应力损伤下玄武岩纤维混凝土...孔隙结构及能量耗散试验研究_李伟.pdf

复合材料科学与工程：.应力损伤下玄武岩纤维混凝土内部孔隙结构及能量耗散试验研究李 伟，李 森，王洪强（.河南建筑职业技术学院，郑州；.郑州轻工业大学 建筑环境工程学院，郑州；.郑州大学，郑州）摘要：基于试验研究不同应力水平损伤作用下玄武岩纤维混凝土损伤度、孔隙结构及能量耗散规律，采用非金属超声波检测仪测量、.、.、.、.五种不同应力水平损伤作用下试件纵波波速及损伤因子变化规律，利用核磁共振（）试验方法研究不同应力水平损伤作用下试件 谱分布、孔径分布及孔隙率变化规律，并结合万能压力机对试件进行单轴压缩试验，分析其应力应变曲线、峰值应力及能量耗散变化规律。结果表明：应力作用下，玄武岩纤维混凝土试件会发生损伤，试件高度随作用应力水平的增大而减小，纵波波速先小幅度增大后降低，低应力水平作用对试件整体性有增强效果，高应力水平作用对试件造成损伤，且应力越大，损伤程度越高；.应力水平作用下试件 图谱峰值最低，.应力水平作用下试件 图谱峰值最高，试件孔隙率随应力水平的增大先减小后增加；试件内部孔隙主要以微孔、中孔形式存在，低应力水平作用下试件内部原生裂纹被压缩，试件内部中孔向微孔转化，总孔隙率降低，高应力水平作用时试件在应力作用下发生损伤变形，试件内部裂纹孔径增大，孔隙率增加；玄武岩纤维的掺入增加了混凝土的塑性变形能力，试件峰值应力随作用应力水平的增大而降低，且降幅显著增加；试件单位体积耗散能会随应力水平的增大而减小，机械损伤度 随应力水平的增大存在小幅度增加，应力损伤下试件弹性变形能力减小，能量耗散率增加。关键词：应力损伤；玄武岩纤维混凝土；纵波波速；损伤因子；孔隙率；峰值应力；能量耗散；复合材料中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：河南省科学技术厅 年度软科学研究计划项目（）作者简介：李伟（），男，学士，讲师，主要从事安全管理、建筑工程方面的研究，.。，（.，；.，；.，）：，.，.，.，.，.年第 期应力损伤下玄武岩纤维混凝土内部孔隙结构及能量耗散试验研究 ，：；前 言混凝土材料的高抗压强度、耐久性、耐腐蚀性以及高经济价值等优点使其在建筑领域成为使用最为广泛的建筑材料，但其抗拉强度低、韧性差等特性也给建筑物的安全性带来隐患。研究表明，混凝土材料中掺入纤维材料能够有效地改善其韧性及抗拉强度，而玄武岩纤维因其高抗拉强度、耐高温耐腐蚀、价格低廉及与胶凝材料间存在良好的相容性而被广泛研究，众多研究结果也表明玄武岩纤维能够极大提高混凝土材料的力学性能。但混凝土材料在使用过程中会由于荷载、温度、环境等多种外在因素的影响造成内部结构的损伤，随着使用年限的增加，损伤会在混凝土内部累积，对其内部结构及力学性能造成影响。对于不同损伤源损伤作用下混凝土材料性能的损耗与衰减，众多学者也进行了研究，薛维培等对高温及力学两种损伤源作用下玄武岩纤维混凝土内部孔隙结构进行研究，结果表明试件内部孔隙率随温度升高不断增大，随荷载的增大，孔隙率先增大后减小；徐存东等对盐冻下玄武岩纤维混凝土力学性能损伤进行了研究，结果表明纤维的掺入能够提高混凝土的抗盐冻能力，但冻融作用会对试件力学性造成衰减；蒋建华等对初始应力损伤下再生混凝抗硫酸盐腐蚀能力进行研究，结果表明初始应力损伤后试件抗腐蚀性及力学性能均会降低；赵庆新等对应力损伤作用下混凝土材料的抗冻性及抗碳化性进行研究，结果表明应力损伤会对混凝土材料的抗冻性及抗碳化性能造成劣化，损伤度越大，劣化效果越明显。众多研究成果表明应力损伤作用下混凝土材料的力学性及耐久性会随之降低，但对于损伤作用后试件内部孔隙结构及能量耗散变化规律鲜有研究，而混凝土材料内部微观结构变化是其宏观力学性能改变的根本原因，基于能量耗散方法能够更加精确地描述混凝土的破坏行为。