温度、应变率对碳纤维混凝土变形特性的影响.pdf

2 0 1 3 年 第 4期 (总 第 2 8 2 期 ) Nu mb e r 4 i n 2 0 l 3 ( T o t a l No ．2 8 2 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE0RE TI CAL I U S EARCH d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ~ ． i s s n ． 1 0 0 2 - 3 5 5 0 ． 2 0 1 3 ． 0 4 ． 0 0 8 温度、 应变率对碳纤维混凝土变形特性的影响 金凤杰 把 。许金余 l b ,2 。苏灏扬 伯 ( 1 ． 空军工程大学 a ．防空反导学院；b ． 空军工程大学机场建筑工程系，陕西 西安 7 1 0 0 3 8 ； 2 ． 西北工业大学 力学与土木建筑学院，陕西 西安 7 1 0 0 7 2 ) 摘要 ： 采用 自主研制的高温 S H P B试验系统 ， 对高温条件下碳纤维混凝土( c F R c) 的变形特性进行了试验研究。 结果表 明： 高 温下 C F R C的动态峰值应变 同时存在加载速率强化效应和温度弱化效应 。 动态极 限应变存在加载速率强化效应 ； 同一加载速率 下随温度的升高先降低后增大的变化趋势， 2 0 0 ℃以前 ， 以温度弱化效应为主 ， 2 0 0℃以后 ， 以温度强化效应为主 ； 8 0 0℃时的动态 极限应变要高于常温时的情况。 碳纤维可以有效提高混凝土在不同温度和加载速率下的动态变形能力 ， 当碳纤维体掺量为 0 ．3 ％ 时 ， 增幅最大， 其次是 0 ． 1 ％C F R C和 0 ． 2 ％C F R C 。 关键词 ： 碳纤维混凝土；温度 ；加载速率 ；峰值应变 ；极限应变 中图分类号 ： T U 5 2 8 ． 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 4 — 0 0 2 5 — 0 4 E ffe ct~o f t e mp e r a t u r e a n d s t r a i n r a t e o n t h e d e f o r ma t i o n p r o p e r t y o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c on c r e t e J I NF e n g -j i e la XUJ i n - y u ， - ． S UHa o - y a n g ( 1 a ． S c h o o l o f Ai r a n d Mi s s i l e De f e n s e ； b ． De p a r t me n t o f Ai r fi e l d a n d B u i l d i n g E n g i n e e r i n g ， Ai r F o r c e E n g i n e e r i n g Un i v e r s i t y， Xi ’an 7 1 0 0 3 8 ， C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f Me c h ani c s and C i v i l A r c h i t e c t u r e ， N o r t h w e s t P o l y t e c h n i c U n i v e r s i ty， Xi ’an 7 1 0 0 7 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th e d e f o r mati o n p r o p e r t y o f c a 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( C F R C)a t e l e v a t e d t e mp e r a t u r e i s i n v e s t i g a t e d u s i n g s e l f - d e s i g n e d h i 曲 t e m p e r a t u r e S H I ， B s y s t e m ． T h e r e s u l t s s h o w e d l o a d r a t e s t r e n g t h e n i n g e ff e c t and t e m p e r a t u r e we a k e n i n g e ff e c t o n t h e d y na mi c c r i t i c a l s tra i n o f CF RC． Dy n a mi c l i mi t i n c r e a s e d wi t h l o a d r a t e ． At t h e s a me l o a d r a t e． t he d yn ami c l i mi t s t r a i n i n c r e a s e d b e f o r e 20 0 ℃ an d d e c r e a s e d a fte r 2 00 ℃ ． At 8 