低温玄武岩纤维混凝土抗冲击性能研究

耿志晨，崔云鹏，邓玉姣，李 浪

(沈阳理工大学材料科学与工程学院，沈阳 110159)

在我国北方地区，大量的大型混凝土建筑长期处于低温环境，如桥梁、隧道及边防建筑等。 受低温影响，建筑内部结构会发生一定程度的损坏，如自由水凝结成冰造成裂缝，会导致大型混凝土结构强度损失及使用年限缩短，从而带来安全隐患和经济损失。 此外，低温环境下的大型混凝土工程还要考虑由于地震、爆炸及外部撞击带来的影响和破坏，其中大部分冲击瞬时速率高、破坏力大，可看作受到瞬时冲击力的作用，因此在混凝土动态力学性能研究中，引入冲击韧性来表征混凝土抵抗冲击荷载的能力[1]。 提高混凝土冲击韧性最经济最便捷的方法之一就是加入短切玄武岩纤维，因其本身具有韧性高、稳定性良好、成本低廉等优点。 Sim 等[2]对玄武岩纤维的力学性能、耐久性等进行了研究，发现其拉伸强度约为碳纤维的30%、约为高强度玻璃纤维的60%，加速风化实验结果显示，玄武岩纤维比玻璃纤维具有更好的耐久性。 玄武岩纤维在建筑材料领域中具有很大的使用价值。

混凝土在高速变形下的力学性能区别于静态荷载下的力学性能。 在瞬时荷载下，混凝土内部各点受力情况随应变率的变化而有所不同，故在研究时需模拟实际的应变速率条件[3]。 聂良学等[4]使用霍普金森压杆实验技术研究了混凝土在冲击荷载下的力学性能，结果表明，在一定的体积掺量下，相比于素混凝土，其动态抗压强度和变形能力均有显著提高，对混凝土增韧效果明显。Zhang 等[5]研究了不同体积掺量玄武岩纤维混凝土的抗冲击荷载性能，结果显示，玄武岩纤维的增韧作用使混凝土的脆性降低，动态压缩强度与应变速率近似呈线性关系。 由此可见，玄武岩纤维可提高混凝土的抗冲击性能。 谢永亮等[6]从相对动弹性模量和质量变化两个角度研究了玄武岩纤维混凝土的抗冻性，结果显示，玄武岩纤维的加入能够明显地改善机场路面混凝土的抗冻性。 廉杰等[7]在混凝土中加入短切玄武岩纤维，在6 种长径比和5 种体积掺量的不同条件下进行抗拉、抗压、弯拉强度测试实验，发现试块强度和抗裂性均得到了改善。

目前对于低温环境下玄武岩纤维混凝土的抗冲击性能研究尚不多见，本文对不同掺量的玄武岩纤维混凝土常温养护28 d 后，分别再常温养护14 d 和低温养护14 d，并采用分离式霍普金森压杆对两组混凝土试块施加冲击荷载，通过数据处理软件获得其应力－应变曲线及比吸能等力学性能，重点分析低温养护下玄武岩纤维混凝土试块的抗冲击性能。

1 试验部分

1.1 试验材料

水泥(P•O 42.5)，沈阳冀东水泥有限责任公司；短切玄武岩纤维，河南登电玄武石纤有限公司，长径比为0.05~0.125，其物性参数见表1 所示。

表1 玄武岩纤维物性参数

1.2 分离式霍普金森压杆

本文采用分离式霍普金森压杆(山东宗德机电设备厂，直径为75 mm)对混凝土施加冲击荷载。 整个压杆分为子弹、入射杆、透射杆和吸收杆四部分，设备的工作原理简图如图1 所示。

图1 分离式霍普金森压杆工作原理简图

分离式霍普金森压杆工作时，首先利用气压将子弹发射，子弹撞击到入射杆产生应力波，应力波通过入射杆传递到试块产生反射和透射，反射波传递到入射杆，透射波传递至透射杆，最后由吸收杆吸收。 入射杆和透射杆上各有高敏感度导体应变片连接桥盒，以由超动态应变仪采集入射、反射及透射电压，并绘制入射电压与透射电压波形图，再利用一维应力波理论计算试块的应变率、应变和应力。 整个试验过程满足平面假设、均匀化假设，忽略端面摩擦效应。

1.3 试验方法

在强度等级为C40 的混凝土配合比设计基础上，选用粒径级配分布(5 ~20 mm)的工程常用粗骨料和不同体积掺量(0%、0. 20%、0. 25%、0.30%、0.35%、0.40%)的短切玄武岩纤维(长度12 mm)制作混凝土，水胶比为0.4，细骨料采用中砂。 不同样品编号及配合比设计(其中纤维用量按照体积掺量折算为质量表示)见表2 所示。

