早龄期补偿收缩钢纤维混凝土冲击压缩性能试验

黄　伟，　段　寅

(1．淮南联合大学　建筑工程系， 安徽　淮南　232038；2．安徽理工大学　矿山地下工程教育部工程研究中心， 安徽　淮南　232001)



早龄期补偿收缩钢纤维混凝土冲击压缩性能试验

黄伟1，2，段寅1

(1．淮南联合大学建筑工程系， 安徽淮南232038；2．安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心， 安徽淮南232001)

摘要：采用HCSA膨胀剂(掺量8%)和钢纤维(体积掺量1.0%)制备补偿收缩钢纤维混凝土试样，利用直径为74 mm的分离式霍普金森压杆对3 d和7 d龄期混凝土试样进行冲击压缩性能试验，测试不同应变率下试样的应力-应变曲线及其破坏形态。试验结果表明：补偿收缩钢纤维混凝土的动态抗压强度随着龄期增长而增长，3 d龄期混凝土应力变化较小，应变增幅明显，是由于早龄期混凝土刚性小所致，试件破坏程度随应变率增大而加剧，水泥基体与钢纤维之间握裹力没有完全形成，造成钢纤维掺入对改善混凝土破坏程度不明显；7 d龄期混凝土动态抗压强度有所提升，应力峰值点凸显，达到峰值应力后，应力变化较快，呈现弹塑性变化特征，伴随水泥基体与钢纤维之间握裹力增大，试件破碎块度逐渐减小，钢纤维对改善混凝土冲击力学性能逐步凸显。

关键词：补偿收缩钢纤维混凝土；早龄期；分离式霍普金森压杆；应变率；应力-应变曲线

矿山巷道支护结构大都采用锚喷支护[1,2]，普通素混凝土存在早期收缩大、脆性大和韧性差、抗渗阻裂效果不好等缺点。这些缺点将可能造成巷道支护结构的破坏，降低巷道的使用寿命，同时也对煤矿运营产生严重的安全隐患。补偿收缩钢纤维混凝土的发展和运用解决了普通混凝土的缺陷，膨胀剂和钢纤维双掺混凝土中，充分利用开裂前膨胀剂的防渗作用和开裂后期钢纤维的阻裂增强作用，有效控制矿山巷道裂缝。但煤矿巷道掘进施工是采用循环不间断工作程序，导致支护混凝土养护和掘进之间间隔时间短，上一班组施工的混凝土强度还没有完全形成时，下一班组开始掘进，爆破产生的冲击荷载同样对巷道支护结构产生影响，导致混凝土结构产生一定的损伤，因而有必要对早龄期补偿收缩钢纤维混凝土的动态力学性能进行研究。国内外学者对混凝土材料[3]、钢纤维混凝土动态力学性能研究较多[4,5]，如胡时胜等[6]利用改进的Hopkinson压杆对混凝土材料进行冲击压缩实验，得出混凝土材料不仅具有敏感的应变速率效应，还具有明显的损伤软化效应。严少华等[7]对不同钢纤维含量的高强钢纤维混凝土进行了动态和静态压缩试验，归纳出抗压强度与应变率之间关系。对于早龄期混凝土Lew和Richard[8]研究了混凝土的抗压、劈裂强度和粘结强度。Yi S T等[9]研究了混凝土强度和龄期对混凝土应力-应变曲线的影响，提出以强度和龄期作为变量的新模型，能较好的拟合各种实验曲线。许金余[10]，罗鑫等[11]对纤维增强地质聚合物混凝土早期冲击力学性能的对比研究，得出纤维增强地质聚合物混凝土早期冲击力学性能具有显著的应变率和较强的能量吸收能力。沈毅[12]研究了普通混凝土和高强混凝土的早龄期力学性能，得出了混凝土宏观力学性能以及内部孔等结果参数随龄期的变化规律。王世鸣等[13]对采用静载和动载作用下不同龄期混凝土力学特性进行试验研究，系统研究不同龄期下混凝土的力学特性及随龄期变化的规律。

