玄武岩纤维混凝土冲击韧性和微观界面试验研究

王　斌　张　华　谢骜宇

(河海大学 土木与交通学院， 南京　210098)



玄武岩纤维混凝土冲击韧性和微观界面试验研究

王斌张华谢骜宇

(河海大学 土木与交通学院， 南京210098)

为了研究玄武岩纤维混凝土(Basalt fiber reinforced concrete，简称BFRC)在冲击荷载下的增韧性能，通过直径为74 mm的分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar， 简称SHPB)试验装置得到BFRC冲击压缩全过程的动态应力-应变曲线，对纤维体积含量分别为0%、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%的玄武岩纤维增强混凝土进行不同应变率下的冲击试验研究，主要考察了平均应变率和纤维掺量对混凝土韧性的影响．同时利用扫描电镜(SEM)对纤维与混凝土的界面进行观察，探求纤维对混凝土的增韧机理．研究表明，BFRC的韧性存在明显的应变率强化效应，材料的峰值韧性和极限韧性与应变率呈近似的线性增长关系，应变率和纤维掺量是影响韧性的关键因素，不同强度等级的混凝土存在与其相对应的最佳纤维掺量．

玄武岩纤维混凝土；SHPB；应变率；纤维掺量；韧性；SEM

玄武岩纤维混凝土(Basalt fiber reinforced concrete，BFRC)是近些年来出现的由高性能的玄武岩纤维和混凝土复合而成的一种新型纤维混凝土材料[1]，属于多相的非均质复合材料．玄武岩纤维以天然玄武岩矿石为原料，在高温下经过熔融、拉丝制成的硅酸盐纤维，具有耐高温性好、力学性能突出、性价比高等优点[2]．玄武岩纤维混凝土不仅可以保留其原本的抗压强度高这一优点，而且将纤维掺入到混凝土中，将大大提高混凝土的抗拉性能、抗裂性能和抗冲击韧性等性能[3]，是21世纪极具发展前景的纤维复合材料．Zielinski[4]等测试了玄武岩纤维增强水泥砂浆28 d的物理、力学性能，并给出了纤维的最佳掺量；Dias等[5]研究了玄武岩纤维掺量对增强地质聚合物混凝土断裂韧性的影响，并与普通硅酸盐水泥混凝土的结果进行了对比；李为民等[6-9]研究了不同应变率下BFRC的冲击压缩力学性能和增韧性能；廉杰等[10]对短切玄武岩纤维混凝土的力学性能进行了研究；林智荣等[11]进行了连续玄武岩纤维混凝土的动态力学性能研究．目前对BFRC的研究集中在动态方面的增强效果或是静态方面的增韧效果，对动态方面的增韧效果研究较少．本文利用Φ74 mm霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB)装置对BFRC进行了冲击压缩试验，通过应力-应变曲线得到纤维的增韧效果，并用扫描电镜观察冲击破坏后试件的图像，用微观的角度解释玄武岩纤维的增韧机理．

1　试验概况

1.1试验设备和试验原理

Φ74 mm SHPB试验装置主要由3部分组成：压杆系统、测试及数据采集系统和数据处理系统，装置示意图如图1所示．试件放置在入射杆和透射杆之间，通过改变高压氮气的气压来改变冲击荷载的大小，实现不同的加载应变率．

图1　SHPB装置示意图

SHPB试验技术在研究材料高应变率下力学行为的试验中被广泛的应用[12-13]，其试验原理建立在两个基本假设的基础之上：1)一维平面假设；2)应力均匀假设[14]．轴向冲击压缩SHPB试验装置中引入了万向头技术和波形整形技术[15]，万向头技术用以有效改善试件端面不平行对试验结果的影响；波形整形技术，可以延长入射脉冲的上升沿，让试件有足够的时间达到应力均匀，还可以平滑波形，消除应力波的高频振荡．

根据均匀假定(εi+εr=εt)，本文选取入射波εi和透射波εt进行计算，即可得到SHPB试验中的二波法计算公式：

式中，E为压杆的弹性模量，A为压杆的横截面积，c0为弹性波速，As为试件的初始截面面积，l0为试件的初始厚度．

1.2试件制备

基体材料：42.5级普通硅酸盐水泥；细骨料为江砂，细度模数为2.8；粗骨料为直径5～10 mm连续级配的碎石．纤维材料：浙江石金玄武岩纤维有限公司提供的短切玄武岩纤维，其基本物理力学性能见表1．本文设计了3种强度等级的混凝土C25、C35和C45，同时设计5种不同的纤维体积掺量，掺量分别是0%、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%，即0、1.325、2.65、3.975、5.3、6.625 kg/m3，3种强度的混凝土配合比设计见表2．混凝土在棱柱形钢模中浇筑成型后，进行取芯、切割、水磨加工，确保试件表面平整度在标准范围以内，试件是几何尺寸约为Φ74×32 mm的圆盘状物体．

表1　玄武岩纤维的物理力学性能

表2　不同强度混凝土配合比设计(单位：kg/m3)

