无机聚合物混凝土疲劳性能试验研究.pdf

2 0 1 1 年 第 7期 (总 第 2 6 1 期 ) N u mb e r 7 i n2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 1 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORET I CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 1 0 7 0 0 1 无机聚合物混凝土疲劳性能试验研究 卢哲安 ，卢方志 ，朱乃龙 ，李建举z ，赵宏杰 。 。叶国正 2 ( 1 武汉理工大学 a 道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室； b 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ； 2 中国航空港建设第九工程总队，四川 成都 6 1 1 4 3 0 ) 摘要： 利用粉煤灰、 矿粉和碱激发剂制备无机聚合物混凝土， 研究其疲劳性能。 并与相同砂率的普通混凝土相比较， 为研究在普通公路 路面及桥墩结构中 无机聚合物替代民 用建筑水泥的可行性提供试验数据。 抗压及弯拉试验结果表明： 无机聚合物混凝土与普通混凝土相比， 其 抗压强度比较接近， 而弯拉强度较低。 疲劳试验结果表明： 在相同应力水平下， 无机聚合物混凝土疲劳寿命略高于普通混凝土； 在弯拉疲劳 荷载作用下， 无机聚合物混凝土疲劳应变的变化规律大致可以分为 3 个阶段； 无机聚合物混凝土与普通混凝土的疲劳寿命符合两参数威 布尔分布， 并建立了在不同失效概率下的双对数疲劳方程。 关键词： 粉煤灰；无机聚合物混凝土； 威布尔函数；双对数疲劳方程 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 i l ) 0 7 0 0 0 1 0 3 Exp er i men t al r e se a r c h on f a t i gu e pe r f or ma nc e o f i nor g an i c pol y m e r c onc r e t e LUZ h e a n la LUF a n g - z h i Ib ， Z HUNa i - l o n g l b ， L I J i a n -j u 2 , Z HA0Ho n g -j i e ， Y E G u o - z h e n g ( 1 a H u b e i Ke y L a b o r a t o r y o f R o a d ， B ri d g e a n d S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g； b S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e rin g a n dAr c h i t e c t u r e， Wu h a nUn i v e r s i t yo fTe c h n o l o g y， Wuh a n4 3 0 0 7 0， Ch i n a； 2 T h e Ni n t hE n g i n e e ri n gC o r p s o f C h i n a Ai rpo r t C o n s t r u c t i o n， C h e n g d u6 1 1 4 3 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： By u s i n g fl y a s h and s l a g and a l k a l i n e s t i mu l a t e a g e n t ， we p r e p a r e i n or g an i c p ol y me r c o n c r e t e a n d r e s e a r c h t h e f a t i g u e pe rfo r manc e Th r o u g h t he c o mp a ris o n wi t h t h e s a me s a n d r a t i o o f c q mmo n c o n c r e t e， i n o r d i n a r y h i g h wa y r o a d a n d b rid g e p i e r ， i t p r o v i d e s t h e i n o r g a n i c p o l y me r s t r u c t ur e f e a s i b i l i t y o f a l t e rna t i v e