DIC方法测量高温后轻骨料混凝土弹性模量应用研究

郭佳栋, 宋晓磊, 焦晓磊, 刘云鹏

(1.天津市交通科学研究院, 天津 300000;2.天津市公路事业发展服务中心, 天津 300000;3.北京科技大学, 北京 100083)

0 引言

轻骨料混凝土的密度相比普通混凝土小20%～40%,轻质、保温隔热性能好,符合绿色建筑和绿色建材的发展要求[1]. 同时由于骨料的多孔特征使得混凝土的各向异性更加复杂,除脆性高外高温爆裂性也高于普通混凝土.

众多试验研究表明,在混凝土中掺入纤维可起到“二次微加筋”作用,提高其力学性能,改善脆性缺陷[2-3]. 还可阻止混凝土的高温爆裂,提高结构的抗高温损伤与劣化能力[4]. 纤维的加入也改变了混凝土高温受力变形特性,研究表明,随着受热温度的升高,纤维混凝土与普通混凝土的弹性模量与抗压强度都呈下降趋势,而峰值应变上升[5]. 除高温后力学性能降低外,抗压变形性能劣化程度不同,加入纤维对混凝土的应力-应变曲线有明显影响[6]. 因此,纤维轻骨料混凝土在多因素影响下高温后弹性模量的变化规律及机理研究十分重要.

对混凝土构件受载变形状态的分析常采用应变片抽样采集再进行统计分析,但由于混凝土体量较大,应变片的测量范围有限,在反映构件真实特性时有局限性. 数字图像相关方法(DIC)是1种光学测量技术,具有非接触、高精度、全场测量等优点,可对混凝土在外荷载作用下结构表面变形场进行测量[7-8]. 将DIC方法应用于纤维混凝土高温后弹性模量的测定,分析混凝土在荷载作用下的变形状态具有重要意义.

本文采用玄武岩纤维对轻骨料混凝土进行改性,研究DIC方法在测量轻骨料混凝土弹性模量试验中的精确度与可行性,研究纤维掺量对轻骨料混凝土弹性模量的影响及高温后纤维轻骨料混凝土弹性模量的变化.

1 试验设计

1.1 试验原材料

水泥:P·O 42.5普通硅酸盐水泥;粗骨料:5～20 mm连续级配页岩碎石型陶粒;细骨料:砂,细度模数2.6,Ⅱ区中砂级配;玄武岩纤维:长度20 mm;减水剂:聚羧酸高性能减水剂;水:试验室自来水.

1.2 配合比设计

参照《轻骨料混凝土技术规程》JGJ51—2002进行配合比设计,加入体积掺量为0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%玄武岩纤维,具体配合比见表1.

表1 轻骨料混凝土配合比

1.3 试验方法

对养护28 d试件进行弹性模量测量试验,将试件用于测量弹性模量的一面用砂纸打磨平整,标定好粘贴应变片的位置,试件表面长度方向贴2个应变片以测定其纵向应变,沿宽度中线方向粘贴1个应变片以测定其横向应变,待应变片与试件完全粘结后用白漆喷涂试件表面并覆盖应变片,避免应变片粘贴痕迹对DIC测试结果的影响,自然晾干后制作黑色散斑,见图1,散斑直径0.5～2 mm无规律均匀分布于试件待测表面.

图1 试件表面散斑制作

弹性模量试验开始时,对试件进行预压3次,预压结束后进行持续加载并启动图像采集系统,为减少试件轻微平动和偏转对试验结果的影响,把加载至50 kN时的图像作为初始图像,荷载每上升10 kN保持恒载30 s,系统采集1张图像,直至加载结束. 计算图像时,分不同大小的3个计算区域像素(1 365×990、1 410×245、1 435×100),较小的计算区域与竖向2个应变片测量区域相当. 采用VIC-2D 2009计算图像,然后将所得到的数据导入MATLAB进行处理,参照潘兵提出的试验中消除微小偏转角方法[9],运行编译程序进行计算处理,得到弹性模量测量结果.

通过室温测量弹性模量的试验,分析纤维体积掺量对轻骨料混凝土弹性模量的影响,优选配合比进行高温后残余弹性模量试验. 高温试验设备采用箱式电炉,选定100、200、300、500、700、900 ℃ 6个目标温度段,升温速率为10 ℃/min,升温至目标温度后恒温3 h,恒温结束后试件在炉膛内自然冷却至室温.

