双掺石灰石粉和粉煤灰混凝土动力性能试验研究.pdf

2 0 1 4 年 第 7 期 (总 第 2 9 7 期 ) Nu mbe r 7i n 2 0 1 4( T o t a l No 2 9 7) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH 双掺石灰石粉和粉煤灰混凝土动力性能试验研究 谢卫红 1 I2 ，贾风辉 1 I 2 ，张勇 1 I2 ，张峰 1 ,2 ( 1 军队“ 2 1 l 0 工程” 防护材料重点实验室，江苏 徐州 2 2 1 0 0 0 ；2 解放军空军勤务学院 机场工程系 ，江苏 徐州 2 2 1 0 0 0 ) 摘要 ： 运用正交试验原理， 通过 S H P B试验研究了水胶 比、 石灰石粉掺量 、 粉煤灰掺量 、 砂率四种因素对混凝土动力性能的影响 规律， 分析了各掺合料之间的最佳组合以及每种掺合料的影响作用， 试验结果表n) l TA掺石灰石粉和粉煤灰能明显提高混凝土的抗 冲击性能。 关键词： 石灰石粉 ；粉煤灰；混凝土；S H P B试验 ；动力性能 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 4 ) 0 7 0 0 2 0 0 3 E x p e r i e n t a l s t u d y on d y n a mi c p e r f o r ma n c e o f c o n c r e t e mi x e d wi t h l i me s t on e p o wde r a nd f l y a s h XI E We i h o n g 一， J I A F e n g hu i ， ZHANG Yo n g ， ZHANGFe n g ( 1 K e y L a b o r a t o r y o f P r o t e c t i v e Ma t e r i a l s ， Mi l i t a r y 2 1 1 0 P r o j e c t ， X u z h o u 2 2 1 0 0 0 ， C h i n a ； 2 De p a r t me n t o f Ai r p o r t E n g i n e e ri n g， Ai r F o r c eL o g i s t i c s Co l l e g e ， Xu z h o u2 2 1 0 0 0 ， Ch i n a ； ) Ab s t r a c t ： By u s i n g t h e o h o g o n a l t e x t ， t h e i n fl u e n c e r e g u l a t i o n o f s o me f a c t o r s s u c h a s wa t e r - b i n d e r r a t i o ， d o s a g e s o f l i me s t o n e p o wd e r a n d fl y a s h， s a n d r a t i o o n t h e i mp a c t l o a d b y t h e mc a n s o f S HP B e x p e ri me n t a l f a c i l i t y o f t h e c o n c r e t e wa s s t u d i e d T h e b e s t mi x p r o p o rti o n a n d t h e i n fl u e n c e s i g n i fi c a n c e o f a l l mi x ma t e r i a l s a r e a n a l y s e d Th e r e s u l t s h o we d t h a t t h e mi x o f l i me s t o n e p o wd e r a n d