玄武岩纤维地聚物混凝土的高温动态力学特性.pdf

第 3 3 卷第 6期 2 0 1 2年 1 2月 华北水利水电学院学报 J o u r n a l o f N o r t h C h i n a I n s t i t u t e o f W a t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o we r V0 l _ 33 NO 6 De c 2 01 2 文章编 号 ： 1 0 0 2 5 6 3 4 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 0 1 40 4 玄武岩纤维地聚物混凝土的高温动态力学特性 许金 余 ，苏灏扬 ，白二雷 ，刘 志群 ( 1 空军工程大 学航 空航 天工程学院 机场 建筑工程系 ， 陕西 西安 7 1 0 0 3 8 ； 2 西北工 业大 学 力学与土 木建 筑学院， 陕西 西安 7 1 0 0 7 2 ) 摘 要 ： 采用 自主研制的高温 6 1 0 0 m m S HP B试验装置 ， 研究了玄武岩纤维增强地 聚物混凝土 ( B F R G C ) 的瞬 时高温动态力 学特性 采用厚度为 1 0 mm， 直径 为 3 0 ， 3 5 ， 4 0 ， 4 5 ， 5 0 i n m 的铝片作 为整形器 对人 射波 进行整 形 ， 保证了试验过程 的有效性 结 果表明 ： 不 同温 度下 ， 玄武 岩纤维地 聚物混凝 土 ( B F R G C ) 的动 态抗压 强度 、 峰值应变 和能量吸收特性随应变率的提高近似线性增 长 ； 2 0 0时 B F R G C的动态抗 压强度 相对 于常温时大 幅度 提高 ； 随着温度 的升高 ， B F R G C的峰值应变显著提 高 ， 且均大幅度高于常温时 的峰值应变值 ； 2 0 0 6 0 0 时 B F R G C的吸能特性 明显优 于常温状 态 ， 而 8 0 0 o C时能量吸收特性明显降低 关键词 ： 玄武岩纤维 ； 地聚物混凝土 ； 高温 ； 应变率 ； 动态力学特性 地聚物 是近年新发展起来 的一种新型材料 ， 有可能在许多场合代替水泥 ， 并有着 比水泥更优异 的性能 地 聚物 硬化体 的脆 性较 大 ， 与硅 酸盐 水泥混 凝土相 比， 尽管地聚物混凝土的折压 比有一定程度 的提高 ， 但其脆性依然很高 为此 ， 人们进行 了长期 的研究 ， 提出了降低其脆性的多种方法 ， 其中纤维增 强混凝 土 是解 决 混 凝 土 脆 性 的 有效 方 法 之一 玄武 岩纤 维 是 一种 新 型纤 维增 强 材 料 ， 具 有 性 价 比高 、 抗拉强度高 、 耐腐蚀 、 耐高温 、 抗裂性能好等优 点 空军工程大学许金余 研究 了冲击荷 载作用下 玄武 岩 纤 维 增 强 地 聚 物 混 凝 土 ( B a s a l t F i b e r R e i n f o r c e d G e o p o l y m e r i c C o n c r e t e ， B F R G C) 的变 形 特 性 ， 结果表明当玄武岩纤 维的体积掺 量为 0 2 时 ， 玄 武 岩纤 维对 地 聚 物混 凝 土 变 形 能 力 的 改 善 效 果 最 佳 随着 “ 91 1 ” 事 件 的 发 生 以及 近 年 来 火 灾 事 故 的不断上升 ， 纤维混凝土材料 的高温力学性能越来 越多地受到了人们 的关 注 Ma t t e o等 通过弯 曲 试验、 单轴压缩试验和单轴拉伸试验对高温下钢纤 维混凝土( S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e ， S F R C) 的 力学特性进行了详细研究 ， 讨论 了温度增加时 S F R C 强度的退化情况 ； 李友群等 对 聚丙烯纤维 、 橡 胶 粉、 钢纤维等改善高强混凝土高温性 能的情况进行 了比较 ， 指出了研究中存在 的问题和今后 的研究发 展方 向； 胡克旭等 进行不 同温度下碳纤维 一混凝 土界面的剪切试验， 初步建立 了不 同温度下 的黏结 应 力 一滑移关 系 目前对混凝土材料的瞬时高温动态力学性能的 测试 并 没有得 到很 好 的解 决 ， 对 于 纤 维 增 强地 聚物 混凝土的高温动态力学性能 的研究也相对较少 笔 者采用 自主研制的箱式预热炉和管式加热装置 ， 结 合 +1 0 0 m m S H P B试验装置 ， 研究 了玄武岩纤维混 凝 土 的瞬 时高温 动态 力学 性能 1 试验 1 1原材料 及 配 比 水 淬 高 炉矿 渣 ： 比表 面 积 为 4 9 1 6 I