研究冲击荷载下，早期混凝土支护材料的动态性能对改善巷道使用寿命和提高巷道安全稳定系数有至关重要的研究价值。本研究利用膨胀剂和钢纤维双掺优势配置补偿收缩钢纤维混凝土(SCSFRC)进行动态冲击压缩性能试验，分析该种复合材料在不同应变率下的应力-应变曲线和破坏形态。

1SHPB原理及试验设计

1.1SHPB原理

SHPB试验基本原理[14]是利用细长杆中弹性应力波传播理论，建立在平面和应力均匀假定基础之上。子弹在气压作用下，以某一速度撞击入射杆，在杆内产生入射脉冲信号εi，并在入射杆中产生一个返回的反射脉冲信号εr，透射杆中产生向前的透射脉冲信号εt。由一维波理论得出试件的应力、应变和应变率的计算公式，假定试件两端面的受力相等，得出εi+εr=εt，这样可以把三波法简化为二波法，二波法计算公式[15,16]如下：

(1)

(2)

(3)

1.2原材料及试样制备

结合锚杆喷射混凝土支护技术规范[17]和补偿收缩混凝土应用技术规程[18]，设计SCSFRC配合比。水泥采用普通硅酸盐水泥P.O42.5；粗骨料粒径为5～15 mm；细骨料采用中砂，细度模数为2.24；膨胀剂采用HCSA膨胀剂，掺量为8%；钢纤维采用压痕波纹型，规格为0.3 mm×1.0 mm×35 mm，长径比48.5 mm，抗拉强度≥600 MPa，钢纤维体积掺量为1.0%。混凝土设计配合比为413.6 kg∶220 kg∶980 kg∶760 kg(水泥∶水∶石子∶砂子)。

研究表明[19]SHPB试件长径比为0.875+0.540εend时，试验中试件惯性效应和摩擦效应较小，εend为试件的最终应变值。试件尺寸为Φ74 mm×37 mm的圆柱体，根据冲击试验用试件采用自制非标准模具制备，试件模具设计如图1所示。试件脱模后在湿养环境下养护，每批试件提前半天采用专业打磨机进行打磨，厚度控制在37 mm左右，两端面平行，要求试件端面不平整度不超过±0.05 mm。试件如图2所示，试验设计4个气压作用，为了防止试件离散性影响试验结果，每个气压制作6个试件，共浇筑48个试件。

图1　试件模具

图2　部分混凝土试件

1.3SHPB试验测试方案

试验利用安徽理工大学SHPB实验装置，其中压杆系统中入射杆直径74 mm，透射杆直径为74 mm；入射杆长2400 mm，透射杆长2000 mm，打击杆长600 mm，均为合金钢杆，波阻抗相同。入射杆和透射杆上分别黏贴电阻应变片进行测试，为了保证试件与杆件充分接触，在试件表面涂抹适量凡士林，忽略接触处摩擦惯性效应。

试验采用纵波波速为5190 m/s，压杆动态响应采集用箔式电阻应变片BX120-4AA，能满足动态测量精度要求；使用CS-1D动态应变仪放大应变片采集的信号，电阻应变片与CS-1D动态应变仪之间通过Wheatstone电桥连接，利用TST3406动态测试分析仪收集和存储CS-1D动态应变仪传来的脉冲信号，获取试验数据，保证试验曲线的精确性。为了改善加载波形，采用黄油作为入射脉冲整形器，使得加载波形变得更宽，上升前沿变缓，典型加载试验波形如图3所示。

图3　试样试验典型波形

2SHPB试验结果分析

2.1混凝土试件应力-应变曲线

根据试验结果，四种气压作用下选择典型混凝土试件的应力-应变曲线如图4。从图中可以看出不同应变率下SCSFRC应力与应变的变化趋势基本一致，随着应变率的增加，混凝土应力峰值基本都呈现增长趋势。纵观应力-应变图可看出，3 d龄期混凝土初始应力-应变曲线上升较快，基本呈现弹性变形，达到峰值应力后，应力基本没有变化，应变增幅明显，表明早龄期混凝土刚性小，变形增大，主要是由于水化反应剧烈，混凝土仍处于不稳定期；对于7 d龄期混凝土试件峰值形成的更加明显，表明试件刚度增大，达到峰值应力后，应力降低梯度较快，整个曲线呈现抛物线下降趋势，有明显的弹塑性变形特征。SCSFRC典型试样的静态与动态抗压强度关系如表1所示，从表中数据可知3 d和7 d混凝土动态抗压强度增长因子基本都在1.2～1.64之间，这与大多数研究者所得的结论基本一致[20]。