2 图像处理及结果分析

2.1 普通轻骨料混凝土弹性模量测量

应用DIC方法计算LC试件表面位移场和应变场,同时对比电阻应变片测得的应变数据. LC试件应用2种测量方法所得结果见表2,应用DIC方法加载至150 kN时试件表面位移云图见图2. 绘制DIC应力-应变曲线、应变片应力-应变曲线见图3.

图2 150 kN时试件表面位移云图

图3 应力-应变曲线

表2 LC弹性模量数据 GPa

对比2种方法计算得到的弹性模量,发现应用电测法得到的数值较应用DIC方法得到的弹性模量数值最大相差3.72 GPa,2种方法所测得的弹性模量属同一数量级,表明DIC方法应用于测量混凝土弹性模量的可行性. 观察图3,可发现DIC方法不同计算区域所得的应变结果相差不大,且数据结果线性较好. 2种方法测得的应变相差不超过200 με,分析偏差原因,混凝土为多相非均匀复合材料,各相材料的弹性模量大小不一,可能致使试件表面应变存在不均匀性,应变片仅是测量试件表面的局部应变,不能表征试件表面全场应变,2种方法的差异导致弹性模量测量结果不一致,但在合理范围内.

2.2 纤维轻骨料混凝土弹性模量测量

制备轻骨料混凝土试件,掺入不同掺量玄武岩纤维,应用DIC方法进行弹性模量测量试验,结果见表3,根据纤维掺量的不同分析弹性模量的变化规律,如图4所示.

图4 不同纤维掺量轻骨料混凝土弹性模量

表3 纤维轻骨料混凝土弹性模量 GPa

观察图4发现,轻骨料混凝土中加入不同掺量的玄武岩纤维后,所测得弹性模量均有不同程度提高,分别高出11.01%、11.66%、19.70%、21.59%、20.67%、1.89%,随着纤维体积掺量的增加弹性模量逐渐增大,体积掺量达0.2%时弹性模量最大,随后降低.

由于玄武岩纤维具有较高的弹性模量和较低的断裂延伸率,掺入混凝土中起到微加筋的作用,混凝土由于自身不均匀性导致内部存在许多微裂缝,在荷载作用下,内部微裂缝不断扩展,而纤维均匀分散在混凝土中形成三维网状结构[10],裂缝的扩展需要克服纤维与混凝土基体的机械粘结力,此时纤维受拉应力能减少试件受荷载时的横向膨胀,有效缓解裂缝尖端的应力集中现象,增加裂缝的扩展阻力,从而减少裂缝的扩展.

2.3 高温后纤维轻骨料混凝土弹性模量测量

优选配合比进行高温处理后测量试件弹性模量,升温达900 ℃时,各试件表面脱落严重,无法测量弹性模量,其余测量结果见表4,变化趋势见图5.

图5 高温后纤维轻骨料混凝土弹性模量

表4 高温后弹性模量 GPa

观察图5在温度不超过300 ℃时弹性模量无明显规律,总体呈下降趋势,掺入玄武岩纤维后的混凝土弹性模量均高于LC. 分析原因,在该温度区间下,混凝土内部水分蒸发,高温和水蒸气环境促进水泥进一步水化,但不同掺量的玄武岩纤维导致试件内部结构差异,多因素共同作用造成该温度区间不同纤维掺量的轻骨料混凝土弹性模量呈无规律性降低,但此温度作用下玄武岩纤维性能未发生明显降低,在混凝土内部仍能起到一定的增强加筋作用,因此纤维轻骨料混凝土的弹性模量高于LC;温度达500 ℃时,玄武岩纤维性能降低,纤维轻骨料混凝土的弹性模量低于LC,BFLC2、BFLC3、BFLC4、BFLC6的残余弹性模量分别为38.0%、40.5%、40.2%、52.4%.

3 结论

本文应用数字图像相关方法测量纤维轻骨料混凝土的弹性模量,研究纤维掺量对弹性模量的影响,及高温后弹性模量的变化,得到以下结论:

1)DIC方法可对试件表面全场应变进行测量,所测应力-应变曲线线性较好,应用于混凝土弹性模量测量表征性相对较强,表明DIC方法应用于测量混凝土弹性模量的可行性.

2)轻骨料混凝土中掺入玄武岩纤维可提高其弹性模量. 随纤维体积掺量的增加弹性模量逐渐升高然后随之降低,体积掺量达0.2%时弹性模量最大.

3)高温作用显著降低纤维轻骨料混凝土的弹性模量,温度不超过300 ℃时,玄武岩纤维性能未发生明显衰减,仍可增加轻骨料混凝土的弹性模量. 升温达500 ℃时,玄武岩纤维轻骨料混凝土弹性模量急剧降低.