摘 "要：為揭示玄武巖纖維活性粉末混凝土（BFRPC）的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，針對(duì)長(zhǎng)度分別為6 mm和12 mm的纖維，分別成型了纖維體積摻量為0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%的玄武巖纖維活性粉末混凝土試件，并采用Φ50 mm的分離式霍普金森壓桿（SHPB）裝置進(jìn)行BFRPC沖擊壓縮試驗(yàn)，獲得BFRPC應(yīng)力-應(yīng)變曲線，研究玄武巖纖維體積摻量和沖擊應(yīng)變率對(duì)BFRPC動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、臨界應(yīng)變、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長(zhǎng)因子、動(dòng)態(tài)彈性模量和韌性的影響。基于BFRPC動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線和Z-W-T模型，建立BFRPC動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型。研究結(jié)果表明：玄武巖纖維的摻入能顯著提高活性粉末混凝土（RPC）的抗變形和吸能能力，BFRPC的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能隨著平均應(yīng)變率的增大而近似線性增長(zhǎng)；長(zhǎng)度為6 mm的纖維對(duì)BFRPC抗沖擊性能的提高效果更好，玄武巖纖維最優(yōu)摻量為0.2%；動(dòng)態(tài)損傷模型計(jì)算的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與試驗(yàn)結(jié)果相符，適用于BFRPC抗沖擊設(shè)計(jì)。研究結(jié)論為玄武巖纖維活性粉末混凝土的應(yīng)用提供理論參考。

關(guān)鍵詞：活性粉末混凝土；玄武巖纖維；動(dòng)態(tài)力學(xué)性能；應(yīng)變率；分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TU375 " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " " " " 文章編號(hào)：1008-0562（2024）04-0400-08

Experimental study on dynamic mechanical properties of basalt fiber reinforced reactive powder concrete

QI Zijiao， LYU Boyang， FANG Yanan， LI Haiyan*

（Department of Engineering Mechanics， Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang 050043， China）

Abstract： To investigate the dynamic mechanical properties of basalt fiber reinforced reactive powder concrete （BFRPC）， specimens with fiber volume fractions of 0.1%， 0.15%， 0.20%， 0.25%， and 0.30% were prepared using basalt fibers with lengths of 6 mm and 12 mm， respectively. BFRPC impact compression tests were conducted using a 50 mm diameter split Hopkinson pressure bar （SHPB） device to obtain the stress-strain curves of BFRPC. Meanwhile， the effects of basalt fiber volume fraction and impact strain rate on the dynamic compressive strength， critical strain， dynamic strength growth factor， dynamic elastic modulus， and toughness of BFRPC were studied. Based on the BFRPC dynamic stress-strain curves and the Z-W-T model， a dynamic damage constitutive model for BFRPC was established. The results show that the inclusion of basalt fibers can significantly improve the deformation resistance and energy absorption capacity of reactive powder concrete （RPC）. Dynamic mechanical properties such as dynamic compressive strength of BFRPC increase approximately linearly with increasing average strain rate; the length of the fibers of 6 mm is better for the improvement of the impact resistance of the BFRPC， and the optimal mixing amount of basalt fibers is 0.2%; the stress-strain curve calculated by the dynamic damage model is consistent with the experimental results， which is suitable for the design of BFRPC impact resistance. The research conclusions provide a theoretical reference for the application of basalt fiber reactive powder concrete.

