（固体力学专业论文）钢纤维高强混凝土动态劈裂实验的研究.pdf

钢纤维高强混凝土动态劈裂实验的研究 摘要 近年来，随着现代技术的发展，特别是国防防御工程的发展，对建筑物抗 御各种突加载荷和爆炸载荷能力的研究日益受到极大关注。抗拉强度是混凝土 的一个重要力学性质，也是混凝土结构的强度设计与稳定性的一个基本控制参 数。 本文首先对混凝土在不同应变率条件下的混凝土动态抗拉力学特性研究的 进展作了综述，其次对s h p b 劈裂实验技术和若干关键实验步骤进行了简单叙 述，并对先后两批混凝土动态劈裂实验结果进行分析，探讨了混凝土的在动态 劈裂实验中的劈裂强度的应变率效应，钢纤维对混凝土劈裂强度的影响。再次 结合波分离技术对劈裂强度进行有效性分析，进一步提出用能量耗散衡量混凝 土的动态拉伸损伤性能，并对耗散能变化规律研究分析。 此外，利用a n s y s 中的l s d y n a 模块对用于混凝土实验的大尺寸 s h p b 装置进行数值模拟，探讨混凝土劈裂实验中某些影响因素，加以分析研究。 关键字：钢纤维混凝土；动态劈裂；劈裂强度；应变率；耗散能量 r e s e a r c h so nd y n a m i cs p l i t t i n gt e s to fs t e e lf i b e r r e i n f o r c e dh i g hs t r e n g t hc o n c r e t e a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nt e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l yt h e d e v e l o p m e n t o f n a t i o n a ld e f e n s ep r o j e c t s ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nh a sb e e nf o c u s e do nt h e r e s p o n s eo fs t r u c t u r e st ov a r i o u ss h o c ka n de x p l o s i v el o a d i n g s 。t h et e n s i l es t r e n g t hi so n e o ft h em o s ti m p o r t a n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o n c r e t e ，i ti sa l s oak e y p a r a m e t e rf o r s t r e n g t hd e s i g na n ds t a b i l i t ya n a l y s i so fc o n c r e t es t r u c t u r e 。 f i r s t l y ，t h em o s tr e c e n td e v e l o p m e n to fi n v e s t i g a t i o no nm a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i cu n d e r d i f f e r e n ts t r a i nr a t e so fc o n c r e t ea r er e v i e w e d ，t h e nt h ee x p e r i m e n t a lt e c h n i q u eo ft h e s p l i t t i n gt e n s i l et e s to fs h p ba n dt h ek e ye x p e r i m e n t a ls t e p sa r ed e s c r i b e db r i e f l y , a n dt w o b a t c h e so fc o n c r e t ed y n a m i cs p l i t t i n gt e n s i l er e s u l t sa r ed i s c u s s e d ，t h es t r a i nr a t ee f f e c to f t h es p l i t t i n gs t r e n g t h ，a n dt h ee f f e c to ft h es t e e lf i b e rt ot h es t r e n g t ho fc o n c r e t ea r e d i s c u s s e d 。