表2 不同样品配合比设计 kg/m3

将混凝土拌合后倒入模具，制成高度为35 mm、直径为75 mm 的圆柱形混凝土试块，并在常温(20 ℃)下养护28 d；为保证试验数据的准确性，使用角磨机将养护完成的试块表面打磨平整并测其质量和尺寸；将一部分试块在－20 ℃低温养护14 d，另一部份试块继续保持20 ℃常温养护14 d，龄期结束后进行动态力学性能测试。

将完成养护的试块前后两面均匀快速涂抹凡士林后放到入射杆和透射杆之间，本试验采用黄铜片作为整形片贴在入射杆前端以吸收部分高频振荡波；采用不同加载气压对不同组试块(每组三个试块) 进行冲击试验， 加载气压分别为0.08 MPa、0.10 MPa、0.12 MPa，对应的冲击速度分别为 3.9 m/s、4.6 m/s、5.9 m/s；通过数据处理软件获取应力－应变曲线等相关数据。

2 结果与讨论

2.1 破坏形态

常温和低温养护的试块受到冲击后呈现的破碎状态无明显差别，相同体积掺量的玄武岩纤维增强混凝土试块在不同加载气压下的破碎状态如图2 所示。

秀容川再不能镇定了，他把蚂蚁、虫子这段连看了两遍，心想：“这不是写我吗？我小时候，就有这事儿。难道我真是秀容月明的儿子？”

图2 试块在不同加载气压下的破碎状态

由图2 可明显看到，随着冲击气压的增加，试块受冲击破坏后形成的碎块粒度减小。 0.08 MPa气压下冲击后形成的碎块表观长度为35 mm，且有一部分未完全破碎，仍保持圆柱体的部分形态，通过观察发现粗细骨料并未完全分离且纤维较少出现直接断裂；0.10 MPa 气压冲击破坏后形成的碎块表观长度明显减小，且试块破坏完全，部分纤维出现表面断裂分离出丝，部分粗骨料断裂；0.12 MPa气压冲击后形成的试块粉碎最彻底，大部分碎块表观长度小于10 mm，粗骨料大部分发生断裂，纤维大部分断裂严重，且在碎块中存在大量粉末。 当气压较小，即冲击速度较小时，混凝土试块内部裂缝的延展情况类似于静压下的损坏情况，只产生少量贯穿裂缝，冲击后的试块以大块为主；随着气压或冲击速度的提升，混凝土试块在极短时间内产生较大的横轴方向变形，裂缝来不及贯穿，试块便快速分裂成较小的碎块。

2.2 应力－应变曲线及应变率－时间曲线

常温养护28 d ＋14 d 后，使用不同气压冲击不同掺量的玄武岩纤维混凝土，测试得到其应力－应变曲线如图3 所示。

由图3 可以看出，当玄武岩纤维掺量相同时，随着冲击气压的升高，试块所能达到的峰值应力也增加，其中体积掺量为0. 30% 的一组试块在0.12 MPa气压冲击下的峰值应力比0.08 MPa 冲击下提高了48%。

图3 常温养护下不同掺量的玄武岩纤维混凝土试块在不同冲击气压下的应力－应变曲线

当冲击气压相同时，除掺量为0.40%的玄武岩纤维混凝土试块在0.12 MPa 冲击气压下的峰值应力略小于素混凝土外，其余掺量的玄武岩纤维混凝土试块峰值应力均高于素混凝土，且随着玄武岩纤维掺量增加，混凝土试块的峰值应力大致呈先升高后降低的趋势，各冲击气压下纤维掺量为0.30%时试块的峰值应力均最高。

玄武岩纤维的掺入可增强混凝土试块的力学性能，且降低混凝土的总孔隙率和平均孔径，从而优化孔结构，提升其强度[8]。 此外，玄武岩纤维自身优异的性能可以增强混凝土整体的韧性，纤维穿插在粗细骨料和胶凝材料之间，可以形成网状增强结构，有效地传递应力，使混凝土在受到荷载时可将其均匀分散而避免在某处集中受力。 随着掺量增加，更多的纤维分担应力并有效抑制混凝土试块内部的裂纹拓展；但纤维掺量过多，难以分布均匀，易发生团聚，形成界面薄弱区，这种混凝土内部力学结构上的缺陷会导致纤维增强效果有所下降。

图4 为常温28 d ＋14 d 养护下不同掺量的玄武岩纤维混凝土试块在不同冲击气压下的应变率－时间曲线。

图4 常温养护下不同掺量的玄武岩纤维混凝土试块在不同冲击气压下的应变率－时间曲线

由图4 可见，素混凝土试块的峰值应变率随着冲击气压的提高而增大。 一方面，因为冲击气压越大，冲击速度越大，高速冲击状态下，冲击荷载的作用时间极短，由冲量定理和能量守恒定律可知，速度越大，试块受到的冲击能越大；另一方面，素块因其结构特点不能吸收掉大部分冲击能，导致部分冲击能转化成应变能，宏观上表现为内部裂纹扩展加快、峰值应变率增加。 加入玄武岩纤维后，虽然应变率曲线具有一定离散性，但不难发现，在相同的冲击气压下，大部分纤维增强试块的峰值应变率比素混凝土试块有所降低，说明这些掺量的玄武岩纤维在混凝土受到瞬时荷载时发挥了吸能作用，减缓了裂纹扩展，提升了试块的整体抗冲击性能。