Key words： reactive powder concrete; basalt fiber; dynamic mechanical properties; strain rate; split Hopkinson pressure bar test

0 "引言

玄武巖纖維活性粉末混凝土（BFRPC）是一種新型纖維混凝土，由高性能玄武巖纖維摻入活性粉末混凝土攪拌而成。玄武巖纖維的摻入可使RPC材料充分發(fā)揮其抗壓強(qiáng)度高、抗?jié)B性能優(yōu)及抗拉強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，從而提高其抵抗拉伸開(kāi)裂和沖擊變形的能力[1]。因結(jié)構(gòu)在使用期間可能會(huì)受到地震、沖擊等動(dòng)態(tài)荷載的作用，一些防護(hù)結(jié)構(gòu)更可能受到炮擊和爆炸等沖擊載荷的作用[2-3]。研究BFRPC在沖擊載荷作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能對(duì)材料的推廣應(yīng)用具有重要意義。

目前對(duì)玄武巖纖維普通混凝土靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究成果較多。RAMESH等[4]研究了體積分?jǐn)?shù)為0～2%的玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)特性，與普通混凝土相比，玄武巖纖維體積分?jǐn)?shù)為1.5%的混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂拉伸強(qiáng)度、彎曲極限強(qiáng)度分別提高了4.45%、22%和57%。ZHOU等[5]研究了玄武巖和聚丙烯纖維對(duì)增強(qiáng)堿礦渣（ASS）混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明在相同的纖維長(zhǎng)度和用量下，聚丙烯纖維不能像玄武巖纖維那樣有效提高AAS混凝土的強(qiáng)度。焦華喆等[6]研究了玄武巖纖維對(duì)玄武巖纖維/噴射混凝土基本力學(xué)性能及韌性的影響規(guī)律，結(jié)果表明添加BF可以顯著提高噴射混凝土的力學(xué)性能。已有研究表明，玄武巖纖維混凝土的抗沖擊性能隨纖維摻量的增加而增強(qiáng)，在同等纖維摻量下，6 mm短纖維對(duì)抗沖擊性能的增強(qiáng)效果優(yōu)于18 mm長(zhǎng)纖維[7-10]。

以往的研究多聚焦于改性玄武巖纖維普通混凝土，有關(guān)玄武巖纖維RPC動(dòng)態(tài)力學(xué)性能方面的研究有待進(jìn)一步深入。本文針對(duì)2種不同長(zhǎng)度的纖維分別成型了5種體積摻量的玄武巖纖維活性粉末混凝土試件，采用SHPB試驗(yàn)裝置，考察不同應(yīng)變率下BFRPC的沖擊壓縮力學(xué)性能，基于Z-W-T模型和試驗(yàn)結(jié)果，建立玄武巖纖維RPC動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型，為高性能混凝土材料抗沖擊設(shè)計(jì)提供參考，為玄武巖纖維RPC的推廣和應(yīng)用提供依據(jù)。

1 "試驗(yàn)概況

1.1 "原材料與配合比

選用石家莊企鵝牌P·O 42.5硅酸鹽水泥；四川朗天硅灰，SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%，比表面積為 " 20 000 m2/kg；河北靈壽鑫鼎S95型礦渣粉，比表面積為55 000 m2/kg；山東萊蕪紋河化工有限公司生產(chǎn)的FDN濃縮型高效減水劑，長(zhǎng)度分別為6 mm和12 mm的短切玄武巖纖維。本試驗(yàn)開(kāi)展2種纖維長(zhǎng)度、5種體積摻量，共10組試件的試驗(yàn)，具體試驗(yàn)配合比見(jiàn)表1。

1.2 "試驗(yàn)方案

（1）試件成型及養(yǎng)護(hù)

首先將攪拌機(jī)內(nèi)部充分潤(rùn)濕，并把預(yù)先稱量好的水泥、石英砂、硅灰、爐渣粉、減水劑等依次均勻注入JJ-5型行星式水泥膠砂攪拌機(jī)，并干拌 " " 1 min；然后在攪拌過(guò)程中緩慢加入適量水，濕攪拌約3 min；最后在攪拌過(guò)程中均勻撒入玄武巖纖維，攪拌約3 min出料。