c o m b i n e dw i t hw a v es e p a r a t i o n t e c h n o l o g y ，t h ev a l i d i t yo ft h es p l i t t i n g i n t e n s i t yi sa n a l y z e d ，t h ed y n a m i ct e n s i l ed a m a g eo fc o n c r e t ep e r f o r m a n c ei sm e a s u r e db y t h ee n e r g y d i s s i p a t i o n ，a n dt h el a w o fe n e r g yc h a n g ed i s s i p a t i o ni sa n a l y z e d 。 i na d d i t i o n ，b yu s i n gt h ee x p l i c i td y n a m i cf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r el s - d y n a ， f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw a sc a r r i e do u tf o r t h el a r g ed i a m e t e rs h p bs e t u p ，a n dt h e n t h ee f f e c t so ft h ep r o c e d u r eo fd y n a m i c s p l i t t i n gt e s ta r ee x p l o r e da n da n a l y z e d k e y w o r d s ：s t e e lf i b e rc o n c r e t e ；d y n a m i cs p l i t t i n g ；s p l i t t i n gs t r e n g t h ；s t r a i nr a t e ； e n e r g yd i s s i p a t i o n 插图清单 图1 1混凝土力学构成：1 图1 2速率下混凝土抗拉强度与应变速率的关系5 图2 1s h p b 实验装置14 图2 2s h p b 压杆图14 图2 3超动态应变仪及数据采集系统14 图2 4d a s v i e w 2 界面及采集控制14 图2 5试样与压杆间的垫块l5 图2 6压杆原始波形15 图2 7对心圆盘问题16 图2 8波形整形器对入射波的整形效果16 图2 9混凝土动态劈裂试验17 图2 1 0 c 6 0 劈裂强度一应变率曲线1 8 图2 11 c 8 0 劈裂强度一应变率曲线1 8 图2 1 2 c 1 0 0 劈裂强度一应变率曲线1 8 图2 1 3 不同基体强度混凝土劈裂强度一应变率曲线1 8 图2 1 4 静态劈裂所得的仃，变化规律1 9 图2 1 5 各系列混凝土在不同应变率下的破坏情况2 0 图2 1 6c 1 0 0 v 4 在各应变率条件下的破坏情况2 1 图2 1 7c 6 0 劈裂强度应变率曲线2 3 图2 1 8c 6 0 系列的d i f 随应变率变化规律2 3 图2 1 9c 8 0 劈裂强度应变率曲线2 3 图2 2 0c 8 0 系列的d i f 随应变率变化规律2 3 图2 2 1 c 1 0 0 劈裂强度一应变率曲线2 3 图2 2 2c 1 0 0 系列的d i f 随应变率变化规律2 3 图2 2 3s t e f a n 效应示意图j 2 5 图3 1 用于波分离技术的应变计2 8 图3 2 采集到应力波的波形2 9 图3 3波分离得到的入射波及反射波3 0 图3 4 入射波5 与反射波5 的叠加结果3 0 图3 5 入2 与入5 波分离波形- 3 1 图3 6 试样左右两端应力比较图3 1 图3 7 第一个应变率不同试样的d 值3 2 图3 8 第二个应变率不同试样的d 值3 2 图3 9 第三个应变率不同试样的d 值3 9 图3 1 0 混凝土s h p b 劈裂实验能量变化曲线3 4 图3 1 1第一批不同入射能变化率下三种基体强度素混凝土耗散能变化规律3 7 图3 1 2 第二批不同入射能变化率下两种基体强度素混凝土耗散能变化规律3 7 图3 1 3 第一批不同入射能变化率下三种钢纤维含量v 2 混凝土耗散能变化规律3 7 图3 1 4 第一批不同入射能变化率下三种钢纤维含量v 4 混凝土耗散能变化规律3 7 图3 1 5 第二批不同入射能变化率下三种钢纤维含量v 2 混凝土耗散能变化规律3 8 图3 1 6 第二批不同入射能变化率下三种钢纤维含量v 4 混凝土耗散能变化规律3 8 图3 1 7 第一批不同纤维含量c 6 0 混凝土耗散能的变化规律3 8 图3 1 8 第二批不同纤维含量c 6 0 混凝土耗散能的变化规律3 8 图3 1 9 第一批不同纤维含量c 8 0 混凝土耗散能的变化规律3 9 图3 