冲击荷载下废玻璃粉混凝土力学特性研究及分形评价.pdf

2 0 1 6 年 第 2期 (总 第 3 1 6 期 ) Nu mb e r 2 in 2 0 1 6( T o t a l No 3 1 6 】 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M AT ERI AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 6 0 2 0 2 7 冲击荷载下废玻璃粉混凝 土力学特性研 究及分形评价 邱浩群 。 柯 国军，谢艳军 ( 南华大学 城市建设学院， 湖南 衡阳 4 2 1 0 0 1 ) 摘要： 为了研究冲击荷载下废玻璃粉混凝土力学性能， 采用落锤试验机装置 ， 测定废玻璃粉掺量分别为 0 、 5 、 1 0 、 3 0 的混 凝土梁在冲击荷载中的力学强度和变形性能。 根据盒维数算法思想及数字图像存储原理 ， 设计了基于 Ma t l a b计算功能的冲击荷 载下混凝土试件损伤裂缝分形维数的简易算法。 结果表明： 相同废玻璃粉掺量下 ， 随落锤下落高度增加 ， 加载时间均在 0 4 0 ms 左有 ， 加载速率、 荷载峰值、 混凝土梁竖向位移 、 对混凝土梁所做的功及裂缝分形维数值均逐渐增加 ， 具有显著的应变率相关性 ； 相同高度随着废玻璃粉掺量增加 ， 荷载峰值略有增加， 而加载时长略有减少 。 关键词： 废玻璃粉混凝土； 冲击荷载 ； 力学特性； 分形维数 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 6 ) 0 2 一 O 1 1 0 0 4 Re s e a r c h o n t h e me c h a n i c a l p r op e r t i e s o f wa s t e g l a s s c o n c r e t e a n d f r a c t a l e v a l u a t ion u n d e r i m p a c t l o a d i n g Q I U Ha o q u n， K E Gu o j u n， XI E Y a I n ( S c h o o l o f Ur b a n C o n s t r u c t i o n， Un i v e r s i t y o f S o u t h C h i n a， H e n g y a n g 4 2 1 0 0 1 ， Ch i n a ) Abs t r ac t ： Th i s p a p e r s t u d i e s o n t he me c h a n i c a l p r o pe r t i e s o f wa s t e g l a s s c o nc r e t e u n d e r t h e i mp a c t l o a d， u s i n g t h e d r o p t e s t ma c h i n e me an s f o r me a s u r i ng wa s t e g l a s s p o wd e r c o n t e n t o f 0、 5 、 1 0 、 3 0 o f c o n c r e t e b e a ms me c h a n i c a l s t r e n g th a n d d e f o r ma t i o n p r o p e rti e s u n d e r the i mp a c t l o a d Ac c o r d i n g t o bo x d i me n s i o n a l g o r i t h m t h o ug h t s and p r i n c i p l e s o f d i gi t a l i ma g e s t o r a g e， s i mp l e a l g o rit h ms d e s i g n e d ba s e d o n M a t l a b c o mpu t i n g c a p a b i l i t i e s o f c o n c r e t e s p e c i me ns d a ma g e c r a c k f r a c t a l