攪拌完成后，將混凝土拌合物均勻注入

Φ50 mm×50 mm的試件模中，分層拌合搗實(shí)，并在50 Hz混凝土振動(dòng)臺(tái)上經(jīng)高頻振動(dòng)成型。將試件放置于干燥常溫室內(nèi)靜置約24 h后拆模并標(biāo)號(hào)。隨后將試件放入90 ℃的HJ-84型混凝土加速養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)3 d，再放入YH-40B型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28 d，拿出晾干后進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)。為避免試驗(yàn)時(shí)因試件兩端面不平整影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，沖擊試驗(yàn)前使用雙端面磨石機(jī)對(duì)試件進(jìn)行打磨處理。

（2）沖擊試驗(yàn)

采用直徑為50 mm的分離式霍普金森壓桿（split Hopkinson pressure bar，SHPB）進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。SHPB試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

2 "試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 "試件破壞形態(tài)

試件破壞形態(tài)見(jiàn)圖2、圖3，其中 為應(yīng)變率。

由圖2和圖3可知，隨著應(yīng)變率的增加，試件的破壞模式從劈裂破壞變?yōu)榉刍茐?；相同?yīng)變率范圍內(nèi)，0.25%玄武巖纖維體積摻量的試件破壞程度較輕，這歸因于纖維的橋接作用，但摻入纖維體積為0.3%的試件破壞反而加重，原因是隨著纖維體積摻量的增加，其在RPC的拌制成型過(guò)程中出現(xiàn)“團(tuán)聚現(xiàn)象”的幾率增大，從而引起孔隙率的增大，抵消了纖維分散性差異引起的橋接效應(yīng)。纖維長(zhǎng)度為6 mm的試件破碎程度小于纖維長(zhǎng)度為12 mm的試件，說(shuō)明同等纖維摻量下，短纖維可以更均勻地分散在試件內(nèi)部，更大程度地緩解了微裂縫的出現(xiàn)及發(fā)展。

2.2 "動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

通過(guò)處理應(yīng)變記錄儀采集的透射應(yīng)變及反射應(yīng)變數(shù)據(jù)，得到BFRPC的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見(jiàn)圖4。圖4中，l為玄武巖纖維長(zhǎng)度。

由圖4可知，玄武巖纖維的摻入提高了RPC的臨界應(yīng)變和極限應(yīng)變，說(shuō)明玄武巖纖維和基體的橋接作用有利于提高RPC的變形能力。隨著應(yīng)變率的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段基本重合，下降段整體向右上偏移，說(shuō)明試件的應(yīng)變持續(xù)積累，變形能力不斷增加。

3 "動(dòng)態(tài)力學(xué)性能指標(biāo)分析

依據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可求得相應(yīng)的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長(zhǎng)因子、峰值應(yīng)變、動(dòng)態(tài)彈性模量以及韌性等動(dòng)態(tài)力學(xué)性能指標(biāo)。

3.1 "動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度

不同應(yīng)變率下BFRPC的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度f(wàn)cd隨纖維摻量的變化見(jiàn)圖5。由圖5可知，BFRPC的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度具有明顯的應(yīng)變率相關(guān)性，應(yīng)變率越大，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度越大；摻入長(zhǎng)度為6 mm的玄武巖纖維時(shí)，隨著纖維體積摻量的增加，BFRPC的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)，體積摻量為0.2%時(shí)抗壓強(qiáng)度最大；與摻入纖維長(zhǎng)度為12 mm的試件相比，摻入纖維長(zhǎng)度為6 mm的試件動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度略高，原因是纖維長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，易導(dǎo)致試件內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生。

3.2 "動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長(zhǎng)因子

定義動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長(zhǎng)因子為

， " " " " " " （1）

式中，fc為準(zhǔn)靜態(tài)壓縮強(qiáng)度，取自課題組前期試驗(yàn)結(jié)果。

兩種不同纖維長(zhǎng)度的BFRPC動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長(zhǎng)因子相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2、表3，DIF隨纖維摻量的變化見(jiàn)圖6。