n k g ， 2 8 d 活性指数 9 5 ； 一 级 粉煤 灰 ； 石 灰 岩 碎石 ： 5 1 0 m m 粒 级 约 占 1 5 ， 1 0 2 0 m m 粒 级 约 占 8 5 ； 中砂 ： 细度模数为 2 8 ； 化学纯氢氧化钠 片状 固体 ： 纯度 9 7 ； 液体硅酸钠 ： 模数为 3 1 3 4， S i O 含 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 9 0 9 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 1 0 7 8 3 5 0 ， 5 1 2 0 8 5 0 7 ) 作者简介 ： 许金余 ( 1 9 6 3 一 ) ， 男 ， 吉林靖 宇人 ， 教授 ， 博 士 ， 博导 ， 主要从事 结构 工程 和防护工程方面的研究 通信作者 ： 苏灏扬 ( 1 9 8 6 一 ) ， 男 ， 吉林柳河人 ， 博士研究生 ， 主要 从事防护工程方面的研究 1 6 华北水利水电学院学报 2 0 1 2年 1 2月 岩纤 维后 ， 2 0 0时 强 度较 常 温 大 幅度 增 长 ， 4 0 0 和 6 0 0 c I = 时略有降低 ； 相对于素混凝 土而言， 2 0 0 条件下纤维增强作用明显 ， 4 0 0和 6 0 0条件下 纤维的掺入使得强度有所下降 应变率 S 图 5 不 同温度下 GC峰值应变随应变率的变化 图 5和图 6表明， 不同温度下 B F R G C的峰值应 变体现出显著的应变率线性相关性 ， 其 中 4 0 0和 6 0 0时变化情况 相近 随着 温度 的升高 ， B F R G C 的峰值应变显著提高 ， 且均大幅度高于常温时的峰 值应变值 其原因在 于温度的提高使得地聚物混凝 土内水分的蒸发和胶凝材料 以及集料的分解 ， 在其 内部形成大量空隙 ， 变形能力提高 玄武岩纤维 的掺 宣 。 二 掣 挥 餐 +2 O ： 十2 00 ； 4 O 0 ； 图 7不 同温 度 下 GC 吸 能 特 性 随 应 变 翠 的 变 化 以混凝 土应力 一应变曲线下的面积来表征其能 量吸收特性 由图 7与图 8可知 ， 2 0 06 0 0时玄 武岩纤维地聚物混凝土 ( B F R G C) 的吸能特性明显 优于常温状态 ， 而 8 0 0 o C时由于强度的急剧下降， 且 强度下降的幅度远高于应变增长的幅度 ， 使得能量 吸收特性明显降低 玄武岩纤维的掺人提高了地 聚 物混凝土的吸能特性 ， 尤其是在 2 0 0 o C条件下 不难 看 出， 对于地聚物素混凝 土( G C ) ， 6 0 0 时吸能特 性优于 4 0 0 o C， 并和2 0 0 o C时较为接近 ； 而掺玄武岩 纤维后 ， 6 0 0 o C时吸能特性低 于 2 0 0 o C而与 4 0 0 o C 时较 为 接 近 其 原 因在 于玄 武 岩 纤 维 的熔 点 在 2 2峰值应变随温度的变化规律 图 5与图 6分别给出了不同温度下地聚物素混 凝 土 ( G C ) 和玄 武岩纤 维 地 聚物 混 凝 土 ( B F R G C) 的 峰值应变随应变率的变化情况 2 趔 磐 应 变 率 s 图 6不 同温度下 B F RGC峰值应变 随应 变率的变化 入 ， 提高 了地聚物混凝土的峰值应变 ， 且在 4 0 0和 6 0 0时提高较为明显 2 3 吸能特性随温度的变化规律 图 7与图 8分别给出了不同温度下地聚物素混 凝土( G C ) 和玄武岩纤维地 聚物混凝土 ( B F R G C ) 的 能量 吸收 特性 随应 变率 的变化 情况 g 。 二 谁 +2 0 ： 十2 0 O ： 4 O 0 ； +6 00 ： +8 O 0 应变翠 s 图 8不 同温度 下 B F R GC吸能特 性随应变率的变化 5 0 0 到 6 0 0 之 间 ， 6 0 0 时纤 维 的熔 化造 成 了混 凝土试件内大量的空隙， 耗散 了部分能量 3 结语 1 ) 自主研制 了高温 S H P B试验装置 ， 满足 了对 地聚物混凝土材料瞬时高温性能 的测试 ； 对入射波 进行 了整形， 保证了试验过程的有效性 2 ) 不同温度条件下 ， B F R G C的动态抗压强 度、 峰值应变和能量吸收特性随应变率的提高近似线性 增 长 3 ) 2 0 0 o C时 B F R G C的动态抗 压强度相对 于常 第 3 3卷第 6期 许金余 ， 等 ： 玄 武岩纤维地聚物混凝土 的高温动态力 学特性 1 7 温大幅度提高， 较素混凝土亦有所提高 ， 但 4 0 0 c I = 和 6 0 0 c C时提高并不明显 