• ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
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玄武岩纤维高延性水泥基复合材料的动态力学性能

张娜 周健 徐名凤 李辉 马国伟

引用本文:
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玄武岩纤维高延性水泥基复合材料的动态力学性能

    作者简介: 张 娜(1984- ),女,博士研究生,讲师,zn2011@126.com;
    通讯作者: 周健, zhoujian@hebut.edu.cn
  • 中图分类号: O383

Dynamic mechanical properties of basalt fiber engineered cementitious composites

    Corresponding author: ZHOU Jian, zhoujian@hebut.edu.cn ;
  • CLC number: O383

  • 摘要: 利用玄武岩纤维和水泥基材料,通过一定配比融合制成了在静态拉伸试验中呈现多缝开裂、应变硬化、极限拉伸应变0.5%以上的玄武岩纤维高延性水泥基复合材料(basalt fiber engineered cementitious composites, BF-ECCs)。用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置对不同玄武岩纤维掺量的水泥基复合材料进行动态压缩和动态劈裂试验。结果表明:(1)在压、拉两种应力状态下,玄武岩纤维对水泥基复合材料的静态强度、动态强度均有增强,且高应变率下玄武岩纤维对抗压强度动态增幅较小,对劈裂强度动态增幅较大;(2) BF-ECC的抗压强度和劈裂强度均随应变率升高而显著提高,两者均可以采用动态增强因子(dynamic increase factor, DIF)反映动态强度的增幅,但劈裂强度的应变率敏感性强于抗压强度;(3)依据试验得到的普通水泥混凝土速率敏感性的CEB-FIP方程(2010)不适用于BF-ECCs。
  • 图 1  单轴拉伸试样尺寸

    Figure 1.  Dimensions of specimens used in uniaxial tensile tests

    图 2  静态压缩试验

    Figure 2.  Static compression test

    图 3  静态拉伸试验

    Figure 3.  Static tensile test

    图 4  SHPB试验装置

    Figure 4.  SHPB experimental device

    图 5  动态压缩试验

    Figure 5.  Impact compression test

    图 6  不同玄武岩纤维掺量试样静态拉伸应力-应变曲线

    Figure 6.  Static tensile stress-strain curves of specimens with different volume fractions of basalt fiber

    图 7  第2应变率下试样的破坏形态

    Figure 7.  Failure modes of specimens at their corresponding second strain rates

    图 8  不同玄武岩纤维掺量试样应力-应变曲线

    Figure 8.  Stress-strain curves of specimens with different basalt fiber contents

    图 9  不同应变率下试样的动态抗压强度

    Figure 9.  Dynamic compressive strengths of specimens at different strain rates

    图 10  动态抗压强度增长因子与应变率的关系

    Figure 10.  Relation of dynamic increase factor of compressive strength to strain rate

    图 11  不同纤维掺量试样在其第1动态劈裂应变率下的破坏形态

    Figure 11.  Failure modes of BF-ECC specimens with different fiber volume fractions at their corresponding first dynamic crack strain rates

    图 12  不同应变率下试样的动态劈裂强度

    Figure 12.  Dynamic tensile strengths of specimens at different strain rates

    图 13  动态劈裂强度增强因子与应变率的关系

    Figure 13.  Relation of dynamic increase factor of tensile strength to strain rate

    表 1  主要原材料中不同化学成分的质量分数

    Table 1.  Mass fractions of different chemical ingredients in main raw materials

    原材料质量分数/%
    二氧化硅氧化铝氧化铁氧化钙氧化镁三氧化硫烧失量总计
    铝酸盐水泥 7.9550.332.3832.6 2.030.5795.86
    粉煤灰48.6337.373.78 3.051.600.843.6198.88
    硅灰87.28 1.090.75 0.871.761.474.7497.96
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    表 2  不同试样的材料质量配合比

    Table 2.  Material mix proportions in the different specimens

    试样编号质量分数/%减水剂与固体质量之比φ/%水固质量之比
    水泥粉煤灰硅灰
    BF0%4050101∶25001∶5
    BF2%4050101∶25021∶5
    BF3%4050101∶25031∶5
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    表 3  静态抗压和抗拉强度