由圖6可知，玄武巖纖維RPC動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長(zhǎng)因子隨應(yīng)變率的增大而增大，說(shuō)明應(yīng)變率是影響B(tài)FRPC動(dòng)力性能的重要指標(biāo)。動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長(zhǎng)因子DIF隨纖維摻量的增加整體呈上升趨勢(shì)。與摻入纖維長(zhǎng)度為6 mm的試件相比，摻入纖維長(zhǎng)度為 " "12 mm的試件DIF增長(zhǎng)速率較小。原因是相同體積摻量下，6 mm纖維數(shù)量多于12 mm纖維，在基體中更易形成互相聯(lián)通的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，較大程度提高基體的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。與摻入纖維長(zhǎng)度為12 mm的試件相比，摻入纖維長(zhǎng)度為6 mm的試件DIF變化更穩(wěn)定，原因是長(zhǎng)纖維所引起的試件內(nèi)部缺陷較短纖維大，對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的增強(qiáng)作用不如短纖維。

3.3 "峰值應(yīng)變

不同應(yīng)變率下BFRPC峰值應(yīng)變 隨纖維摻量變化見(jiàn)圖7。隨著纖維體積摻量的增加，摻入6 mm

玄武巖纖維的RPC峰值應(yīng)變基本呈增大趨勢(shì)，而摻入12 mm玄武巖纖維的RPC峰值應(yīng)變先增大后減小，說(shuō)明短纖維對(duì)峰值應(yīng)變的提高效果更好。玄武巖纖維的摻入可以提高RPC的變形能力，且對(duì)于 "6 mm纖維，體積摻量為0.3%的RPC峰值應(yīng)變相對(duì)于體積摻量為0.1%的RPC提高了約30%。對(duì)于 " 12 mm纖維，因其在基體內(nèi)部的分布均勻性不如 " 6 mm纖維，導(dǎo)致試件內(nèi)部缺陷增大，且隨著纖維摻量增大，缺陷相對(duì)更大，導(dǎo)致峰值應(yīng)變降低。

3.4 "動(dòng)態(tài)彈性模量

通過(guò)計(jì)算對(duì)應(yīng)于坐標(biāo)原點(diǎn)和50%峰值應(yīng)力兩點(diǎn)之間的連線斜率確定動(dòng)態(tài)彈性模量Ed。試驗(yàn)得到動(dòng)態(tài)彈性模量隨應(yīng)變率的變化見(jiàn)圖8。因試驗(yàn)所得彈性模量較為離散，為觀察動(dòng)態(tài)彈性模量隨應(yīng)變率的變化規(guī)律，對(duì)相同應(yīng)變率范圍內(nèi)不同纖維摻量所對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)彈性模量取平均值。由圖8可以看出，隨著應(yīng)變率的增大，BFRPC的動(dòng)態(tài)彈性模量呈先增大后減小趨勢(shì)，且在應(yīng)變率為40～70 s-1時(shí)達(dá)到峰值。玄武巖纖維長(zhǎng)度及摻量對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量的影響無(wú)明顯規(guī)律。

3.5 "韌性

采用應(yīng)力-應(yīng)變曲線與坐標(biāo)軸圍成的圖形面積來(lái)衡量材料的韌性。不同應(yīng)變率下BFRPC韌性Smax隨纖維摻量的變化見(jiàn)圖9。

由圖9可以看出，分別摻入兩種長(zhǎng)度纖維的試件韌性均隨著應(yīng)變率的增大而增大，隨著纖維體積摻量的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)。玄武巖纖維體積摻量為0.2%時(shí)，韌性達(dá)到最大值。隨著應(yīng)變率的增大，試件沖擊破壞過(guò)程中吸收的能量明顯增大。

4 "動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型

4.1 "本構(gòu)模型建立

BFRPC可以看作是一種黏彈性材料。Z-W-T[11-12]本構(gòu)是一種非線性黏彈性本構(gòu)模型，考慮了高應(yīng)變率下混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)的遲滯黏彈性行為，因此采用Z-W-T本構(gòu)模型，模型可表示為

