氧化铝空心球及玄武岩纤维对混凝土动力特性的影响.pdf

2 0 1 5年 第 2 期 (总 第 3 0 4期) N u mr 2 i n 2 0 l 5 ( T o t a l No 3 0 4) 混 凝 土 Co n c r e l e 原 材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADMI 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 5 0 2 0 2 3 氧化铝空心球及玄武岩纤维对混凝土动力特性的影响 刘俊 良 ， 许金余 ， 李佳 凌 ， 任 韦波 ，聂 良学 ( 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 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 ； 3 空军临潼场站 机场工兵勤务队， 陕西 西安 7 1 0 0 7 7 ) 摘 要 ： 以氧化铝空心球为轻集料 ， 玄武岩纤维为纤维增强材料制备轻质混凝土 ， 利用直径 1 0 0 mm的分离式霍普金森压杆试验 系统 ， 研究了不同应变率下素混凝土、 玄武岩纤维混凝土 、 氧化铝空心球混凝土以及玄武岩纤维 一氧化铝空心球复合混凝土的动 态力学性能。 结果表明： 随着应变率 的提高， 四种试件的动压强度 、 动压韧性 、 动压 比韧性及破坏程度均不断增大 ， 表现出显著的 应变率相关性 ； 掺入氧化铝空心球使得试件破坏程度增大， 动压强度及动压韧性减小， 动压 比韧性提高； 掺入玄武岩纤维可以有 效降低试件的破坏程度 ， 并对试件具有明显的强韧化效果； 通过复掺氧化铝空心球及玄武岩纤维 ， 可以制备得到具有 良好吸能特 性的轻质混凝土。 关键词 ：混凝 土 ；氧化 铝空 心球 ；玄武 岩纤 维 ；动压 强度 ；动压 韧性 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 5 ) 0 2 0 0 8 2 0 4 E ff e c t s o f a l u mi n a b u b ble a n d b a s a l t f i b e r o n c on c r e t e u n d e r d y n a mi c l o a di n g LI U J u n l i a n g ， XU l i n yu 一， LI J i a l i n g ， REN We i b o ， NI E Li a n g xu e ( 1 De p a r t me n t o f Ai r fi e l d a n d Bu i l d i n g E n g i n e e ri n g ， Ai r F o r c e E n g i n e e ri n g Un i v e r s i t y， Xi h n 7 1 0 0 3 8， C h i n a ； 2 Co l l e g e o f Me c h a ni c s a n d Ci v i l Ar c h i t e c t u r e， No rth we s t Po l y t e c h n i c Un i v e r s i t y， Xi h n 71 0 0 7 2， Ch i n a； 3 T h e Ai r p o rt S e r v i c e T e a m o f E n g i n e e r s ， Ai r F o r c e L i n t o n g S t a t i o n ， Xi h n 7 1 0 0 7 7 ， Ch i n a ) Abs t r ac t ： Th e l i g h t we i g h t c o n c r e t e wa s p r e p a r e d wi t h t h e l i g h t a g g r e g a t e o f a l u mi n a b u b bl e a n d r e i n f o r c i n g ma t e r i a l o f b a s a l t f i b e r Th e d y n a mi c me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f p l a i n c on c r e t e， ba s a l t fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a l u mi n a b u b b l e c o n c r e t e a n d b a s a l t f i b e ra l u mi n a b u b b l e c o n c r e t e we r e i n v e