2 0 第二批不同纤维含量c 8 0 混凝土耗散能的变化规律3 9 图3 2 1第一批不同纤维含量c 1 0 0 混凝土耗散能的变化规律3 9 图3 2 2 第二批不同纤维含量c 1 0 0 混凝土耗散能的变化规律3 9 图4 1 s o l i d e l 6 4 单元4 2 图4 2 试样与垫块模型4 4 图4 3s h p b 实验过程的有限元模型4 4 图4 4 速度波形4 4 图4 5 垫块中心角1 l o 试样横截面水平应力分布及其平衡过程4 5 图4 6 垫块角度与应力平衡时间的关系4 5 图4 7 不同垫块角度的力平衡因子4 6 图4 8经透射波反算的拉伸波与试样实际拉伸波比较图4 6 图4 9 变垫块中心角试样径向拉应力分4 7 图4 1 0 不同上升沿时间的力平衡因子4 8 图4 1 1不同上升沿径向动态拉应力4 8 图4 1 2 不同加载波速度的力平衡因子一4 9 图4 1 3 1 0 0 p s 时不同加载速度径向动态拉应力5 0 图4 1 4 1 5 0 p s 时不同加载速度径向动态拉应力5 0 图4 1 5 不同加载速度径向动态拉应力5 0 表2 1 表2 2 表2 3 表2 4 表2 5 表2 6 表2 7 表2 8 表格清单 c 6 0 钢纤维高强混凝土的配合比1 3 c 8 0 钢纤维高强混凝土的配合比例1 3 c 10 0 钢纤维高强混凝土的配合比例1 3 第一批实验各系列动态劈裂强度1 7 第一个应变率下动态劈裂强度1 9 第二个应变率下动态劈裂强度1 9 第三个应变率下动态劈裂强度2 0 第四个应变率下动态劈裂强度2 0 表2 9 静态第一个应变率的劈裂强度2 l 表2 1 0静态第二个应变率的劈裂强度2 1 表2 1 1第二批实验各试样在平均应变率下的平均劈裂强度2 2 表3 1c 6 0 系列动态劈裂相关能量数据( 直接加载) 3 5 表3 2c 8 0 系列动态劈裂相关数据数据( 直接加载) 3 5 表3 3c 1 0 0 系列动态劈裂相关能量数据( 直接加载) 3 5 表3 4 c 6 0 系列动态劈裂相关能量数据( 加垫块) 3 6 表3 5 c 8 0 系列动态劈裂相关能量数据( 加垫块) 3 6 表3 6c 1 0 0 系列动态劈裂相关能量数据( 加垫块) 3 6 表4 1不同垫块角度试样中心实际拉应力与透射波得到名义拉应力4 7 表4 2不同上升沿时间试样中心实际拉应力与透射波得到名义拉应力4 9 表4 3不同速度试样中心实际拉应力与透射波得到名义拉应力4 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金旦垦王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 体碍弓 签字日期：p 7 年甲月驴 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金壁王些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 式气以够 签字嗍一年q 月湘 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： i i 电话：b c 吵多6 7 名 邮编： 衔影钰矸娣忻 名 玑 麟 瑚 砼 日 n y 产 黝 婵 致谢 在论文完成之际，我要特别感谢我的老师巫绪涛副教授的热情关怀和悉心指导。 在我撰写论文的过程中，巫老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构 思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了巫老师 悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学 精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。由衷 感谢李和平教授学习上、生活上还是工作上都给予了我无私的帮助和热心的照 顾，让我在诸多方面都有所成长。 同时还感谢三年来帮助和教育过我的牛忠荣教授、孟益平老师和董钢老师一 路走来，从你们的身上我收获无数，却无以回报，谨此一并表达我的谢意。并向在百 忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心地感谢! 感谢我的师兄吴战飞、孙善飞，同窗李耀、牛晓玉，在我困难的时候给予我安慰 和鼓励，让我重拾信心。 最后，谨以此文献给我的父母，给予我生命并竭尽全力给予了我接受教育的机 会。 代仁强 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 1 概述 混凝土是近代最广泛使用的建筑材料，也是当前最大宗的人造材料，与其 他常用建筑材料( 如钢铁、木材、塑料等) 相比，混凝土具有良好的耐水性、可 塑性和原料来源广、生产工艺简单、生产成本低、应用方便等优点。