为探究不同应力水平损伤作用下玄武岩纤维混凝土内部孔隙结构及能量耗散变化规律，本文以、.、.、.、.应力损伤下玄武岩纤维混凝土为研究对象，采用非金属超声波检测仪测量不同应力水平作用下损伤试件纵波波速，通过 试验方法分析试件内部 谱分布、孔径及孔隙率变化规律，利用静态万能试验机对损伤试件应力应变及能量耗散规律进行研究，分析不同应力水平损伤对试件纵波波速、孔隙变化及耗能效果的影响规律，为玄武岩纤维混凝土结构工程在荷载作用后的安全稳定性提供试验依据。试验原材料与方法.原材料选用海螺牌 .普通硅酸盐水泥，细骨料为细度模数为.的天然河砂，粗骨料选用粒径小于 的碎石，水为天然自来水，外加剂为聚羧酸高效减水剂。研究表明玄武岩纤维长度为 、体积掺量为.时对混凝土材料力学性能提升效果最佳，因此选用海宁安捷复合材料有限责任公司生产的 型玄武岩纤维，其性能指标如表 所示。表 玄武岩纤维的性能指标 长度 直径 弹性模量 密度（）抗拉强度 .试件设计基准混凝土设计强度等级为，各材料质量配合比水泥沙子石子水.，玄武 年 月复合材料科学与工程岩纤维长度为 ，体积掺量为胶凝材料的.，浇筑前将纤维置于分散剂中搅拌分开使其更均匀地分散于混凝土中。试验采用搅拌机两次投料法进行拌制，按配合比浇筑成 立方体试块，成型后将混凝土试块用保鲜膜覆盖 后进行拆模，参照相关规范要求将试块放置在养护湿度、温度保持在（）的养护室中进行为期 的标准养护，养护结束后经取芯、切割、打磨，将试件制成直径为 、高度为 的圆柱体标准试件，试件两端面不平行度小于.，单面平整度在.以内。试件加工完成后采用标尺与非金属超声波检测仪对试件高度及纵波波速进行测量，剔除离散型较大的试件以减小试验误差。.试验过程将成型试件利用万能试验机进行准静态加载试验，三个试件为一组，以.的加载速率进行加载，取三个试件实测抗压强度的平均值作为此批混凝土强度 的代表值。利用万能试验机对试件开展不同应力水平下的循环加载，加载应力上限分别为.、.、.、.，每个试件循环加载次数为 次，试件加载曲线如图 所示。图 试件加载曲线.加载结束后利用 非金属超声检测分析仪对不同应力水平加载下损伤试件进行超声波波速测量，波速测量结束后利用真空加压饱水装置对试件进行饱水处理，再采用苏州纽迈分析仪器股份有限公司生产的 型核磁共振仪测量试件内部 图谱分布、孔径大小及孔隙率等；之后利用静态万能试验机对不同应力水平加载下损伤试件进行单轴压缩试验，分析其应力、应变及能量耗散变化规律。试验结果与分析.不同应力水平作用下试件损伤度超声波检测法是一种简单、经济的无损检测方法，在一定程度上能对材料力学响应及物理性质进行预测。混凝土本身内部含有不同程度的原生孔洞、裂隙等弱面结构，应力损伤作用下试件内部弱面结构会发生变化，超声波在传播至弱面时会发生反射、透射、折射等，从而影响波的传播速度。为对应力损伤下试件劣化程度进行定量描述，根据已有的损伤力学基本理论，以纵波波速变化作为判定基础，试件损伤度如下式表示。（）式中：为超声波波速的损伤因子；为初始超声波速；为试块受到应力损伤作用后超声波速。不同应力水平作用下试件纵波波速及损伤因子变化如表 所示，试件高度变化如图 所示，纵波波速变化如图 所示，损伤因子变化如图 所示。表 不同应力水平作用下试件损伤度 试件编号高度 初始声时值 测量声时值 纵波波速（）纵波波速均值（）损伤因子 注：，代表玄武岩纤维混凝土，代表应力水平为，代表试件编号为。年第 期应力损伤下玄武岩纤维混凝土内部孔隙结构及能量耗散试验研究图 不同应力水平作用下试件高度.图 不同应力水平作用下试件纵波波速.图 不同应力水平作用下试件损伤因子.