塑钢混杂纤维轻骨料混凝土的动力学性能

王 丹，郭志昆，邵 飞，陈万祥

（解放军理工大学，南京210007）

轻骨料混凝土因其轻质、高强、抗震性能和耐久性好等优点成为近年来很受欢迎的建筑材料，但轻骨料混凝土也存在着弹性模量小、抗拉强度低和脆性较大等缺点。在轻骨料混凝土中掺入混杂纤维可有效改善其比强度，并大大提高其韧性。目前对混杂纤维轻骨料混凝土的研究主要集中在高模量纤维与低模量纤维混掺的情况，虽然对混凝土基体性能有所改善，但高模量纤维密度较大，随着纤维含量的提高，会增加混凝土的容重，对轻骨料混凝土不利。塑钢混杂纤维轻骨料混凝土由微细的聚丙烯纤维和较粗的塑钢纤维混和掺入混凝土基体中，直径较小的聚丙烯纤维减少混凝土凝固时产生的初始缺陷，并在加载时跨接混凝土的微细裂缝，阻止早期微裂缝的扩张；直径较大的塑钢粗纤维阻止较大裂缝的扩展，共同对混凝土裂缝的开展起约束作用，从而在不同层次上对混凝土起增强、增韧作用［1］。塑钢混杂纤维轻骨料混凝土与其他混杂纤维轻骨料混凝土相比具有轻质的优点，而且还具有更高的强度和更好的韧性。故在对结构构件的自重要求较高的防护工程加固领域，塑钢混杂纤维增强轻骨料混凝土材料具有较高的应用价值。在冲击、爆炸等动荷载作用下，材料的强度、弹性模量等参数都会有明显提高，其性能也不同于静态荷载下的性能。因此，针对塑钢混杂纤维轻骨料混凝土的动态力学性能进行全面系统地试验研究，具有重要的理论和现实意义，将为塑钢混杂纤维轻骨料混凝土在军事工程中的应用提供依据。

分离式Hopkinson压杆装置是研究材料动态力学性能的重要工具。国外20世纪80年代就采用大尺寸的分离式Hopkinson压杆（split Hopkinson pressure bar，SHPB）装置对混凝土进行冲击压缩、拉伸试 验。英 国 的Pullen 等［2］和Perters等［3］，美国的Tedesco 和Bhargava 等曾分别采用直径为51、76.2和100mm 的SHPB 装置对混凝土和砂浆进行试验［4--5］。胡时胜等［6］采用改进的直锥变截面式74mm 直径Hopkinson压杆，成功进行了混凝土冲击压缩实验。因此，采用100mm SHPB 装置对塑钢混杂纤维增强轻骨料混凝土进行了冲击压缩试验，得到了塑钢混杂纤维轻骨料混凝土在不同应变率和不同加载方式时的动态力学性能参数和变化规律。

1 试件制备

1.1 原材料

塑钢混杂纤维增强轻骨料混凝土的原材料有：高强粉煤灰陶粒（粒径5～16mm，筒压强度8.75MPa，堆积密度920kg／m3）、江砂（密度2 600kg／m3，细度模数2.6）、42.5R 级普通硅酸盐水泥（密度3.1g／cm3，抗压、抗折强度分别为53.2MPa、9.2MPa）、微硅粉（SiO2含量大于90%，密度为2.21g／cm3，比表面积20m2／g）、JM-A 型萘系高效减水剂（粉态，减水率20%以上）。混杂纤维为塑钢纤维［高性能改性聚丙烯（high performance modified polypropylene，HPP）］和聚丙烯纤维（PP纤维）的混合，文中塑钢混杂纤维轻骨料混凝土均指的是塑钢纤维--聚丙烯纤维增强轻骨料混凝土。塑钢纤维又称塑料钢筋，采用聚丙烯改性高分子聚合物为主要原料，经过特殊技术工艺生产而成。它外观呈波浪形，抗拉强度高，弹性模量大，抗酸碱能力强，具备钢筋，钢纤维的功能，又有合成纤维的优点。与钢纤维相比，塑钢纤维能快速分散，无腐蚀性，重量轻，装卸方便，比细合成纤维在混凝土中能够有更大的掺量。HPP纤维和PP纤维的主要性能指标见表1。