    Table 3.  Static compression and tensile strength

    φ/%fsta,c/MPafsta,ten/MPaεlim,ten/%
    030.2±0.233.24±0.0290.09±0.001
    232.1±0.193.71±0.0090.20±0.003
    334.1±0.253.87±0.0080.66±0.002
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    表 4  BF-ECC试样动态压缩下的主要力学参数

    Table 4.  Main mechanical parameters of BF-ECC specimens under dynamic compression

    φ/%${\dot \varepsilon _0}/{{\rm{s}}^{ - 1}}$fd,c/MPaεlim,c/10-6φ/%${\dot \varepsilon _0}/{{\rm{s}}^{ - 1}}$fd,c/MPaεlim,c/10-6φ/%${\dot \varepsilon _0}/{{\rm{s}}^{ - 1}}$fd,c/MPaεlim,c/10-6
    0 36.136.8±0.736 530±1732 38.939.4±2.387 113±2423 44.239.1±1.938 550±189
    55.443.0±1.825 693±221 50.546.2±1.935 160±233 66.247.5±2.538 047±245
    77.746.6±1.416 043±194 71.748.9±1.915 497±201 76.953.0±1.825 320±267
    202.358.4±1.527 253±203187.759.3±2.636 637±196172.860.7±2.565 967±234
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    表 5  动态劈裂试验结果

    Table 5.  Dynamic splitting test results

    φ/%${\dot \varepsilon _0}/{{\rm{s}}^{ - 1}}$fd,ten/MPaφ/%${\dot \varepsilon _0}/{{\rm{s}}^{ - 1}}$fd,ten/MPaφ/%${\dot \varepsilon _0}/{{\rm{s}}^{ - 1}}$fd,ten/MPa
    2.86.3±0.314.17.4±0.073.9 8.6±0.26
    03.77.0±0.1024.57.9±0.3134.5 9.3±0.45
    6.37.5±0.208.18.4±0.128.510.7±0.32
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-11
  • 录用日期:  2019-12-11
  • 网络出版日期:  2020-03-25
  • 刊出日期:  2020-05-01

玄武岩纤维高延性水泥基复合材料的动态力学性能

    作者简介:张 娜(1984- ),女,博士研究生,讲师,zn2011@126.com
    通讯作者: 周健, zhoujian@hebut.edu.cn
  • 1. 河北工业大学土木与交通学院,天津 300401
  • 2. 陆军军事交通学院国防交通系,天津 300161

摘要: 利用玄武岩纤维和水泥基材料,通过一定配比融合制成了在静态拉伸试验中呈现多缝开裂、应变硬化、极限拉伸应变0.5%以上的玄武岩纤维高延性水泥基复合材料(basalt fiber engineered cementitious composites, BF-ECCs)。用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置对不同玄武岩纤维掺量的水泥基复合材料进行动态压缩和动态劈裂试验。结果表明:(1)在压、拉两种应力状态下,玄武岩纤维对水泥基复合材料的静态强度、动态强度均有增强,且高应变率下玄武岩纤维对抗压强度动态增幅较小,对劈裂强度动态增幅较大;(2) BF-ECC的抗压强度和劈裂强度均随应变率升高而显著提高,两者均可以采用动态增强因子(dynamic increase factor, DIF)反映动态强度的增幅,但劈裂强度的应变率敏感性强于抗压强度;(3)依据试验得到的普通水泥混凝土速率敏感性的CEB-FIP方程(2010)不适用于BF-ECCs。

English Abstract

  • 20世纪末,Li等[1]、Maalej等[2]利用断裂力学和微观力学原理,最早提出以乱向短纤维增强水泥基材料制备出高延性水泥基复合材料,并将其命名为ECC (engineered cementitious composites)。纤维在水泥基复合材料中主要起到阻裂、增强和增韧的作用,使得该材料具有独特韧性、多缝开裂、应变硬化等特征,成为土木工程材料领域研究的热点。徐世烺等[3-4]、刘问[5]运用国产胶凝材料制备出拉伸应变达到3%的超高韧性水泥基复合材料,其极限裂缝间距平均为0.8~2.5 mm。Yang等[6-7]、Maalej等[8]、Zhang等[9]、Mechtcherine等[10]和Soe等[11]先后研究发现,ECC抗冲击性能明显优于普通混凝土和纤维混凝土。