s t i g a t e d b y u s i n g a 1 0 0 mm d i a me t e r s p l i t Ho p k i n s o n p r e s s u r e b a r( S HP B)s y s t e m u n d e r v a ri o u s s t r a i n r a t e s Th e r e s ul t s i n d i c a t e tha t f o r a l l f o u r s e ri es ， t h e dy n a mi c s e n gth， d y na mi c t ou g h n e s s ， s p e c i fic d yn a mi c t o u g h n e s s a nd da ma g e d e gr e e i n c r e a s e wi t h t h e i n c r e a s i n g s t r a i n r a t e， wh i c h r e v e a l s o bv i o u s s t r a i n r a t e s e n s i t i v i t y Ad d i n g a l u mi na b u b b l e a g g r a v a t e s t h e d a ma g e o f s pe c i me ns a n d r e s u l t s i n a d e c r e a s e i n d 3 ， n a mi c s e n gth a n d d y n a mi c t o u g h n e s s， wh i l e t h e s p e c i fic d y n a mi c t o u g h n e s s i s i mpr o v e d Ad di n g b a s a l t f i b e r i s e f f e c t i v e i n d e c r e a s i n g the d a ma g e o f s pe c i me ns a n d e n h a n c i n g the s tre n g th a n d t o u g hh e s s o f c o n c r e t e The l i g h t we i g ht c o n c r e t e wi t h g oo d e n e r g y a b s o r pt i o n c a p a c i t y c a n b e p r o d uc e d b y t h e c o mbi n e d u s e o f a l u mi n a b u b b l e a n d b a s a l t f i b e r Ke y wor ds： c o n c r e t e； a l u mi na b u b b l e； b a s a l t fib e r ； d y n a mi c c o mp r e s s i ve s e n g t h； a y n a mi c c o mp r e s s i v e t o ug h n e s s 0 引 言 混凝土是当今世界上使用量最 大、 最为广泛的首选建 筑材料。 近年来 ， 随着其使 用环境 的不断复杂化 以及各 类 特殊1 二 程结构的需求 ， 轻质 、 高强 已成 为 当前混凝 土发展 的两个重要方向。 纤维增强是 目前提高混凝土强度韧性 的 一种常用手段 ， 其 中玄武岩纤维以其优异的物理力 学性能以及耐高温 、 耐腐蚀性 ， 是一 种制 备纤维增 强混凝 上 的理想纤维材料 。 氧化铝空心球是一种新型 的高性 能轻质集料 ， 其机械强度可 达普通轻质集料 的数 倍之多 ， 故将其作为集料掺入混凝土中， 不但能够减轻混凝 土的重 量， 还能使其具备良好的变形吸能特性， 并保持相对较高 的强 度。 因此 ， 本研究 以氧化铝空心球作为轻集料制备轻质混 凝土 ， 同时掺入玄武岩纤维 进行纤维增强 ， 在此基 础上利 用直径 1 0 0 mm 的分离式 霍普 金森压杆 ( S H P B) 试验 系 统 ， 研究 了不同应变率下氧化铝 空心球及玄武岩纤维对混 凝土动压强度 、 动压韧性 、 动压 比韧性 以及 破坏形态 的影 响 ， 以为其进一步的研究 、 应用提供参考依据 。 1 试 验 1 1 原材料 基体材料 ： 秦 岭牌 P O 4 2 5 R级 水泥 ； 韩 城 第 二发 电厂生 产 的 I 级 粉 煤 灰 ； 霖 源 牌微 硅 粉 ， 平 均粒 径 0 1 0 1 5 Ix m； 石灰岩碎石 ， 粒径范 围5 - 2 0 ra i n ； 灞河 中砂 ， 细度 模数为 2 7 8 ； 自来水 ； F D N高效减水剂 ， 减水率 2 0 。