一直为工 程界所青睐。从发展趋势来看，在今后相当长的时期内水泥混凝土仍起着不可 替代的作用，仍将是应用最广、用量最大的建筑材料。 1 1 1 钢纤维混凝土的组成和特征 从材料组分上看，混凝土类材料是由水泥、集料、水、增强物、外加剂等 材料按一定配合比混合而成的一种多相复合材料。其力学构成表达【l 】为图1 1 ： 混凝土匕= 骨料+ 完伞硬化 未完全硬化 虬一母料+ 上 乏泥结晶体+ 水泥胶凝体+ 微裂纹 矿d _ r j 、 弹住叠形 塑枉叠形 图1 1 混凝土力学构成 弹塑醒 骨料为砂、石的统称，一般认为不与水泥和水发生化学反应。优质的骨料 总表现为弹性的力学行为，是构成混凝土内弹性骨架的组分之一，并具有较高 的强度和弹性模量。 水泥和水作用后生成的水化物可分为两类。一类是完全水化的水泥结晶体， 具有线弹性性质，它与骨料一起共同构成了混凝土内部的弹性骨架；另一类是 未完全水化的水泥凝胶体，在荷载作用下具有滞性流动的特性，由此产生的变 形大部分是不可恢复的，表现出明显的塑性。 混凝土的成熟度( 水化程度) 随时间的延续而增加。其内部的水泥凝胶体逐 步向水泥结晶体转化，滞性流动减小，宏观力学行为表现为弹性性能的强化， 水泥和骨料的粘结强度增大，并具有更高的极限强度和弹性模量。 通常混凝土在承受荷载前，其内部即存在微裂缝，究其原因是：( 1 ) 水泥石 在凝结硬化过程中的收缩受到粗骨料约束而产生的微裂缝。( 2 ) 在粗骨料界面残 存的气泡形成的界面裂缝。( 2 ) 多余的水分排出体外形成的毛细孔道。 由此可见，混凝土是一种非匀质的弹塑性材料，其材料特性决定了混凝土 力学性能的复杂性和离散性。 混凝土也存在一些缺点：( 1 ) 自重大；( 2 ) 抗拉强度较低：普通混凝土的抗拉 1 强度仅为抗压强度的1 2 0 1 10 ；( 3 ) 抗拉断裂应变值小，易于开裂；( 4 ) 性质较脆： 这个缺点是由前两者的不足带来的，即混凝土不但呈脆性，而且能量吸收少。 因此，其抗冲击能力也差。容易发生裂缝和破损。这些缺点在一定条件下限制 了混凝土结构的应用范围，使其优势得不到充分发挥。随着人们对混凝土这门 学科研究水平的不断提高，上述一些缺点己经或正在逐步得以克服或改进。高 强钢纤维混凝土就是人们改进的重要成果【2 1 。 高强钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短纤维所形成的一种 新型的多相复合材料和基体互不相溶，复合后各自保持原有特性【3 】。这些乱向 分布的短纤维主要作用在于阻碍混凝土内部微裂缝的发展和阻滞宏观裂缝的发 生和扩展。因此，钢纤维混凝土不仅具有普通混凝土的优良特性，同时显著地 改善了混凝土的抗拉强度及主要由主拉应力控制的抗弯强度、抗剪强度。钢纤 维混凝土还具有较好的韧性( 延性) 及控制裂缝的能力；另外在动荷载下的性能 方面，由于钢纤维混凝土对能量有很大的吸收能力，很多试验都证明，钢纤维 混凝土的抗冲击性能大幅度提高，抗冲击性能的提高，主要与钢纤维的含量和 类型有关。因此，钢纤维混凝土是混凝土的材料。 1 1 。2 混凝土动态力学性能研究的重要性 混凝土的动态力学性能是指混凝土在地震、冲击、爆炸等动态荷载作用下 的强度与变形特性。在动态荷载作用下，混凝土所表现出的强度和变形特性与 静态荷载作用下的强度和变形有一定差别，这些差别在一定条件下可能成为制 约结构安全的关键因素。 混凝土结构在其工作过程中都不可避免的遭遇到动荷载的作用，如高层建 筑，桥梁要承受风荷载的作用，水坝要承受动水压力，海洋平台要受到海浪的 冲击，各种结构都可能要遭遇地震荷载的作用。虽然，这些荷载并不是每时每 刻作用在结构上，但由于它们的不可预知性及其对结构的破坏性，这些荷载往 往成为控制结构设计的重要因素。强震区工程结构的设计需要考虑地震作用； 机场跑道设计要考虑飞机起飞、降落时的冲击作用；核电厂安全壳的设计要考 虑可能发生的飞机撞击作用；军事上防护结构的设计要抵御爆炸作用。混凝土 动态特性的研究受到很多工程领域的广泛重视。近年来，由于反恐怖袭击的需 要，混凝土的动态特性研究的重要性更显得突出。 对大型混凝土结构进行比较准确的动力设计和安全评价，迫切要求对混凝 土材料的动态强度和变形特性和动态破坏机理进行深入的研究，而正确认识混 凝土在不同应变率条件下的材料特性，正确认识混凝土的动态力学性能是一项 十分重要而且非常迫切的任务。 1 2 混凝土动态力学行为研究进展 自1 9 1 7 年a b r a m s 对混凝土进行压缩试验时发现混凝土抗压强度存在速率 2 敏感性后， 国外一些学者开始对混凝土材料进行各种力学性质的动载试验研究【4 j 。混 凝土材料的受压试验较容易进行，因此人们所进行的混凝土动态受压试验较多， 对动态拉伸特性的研究相对较少。