玄武岩纤维包裹混凝土圆形柱的抗冲击性能研究

李明钊， 张志刚， 葛 涛， 谭万鹏， 郭家齐， 闫焕敏

(空军工程大学 机场建筑工程系，西安 710038)



玄武岩纤维包裹混凝土圆形柱的抗冲击性能研究

李明钊， 张志刚， 葛 涛， 谭万鹏， 郭家齐， 闫焕敏

(空军工程大学 机场建筑工程系，西安 710038)

对C30、C40、C50三种强度等级的素混凝土及1～4层玄武岩纤维(BFRP)包裹试件进行了SHPB冲击试验，分析了试件在冲击作用下的破坏现象，研究了应变率和约束比对应力应变曲线的影响，得到了BFRP约束混凝土的动态强度拟合公式。试验结果表明：BFRP包裹试件的抗打击能力和变形能力较未包裹试件有较大提高，具有良好的吸能能力；随着包裹层数的增加和应变率提高，试件抗冲击强度和变形能力提高明显，应力应变曲线下降段的下降速度开始变缓，说明纤维在试件中所起的作用增强。

玄武岩纤维包裹混凝土；分离式霍普金森压杆；约束比；应变率效应；动态强度

连续玄武岩纤维具有高力学强度、高弹性模量、高热稳定性、优异的耐酸碱性、质量轻和成本低等特点，可将其掺入混凝土中或制成纤维布后包裹混凝土构件以增强混凝土的力学性能。将玄武岩纤维掺入混凝土中制成玄武岩纤维增强混凝土可有效改善混凝土的脆性，提高动态压缩强度，抗弯强度，冲击韧性以及能量吸收特性[1-3]。在建筑物构件外包裹玄武岩纤维布是一种有效的加固方法[4]，运用范围更加广泛，比如对地震后建筑的快速粘贴加固。研究表明，玄武岩纤维包裹加固能显著提高混凝土构件的抗震性能，改变混凝土构件的破坏形态，提高抗剪承载力、延性和耗能能力[5-7]。混凝土材料为应变率敏感性材料，SHPB试验结果表明[8]，素混凝土圆柱构件的破坏应力和破坏应变随应变率的增大而增大。李祥龙等[9]研究了钢质套筒侧限约束下混凝土试件在冲击荷载作用下的应力、应变特性，认为试件的延性和抗破坏能力均明显增强，其破坏应变为无围压冲击试验中1.8～2.8倍。对于玄武岩纤维包裹混凝土圆形柱的抗冲击性能，目前研究较少。本文采用Ø100 mm分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB)试验系统，对不同层数玄武岩纤维包裹的混凝土圆柱形试件进行了冲击加载试验，研究了约束比和应变率对试件抗冲击性能的影响。

1 SHPB冲击试验概简介

1.1 试件制作

试件尺寸为Ø98 mm×50 mm，具体制作方案如表1所示(其中玄1层表示粘贴1层玄武岩纤维布，其他依此类推)。本次试验采用成都航天拓鑫科技有限公司生产的BW200-100玄武岩纤维布，单纤维直径7μm，拉伸断裂强度为1 600 N/50 mm(拉伸断裂强度是指将单位宽度的试样拉伸至断裂时所需施加的最大力，单位为N/50 mm)，纤维布的粘贴按照现行标准《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》[10]规定的方法，采用湿黏法进行粘贴，采用3 cm的搭接长度。胶黏剂采用TTL型环氧树脂胶黏剂，抗拉强度48 MPa，受拉弹模2.7 GPa，伸长率1.6%，与混凝土黏结强度2.71 MPa。试件粗骨料为10～15 mm的碎石，水泥选用PO 42.5普通硅酸盐水泥。砂子为中砂，细度模数2.37的干燥河砂，混凝土拌和水为自来水。由于制作混凝土料棒的专用模具内径较小，C40和C50混凝土为增加其和易性添加了少量木钙减水剂(FDN)，其用量不超过水泥用量的0.5%。三种强度混凝土的质量配合比及7 d、

28 d标准立方体强度如表2所示，本次实验试件龄期为28 d。

1.2 试验设备与方法

本试验采用Ø100 mm的SHPB实验装置，其入射杆应力峰值可以达到400 MPa，作用时间为300 μs，应变率范围为10～10-3s-1。试验采用波形整形技术以保证应力均匀性。

图1为Ø100 mm的SHPB试验装置图。试验时，通过发射装置内的高压气体驱动子弹撞击入射杆产生入射波εi(t)，致使夹在入射、透射射杆之间的试件产生变形破坏，由此产生反射波εr(t)和透射波εt(t)，之后利用粘贴在压杆上的电阻。