0 0 ℃ ． i t wa s hi g h e r tha n tha t a t r o o m t e mpe r a t ur e ． Carbo n劢 e r c o u l d e f f e c t i v e l y e n han c e the d yn am i c de f o r mati o n p r o p e r t y o f c on c r e t e a t d i ffe r e n t t e mp e r a t ur e an d l o a d r a t e ． Th e i n c r e a s e r a t i o r e a c h e d也e ma x i mu m a t the vo l um e f r a c t i o n o f0． 3 ％ ．The n fol l o w 0 ． 1 ％ an d 0 ． 2 ％ ． Ke yw o r d s ： c a r b o nfi b e r r e i n f o r e e d c o n c r e t e ； t e mp e r a t u r e ； 1 o a d r a t e ； c r i t i c a l s t r a i n ； 1 i mi t s t r a i n 0 引 言 碳纤维凭借其高强、 高模 、 轻质 、 抗腐蚀 、 耐疲劳及优 良 的高温稳定性等突出优点， 被广泛应用于土木工程领域【 ] 。 碳纤维混凝土( C F R C ) 具有优异的力学性 能。 李建辉 等研 究了碳纤维增强混凝土在单轴拉伸荷载下 的力学性能 。 徐 丽丽等圈 研究 了不同掺量碳纤维对轻骨料混凝土强度 的影 响。 胡克旭许旧 研究 了不同温度下界面破坏形式 、 温度对胶 体及碳纤维的影响， 以及黏结强度随温度的变化规律。 吴献 等【 研究 了三 向受压碳纤 维混凝 土的力 学 、 电学性能及力 电关系。 许金余等同 研究了不同纤维掺量的碳纤维增强地 质聚合物在不同应变率下冲击压缩强度与能量吸收的应 变率效应。 然而， 目前关于碳纤维混凝土高温动态力学特性 的研究较少。 因此 ， 本研究采用 自主研制的高温 S H P B试验 系统 ， 对高温条件下碳纤维混凝土 的变形 特性进行 了试验 研究 。 1试 验 i ． i 原材料 及配合 比 陕西耀县 P 0 4 2 ． 5 R秦岭水泥 ； 韩城第二发电厂生产的 I 级粉煤灰( 密度 2 ． 0 5 g ／ c m ， 比表面积I>3 5 5 m2 ／ k g ) ； 西安霖 源微硅粉有 限公司生产的微硅粉 ( 平均粒径 0 ． 1 ~ 0 ． 1 5 m， 比表面积为 1 5 - 2 7 m 2 ／ g ， S i O 2 含量 9 2 ％) ； 泾 阳县石 灰岩碎 石( 粒径 5 ～ 2 0 m m， 密度 2 ． 7 0 g ／ c m ) ； 灞河 中砂 ( 细度模 数 为 2 ． 7 8 ， 密度 2 ． 6 3 g ／ c m ， ) ； 广州建 宝新型建材 有限公 司生 产 的 F D N高效减水剂 ， 减水率 2 0 ％； 陕西群彬科技发展有 限公 司生产 的“ 凯文斯” 铣 削型钢纤维 ， 体积掺量为 0 ． 4 ％、 0 ． 7 ％和 1 ． O ％， 其物理、 力学性能指标见表 1 。 表 2 为素混凝 土配合 比。 1 ． 2 高温 S HP B试验 采用自主研制的高温 S H P B试验系统对钢纤维混凝土 的高温强度特性进行测试。 该 系统 由温控系统和 + 1 0 0 I n l T l 收稿 日期：2 0 1 2 ． 1 0 — 1 2 基金项目：国家自然科学基金项目( 5 1 0 7 8 3 5 0 ) ； 国家自然科学基金项目( 5 1 2 0 8 5 0 7 ) 2 5 加入可以有效增大P C在不同温度和加载速率下的动态峰 值应变 ， 总体上， 当碳纤维体掺量为 O ． 3 ％时 增幅最大 ， 其 次是 0 ． I ％C F R C和 0 ． 2 ％C F R C 。 图 8 为不 同温度下 ， 碳纤维体积掺量对不 同加载速率 时 C F R C动态极 限应变 的影响情况 。 由图 8 可知 ： 碳纤维的 加入可以有效提高 C F R C在不同温度和加载速率下的动 态极限应变； 总体上， 当碳纤维体掺量为 0 ． 3 ％时 ， 增幅最 大 ， 其次是 0 ． 1 ％C F R C和 0 ． 2 ％C F R C 。 3结 论 ( 1 ) 高温下 C F R C的动态峰值应变 同时存在加 载速率 强化效应和温度弱化效应。 ( 2 ) 高温下 C F R C的动态极限应变存在加载速率强化 效应 ； 不 同纤维掺量 C F R C的动态极限应变均体现出随温 度的升高先降低后增大的变化趋势 ， 2 0 0℃以前 ， 以温度弱 化效应为主， 2 0 0 ℃以后 ， 以温度强化效应为主。 8 0 0℃时的 动态极 限应变要高于常温时的情况。 ( 3 ) 碳纤 维可 以有效提高混凝 土在不同温度和加载速 率下的动态峰值应变和动态极限应变， 当碳纤维体掺量为 0 ． 3 ％时， 增幅最大， 其次是 0 ． 1 ％C F R C和 0 ． 2 ％C F R C。 上接第 2 2页 【 1 2 】 朱1 白芳． 论微膨胀混凝土筑坝技术 水力发电学报， 2 0 o 0 ( 3 ) ． 