    而现有的ECC主要以聚乙烯(PE)纤维[12]、聚乙烯醇(PVA)纤维[13-14]和聚丙烯(PP)纤维[15]等合成纤维为增强增韧组分,上述纤维均为有机纤维。玄武岩纤维作为一种环保无机纤维,以火山岩为原料,通过1 450~1 500 ℃的熔融,经过漏板拉丝工艺而成,具有热稳定性好、强度高、摩擦因数稳定等特点。目前对玄武岩纤维混凝土研究较多,成涛华等[16]、葛浩军[17]通过改变玄武岩纤维掺量、纤维长度研究了掺入玄武岩纤维对混凝土的工作性能和力学性能的影响;Sun等[18]研究了不同纤维含量、纤维长度的玄武岩纤维增强混凝土的力学性能,并通过多尺度数值模拟验证了该材料的力学性能。李为民等[19]、朱涵等[20]研究了玄武岩纤维混凝土的动态力学性能和冲击力学性能。Zhang等[21]等通过分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)试验研究了6种体积含量的玄武岩纤维混凝土在不同高应变率下的冲击行为,分析了体积分数和应变速率对动态抗压强度和韧性的影响,并探讨了其本构模型。综上试验结果均表明:玄武岩纤维能够有效提高混凝土的动静态力学性能,但将玄武岩纤维添加到水泥基材料中呈现多缝开裂、拉伸应变硬化等特征未见报道。

    本文中,将玄武岩纤维掺入水泥基复合材料中,对其进行静态压缩、拉伸试验,通过调整配比得到具有应变硬化、多缝开裂等特征的玄武岩纤维高延性水泥基复合材料(basalt fiber engineered cementitious composites, BF-ECCs)。在静态力学性能研究的基础上,利用$\varnothing $50 mm变截面SHPB试验装置对不同玄武岩纤维掺量的水泥基复合材料进行动态压缩试验和动态劈裂试验,以期获取BF-ECC的动态力学性能,为其在抗爆抗冲击领域的应用奠定理论基础。

    • 试验原材料包括鸭牌铝酸盐水泥(CAC)、硅灰(SF)、粉煤灰(FA)、山西晋投玄武岩纤维、聚羧酸减水剂和水。水泥、粉煤灰和硅灰化学成分的质量分数如表1所示,试验材料配合比如表2所示,φ为玄武岩纤维体积分数。玄武岩纤维的长度为9 mm, 直径为14.1 μm,密度为2.695 g/cm3,抗拉强度为2.23 GPa,弹性模量为85.8 GPa,断裂伸长率为2.85%。

      原材料质量分数/%
      二氧化硅氧化铝氧化铁氧化钙氧化镁三氧化硫烧失量总计
      铝酸盐水泥 7.9550.332.3832.6 2.030.5795.86
      粉煤灰48.6337.373.78 3.051.600.843.6198.88
      硅灰87.28 1.090.75 0.871.761.474.7497.96

      表 1  主要原材料中不同化学成分的质量分数

      Table 1.  Mass fractions of different chemical ingredients in main raw materials

      试样编号质量分数/%减水剂与固体质量之比φ/%水固质量之比
      水泥粉煤灰硅灰
      BF0%4050101∶25001∶5
      BF2%4050101∶25021∶5
      BF3%4050101∶25031∶5

      表 2  不同试样的材料质量配合比

      Table 2.  Material mix proportions in the different specimens

    • 试样制作时,将全部胶凝材料(CAC、SF、FA)混合均匀倒入搅拌锅中,加入减水剂、水,低速搅拌1 min,高速搅拌2 min,使浆体流动度达到要求。然后均匀加入玄武岩纤维,搅拌2 min,将浆体倒入模具。将模具放到振动台振动2 min振实抹平,24 h后拆模,进行标准养护28 d。静态压缩试验和SHPB试验试样均采用圆柱形试样,尺寸为$\varnothing $50 mm×25 mm,并磨平处理,两端面平行度不大于0.05 mm。静态拉伸试验试样采用哑铃形试样,试样抗拉标距[22]为80 mm,宽度为30 mm,厚度为12.7 mm,拉伸试样尺寸如图1所示。

