低温下钢纤维混凝土SHPB试验研究.pdf

2 0 1 3年第 l 0期 1 0月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C 0NCRE T E AND C EME NT P R0D UCT S 2 0 1 3 No 1 0 Oc t o b e r 低温下钢纤维混凝土 S H P B试验研究 梁济丰 ， 吕 磊 ， 王 峰 ( 空军勤务学 院机场工程与保障系 ， 徐州 2 2 1 0 0 ) 摘要 ： 采 用 7 4 mm 分 离式霍普金森压杆 ( S HP B) 试验 装置对四种不 同含量 的钢 纤维混凝土试件在一 4 0 下进 行 了冲击试验， 分析 了低温环境 下应 变率对钢纤维混凝 土试件 的影响 ，探 讨 了低温动 力学试验 中钢 纤维含 量对试 件动强度的影响规律。试验结果表 明 ， 钢 纤维 的加入对混凝土的动 态力学性能有较大的提高 ， 较理想的钢纤维掺 量 为 1 5 。 、 关键词 ： 钢 纤维混凝土 ： S H P B试验 ： 应 力应 变曲线 Ab s t r a c t ：T h e i mp a c t t e s t s o f 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 e c i me n s wi t h f o u r d i fie r e n t c o n t e n t s w e r e c a r rie d o u t a t 4 O b y u s i n g 7 4 mm s p l i t Ho p k i n s o n p r e s s u r e b a r( S HP B)t e s t d e v i c e T h e i n f l u e n c e o f s t r a i n r a t e o n 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 e c i me n s a t a l o w t e mp e r a t u r e i s a n a l y z e d ，a n d t h e i n fl u e n c e r u l e s o f s t e e l fi b e r c o n t e n t o n d y n a mi c s t ren g t h a r e d i s c u s s e d a c c o r d i n g t o l o w t e mp e r a t u r e d y n a mi c t e s t T h e r e s u l t s s h o w t h a t a d d i n g s t e e l fi b e r c a n g r e a t l y i m p r o v e t h e d y n a mi c me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e c o n c r e t e a n d t h e b e s t c o n t e n t o f s t e e l fi b e r i s 1 5 Ke y wo r 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 HP B t e s t ； S t r e s s s t r a i n c u r v e 中图分类号 ： T U5 2 8 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 1 O 一 4 3 一 O 5 0前 言 钢 纤 维 混凝 土 是 指把 直 径 0 3 0 6 mm长 2 O 4 0 m m 的短钢纤维按某特定方向或随机方 向均匀掺 人混凝土中的一种新型复合混凝土。相对于普通混 凝土 钢纤维混凝土不仅可明显改善 混凝土的抗 拉 、 抗压 、 抗剪及抗弯性能 ， 而且能明显提高断裂韧 性和抗冲击等性能 ， 是一种重要的工程材料【 。 目 前 ， 有关 温度对纤维混凝土材料力学性能影响规律 方面的研究较少 ， 特别是对低温和动载共 同作用下 纤 维 混凝 土 材 料 的力 学 性 能研 究 更 少 因此 开 展 低温 环 境 下钢 纤 维混 凝 土 的动 态 力学 性 能 研 究 ， 对 钢纤维混凝土结构 的设计及使用寿命 的估计较为 重要 ， 具有一定的学术价值和工程应用价值。 1 试 验材 料和 设 备 1 1 试 验材 料 钢 纤 维 ： 山东 某 公 司 产 铣 削 型 钢 纤 维 ， 为 高 强 钢丝经铣削工艺制作而成 的两端带有锚 固端且一 面粗糙一面光滑的高性能纤维产品。具有抗拉强度 高 ， 韧性与分散性好 ， 与混凝土具有 良好 的粘接力 等特点， 纤维直径 d = 0 2 m m， 长度 = 1 0 1 5 mm。 水泥 ： 徐州某厂产 P C 3 2 5复合硅酸盐水泥 。 细骨料 ： 洗净的河砂 ， 细度模数约为 2 6 。 粗骨料 ： 洗净并经风干 的连续粒级碎石 最大 基金 项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 0 5 0 4 0 1 4 ) 。 粒径 约为 1 2 mr n 。 减水剂 ： 山东某公司产聚羧酸高效减水剂 。 1 2 试验设备 ( 1 ) 为研究温度效应 ， 对原 S H P B试验装置进行 了改进 ， 自制的低温恒温系统能保持试件在试验过 程中的温度 ， 实现与 S H P B试验系统的配套 ， 解决传 统 S H P B试验难 以实现环境温度条件模拟 的问题 ， 如 图 1 。 ( a ) 自制低温恒 温装置 ( b ) 低温恒温循环系统 图 1 试件制冷装置和 S H P B制冷系统 ( 2 ) 7 4 mm分离式霍普金森压杆 ( S HP B ) 试验装 置 ， 如 图 2 。 ( 3 ) X T 5 4 0 2 T C高低温交变试验箱。 ( 4 ) X T 5 2 0 1 低 温 恒 温液 浴 槽 ， 系低 温 恒 温 液浴 循 环两用 槽 。 2配 比设 计 与试验 方 案 2 1 配 比设计 试验用 钢纤 维混凝 土试 件采用二次合成法来 43 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 梁济 丰 ， 吕 磊 ， 王峰 低 温下 钢纤 维混 凝土 S HP B试验 研究 表 3 4 0 钢纤维试件( 1 5 ) S H P B冲击试 验参 数及 结果 表 4 4 0 钢纤维试件( 2 0 ) S H P B冲击试验参数及结果 宝 3 4 09 0 舢 0 他 n 0 o 4 0 O _咖 0 l0 l0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 I 8 0 _0 2 0 0 n 0 2 4 0 心 0 _0 2 8 0 0 3 0 0 _0 3 2 应 变 ( a )钢纤维掺量 1 O 3 5 6 9 0 0 0 0 0 0 0 2 n 0 0 4 0 脚 0 _伽 8 O 0 10 0 0 1 2 0 0 14 0 ,0 1 6 0 0 l8 0 蚴 0 n 0 2 4 0 腼 0 0 2 8 0 0 3 0 0 _0 3 2 应变 ( b ) 钢纤 维掺量 1 5 4 9 4 8 6 7 6 0 8 3 0 3 9 5 1 2 1 0 4 1 1 0 O 眦 U 肼 0 0 (16 0 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 16 0 0 1 8 n 唧 0 02 2 0 0 2 4 0 026 0 0 2 8 0 0 3 0 0 0 3 2 应变 ( c ) 钢纤维掺量 2 O 图 3 4 0 环境下试件在不同应变率下的应 力一 应变 曲线 混凝土峰值应力和动弹模 量随应变率 的变化体现 了其应变率敏感性 ， 其峰值应力 随应变率 的变化曲 线 如 图 4所 示 。 1 0 5 1 0 0 9 5 9 0 8 5 8 O 7 5 7 0 6 5 6 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 O 9 O 1 0 0 1 1 0 应变率， s 图 4 不同应变率 下峰值变化 曲线 45 m 舳 加 m 0 加 m o B d芝 B d 毫R m 加 m O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 1 0期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 0期 由图 4可见 ，当应变率由 6 5 O 5 8 4 O l s 时， 钢 纤维混凝土峰值应力变化最大， 说 明此区间是钢纤 维混凝土在一 4 O c I = 下的应变率最为敏感 的区间。 3 2 2 钢 纤维掺 量对 纤维 混凝 土试件 的影 响 通过试验和数据处理 对低温环境下不 同掺量 的钢纤维对混凝土试件的影响规律进行 了分析 。 应 力一 应 变 曲线如 图 5所示 。 由图 5可见 钢纤维体积率为 2 0 的试件并不 芝 应 变 ( a ) 应变率 3 4 3 3 s 0 O o o 0 o 0 2 0 0 0 4 0 0 o 6 0 0 o 8 0 01 0 00 1 2 0 0 1 4 应变 ( c ) 应变率 6 3 1 8 s 比钢纤维体积率为 1 5 的动强度增强太多 ， 这是 因 为当钢纤维掺量增大到一定程度后 ， 钢纤维容易结 团 ， 特别是 对较 长 的细 纤维 ， 结 团现象更 加 明显 。钢 纤维结团会造成混凝土基体孔隙率增多 ， 导致钢纤 维 与混 凝 土基体 之 间 的界 面粘 结力 下 降 。因此 在 设计钢纤维混凝 土时 要合理考虑钢纤维混凝土的 成型工艺 ， 提高界面粘结系数的同时要合理考虑钢 纤维含量的影响， 使其发挥出最佳增强效果。 应 变 ( b ) 应变率 4 4 2 5 s 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 o 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 1 8 应 变 ( d ) 应变率 8 2 3 1 s 0 0 o O 0 0 o 5 0 0 1 0 0 01 5 0 O 2 0 0 0 2 5 0 0 0 0 0 0 0 5 0 01 0 0 01 5 0 0 2 0 0 0 2 5 00 3 0 应 变 应 变 ( e ) 应变率 9 1 2 2 s ( f ) 应变率 1 o 4 7 2 s 图 5 4 0 环境下不同钢纤维掺 量混凝土 的应力一 应变曲线 不 同钢纤维掺量下混凝 土试件 峰值 应力变化 如图 6所示 。 由图 6可见 随着 钢纤维掺量的增加 ， 峰值应 力和动弹模量均呈现增大趋势。当钢纤维掺量 由0 增至 l 时， 应力峰值有明显的增长 ， 动强度提高了 2 0 左右。说明钢纤维的加人对混凝土的动态力学 4 6 性能有较大的提高。钢纤维掺量增至 1 5 时 ， 其峰 值应力 在不 同应变率下分 别增至 6 7 8 0 M P a 、 7 8 4 3 MP a 、 8 5 9 1 MP a 、 8 7 3 6 MP a 、 9 0 3 7 MP a、 9 6 8 2 MP a ， 此 时 ，钢纤维的加入分别将混凝土的动强度提高 了 2 0 7 0 、 1 9 52 、 1 8 9 6 、 1 7 0 4 、 2 2 01 、 3 0 59 。 继续提高钢纤维掺量至 2 0 时， 钢纤维混凝土的动 如 m 0 B d 如 加 m 0 l _R 如 加 m 0 日 毫R 鲫 加 m 0 B dW R 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