碱矿渣粉煤灰混凝土的冲击损伤特性.pdf

第 1 7卷第 6期 2 0 1 4年 1 2月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI L DI NG MATERI AL S Vo1 1 7。 No 6 De c 2 O1 4 文章编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 4 ) 0 6 1 0 8 7 0 6 碱矿 渣粉煤灰 混凝土 的冲击损伤 特性 罗 鑫 ， ( 1 空 军 工程 大学 陕 西 西安 7 1 0 0 7 2 许金余 ， 机 场建 筑工 程 系 3 北 京市 复兴 路 卢京平。 ， ，陕西 西 安 白二 雷 ， 李为 民 ， 刘志群 7 1 0 0 3 8 ； 2 西北工业大学 力学与土木建筑学院 ， 1 4号 ， 北 京 1 0 0 8 4 3 ；4 广 空后 勤部 机 场处 ， 广 东 广 州 5 1 0 0 5 2 ) 摘 要 ：以 Na OH， Na 2 C O。为碱 激 发 剂 ， 制 备 了强度 等级 为 C 3 0的碱 矿渣 粉 煤灰 基 混凝 土 ( AS F C) ， 运 用改进后 的 1 O O分 离式霍普金森压杆( S HP B ) 试验装置开展 了冲击劈裂拉伸和压缩试验， 从能 量 角度 分 析 了 AS F C在 冲 击荷 载 下的损 伤特 性 ， 并 进 行 了对 比研 究 结 果表 明 ： AS F C 的破 坏 形 态 均随着入射能量平均变化率的增加而趋 于严重， AS F C的能量吸收量也随入射能量平均变化率的 增 大而增加 ， 但 增加 速 率逐 渐 变缓 ， 总体 规 律 可 用二 次 多项 式 关 系来表 示 ； AS F C在 冲 击压 缩 状 态 下的破 坏 状 况明显 比 冲击劈 裂拉 伸 状 态下严 重 ， 而且 能 量吸 收 量和 增 加 速 率均 远 大 于 冲击 劈 裂拉 伸 状 态 ； AS F C 的抗 冲击损 伤 能 力随 着冲 击 力度 的 增 大 而增 加 ， 且 与 冲 击作 用 形式 有 关 ， 在 压 缩状 态下 的抗 冲击损 伤 能 力 比劈 裂拉 伸状 态更 为优 异 关键词 ： 碱矿渣粉煤灰基 混凝土； 损伤特性 ； 冲击劈裂拉伸试验 ； 冲击压缩试验 ； 分 离式霍普金森 压 杆 中图分 类 号 ： TU5 2 8 5 7 2 文献标 志 码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 4 0 6 0 2 6 I m p a c t Da m a g e Ch a r a c t e r i s t i c s o f Al k a l i Ac t i v a t e d S l a g a n d Fl y As h Ba s e d Co nc r e t e LUO Xi n ，X己 ， Ji n y u ， LU J i n g pi n g。 ， BAI Er l e i ， LI We i mi n ， LI U Zh i q u n ( 1 De p a r t me n t o f Ai r f i e l d a n d B u i l d i n g En g i n e e r i n g，Ai r F o r c e En g i n e e r i n g Un i v e r s i t y ，Xi a n 7 1 0 0 3 8，Ch i n a； 2 Co l l e ge of M e c ha ni c s a nd Ci vi l Ar c h i t e c t ur 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 1 007 2，Ch i n a； 3 Be i j i n g F u x i n g Ro a d No 1 4 ，B e i j i n g 1 0 0 8 4 3，Ch i n a ； 4 Ai r p o r t Of f i c e ，Ai r Fo r c e Lo g i s t i c s De p a r t me n t i n Gu a n g z h o u Mi l i t a r y Re g i o n，Gu a n g z h o u 5 1 0 0 5 2，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Hi g h f l o wi n g C3 0 a l k a l i a c t i v a t e d s l a g a n d f l y a s h b a s e d c o n c r e t e ( AS FC)wa s p r e p a r e d i n wh i c h s l a g a n d f l y a s h we r e a c t i v a t e d b y Na OH( NH)a n d Na 2 CO3 ( NC) Dy n a mi c s p l i t t i n g t e n s i l e a n d c o mp r e s s i o n t e s t s we r e ma d e b y t h e# 1 0 0 s p l i t Ho p k i n s o n p r e s s u r e b a r ( SHP B)a p p a r a t u s i mp r o v e d b y u s i n g t h e pul s e s ha p e r t e c hni q ue，a n d d a ma ge c ha r a c t e r i s t i c s o f ASFC un de r i mpa c t l o a d i