4 ) 随着温度 的升高 ， B F R G C的峰值应变显著提 高 ， 且均 大 幅度 高 于常温 时 的峰值 应 变值 5 ) 2 0 0 6 0 0 o C时 B F R G C的吸 能特性 明显 优 于 常温状态， 而 8 0 0 o C时吸能特性明显降低 ； 玄武岩纤 维的掺入提高了地聚物混凝 土的吸能特性 ， 尤其在 2 0 0 o C条件下提高显著 2 3 参 考 文 献 李为 民， 许金余 玄武岩纤维 增强地 聚物 混凝土 的高应 变率力 学 行 为 J 复合 材 料 学 报 ， 2 0 0 9 ， 2 6( 2 ) ： 1 6 0 1 6 4 W a n g Z L， S h i Z M ， W a n g J G O n t h e s t r e n g t h a n d t o u g h n e s s p r o pe r t i es o f SFRC u n de r s t a t i c d y na mi c c o mpr es s i o n J C o m p o s i t e s ： P a r t B 4 2 ( 2 0 1 1 ) ： 1 2 8 51 2 9 0 Mi l l a r d S G， Mo l y n e a u x T C K， Ba r n e t t S J ， e t a 1 Dy n a mi c e nh a nc e m e n t o f bl a s t - r e s i s t a nt u l t r a h i g h p e r f o r m a n c e f i b r e - r e i n f o r c e d c o n c r e t e u n d e r fl e x u r a l a n d s h e a r l o a d i n g J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f I mp a c t E n g i n e e r i n g， 2 0 1 0(3 7)： 40 54l 3 4 许金余 ， 李为 民 ， 黄小 明， 等 冲击荷 载作用 下玄武 岩纤 维增强 地 聚 物 混凝 土 的变 形 特 性 J 硅 酸盐 学 报 ， 2 0 0 9， 3 7( 7)： 1 1 3 71 1 4 1 5 6 7 8 Ma t t e o Co l o mb o，Ma r c o Pr i s c o Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f S F R C a t h i g h t e m p e r a t u r e s c G r o s s e ， C h r i s t i a n U A d v a nc e s i n Co ns t r uc t i o n Ma t e r i a l s 2 0 07Be r l i n：Sp r i n g e r Be r l i n He i d e l be r g， 2 0 0 7： 29 93 0 6 Ma t t e o Co l o mb o， Ma r c o Pr i s c o， Ro be r t o F e l i c e t t i Me c h a ni c a l p r o p e r t i e s o f s t e e l f i be r r e i n f o r c e d c o n c r e t e e x p o s e d a t h i g h t e m p e r a t u r e s J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 1 0 ( 4 3)： 4 7 54 9 1 李友群 ， 苏健 波 高强混凝 土 的抗 火灾高 温性能研 究概 述 J 混凝土 ， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 2 42 6 胡克旭 ， 卢 凡 ， 蔡正 华 高温 下碳 纤维 一混 凝 土界 面受 剪性能 试 验 研 究 J 同济 大 学 学 报 ： 自然 科 学 版， 2 0 0 9， 3 7 ( 1 2) ： 1 5 9 21 5 9 7 Hi g h- t e m p e r a t ur e Dy na m i c M e c ha n i c a l Pr op e r t y o f Ba s a l t Fi be r Re i nf o r c e d Ge o po l y m e r i c Co nc r