di me n s i o n o f u n de r t h e i mp a c t l oa d s Th e r c s u i t s s h o w ： t h e i mp a c t o f wa s t e g l a s s p o wd e r c o n t e n t un d e r the s a m e l o a d， wi t h t h e h a mm e r d r op h e i g h t i nc r e a s e s， l o a d t i me we r e a b o u t O 4 0 ms ， l o a d i n g r a t e， p e a k l o a d， v e rti c a l d i s p l a c e me n t o f the c on c r e t e b e a ms， h a s s i g n i fic a n t s t r a i n r a t e； p o we r ma d e f o r c o n c r e t e b e a ms a n d c r a c k f r a c t a l d i me n s i on v a l u es a r e i n c r e a s i n g Key wor ds： wa s t e g l a s s c o n c r e t e； i mp a c t l o a d； me c ha n i c a l p r o p e r t i e s ； f r a c t a l d i me n s i o n 0 引 言 据欧美一些发达国家统计 ， 废玻璃量 占城市垃圾总量 的 4 8 ， 中 国城市 固体 废渣 中有 6 一1 1 为 废 玻 璃 ， 随着中国经济建设 的发展 ， 废玻璃 的量也在不 断增 加 ， 因此 ， 废玻璃 的循环利用显得特别重要。 其 中 ， 将废 玻 璃代替传统粗 、 细骨料配制混凝土是废玻璃再生利用的一 个有效途径 。 近年来 ， 国际上时有恐怖袭击事件及地震 、 海 啸， 泥石 流等 自然灾害的报道 ， 给社会和人们生命财产安全构成了 很大的威胁 。 混凝土是当今 最重要 、 应用 最为广 泛的结构 材料 ， 面对冲击 、 爆炸 、 撞击等非设计荷载的可能性正 日益 受到关注 ， 开展对混凝土材料在冲击荷载作用下 的力学性 能及其本构特性 。 的研究十分必要 。 冲击荷载作用下的 混凝土结构动态响应 十分 复杂 ， 材料 、 几何 以及接触非 线性 问题交织在一起 ， 对于结构受力分析 、 结构抗 冲击设 计都造成一定的困难。 特别是由于爆炸 、 冲击 、 碰撞等非设 计荷载作用于结构 ， 导致 的连续性倒坍 问题 ， 更是对广 大人民群众的生命财产安全造 成极大的威胁。 因此 ， 本研 究在此背景下 ， 采 用中 一高速率的重力落锤试验装置 ， 进 行混凝土动力弯曲试验， 研究其动力本构关系与应变率的 关系 ， 观察不同速 率的损 伤断裂过程与破坏形态 ， 以及在 抗连续倒坍背景下 ， 考察不同废玻璃 粉掺量下混凝土动 力 率相关效应机理 ， 具有一定的理论意义和现实意义。 分形几何学是 2 0世纪 7 0年代中期创立 的 ， 它将不 能定量描述或难 以定量描述的非线性复杂对象用一种 较 为简捷的定量方法表述 出来 ， 研究 的主要方法是探讨研究 对象的分形维数与某个物理量之间的关系。 该文根据冲击 荷载作用下混凝土梁损伤裂缝 在一定范 围内具有 自相 似性特征 ， 设计了基于 Ma t l a b 计算盒维数 的编程。 损伤 破坏裂缝图形的分形维数与试件 的尺寸 和材料强度 等因 素有关 ， 其大小 主要 反映裂缝 的曲折程 度和裂缝 分布 的疏密程度 。 文献 1 6 研究认 为， 混凝土表面裂缝 的分形 维数可作为度量混凝土损伤程度 的损伤 特征因子 ， 因此 ， 混凝土表面裂缝的二维图像 的图形盒维数的计算有 助于探索冲击荷载作用下混凝土损伤裂 纹与其 承受的动 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 4 0 9 基金 项 目 ： 国家 自然科学基金项 目( 5 1 3 7 8 2 4 7 ) ；湖南省科技厅基金项 目( 2 0 0 9 C K 4 0 2 0 ) ；湖南省高校创新平 台开放基金项 目( 1 2 K 0 9 2 ) ll 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 荷载之 间的内在规律 。 