在近几年的文献中关于混凝土动态试验的文 献，由于加载设备、数据量测设备以及试验技术的限制，许多研究者只侧重研 究混凝土动态强度；还有一些仅对破坏前的变形特性进行了探索。少数研究者 对不同应变速率下混凝土单轴压缩应力应变变形全曲线进行了研究，而动态 拉伸条件下的应力应变变形全曲线尚未发现详尽的报道：单轴试验数据相对 较多，取得了不少成果。此外，由于试验方法的不同和混凝土本身的离散性， 使得混凝土某些动态性能不稳定，不同研究者所得的结论相差较大甚至互相矛 盾。 1 2 1应变率对混凝土单轴动态抗拉强度特性的影响 由于混凝土受拉实验对设备的要求很高，而且成功率也很低，相对于混凝 土受压实验更困难，因而对混凝土动态受拉实验进行得很少。 m e l l i n g e r 和b i k i m e r ( 19 6 6 ) 5 】完成了两套素混凝土层裂试验，圆柱长 1 0 2 5 r a m ，直径为4 0 r a m ，在端部施加冲击荷载，压应力波从冲击端沿试样运行， 在试样的另一端反射为拉应力波。如果反射的拉应力波和压应力波的总和产生 的拉应力超过混凝土的抗拉强度，试样就会破坏。在第一套的三个试验中，准 静态应变速率为0 5 7 x1 0 巧s d 时的抗拉强度为，动力抗拉强度在17 2 m p a 到 2 2 1 m p a 之间变化。应变速率2 0 s 。1 时，d f i 在5 1 到6 5 之间变化，当应变速率为 2 3 s 。1 时，d f i 在4 5 和8 1 之间变化( 平均值为6 3 ) 。 b i k i m e r ( 1 9 7 1 ) 6 1 在应变速率从2 s o 到2 3 s 。之间对4 6 个素混凝土圆柱体试 样进行了层裂试验。圆体直径为4 0 m m ，长3 5 0 0 m m 。静态强度与m e l l n g i e e r 和b i k r i m e r 的试验一样，与之相应的d f i 从2 5 到6 之间变化。在4 6 个试验中， 其中3 3 个得到了较好的结果。 m e v a y ( 1 9 8 8 ) 7 1 的数据来源于混凝土墙体的爆破。在墙体背面的碎片中混凝 土发生了破坏。在应变速率为3 8 s d 和15 7 s j 时的抗拉强度增加系数分别为7 1 和6 7 。 r o s s ( 1 9 9 5 ) 8 】等在h o p k i n s o n 压杆上对圆柱体混凝土试样进行了直接拉伸、 劈拉和直接压缩试验。试样的直径在1 9 m m 和5 l m m 之间变化，长度从4 5 m m 至5 l m m 之间。s h p b 的直径为5 l m m 或7 6 m m 。在受拉试验中试验的应变速率 从1 0 。7 s 。到2 0 s 。1 之间变化。结果发现，当应变速率为1 7 8 s 。1 时，强度增加系 数达到6 4 7 。这些试验结果值同先前的高应变速率的试验结果值吻合得很好。 尚仁杰( 1 9 9 4 9 1 ，1 9 9 6 1 0 1 ) 等对哑铃形混凝土试样( 单轴强度约为3 0 m p a ) 在应 变速率为10 - 5 _ 2 x lo - z s 。1 量级范围内进行单轴直接拉伸和边长l o o n u n 立方体试 样单轴压缩试验，得出了不同速率下应力位移全过程曲线，并研究了试样尺寸 3 及骨料最大粒径对混凝土动态抗拉强度的影响。试验得出，应变速率提高一个 量级抗拉强度约提高1 7 ，抗压强度约提高o 6 2 。 肖g 耘( 2 0 0 2 ) 1 1 1 等在对哑铃形试样在应变速率为1 0 一1 0 。2 s 1 范围内研究了 混凝土( 强度约为2 0 m p a ) 单轴直接拉伸特性，分析了应变速率对弹性模量、泊 松比、吸能能力等力学性能的影响，得出，应变速率每提高一个量级，强度约 提高5 7 ，峰值应力处应变值没有明显变化。对立方体( 1 0 0 n u n ) 试样在应变速 率1 0 一一1 0 。1 s ，范围内进行动态单轴压缩试验，得出应变速率每提高一个量级， 强度约提高4 o ，峰值应力处应变随着应变速率增加而减小。 曲福进等人( 1 9 9 7 ) 【1 2 1 据混凝土弯曲破裂动态试验，提出了s f r c 在中应变 率下的动态增强系数d i p 公式 ，；、 d i f = 等= 1 + o 1 0 1 1 9 l l ( 1 1 ) j 恤 ss ) k l e p a e z l o 和b r a r a ( 2 0 0 1 ) t 1 3 1 对混凝土试样同样进行了直接层裂试验，他们所 采用的应变率达到了1 0 1 0 2 s ，证明了混凝土材料在动态载荷作用下具有比较 明显的应变率效应。 欧洲混凝土委员会( c e b ) 建议的混凝土单轴拉伸应力状态下的d i f 表达式 为【1 4 】 胛= 丢= 厶掰，酣纠 1 0 舌q 3 2 j( 1 4 ) 厶【2 9 2 9 1 9 k + o 8 1 4 6 0 营 2 3 2 s 、7 l j m a l v a r 乖 i j e c r a w f o r d ( 1 9 9 8 ) t 1 9 1 根据众多学者得到的混凝土拉伸状态下 的试验数据对c e b 公式进行了修正 肼= 丢- 般孓，。 