刚玉空心球混凝土静态力学性能试验及应用研究.pdf

2 0 1 3年 第 9 期 (总 第 2 8 7 期 ) Nu mb e r 9 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 7 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEoRETI CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 9 0 0 8 刚玉空心球混凝土静态力学性能试验及应用研究 孙广坦 。许金余 。张泽扬 z 。骆骏 3 ( 1 空军工程大学 机场建筑工程系，陕西 西安 7 1 0 0 3 8 ；2 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 4 1 0 0 8 2 ； 3 中国航空港建设第三总队 ，江苏 南京 2 1 1 1 0 0 ) 摘要： 刚玉空心球混凝土是一种新型混凝土材料 ， 目前关于刚玉球混凝土的制备以及静态力学性能的的研究还没有出现 ， 属 于探索性研究 。 配制体积掺量分别为 O 、 3 0 、 4 0 、 5 0 的刚玉空心球混凝土，并测试标准养护 2 8 d 后静态抗压强度。 结果表明 ： 轻质刚玉空心球混凝土抗压强度随掺量的增长而降低 ， 但强度随掺量增加降低幅度不大。 通过对轻质刚玉空心球混凝土应力一 应 变全曲线进行分析、 计算 ， 得到相应的力学性能指标。 结果表明： 轻质刚玉空心球混凝土应力一 应变全曲线具有相似的几何特征 ， 其受压破坏过程是渐变的， 显示出较好 的变形性能， 其韧性高于普通混凝土， 具有较好的吸能性能。 由此可见， 刚玉空心球混凝土 具有轻质、 高强 、 吸能性较好的优异性能。 因此 ， 刚玉空心球混凝土适合应用于人防工程中成层式结构 中的分配层 。 关键词 ： 刚玉空心球混凝土 ；应力一 应变全曲线 ；抗压强度 ；变形能力 ；韧性 ；分配层 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 9 0 0 2 9 0 4 E x p e r i me n t a n d a pp l i c a t i o n r e s e a r c h o n s t a t i c me c h a n i c be h a v i o r o f h o l l o w c o r un d u m b a l l c on c r e t e SUN Gu an g t a n ， XUJ i n yu ， ZHANG Ze ya n g2 , LUOJ un ( 1 De p a r t me n t o f Ai r fi e l da n dB u i l d i n gE n g i n e e ri n g， Air F o r c eE n g i n e e r i n gUn i v e r s i t y ， Xi a n7 1 0 0 3 8 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f C i v i l E n g in e e ri n g ， H u n a n U n i v e r s i ty， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 2 ， C h i n a ； 3 N o 5 t h A i r D e f e n c e E n g i n e e ri n g O ffic e ， N a n j i n g 2 1 1 1 0 0 ， C h in a ) Ab s t r a c t ： T h e h o l l o w c o r u n d u mb a l l c o n c r e t e ( H C B C) w a s a n e wj e l l i n g c o mp o s i t e s ， P r e s e n t l y t h e s t u d y i n s t a t i c me c h ani c a l p r o p e rt i e s an d p r e pa r a t i o n o f HCBC wa s s t i l l z e r o， t h i s r e s e arc h be l o n g t o e x pl o r a t o r y r e s e arc h Mi x i n g the c o r u n d um h o l l o w ba l l i n t o c o n c r e t e p r o - d uc i n ga mo un t of a d mi x t ur ewe r e 0， 3 0 ， 4 0 a n d 5 