      图  1  单轴拉伸试样尺寸

      Figure 1.  Dimensions of specimens used in uniaxial tensile tests

    • 静态压缩试验采用MATEST试验机,如图2所示,以3×10−5 s−1的应变速率施加单轴压缩载荷;拉伸试验采用SANS万能试验机,如图3所示,将试样固定在2个拉伸夹头之间,用万能试验机拉伸夹头对带有引伸计的试样施加(50±10) N的力,以4×10−5 s−1的应变速率施加单轴拉伸载荷。

      图  2  静态压缩试验

      Figure 2.  Static compression test

      图  3  静态拉伸试验

      Figure 3.  Static tensile test

    • 本试验采用$\varnothing $50 mm直锥变截面SHPB试验装置,试验设备如图4所示,试样安置如图5所示。对3种不同纤维掺量的试样每种进行4种应变率(从低到高为第1、2、3、4应变率)的动态压缩试验,通过调节弹速和波形整形器控制入射波来实现不同应变率的加载。

      图  4  SHPB试验装置

      Figure 4.  SHPB experimental device

      图  5  动态压缩试验

      Figure 5.  Impact compression test

      采用经典两波法得到试样在特定应变率下的应力-应变曲线,公式如下:

      ${{\rm{\sigma }}_{\rm{s}}}\left( t \right) = \frac{{E{A_0}}}{{{A_{\rm{s}}}}}{\varepsilon _{{\rm{tran}}}}\left( t \right)$

      ${{\rm{\varepsilon }}_{\rm{s}}}\left( {\rm{t}} \right){\rm{ = }}\frac{{{\rm{2}}{{{c}}_{\rm{0}}}}}{{{{{l}}_{\rm{s}}}}}\mathop \int \limits_0^t [{\varepsilon _{\rm{i}}}\left( t \right) - {\varepsilon _{{\rm{tran}}}}\left( t \right)]{\rm{d}}t$

      ${\dot \varepsilon _{\rm{s}}}\left( t \right) = \frac{{2{c_0}}}{{{l_{\rm{s}}}}}\left[ {{\varepsilon _{\rm{i}}}\left( t \right) - {\varepsilon _{{\rm{tran}}}}\left( t \right)} \right]$

      式中:σs(t)为试样应力,EA0c0分别为压杆弹性模量、横截面面积和弹性波速,Asls分别为试样的初始横截面面积和初始长度,εi(t)为入射波,εtran(t)为透射波,εs(t)为试样应变,${\dot \varepsilon _{\rm{s}}}\left( {\rm{t}} \right)$为试样应变率。

    • 为了减小应力集中的影响,试样圆周面通过钢制圆弧垫块夹在入射杆和透射杆之间接触,所有接触面涂抹凡士林减小摩擦。压杆应变片位置与动态压缩试验中的完全相同。劈裂强度计算沿用静态弹性力学对心圆盘解:

      ${f_{{\rm{d}},{\rm{ten}}}} = \frac{{2{{\rm{\sigma }}_{{\rm{tran}}}}{A_0}}}{{{{{\text{π}} }}hd}}$

      式中:fd,ten为劈裂强度,h为试样高度,d为试样直径,σtran为压杆透射波最大应力。

    • 不同纤维掺量试样的静态压缩和拉伸试验结果如表3所示,表中fsta,c为静态抗压强度,fsta,ten为静态抗拉强度,εlim,ten为极限拉伸应变。从表3可以看出,随着玄武岩纤维掺量的增加,试样抗压强度和抗拉强度均呈现提高的趋势。与BF0%试样相比,BF2%、BF3%试样抗压强度分别提高6.3%、12.9%,抗拉强度分别提高14.5%、19.4%。同时,拉伸试验测得BF2%、BF3%试样极限拉伸应变分别达到0.2%、0.66%,如图6所示。根据《JC/T 2461-2018高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》[22],3%玄武岩纤维掺量的水泥基复合材料具有高延性纤维增强水泥基复合材料的特点,因此BF3%试样配比材料为BF-ECC。