图5 低温养护后不同掺量的玄武岩纤维混凝土试块在不同冲击气压下的应力－应变曲线

对比图5 和图3 可见:冲击气压和纤维掺量相同时，相较于常温养护，低温养护下混凝土试块的峰值应力有所提高；低温养护下试块的峰值应力随冲击气压和纤维掺量的变化规律与常温养护下大致相同，最优掺量仍为0.30%，掺量为0.35%和0.40%的两组试块在相同冲击气压下的峰值应力下降幅度远大于常温养护下的情况。 纤维掺量增加造成分散性下降，纤维之间出现大量孔隙，这些孔隙中含有较多的水分及 Na＋、K＋、Ca2＋、等离子[9]，纤维表面也存在少量水分，这些物质在试块低温养护后会结冰，从而造成混凝土试块微裂缝的扩大和增多，导致其力学性能下降[10]。

低温养护下不同掺量的玄武岩纤维混凝土试块在不同冲击气压下的应变率－时间曲线如图6所示。

对比图6 和图4 可见，在冲击气压和纤维掺量均相同时，绝大部分低温养护下试块(包括素混凝土和纤维增强混凝土)的峰值应变率小于常温养护下试块的峰值应变率，且大部分纤维增强混凝土试块的峰值应变率小于素块。

图6 低温养护下不同掺量的玄武岩纤维混凝土试块在不同冲击气压下的应变率－时间曲线

从裂纹演化的横向惯性效应上分析，低温下混凝土内部水分会有结冰现象，导致裂纹不能迅速扩展，使试块的损伤演化和径向膨胀速率小于冲击荷载的加载速率，故低温下试块的峰值应变率有所下降，纤维增强效应有所提升，试块整体的抗冲击性能提高。

2.3 冲击韧性

冲击试验可理解为入射杆冲击能转化为试块本身应变能的过程，因此材料的吸能能力是研究的重点。 冲击韧性用来表征混凝土受到冲击荷载时吸收能量的能力，是混凝土动态力学强度和延展性的综合表征方法，通常用应力－应变曲线围成的面积来表示，定义为比吸能[11]。

计算得到常温养护下不同掺量的玄武岩纤维混凝土试块比吸能数值如图7 所示。

由图7 可见，常温养护下掺入玄武岩纤维的试块比吸能均高于素混凝土试块(1 750 J/kg)，表明玄武岩纤维确可提高吸能能力，增加混凝土的冲击韧性。 结合2.2 中强度分析结果可知，掺量为0.30%时的试块既可以保持较高的强度，也可以保持优良的延展性和韧性。

图7 常温养护下不同掺量的玄武岩纤维混凝土试块比吸能

计算得到低温养护下不同纤维掺量的混凝土试块比吸能数值如图8 所示。

图8 低温养护下不同掺量的玄武岩纤维混凝土试块比吸能

由图8 可见，低温养护下掺入纤维的混凝土试块比吸能基本高于低温下素块的比吸能(1 985 J/kg)，纤维掺量为0.40%的混凝土试块由于掺量较大，纤维分布不均匀，孔隙增多，孔隙水分结冰造成更多的微裂缝产生，使其吸能能力下降，造成韧性下降。 比吸能随纤维掺量变化规律与动态冲击强度相似，纤维掺量为0.30%时试块的比吸能最大。 故纤维的最佳掺量为0.30%，此时混凝土试块具有较好的吸能能力且动态冲击强度最大。

3 结论

对不同掺量的短切玄武岩纤维混凝土试块进行常温和低温养护后，采用霍普金森压杆技术研究其抗冲击性能，得到如下结论。

1)随着冲击气压的提高，试块的破坏更彻底，碎块的尺寸更小，出现纤维断裂和单丝分离的情况。

2)当冲击气压一定时，随着纤维掺量的增加，常温和低温养护下试块的峰值应力均先增大后有所减小，在相同冲击气压和体积掺量下，低温养护下试块的峰值应力均大于常温养护下试块的峰值应力。

3)在常温和低温养护下大部分掺入玄武岩纤维的混凝土试块峰值应变率低于素混凝土试块，低温养护下素混凝土试块和纤维增强混凝土试块的峰值应变率在大部分试验情况下均小于常温养护下的峰值应变率。

4)常温和低温养护下掺入玄武岩纤维的混凝土试块比吸能数值基本大于素混凝土试块(除低温养护下的0.40%纤维增强混凝土试块)，表明玄武岩纤维确可提高混凝土的吸能能力，增强其冲击韧性。

5)玄武岩纤维掺量为0.30%时，常温养护和低温养护的混凝土试块既可保持较高的强度，也可保持优良的延展性和韧性，表现出较佳的抗冲击性能。