fl y a s h c a n i n c r e a s e t he i mp a c t s t r e n g t h o ft h e c o n c r e t e Key wor ds： l i me s t o n e p o wd e r ； fly a s h； c o n c r e t e； S HPB e x pe r ime n t ； d y na mi c p e r f o r ma n c e 0 引 言 绿 色混凝 土与普通混凝土相 比具有资 源和能源消耗 少 、 对环境 污染小 的优越性 ， 是可持续发展 的重要发展方 向。 双掺石灰石粉和粉煤灰混凝土作为一种性能优异 的绿 色环保高性能混凝 土 ， 既有利 于降低混凝土生产成本 ， 也 有利于环境保护和国 民经济 的可持续发展 ， 被广泛应用于 各种军用和民用的建筑 、 防护工事及隧道的支护工程 _1 。 特 别在国防防御工程建设要求 的不断提高 ， 防御各种突加载 荷和爆炸载荷能力的研究受到 日益增大关注的前提下 ， 开 展双掺石灰石粉和粉煤灰混凝土动力性能 的研 究工作 ， 是 一 项十分重要而且非常迫切的任务。 何秋海_2 的研究表 明双掺石灰石粉和粉煤灰配制 的 自 密实混凝土可以有效地解决钢筋密集且形状特殊、 复杂的 异型结构难 以振捣密实成型的技术难题 ， 具有 良好的工作 性 能。 徐 国强与杨柳等p 关 于双掺石灰石粉 和粉煤灰混凝 土研究表明采用石灰石粉和低 品质粉 煤灰双 掺替代 4 0 水泥， 石灰石粉与低品质粉煤灰的比例为 7 ： 3 时可以产生很 好的复合效应 ， 具有较高 的早期抗压强度 ， 同时后期抗压 强度也有较大增 长。 何智海 与高桂波等 研究 了单掺石灰 石粉以及双掺粉煤灰 和石灰石粉 的混凝土性能 。 结果表明， 收稿日期：2 0 1 4 一 O l 一 2 5 基金项 目：国家 自然科学基金( 5 0 9 7 4 1 0 7 ) 20 石灰石粉具有一定的减水效果， 双掺 1 0 粉煤灰和 1 0 石 灰石粉的混凝土各龄期抗压强度均高于普通混凝土 ， 表现 出石灰石粉 的早 期增强 和粉煤灰 的后期 活性互 补效应 ， 增加粉煤灰掺量劣化了混凝土强度。 B u l e n t 、 E l k h a d i fi等 人 已有 的研究也表明 ， 当石灰石粉与粉煤灰两者双掺 时 其流动性得到改善 ， 强度也有一定的提高 。 本 研究 采用 正交 试验 原理 研 究双 掺 石灰 石粉 和 粉 煤灰 混凝土 的动力 学性能 ， 对不 同掺量 的石灰 石粉 和粉 煤 灰混 凝 土采 用 7 4 mm 的 S H P B试验 装 置进 行 冲击 荷 载作用下 的动态 力学性 能试验 ， 并采 用 MT S 8 1 5型 电 液伺 服岩石试验 系统进行静 态抗压 强度对 比试验 ， 找 出 最优配合 比 ， 拟合得 到冲击荷载下 应变率 与动力增 长 系 数 ( D I F ) 的关 系 ， 并进行机理 分析 ， 揭 示相应规律 以指 导 实际应用 。 1 试 验 概 况 1 1 原材料 水泥 ： 试验采用徐州中联水泥有限公司生产的 P O 4 2 5 级水泥 ： 石灰石粉 ： 生产石灰石碎石 、 机制砂时筛 出的石 屑 、 细 粉 ， 磨细至比表面积 9 8 0 m Y k g ； 粉煤灰 ： 徐州市 电厂 的 I I 级粉煤灰 ， 磨 细至 比表面积 5 6 0 mV kg； 集 料 ： 细 集 料 为 中砂 ， 细 度 模 数 为 2 6， 表 观 密度 2 7 0 0 k g m ；粗集料为石灰岩碎石 ， 5 2 0 m m连续级配 ， 压 碎指标 1 1 2 ， 表观密度 2 7 8 0 k g m ： 减水剂和水 ： 徐州市 云龙混凝土外 加剂厂生产 的 MN 萘系高效减水剂 ； 水为徐州 自来水。 主要原材料化学成分见表 1 。 