高原 張偉?張海波 劉陳?沈哲

摘要：采用SHPB試驗裝置結合低溫恒溫循環(huán)系統(tǒng)，研究鋼纖維混凝土的低溫動力學性能。制作了不同摻量的鋼纖維混凝土試件，分別在常溫和低溫環(huán)境中對試件進行沖擊性能試驗，繪制各應變率下的應力應變曲線。結果表明：鋼纖維的摻入對混凝土的低溫動力學性能有顯著改善，當鋼纖維摻量由0%增至1%時，動強度提高約20%。鋼纖維摻量達到2%時，改善幅度下降，動強度變化不明顯，鋼纖維的最佳摻量為1.5%。

關鍵詞：鋼纖維；SHPB；低溫；應變

中圖分類號：TU502 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）23-0010-03

目前鋼纖維混凝土材料已廣泛應用于各類建筑工程和防護工程。在我國北方高寒地區(qū)，分布著許多機場工程、飛機洞庫，這些結構中的鋼纖維混凝土材料，除了要承受設計靜荷載、爆炸沖擊動荷載外，往往還要承受由于溫度急劇變化帶來的溫度附加荷載，這些溫度附加荷載在設計時并沒有考慮。但是，鋼纖維混凝土材料構件在溫度荷載和沖擊動荷載作用下，結構抗力和強度會明顯降低，材料出現(xiàn)損傷，甚至破壞，影響使用壽命，給高寒地區(qū)防護工程帶來嚴重的不利影響。目前，有關溫度對混凝土及纖維混凝土材料力學性能影響規(guī)律方面的研究文獻資料較少，特別是在低溫和動載共同作用下混凝土及纖維混凝土材料的力學性能及其損傷機理研究更少。因此，開展低溫下素混凝土和鋼纖維混凝土的動力學性能以及損傷研究，對軍事工程中混凝土和鋼纖維混凝土結構的設計以及使用壽命的估計極為重要，具有重要的學術和工程應用價值。

山根昭、門佛爾等學者認為混凝土抗壓強度在低溫下有提高，且溫度越低，強度的提高越大，靜彈性模量也是隨溫度下降而提高，但其增長率比抗壓強度小；抗拉強度在低溫狀態(tài)下也有提高。目前，國內(nèi)大多數(shù)混凝土材料SHPB試驗是在室溫情況下進行的，低溫下的鋼纖維混凝動態(tài)力學性能研究和本構模型研究相對較少。本次試驗主要模擬寒區(qū)鋼纖維混凝土結構在低溫環(huán)境下的動力學性能變化，測試不同摻量的鋼纖維試件在-40℃情況下的動力學性能變化。傳統(tǒng)的混凝土材料SHPB試驗研究大多使用電阻應變片進行測量，實踐中發(fā)現(xiàn)當透射波較小時，在透射桿上貼半導體應變片所測試驗結果更為精確，且有利于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。因此本試驗中透射桿應變片為半導體應變片。另外為了使試件在試驗過程中始終處于穩(wěn)定的低溫狀態(tài)，在試驗裝置中增加了低溫恒溫裝置系統(tǒng)以保持試件的溫度。

1 試驗材料及試件制作

1.1 試驗原材料

1.1.1 試驗用鋼纖維選用山東路邦金屬纖維科技有限公司生產(chǎn)的銑削型鋼纖維，纖維直徑D=0.2mm，長度L=10～15mm。

1.1.2 水泥采用徐州中聯(lián)水泥廠生產(chǎn)的標號為32.5的復合硅酸鹽水泥。

1.1.3 細骨料為洗凈河沙，細度模數(shù)2.6。

1.1.4 粗骨料為洗凈連續(xù)粒級碎石，最大粒徑12mm。

1.1.5 減水劑使用山東同盛建材有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑。

1.2 試件制作

1.2.1 素混凝土試件制作。本試驗素混凝土設計強度為C30。根據(jù)《水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG-E30-2005）中混凝土配比要求和方法，經(jīng)試配后確定本試驗所用混凝土配合比如表1所示。

1.2.2 鋼纖維混凝土試件制作。本試驗鋼纖維混凝土配比是在素混凝土基體強度上進行設計。參照有關資料規(guī)范：每增加0.5%鋼纖維，1m3混凝土增加水8kg，砂率增加3%，其他材料在水灰比不變的條件下做相應的變化。試驗結合以上方法對鋼纖維混凝土的配比進行調(diào)整，共設計了3種含量鋼纖維混凝土試件。配比如表2所示。

試件制作主要依據(jù)《鋼纖維混凝土試驗方法》，制作時，混凝土先用攪拌機預拌除纖維外的其他材料，然后逐漸投入鋼纖維，當全部投完后再攪拌1分鐘，將拌和物倒入Φ74mm×34mm的標準圓柱形試模，并在振動臺上振實后放入標準養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護28d。試件養(yǎng)護完成后經(jīng)磨平機磨平，以保證兩端面不平行度和不垂直度均小于0.02mm。