式中d 、夕分别为 日本学者竹田仁一 冀 ，1 z 5 ， 拉伸试验。应变率响应为4o x l o s 时，抗拉强度提高了5 5 。此后，陆续有 人对混凝土材料动态拉伸特性进行了试验研究。 m a l v a r 与r o s s ( 1 9 9 8 ) 1 2 1 总结了荷载速率对混凝土单轴动态抗拉强度影响的 研究成果。得出的动态抗拉强度与应变速率的关系汇总于图1 2 t 2 ”。 图12 速率下混凝土抗拉强度与应变速率的关系 虽然混凝土强度随应变率增加而增加的实验结果己得到广泛的认可，但目 前关于增强的机理尚存在极大的争议。 122 含水率的对混凝上抗拉强度的影响 r o s s i 等( 1 9 9 2 h ，1 9 9 4 ”) 对内部含水量为1 0 0 和0 的两种湿度混凝土 在应变速率为1 0 0 s - i1 0 03 s 1 和1 0 - 6 s 1 两个应变速率量级研究了含水量对混凝土 直接拉伸强度和杨氏模量的影响，对干燥混凝土，杨氏模量降低了4 5 ；对湿 混凝土，杨氏模量提高了2 66 。干燥混凝土的表现的率敏感性较湿混凝土的 差。干燥混凝土的动态杨氏模量与静态杨氏模量很接近，但湿混凝土的动态杨 氏模量随应变速率增加了。但是由于试验中试样的环向有开槽而可能引起应力 集中现象，使得该文的结论难以具有普遍的意义。并在三种湿度条件下对混凝 土进行动态直接拉伸试验。加载速率为5 1 0 - 5 g p a s 、20 g p a s 、59 g p a s 和 7 72 g p a s 。f 相应的应变速率近似为i o6 、1 0 14 、l o 09 和1 0 02 s 1 1 ，试验得出， 混凝土在单轴拉伸条件下的速率敏感性是由于试样中含水所引起的，至少这一 结论对于加载速率低于8 0 g p a s 是成立的。随着水灰比的增加，拉伸强度和杨 氏模量对速率的敏感性增加。动静态强度差的绝对值( 厶。五) 的变化与水灰 比无关。干燥混凝土表现的率敏感性较湿混凝土的差。干燥混凝土的动态杨氏 模量与静态杨氏模量很接近，但湿混凝土的动态杨氏模量随应变速率增加了。 t若fjtq9i；d 对干燥混凝土无棚以幻，= 1 4 ，而湿度条件下比值为2 1 。 r o s s 等( 1 9 9 6 ) 4 2 1 对尺寸为西5 l m m 的混凝土试样在三种湿度条件：干燥、 半干和湿条件下在s h p b 上进行了劈裂和直接压缩试验，发现随着应变速率的 增加，含水率较高的抗拉强度增加明显。 1 2 3 钢纤维高强混凝土试样组成材料对抗拉强度的影响 钢纤维高强混凝土的材料组分主要包括水泥、集料、水、钢纤维、硅灰或 粉煤灰及减水剂等。 黄政宇、秦联伟( 2 0 0 7 ) 4 3 】通过实验发现钢纤维混凝土的静态劈裂拉伸性能 和动态劈裂拉伸性能与钢纤维的种类、长径比有关。在静态荷载作用下，较长 的钢纤维具有较好的增强增韧效果。在动态荷载作用下，钢纤维混凝土的劈裂 拉伸强度与劈裂面上钢纤维的纤维平均间距有关。在选择钢纤维时，同掺量的 情况下，选择合适长径比和较细的钢纤维，具有较好的增强效果。同时在同样 加载条件下，合理级配钢纤维，可以使级配钢纤维混凝土获得和单掺同掺量钢 纤维相当甚至更高的动态劈裂拉伸强度，使钢纤维混凝土高强高韧。 硅灰或粉煤灰的掺入能够有效地改善钢纤维混凝土的孔结构，减少孔隙率 并细化晶体，提高钢纤维混凝土的密实性，从而提高混凝土的抗拉强度。 1 3 钢纤维混凝土的耐久性 混凝土耐久性主要包括抗渗性、抗冻性、耐蚀性、抗碳化能力、碱骨料反应、耐 火性、耐磨性、耐冲刷性等。而影响因素有很多，一般可归结为三类：环境因素、内 在因素和受荷状况m 1 。常见的影响环境因素有混凝土的碳化、钢纤维的锈蚀、侵蚀性 气体、液体的腐蚀、高、低温等；而内在原因有混凝土强度的时变性、钢纤维强度的 时变性、碱集料反应、收缩、徐变等，而氯离子和混凝土的炭化是混凝土的耐久性性 能的最主要的影响因素。 1 3 1氯离子对钢纤维混凝土耐久性的影响 氯离子的来源主要是原料、燃料、混合材料和外加剂，但由于热料锻烧过程中， 氯离子大部分在高温下挥发而排出窑外，残留在热料中的氯离子含量极少如果水泥中 的氯离子含量过高，其主要原因是掺加了混合材料和外加剂( 如：工业废渣、助磨剂 等) 。 在混凝土外加剂中，特别是早强剂、防冻剂、防水剂这类外加剂，它们都含有以 氯盐为早强、防冻、防水的组分，在使用这外加剂时，如果只考虑混凝土的使用功能， 而不严格控制掺，就可能致使混凝土中氯离子含量超标。 另外，在混凝土拌制中，水是不可缺少的原材料之一。如果用饮用的自来水拌制， 一般来说是没有问题的，如果是地表水、地下水、再生水、混凝土企业设备洗刷水和 海水，这时就应该考虑和测定其中的氯离子含量，最后确定水源是否能用，否则，有 可能给混凝土带来氯离子的超标。 