仰 濤, 王寶珍, 羅皓鵬

(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

混凝土是一種應用極為廣泛的建筑材料,但素混凝土脆性特征明顯,抗拉強度低,抵抗裂紋的能力較弱,因此應用時有一定的局限性。通過在素混凝土中加入各類纖維,可以提高混凝土的抗拉性能、韌性及抗裂性能等。不同于鋼纖維對混凝土的增強性能,柔性纖維對混凝土的改性主要體現(xiàn)在韌度方面,可以提高混凝土結構在高速沖擊時的緩沖吸能性能。柔性的天然植物纖維(如黃麻、劍麻、椰殼及竹纖維等)均可取自于大自然,通過大量種植來獲得。相比于人工合成纖維,天然纖維擁有易于獲取、價格低廉、可降解及綠色環(huán)保等優(yōu)點。隨著全世界對環(huán)境問題的日益關注,天然纖維在建筑材料中的合理利用近來引起了研究者的極大興趣[1-2],不僅如此,對于一些大量種植農作物的發(fā)展中國家來說,天然纖維代替合成纖維的使用則有著更為重要的意義。

20世紀90年代中期,埃及的M.Samir對棕櫚樹葉纖維混凝土進行了研究,從微觀角度解釋其對混凝土抗拉強度的增強機理。文獻[3]在較高的纖維含量下,紅麻纖維混凝土抗壓強度略低于普通混凝土,但試樣的裂縫更均勻,在彎曲破壞時更表現(xiàn)出了延性破壞的特征,可應用于抗沖擊構件;文獻[4]研究發(fā)現(xiàn)黃麻纖維能夠抑制裂縫的延伸,減少裂縫尖端的應力集中現(xiàn)象,并能延緩裂縫的擴展速度;文獻[5]發(fā)現(xiàn)摻入黃麻纖維降低了砂漿的平均相對開裂指數(shù),明顯改善了砂漿的抗裂性能。

對植物纖維混凝土動態(tài)力學性能的研究要滯后于靜態(tài),目前尚處于起步階段。文獻[6]提出與素混凝土相比較,劍麻纖維混凝土的抗沖擊性能最高提升近30%;文獻[7]中短散黃麻纖維對混凝土抗拉、抗彎性能有較好提升,纖維在承受沖擊破壞中存在被拔出和斷裂的現(xiàn)象,表現(xiàn)出了對能量的吸收等特性;文獻[8]通過落錘試驗得出，摻入混雜竹纖維可延緩混凝土的初期開裂,并且提高混凝土的整體變形能力,起到增韌和吸能的作用。以上研究著重討論植物纖維影響混凝土力學性能的機理,得到了一些有意義的定性結論。但對于植物纖維混凝土的力學性能隨應變率和纖維含量變化的定量分析存在不足,不利于工程應用。本文基于分離式霍普金森壓桿(split-Hopkinson pressure bar,SHPB)單軸沖擊壓縮試驗,研究黃麻纖維混凝土(jute fiber reinforced concrete,JFRC)的動態(tài)力學行為。分析其抗壓強度的應變率效應,定義韌度指數(shù)來反映纖維混凝土的吸能特性,得到了動態(tài)增強因子和韌度指數(shù)隨應變率、纖維體積分數(shù)變化的經(jīng)驗公式。這些研究有利于促進植物纖維混凝土在建筑行業(yè)中的應用。

1 試 驗

1.1 試樣制備

試樣混凝土材料配合比見表1所列。

表1 混凝土配合比

其中水泥標號為P·O 32.5R,碎石的最大粒徑為10 mm。試樣中添加長度約20 mm的黃麻纖維,如圖1所示,黃麻纖維的特性參數(shù)見表2所列。

圖1 試樣中的黃麻纖維

表2 黃麻纖維特性參數(shù)

本文共制作了5種組別試樣,其黃麻纖維體積分數(shù)φJ分別為0%(素混凝土)、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%,采用濕法混合[9],有利于纖維和骨料充分拌和。將攪拌好的混凝土拌合物裝入刷好脫模劑的模具中,分層搗實、抹平放到振動臺上振動,待表面浮現(xiàn)水泥漿時停止振動,最后抹平收漿。將成型的試樣水平放置24 h后拆模,編號后標準養(yǎng)護28 d。試樣包括用于動態(tài)的直徑70 mm、厚度35 mm的圓盤試樣和用于靜態(tài)實驗的直徑70 mm、高度150 mm的圓柱試樣,動態(tài)試驗試樣如圖2所示。為保證試驗結果準確性,對標準養(yǎng)護后的試樣端面進行磨削加工,控制其表面不平整度在0.05 mm以內。