由表 和图 可知，应力损伤作用下玄武岩纤维混凝土试件自身高度会随之降低，且应力水平越大，试件高度降幅越大，混凝土试件在浇筑成型过程中由于施工工艺、湿度及温差的影响，其内部会存在大量原生孔洞与裂隙。另一方面，纤维的掺入在一定程度上会增加混凝土材料的韧性，增加其本身变形能力，防止发生脆性破坏。循环应力作用下，试件沿垂直方向受力，内部裂隙被压缩，试件高度减小，且应力水平越高，试件变形量越大。由图 可知，不同应力水平作用下试件纵波波速先增大后降低，相对于无损伤试件，.、.、.、.应力下损伤试件纵波波速降幅分别为.、.、.、.，降幅及降幅增量明显增大，在应力作用下混凝土试件会受到“压密”及“损伤”两种作用，循环应力作用下试件内部原生裂隙被压缩，孔隙率降低，但同时试件会发生损伤，试件整体会发生变形，内部原生裂纹发生延伸并同时产生新裂隙；在.低应力水平作用下，试件内部裂隙压密量大于损伤程度，试件内部裂隙减少，其纵波波速随之增大，而随着循环应力幅值的增大，试件损伤程度大于压密作用，其整体性随之降低，纵波波速随之下降，且作用应力越大，波速降幅越明显。为对试件损伤度做定量分析，引入损伤因子，试件在不同应力水平作用下损伤因子变化规律如图 所示。在.作用下，试件损伤度为负值，试件在低应力水平作用下对试件起到增强作用，随着作用应力的增大，试件损伤程度增大，损伤因子值随之增加，其变化规律与纵波波速变化情况表现出一致性。.应力损伤下试件内部孔隙结构变化核磁共振技术可通过测量磁化后 质子能量释放速度与数量间的关系计算出试件内部孔隙流体的弛豫时间 分布，得到试件内部孔隙水的储存形式与占比，从而得到试件内部孔隙情况。驰豫时间 与试件内部孔隙尺寸间的关系如下式：（）式中：为材料弛豫强度，；为横向驰豫时间，；为孔隙比面积，。不同应力水平作用下玄武岩纤维混凝土 图谱如图 所示，其中横坐标 为驰豫时间，其值越大，孔隙半径越大，纵坐标为信号幅值，其幅值越大表示孔隙数量越多。图 不同应力水平下试件 图谱.年 月复合材料科学与工程 由图 可知不同应力水平作用下，玄武岩纤维混凝土 图谱呈三峰型，应力的变化使试件内部孔隙结构发生明显变化，所有试件第一个波峰幅值最大，弛豫时间在.内孔隙数目最多。随着应力水平的增大，试件 图谱峰值先降低后升高，相较于 作用试件，.、.、.应力作用下试件 图谱峰值分别降低.、.、.，.应力作用下试件 图谱峰值增加了.。二、三波峰值变化幅值相对较小，.应力作用时峰值幅值明显增加，图谱随应力水平增加先向左移动后向右偏移，说明随着应力水平作用的增大，试件内部孔隙数量及直径先减小后增大，.应力水平作用下试件 图谱峰值最低，位置偏左，此应力水平作用下试件内部裂隙数目及直径最小，试件孔隙率最低，.时试件峰值最大且位置偏右，试件内部孔隙数目最高且直径较大，这是由于低应力水平作用下试件内部原生裂隙被压缩，虽然应力作用会对试件造成损伤，试件内部原生裂纹扩展且有新生裂纹产生，但裂纹新生扩展程度低于试件原生裂隙压缩量，使得试件内部裂隙减少，孔隙率降低。而在.高应力水平作用时试件变形量较大，裂隙新生扩展程度大于压缩量，试件内部裂隙数目增大，孔隙率随之增大。为进一步探究不同应力水平作用下试件内部不同孔隙孔径占比及总孔隙率变化，根据相关研究成果将试件内部孔隙按孔径分布分为四种类型：微孔（.）、中孔（.）、大孔（.）、裂隙（）四个区间，其孔径分布图谱如图 所示，应力水平作用下试件内部孔径划分如图 所示，不同应力水平作用下试件内部孔隙分布如图 所示。图 不同应力水平作用下试件孔径分布.图 应力水平作用下玄武岩纤维混凝土内部孔径划分.图 不同应力水平作用下试件孔径占比分布规律.由图 可知不同应力水平作用下试件内部孔隙分布及孔隙率发生明显变化，、.、.