1 试 验 1 1 试验原材料 本试验混凝土梁采用 3 2 5级复合硅 酸盐水 泥 ， 粗骨 料采用 5 2 0 m m 一级配卵石。 玻璃粉采用 收购的废 旧无 色啤酒瓶 ， 破碎后过 1 5 0 m砂石筛 。 水为一般的 自来水 。 根据 水工混凝 土试验 规程， 弯曲试验试件为4 0 0 m m x 1 0 0 m m1 0 0 m m 的长方体 。 按 照单掺法设计了 3组试验 方案 ， 废玻璃掺量分别为 5 、 1 0 、 3 0 。 水胶 比为 0 4 3 ， 其 配合 比为水泥： 砂： 石： 水 =1 ： 1 2 5 ： 2 9 1 ： 0 4 3 。 经标准养护 后 ， 试验期间龄期在 1 0 0 d以上 ， 强度 已基本稳定 ， 不 同废玻 璃粉掺量的标准立方体抗压强度见表 1 。 表 1 不同废玻璃掺量的标准立方体抗压强度 7 0 6 0 5 0 Z4 0 30 20 1 0 0 70 60 50 互4 o 3 0 2O 1 0 0 1 2 试验装置 本 试验在 X J L一 9 8落锤式 冲击试验机上完成 ； 试验机 基本技术指标 ： 最大落锤高度 2 m， 锤头质量为 1 5 k g 。 本 次试验中， 使用铝锤头 ， 锤头质量为 3 。 2 试验 结果及分析 2 1 相 同掺 量不 同高度 每类试验采用一个变量 ， 其 中每组 试验进行 两次 ， 验 证其重复性。 通过荷载时程 曲线 、 位移时程 曲线 、 力位移 曲 线 、 应变时程 曲线得出废玻 璃混凝 土相关 的力学特性 。 当 废玻璃粉掺量为 0 、 5 、 1 0 、 3 0 时 ， 荷载时程曲线见图 1 ， 图 中曲线为每组试验 的平均结果 ， 每次试验 的荷载峰值统 计见表 2 。 从 图中力 时程结 果可见 ， 废玻璃 混凝土 的冲击 荷载峰值较素混凝土高 ， 且 随着掺 量的增 加差值越大。 相 同废玻璃粉掺量下随着下落高度 的增加 ， 荷载峰值不断增 加 ， 但几组的加载时间一定 ， 为 O 4 0 ms 左右小于素混凝土 7 0 6 0 5 0 Z 40 30 2 0 1 0 0 80 7 0 6 0 5 0 Z 4 0 3 0 20 1 0 6 0 t m s ( b ) 5 掺量 t ms t ms ( c ) 1 O 掺量 ( d ) 3 0 掺量 图 1 0 、 5 、 1 0 、 3 0 废玻璃粉掺量3 k g重锤不同高度冲击荷载时程曲线 表 2 3 k g重锤不同高度冲击试验 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 的加载时间。 对测得 的竖向加速度时程进行积分 ， 得 到竖 向位移时 程 ， 见图 2 。随落锤下落高度增加 ， 混凝土梁作刚体运动 ， 0 0 0 暑 曼 一0 访 一0 0 1 8O 7O 6 O 50 堇 4 0 30 20 1 0 O 竖向位移不 断增 大。 根据力和位移结果 ， 得到 PS曲线 见图3 ， 可见随落锤下落高度增加对混凝土梁做的功增加 ( P S曲线面积 ) 。 t ms t ms t ms ( a ) 5 掺量 ( b ) 1 O 掺量 ( c ) 3 0 掺量 图2 5 、 1 0 、 3 0 废玻璃粉掺量3 k g重锤不同高度冲击竖向位移时程曲线 8 0 60 Z 40 2O 8 O 7 0 60 50 Z 4o 30 20 1 0 S l mm S lmm S l mm ( a ) 5 掺 量 m ) l 0 掺量( c ) 3 o N 图3 5 、 1 O 、 3 0 废玻璃粉掺量 3 重锤不同高度冲击力位移 曲线 由于混凝 土力学 性质与其组分配合 比、 施工过程 、 养 护等因素有很大的关系， 因此它的力学性能试验数据存在 相当大的离散性。 在处理数据时将每组试件在相同冲击荷 载下的拉压应变时程 曲线做 了平均处理 ， 以减少数据 离散 性所带来 的误差 。 试验得到 的拉 压应变时程见 图 4 ， 图中 拉应变为正 ， 压应变为负 ， 且每条曲线为每组试验所有应变 片测得结果的平均值 ， 每次试验的拉应变极值统计见表 2 。 