c i v i l b ui l d i n g c e me n t wi th t h e t e s t d a t a Th e c o mpr e s s i v e a n d fl e x u r a l e x p e ri me n t r e s u l t s s h o w： c o mp a r e d i n o r g a n i c p o l ym e r c o n c r e t e wi m o r d i n a r y c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h t e s t r e s u l t s i s c l o s e w h i l e fl e x u r a l s t r e n gth i s r e l a t i v e l y l o wF a t i gu e t e s t r e s u l t s s h o w tha t u nd e r t he s a n l e s tre s sl e v e l ， i no r g a ni cp o l ym e rc o n c r e t ef a t i gu el i f e s l i g h t l yh i g h e r tha nt h eo r d i n a ry c o n c r e t e； I nt h efle x u r a l f a t i gu el o a d s ， t h ei n o r g a n i c p ol ym e r c o n c r e t e s tra i n c h an g e r u l e s of f a t i gu e c a n be d i v i d e d i n t o thr e e s t a g e s ； t h e f a t i gu e l i f e o fI n o r g an i c p o l y me r c o n c r e t e and c o mmo n c o n c r e t ea c c o r d swi t ht wop a r a me t e r s we i b u l l d i s t ri b u t i o n， a n d e s t a b l i s h e di nd i ffe r e n t f a i l u r e pr o b a b i l i tyo f b i l o g a rithm f a t i gu e e q u a t i o n Ke y wor ds ： fl y a s h； i n o r g an i c po l y me r c o n c r e t e； We i b ul l f u n c t i o ns ； b i l o g a r i t h m f a t i g u e e q u a t i o n 0引言 1 试验概 况 无机聚合物材料是近年来在建筑工程、 环境工程领域受到 极大关注的一种新类型胶凝材料。 由于无机聚合物的原材料以 工业废渣为主， 原料价格低廉 ， 储量丰富且制备工艺简单 ， 无需 像水泥生产那样经历高温烧制过程， 能耗低 ， 污染少， 因此是一 种具有广泛发展前景的新型绿色节能建筑材料 1 1 。 东南大学张云升等人通过采用环境扫描电镜( E s E M) 及其 自带的能量散射 x射线能谱分析仪( E D XA) 系统对无机矿物 聚合材料的微观形貌及化学组成进行原位定量追踪， 探讨了无 机矿物聚合材料的形成过程及反应机理 ， 从理论上对其进行 了 系统研究 。 中国地质大学矿物材料国家实验室马文鸿等人的 研究表明： 以粉煤灰为主要原料 ， 制备无机聚合材料在技术上 是可行的【3 。 但我国对无机聚合物材料的研究相对较晚， 因此至 今关于无机聚合物混凝土的相关性能研究报道还极少。 本试验 提出了一种基于矿粉材料的无机聚合物混凝土配合比， 对其制 作工艺作了详细阐述， 与同等级的普通混凝土进行试验对比； 系统分析了其与普通混凝土疲劳性能的特点。 收稿日期：2 0 1 1 - o l 一 1 8 1 1 试验用原材料 粉煤灰： 武汉阳逻火力发电厂生产的 I 级粉煤灰， 其化学成 分见表 1 ； 矿粉： 采用的是武钢 $ 9 5 矿粉， 密度大于2 8 g c m ， ， 活 性指数 2 8 d大于 9 5 ， 其化学成分见表 1 ； 碱激发剂 ： 氢氧化钠 溶液和水玻璃的混合物； 细骨料： 采用中粗砂， 细度模数为 2 6 2 8 ； 粗骨料 ： 粒径 5 - 2 6 5 mm连续级配细石。 普通混凝土试件采 用 P 04 2 5 级水泥 。 