图4 　SCSFRC动态应力-应变曲线

编号静态抗压强度/MPa动态抗压强度/MPa动态抗压强度增长因子SCSFRC-321.831.41.4431.61.4534.01.5634.91.60SCSFRC-730.343.81.4545.01.4947.31.5648.11.59

2.2混凝土试件破坏特性

图5　补偿收缩钢纤维混凝土典型试件破坏

3结论

结合煤矿巷道SCSFRC支护结构的应用现状，本文采用分离式霍普金森压杆试验装置，对早龄期SCSFRC进行冲击压缩试验，通过分析试验数据，得出以下结论：

(1)随着应变率的提高，SCSFRC峰值应力基本呈现逐渐增加，应力-应变曲线变化趋势基本一致；3 d龄期时，混凝土试件的应变增幅明显，表明早龄期混凝土刚性小，混凝土内部结构处于不稳定所致。7 d龄期时，混凝土应力-应变曲线峰值比较明显，混凝土刚度逐渐增大，应力与应变曲线呈现抛物线型，有明显的弹塑性变形特征。

(2)SCSFRC试件的破坏特征可以看出，冲击荷载作用下，混凝土试件呈现拉伸破坏，应变率与试件破坏离散度成正比，3 d混凝土试件破坏后，钢纤维与水泥基体脱离，水泥基体块度较小，主要是早龄期水泥基体与钢纤维之间握裹力不够造成的；龄期增长为7 d时，钢纤维与水泥基体咬合力增强，相比于3 d龄期钢纤维混凝土，混凝土的破坏程度得到改善，其强度和韧性也明显增大。

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Impact Compressive Characteristics of Early Age Shrinkage-compensating Steel Fiber Reinforced Concrete

HUANGWei1,2,DUANYin1

(1.Department of Civil Engineering, Huainan Union University ,Huainan 232038,China；2. The Mine Underground Engineering Research Center of the Ministry of Education,Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

Abstract:Shrinkage compensating steel fiber reinforced concrete (SCSFRC) with HCSA expansive agent of 8% dosage and steel fiber of 1.0% volume content were adopted as specimens. Split Hopkinson pressure bar (SHPB) with a diameter of 74mm was employed to conduct shock compression performance tests on 3d and 7d specimens, stress-strain curve and failure mode of the specimens under different strain rate were acquired. Experimental results show that: the dynamic compressive strength of SCSFRC is increasing with age, each age shows the strain rate sensitivity; the variation of stress of 3d concrete is lesser, but strain increase obviously, it is caused by the small rigidity of concrete in the early age, the failure degree of the specimens increased with the increase of the strain rate, and the improvement was not obvious that the grip strength between the cement matrix and the steel fiber was not completely formed; Concrete strength of 7d concrete increased and the stress peak is very obvious; after obtaining the stress peak the gradient of stress variation changes fast and showing characteristic of elastic plastic, with the grip strength increases, the degree of fragmentation of the specimen is gradually reduced, and the impact of steel fiber on the mechanical properties of the concrete is gradually becoming prominent.

Key words：shrinkage-compensating steel fiber reinforced concrete(SCSFRC); early age; split hopkinson pressure bar; rate of strain; stress-strain curve

收稿日期：2015-10-21修回日期： 2016-01-04

作者简介：黄伟(1980-)，男，安徽青阳人，副教授，博士，研究方向为补偿收缩混凝土材料与冲击动力学(Email：hwaust@163.com)

基金项目：安徽省高校省级优秀青年人才基金(2013SQRL140ZD)； 安徽省住房城乡建设科学技术计划项目(2013YF-55)

中图分类号：TU528.572

文献标识码：A

文章编号：2095-0985(2016)03-0053-04