废玻璃混凝土梁受到冲击荷载变形 ， 在破坏前拉压应 变对 7O 6O 50 Z 40 30 20 1 0 0 称 ， 达到抗弯强度时受拉 区产 生裂纹 ， 表现 为拉应 变的急 剧增加 ； 在裂纹发展过程 中压应变会继续增 大， 最 后裂纹 发展到梁上部， 压应变变小最后受拉， 证明裂纹贯穿， 混凝 土梁完全断裂 。 在这几组试验中， 落锤质量一定 ， 下落高度 不 同， 但极限拉应变比较接近 ， 都在 2 0 0微应变左右。 随落 锤下落高度的增加 ， 试验得 到的应 变率增 加。 废玻璃混凝 土梁在冲击荷载 作用下从 中间断 成两段 ， 在 加载 速率 比 较低 的工况 ( 落锤 下落高度1 0 m) ， 混凝土破坏为单 一裂 t m s t m s ( a ) 5 掺量 ( b ) 1 0 掺量 图 4 5 、 1 0 、 3 0 废玻璃粉掺量 3 重锤不同高度冲击应变时程曲线 11 2 7 0 6 0 50 Z 4 0 3 0 2 0 1 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 t m s ( b ) 1 5m 图5相同高度不同掺量的峰值荷载 70 60 5 0 z 4 0 屯 30 20 1 0 0 t m s f c ) 3 0 掺量 O O O 0 0 O O 0 0 加 加 加 加 鲫 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 纹， 在高应变率条件下， 混凝土梁会产生更多的裂纹， 受拉 破坏区产生更多的碎块 ， 笔者认为 ， 这是 由于试件端 部的 摩擦效应 以及高应变率下材料 的惯性效应造成的。 冲击加 载时荷载比静力时 的荷载要高许多 ， 因此端 面的摩擦效应 比静力 时要大。 冲击荷载形成的微裂纹最先出现在骨料与 水泥浆的交界面。 这是因为骨料 和水 泥浆 的波阻抗不 同， 应力波通过试样时 ， 在不同波阻抗介质 的界 面发 生反射 ， 压缩波反射变为拉伸波， 由于界面处的抗拉强度远远小于 抗压强度 ， 于是最初的裂纹在骨料和水泥浆 的界面出现 。 2 2 相 同高度不 同掺 量 在废玻璃粉掺量增加下落高度一定的条件下 ， 荷载峰 值略有增加 ， 而加载时长略有减少。 从相同高度下落 ， 重锤 冲击初速度相等 ， 荷 载加载 的初始速率大致相 同， 系统初 始动量和输入 能量相 同， 到达峰值 荷载 的速率无 明显差 异 3 分 形评 价 在总结分析 了常用分形维数 的计 算方法 的基础上 ， 确 定计盒维数为本研究的分形维数。 根据盒维数算法思想及 数字图像存储原理 ， 设计 了基 于 Ma t l a b的数 字图象盒 维 数计算程式 ， 建立 了一种数字图像盒维数简易算 法 ， 为混 凝土表 面裂缝图形盒维数计算提供 了计算方法。 试验结果 表 明： 冲击荷载条件 下 ， 混 凝土表面裂缝具有很好 的分形 特性 ， 分维可作为混凝土损伤程度的描述参数。 从 表 2可 知 ， 不同试块的分形维数值随冲击荷载和应变率 的增长而 增大 ， 相邻荷载 级别问 的分形维数差 值 也同样呈 增大趋 势 。 为探索混凝土表面裂纹 图形的分形特征与其承受的动 荷载之间的内在规律 ， 提供了一条新 的研究思路。 4 结论 通过测定不 同掺量废玻璃粉掺量混凝 土梁在 冲击荷 载 中的力学强度和变形性能及分形分析知 ： ( 1 ) 当废玻璃粉掺量相同时 ， 随落锤下落高度增加 ， 加 载速率 、 荷载峰值 、 混凝土梁竖 向位移 、 及落锤对混凝土梁 所做的功均逐渐增加。 ( 2 ) 当落锤高度相同时， 随废玻璃混凝土掺量的增加， 荷载峰值略有增加 ， 而加载时长略有减少。 ( 3 ) 混凝土损伤裂缝具 有很好 的分形 特性 ， 分 维是 表 征混凝土破坏程度的一个定量参数 ， 体现了 昆 凝土破裂的 损伤演化特征 ， 结合数 字图象分 析技术 与 Ma t 1 a b计算 功 能 ， 对冲击荷载下 昆 凝 土试 件裂缝 的盒维数进行计算 ， 具 有很好 的实用性 ， 可作为混凝土损伤程度 的描述参数 。 试 上接第 1 O 9页 D- I田野 复掺矿物掺合料混疑土性能及抗裂机理、 微观特性研究 D 杭州 ： 浙江大学 ， 2 0 0 7 4 苏力辉 粉煤灰水泥水化热微观分析 J 黑龙江交通科技， 2 01 2 5 李跃 大体积混凝土的温控和防裂技术研究 D 武汉： 武汉理 工大学 ， 2 0 1 4 验统计结果表明， 混凝土损伤裂缝的分维值大小同其受压 状态相关。 