表 1 主要原材料的化学成分 1 2 试 验 方 案 根据试验经验 ， 并参考 已有资料 ， 在前人 试验 的基础 上 ， 选择影 响混凝土强度的主要因素为 A 一 水 胶比、 B 一 石灰 石粉掺量、 c 一 粉煤灰掺量、 D 砂率。 每个因素取三个水平， 选择利用正交 表 L ( 3 ) 安排试验 ， 正交 因素水平表和正交 表如表 2 、 表 3 所示。 为了对比， 还设计了单掺石灰石粉、 粉 煤灰的对 比试验 。 表 2 正交因素水平表 水 因素 平 A 一 水胶 比 B 一 石灰石粉掺量 C 一 粉煤灰掺量 D 一 砂率 1 3 试件的制备 按照配合比设计要求， 首先将原材料称重并混合减水 剂和水 ， 然后依次将水泥 、 骨料 、 石灰石粉和粉煤灰倒人搅 拌机， 干拌 3 mi n后再将混合了减水剂的水分两次加入搅 拌机搅拌 。 待搅拌 均匀后 ， 进行装模 ， 混凝土静态试验试件 用 1 0 0 mm x 1 0 0 m m 1 0 0 mm模具制作 ， 动态冲击试件采用 的是 自制模 具 ， 其 为 q 0 7 3 5 m m 3 6 5 m m 的 网柱体 。 在装 模 的过程中 ， 要充分的进 行人工振捣 ， 分三次装满 ， 然后放 到振动台上震动 3 0 6 0 S ， 随后在模具表面敷上塑料纸保湿 ， 2 4 h 后拆模。 分别设计制作静态试件 1 9 组 、 动态试件 1 0 组 。 拆模后将试件放到 H S B Y 一 4 0 B型标准养护箱养护 ， 在温度 ( 2 0 + 2 ) ， 相对湿度 9 5 以上 的标准条件下养护 2 8 d 。 2结果 与讨论 2 1 静 态抗压强度试验结果与分析 共进行 了 1 9 组 ， 共计 1 1 4 块试件 的静态抗压强度试 验 ， 分别取得了单掺石灰石粉 、 单掺粉煤灰 、 双掺石灰石粉 和粉煤灰 的静态抗压强度试验值 ， 试验分析结果 如图 1 所 示 ， 试验中素混凝土的抗压强度为 6 6 7 MP a 。 26 0 r 2 5 0 I 圃 I _ 亳 掺人 石灰石 粉和粉 煤灰 能明显 的提高混凝土的静态 抗压强度 ， 水胶 比越小 ， 混凝 土的抗压强度越高 。 对双掺石 灰石粉和粉煤灰 混凝土 ， 水胶 比分 别为 0 2 5 、 0 3 、 0 3 5 时 ， 石灰石粉和粉煤灰掺合料的最佳掺量为胶凝材料 的 1 5 、 2 5 、 2 0 ， 其 中石灰石粉 占胶凝材料总量 的百分比分别为 5 、 1 5 、 1 0 。 2 2 动 力性 能试验 结果 与分析 利用 S H P B装置对双掺石灰石粉 和粉 煤灰混凝土进 行 了 0 2 、 0 4 、 0 6 MP a 三种压力下的动态冲击试验 。 由于篇 幅所 限， 部分气压下混凝土的应力一 应变 曲线 和试验数据 如 图 2 ， 图 3 和表 4 所示 ， 不同气压冲击下各 因素混凝 土动 态抗压强度极差计算结果如表 3 所示 。 随着试验应变率 的增 加 ， 试件中的破坏应力也随着提 高 。 不同气压冲击下 ， O 一 6 组抗冲击性能最好 ， 即最优组合 为 A 2 B C 。 D ： ， 双掺石灰石粉和粉煤灰能明显提高混凝土的 动态抗压强度 ， 同时随着应变率的提高 ， 双掺石灰石粉和 粉煤灰对混凝土的影响更加明显。 从表 5 极差分析结果可以看 出， 在低 、 中， 高三种应变 率下 ， 影响混凝土动态抗压强度的主次因素依次是 ： C A D B， 7 O 6 0 5 0 40 3o 2O 1 O O 图 2 0 0 0 5 0 O 1 0 0 01 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 S 0 2 MP a时各组试件应力一 应变曲线 21 0 0 o o 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 00 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 8 图 3 0 6 MP a时各组试件应力一 应变 曲线 表 4 双掺石灰石粉和粉煤灰混凝土 S H P B数据 = 6 3 7 5 x 1 0 ( 自 ) 6 0 7 ( 1 ) s 式 中 ： l g 3 =6 1 5 6 a 一 0 4 9 2 ， 0 = ( 5 + 3 4 ) ， 厶 是双掺石 灰石 粉和粉煤灰混凝土试样静态抗压强度， 调整后拟合系数为 0 9 6 8 7 ， 标准差为 0 1 0 8 。 