6 氯离子对混凝土中钢纤维的锈蚀是对混凝土最大的破坏和负面影响。钢纤维的腐 蚀分为湿腐蚀和干腐蚀两种。钢纤维在混凝土结构中的锈蚀是在有水分子参与的条件 下发生的腐蚀，属湿腐蚀钢纤维的锈蚀过程是一个电化学反应过程。使钢纤维表面的 铁不断失去电子而溶于水，从而逐渐被腐蚀；与此同时，在钢纤维表面形成红铁锈， 体积膨胀数倍，引起混凝土内部结构微裂纹扩展。 水泥在没有c l 一或c l 一含量极低的情况下，由于水泥混凝土碱性很强，p h 值较高， 保护着钢纤维表面钝化膜使锈蚀难以深入，氯离子在钢纤维混凝土中的有害作用是破 坏钢纤维钝化膜，加速锈蚀反应。当钢纤维表面存在c 1 一、0 。和h 。0 的情况下，在钢纤 维的不同部位发生如下电化学反应 f e + 2 c 1 。- - * f e c l 2 + 2 e _ f e 2 + + 2 c 1 。+ 2 e 0 2 + 2 h 2 0 + 4 e - - 4 0 h - 进入水中的f e 2 + 与o h 。作用生成f e ( o h ) 2 ，在一定的h 2 0 和0 2 条件下，可进一步 生成f e ( o h ) 3 产生膨胀，破坏混凝土。 当混凝土中氯离子较大时，氯离子对钢纤维的锈蚀，致使混凝土膨胀、疏松，从 而导致混凝土抗化学侵蚀、耐磨性和强度的下降；并使混凝土中钢纤维的增强效果下 降，甚至产生负面影响。 因此当混凝土中氯离子较多时，氯离子对钢纤维的锈蚀，致使混凝土膨胀、 疏松，从而导致混凝土抗化学侵蚀、耐磨性和强度的下降；并使混凝土中钢纤 维的增强效果下降，甚至产生负面影响 4 5 卅】。 氯离子锈蚀混凝土的影响因素分析： 1 ) 混凝土氯离子结合能力氯离子结合能力对外部氯离子的渗入速度有很大 影响，延缓了氯离子渗入混凝土内部的时间，延长了混凝土的使用寿命。氯离 子的结合能力主要由水泥的矿物组成以及环境温湿度等决定，由于在混凝土中 使用硅灰、矿渣粉等活性掺合料对混凝土孔溶液化学组成有显著影响，因此试 验表明掺加混合料对氯离子结合能力有显著影响；研究表明过高的孔溶液o h 浓度不利于氯离子的结合，但是引起钢纤维锈蚀取决于游离氯离子和o h 。浓度 2 个因素，当碱度太低时虽有利于氯离子结合，但保护钢纤维钝化的能力也减 弱了，因此需要综合考虑。 2 ) 环境温度 环境介质温度升高，离子运动速度加快，有利于离子的传输过程， 3 ) 混凝土的水饱和度 混凝土的水饱和度对离子在混凝土中的传输有重要影响，当混凝土水饱和 度较低时混凝土内部的离子在浓度梯度下以扩散方式传输时其传输速度将显著 降低，这是由于水饱和度降低混凝土孔溶液水分减少，离子在孔隙中传输更加 困难。 4 ) 参和料的影响 7 加有参和料的混凝土具有更强的抗氯离子侵蚀能力，硅粉、偏高岭土、稻 壳灰和适当掺量的矿渣等均能大幅度提高混凝土的抗氯离子渗透扩散能力。原 因是渗入的氯离子同混凝土中水化生成物会发生作用，而参和料恰好有助于这 种水化生成物的增加，从而减少了自由氯离子的数量。再者，参和料优化了混 凝土组分的级配，增强了混凝土的密实性，从而增强了抗渗能力。 5 ) 水泥类型的影响 材料的传输特性决定混凝土抵抗侵蚀性介质传输的能力。水泥类型不同， 其水化后内部孔结构不同，水化生成物对氯离子的吸附量不同，这对氯离子的 渗透和混凝土的性能及钢纤维锈蚀开始时间都有一定影响。不同类型水泥制成 的水泥砂浆的抗氯离子侵蚀性能不同。 近些年来，含氯环境下混凝土中的钢纤维腐蚀已逐渐成为国内外耐久性研究的重 点。与碳化引起的钢纤维腐蚀相比，氯离子引起的钢纤维腐蚀一旦发生，即可对混凝 土内部结构造成严重破坏。因此，通常将钢纤维开始腐蚀时间作为构件耐久性寿命的 终结。含氯环境下混凝土中钢纤维开始腐蚀时间不仅与混凝土中氯离子的渗透过程有 关，还与临界氯离子浓度有关，所以现在的混凝土规范、标准都对氯离子的浓度作了 限制。 1 3 2 混凝土的碳化 在混凝土的碳化是指空气中的c 0 2 渗入混凝土的孔隙和毛细孔中，溶于孔中液 体，与水泥的水化作用产物氢氧化钙、硅酸钙等作用形成碳酸钙等 4 8 - 5 0 】。高碱性环境 中，即p h = 1 1 5 时，它可以阻止钢纤维被进一步腐蚀，当混凝土碳化深度超过 钢纤维保护层时，钢纤维周围的孔隙液的p h 值降低至8 5 9 0 ，钝化膜被破坏， 在有足够水和氧气的条件下会产生电化学腐蚀。两种金属中的一种( 或只存在一 种金属时，为金属的某部分) 成为阴极或另一种( 或另一部分) 成为阳极，发生于 阴极和阳极区的基本化学反应如下： 阴极：f e _ f e z + + 2 e - 阳极：2 h 2 0 + 0 2 + 4 e 。一4 0 h 。 腐蚀产物：f e 2 + + o h 一f e o ( h 2 0 ) 。