随着冲击荷载 的增大 ， 裂缝分形维数值 逐渐增 大。 参考 文献 ： 1 卞致璋 从发达国家的做法看我国废玻璃的回收与利用 J 中 国建材， 2 0 0 3 ( 6 ) ： 5 1 5 5 2 刘连新 利用废玻璃研制轻粗骨料及轻混凝土m J 1 新型建筑材 料， 2 0 0 2 ( 2 ) ： 1 6 1 7 I- s F O R Q U I N P ， G A R Y G， G A T U I N G T F A t e s t i n g t e c h n i q u e f o r c o n c r e t e u n d e r c o n fin e me n t a t hi g h r a t e s o f s t r a i n I n ter n a t i o na l J o u ma l o f I m p a c t E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 8 ， 3 5 ( 6 ) ： 4 2 5 4 4 6 4 范立新， 焦楚杰 ， 张亚芳， 等 昆 凝土动态拉伸试验与数值研究 进展 J 混凝土 ， 2 0 1 3 ( 2 ) ： 1 2 1 6 5 崔延卫 混凝土动力特征试验研究方法分析及其应 用 D 南 京： 河海大学， 2 0 0 5 F 6 3肖诗云， 林皋， 王哲， 等 应变率对混凝土抗拉特性影0 8 J 大 连理工大学学报 ， 2 0 0 1 ， 4 1 ( 6 ) ： 7 2 1 7 2 5 7 3李建雄， 祝文化 冲击荷载下混凝土材料损伤破坏的分形试验 研究 D 武汉 ： 武汉理工大学， 2 0 0 8 8 MA N D E L B R O T B B， P A S S O J A D E ， P a u l l a y A J F r a c t a l c h a r a c t e r o f f r a c tu r e s u r f a c e s o f me t a l J N a t u r e ， 1 9 8 4 ， 3 0 8 ( 1 9 ) ： 7 217 2 2 1- 9 成盛 ， 金南国， 田野， 等 混凝土裂缝特征参数的图形化定量分 析新方法 J 浙江大学学报 ， 2 0 1 0 1 O 谢和平 分形岩石力学导论 M 北京 ： 科学出版社 ， 1 9 9 6 ： 1 1 23 1 1 周克荣， 肖小松， 吴晓涵 混凝土立方体抗压 强度尺寸效应中 的分形行为 J 福 州大学学报 ( 自然科学版 ) ， 1 9 9 6 ， 2 4 ( 增 刊) ： 6 3 6 8 1 2 - 1 曹茂森， 任青文 ， 瞿爱良， 等 ； 昆 凝土结构损伤的分形特征试验 分析 J 岩土力学 ， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 1 O ) ： 1 5 7 0 1 5 7 4 1 3 彭瑞东， 谢和平， 鞠杨 二维数字图像分形维数的计算方i k E J 中国矿业大学学报， 2 0 0 4 ， 3 3 ( 1 ) ： 1 9 2 4 1 4 祝文化， 李建雄， 张明中 混凝土损伤裂纹的二维数字图像盒 维数算法 J 武汉理工大学学报 ， 2 0 0 8 第一作者 ： 联 系地址 ： 联系电话 ： 邱活群( 1 9 9 0一 ) ， 女 ， 硕士研究生 ， 研究方向为土木工 程。 湖南省衡阳市南华大学城市建设学院( 4 2 1 0 0 1 ) 1 52 1 1 4 7 5 6 0 6 第一作者 ： 孙建诚( 1 9 6 9一) ， 男 ， 副教授， 博士 ， 主要从事道路工 程研究。 联系地址 ： 天津市北辰区双 口镇西平道 5 3 4 0号 河北工业大学土 林工程学院( 3 0 0 4 0 1 ) 联系电话 ： 1 3 9 2 0 3 5 6 8 5 2 1 13 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o 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