0 h o l l o w c o r u n d um c o n c r e t e， Te s tt h e s t a t i c c o mp r e s s i v e s t r e n g t h s t an d a r d2 8 d Re s u i t s s h o we d tha t the c o mp r e s s i v e s tr e n g t h d e c r e a s i n g i f i n c r e a s i n g the a mo un t o f a d mi x t u r e o f l i g h t h o l l o w c o r u n d um b a l l c o n c r e t e b u t the d e c r e a s e wa s l i mi t e d T h r o u gh a c o m p l e t e s t r e s s - s tr a i n c u r v e a n a l y s i s ， s tr e s s c a l c u l a t i o n o n t 0 l i g h t h o l l o w c o r u n d u m s p h e r e s c o n c r e t e ， w e g o t th e i n d e x o f me c h ani c a l p r o p e r t i e s T h e r e s u l t s s h o w g e o me t r i c f e a t u r e s i mi l ari ty o f the l i ght we i g h t h o l l o w c o r u n d um b a l l c o n c r e t e s tre s s s tra i n f ul l C H I V e， The c o mpr e s s i v e f a i l u r e pr oc e s s wa s g r a d u a 1 Th e b e t t e r d e f o r ma t i o n pe r f o r man c e， i t s t o u g h ne s s wa s g r e a t e r than o r d i n a r y c o n c r e t e T h u s ， the h o l l o w c o r u n d u m b a l l c o n c r e t e ( H C B C) wi th g o o d c h ara c t e r s o f l i ght w e i ght ， h i g h e n e r g y a b s o r p t i o n T h e r e f o r e ， c o r u n d um h o l l o w s p h e r e c o n c r e t e wa s s u i ta b l e i n d i s t r i b u t i o n l a y e r s t r u c t u r e o f t h e c i v i l a i r - d e f e n s e e n g in e e ri n g p r o j e c t Ke y wo r d s ： Ho l l o wc o r u n d umb a l l c o n c r e t e( HC BC) ； s tr e s s - s tra i nc u r v e ； c o mp r e s s e d s tr e n g t h； d e f o r ma b i l i ty； t e n a c i ty； d i s t r i b u t i o nl a y e r 0 引言 空心球材料作为一种新型材料 ， 其 明显 的结构特征就 是具有很大的内部空间及厚度在纳米尺度范围内的壳层 1 。 而氧化铝作为一种多孔性 、 高分散度的固体物料 ， 具有 良 好 的吸附性能 、 表面酸性及 热稳定 性 。 刚玉空心球 2 - 3 具备 氧化铝 以及空 心球 的优点 ， 具有 耐高温 、 高强 、 抗 化学腐 蚀 、 体积稳定性高 、 导热系数低等特点 ， 目前主要被应用于 保温材料和隔热材料。 采用 C 6 0 强度等级作为配比基体， 用刚玉空心球置换 同体积的砂石集料， 并且保持砂石体积比不变， 制备刚玉 空心球混凝 土 。 由刚玉空心球 高强 、 中空的特点可知刚玉 空心球混凝土具有优异的能量吸收特性。 其轻质、 高强、 吸 能性较好 的优异性能使之在防护工程 中有着广泛 的应用 前景 。 为了满足实际的需要 ， 本研究配制 了基体强度等级为 C 6 0 ， 刚玉空心球体积掺量分别为 0 、 3 0 、 4 0 、 5 0 的刚玉 空心球混凝土 ， 对标准试件在养护 2 8 d 后进行静态抗压强 度试验 ， 并对试验结果进行了分析。 