ng we r e me a s ur e d I n a d d i t i o n，a c o mpa r a t i ve s t udy wa s ma de The r e s ul t s i n di c a t e t ha t ，f r a c t u r e mor ph ol o g y o f ASFC t e nd s t o be s e r i o us a n d e ne r gy a bs or b i ng c a pa c i t y o f ASFC i nc r e a s e s wi t h t h e i nc r e a s i ng o f i nc i de nt e n e r gy a ve r a ge r a t e，h owe v e r，i nc r e a s e r a t e gr a du a l l y be c o m e s l ow ，a nd g e n e r a l r ul e c a n be e x pr e s s e d by qu a d r a t i c p ol y no m i a 1 c u r ve；f r a c t ur e s t a t e o f ASFC u nd e r t he c o nd i t i o n o f i mpa c t c o m pr e s s i o n i s m o r e s i g ni f i c a n t t ha n t ha t un de r t he c on di t i on of i mpa c t s pl i t t i ng t e n s i on，a n d e n e r gy a bs or b i ng c a p a c i t y a n d i n c r e a s e r a t e u nd e r t he c o nd i t i o n o f i mpa c t c ompr e s s i on a r e gr e a t e r t h a n t ha t un de r c o nd i t i o n o f i m p a c t s p l i t t i n g t e ns i o nThus 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 6 1 3 ；修订 日期 ： 2 0 1 3 一 O 8 一 O 6 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 0 8 5 0 7 ，5 1 3 7 8 4 9 7 ) ； 陕西省科技发展工业攻关项 目( 2 0 1 4 K1 0 1 5 ) ； 爆炸冲击防灾减灾 国家重点 实验室开放课题基金资助项 目( DP ME I KF 2 0 1 4 0 6 ) ； 陕西省青年科技新星项 目( 2 0 1 3 K J X X- 8 1 ) 第一作者 ： 罗鑫 ( 1 9 8 6 通信作者 ： 许金余 ( 1 9 6 3 湖南株 洲人 ， 空 军工程 大学博 士生 E ma i l ： d a i s y 8 1 7 p e r wi t 1 6 3 c o m 吉林靖 宇人 ， 空军工程 大学教授 ， 博 士生导 师， 博士E - ma i l ： j i n y u x u 2 6 3 n e t 男男 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 罗 鑫 ， 等 ： 碱矿渣粉煤灰混凝土 的冲击损伤 特性 ( MJ s ) ( a ) Dy n a mi c s p l i t t i n g t e n s i l e c o n d i t i o n 图 7 w 随 的变化规律 Fi g 7 La w b e t we e n W a nd AS F C的抗冲击损伤能力随着 冲击力度的增大而增 加 其原因可由两方面进行解释： 一方面， AS F C的破 坏是 由于裂纹 的产生 和发展所 致 ， 裂 纹形成 过程 所需 的能量远比裂纹发展过程 中所需的能量高 荷载作用 速率越高， 产生的裂纹就越多 ， 需要的能量就越大， 因 此 A S F C的能量 吸收量 随 的增加而增 加 ； 同时 ， 随 着 的提高 ， A S F C内部 微裂 纹来 不及 充分 扩 展 ， 导 致骨料破 坏 ， 越 高 ， 骨 料破 坏 就 越 多 ， 粉 碎程 度 也 越 彻底 ， 因此 ， AS F C的破 坏形 态 随 的增加 而趋 于 严重 另一方面 ， 根据文献 1 7 ， AS F C的破坏效应宏 观上可以看作材料由一维应力状态向一维应变状态 转换 过程 中的力 学 响 应 ， 在 冲 击荷 载 作 用下 ， 由于材 料的惯性作用， 试件的侧 向应变受到限制而近似处于 围压状态 ， 并且 越高 ， 这个 限制作用越大 ， 使抗冲 击损伤能力随 的增加而增加 对 比可 知 ， AS F C 在 冲 击 压 缩 状 态 下 的 破 坏 状 况 明显 比冲击 劈 裂 拉伸 状 态 下 的更 为 严 重 ， 而 且 能 量吸收量也高 于冲击劈裂拉 伸状态 ， 这表 明 AS F C 的抗冲击损伤能力与冲击作用形式有关 ， 在压缩状 态 下 AS F C的抗 冲击 损 伤 能力 更 为 优 异 ， 原 因在 于 AS F C在冲击劈裂拉伸状态下 的损伤 区域仅局 限于 加载中心线周围， 而在冲击压缩状态下损伤 区域为 全 局性 4 结论 ( 1 ) 在冲击荷载作用下 ， AS F C的破坏形态均随 着入 射 能量 平 均 变 化 率 的 增 加 而 趋 于 严 重 ， AS F C 的能量吸收量也随入射能量平均变化率 的增大而增 加， 但增加速率逐渐变缓 ， 其总体变化规律可用二次 多项 