、.、.应力作用下试件孔隙率分别为.、.、.、.、.，孔隙率先显著降低后增大；试件孔径分布图主要呈三峰型，第一个波峰峰值最大，孔径主要集中在 .间，.应力水平作用下其主峰峰值最小，.应力水平作用下三个波峰峰值均最高，说明低应力水平作用下试件孔隙数目、孔隙直径及孔隙率均减小，而高应力水平下孔隙数目、孔隙直径及孔隙率增大。为进一步探究不同应力水平作用下试件内部不同孔径孔隙占比，将试件内部孔隙按孔径大小分为微孔、中孔、大孔及裂隙，由图、图 可知应力作用下玄武岩纤维混凝土内部孔隙主要以微孔及中孔形式存在，两者占试件总孔隙的.以上，.、.、.应力作用下试件内部微孔占比明显增多，中孔占比减少，大孔及裂隙占总孔隙率的比重较小且变化不大，.应力水平作用下试件内部微孔占比显著降低，中孔、大孔及裂隙占比均增大，低应力水平作用下试件内部原生裂纹被压缩，试件内部中 年第 期应力损伤下玄武岩纤维混凝土内部孔隙结构及能量耗散试验研究孔向微孔转化，且总孔隙率随之减小，而高应力水平作用时试件在应力作用下发生损伤变形，原生裂纹在应力作用下发生扩展并同时产生新生裂纹，试件内部裂纹孔径增大，孔隙数目增加，孔隙率也随之增加。.应力损伤下试件应力应变曲线为进一步研究不同应力水平作用下损伤玄武岩纤维混凝土在静载作用下应力应变变化规律，通过单轴压缩试验测得试件强度及弹塑性变化规律，其应力应变曲线如图 所示，强度变化规律如图 所示。图 不同应力水平作用下试件应力应变曲线.图 不同应力水平作用下试件峰值应力.由图 可知玄武岩纤维混凝土具有良好的延性，在达到峰值应力后试件没有发生脆性破坏，变形量增大且还能承受一定的荷载。随着作用应力水平的增大，试件峰值应力、峰值应变随之降低，试件压密阶段变形量显著减少；由图 可知作用应力水平的增大使得试件峰值应力降低，且降幅增大，相对于应力水平作用下试件峰值应力均值，.、.、.、.应力作用时试件峰值应力分别降低.、.、.、.，由于在应力作用下试件会被压缩并发生损伤，因此试件压密阶段明显减少，且应力作用水平越高，试件压密程度越大，同时应力作用下试件内部会发生损伤使其承载能力降低，且应力水平越高，试件损伤程度越大，其承载能力降幅越大。.应力损伤下试件耗能特征试件在外荷载作用下发生变形，不考虑此过程中的热交换，由热力学第一定律可得下式：（）式中：为外力所做的总功，；为试件所存储的弹性变形能，；为荷载作用过程中用于试件损伤并产生塑性变形能，。试件在单轴压缩过程中各能量间的关系如图 所示，.应力水平作用后试件在单轴压缩过程中各能量变化如图 所示，不同应力水平损伤作用下试件各能量变化如表 所示，各能量计算可表示为：（）（）（）式中：为试件的应力，；为试件的应变，无量纲；为试件弹性模量，。图 各能量间的相互关系.图 作用下各能量变化趋势.年 月复合材料科学与工程表 不同应力水平损伤下试件各能量占比 试件编号总应变能 弹性应变能 耗散能 单位体积耗散能（）耗散能与总应变能之比 注：，代表玄武岩纤维混凝土，代表应力水平为，代表试件编号为。由图、图 可知试件在荷载作用下，各能量在不断变化，总应变能不断增加，由于试件受到.应力损伤作用后才进行单轴压缩试验，其内部原生裂隙已被压缩，试件开始受压时直接进入弹性变形阶段，弹性能与总应变能变化保持一致，耗散能没有增加，而试件在到达塑性变形阶段时，试件内部损伤量增大，弹性变形量减小，弹性变形能增幅降低，耗散能不断增加，随着荷载的继续作用，试件强度达到峰值并发生破坏，此时其弹性能量减少，耗散能进一步增加。为进一步研究不同应力水平损伤下试件耗能效果及损伤程度，将耗散能量与总输入应变能量之比视为机械损伤，不同应力水平作用下试件单位体积耗散能变化如图 所示，机械损伤度变化如表、图 所示，机械损伤度 定义为：（）图 不同应力水平作用下试件单位体积耗散能.