改性EPS混凝土的动态力学行为.pdf

2 0 1 1年 第 2 期 (总 第2 5 6 期 ) Nu mb e r 2i n 2 0l 1 ( T o t a l No 2 5 6) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEoRET I CAL RESEARCH 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 2 0 0 8 改性 E P S混凝土的动态力学行为 巫绪涛 ，谢思发 ，胡俊 ( 1 合肥 丁业大学 土木与水利工程学院 ，安徽 合肥 2 3 0 0 0 9 ；2 安徽建筑工业学院 土木工程学院 ，安徽 合肥 2 3 0 0 2 2 ) 摘要 ： 分别采用 粒径 1 、 3 i n n l 的发泡 聚苯乙烯( E P S ) 制备 了体积含量 3 0 的 E P S混凝土 。利用硅灰 、 碳纤维对其进 行了改性 。 利用 + 7 4 mm S H P B装置对 E P S混凝 土进行 了应变率范 围 3 0 7 0 S的冲击压缩试验 。 分 析了不同应变率下 E P S混凝土冲击压缩应力一 应变曲线 的特点及变化趋势 。 对 主要力学参数一强度 、 峰值应变 随应变率的变化关系进行了讨论。 发现硅灰 、 碳纤维对 E P S混凝土动态力学行为有显 著影响 ， 能有效提高其强度 、 韧性和可压缩性 。 关键词 ： 爆炸力学 ；S HP B试 验；E P S混凝土 ；应力一 应变 曲线 ；动态力学行为 中图分 类号： T U5 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 1 ) 0 2 0 0 2 5 0 4 Dy nam i c m ec ha ni c al be ha vi or of m odi f i e d E PS c on c r e t e W U Xu ta o ， XI E S i f a ， HU J u n! ( 1 S c h o o l o f C i v i l a n d Hy d r a u l i c E n g i n e e r i n g ， He f e i U n i v e r s i ty o f T e c h n o l o g y ， H e f e i 2 3 0 0 0 9 ， C h i n a 2 De p a r t me n t o fCi v i l E ng ine e r i ng， An h u i Un i v e r s i t yo fAr c h i t e c t u r e ， He f e i 23 0 02 2， Chi n a) Ab s t r a c t ： E x p a n d e d p o l y s ty r e n e ( E P S ) c o n c r e t e s p e c i me n s we r e p r e p a r e d wi t h 3 0 E P S v o l u me fra c t i o n a n d t wo d i ff e r e n t E P S b r e a d s i z e s ( 1 mm a n d 3 mm ) I mp r o v e i t s p r o p e rt i e s b y ma k i n g u s e o f s i l i c a fu me a n d c a r b o n fi b e r Dy n a mi c c o mp r e s s i v e e x p e ri me n t s wi t h i n a s t r a i n r a t e r a n g i n g fro m 3 0 S t o 7 0 S f o r EP S c o n c r e t e we r e c a r r i e d o u t b y&7 4 m m S HPB s e t Th e c ha r a c t e ris t i c s a n d c h a n g e a b l e t e n d e nc i e s o f s t r e s s s t r a i n c u r v e s o f EP S c o n c r e t e we r e a n a ly z e d u nd e r d i f f e r e n t s t r a i n r a t e s Th e a r i a t i o n r e l a t i o n s h i p s o f ma i n me c h a n i c a l p a r a me t e r s whic h i n c l u d e s t r e n g t h， p e a k s t r a i n， pe a k t o u g h n e s s a c c o m p a n y o fs tr a i n r a t e h a v e be e n di s c u s s e d T he r e s u l t s u g g e s t e d t h a t s i l i c a fum e ， c a r b o n fi be r h a d a n o b v i - O U S i n flu e n c e o n d yna mi c me c h a n i c a l b e h a v i o r s o f EP S c o n c r e t e wh i c h c a n i mp r o v e i t s s t r e n g t h， t o u g h n e s s a n d c o mp r e s s i b i l i t y Key wor ds ： me c h a ni c s o f e x p l o s i o n； S HPB e x p e rime n t ； EP S c o n c r e t e ； s t r e s s s t r a in c u r v e ； d y n a mi c me c h a n i c a l b e h a v i o r 0 引 言 E P S混凝土是将发泡聚苯 乙烯 ( E P S ) 作为骨料制作 的轻 质 混凝土 。 