表1 试件制作方案Tab.1 Specimen production plan

表2 混凝土质量配合比及各龄期强度Tab.2 Mix proportion and compressive strength of concrete

图1 Ø100 mm SHPB试验装置图Fig.1 Photo of Ø100 mm SHPB

(1)

2 冲击实验现象分析

2.1 素混凝土试件冲击现象

对素混凝土进行SHPB冲击实验时，其破坏形态有三种：当子弹速度较小时，试件表面出现裂纹，局部开裂，破碎面小；当子弹速度适中时，试件裂缝明显，局部碎裂并脱落；当子弹速度较高时，试件完全断裂，部分碎裂脱落，或完全碎裂成细小块状，见图2。

图2 SHPB冲击实验中素混凝土试件的破坏形态Fig.2 The destroying forms of plain concrete specimen in impact test

2.2 BFRP包裹混凝土试件冲击现象

BFRP包裹混凝土试件进行SHPB冲击实验时，往往混凝土被冲击成碎块，并向四周飞溅。多数情况由于冲击后混凝土碎块飞溅开，所以只剩下BFRP纤维环，BFRP包裹混凝土试件的冲击破环形态主要有三种情况，即①纤维环破碎为多片；②纤维环破碎为几块；③纤维环局部撕裂，但整体仍较完整，如图3所示。实验数据显示，混凝土碎块大小与冲击能量没有直接关系，碎块大小实际上反映BFRP薄弱区域分布，有明显薄弱点的碎块较大，相反无明显薄弱点的形成的碎块较多且小，高速加载时，BFRP的应力急速增加，部分纤维丝断裂后，应力还来不及重新分布吸收，BFRP就已经被撕开。

图3 SHPB冲击实验中BFRP包裹混凝土的破坏形态Fig.3 The destroying forms of BFRP impact test with SHPB

3 试验结果分析

3.1 应力应变曲线

3.1.1 应变率对应力应变曲线的影响

C30混凝土包裹1层数时，在应变率小于100 s-1情况下，试件在经受打击后完整，表现出很强的抗冲击性。而未经包裹的素混凝土即使高强度也很少能达到100 s-1而保持不坏，这说明玄武岩纤维布的存在极大的提高了基体材料的抗打击能力，使得脆性性质的基体具有了足够变形能力。图4为冲击荷载下C30混凝土试件包裹1～4层BFRP的应力应变关系，图中曲线编号以BIC30-101-84.4 s-1为例进行说明：BI代表玄武岩包裹试件冲击试验，C30为混凝土强度，101为第一组试件中的1号试件，84.4 s-1为平均应变率。

对一层包裹试件共进行了5个应变率分组的冲击实验，经三波法得到应力应变关系如图4(a)所示。从图中可以看出在应变率在84.4～120 s-1间纤维基本没有发生破坏，应力应变关系曲线表现为三角的形状，与素混凝土相似，从低应变率到高应变率的峰值应力和峰值应变的变化并不明显，这说明在该应变率范围内，应力应变关系对应变率是不敏感的。最终在较高的应变率121.3 s-1下玄武岩纤维发生整齐的竖向拉断。由于一层纤维布提供的约束作用不够，试件破坏时混凝土存在竖向劈裂破坏现象。混凝土破坏后形成的碎块体积较大，这说明了约束作用不够。因此，对混凝土进行了2层包裹，以得出包裹强度与基体强度之间的关系。

包裹两层玄武岩纤维布后试件在最高应变率下纤维环发生破坏的情况如图4(b)所示，纤维环在竖向表现为层状交错撕裂破坏，这是由于在试件内部形成的应力梯度造成迎冲面和被冲面的变形不均匀造成的。与图4(a)相比，随着包裹层数的增加，应变率提高，强度提高明显，并且下降段的下降速度开始变缓，说明纤维在试件中所起的作用增强，在117.2 s-1和156.6 s-1的应变率区间内，应力应变关系曲线的应变率效应不明显，两条线交织在一起。但应变率从89.5 s-1到117.20 s-1变化时，应力应变曲线变化较大。继续增加到3层包裹时，保证试件能打坏的最小应变率达到了158.9 s-1，比包裹两层时的最小值增加了近70 s-1。

由图4(c)可知，包裹三层时试件的应力应变关系曲线与前两层相比发生了显著的变化，应力应变关系曲线在峰值处出现了明显的波动现象，而在没有约束的混凝土中很难发现。约束层数增加到四层后，试件的破坏应变率提高到了200 s-1。如图4(d)所示，纤维环具有与两层和三层包裹时相似的破坏特征，应力增加不大，但应变增加明显，应力在120～140 MPa附近波动，而应变则达到了0.05。可能原因是当包裹层数为四层时，试件出现塑性变形特性，表现为应力增加不大，而应变继续增加。