表1 纤维主要性能指标Table 1 Main performance indexes of fibers

1.2 试件制作

轻骨料混凝土配合比及纤维掺量见表2。

表2 塑钢混杂纤维轻骨料混凝土试验配合比Table 2 Concrete mixture ratio of HPP hybrid fibers reinforced LC

为了防止纤维在轻骨料混凝土基体中分布不均，试验采用干拌法对混凝土进行拌合。干拌法不仅有利于陶粒与水泥基体的粘结，而且利于纤维的均匀分散。纤维分多次缓慢加入，绝不能一次投入，搅拌时间比素轻骨料混凝土适当延长。塑钢纤维表面具有亲水性，与基体有良好的亲和力，在轻骨料混凝土中的分散性较好，未发现纤维结团现象。

所有混凝土试块成型后均在室温下放置24h后拆模，然后立即放入标准养护室中养护。28d后进行各项测试。塑钢混杂纤维轻骨料混凝土的立方体抗压强度为57.3MPa，劈裂抗拉强度为5.98MPa。

SHPB试验试件采用取芯的方法制作，满足养护条件后取芯、切片，并通过磨削处理保证试件表面的平整度。试件尺寸为96mm×50mm（见图1）。

2 试验及分析

2.1 冲击压缩试验

试验采用直径为100mm 的SHPB 装置，对22个直径为96 mm、厚度为50 mm、平均密度为1.803g／cm3的塑钢混杂纤维增强轻骨料混凝土试件进行了冲击压缩试验。

图1 冲击压缩试验的试件Fig.1 Specimens for impact compression test

塑钢混杂纤维增强轻骨料混凝土的冲击压缩试验分以下3 种情况进行。1）A1～A8、A11、A19、A22号试件分别进行一次冲击试验使其破坏，子弹发射压力为0.40～0.60MPa，应变率范围为60～110／s；2）A12～A17号试件进行恒定压力多次冲击试验至最终破坏，子弹发射压力为0.25 MPa；3）A9、A10、A18～A21号试件进行递增压力多次冲击试验至最终破坏，子弹发射压力为0.20～0.45MPa。

为消除大直径压杆质点横向惯性运动引起的弥散效应，减小波形振荡的幅值，增加脉冲的上升沿时间，以达到试件内部应力均匀的目的［6］。在子弹撞击缓冲杆之间的端面上贴上直径为45mm，厚度约1mm的硬纸片，整型得到的入射波类似半圆形，提高了加载上升沿，便于得到合适的透射波和反射波。根据测得的入射波、反射波和透射波，经换算，可以得到每次试验时试件应力、应变、应变率随时间变化的过程和试件的应力--应变曲线。

2.2 试验分析

2.2.1 不同压力一次冲击试验 11个塑钢混杂纤维增强轻骨料混凝土试件在不同的应变率下经一次冲击试验即破坏。子弹发射压力0.40MPa，应变率为61／s时试件A8的应力应变曲线见图2。子弹发射压力0.50MPa，应变率为80／s时试件A3、A19和A22的应力应变曲线见图3。从图3可见，曲线吻合较好，试验结果可信。对相近应变率下的试件的强度、峰值应变等参数取平均值见表3。试件典型破坏形态如图4。

图2 试件A8的应力（σ）--应变（ε）曲线Fig.2 Stress（σ）--strain（ε）curve of specimen A8

图3 相同条件下试件A3、A19和A22的应力--应变曲线Fig.3 Stress--strain curves of specimens A3，A19and A22 under the same condition

表3 相近应变率下试件的性能参数的试验结果Table 3 Test results of performance parameters of specimens under similar strain rates

