a t i o n s o f HP C L i l l e h a m me r ： 【 s a ， 1 9 9 3 ： 1 5 f 2 12 屠柳青， 张国志， 夏卫华， 等抗氯盐污染高性能混凝土及评价方法 2 2 4结 论 ( 1 ) 混杂纤维 混凝土在 2 1 、 4 3 、 6 5 、 1 1 6 s 一4个应 变率下 的 破坏应力及峰值应变均表现出较为明显的应变率效应， 随着应 变率的提高基本呈现逐 渐增加的趋势。 ( 2 ) 在 4个 应变率下 ， 混杂纤维 混凝土较钢纤 维混凝土破 坏应力方面高出幅度 3 1 0 ， 峰值应变高出约 2 0 ， 所以前 者表现 出更好 的动态强度和韧性 ， 具备更为优 良的抗 冲击 压缩 性 能。 ( 3 ) 应变率增强效应 一方 面是 由于混凝土材料在静态 和动 态加载情况下 的损伤演化方式不同 ， 另一方 面还与混凝土材料 的横 向惯性效应有 关。 参考文献 ： 1 胡时胜， 王道荣， 刘剑飞 混凝土材料动态力学性能的试验研究 J J _工 程力学 ， 2 0 0 1 ， 1 8 ( 5 ) ： 1 1 5 一 I 1 8 2 】R OS S C A， T E D E S C O J W， K U E N NE N S T E f f e c t s o f s t r a i n r a t e o n c o n c r e t e s t r e n g t h J A C I Ma t e r i a l s J o u rna l ， 1 9 9 5 ， 9 2 ( 1 ) ： 3 7 4 7 3 严少华 ， 李 志成 ， 王明洋 ， 等 高强钢纤维混凝土冲击 压缩特性试验 研究l J l _爆炸与冲击， 2 0 0 2 ， 2 2 ( 3 ) ： 2 3 7 2 4 1 4 孟益平， 胡时胜j 昆 凝土材料； 中 击压缩试验中的一些问题 J 】 _试验力 学 ， 2 0 0 3， 1 8 ( 1 )： 1 0 6 1 1 2 【 5 】G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 ， 普通混凝土力学性能试验方法标准 s 】 6 RO S S C A， T H O MS O N P Y， T E D E S C O J W 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 o n c o n c r e t e a n d n l o r t a r i n t e n s io n a n d c o m p r e s s i o n J AC I Ma t e r i a l s J o u rna l ， 1 9 8 9 ， 8 6 ( 5 ) ： 4 7 5 - 4 8 1 7 赵碧华 ， 刘永胜 超短钢纤维混凝土的 S H P B试验研究【 J 】 混凝土， 2 0 0 7 ( 8 ) ： 5 5 5 7 8 D o n g j O O K i m， K i t t i n u n S i d j a r o o n c h a i ， S h e fi f E l T a w i l ， e t a 1 N u m e ri c a l S i mu l a t i o n o f t h e S pl i t Ho p k i n s o n P r e s s ur e Ba r t e s t t e c h niqu e f o r c o n c r e t e u n d e r c o m p r e s s i o n IJ 】 I n t e r n a t i o n a l J o u rna l o f I m p a c t E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 0 ( 3 7 ) 1 4 1 1 4 9 作者简介 联 系地址 联 系电话 李智 ( 1 9 8 6 一 ) ， 男 ， 硕士研究生。 武汉市洪山区珞狮路 1 2 2 号 武汉理 工大学土木工程与建 筑学院 ( 4 3 0 0 7 0 ) l 3 4 3 7l 9I 1 9 9 研究 J 1 l 混凝土 ， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 3 3 3 5 作者简介 联 系地址 联 系电话 迟培云 ( 1 9 6 2 一 ) ， 男 ， 教授 ， 从事材料科学与 工程专业。 山东省青岛市四方区抚顺路 1 1 号 青岛理工大学土木学 院 ( 2 6 6 0 3 3 ) l 3 8 O 8 9 8 5 2 3 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m