      φ/%fsta,c/MPafsta,ten/MPaεlim,ten/%
      030.2±0.233.24±0.0290.09±0.001
      232.1±0.193.71±0.0090.20±0.003
      334.1±0.253.87±0.0080.66±0.002

      表 3  静态抗压和抗拉强度

      Table 3.  Static compression and tensile strength

      图  6  不同玄武岩纤维掺量试样静态拉伸应力-应变曲线

      Figure 6.  Static tensile stress-strain curves of specimens with different volume fractions of basalt fiber

    • 不同纤维掺量试样在4种应变率ε0下的动态抗压强度fd,c和峰值应变εlim,c表4所示。表4显示:(1)随着应变率的升高,不同纤维掺量试样的动态抗压强度均提高,而破坏应变均先减小后增大;(2)在相近应变率下,随着纤维掺量的增加,试样动态抗压强度提高;(3)在第1应变率下,随纤维掺量的增加,试样破坏应变增大;在第3、4应变率下,随纤维掺量的增加,试样破坏应变减小。

      φ/%${\dot \varepsilon _0}/{{\rm{s}}^{ - 1}}$fd,c/MPaεlim,c/10-6φ/%${\dot \varepsilon _0}/{{\rm{s}}^{ - 1}}$fd,c/MPaεlim,c/10-6φ/%${\dot \varepsilon _0}/{{\rm{s}}^{ - 1}}$fd,c/MPaεlim,c/10-6
      0 36.136.8±0.736 530±1732 38.939.4±2.387 113±2423 44.239.1±1.938 550±189
      55.443.0±1.825 693±221 50.546.2±1.935 160±233 66.247.5±2.538 047±245
      77.746.6±1.416 043±194 71.748.9±1.915 497±201 76.953.0±1.825 320±267
      202.358.4±1.527 253±203187.759.3±2.636 637±196172.860.7±2.565 967±234

      表 4  BF-ECC试样动态压缩下的主要力学参数

      Table 4.  Main mechanical parameters of BF-ECC specimens under dynamic compression

      图7所示为不同纤维掺量试样在第2应变率下的破坏形态,得到纤维掺量从0%增加到2%、3%,试样破坏从碎成小块、碎成大块到粘连未碎成大块,说明纤维起到桥接作用,阻碍水泥基材料试样破碎。

      图  7  第2应变率下试样的破坏形态

      Figure 7.  Failure modes of specimens at their corresponding second strain rates

    • 不同纤维掺量试样在不同应变率下的应力-应变曲线如图8所示,试样在受力变形过程中:首先是线弹性阶段,而后应力继续升高,达到峰值应力;在达到峰值应力后,进入卸载段,进一步压缩,玄武岩纤维与水泥基材料基体同时受力,纤维起到明显的桥接作用,因此,出现较长的应力平台,并随着玄武岩纤维掺量的增大,应力-应变曲线的卸载段应力平台增长,应力下降减慢。

      图  8  不同玄武岩纤维掺量试样应力-应变曲线

      Figure 8.  Stress-strain curves of specimens with different basalt fiber contents

      从应力-应变曲线形态看到,BF3%试样在第1、2应变率峰值区域出现曲率显著较小的圆弧顶,在第3、4应变率时消失,说明中应变率下试样变形小于或相当于裂纹扩展速度,纤维对基体有增韧效果;在较高应变率下,强度随应变率升高而提高,到达峰值时,已远远超过纤维和基体间的结合力,纤维加入试样产生的缺陷导致基体迅速坍塌,一直到缺陷压密后部分纤维恢复增韧,即出现较长的卸载平台。在较高应变率时BF2%和BF3%试样变化趋势相同。

    • 将各组试样在4组应变率下的有效动态抗压强度汇总求得平均值,如图9所示。从图9可以发现,随着应变率的变化,不同纤维掺量试样的动态抗压强度上升趋势有所不同:(1)随着应变率的上升,3种纤维掺量的试样动态抗压强度均呈现上升的趋势。(2)在第1应变率下,3种纤维掺量试样的动态抗压强度相差不大;在第2、3、4应变率下,3种纤维掺量试样的动态抗压强度相差较大。(3)随应变率的升高,BF0%、BF2%试样动态抗压强度增幅逐渐减小,BF3%试样动态抗压强度增幅在前3种应变率时逐渐增大,到第4应变率时增幅变小。