式来 表示 ( 2 ) 在 同一入 射 能 量 平 均 变 化 率 作 用 下 ， AS F C 在冲击压缩状态下 的破坏状况明显 比在冲击劈裂拉 伸状态下严重， 而且 能量 吸收量和增加速率均远大 于冲击劈裂拉伸状态 ( b ) Dy n a mi c c o mp r e s s i v e c o n d i t i o n ( 3 ) AS F C的抗 冲击损 伤能力 随 着 冲击 力 度 的增 大而增加 ， 而 且 与 冲击 作 用 形式 有 关 ； AS F C在压 缩 状态 下 的抗 冲击 损伤能力 明显优于劈 裂拉伸状态 参 考 文献 ： 1 S HI C， KRI VENK O P V， ROY D Al k a l i a c t i v a t e d c e me n t s a n d c o n c r e t e s M L o n d o n ： Ta y l o r& F r a n c i s ， 2 0 0 6 ： 1 - 1 4 2 R OY D M， J I AN G W， S I L S B E E M R C h l o r i d e d i f f u s i o n i n o r d i n a r y ， b l e n d e d，a n d a l k a l i a c t i v a t e d c e me nt p a s t e s a n d i t s r e l a t i o n t o o t h e r p r o p e r t i e s J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 0 0， 3 0( I 2 )： l 87 9 1 8 8 4 3 S HI C， F E R NAN DE Z J I ME NE Z As t a b | 1 i z a t i o n s o l i d f i c a t i o n o f h a z a r d o u s a n d r a d i o a c t i v e wa s t e s wi t h a l k a l i a c t i v a t e d c e me n t s J J o u r n a l o f Ha z a r d o u s Ma t e r i a l s ， 2 0 0 6 ， 1 3 7 ( 3 ) ： 1 6 5 6 1 6 6 3 4 VAL E RI A F F， B ARB O s A K J D Th e r ma l b e h a v i o r o f i n o r g a n i c g e o po l y me r s a n d c o mp o s i t e s d e r i v e d f r o m s o d i u m p o l y s i a l a t e l J Ma t e r ia l s R e s e a r c h B u l l e t i n ， 2 0 0 3 ， 3 8 ( 2 ) ： 3 1 9 - 3 3 1 5 MI RAND A J M， F E R NA NDE Z J I ME NE Z A， G ONZ AL E Z J A， e t a 1 C o r r o s i o n r e s i s t a n c e i n a c t i v a t e d f l y a s h mo r t a r s J Ce me nt a n d Co n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 0 5， 3 5( 6 )： 1 21 0 - 1 2 1 7 6 WAN G K S ， L I N K L， HUANG Z Q Hy d r a u l i c a c t i v i t y o f mu n i e i p a l s o l i d wa s t e i n c i n e r a t o r fly - a s h - s l a g b l e n de d e c o - c e me n t J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 0 1 ， 3 1 ( 1 ) ： 9 7 - 1 0 3 7 M0s TAF A N Y， E L HEMAL Y S A S ， AL - WAKE E L E I ， e t a 1 H y d r a u l i c a c t i v i t y o f wa t e r c o o l e d a n d a i r c o o l e d s l a g a t d i f f e r e n t t e mp e r a t u r e s J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 0 1， 3 1 ( 3 )： 4 7 5 4 8 4 8 L I W， XU J I mp a c t c h a r a c t e r i z a t io n o f 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 nc r e t e u s i n g a 1 0 0 - m m- d i a me t e r s p l i t H o p k i n 。 