双掺石灰石粉和粉煤灰混凝 土动 力增长系数随着应变率 的增大而增大 ， 静态抗压强度相同 时 ， 双掺石灰石粉和粉煤灰 昆 凝土的动力增长系数增长幅 度 比普通? 昆 凝土的大。 2 3 增 强机理分析 混凝土内掺人石灰石粉超细掺合料可使粉体粒度分 布得 以优化 ， 当混凝土掺用高效减水剂后 ， 在搅拌过程 中 水泥和掺合料颗粒被充分分散， 掺合料颗粒填充到水泥颗 粒间 的孔隙 中， 使粉体颗粒之间发生紧密堆 积效 应 ， 提高 抗压强度 。 另外 ， 粉煤灰微珠具有极高的强度 ， 粉煤灰 的掺 入增强了水泥浆体 ， 由于粉煤灰在水泥浆体中的分散排布 较好 ， 改善了新拌混凝土和快硬混凝土的均匀性 ， 既减少 了毛细孔 ， 又起到了微骨架 的作用 。 同时 ， 粉煤灰 中玻璃态 的氧化硅和氧化铝可以与水 泥水化生成 的氢 氧化钙 和水 发生反应 ( 二次反应 ) ， 生成具有水 硬性 特点 的水化硅 酸 钙 、 水化铝酸钙等 。 粉煤灰的细度越大 ， 即颗粒越小 ， 活性 越大 ， 水化能力越强 。 随着水化 的不断进行 ， 粉煤灰 的水化 产物与未水化的粉煤灰 内核的黏结力不断提高 ， 也有利于 提高混凝土的强度 。 表5 不同气压7 中 击下各因素混凝土动态抗压强度极差 3 结 论 C A B D， C B A D， 随着应变率 的提高 ， 即冲击速度 的增大 ， 石 灰石粉对混凝土动态抗压强度的影响也随之上升 ， 说 明石 灰石粉对双掺混凝土的抗冲击性能， 尤其是高速冲击下的 性能有重要影响， 随着冲击速度的增大， 应变率增大， 动力 增长 系数( D I F ) 也 随之增大 ， 以 。 一 1 组 为例 ， 0 6 MP a 气压 时峰值应力约为0 2 MP a 气压时的 3 倍。 通过试 验数 据拟 合 ， 如 图 4所示 ， 对 欧 洲 国际混 凝 土委员会 ( C E B) 提 出的建议公式进 行 了修 正 ， 得 出了双 掺石 灰石粉 和粉煤 灰混 凝土 动力增 长 系数与 应变 率 的 关系式 ： 22 垛 磐 帽 应 变率 图 4 D I F与应变率关 系拟合曲线 ( 1 ) 掺入石灰石粉 和粉煤灰能明显的提高混凝土的静 态抗压强度 ， 水胶比越小 ， 混凝土的抗压强度越高。 随着应 变率的提高 ， 动态抗压强度提升明显。 ( 2 ) 双掺石灰石粉和粉煤灰能明显提高混凝 土的动态 抗压强度 ， 同时随着应变率的提高 ， 双掺石灰石粉和粉煤 灰对混凝 土的影响更加 明显。 其中石灰石粉对双掺混凝 土 在高速冲击下的抗 冲击性能有重要影响。 ( 3 ) 通 过数据拟合 ， 对 C E B经验公式给予 了修正 ， 提 出了适合双掺石灰石粉和粉煤灰混凝土的动力增长系数 与应变率的关系式 d c r 。 = 6 3 7 5 x 1 0 ( d ) 研。 ( 4 ) 利用粉煤灰和石灰石粉双掺配制混凝 土 ， 扩大 了 生产混凝土原料 的范围， 提高低活性工业废渣 的利用率 ， 是 今后 混凝 土材料 的发展方 向 ， 也是实现可持续发展 ， 保 护 生态环境， 发展绿色高性能混凝土的有效途径之一。 