e t e XU J i n y u ， ，S U Ha o y a n g ，B AI Er 1 e i ，L I U Z h i q u n ( 1 D e p a r t m e n t o f A i r f i e l d a n d B u i l d i n g E n g i n e e r i n g ， A i r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s En g i n e e r i ng Co l l e g e，Xi a n 71 0 03 8，Ch i n a；2Co l l e g e o f Me c h a ni c s an d Ci v i l Ar c h i t e c t u r e，No r t h we s t Po l y t e c h ni c Un i v e r s i t y Xi a n 7 1 0 0 7 2，C h i n a ) Abs t r a c t：Se l f d e s i g n e d h i g h t e mp e r a t u r e b l O0 mm SHPB a p pa r a t u s wa s u s e d t o s t u dy t h e i n s t a n t hi g h t e mpe r a t u r e d y n a mi c me c h a ni c a l p r o pe r t y o f b a s a l t fibe r r e i n f o r c e d g e o p o l y me r i c c o n c r e t e Al umi n i um p ul s e s h a pe r s wi t h 1 mm t h i c k a n d 3 0 mm ，35 mm，4 0 mm ， 4 5 mm ，5 0 mm i n d i a me t e r we r e a do pt e d t o r e f o r m t h e i nc i de n t wa v e，whi c h s a t i s f i e d t he v a l i di t y o f S HPB t e s t s Th e r e s u l t s s ho we d t h a t t h e d y na mi c c o mp r e s s i v e s t r e n g t h，c r i t i c a l s t r a i n a nd e n e r g y a bs o r p t i o n pr o pe rty we r e s t r a i n r a t e de pe n d e nt ，a nd t h e s t r ai n r a t e e f f e c t c o u l d b e e x p r e s s e d b y l i n e a r a p p r o x i ma t i o n s T h e d y n a mi c c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a t 2 0 0 i n c r e a s e d a l o t c o mp a r e d t o t h a t a t r o o m t e mp e r a t u r e Th e c r i t i c a l s t r a i n i n c r e a s e d wi t h t he t e mp e r a t ur e，a l l o f wh i c h we r e hi g h e r t ha n r o om t e mp e r a t ur e s t a t us The e n e r g y a bs o r p t i o n p r o p e r t y i nc r ea s e d s i g n i f i c a n t l y a t 2 00 6 0 0 wh i l e i t d e c r e a s e d dr a ma t i ca l l y a t 8 0 0 Ke y wor ds：ba s a h f i be r；g e o p o l y me r i c c o n c r e t e；hi g h t e mpe r a t u r e；s t r ai n r a t e；dy n a mi c me c h a n i c a l p r o pe r t y ( 责任编辑 ： 乔翠平 )