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 7 1 1 基金 项 目 ： 国家 自然科学 基金 资助项 目( 5 1 3 7 8 4 9 7 ) ； 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 0 8 5 0 7) 82 P c ： d 6 2_ 3l+0- 4 6 AC： ：4 0 6 0+0 4 5 BAC： =4 7 9 2+0 3 9 d J 进一 步分析不 同应变率对四种试件动压强度的影响 ， 定 义动态 强度增 长 因子 D I F， 即试 件动 压强 度与其 静 压 强度的比值 。 四种 试件 D I F随应 变率对 数的变 化关 系如 图4所示 ， 式 ( 3 ) 为相 应的线性 拟合 关系 式。 可 以看 出： ( 1 ) 随着应变率 的提高 ， 四种试 件的 D I F均不断增大 ， 应 变率效应逐渐增强 ， 例 如对 于 B C， 当血变率 由 3 0 2 9 S 升至l 1 2 7 2 S 时 ， 其 D I F由 1 2增 至 1 8 ， 增 幅达 5 0 ； ( 2 ) 动压 强度变化规律类似 ， 总体 上， 同一应变率下氧化 铝宅心球的掺人使得试件 D I F普遍下降， 而玄武岩纤维的掺 入则使 D I F有所提高， 说明氧化铝空心球和玄武岩纤维对试 件的应变率效应分别具有一定的弱化和强化作用。 P C： DI F= 一0 3 2+0 9 7 l g BC ： DI F = 一0 4 9 +1 1 2 l g AC ： DI F = 一0 9 2 +1 2 4 l g BAC ： D1 F = 一0 3 8+0 9 5 l g l 8 l 7 l 6 I 5 l 4 I 3 1 2 l l 1 0 ( 3 ) 图 4 动态强度增长因子与应变率对数的关系 2 2动 压 韧 性 分 析 动眶韧性是衡 量试件能量吸收特性的重要力学指标 ， 足对 试件强度 、 变形 能力的综 合反映。 本研究 在此定义 四 种试什的动压韧性 DT为试件 动态应力 一应变 曲线下方 包 的面积。 图 5给出了动压韧 性随应变率 的变化规 律 ， 式( 4 ) 为十 u 的线性拟合关系式 。 可以看出 ： ( 1 ) 四种试件 的动 韧性均 表现 出明显 的应 变率 相关性 ， 即应 变率 越 大 ， 动压韧性越大 ， 以 A C为例， 当应变率 由 3 7 9 0 S 升至 9 9 3 3 S 时 ， 其动压韧性由3 9 4 1 9 k j ， m 3 增至 9 g 0 3 6 k l m ， 增 大近2 5 倍 ； ( 2 ) 掺入 氧化铝 心球 对试件动 压韧性 产 8 4 应 变率 s 图5动压韧性与应变率的关系 P C： DT=1 4 4 7 8+1 0 7 5 l BC ： ： DT = ： - 5 8 2 + + 1 2 7 5 d AC DT 1 0 7 0 7 9 31 (4 ) ： = + I BAC： DT=1 6 9 4 8+ 9 7 3 I PC： S DT=4 5 8+0 0 7d BC： S DT=2 2 9+0 0 9 d AC： S DT=5 4 5+0 0 7 g BAC ： S DT =5 7 2 +0 0 8 g ( 5 ) 30 41 ) 50 6U 7 0 80 90 1 UU ll 0 l 2U 臆 变率 s 图 6 动 压 比韧性 与应 变率 的关 系 2 4 破坏形 态分析 冲击破坏形态是对外部动倚作 用 F试件破 损程瞍 的 直观反映 ， 不 同应变率 下 四种试 件的破 坏形 态 曳 l 】 图 7昕 示。 可以看 出： ( 1 ) 四种试 件 的破坏 程度均 随应变率 的增 大趋于严重 ， 即应 变率越 大 ， 试 件碎块 数 目越 多、 尺寸越 小 ； ( 2 ) 在较低应变率下 ， 试件 主要呈轴向劈裂式破坏 ， 碎 3 2 O 9 8 7 6 5 4 ， 0 一 疑 督 表 4 预 拌混 凝土 绿色评 价部 分评 价结 果 参考文献 ： I 张云升， 孙伟 ， 刘斯凤 混凝土绿色度量化评价体系的研究 J 工业建筑 ， 2 0 0 2 ( 5 ) ： 5 7 5 9 2 王帅 商品混凝土生命周期环境影响评价研究 D 北京 ： 清华 大学 ， 2 0 0 9 3 赵平， 同继锋 ， 马眷荣 我国绿色建材产品的评价指标体 系和 评价方法 J 建筑科学 ， 2 0 0 7 ( 4 ) ： 1 9 2 3 ， 4 B A R B A R A R A F M G L i f ec y c l e a s s e s s m e n t o f r e s i d e n ti a l b u i l d i n g s i n t h r e e d i f f e r e n t E u r o p e a n l o c a t i o n s ， b a s i c t o o l J Bu i l d i n g a n d E n v i r o n me n t ， 2 0 1 2( 5 1 )： 3 9 5 4 0 1 上接第 8 5页 3 结 论 利用 & 1 0 0 mm S H P B试验系统 ， 研究了不 同应变率下 素混凝土( P C) 、 玄 武岩纤维混凝土 ( B C) 、 氧化铝 空心球 混凝土 ( A C) 以及玄武岩纤维 一氧化铝空心球复合混凝土 ( B A C ) 的动态力学性能 ， 结果表明： ( 1 ) 氧化铝空心球和玄武岩纤维对试件静压强度分别 具有一定的弱化和强化作用 ， 四种试件静压强度由大到小 依次为 BCP CB ACAC。 ( 2 ) 随着应变率的提高 ， 四种试件 的动压强度 、 动压韧 性 、 动压 比韧性及破坏程度 均不断增大 ， 表现 出显 著的应 变率相关性。 ( 3 ) 掺入氧化铝空心球 使得试 件破 坏程度增大 ， 动压 强度及动压韧性有所减小 ， 但动压 比韧性 明显提 高。 掺入 玄武岩纤维可以有效降低试件的破坏程度 ， 并对试 件具有 明显的强韧化效果 。 ( 4 ) 通过复掺氧化铝空心球及玄武岩纤维 ， 可 以制备 得到具有 良好吸能特性的轻质混凝土。 参 考文献 ： 1 胡维新， 孙伟 ， 秦鸿根 高效能轻集料混凝土的研制与应用I- J 混凝土 ， 2 0 1 2 ( 7 ) ： 1 2 9O 5 龚志起 建筑材料 生命周期中物化环 境状况 的定量评价研 究 D 北京 ： 清华大学 ， 2 0 0 4 6 3覃维祖 大力发展绿色高性能混凝土 J 建筑技术， 2 0 0 5 ( 1 ) ： 1 2 1 6 7 龚平墙体材料的绿色度 介 体系研究 D 重庆： 重庆大学， 2 0 o 7 作者简介： 何真( 1 9 6 2一) ， 女， 教授， 博士生导师。 联系地址 ： 武汉大学水利水电学院水工结构楼 3 0 1 ( 4 3 0 0 7 2 ) 联系电话 ： 1 3 9 9 5 6 9 6 1 5 3 2 许金余， 赵德辉 ， 范飞林 纤维混凝土的动力特性 M 西安 ： 西 北工业大学出版社 ， 2 0 1 3 3 李智， 卢哲安 ， 陈猛 ， 等 混杂纤维混凝土冲击压缩性能 S H P B 试验研究 J 混凝土， 2 0 1 1 ( 4 ) ： 2 0 2 2 4 高丹盈 ， 李晗 ， 杨帆 聚丙烯 一 钢纤维增强高强混凝士高温性 能 J 复合材料学报， 2 0 1 3 ， 3 0 ( 1 ) ： 1 8 7 1 9 3 E 5 沈刘军 ， 许金余 ， 李为民 ， 等 玄武岩纤维增强混凝土静 、 动 力 性能试验研究 J 混凝土 ， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 6 6 6 9 6 许金余 ， 李为民， 王亚平 ， 等 玄武岩纤维对不 同胶凝材料混凝 土的强韧 化效应 J 解放 军理工 大学 学报 ： 自然 科学版 ， 2 0 1 1 ， 1 2 ( 3 ) ： 2 4 5 2 5 0 I- 7 J G J 5 1 2 0 0 2 ， 轻集料混凝土技术规程 s 北京 ： 中国建筑工 业出版社， 2 0 0 3 8 3王礼立 应力波基础 M 北京： 国防工业出版社， 2 0 0 5 9 P O O N C S ， S H U I Z H， L A M L C o m p r e s s i v e b e h a v i o r o f fi b e r r e i n f o r c e d h i g hp e rf o r ma n c e c o n c r e t e s u b j e c t e d t 0 e l e v a t e d t e r n - p e r a t u r e s J C e m e n t and C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 4 ， 3 4( 1 2 ) ： 2 21 5 2 2 2 2 I O T A I Y s U n i a x i a l c o m p r e s s i o n t e s t s a t v a ri o u s l o a d i n g r a t e s f o r r e a c ti v e p o w d e r c o n c r e m J T h e o r e t i c a l a n d A p p l i e d F r a c t u r e Me c h a n i c s ， 2 0 0 9 。 5 2 ( 1 ) ： 1 4 2 1 作者简介 联 系地址 ： 联 系电话 ： 刘俊良( 1 9 9 2一 ) ， 男 ， 硕士研究生， 主要从事防护工程 方面的研究工作。 陕西省西安市灞桥区灞陵路研 2队( 7 1 0 0 3 8 ) 1 8 0 4 9 5 31 33 9