，（2）

式中： 為應(yīng)力，MPa； 為應(yīng)變； 為應(yīng)變率，s-1； 為平衡態(tài)應(yīng)力，MPa； 、 分別為低應(yīng)變率和高應(yīng)變率下松弛響應(yīng)的應(yīng)力，MPa； 、 、 為材料非線性彈性響應(yīng)的彈性常數(shù)； 、 為低頻、高頻麥克斯體的彈性常數(shù)，Gpa； 、 為低頻、高頻麥克斯體特征時(shí)間，s； 為時(shí)間，s； 為切應(yīng)力，MPa。

考慮到混凝土材料的變形量很小，且在試驗(yàn)中，應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段幾乎是線性的，因此舍去式（2）的應(yīng)變二次項(xiàng)及三次項(xiàng)。式（2）中2個(gè)積分式分別為具有不同松弛時(shí)間的Maxwell體，其中松弛時(shí)間為 的Maxwell體用于描述低應(yīng)變率時(shí)的黏彈響應(yīng)；松弛時(shí)間為 的Maxwell體用于描述高應(yīng)變率的黏彈響應(yīng)。由于SHPB試驗(yàn)中波形整形器的存在，沖擊壓縮試驗(yàn)可以看成近似恒定應(yīng)變率，式（2）中積分項(xiàng)簡(jiǎn)化為

。

考慮到材料在加載過(guò)程中的損傷演化[13-15]，采用由Weibull分布得到的損傷變量表達(dá)式為

， " （3）

式中：m、n為Weibull參數(shù)； 為材料損傷應(yīng)變閾值，對(duì)應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段中線彈性行為結(jié)束時(shí)的應(yīng)變，物理上表示微裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的開(kāi)始，因此 取0.1 ， 為峰值應(yīng)變?？紤]損傷的Z-W-T本構(gòu)方程為

。（4）

4.2 "擬合結(jié)果對(duì)比分析

準(zhǔn)靜態(tài)下可以忽略黏性項(xiàng)的影響，因此E0可由準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線得到，式（4）中需要擬合的參數(shù)有m、a、 、 、 、 。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)上述參數(shù)分別進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)表4。理論計(jì)算和試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖10，由于篇幅有限未全列出。

由圖10可以看出，理論計(jì)算曲線與試驗(yàn)實(shí)測(cè)曲線吻合較好，說(shuō)明采用改進(jìn)后的Z-W-T本構(gòu)方程來(lái)描述不同纖維摻量的玄武巖纖維活性粉末混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)具有較好的精度。

5 "結(jié)論

采用SHPB試驗(yàn)裝置完成了玄武巖纖維活性粉末混凝土在中低應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)沖擊壓縮試驗(yàn)。研究了纖維摻量、纖維長(zhǎng)度和應(yīng)變率對(duì)BFRPC動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，得到以下結(jié)論。

（1）BFRPC的沖擊損傷破壞程度隨著應(yīng)變率的增大而增大，摻入適量的玄武巖纖維能夠顯著提高BFRPC的抗變形能力。

（2）BFRPC的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、韌性等動(dòng)態(tài)力學(xué)性能指標(biāo)均表現(xiàn)出很強(qiáng)的應(yīng)變率依賴性，且隨著平均應(yīng)變率的增加呈近似線性增加。

（3）摻入適量的玄武巖纖維可以有效提高BFRPC的抗沖擊性能，玄武巖纖維最優(yōu)摻量為0.2%。摻入玄武巖纖維長(zhǎng)度為6 mm的RPC動(dòng)態(tài)力學(xué)性能優(yōu)于摻入纖維長(zhǎng)度為12 mm的RPC。

（4）動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型計(jì)算得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與試驗(yàn)曲線吻合較好，模型可以用于BFRPC抗沖擊設(shè)計(jì)。

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