( 铁锈) 大气中的混凝土碳化通常是一个缓慢的过程，碳化速度取决于混凝土的渗 透性和大气中c 0 2 的浓度，在实际中影响混凝土碳化因素比较复杂，这些影响 因素主要可以归纳为与混凝土自身相关的内部因素和与环境相关的外部因素。 混凝土的渗透性取决于混凝土的严密性，而严密性又取决于水泥的品种和用量、 集料的品种和级配、水灰比、浇筑和养护的质量等【鹌侧。 1 3 3 混凝土内在因素对耐久性的影响 1 ) 碱一集料反应 碱一集料反应主要是指混凝土中的o h 一与集料中的活性s i 0 2 发生化学反应， 生成一种含有碱金属的硅凝胶。这种硅凝胶具有强烈的吸水膨胀能力，使混凝 土发生不均匀膨胀，造成裂缝、强度和弹性模量下降等不良现象，从而影响混 凝土的耐久性。 2 )自收缩、干燥收缩和温度变形 s h 自收缩是混凝土在与外界无物质交换的条件下，胶凝材料的水化反应引起 毛细孔负压和内部相对湿度降低而导致的宏观体积的减小。干燥收缩则是由于 混凝土中的水分散失到周围环境，引起混凝土内部湿度梯度而产生的体积变化。 温度变形即通常所说的热胀冷缩现象。混凝土的温度变形主要由两种原因造成： 其一是水泥水化反应放热导致混凝土温升；其二是混凝土与外界热交换的过程 中，混凝土内部不同部位，温度呈非线形分布，即存在温度梯度。 高强混凝土与普通强度混凝土在原材料和配合比方面存在的差异是导致前 者体积变化大的内在原因。水胶比的大幅度降低( 可低至0 1 7 ) ，必然导致胶凝材 料水化反应的供水不足和内部相对湿度的快速降低，即自干燥现象。自干燥的 直接后果便是自收缩。 自收缩、千燥收缩和温度变形等各种体积变化因素并非各自孤立的，它们 之间存在着相互影响，如水泥水化温升致使水化速率加快，从而进一步加快自 收缩；干燥也会影响高强混凝土自自收缩的发展，干燥条件下自收缩与干燥收 缩并不能通过传统叠加原理进行分离。高强混凝土这些体积变化成分往往综合 表现为比普通混凝土大得多的收缩变形。这是导致高强混凝土结构早期存在的 微裂纹内在根本原因。 影响混凝土结构耐久性的因素很多，混凝土耐久性问题是一个综合性问题， 在实际混凝土耐久性问题当中，往往是两个或两个以上的破坏因素共同作用、 相互叠加，从而加剧破坏。 1 4 混凝土s h p b 实验技术的发展 作为研究混凝土力学特性的基本手段，混凝土动力试验设备性能的发展成 为混凝土动态性能研究的决定性因素之一。按照混凝土动力试验设备动力源的 特点以及所适用应变速率范围，主要分为以下几类：1 ) 液压试验系统；2 ) 落锤 试验系统；3 ) s h p b 压杆试验系统；4 ) 射弹试验系统；5 ) 其它试验系统。 这几类试验系统各有所长，可以提供多种应变速率，在当前的混凝土动态 试验试验研究中得到广泛的应用。其中，以液压试验系统和s h p b 试验系统为 最多。由于s h p b 装置能够提供单轴高应变率加载，应力、应变测量方法相对 可靠、简单，逐步被广泛应用于混凝土中高应变率的实验研究中，相应的实验 技术s h p b 也得到迅速发展。混凝土更高应变率的实验技术可以采用气体炮平 板撞击。由于实验成本昂贵，数据测试困难，有效实验数据较少，目前这方面 开展的研究较少。 混凝土s h p b 实验技术的主要发展 9 目前分离式的h o p k i n s o n 压杆( s h p b ) 技术被认为是测量固体材料在 1 0 1 0 3 s 1 高应变速率下动态特性的最有效的方法。早在1 9 1 4 年，h o p k i n s o n 就 提出了测试瞬态脉冲应力的压杆技术，1 9 4 9 年k o l s k y 对它进行改进，其基本 组成被沿用至今。经过多年的发展，这一类设备已经被应用到动态拉伸和扭转 试验中。 l a m b e r 5 2 】等采用此类设备，与巴西圆盘试验的方法相结合，对直径7 6 r a m 、 高3 8 m m 的混凝土圆柱体试样进行动态劈裂试验，得到的应变速率范围为 1 8 s 。g o m c z 5 3 】等采用类似的试验装置进行动载试验，采用的试样为直径 2 5 4 m m 、厚6 4 m m 的圆盘，得到的应变速率达到2 0 0 s 。 为了开展混凝土高应变率力学行为的研究，欧美发达国家从上世纪八十年 代开始陆续建设横截面直径5 0 m m 以上的大尺寸s h p b 装置。国内，中国科学 技术大学于1 9 9 8 年成功设计建造了中由7 4 直锥变截面s h p b 装置，总参工程兵 科研三所于2 0 0 2 年建造了中由10 0 s h p b 装置。 与金属相比，大尺寸s h p b 装置用于混凝土高应变率实验存在一些问题： ( 1 ) 均匀假定受到挑战。由于混凝土试样小变形的特点，有效测量时间短。在相 当长的时间内，试样内部的应力( 应变) 存在较严重的不均匀现象，在过高的冲 击速度作用下甚至会出现一端破坏，另一端未受力的情况，实验的有效性值得 怀疑。同时压杆端面质量( 端面平行度) 、试样几何缺陷可能会造成局部加载和 应力集中现象，更加剧了试样应力( 应变)