2　试验结果和分析

2.1纤维掺量和应变率对冲击韧性影响研究

韧性是衡量材料动态性能的重要指标，它反映了材料的变形和吸收能量的能力．本文评价材料韧性的计算方法是将材料的应力-应变曲线与坐标轴所围成的图形的面积来表示，见图2．材料在应力达到峰值之前所所吸收的能量总和称之为峰值韧性R1，材料在整个应力-应变发展过程直至达到材料破坏所吸收的能量称为极限韧性R2．

图2　材料韧性示意图

本文利用SHPB试验装置得到了各工况下BFRC冲击压缩全过程的应力-应变曲线图(例如图3所示为部分C35混凝土应力-应变曲线图)，并由这些曲线图计算出了BFRC的峰值韧性和极限韧性．图4中所示曲线为各强度等级混凝土极限韧性和峰值韧性与应变率和纤维掺量关系曲线．整体来看，3种强度等级的纤维混凝土材料的峰值韧性和极限韧性均显示明显的应变率效应，它们的大小随应变率的增大而增大，与应变率呈近似的线性增长关系．

图4　玄武岩纤维混凝土冲击韧性随平均应变率的变化图

从图4(a,b)可以看出，对于强度等级为C25的混凝土，纤维体积掺量在0.1%时韧性最好，极限韧性在此掺量下最高可提高到30%，峰值韧性最大提高10%，而当玄武岩纤维体积掺量在0.2%和0.25%的时候，混凝土韧性不仅不会提高，反而因为纤维的掺入而降低．从(c)、(d)两图可以看出，对于C35的混凝土来说，纤维体积掺量在0.1%到0.15%之间时韧性最好，极限韧性在掺量为0.15%的情况下最高可提高40%，但是当纤维体积掺量在0.25%的时候，混凝土韧性会出现降低的情况．对于C45的混凝土来说，从(e)、(f)两图可以得出，纤维体积掺量在0.15%时韧性最好，极限韧性在此掺量下最高可提高到30%，峰值韧性最大提高60%．通过对比分析可以得出，纤维混凝土并不会因为纤维掺量越多而产生更好的增韧效果，因为过高的纤维掺量会导致纤维成团现象集中，大大增加了混凝土内部微裂缝存在的可能性，从而致使增韧效果降低．不同强度等级的混凝土存在着对应的最佳的纤维掺量．

2.2BFRC冲击破坏微观分析研究

本次试验利用Hitachi-S3400型扫描电子显微镜进行扫描．在强度等级为C25、C35、C45，纤维掺量分别为0%和0.25%的玄武岩纤维混凝土试件碎块中取样，进行电镜扫描，扫描试件包含纤维与水泥浆体、骨料与水泥浆体的连接界面．图5所示为纤维掺量均为0.25%的混凝土试件冲击之后纤维与水泥石本体

的界面粘结观察图像．

图5　纤维与水泥石本体的界面SEM照片

从扫描照片中可以看出，3种不同强度的纤维与混凝土的粘结均比较紧密，能够很好地达到理想的粘结效果，分散于混凝土内部而形成纤维网络使得纤维增强型混凝土达到增强、增韧的目的．正如图5所示，将玄武岩纤维掺入混凝土中，纤维三维随机分布于混凝土内，在混凝土早期收缩硬化的时候，纤维势必会约束细小裂纹的扩展和连通，混凝土中大孔隙的形成机率被较大的降低了．所以，掺入的纤维优化了混凝土内部的微观孔隙结构．同时，在受到冲击荷载作用下，玄武岩纤维在水泥浆体中的乱向分布，使玄武岩纤维横穿连接冲击裂缝，承担部分应力，吸收一部分能量，延缓裂缝的开展速度．从这一角度看，掺入纤维对提高混凝土强度及韧性产生很大的帮助．

针对掺入玄武岩纤维对骨料与水泥石界面处影响的研究，对在强度等级为C35、C45，纤维掺量分别为0%和0.25%的玄武岩纤维混凝土试件上进行了观察，扫描图像见图6．

图6　粗骨料与水泥石本体的界面SEM照片

从扫描电镜所拍摄的照片图6中可以清楚的看到，骨料与水泥浆体界面均存在着一定的连接缝隙，对比两种不同强度的混凝土，相对来说强度更高的C45裂缝更小，界面粘结更紧密一些．这主要是因为强度较高的混凝土水灰比较小，自由水含量少，水泥石硬化之后连接界面缺陷小．通过对比受到同样冲击气压的两种强度的混凝土，无论混凝土中是否掺杂玄武岩纤维，从扫描电镜所拍摄的照片中看出裂缝都存在，并且裂缝的大小并没有太明显的差异．因此，掺入玄武岩纤维并不会明显改善纤维混凝土骨料与水泥浆体的界面性能．

3　结　论

本文通过SHPB试验对BFRC中的玄武岩纤维的增韧特性进行了研究，在应力-应变曲线的基础上，成功计算出了不同条件下BFRC的峰值韧性和极限韧性，并且通过电镜扫描从微观角度解释了玄武岩纤维的增韧机理．本文通过试验得到以下结论：