1试 验 概 况 1 1 原材料与配合比设计 基体材料 ： P O 4 2 5 R级秦岭水泥 ； 韩城第二发 电厂生 产 的 I 级粉煤灰 ； 西安霖源微硅粉有 限公司生产的微硅粉 ， 平 均粒径 0 1 - 0 1 5 Ix m， 比表 面积为 l 5 2 7 m V g ， S i O ： 含量 9 2 ； 泾阳县石灰岩碎石 ( 5 1 0 m m， I 5 ； 1 0 - 2 0 m m， 8 5 ) ； 灞河 中砂 ， 细度模数为 2 8 ； 广州建宝新型建材有限公司生 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 3 1 1 基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 0 7 8 3 5 0 ) ； 陕西省 自 然科学基金资助项 目( 2 0 1 0 J Q 6 0 1 1 ) 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 给出了基体强度为 C 6 0 的刚玉空心球混凝土配合比。 表 1 刚玉空心球物理、 力学性能指标 表 2 试验配合比设计 体积掺量 水 水泥 粉煤灰 硅灰 F D N 砂石子刚玉空心球 k g 俺 L 1 2 试件 的制备 拌合物采用 “ 裹砂石法 ” 搅 拌工艺 ， 提前将 F D N和水 搅拌均匀待用 ， 搅拌开始 ： 将粉煤灰 、 硅灰和一半的水泥 一 起搅拌成均匀混合灰( 3 0 S ) ； 添加 3 4的 F D N水搅拌成 灰浆( 3 0 S ) ； 将砂加入搅拌 ( 3 0 S ) ； 将石加入搅拌( 3 0 S ) ； 将 1 4的 F D N水和一半 的水泥加入搅拌 ( 1 2 0 S ) ， 成为 均匀的拌合物 ， 出锅后 ， 人工边洒刚玉漂珠边搅拌均匀 。 静 力试件的制备与养护流程如图 1 。 图 2 试件 对 中 件进行抗压强度测试 ， 测试在 2 0 0 0 k N的电液伺服式压力 机上进行 ， 试验 时采用控制负荷加载的方法 ， 试验加载速 度为 6 5 0 k N mi n 。 试验中 ， 将试件 置于试验机下压板 中心 ， 确保对中以使试件均匀受力， 如图2 所示。 当试件接近破坏 而开始迅速变形时 ， 应调整试验机油门， 直至试件破坏 。 2 试验结果与分析 试验按照 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ( 普通混凝土力学性能试 验方法标准 凹 进行。 试验结果见表 3 ， 刚玉空心球混凝土 应力一 应变曲线如图 3 所示。 其中， 。 为刚玉空心球混凝土 应力一 应变全曲线与应变轴所围成 的面积 ； E为静 弹模量 ， 本研究采用混合模量 ， 即曲线上升段上对应压缩强度为峰 值强度的4 0 和 6 0 的两点连线的斜率。 2 1 刚玉空心球混凝土应力一 应 变全 曲线 图 4 给出了不同掺量的刚玉空心球混凝土的应力一 应变 全曲线 ： 不 同掺量的刚玉空心球混凝土应力一 应变全 曲线 图1 静力试件的制备养护流程图 具有相似的几何特征， 曲线上升段接近直线， 下降段开始曲 1 3 试件测试 线比较陡峭， 强度跌落很快， 随后下降段下降变缓， 显示出良 对刚玉空心球掺量分别为 O 、 3 0 、 4 0 、 5 0 的标准试 好的变形能力 。 其原因是 ： 骨料混凝土受力后， 刚玉空心球颗 表 3 准静态试验结果 30 应变 ( c ) v = 4 0 图 3 刚玉空心球混凝土应力一 应变全 曲线 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 体积 掺量 图 8 刚玉空心球掺量与韧度 之间的关系 决于材料的强度与变形能力。 在刚玉空心球体积掺量增加 至 4 0 之前， 强度下降所造成的吸能能力的下降被变形能 力的提高所补偿， 韧性指标逐渐增大。 此后， 静态抗压强度 降低幅度较大， 而材料的极限应变只是略有提高。 因此刚玉 空心球体积掺量超过 4 0 以后吸能能力也开始降低。 3 刚玉空心球混凝土在人 防工程 中成层式结 构 中的分配层 的应 用 3 1 分 配 层 的研 究 现 状 目前世界各国对成层式结构中遮弹层的研究较多， 而 对分配层的研究却没有引起足够重视 。 世界各国通常将增 加分配层厚度和填充多孔材料作为提高分配层的抗冲击 性能和削波性能的常用手段。 然而在大当量钻地武器的打 击下 ， 即使遮弹层能有效拦截来袭 弹药 ， 但这需要无限制 的增加分配层厚 度来 削波 ， 这种方式在经济上 、 技术上都 是不合理的。 填充有较大变形能力的弹塑性材料， 例如聚 乙烯骨料混凝土、 泡沫玻璃、 泡沫硫、 泡沫混凝土等， 其抗 压强度不能满足要求， 而且由于长期处在地下， 其孔隙容 易被水注满， 从而大大减小其吸能特性 ， 并且抗冲击性能 很差 ， 造价也过于高昂。 