【 1 3 ] 高掺粉煤灰对氧化镁混凝土自生体积变形的影响[ J ] ．四川水力 发电， 2 0 0 8 ( 1 9 ) ． 【 1 4 】 陈昌礼 ， 方坤河 ， 蒋君 ， 等． 粉煤灰对外掺氧化镁混凝土自生体 积变形的影响【J 1 _混凝土 ， 2 0 1 2 ( 5 ) ： 6 9 ． [ 1 5 】 李维维， 陈昌礼 ， 方坤河， 等． 水灰比对外掺氧化镁混凝土自生 体积变形的影响【 J 1 ． 水电能源科学， 2 0 1 1 ， 2 9 ( 1 0 ) ： 5 7 — 5 9 ． 【 l 6 】 肖汉江， 李祖民． 考虑自生体积变形计算混凝土的温度应力[ J ] ． 人民长江 ， 1 9 9 8 ， 2 9 ( 2 ) ： 4 — 6 ． 【 1 7 】 杨光华 ， 袁明道 ， 罗军． 氧化镁微膨胀混凝土在变温条件下膨胀 规律数值模拟的当量龄期法[ J 】 ． 水力学报 ， 2 0 0 4 ( 1 ) ． 上接第 2 4页 大， 但伴随有轻微泌水现象。 二次混合混凝土的工作性能随 着筛除细石混凝土的增加而有所降低。 细石混凝 土的抗压 强度和弹性模量有所 降低 ， 二次混合混凝 土的抗压强度和 弹性模量均有所提高 。 采用浇筑工作面上混凝土湿筛分工艺浇筑内置保温 层组合墙体的承重墙和保温层外保护层， 混凝土的基本力 学性能能够满足设计要求。 参考文献： 【 1 】L I F e n g — l a n， Z HA O S h a n， Y ANG S u ． E x p e ri me n t a l s t u d y o n l i n k - a g e b e h a v i o r o f b u i l t - i n i n s u l a t i o n RC C W s u b j e c t e d t o g r a v i t y l o a d [ J ] ．A p p l i e d M e c h a n i c s a n d Ma t e ri a l s ， 2 0 1 1 ( 7 1 — 7 8 ) ： 1 9 7 - 2 0 0 ． 【 2 】Z H A O S h u n - b o ， Y A N G S u ， S O N G L i — s h a ． E x p e r i m e n t a l s t u d y o n t h e r m al i n s u l a t i o n p r o p e r t i e s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o m p o s i t e w a l l [ J ] ． A p p l i e d Me c h a n i c s a n d M a t e ri a l s ， 2 0 1 1 ( 9 9 — 1 0 0 ) ： 6 7 6 — 6 7 9 ． [ 3 】Z H A 0 S h u n - bo ， L I A N G N a ， L I U L i — x i n ． E x p e r i m e n t a l s t u d y o n me c ha n i c a l p r o p e rti e s o f fin e a g g r e g a t e c o n c r e t e ma d e a f t e r we t 一 28 参考文献 ： 【 1 】G I NE R V T， B AE Z A F J ， I V ORR A S ， e t a1． E ff e c t o f s t e e l a n d c bo n fi be r a d di t i o n s o n t h e d y n a mi c p r o pe 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 ．Ma t e ri al s a n d D e s i g n ， 2 0 1 2 ( 3 4 ) ： 3 3 2 — 3 3 9 ． [ 2 1 G ARC I~ S P ， F R AI L E J ， V I L A P L ANA— O RT E G O E， e t a1． E ff e c t o f c arb o n fib r e s o n t h e me c ha n i c a l p r o p e rti e s a n d c o r r o s i o n l e v e l s o f r e i nfo r c e d p o rtl a n d c e me n t mo rta r s ．Ce me n t Co n c r e t e Re s e arc h， 2 0 0 5 ( 3 5 ) ： 3 2 4 — 3 1 ． [ 3 ]GI N ER V T， BA E Z A F J ， I VOR RA S ．E f f e e t o f s t e e l and c a r b o n fi b e r a d d i t i o n s o n t he d y n a mi c p r o pe rti 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 ri a l s and D e s i gn， 2 0 1 2 ( 3 4 ) ： 3 3 2 — 3 3 9 ． f 4 ]李建辉 ， 邓宗才．