由表3可知，塑钢混杂纤维增强轻骨料混凝土同普通混凝土一样，在冲击载荷作用下表现出明显的应变率效应［7］。首先，动强度随应变率的增加而增加，但随着应变率的提高，增强效应有所减弱。在应变率为61～110／s范围内，塑钢混杂纤维增强轻骨料混凝土材料的破坏强度是其静载条件下抗压强度的1.18～1.65倍，这是由于材料在高应变率条件下与准静载条件下不同的破坏机理造成的。静载条件下试件的破坏沿最薄弱界面进行，最终形成单条或几条主裂纹而破坏。而高应变率条件下，由于变形速度很快，裂纹的扩展来不及沿最薄弱截面进行，而是在多区域同时形成多条裂纹，因而要求更多的能量；其次，峰值应变也表现出明显的应变率效应（材料的强度和应变在动荷载条件下随应变率而改变的特性）。一般应变率敏感的材料在冲击压缩下表现出随应变率提高应力增加而对应的应变减小，而塑钢混杂纤维增强轻骨料混凝土的试验结果有所不同。这是因为，混凝土材料内部存在大量的微裂纹等缺陷，其破坏受到应变率硬化和损伤软化两种效应共同作用的结果。在加载的初始阶段，损伤小，应变率硬化起主导地位，初始弹性模量增大。随着载荷的增加，损伤演化加剧，在集料相、砂浆相和过渡相同时产生大量的微裂纹，增加能量耗散，推迟裂纹的不稳定扩展，提高了混凝土材料的韧性。同时，塑钢纤维和聚丙烯纤维纤维的掺入也在一定程度上提高了轻骨料混凝土的韧性。直径较小的聚丙烯纤维减少混凝土凝固时产生的初始缺陷，并在加载时跨接混凝土的微细裂缝，阻止早期微裂缝的扩张；直径较大的塑钢粗纤维阻止较大裂缝的扩展，共同对混凝土裂缝的开展起约束作用，发挥增韧效应。

由图4可见，试件破坏形态与发射气压和应变率也有很大关系，发射气压较低时试件发生边裂破坏。随着发射气压和应变率的提高，试件出现留芯破坏，应变率进一步增加，试件发生粉碎性破坏。这是由塑钢混杂纤维增强轻骨料混凝土材料内部结构决定的，混凝土材料成型之时，在骨料周围及整个体内已分布有大量微裂纹和微空洞等损伤。在低应变率下，试件内部原有的损伤发展，新的损伤形成，试件表面沿骨料与浆体的结合界面生成裂纹。应变率提高时，试件内微裂纹逐渐贯通、桥接形成微裂纹区，产生新的微裂纹需要更多的能量，试件表面形成沿主应力方向的主控裂缝，试件发生破裂性破坏。应变率继续提高，变形机理更加复杂，裂纹将延伸到砂浆和骨料内，并可能穿透骨料，裂纹随机分布，试件出现砂浆和部分骨料的碎裂，发生粉碎性破坏。从裂缝处明显可以看出纤维被拔出、拉断，由于纤维本身存在一定强度和变形能力，因而在冲击荷载作用下势必会吸收一部分能量，由此可以看出纤维的存在对试件的强度是有利的。塑钢纤维增强混凝土中由于纤维存在，试件常出现裂而不散的特性，这与素混凝土的脆性破坏有较大不同。

图4 塑钢混杂纤维轻骨料混凝土的典型破坏形式Fig.4 Typical failure states of HPP hybrid fibers reinforced lightweight aggregate concrete

2.2.2 恒定压力多次冲击试验 子弹发射压力维持0.25MPa不变，对试件A12～A17进行多次SHPB冲击试验，可得到其一系列应力--应变曲线见图5。试件表面破坏情况见表4。由表4可知，前两次试件表面没有破坏，从第3次开始，（试件第3次和第5次冲击后破坏情况见图6）试件表面可见局部的沿混凝土轴向的表面裂缝，随着冲击次数增加，裂缝沿轴向迅速扩展、加宽，并出现多处的沿混凝土试件轴向的裂缝，说明混凝土材料内的微裂纹在重复加载的条件下发生非稳定扩展，但试件仍具有一定的承载能力。继续加载，微裂纹沿主应力方向桥接、贯通，从而形成宏观的主控裂纹，并对整个试件的变形起主导作用，材料的承载能力快速下降，直至第十次冲击材料完全破坏。