参考文献 ： 1 李纯， 朱浮声 耐腐粉煤灰双掺混凝土的试验研究及性能预测 J 】 混凝土 ， 2 0 1 2 ( 1 2 ) 2 何秋海双掺石灰石粉和粉煤灰自密实混凝土的应用研究 粉 煤灰 ， 2 0 1 0 ( 4 ) 【 3 】 徐国强 ， 刘娟红 ， 乔兰 ， 等 双掺石灰石粉和粉煤灰绿色高性能 混凝土研究I J 1 武汉理工大学学报， 2 0 1 0 ( 1 1 ) ： 2 2 2 6 【 4 何智海， 刘运华， 钱春香， 等 双掺粉煤灰和石灰石粉对混凝土 抗冻融性能的影响研究叭新型建筑材料， 2 0 1 0 ( 2 ) 下转第 2 6页 舳 加 们 加 均 值 为 2 3 4 ， R B F预 测 抗 折 强 度 的 最 大 相 对误 差 为 3 8 8 ， 最小相对误差为 1 6 9 ， 相对误差平均值为 2 6 ， 而 B P预测抗压强度的最大相对误差为 1 5 5 3 ， 最小相对误 差为5 2 7 ， 相对误差平均值为9 o ， B P 预测抗折强度的最大 相对误差为 8 3 1 ， 最小相对误差为 1 7 8 ， 相对误差平均值 为4 5 5 0 0 ， 因此R B F 神经网络在强度预测上有更高的精度。 表 2 混杂纤维混凝土的 R B F模型预测表 3结 论 ( 1 ) 本研究建立起来的 R B F神经 网络模型能够准确 、 快速地预测 出混杂纤维混凝土 的抗压强度和抗折强度 ， 总 体预测效果较为精确， 为工程上研究混杂纤维混凝土强度 提 供了新 方法 ， 随着试验数据样本 的增多 ， 可 以建立起更 加完善的预测系统， 进一步提高精度， 应用前景较好。 ( 2 ) 研究发现， R B F 神经网络 比B P 神经网络结构简单 、 自适应性强、 收敛速度快、 工作量少并且精确度高。 ( 3 ) 还可 以在后面的研究中通过调整网络模型的输入 节点变量数 目、 改变输入数据样本的归一化方法 、 考虑采 取 K均值聚类法构建网络以及考虑引入遗传算法或粒子 群算法来进一步优化 R B F网络模型。 参考文献 ： f 1 】刘胜兵 混杂纤维增强高性能混凝土深梁受剪性能研究【 D 】 武 汉 ： 武汉大学 ， 2 0 0 9 【 2 毕巧魏玄武岩纤维混凝土的微结构及B F R P筋纤维混凝土梁斜 截面承载力试验研究【 D 】 大连： 大连理工大学， 2 0 1 2 【 3 宗荣 聚丙烯纤维 混凝 土使 用性能研究 D 西安 ： 长 安大学 ， 2 0 0 4 【 4 刘毅- ：昆杂纤维混凝土性能研究及其基于 B P神经网络的强度 预测【 D1 重庆 ： 重庆大学 ， 2 0 0 8 f 5 】孟红 基于 B P神经网络的再生混凝土强度预测【 D 】 青岛 ： 青岛 理工大学， 2 0 1 2 【 6 1吕天启， 赵国藩， 林志伸 人工神经网络在高温后静置混凝土抗 压强度预报中的应用l J 1 工程力学 ， 2 0 0 3 ， 2 0 ( 6 ) ： 5 2 5 7 7 】 徐炳伟， 姜忻良 基于 B P R B F 神经网络的地下连续墙变形预 上接第 2 2页 5 】YI L MA Z B， OL GU N A S t u d i e s o n c e me n t a n d mo r t a r c o n t a i n i n g l o w c a l c i u m f l y a s h ， l i m e s t o n e ， a n d d o l o m i t i c l i m e s t o n e J C e m e n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 8 ( 3 0 ) ： 1 9 4 2 0 1 【 6 D I OU RI E A Me c h a n i c a l b e h a v i o u r o f v a r i o u s mo r t a r ma d e b y e o m b i n e d f l y a s h a n d l i m e s t o n e i n Mo r o c c a n P o rt l a n d c e m e n ! 