碳纤维增强混凝土的单轴拉伸特性[ J 】 ． 公路， 2 0 1 1 ( 4 ) ： 1 8 5 — 1 8 7 ． f 5 15徐丽丽， 申向东． 碳纤维轻骨料混凝土抗压性能试验研究[ J ] ． 混 凝土 ， 2 0 1 1 ( 3 ) ： 6 7 — 6 9 ． 『 6 1胡克旭， 卢凡， 蔡正华． 高温下碳纤维一 混凝土界面受剪性能试 验研究[ J ] 同济大学学报， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 1 2 ) ： 1 5 9 2 — 1 5 9 6 ． [ 7 ]吴献， 王丽娜， 回国臣． 碳纤维混凝土三向受压力电性能试验研 究f J 1 ．工程力学， 2 0 1 2 ， 2 9 ( 7 ) ： 1 9 4 — 2 0 0 ． 【 8 】8 许金余 ， 李为 民， 范飞林 ， 等． 碳 纤维增强地聚合物 混凝土的 S H P B试验研究f J 1 ． 建筑材料学报， 2 0 1 0 ， 1 3 ( 4 ) ： 4 3 5 — 4 4 0 ． 作者简介： 金凤杰( 1 9 6 9 一 ) ， 男， 工程师， 主要从事结构工程研究。 联系地址： 陕西省西安市长乐东路甲1 号( 7 1 3 8 0 o ) 联系电话： 1 5 5 2 9 4 9 4 5 2 3 【 1 8 】 袁明道 ， 杨光华． M go 微膨胀混凝土 自生体积变形模型的初步 研究[ J ] ．广东水利水电， 2 0 0 3 ( 2 ) ： 6 ． [ 1 9 】 杨光华， 袁明道． Mgo 微膨胀混凝土自生体积变形的计算与 原型观测的对 比分析 i t ] ／ ／ 中 国水利学会首届 青年 科技论坛 论文集． 广东 ： 中国水利学会首届青年科技论坛 ， 2 0 0 3 ： 4 0 6 — 41 0． 作者简介 ： 联系地址 ： 联系电话 ： 杜甜甜( 1 9 8 9 一 ) ， 女， 硕士研究生， 研究方向 ： 外掺 Mg O 混凝土的自生体积变形。 江苏省南京市鼓楼区西康路 1 号 河海大学( 2 1 0 0 2 4 ) 1 5 8 5 0 6 6 40 5 5 s i e v i n g c o a l~ c a g g r e g a t e [ J ] ． A d v anc e M a t e ri a l s R e s e ar c h ， 2 0 1 1 ( 1 6 8 - 1 7 0 ) ： 2 2 0 0 — 2 2 0 3 ． 【 4 ]Z HA O S h u n— b o ， Z HAO S h a n， YA NG S u ． E x p e rime n t al s t u d y o n s h rin k a g e o f we t — s i e v i n g fin e a g g r e g a t e c o n c r e t e ma d e f r o m o r d i na r y c o n c r e t e [ J] Ad v a n c e M a t e ri a l s R e s e arc h ， 2 0 1 1 ( 1 9 7 — 1 9 8 ) ： 9 1 5 - 9 1 8 ． [ 5 ]L I Xi a o - k e ， Z HAO S h a n， S U N L i ． I mp e r me a b i l i t y o f w e t - s i e v i n g fi n e a g gr e g a t e c o n c r e t e m a d e f r o m o r d i n a r y c o n c r e t e [ J ] ． A d v anc e M a t e — r i al s R e s e ar c h ， 2 0 1 1 ( 2 0 1 — 2 0 3 ) ： 2 8 8 3 — 2 8 8 6 ． [ 6 ]Z HA O S h u n — b o ， L I ANG Na ， MA Xi a o - l u ． E x p e ri me n t o f c arb o n i z a - t i o n f o r we t - s i e v i ng fi ne a g g r e g a t e c o n c r e t e ma d e f r o m o r di n a r y c o n — c r e t e [J] ．A d v a n c e M a t e ri al s R e s e arc h ， 2 0 1 1 ( 2 0 1 — 2 0 3 ) ： 2 8 8 7 - 2 8 9 0 ． [ 7 ]G B ／ T 5 0 0 8 0 - - - 2 0 0 2 ， 普通混凝土拌合物性能试验方法标准【 s 】 ． [ 8 1 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 】 ． 作者简介 ： 联系地址： 联 系电话： 李凤兰( 1 9 64一 ) ， 女， 教授， 主要从事新型建筑材料开 发研究工作。 郑州市北环路 3 号( 4 5 0 0 1 1 ) 0 3 71 -6 91 27 3 7 3