图5 恒定压力多次冲击试验试件A17应力--应变曲线Fig.5 Stress--strain curves of specimen A17under constant pressure multiple impact tests

表4 试件A17破坏情况（压力0.25MPa）Table 4 Damage conditions of specimen A17（pressure＝0.25MPa）

图6 试件A17第3次和第5次冲击后照片Fig.6 Pictures of specimen A17after the third and fifth impacts

由图5可知：1）加载的初始阶段为线弹性段，但随着加载次数的增加，初始弹性模量有少许减少，而且随后的非线性段越来越明显，说明重复加载对材料产生了损伤积累。2）第3次以后的应力—应变曲线的卸载段有明显的软化现象，这种宏观上的损伤软化行为反映了材料内部微裂纹的生产、扩展、直至汇聚贯通的细观过程。当混凝土内部的损伤软化超过应变硬化，材料失稳破坏。3）随着加载次数的增加，试件中峰值应力逐渐下降，但峰值应变却不断增加，进一步验证了塑钢混杂纤维轻骨料混凝土良好的韧性［8--9］。

2.2.3 逐渐增加压力多次冲击试验 逐渐增加子弹发射压力，对试件A9、A10、A18～A21连续进行多次冲击试验，得到其一系列应力--应变曲线（见图7）。子弹发射压力从0.20 MPa 依次增加至0.45MPa，子弹发射压力及试件表面破坏情况见表5。试件第6次冲击后破坏情况见图8。

图7 递增压力多次冲击试验试件A21应力--应变曲线Fig.7 Stress-strain curves of specimen A21under increased pressure multiple impact tests

由试验可知，在前3次发射压力和应变率较低的情况下，试件表面没有破坏，从第4次开始，试件圆柱四周出现微裂缝，第5次裂缝开始扩展至第6次冲击后破坏。在子弹发射压力较低时，试件四周产生轻微裂纹，裂纹之间相对独立，裂缝主要通过骨料与砂浆的接触面。骨料与砂浆的接触面是试件的薄弱环节，裂缝的发展也是沿着试件的薄弱环节。当子弹发射压力提高时，试件裂缝密度增加，而且各裂缝发展聚集，形成贯通，有较大深度、宽度的裂缝出现。冲击荷载进一步加大，贯通后的裂缝进一步扩大、加深，从而使试件碎裂开来。

图8 试件A21第6次冲击后照片Fig.8 Pictures of specimen A21after the sixth impact

由图7可知：1）随着冲击气压及应变率的增加，前5次应力--应变曲线的峰值应力呈现明显的增长趋势，说明塑钢混杂纤维轻骨料混凝土材料是一种应变率敏感材料，其动强度具有明显的应变率增强效应，但这种增长趋势随应变率的提高有所减弱。2）第4次以后的应力--应变曲线的斜率开始下降，材料弹性模量减小，应变率硬化效应减弱；卸载段的软化现象逐渐明显，说明随着子弹发射气压的增加，混凝土内部的损伤软化效应已经占主导地位，材料内部原有的损伤发展，新的损伤逐渐形成，随着损伤的进一步积累，细观损伤将发展为宏观裂纹，从而导致试件发生坍塌［10--11］。

表5 试件A21破坏情况Table 5 Damage conditions of Specimen A21

3 结论

采用直径为100mm 的SHPB装置对塑钢混杂纤维轻骨料混凝土材料的动力性能进行了试验研究，主要得到以下结论：

1）塑钢混杂纤维增强轻骨料混凝土同普通混凝土一样，在冲击载荷作用下表现出明显的应变率效应。动强度和峰值应变均随应变率的增加而增加，但随着应变率的提高，增强效应有所减弱。

2）塑钢混杂纤维增强轻骨料混凝土在多次冲击试验中，有裂纹产生后，仍可以继续承受多次冲击才最终破坏，说明该混凝土材料具有良好的残余强度，在多次打击后裂而不散，是良好的抵抗多次重复打击的防护工程材料。

3）塑钢混杂纤维轻骨料混凝土中由于纤维存在，试件常出现裂而不散的特性，这与素轻骨料混凝土的脆性破坏有较大不同。

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