      图  9  不同应变率下试样的动态抗压强度

      Figure 9.  Dynamic compressive strengths of specimens at different strain rates

    • 动态抗压强度增长因子θc(dynamic increase factor of compressive strength, DIFCS)是指材料的动态抗压强度和准静态抗压强度的比值,反映了材料动态抗压强度的增幅,其计算公式为:

      ${\theta _{\rm{c}}} = \frac{{{f_{{\rm{d}},{\rm{c}}}}}}{{{f_{{\rm{sta}},{\rm{c}}}}}}$

      对普通水泥混凝土,根据CEB-FIP(2010)[23]计算公式得到其动态抗压强度增长因子:

      ${\theta _{\rm{c}}} = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{{\left( {\dot \varepsilon /{{\dot \varepsilon }_0}} \right)}^{0.014}}\quad\quad\quad\quad\dot \varepsilon {\text{≤}} 30\;{\rm{}}{{\rm{s}}^{ - 1}}}\\ {0.012{{\left( {\dot \varepsilon /{{\dot \varepsilon }_0}} \right)}^{\textstyle\frac{1}{3}}}\;\;\;\quad\quad\dot \varepsilon {\text{>}} 30\;{\rm{}}{{\rm{s}}^{ - 1}}} \end{array}} \right.$

      通过不同纤维掺量试样动态抗压强度与静态抗压强度比值计算,根据该公式计算得到的DIFCS与应变率关系曲线并进行拟合如图10所示。对于普通水泥混凝土,由CEB-FIP(2010)[23]计算得到,随应变率的升高其动态抗压强度提高显著。而对于BF0%、BF2%、BF3%的试样,随着应变率的升高,试样动态抗压强度也呈现提高趋势,但提高速度与普通水泥混凝土相比较小。随着纤维掺量增加到3%,试样动态抗压强度提高速度变化趋势不明显,说明BF-ECC试样动态抗压强度对应变率的敏感性较低。

      图  10  动态抗压强度增长因子与应变率的关系

      Figure 10.  Relation of dynamic increase factor of compressive strength to strain rate

    • 不同玄武岩纤维掺量试样动态劈裂试验的应变率ε0和劈裂强度fd,ten表5所示,部分试样破坏状况照片如图11所示。

      φ/%${\dot \varepsilon _0}/{{\rm{s}}^{ - 1}}$fd,ten/MPaφ/%${\dot \varepsilon _0}/{{\rm{s}}^{ - 1}}$fd,ten/MPaφ/%${\dot \varepsilon _0}/{{\rm{s}}^{ - 1}}$fd,ten/MPa
      2.86.3±0.314.17.4±0.073.9 8.6±0.26
      03.77.0±0.1024.57.9±0.3134.5 9.3±0.45
      6.37.5±0.208.18.4±0.128.510.7±0.32

      表 5  动态劈裂试验结果

      Table 5.  Dynamic splitting test results

      图  11  不同纤维掺量试样在其第1动态劈裂应变率下的破坏形态

      Figure 11.  Failure modes of BF-ECC specimens with different fiber volume fractions at their corresponding first dynamic crack strain rates

    • 将各组试样在3组应变率下的有效动态劈裂强度汇总求得平均值,如图12所示。从图12可以看出,随着应变率的变化,不同纤维掺量试样的动态劈裂强度上升趋势有所不同:(1)随着应变率的上升,3种纤维掺量的试样动态劈裂强度均呈现上升的趋势。(2)在相近应变率时,BF3%试样的动态劈裂强度明显大于BF2%试样,且大于BF0%试样;在不同应变率时,BF3%试样的动态劈裂强度明显大于BF2%试样,且大于BF0%试样。说明在拉伸状态下纤维增强作用显著。