表 1 粉煤灰和矿 粉的化学成分 S i O 2 A 1 2 0 3 F e 2 0 3 C a O M ：g O N a 2 0 K 2 0 L o s s其他 粉煤灰5 0 8 0 2 8 1 0 6 2 3 7 1 2 1 2 0 6 8 2 一 矿粉 4 6 5 6 1 1 9 6 3 2 7 一 一 一 一 8 7 8 1 2混凝 土 的配合 比 无机聚合物混凝土的配合 比： 粉煤灰为 2 0 0 k g m3 ； 矿粉为 2 0 0 k g m 3 ； 激发剂为 1 8 0 k g m3 ； 砂为 6 1 5 k g m ； 石为 1 2 6 2 k g m3 。 普通混凝土的配合比： 水泥为 3 4 0 k g m3 ； 水为 1 3 6 k g m ； 砂为 6 3 3 k g m ； 石为 1 2 9 8 k g n l 3 ； 减水剂为 2 0 4 k g m 。 1 3 试件制作工艺 试验采用的抗压试件尺寸为 1 5 0 mm 1 5 0 mmx l 5 0 mm， 疲 劳试件尺寸为 1 0 0 mmx l O 0 mmx 4 0 0 ml n 。 试验前， 预先把氢氧化 钠溶液、 水玻璃和水按照设计比例混合， 制成碱激发剂溶液 ， 冷 却到室温。 制备混凝土时， 先将石子和砂放人混凝土搅拌机里搅 拌 2 mi n ， 再加入粉煤灰及矿粉， 搅拌 1 mi n ； 然后加人配制好的 碱激发剂， 搅拌 3 mi n 。 试件入模后， 常温下养护 1 d后拆模编号， 再在标准养护室( 温度为( 2 0 3 )， 相对湿度在 9 0 以上 ) 养 护至 2 8 d后做试验。 为了使结果具有可比性， 普通混凝土试件制 作工艺同无机聚合物混凝土。 1 4试验 方 法 试验依照 C E C S 1 3 ： 8 9 ，采用英国I n s o n公司生产的电液 伺服万能试验机( I n s o n 1 3 4 1 ) ， 加载速度为 0 1 mm mi n ， 采用 三分法加载。 2 试验 结果及分析 2 1 抗压 强度 和 弯拉 强度 抗压强度和弯拉强度试验结果见表 2 ， 其中wJ 为无机聚合 物混凝土 ， P C为普通混凝土。 表 2 抗压强度和弯拉强度试验结果 由表 2可知： 在相同砂率的情况下， wJ 的抗压强度与 P C的 8 O O 6 0 0 罢 4 0 0 2 O O O 2 0 0 0 40 0 0 60 0 0 8 0 0 0 l 00 0 0l 2 0 0 0 ( a ) S =0 7 5 8 0 0 6 0 0 400 2 0 0 基本相同； wJ的弯拉强度比 P C的低 1 9 6 。 普通公路路面设计以抗弯拉强度为主要强度指标 ， 以抗压 强度为参考指标， 无机聚合物混凝土的弯拉强度达到 4 2 3 I V l P a ， 可以满足中等交通量公路路面的设计要求。 2 2 疲劳试验 2 2 1 试验结果 对 wJ和 P C试件分别取 3种应力水平 S为 O 8 5 、 0 8 、 0 7 5 ， 每个应力水平取 4个试件进行弯曲疲劳试验。 当应力水平 n 。 0 8时， 加载频率取 5 H z ， 当应力水平 n 0 8时， 加载频率取 1 0 H z 。 其疲劳寿命见表 3 。 表 3 WJ和 P C试件疲劳试 验结果 通过动态应变采集仪采集 wJ 试件和 P C试件在弯拉疲劳 荷载作用下纵向最大和最小应变与疲劳寿命关系的试验点， 得 出的wJ 和P C的s N曲线， 分别见图 1 、 2 。 由图 1 、 2可知 ： 在弯拉疲劳荷载作用下， 无机聚合物混凝 土疲劳应变的变化规律大致可以分为 3个阶段 ： 第一阶段 ， 疲 劳应变的增长较快； 第二阶段 ， 疲劳应变随疲劳次数的增加基 本上呈缓慢的线性增长； 第三阶段 ， 疲劳应变急剧增长 ， 最终导 致失稳破坏。 o 5 0 0 0 1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 2 0 0 0 0 2 5 0 0 0 ( b ) S = 0 8 0 图 1 W3在各应力水平下应变一 疲劳 寿命 曲线 ( b ) S = 0 8 0 图2 P C在各应力水平下应变一 疲劳寿命曲线 2 2 2 两参数威布尔分布 在同一循环荷载作用下， 试件疲劳寿命 的分布规律可由 威布尔函数表示： 2 8 0 0 600 毒 4 0 0 2 0 0 ( c ) S =0 8 5 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 ( c ) S = 0 8 5 ) = 而b lr N - N o 1b - c N -No o 。 ( 1 ) 考虑到混凝土材料的离散性 ， 取最小寿命参数 为零 。 并 引入存活率p， 失效概率 p ： p r _ 1 一 e x p 一 ( ) 则式( 1 ) 可简化为两参数的威布尔函数： n 专) = 6l 令 y = lIl n (专 lnN a： 表 4 回归结果 ( 2 ) ( 3) Y =b X一 0 ( 4) 可用式( 4 ) 来检验试验数据是否服从两参数威布尔分布4 1 。 