阴 C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ( 3 2 ) ： 1 5 9 7 1 6 0 3 2 6 测f J 工程力学， 2 0 0 9 ， 2 6 ( S u p I ) ： 1 6 3 1 6 6 【 8 姜绍飞， 张帅 基于模糊神经网络的数据融合结构损伤识别方 法I J 1 工程力学， 2 0 0 9 ， 2 5 ( 2 ) ： 9 5 1 叭 9 薛强， 郝际平， 郑粤基于 R B F神经网络的钢框架梁端节点损伤识 自然科学版， 2 0 1 1 ， 4 3 ( 2 ) ： 1 9 2 - 1 9 7 【 1 0 高华国， 杨玉春 ， 王海军基于神经网络的方钢管混凝土短柱承 载力计算【 J 1 沈阳工业大学学报， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 1 ) ： 1 1 6 1 2 0 【 1 1 施明君基于B P神经网络的H P F L 加固混凝土黏结机理研究【 D 】 西安： 长安大学， 2 0 1 2 1 2 王立军， 王铁成 人工神经网络的盐害侵蚀混凝土强度预测I J 1 哈尔滨工业大学学报， 2 0 0 9 ， 4 1 ( 2 ) ： 1 9 6 2 0 1 f 1 3 AMAN I J ， MO EI NI RP r e d i c t i o n o f s h e a r s t r e n g t h o f r e i n f o r e e d c o n c r e t e b e a ms u s i n g a d a p tiv e n e u r o - f u z z y i n f e r e n c e s y s t e m a n d a r t i fi e i a l n e u r n e t w o r k J S c i e n t i a I r a n i e a A， 2 0 1 2 ， 1 9 ( 2 ) ： 2 4 2 2 4 8 1 4 】 张德丰MA T L A B神经网络仿真与应用【 M - E 京： 电子工业出版 社， 2 0 0 9 1 5 MOOD Y J ， D ARK E N C L e a r n i n g wi t h L o c a l i z e d Re c e p t i v e F i e l d s C Th e 1 9 9 8 Co n n e e t i o n i s t Mo d e l s S u mme r S c ho o l ， Me n l o P a r k， 1 99 8 1 6 I D A R K E N J C F a s t l e a r n i n g i n n e t w o r k s o f l o c a l l y t u n e d p r o c e s s i n g u n i t s J N e u r a l C o m p u t a t i o n ， 1 9 8 9 ( 1 ) ： 2 8 1 - 2 9 4 1 7 1 U 婧 ， 叶青采用 B P和 R B F神经网络的厦 门市工程造价预测模 型 华侨大学学报： 自然科学版， 2 0 1 3 ( 2 0 1 ) ： 8 3 8 7 【 l 8 姜绍飞 人工神经网络用于建筑工程领域的数据处理方法 哈 尔滨建筑大学学报 ， 1 9 9 9 ， 3 2 ( 5 ) ： 2 4 2 8 作者简介： 联系地址： 联系电话： 李楠( 1 9 8 7 一 ) ， 女 ， 博士研究生。 陕西省西 安市小寨 长安大 学小寨校 区 1 9 7号 信箱 ( 7 1 0 0 6 1 ) 0 2 9 8 2 3 3 72 3 8 作者简介 ： 联 系地址 谢卫红( 1 9 6 2 一 ) ， 女， 教授， 博士， 硕士生导师， 从事工 程力学和伪装与防护工程及其材料研究。 江苏省徐州市西阁街 8 5号 空军勤务学院机场工程 系( 2 2 1 0 0 0 ) 联系电话 ： 1 5 8 6 2 1 5 4 5 9 4