当基体强度为C40时相同约束比不同应变率下的应力应变及破坏情况如图5所示。

图5 冲击荷载下C40试件包裹1～4层BFRP的应力应变关系Fig.5 The σ-ε relationships of C40 specimen confined by BFRP fibre from one to four layers under impact

由图5可知，在C40混凝土包裹一层纤维布时，应变率在107～140 s-1间的应力应变曲线只有一个峰值出现，表现出素混凝土的特征，纤维吸能现象不明显。当约束层数增加到2层后，应力应变曲线的下降段开始慢慢变缓，该现象表明纤维约束作用逐步增强。当纤维增加到3层后，可以看出应力在峰值附近波动开始变的明显起来。说明纤维的韧性开始发挥作用，应力的波动范围从80 ～200 MPa。当纤维约束增加到4层后，应变率在219.4～273.83 s-1之间时，应力应变曲线的峰值应力在100～180 MPa之间变动，与3层包裹时相比，应力波动的范围变窄，表明材料的吸能能力开始稳定。纤维环的破坏特征与以往相同。当C50混凝土作基体材料时，不同应变率下的试件的应力应变曲线如图6所示，C50纤维约束的应力应变及破坏情况与前述现象相似。

图6 冲击荷载下C50试件包裹1～4层BFRP的σ-ε关系Fig.6 The σ-ε relationships of C50 specimen confined by BFRP fibre from one to four layers under impact

3.1.2 约束比对应力应变曲线的影响

为研究约束比对试件性能的影响，将同约束比试件在相近应变率下的应力应变曲线进行对比分析。给出在相似应变率下C30、C40和C50三种基体强度混凝土包裹1～4层数BFRP的关系曲线，如图7所示。从图中可以看出随着包裹层数的增加，应力和应变增加的比较明显，但在较高的应变率附近由于应变率的波动性较大掩盖了应力应变关系对应变率的敏感性，但是由于实验设备的打击能力有限，很难对更高的应变率进行较大范围的划分，需要借助于更高的应变率实验设备进行实验。

3.2 BFRP约束混凝土的动态强度

按式(2)对 BFRP包裹混凝土试件的动态强度进行回归分析：

(2)

(3)

图7 相近应变率下不同约束比试件的σ-ε曲线Fig.7 The σ-ε curves of specimens with different confining rations under similar strain rates

图8 BFRP约束混凝土动态强度比/fcd与动态约束比/fcd关系Fig.8 The relational curves between /fcdand /fcd for BFRP confined concrete

4 结 论

(1)BFRP包裹混凝土短柱与未包裹相比，其强度提高值约为约束强度的2倍左右。未经包裹的素混凝土试件很少能达到100 s-1的应变率而保持不坏，这说明玄武岩纤维极大的提高了基体材料抗打击能力，使得脆性性质的基体具有了足够的强度和变形能力。

(2)BFRP约束混凝土试件的应力应变曲线在峰值应力附近具有波动性，即应力应变关系表现出多个波峰现象，说明混凝土与纤维的破坏不同步。这也体现了BFRP约束试件具有良好的吸能能力，这适应了防护工程对材料的塑性变形要求。BFRP包裹可显著提高构件在冲击荷载下的变形能力。

(3)BFRP包裹混凝土在冲击荷载作用下的承载能力应以纤维拉坏为标准，不能以混凝土的破坏来确定。因为在纤维没有被拉坏前，包裹试件始终具有承载能力。

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Experiments on impact behaviors of BFRP confined concrete columns

LI Mingzhao, ZHANG Zhigang, GE Tao, TAN Wanpeng, GUO Jiaqi, YAN Huanmin

(Department of Airfield and Building Engineering, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China)

SHPB impact experiments were made on plain concrete specimens and specimens confined with different amount of BFRP layers. The plain concrete specimens were made of C30, C40 and C50 cement. The damage phenomena of specimens were analysed and the influences of strain rate and confinement ratio on the stress-strain curve were investigated. The dynamic strength fitting formula for BFRP confined specimens was achieved. The test results show that BFRP confined specimens have better anti-strike capability, energy absorption capability and deformability compared with those without BFRP confinement. The impact strength and deformability of specimens increase significantly with the increase of strain rate and the amount of BFRP layers, and the slope at the decline section of stress-strain curve becomes smaller, which indicates that BFRP plays a more significant role in concrete specimens.

basalt fiber reinforced plastics (BFRP) confined concrete; split hopkinson pressure bar (SHPB); confinement ratio; strain rate effect; dynamic strength

爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室开放课题(DPMEIKF201409)

2015-08-05 修改稿收到日期：2015-11-11

李明钊 男，硕士生，1991年生

张志刚 男，博士，副教授，1970年生

TU377

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.22.032