圖2 試驗試樣

1.2 試驗方法

靜態(tài)試驗和動態(tài)壓縮試驗分別采用電子萬能試驗機和直徑74 mm直錐變截面SHPB完成。電子萬能試驗機如圖3所示,采用恒速率加載至試件破壞,記錄破壞荷載,對不同纖維體積分數(shù)的試樣進行3次重復試驗,取平均值。SHPB實驗裝置簡圖如圖4所示。

圖3 靜態(tài)壓縮試驗裝置

圖4 動態(tài)壓縮試驗裝置簡圖

根據(jù)壓桿上電阻應變計測量得到入射波εi(t)、反射波εr(t)和透射波εt(t),采用經(jīng)典兩波法得到試樣的應力-應變曲線和應變率時程曲線,即

(1)

圖5 不同應變率下JFRC的應力-應變曲線

圖6 不同體積分數(shù)JFRC的應力-應變曲線

2 試驗結果及分析

2.1 動態(tài)應力-應變曲線及破壞形態(tài)分析

從圖5可以看出,不同應變率下,黃麻纖維混凝土的應力-應變曲線具有顯著的應變率效應,其抗壓強度隨應變率的增加而增加,增加的幅度同時又與纖維的體積分數(shù)有關;抗壓強度對應的破壞應變也隨著應變率的增加而增加。

從圖6可以看出,在相近應變率下,所有類別混凝土應力-應變曲線的初始階段基本呈線性且重合,與素混凝土相比,黃麻纖維混凝土雖然抗壓強度有所降低,但破壞應變有所提高,其線性段之后的應力-應變曲線呈現(xiàn)曲率更小的圓弧,卸載段更平緩。

從圖7可以看出,相近應變率下,素混凝土試驗后呈散塊狀碎裂破壞,隨著纖維體積分數(shù)的增加,試驗后試樣的完整性越來越好,纖維體積分數(shù)1.5%時試樣形態(tài)最完整,體積分數(shù)增加至2.0%時,試樣形態(tài)雖然基本完整,但裂縫顯著增多。

結合黃麻纖維混凝土的微觀結構對上述試驗現(xiàn)象進行分析可知，在受力變形過程中,首先混凝土基體起主要承載作用,此時微裂紋緩慢擴展,纖維的作用不顯著,應力-應變曲線表現(xiàn)為相同的近似線彈性階段。而進入裂紋快速擴展階段后,纖維對于混凝土基體具有如下2種作用：① 增加了原始缺陷；② 細化裂紋并對裂紋擴展有橋聯(lián)阻裂作用。其中原始缺陷的增加導致混凝土承載能力降低,裂紋的細化及纖維阻裂則反映在應力-應變曲線上升段及卸載段更平緩、抗壓強度對應的應變更大及破壞后試樣的完整性更好,即試樣的韌性隨纖維的加入而改善。

2.2 黃麻纖維混凝土抗壓強度

2.2.1 準靜態(tài)抗壓強度與纖維體積分數(shù)的關系

文獻[10]指出,雖然許多因素都影響著應變率對混凝土抗壓強度的增強效應,但混凝土的靜態(tài)強度始終具有至關重要的影響。試驗得到的混凝土靜態(tài)抗壓強度隨纖維體積分數(shù)的變化關系如圖8所示,其值在基體強度20%范圍內波動。黃麻纖維摻入混凝土將產(chǎn)生2種效應:一方面增加了混凝土內部缺陷,原生裂紋數(shù)量更多;另一方面黃麻纖維在裂紋擴展中具有橋聯(lián)阻裂作用?；炷领o態(tài)強度的波動正體現(xiàn)了這2種效應的耦合關系:① 摻入纖維后纖維產(chǎn)生缺陷的影響總體大于其阻裂效應,但纖維摻量的不同,使2種效應造成的影響也不同;② 當摻入纖維體積分數(shù)較低時,纖維產(chǎn)生缺陷的影響較大,混凝土強度下降較大;③ 繼續(xù)增加纖維摻量,其阻裂效應增強,混凝土強度回升;④ 若纖維摻入超過一定比例,則混凝土強度將再次下降。因此,從維持混凝土靜態(tài)抗壓強度方面,黃麻纖維的摻量有一個最佳比例,本文得到的為1.5%,此時纖維混凝土強度比基體強度僅下降約5%。

圖8 準靜態(tài)下不同體積分數(shù)JFRC的抗壓強度

2.2.2 動態(tài)抗壓強度與應變率的關系

動態(tài)抗壓強度是衡量材料在動荷載作用下的強度規(guī)律的重要力學性能指標。為了更明確反映強度的應變率效應,本文采用黃麻纖維混凝土的動態(tài)與靜態(tài)抗壓強度的比值-動態(tài)增強因子[11](dynamic increase factor,DIF)進行研究。采用下列函數(shù)來描述:

(2)

(3)

其中:φJ為黃麻纖維的體積分數(shù),擬合結果如圖9所示,其中JFRC的5條擬合曲線的相關系數(shù)R2范圍為0.95～0.98。

圖9 JFRC的動態(tài)強度增強因子-應變率曲線

根據(jù)圖9和(2)式、(3)式可知:① 黃麻纖維混凝土抗壓強度的動態(tài)增強因子隨應變率的增加顯著增加,但相近應變率下基本都小于素混凝土;② 在相近應變率下,隨著纖維體積分數(shù)的增加,動態(tài)增強因子降低;③ 隨纖維體積分數(shù)增加,動態(tài)增強因子隨應變率增加的趨勢更平緩。因此,黃麻纖維混凝土抗壓強度的動態(tài)增強因子對應變率的敏感性要低于素混凝土,并且纖維體積分數(shù)越高這種敏感性就越低。

2.3 黃麻纖維混凝土吸能特性分析

根據(jù)上述分析,黃麻纖維對混凝土性能的提高主要表現(xiàn)在增韌方面。在動態(tài)下既能有效改善混凝土脆性破壞特點,又提高其破壞階段的緩沖吸能能力。材料的總吸能特性可以通過總應變能密度反映,但它是強度和延性的綜合體現(xiàn),不足以反映纖維在混凝土破壞階段的作用。借鑒鋼纖維混凝土韌度指數(shù)[12]的定義,采用韌度指數(shù)η來反映加入黃麻纖維后混凝土吸能性能,即

(4)

其中,Wmax為總的應變能密度;W0.85fdc為應力值達到抗壓強度85%時對應的應變能密度,主要反映基體彈性變形吸收能量。這樣定義的η消除了材料強度對吸能性能的影響,η越大則黃麻纖維混凝土卸載段吸收的能量越多。韌度指數(shù)η隨應變率的變化關系如圖10所示。

圖10 JFRC韌度指數(shù)-應變率曲線

不同應變率下韌度指數(shù)η隨纖維體積分數(shù)的變化關系如圖11所示,根據(jù)其形態(tài),選擇二次函數(shù)進行擬合，即

(5)

其中,A為某一組應變率下素混凝土的韌度指數(shù)η;B、C為擬合參數(shù)。B、C由試驗數(shù)據(jù)擬合為:

(6)

圖11的4條擬合曲線相關系數(shù)R2的范圍為0.95～0.97。

從圖10、圖11可以看出,黃麻纖維混凝土韌度指數(shù)η均大于素混凝土,黃麻纖維的摻入改善了混凝土的韌度,提升了吸能能力。隨著應變率增加韌度指數(shù)先增加后降低。這是由于在高應變率下,混凝土由韌轉脆的機制使得試樣的韌性降低。對稱軸為韌度指數(shù)η達到最大時對應的φJ值,即某一應變率下吸能最優(yōu)的纖維體積分數(shù)見表3所列,表3中數(shù)據(jù)均在1.5%左右。結合抗壓強度與體積分數(shù)之間的關系可知，在體積分數(shù)為1.5%時,黃麻纖維混凝土擁有最佳的吸能性能,同時也具有摻入纖維后的最高抗壓強度。

圖11 JFRC韌度指數(shù)-體積分數(shù)曲線

表3 η-φJ擬合曲線的系數(shù)

3 結 論

本文利用SHPB實驗裝置,對黃麻纖維混凝土的動態(tài)壓縮力學性能進行了研究,主要結論如下:

(1) 黃麻纖維的加入有效提高了混凝土的韌性。破壞應變的變化規(guī)律、應力-應變曲線更為平緩的卸載段以及試樣破壞形態(tài)完整性的改善均驗證了這點。

(2) 黃麻纖維混凝土抗壓強度的動態(tài)增強因子隨著應變率增加而增加,在相近應變率下,黃麻纖維混凝土抗壓強度動態(tài)增強因子小于素混凝土,并且纖維體積分數(shù)越高,其值越小。在試驗數(shù)據(jù)的基礎上提出了經(jīng)驗公式。據(jù)此公式可知,隨著應變率增加,黃麻纖維混凝土的動態(tài)抗壓強度增加。同時,動態(tài)抗壓強度可以看作是靜態(tài)抗壓強度、應變率效應以及纖維體積分數(shù)三者耦合的結果。

(3) 為了量化纖維的吸能作用,提出了韌度指數(shù)的經(jīng)驗公式。黃麻纖維混凝土的韌度指數(shù)均大于素混凝土,黃麻纖維的體積分數(shù)在1.5%左右時韌度指數(shù)最大,吸能效果最明顯。