对同一应力水平的疲劳寿命值进行分布， 并对数据进行线 r 1 1 性回归， 分 别以x = ln N 为横坐标， Y = ln l In ( l J 为 纵坐标进行 【 l - p J 疲劳寿命威布尔分布拟合见图 3 、 4 。 整理回归结果见表 4 。 l nN f b ) S = 0 _ 8 0 图 3 Wd疲 劳寿命威布尔分布拟合 l n N ( b ) S = 0 8 0 图4 P C试件疲劳寿命威布尔分布拟合 由表 4可知 ： 无机聚合物混凝土和普通混凝土试件在各 应力水平下的 y与 呈很好的线性关系， 且威布尔分布下的相 关系数都接近于 1 。 这表明无机聚合物混凝土和普通混凝土的 疲劳寿命服从威布尔分布。 在相同应力水平下， 无机聚合物混 凝土的疲劳寿命略高于普通混凝土。 2 2 - 3 疲劳方程 由式( 2 ) 可得疲劳寿命的计算公式： N = N I l n ( 1 - p ) l ( 5 ) 由式( 5 ) 可获得不同存活率下的疲劳寿命。 计算结果见表 5 。 实际工程中往往根据可靠度要求建立具有一定存活率 5 一 疲劳方程 ， 工程中常用双对数形式疲劳方程来分析。 l g S = l g a - b l g N ( 6 ) 将表的数据按式( 6 ) 进行回归， 分别得到 wJ 和 P C在不同 失效概率下的回归结果， 见表 6 。 由表 6可知： 威布尔分布下的相关系数都接近 1 ， 表明双对 表 5 不 同失效概率P 下的疲劳寿命 ( 次 ) 数疲劳方程的线性要求得到了较好的满足。 无机聚合物混凝土 和普通混凝土的回归系数很接近表明两者具有相同的疲劳规 律。 实际工程中根据可靠度要求确定了存活率P后， 可通过上表 获得相应的疲劳方程。 当存活率为 0 5时， 其疲劳方程为： 下转第 6页 3 能有 ： 再生混凝土内部缺陷以及大量的微裂缝 ， 该缺陷和裂 缝对受拉破坏影响较大 ， 对受压破坏影响非常小 ； 再生粗骨 料与水泥石界面间的黏结力相对较小， 受拉时极易发生开裂， 虽 然再生骨料和水泥石界面间摩擦系数相对较大， 但是对抗拉强 度的影响较小。 3 1 3 抗折强度 对于再生混凝土抗折强度， Ka w a mu r a等6 1和 A h ma d n 的试 验表明再生混凝土的抗折强度和普通混凝土几乎相同。 在本试 验中， 从表 1 和图 4可以看出再生混凝土抗折强度基本接近普 通混凝土。 5 f 圈 螽 s 一 一 是 2 1 0 寿 命 l_- - 薹 l l： 窑 l l。 = 3 0 5 0 7 0 1 o o 取代率， 图 4 不同寿命及不 同取代 率再 生粗 骨料 的混凝土抗折强度发展规律 3 2 再生粗骨料寿命对再生混凝土强度的影响 从表 1和图4 6中可 以看出， 再生粗骨料寿命对再生混 凝土强度有一定的影响： 在同等取代率下 ， 0寿命和 4 0寿命的 再生粗骨料混凝土立方体抗压强度 、 劈裂抗拉强度和抗折强 度高于 1 0寿命 的再生粗骨料混凝土， 0寿命和 4 0寿命再生 粗骨料混凝土强度相接近。 经研究分析， 出现该现象的原因可 能为 ： 0寿命原始混凝土中天然粗骨料和水泥石界面黏结力 不是很强 ， 在破碎过程 中水泥石几乎被全部去除， 剩余的再 生骨料基本为原始混凝土中的天然骨料 ； 随着年限的增加 ， 天 然骨料和水泥石黏结力逐渐增强， 在破碎过程中， 再生粗骨 料表面会残留一部分强度相对较低的水泥石 ， 致使 1 0寿命再 生粗骨料混凝土强度降低 ； 随着年限的继续增加 ， 混凝土的 碳化程度增加 ， 以至抗压强度增加 ， 破碎后形成 的再生粗骨 料强度相对较高 。 上接第 3页 W J ： 1 = 0 0 3 3 8 - 0 0 2 7 8 1 g P C： l g S = - 0 0 1 5 9 - 0 0 2 4 1 l g 3结 论 通过对无机聚合物混凝土抗压强度、 弯拉强度和疲劳性能 的试验测试以及结果分析， 可以得到以下结论： ( 1 ) 配制了与普通混凝土等强度的无机聚合物混凝土 ， 并 给出了其制作工艺。 ( 2 ) 无机聚合物混凝土与普通混凝土相比， 其抗压强度 比 较接近， 而弯拉强度较低。 ( 3 ) 在相同应力水平下， 无机聚合物混凝土疲劳寿命略高 于普通混凝土 。 ， ( 4 ) 在弯拉疲劳荷载作用下 ， 无机聚合物混凝土疲劳应变 的变化规律大致可以分为 3个阶段。 ( 5 ) 无机聚合物混凝土与普通混凝土的疲劳寿命符合两 参数威布尔分布，并建立了在不同失效概率下的双对数疲劳 方程 。 6 4结 论 ( 1 ) 再生混凝土立方体抗压强度、 劈裂抗拉强度和抗折强 度破坏过程和破坏形态与普通混凝土基本一致。 ( 2 ) 在水灰比相同的情况下， 再生混凝土立方体抗压强度 高于普通混凝土， 涨幅在 2 1 以内， 且抗压强度随着取代率的 增加而增大； 劈裂抗拉强度低于普通混凝土， 降低幅度在 2 5 以内， 且随着取代率的变化形成一条波浪曲线； 抗折强度基本 接近普通混凝土。 ( 3 ) 再生粗骨料寿命对再生混凝土强度有一定影响， 0寿命 和 4 0寿命再生粗骨料混凝土强度接近， 1 0寿命再生粗骨料混 凝土强度低于前两者。 参考文献 ： 【 1 张亚梅 ， 秦鸿根 再生混凝土配合比设计初探 J 】 混凝土与水泥制品， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 7 - 9 【 2 】S F r o n d i s t o u Y a n n a s U s i n g w a s t e c o n c r e t e a s a g g r e g a t e J AC I J o u r n a l ， 1 9 7 7 ( 7 4 ) ： 3 7 3 3 7 6 3 】肖建庄， 李佳彬 ， 孙振平， 等 再生混凝土抗压强度研究【 J J 同济大学 学报， 2 0 0 4 ， 3 2 ( 1 2 ) ： 1 5 5 8 1 1 6 1 f 4 金莉再生混凝土力学性能试验研究【 J J 新型建筑材料， 2 0 0 6 ( 7 ) ： 1 1 - 1 3 【 5 】肖建庄， 兰阳 再生混凝土单轴受拉性能试验研究 J 建筑材料学报， 2 0 0 6 ， 9 ( 2 ) ： 1 5 4 1 5 8 【 6 J6 K A WA MU R A M， e t a1 R e u s e o f r e c y c l e d c o n c r e t e a g gre g a t e f o r p a v e m e n t C P r o c e e d i n g s o f t h e S e c o n d I n t e rna t i o n a l R I L E M S y m p o s i u m o n D e m o l i t i o n a n d R e u s e of C o n c r e t e a n d Ma s o n r y T o k y o ， J a p an ， 1 9 8 8 ： 5 8 5 5 9 4 7 AH MAD S H P r o p e r t i e s o f c o n c r e t e ma d e w i t h n o r t h c a r o l i n a r e c y c l e d c o a r s e a n d fi n e a g gre g a t e s R D e p a r t me n t of C i v i l E n g i n e e r i n g ， N o r t h Ca r o l i n a S t a t e Un i v e r s i t y ， 2 0 0 4 作者简介 联 系地址 联 系电话 张波志( 1 9 8 3 一 ) ， 男， 硕士研究生。 西安市雁塔路 1 3 号 西安建筑科技大学土木工程学院 ( 7 1 0 0 5 5 ) 1 3 5 7 2 0 9 3 5 08 参考文献 ： 【 1 】 倪文 ， 王恩， 周佳 地质聚合物2 1 世纪的绿色胶凝材料fJ 1 新材 料产业， 2 0 0 3 ( 6 ) ： 2 4 2 8 【 2 张云升， 孙伟， 郑克仁， 等 E S E M追踪 K P S D S 型地聚合物水泥的水 化 J 1 建筑材料学报， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 8 - 1 3 【 3 王刚， 马鸿文 ， 任玉峰， 等 利用粉煤灰制备矿物聚合材料的试验研 究 J I M & P化学矿物与加工， 2 0 0 4 ( 5 ) ： 2 4 2 7 4 高镇同， 熊峻江疲劳可靠性 M 】 E 京： 航空航天大学出版社， 2 0 0 2 【 5 】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【 s 】 【 6 】D A VI D O VI T S J Ge o p o l y m e r s a n d g e o p o l y me ri c m a t e ri a l s J J o u rna l of T h e r m a l A n a l y s i s ， 1 9 8 9 ( 3 5 ) ： 4 2 9 4 4 1 作者简介 联 系地址 联 系电话 ： 户哲安( 1 9 4 9 一 ) ， 男， 教授， 博士生导师， 主要从事纤维混凝 土研究。 武汉市洪山区珞狮路 1 2 2 号 武汉理工大学土木工程与建 筑学院( 4 3 0 0 7 0 ) 1 5 9 2 6 4 2 41 2 9