图 不同应力水平作用下试件机械损伤度.由表 和图、图 可知随着作用应力水平的增大，玄武岩纤维混凝土试件单位体积耗散能随之降低，.应力作用下其耗散能降幅最大；应力损伤作用下试件应变量明显减小，机械损伤度均达到.以上，且随着作用应力水平的增大，试件机械损伤度小幅度增加。这是由于应力水平作用会对试件造成损伤，从而降低试件的耗能效果，应力水平越高，试件损伤度越大，耗能效果越低。应力水平作用下试件应变量明显降低，这是由于试件内部孔隙被压密，应力作用水平越高，试件内部孔隙率越低，其应变量越小，机械损伤度随应力水平的增大存在小幅度增大，应力损伤下试件弹性变形能减小，能量耗散率增加。结 论（）应力水平作用下混凝土试件内部原生裂隙被压缩，其高度随之降低，试件会受到“压密”及“损伤”两种作用，低应力水平作用时压密作用高于损伤作用，试件纵波波速及整体性得到增强，高应力水平下试件纵波波速显著降低，损伤度增大。年第 期应力损伤下玄武岩纤维混凝土内部孔隙结构及能量耗散试验研究（）玄武岩纤维混凝土 图谱呈三峰型且第一个波峰幅值最大，随着应力水平增加，试件波峰峰值先减小后增大，.应力水平作用下试件 图谱峰值最低，.时 图谱峰值最高，低应力水平作用下试件孔隙直径及数目减少，高应力水平作用下试件内部孔隙直径及数目增大。（）玄武岩纤维混凝土内部孔隙主要以微孔及中孔形式存在，随着应力水平增加，试件内部孔隙率先减小后增加，.、.、.应力作用下试件内部中孔向微孔转化，大孔、裂隙占比变化不大，.应力水平作用下试件内部微孔占比显著降低，中孔、大孔及裂隙占比均增大。（）玄武岩纤维混凝土的掺入增加了混凝土材料的延性，随着作用应力水平的增大，试件峰值应力、单位体积耗散均随之降低，机械损伤度小幅度增大，应力作用使试件吸能效果显著降低。参考文献 彭小芹，马铭彬，吴芳 土木工程材料 版 重庆：重庆大学出版社，：陈磊，李彬，滕桃居，等 混凝土高温力学性能分析 混凝土，（）：梅塔 混凝土微观结构、特性和材料 欧阳东，译 北京：中国建筑工业出版社，解国梁，申向东，刘金云，等 短切玄武岩纤维对混凝土抗氯离子侵蚀性能的影响 复合材料科学与工程，（）：尹玉龙 玄武岩纤维混凝土的力学性能和耐久性能研究 重庆：重庆交通大学，高真，曹鹏，孙新建，等 玄武岩纤维混凝土抗压强度分析与微观表征 水力发电学报，（）：侯敏，陶燕，陶忠，等 关于玄武岩纤维混凝土的增强机理研究 混凝土，（）：，陆俊，王建苗，李静，等 纤维增强再生混凝土抗拉性能的研究进展 建材技术与应用，（）：薛维培，刘晓媛，姚直书，等 不同损伤源对玄武岩纤维增强混凝土孔隙结构变化特征的影响 复合材料学报，（）：徐存东，黄嵩，李洪飞，等 盐冻作用下玄武岩纤维混凝土力学性能损伤研究 硅酸盐通报，（）：蒋建华，眭源，翁伟新 初始应力损伤对再生混凝土硫酸盐腐蚀的影响 河北工程大学学报（自然科学版），（）：，赵庆新，康佩佩 力学损伤对混凝土抗冻性的影响 建筑材料学报，（）：，赵庆新，许宏景，闫国亮 应力损伤对混凝土抗碳化性能的影响 建筑材料学报，（）：石东升，王安 矿渣细骨料混凝土孔隙结构对抗压强度的影响 混凝土，（）：刘娟红，周昱程，杨海涛，等 冲击荷载作用下的井壁混凝土能量与损伤特性 煤炭学报，（）：周浩，贾彬，黄辉 玄武岩纤维混凝土受拉性能试验研究与分析 建筑结构，（）：李德超，赵晨曦 玄武岩纤维混凝土基本力学性能研究 公路，（）：齐臻，刘保华，易恋，等 冲击荷载下油菜秸秆灰分混凝土的动态力学性质 湖南农业大学学报（自然科学版），（）：王倩倩，徐颖，汪海波，等 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