      图  12  不同应变率下试样的动态劈裂强度

      Figure 12.  Dynamic tensile strengths of specimens at different strain rates

    • 不同纤维掺量试样动态劈裂强度呈现出应变率敏感性的特点。为分析不同玄武岩纤维掺量试样的动态劈裂强度在不同应变率下的变化趋势,将各组试样在3 组应变率下的有效劈裂拉伸强度进行了汇总,如图11所示。与动态压缩类似,定义动态劈裂强度增强因子θten (dynamic increase factor of tensile strength, DIFTS):

      ${\theta _{{\rm{ten}}}} = \frac{{{f_{{\rm{d}},{\rm{ten}}}}}}{{{f_{{\rm{sta}},{\rm{ten}}}}}}$

      对于普通水泥混凝土,按照CEB-FIP(2010)[23]方程计算劈裂强度动态增长因子,得到DIFTS与应变率的关系:

      ${\theta _{{\rm{ten}}}} = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{{\left( {\dot \varepsilon /{{\dot \varepsilon }_0}} \right)}^{0.018}}\quad\quad\quad\quad\quad\quad\dot \varepsilon {\text{≤}} 10\;{\rm{}}{{\rm{s}}^{ - 1}}}\\ {0.006\;2{{\left( {{\rm{\dot \varepsilon }}/{{\dot \varepsilon }_0}} \right)}^{\textstyle\frac{1}{3}}}\;\quad\quad\quad\;\;\;\dot \varepsilon {\text{>}} 10\;{\rm{}}{{\rm{s}}^{ - 1}}} \end{array}} \right.$

      通过计算并进行线性拟合,得到DIFTS与应变率的试验与拟合关系如图13所示。对于普通水泥混凝土,根据CEB-FIP(2010)[23],得到随应变率的升高其劈裂拉伸强度提高不太显著。而对于BF0%、BF2%、BF3%试样,随应变率的升高,其劈裂拉伸强度均呈现提高趋势,但提高速度随着纤维掺量的增加,先减小后增大,BF3%试样提高速度上升明显。这说明BF-ECC中纤维起到很好的桥接作用。

      图  13  动态劈裂强度增强因子与应变率的关系

      Figure 13.  Relation of dynamic increase factor of tensile strength to strain rate

    • 基于静态压缩试验、静态拉伸试验,通过动态压缩试验、动态劈裂试验,并与静态试验结果比较,BF3%试样从准静态到中等应变率范围内,其压缩强度、拉伸强度均随应变率的升高而提高,且在准静态拉伸试验中3%纤维掺量试样的极限拉伸应变达到0.66%,属于高延性纤维增强水泥基复合材料。

      对比分析动态压缩试验结果与动态劈裂试验结果,得到:(1)随纤维掺量的增加,试样的动态抗压强度、动态劈裂强度均随应变率的升高而提高。(2)随纤维掺量的增加,试样的动态劈裂强度提高幅度大于动态抗压强度的提高幅度,说明在动态拉应力作用下纤维的桥接作用明显。(3)随纤维掺量的增加,试样的动态抗压强度增长因子随应变率变化不大,且拟合曲线斜率较接近;而试样的动态劈裂强度增长因子随应变率的变化明显,且拟合曲线斜率呈现先减小后增大的趋势,说明纤维掺量对劈裂强度有显著的增强效果。

    • (1)通过一定配比得到BF3%试样在静态拉伸试验中呈现出应变硬化、多缝开裂、极限拉伸应变大于0.5%等特点,说明其是一种玄武岩纤维高延性水泥基复合材料(BF-ECC)。

      (2)BF0%、BF2%、BF3%试样的静态抗压强度、静态拉伸强度、动态抗压强度和动态劈裂强度均随着应变率的增大而增大。

      (3)随玄武岩纤维体积掺量的增加,BF2%、BF3%试样的抗拉强度较抗压强度增强效果显著,说明玄武岩纤维起到增强水泥基材料延性的作用。

      (4)用于估算普通水泥混凝土速率敏感性的CEB-FIP方程(2010)不适用于BF-ECC,不能直接应用于BF-ECC材料的应变率敏感性分析。根据试验结果拟合得到曲线,对于研究BF-ECC的应变率敏感性有借鉴意义。

参考文献 (23)

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