s o n p r e s s u r e b a r J Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ： A， 2 0 0 9， 5 1 3： 1 4 5 1 5 3 9 C ARNE I RO F ， B ARC E L L OS A I n t e r n a t i o n a l a s s o c i a t i o n o f t e s t i n g a n d r e s e a r c h l a b o r a t o r i e s f o r ma t e r i a l s a nd s t r u c t u r e s 口 RI LE M B u l l ， 1 9 5 3 ， 1 3 ( 2 ) ： 9 9 1 2 5 1 0 WANG Q Z ， XI NG L D e t e r mi n a t i o n o f f r a c t u r e t o u g h n e s s KI C b y u s i n g t h e f l a t t e n e d Br a z i l i a n d i s k s p e c i me n f o r r oc k s 刀 E n g i n e e r i n g F r a c t u r e Me c h a n i c s ， 1 9 9 9 ， 6 4 ( 2 ) ： 1 9 3 2 0 1 ( 下转第 1 1 0 1页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 樊亮 ， 等 ： 矿粉对沥青胶浆 的性质影响及作用机理 1 1 O 1 由上述 分 析 可 以认 为 ， 矿 粉 对 沥青 胶 浆 的影 响 是从结构 内部 引起的， 尽管模量变化都一样 ， 但 由相 位角决定的结构损耗 和稳定状态有所不 同， 且这种 不 同 的结构 演变 在改 性 沥青 和基 质沥 青上 有 不 同 的 体现 ， 这与沥青胶浆体系组成有很大关系 ， 如改性沥 青胶浆体系可分为基质沥青、 改性剂、 矿粉这 3个部 分 ， 较 之基 质 沥青 与矿 粉体 系有 明显 区别 ， 作用 机 制 也 更 为复 杂 总 的来看 ， 矿 粉对 沥青 胶浆 的作用 机 理 应 源 于胶 浆 内部 不 同组 分 造 成 的 结 构 变 化 ， 微 观层 次的相对运 动与松弛过程 决定 了胶 浆 的宏观性 质 变化 4 结 论 ( 1 ) 矿粉的加入可 明显提高沥青胶浆 的整体 强 度 ， 提高其高温稳定性 ， 但 同时也带来 了整体脆性 ， 使其延展性降低 在高温低频 ( 1 0 r a d s ) 状态下 ， 无 机 矿粉 基本 不 改 变 普 通 石 油 沥青 的黏 弹组 成 比例 ， 仅提高其模 量值 ； 对 S B S改性沥青 而言 ， 无机矿粉 能改变其黏弹组成 比例 ， 提高其模量值 ， 改变胶浆体 系的内耗状态 为保证适宜的低温劲度和延展性 ， 沥 青 胶浆 的粉 胶 比应 控制 在一 定 范 围内 ( 2 ) 矿粉 的加人可以提高沥青胶浆 的弹性 回复 性 能 2种 沥 青 胶 浆 的不 可 回复 柔 量 均 随 着 粉 胶 比 的增加而单调降低 ， 说 明其抗变形能力显著越高 ； 相 对 于普 通石 油 沥青 胶 浆 ， 改 性 沥青 胶 浆 的不 可 回复 柔 量普 遍较 小 ， 说 明 S B S改 性 剂在 提 高 沥 青抗 变形 能力方面贡献显著 同时， 试验现象表 明可 以利用不 可 回复柔 量 差 为零 ( 针 对 普 通 石 油 沥 青 ) 或 拐 点 ( 针 对 S B S改 性 沥青 ) 来 确 定 沥 青 胶 浆 的最 大 粉 胶 比 ， 且 软硬 程度 不 同 的沥 青 有 着 各 自的 最 大 粉 胶 比要 求 ， 但 这个 确定 方法 还需 要更 多试 验样本 来 验证 参考 文献 ： 1 沈金安 沥青及沥青混合料路用性能 M 北京 ： 人民交通 出版 社 ， 2 0 0 1： 1 7 7 1 79 SHEN J i n a n As p h a l t a n d h o t a s p h a l t mi xt u r e p a v e me n t p e r f o r ma n c e M B e ij i n g ： C h i n a C o mmu n i c a t i o n s P r e s s ， 2 0 0 1 ： 1 7 7 1 7 9 ( i n Ch i n e s e ) 2 邵显智 ， 谭忆秋， 邵敏华 ， 等 沥青 胶浆微观 界面 的研 究 J 公 路， 2 0 0 3 ( 1 2 ) ： 1 0 5 1 0 9 S H Ao Xi a n z h i ， TAN Yi q i u， S H AO M i n hu a ，e t a 1 Re s e a r c h o n mi c r o s t r u c t u r e o f a s p h a l t mo r t a r J Hi g h wa y ， 2 0 0 3 ( 1 2 ) ： 1 0 5 1 0 9 ( i n Ch i n e s e ) 3 黄继成 ， 黄彭 基 于表界 面理论分析 沥青剥离 机理及 防治对策 J 石油沥青 ， 2 0 0 5 ( 4 ) ： 5 2 5 5 HUANG J i c h e n g，HUANG Pe n g Ba s e d o n int e r f a c e t h e o r y a n a l y s e s t r i p p i n g me c h a ni s m o f a s ph a l t a nd c o u n t e r m e a s u r e s J Pe t r o l e u m As p h a l t ， 2 0 0 5 ( 4 ) ： 5 2 5 5 ( i n C h i n e s e ) 4 AAS HT O T P 7 O O 9 S t a n d a r d me t h o d o f t e s t f o r mu l t i p l e s t r e s s c r e e p r e c o