目前适用于分 配层 的吸能材料性 能不够完善， 存在着抗侵彻能力小、 吸能性能差 、 自重大、 造价太高、 不耐高温和强度太低等缺点。 3 2 分 配 层 的研 究 目标 考虑到防护工程 中分配层 的主要功能和现阶段主要攻 击武器的爆炸威力， 理想的分配层应具备以下几个条件： ( 1 ) 经济上合理 、 工艺上可行 ， 这是分配层设计 的基本 前提 。 ( 2 ) 有足够 的抗静压强度 和一定 的抗 冲击 载荷 强度 ， 能够最大程度地 削弱入射 的强应力波并充分的吸收爆 炸 所产生的能量 。 ( 3 ) 具备抵御二次或多次爆炸冲击 的功能 。 ( 4 ) 结构和材料上要可靠。地下防护工程的设计规范 要求其在一定的年限内保证其原有的功能， 即选用的材料 应具备抗老化、 抗腐蚀等基本特性 ， 且在设计时应考虑地 下水对分配层吸能的影响。 3 3 刚玉空心球混凝土应用于分配层 的可行性 刚玉空心球混凝土应用于分配层的可行性： 取材方便。 刚玉空心球混凝土是有沙、 石、 硅灰、 粉煤灰、 以及制备工 艺成熟且成本低的刚玉空心球组成， 经济和应用上是可行 的； 内部空腔结构， 具有突出的能量吸收特性， 能够最大程 32 度地削弱入射的强应力波并充分的吸收爆炸所产生的能 量和对应力波进行扩散 ； 刚玉空心球混凝 土强度 较高 ， 有 足够的抗静压强度和一定的抗冲击载荷强度和抗侵彻能 力； 刚玉空心球混凝土耐高温性能好， 具备抵御二次或多 次爆炸冲击的功能； 刚玉空心球混凝土在结构和材料上是 可靠的。 4结论 通过 以上分析 ， 可以得 出以下结论 ： ( 1 ) 由素混凝土与刚玉空心球 混凝土应力一 应变 曲线 的对比可 以看 出， 刚玉空心球混凝土 的应力一 应变 曲线与 素混凝土有所不同， 不同掺量的刚玉空心球混凝土应力一 应 变全曲线具有相似的几何特征 ， 曲线上升段接近直线 ， 下 降段开始曲线比较陡峭， 强度跌落很快， 随后下降段下降 速度变缓。 ( 2 ) 刚玉空心球混凝土在受压下 的破坏模式与普通混 凝 土的脆性破坏不同。 素混凝 土属于脆性破坏 ， 破坏后破 碎块度大。 而刚玉空心球混凝土具有较好的变形能力， 并 且 随着空心球掺量的增加 ， 混凝土的破碎程度增加 。 ( 3 ) 中空刚玉球静压强度及静弹模量均随刚玉心球掺 量的增大而近似线性降低。 但刚玉空心球混凝土随着刚玉 空心球掺量的增加抗压强度降低幅度不大， 在掺量为 5 0 时强度为素混凝土强度一半 ， 显示 出刚玉空心球混凝土轻 质高强的优异性能。 ( 4 ) 刚玉空心球混凝土的韧性指标大于普通混凝土， 且轻质刚玉空心球混凝土在刚玉空心球掺量为 4 0 时韧 性指标最大 ， 吸能性能最好 。 ( 5 ) 刚玉空心球混凝土的性能适合于分配层的需求， 在分配层 中的应用中有广阔的发展应用前景。 参考文献： 1 11张国栋， 罗旭东， 刘海啸， 等 1 氐 水泥结合氧化铝空心球轻质浇 筑料的研究叭耐火与石灰， 2 0 0 9 ， 3 4 ( 5 ) ： 1 6 7 3 7 7 9 2 2 】黄智， 廖其龙 氧化铝空心微球的制备叨 中国粉体技术， 2 0 0 8 ， 1 4 ( 3 ) ： 2 0 - 2 3 3 庞利萍 ， 赵瑞红 ， 郭奋 ， 等 新型氧化铝空心球的制备及表征【 J 】 物理化学学报 ， 2 0 0 8 ， 2 4 ( 6 ) ： 1 1 1 5 1 1 1 9 f 4 G B r r 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ， 普通混凝土力学性能试验方法标准【 s 】 【 5 】腾智明， 朱金铨， 等混凝土结构及砌体结构 MI 北京： 中国建筑 工业出版社 ， 2 0 0 3 6 赵景海， 徐鹏 樊承谋 钢纤维混凝土韧性及压缩韧性指标的研 究【 J 】 建筑结构学报， 1 9 9 1 ( 8 ) ： 4 4 5 0 【 7 1 赵国藩， 彭少民， 黄承逵 钢纤维混凝土结构 M I 北京 ： 中国建筑 工业出版社 ， 1 9 9 9 8 18 胡金生， 杨秀敏， 周早生， 等 钢纤维混凝土与聚丙烯纤维混凝 土材料冲击荷载下纤维增韧特性试验研究 J j 建筑结构学报， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 2 ) ： 1 0 1 1 0 5 作者简介： 孙广坦( 1 9 8 8 一 ) ， 男， 硕士研究生， 主要从事防护工程 方面的研究。 联系地址： 西安市灞桥区空军工程大学工程学院研究生管理大队 1 0 2 队( 7 1 0 0 3 8 ) 联系电话 ： 1 8 6 9 1 4 8 1 1 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m