2 試驗裝置及試驗方案

本試驗使用空軍勤務學院材料動力學實驗室直徑為74mm的SHPB實驗系統(tǒng)。進行低溫試驗時采用自制低溫恒溫循環(huán)系統(tǒng)，主要分為低溫恒溫液浴循環(huán)裝置和低溫保溫裝置兩部分。

本試驗將四種不同含量的鋼纖維混凝土試件（體積比分別為0%、1%、1.5%、2.0%）放入低溫交變試驗箱，降溫至-40℃并保持24h后，取出試件進行低溫動力學試驗研究。試驗方案設計如表3所示。

3 試驗結果及數(shù)據(jù)分析

本試驗在低溫狀態(tài)（-40℃），對素混凝土以及3種不同摻量的鋼纖維混凝土在3個應變率等級下，各進行3組SHPB沖擊試驗。試驗數(shù)據(jù)如表4所示。

在表4數(shù)據(jù)可以看到，低溫環(huán)境下，鋼纖維摻量從0%提高到1%時，峰值應力沒有明顯變化，且當氣壓為0.6MPa，應變率提高至80s-1時，鋼纖維混凝土較素混凝的動強度反而略有下降，這可能是由于，低摻量的鋼纖維取代水泥基材后，增加了混凝土的空隙率，試件整體性能受到損失，鋼纖維的增強效果尚不足以彌補這一損失，試件的動強度下降。

當鋼纖維體積率增長至1.5%時，試件峰值應力在不同應變率下分別增至78.43MPa、85.91MPa、87.36MPa，相對素混凝土動強度提高了19.52%、18.96%、17.04%?？梢?，在（0～1.5%）范圍內(nèi)，鋼纖維摻量與動強度提高呈正相關，動強度隨纖維摻量的提高而上升，且上升幅度明顯。因此，為提高混凝土的動強度而摻入適量的鋼纖維十分必要、有效。

圖1 -40℃鋼纖維混凝土動應力-動應變曲線

鋼纖維體積率為2.0%的試件相對鋼纖維體積率為1.5%的試件動強度增加很少，出現(xiàn)上述情況是因為當鋼纖維含量增大到一定程度后，在混凝土攪拌工程中，鋼纖維容易結團。而鋼纖維長度增大，這種現(xiàn)象更加明顯，會造成混凝土基體的孔隙率增多，導致鋼纖維與混凝土基體之間的界面粘結力下降。如果繼續(xù)提高鋼纖維的摻量可能會導致試件的動強度下降。因此，鋼纖維混凝土的增強作用，除了取決于鋼纖維體積率外，還取決于鋼纖維成型工藝、基體間的界面粘結系數(shù)等因素。片面地加大鋼纖維摻量，不能充分發(fā)揮鋼纖維的增強效果。根據(jù)上述結論，結合經(jīng)濟效益因素，在工程中可以選擇1.5%作為鋼纖維混凝土的最佳摻量。

通過試驗和數(shù)據(jù)處理，得到其應力-應變曲線如圖1所示。由圖1可以看出，在-40℃的環(huán)境下鋼纖維混凝土材料是應變率敏感材料，對于各摻量的鋼纖維試件來說，其動彈性模量和峰值應力均隨應變率的增大而呈增大趨勢。平均應變率的變化主要由氣壓變化引起。以鋼纖維含量1%為例，氣壓由0.3提高到0.4，平均應變率提高31%，而此時峰值應力隨之提高4MPa。而氣壓提高0.6后，平均應變率提高20.3%，增幅減緩，但峰值應力仍提高了7MPa，這說明低溫環(huán)境中，應力應變兩者關系不是線性的，在接近應力峰值區(qū)域，應變率提高，應力變化加速。

4 結語

（1）鋼纖維的加入對混凝土的動態(tài)力學性能有較大的提升。鋼纖維摻量增加，混凝土的峰值應力和動彈模量也隨之提高。鋼纖維摻量在0%～1%區(qū)間時，混凝土應力峰值增長幅度明顯，動強度提高了約20%。

（2）當鋼纖維的摻量增長至1.5%時，峰值應力提高20%，動強度顯著改善；繼續(xù)提高鋼纖維的摻量至2.0%時，混凝土的動強度雖然有所增強，但比較1.5%摻量時，增強效果不明顯。在工程中可以選擇1.5%作為鋼纖維混凝土的最佳摻量。

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作者簡介：高原（1989—），男，空軍勤務學院學員二隊碩士研究生，研究方向：作戰(zhàn)工程保障；張偉（1969—），男，空軍勤務學院機場工程與保障系教授，博士，研究方向：作戰(zhàn)工程保障。