v e r y (M S CR) t e s t o f a s p h a l t b i n d e r u s i n g a d y n a mi c s h e a r r h e o me t e r ( D S R ) s 5 刘 凤 岐， 汤 心 颐 高分 子 物 理 M 北 京 ： 高等 教 育 出版 社 ， 2 0 0 4： 2 8 0 2 8 5 L I U F e n g q i ， T ANG X i n y i P o l y me r p h y s i c s M B e i j i n g： Hi g h e r Ed u c a t i o n Pr e s s ， 2 0 0 4： 2 8 0 2 8 5 ( i n Ch i n e s e ) 6 樊亮 ， 王林 ， 申全 军 ， 等 沥 青胶 浆 的界面 黏结 力 测试 及研 究 J 新 型建筑材料 ， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 3 2 3 5 FAN Li a n g，W ANG Li n， SHEN Qu a n j u n， e t a 1 Adh e s i v e a b i l i t y t e s t a n d r e s e a r c h o n a s p h a l t mo r t a r i n t e r f a c e J Ne w Bu i l d i n g M a t e r i a l ， 2 0 09 ( 5 )： 32 3 5 ( i n Ch i ne s e ) 7 美 国沥 青协 会 高性 能 沥青 路 面 ( S u p e r p a v e ) 基 础 参考 手 册 M 贾渝 ， 曹荣吉译 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 5 ： 6 4 6 5 Am e r i c a As p h a l t I ns t i t u t e S up e r p a v e f u n d a me n t a l s r e f e r e n c e ma n u a l M Tr a n s l a t e d b y J I A Yu ， C AO Ro n g j i B e i j i n g ： Ch i n a Co mm u n i c a t i o n s Pr e s s ， 2 0 05：6 4 6 5 ( i n Ch i n e s e ) ( 上接第 1 0 9 1页) 1 1 KOL S KY H An i n v e s t i g a t i o n o f t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f ma t e r i a l s a t v e r y h ig h r a t e s o f l o a d i n g J P r o c e e d i n g s o f t h e Ph y s i c a l S o c i e t y ( B)， 1 9 4 9， 6 2 ( 1 1 )： 6 7 6 1 2 L UO X， X U J ， B AI E， e t a 1 Re s e a r c h o n t h e d y n a mi c c o rn p r e s s i v e t e s t o f h i g h l y f l u i d i z e d g e o p o l y me r c o n c r e t e J C o n s t r u c t i o n a n d Bu i l d i n g M a t e r i a l s ， 2 0 1 3， 48： 1 6 6 1 7 2 1 3 巫绪涛 ， 代仁强 ， 陈德兴 ， 等 钢纤维混凝土动态劈裂试验 的能 量 耗散分析 J 应用力学学报 ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 1 ) ： 1 5 1 1 5 4 W U Xu t a o， DAI Re n q i a n g， CHEN De x i n g， e t a 1 En e r gy d i s s i p a t i o n a n a l y s i s o n d y na mi c s p l i t t i n g t e ns i l e t e s t o f 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 J Ch i n e s e J o u r n a l o f Ap p l i e d Me c h a n i e s， 2 0 0 9， 2 6 ( 1 )： 1 5 1 1 5 4 ( i n Ch i ne s e ) 1 4 L I Q M ， ME NG H Ab o u t t h e d y n a mi c s t r e n g t h e n h a n c e me n t o f c o n c r e t e l i k e ma t e r i a l s i n a s p l i t Ho p ki n s 0 n p r e s s u r e b a r t e s t E J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f S o l i d s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 3 ， 4 0 ( 2 )： 3 4 3 3 6 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m