1)BFRC的峰值韧性和极限韧性均显示明显的应变率效应，它们的大小随应变率的增大而增大，不同强度等级的BFRC的峰值韧性和极限韧性与应变率呈近似的线性增长关系．

2)纤维掺量的大小是影响BFRC韧性的关键因素，BFRC存在着纤维最佳掺量，某种强度的混凝土，纤维掺量过高或者过低都不能很好地改善混凝土的韧性．一般说来，强度越高的混凝土其脆性越突出，因此，强度高的混凝土相应的提高其纤维掺量才会使增韧效果更加明显．

3)通过SEM图片可以看出，纤维与混凝土的粘结均比较紧密，能够达到较好的粘结效果．玄武岩纤维的掺入可以优化混凝土内部微观孔结构，使水泥在早期收缩和硬化过程中的固有微裂缝得到有效的减少和控制，但是纤维的掺入并不会明显改善水泥浆体与骨料的界面粘结效果．

[1]胡显奇，申屠年．连续玄武岩纤维在军工及民用领域的应用[J]．高科技纤维与应用，2005,30(6)：7-13．

[2]Sim J, Park C, Moon D Y. Characteristics of Basalt Fiberas a Strengthening Material for Concrete Structures[J]． Composites Part B, 2005,36(6/7):504-512．

[3]许金余，李为民，王亚平，等．玄武岩纤维对不同胶凝材料混凝土的强韧化效应[J]．解放军理工大学学报：自然科学版，2011，12(3)：245-25．

[4]Zielinski K, Olszewski P. The Impact of Basaltic Fibre on Selected Physical and Mechanical Properties of Cement Mortar[J]． Concrete Precasting Plant and Technology, 2005, 71(3)：28-33．

[5]Dias D P, Thaumaturgo C. Fracture Toughness of Geopolymeric Concretes Reinforced with Basalt Fibers[J]． Cement and Concrete Composites, 2005, 27(1)：49-54．

[6]李为民，许金余，沈刘军，等.玄武岩纤维混凝土的动态力学性能[J]．复合材料学报， 2008, 25(2)：135-142．

[7]李为民，许金余. 玄武岩纤维混凝土的冲击力学行为及本构模型[J]．工程力学，2009,26(1)：86-91．

[8]Li W M, Xu J Y. Machanical Properties of Basalt Fibers Reinforced Geopolymetric Concretes under Impact Loading[J]． Materials Science and Engineering:A，2009,505:178-186．

[9]许金余，李为民，王亚平，等. 玄武岩纤维对不同胶凝材料混凝土的强韧化效应[J]．解放军理工大学学报：自然科学版，2009,12(3)： 245-250．

[10] 廉杰，杨勇新，杨萌，等. 短切玄武岩纤维增强混凝土力学性能的试验研究[J]．工业建筑，2007,37( 6)：8 -10．

[11] 林智荣，姚立宁，施斌，等.玄武岩连续纤维混凝土动力性能的试验研究[C]//第十一届全国纤维混凝土学术会议论文集.大连：大连理工大学出版社，2006, 37-41．

[12] Lok T S, ASCE M, Zhao PJ. Impact Response of Steel Fiber-reinforced Concrete Using a Split Hopkinson JPressure Bar[J]. Journal of Materials In Civil Engineering， 2004，16(1)：54-59．

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[14] Ravicchandran G, Subhash G. Critical Appraisal of Limiting Strain Rates for Compression Testing Ceramics in a Split Hopkinson Pressure Bar[J]． J Am Ceram Soc， 1994， 77(1)：263-267．

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[责任编辑周文凯]

Experimental Study on Impact Toughness and Microscopic Interface of Basalt Fiber Reinforced Concrete

Wang BinZhang HuaXie Aoyu

(College of Civil & Transportation Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

In order to study the tenacity increase characteristics of basalt fiber reinforced concrete( BFRC) under impact loading，the dynamic stress-strain curves of BFRC with six kinds of volume content (0%,0.05%,0.1%,0.15%,0.2%,0.25%) subjected to various high strain rates was investigated using a 74-mm-diameter split Hopkinson pressure bar(SHPB) device. The effect of volume fractions and strain rate on dynamic toughness were studied according to the stress-strain curves obtained by the experiments. Meanwhile, the interface between fiber and concrete was observed by scanning electron microscope (SEM); and then the mechanism of fiber reinforced concrete was studied. The results show that there is an obvious strain rate strengthering effect in the dynamic toughness of BFRC; there are approxinate linear growth relations between peak toughness; and the ultimate toughness and strain rate. Strain rate and fiber content are the key factors that affect the toughness； and the concretes with different strength grades have their own optimum fiber content.

basalt fiber reinforced concrete(BFRC)；split Hopkinson pressure bar(SHPB)；strain rate；fiber content；toughness；scanning electron microscope(SEM)

2016-05-05

中央高校基本科研业务费项目(2013B15714)

王斌(1991-)，男，硕士研究生，研究方向为混凝土高应变率下力学行为研究．E-mail：1062766990@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.04.012

TU528.572

A

1672-948X(2016)04-0055-05