由于其解决 了日益加剧的“ 白色污染 ” 环境 问题 以及具 有低密度、 保温隔热 、 隔音等优良的物理性能， 是一种新型的节 能环保建筑材料 ， 在民用建筑 中得到广泛 的使用。 早在 1 9 7 3年 ， D J C o o k 就对 E P S作为混凝土的集料进行了研究 ， 制备了不 同表观密 度的轻质 多孑 L 混凝土 。 K G B a b u等 1 在大量试 验 的 基础上系统研究 了 E P S混凝 土的静态力学行 为。 包括 ： 不 同 含量硅灰对 E P S混凝土 的改性 。 发现在力学性 能方 面 ， E P S混 凝土早 期抗 压强度随硅灰 含量增 加而显著增 加 ， 随 龄期 增加抗 压强度增幅下降 。 劈裂强度 随抗压强度 的增加 而增加 ， 压缩 和 劈裂失效方式反映 E P S混凝土 与常规脆性 混凝土显著 不 同 的可压缩性。 E P S含量 、 颗 粒大小对 E P S混凝土抗压 强度 和 劈裂强度的影响。 发现 E P S混凝 土抗压强度随混凝土龄期增 加 而增加 ， 9 0 d强度较 2 0 d强度增加 了约 3 5 ， 给 出了 E P S混凝 土超声波速与抗压强度的关系， 抗压强度和劈裂强度的关系， 且随 E P S含量增加， 峰值应变增加， 割线弹性模量迅速降低， 应 力一 应变曲线变平缓 ， 裂纹扩展长度减小 。 陈兵等 利用微硅粉 和氯丁乳胶对 E P S 混凝 土进行改性 ， 改善 E P S颗粒与水泥浆 体 收稿 日期 ：2 0 l O O 9 1 0 基金项 目：安徽高校省级 自然科学研究重点项 目资助( KJ 2 0 1 0 A2 7 0 ) 的界 面性能 ， 利 用裹砂工艺进行试 样成 型 ， 研究 了 E P S混凝土 静态力学性能的变化一 抗压强度 、 劈裂强度 、 抗折强度， 发现微 硅粉能显著改善 E P S颗粒与水泥浆体的界面性能， 提高其力学 性能， 氯丁乳胶也能显著提高 E P S颗粒与水泥浆体的界面性能， 提高其抗折强度。 钢纤维对 E P S混凝土抗压强度增强不明显， 但能显著提高 E P S混凝土劈裂强度 ， 并能改善其抗干缩性能。 随着近年来对建筑物抗震性能要求的提高， 以及民用和军 用抗爆防护结构研究的发展 ， 各国都投人大量精力和财力研究 新型缓冲吸能材料。 近年的研究发现多孔软垫层的复合型防护 结构可以大幅度提高结构的抗爆震能力9 1 。 例如高分子泡沫聚合 物、 泡沫金属等。 E P S混凝土显著的多孔特点， 使得其具有反射 大部分地震或爆炸冲击波载荷 ， 减缓其传播速度 ， 对冲击能量 的吸收快， 减震效果显著等特点。 P H B i s c h o ff等人就提出E P S 混凝 土具有较 强的 吸能功能 ， 可用 于结构抗 冲击保 护层 。 与前 述缓 冲吸能材料相 比， E P S混凝 土还具有轻质 、 成本低廉 、 施工 方便、 抗腐蚀f生强的显著优点。因此， 对 E P S混凝土进行不同应变 率的冲击压缩试验， 获得其主用力学参数随应变率、 组分的变化关 系是有效研究其抗爆震能力的基础。 本研究利用大尺寸 S H P B 试验装置对 E P S混凝土进行 了不 同应变率下 的冲击 压缩试验 ， 研究 E P S粒径大小及硅灰、 碳纤维对其动态力学行为的影响。 25 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 E P S混凝 土制备及 s HP B试验 简介 1 1 E P S混凝 土 制备 分别采用了 1 、 3 mm两种粒径的 E P S颗粒制作混凝土试样， 配合比如表 l 、 2所列。 其中采用了P O 3 2 5级水泥， 粗集料为粒 径 5 8 n l n q 的碎石， 细集料为细度模数 2 5的河砂， 减水剂为聚羧 酸高效减水剂。 所有系列 E P S体积含量均为3 0 ， 两种粒径 E P S 颗粒的密度不同导致配密度量相异。 类别 l 和 6为未改性 E P S混 凝土， 2 4 、 7 - 9分别将 2 0 、 3 0 0、 4 o J 泥用相同质量微硅灰替代 进行改性， 5和 1 0为 4 0 0 微硅灰改性后再加入体积含量 O 5 的 碳纤维。 制成的所有系列 E P S 混凝土的密度 1 7 3 0 - 1 8 2 0 k g m 。 表 1 3 mm EP S混凝土配合比 各种组分经拌和均匀后装人模具振捣成型， 标准养护 2 8 d ， 制 作成直径 7 0 n l r n ， 高度 3 5 mm的圆饼状试样。 并对两端面进行磨 削加工， 确保两端面不平行度小于 0 0 5 mm。 试样照片如图 1 所示。 图 1 EP S混凝土试样 1 2 S HP B试验 冲击压缩试验在 q b 7 4 mi n直锥变截面 S HP B装置上完成。考 虑到 E P S混凝土与压杆的阻抗比较小， 透射波信号较弱， 为提高 测试精度采用了半导体应变计。 为减小波形弥散， 采用紫铜作为波 形整形器。 试验中得到的典型入 射波、 反射波和透射波如图2 所示。 采用经典两波法( 入射波和透射波) 得到试样的应力一 应变 曲线 ： ) ( f ) ( f ) 出 。 U ( ) = E e ， ( t ) 式中 ： 卜压杆的弹性模量 ； C 一压杆 的弹性波速 ； f 一试样长度 。 26 ( 1 ) ( 2) t i xs 图 2 典型入射杆、 透射杆应变片记录信号 1 3 部分试验结果 对于相近应变率的3 - 4个试样的应力一 应变曲线进行平均， 部分类型试样在 3 个应变率下的应力一 应变曲线如图3 8 所示。 50 4O 3 0 = b 20 l o o o 0 0 3 o 0 0 6 o 0 0 9 o o l 2 o ol 5 S 图 3 未改性 3 mm E P S混凝土的应力一 应变 曲线 8 图 4 3 mm E P S混凝土( 4 0 硅灰 ) 的应力一 应变曲线 圈5 3 m m E P S混凝土( 4 0 硅灰。 0 5 碳纤维) 的应力一 应变曲线 所有系列的主要力学参数如表 3 所列， 其中峰值应变代表 最大应力对应 的应变 。 2 试验结果分析 2 1 应力一 应变曲线和试样破坏形态 根据图 3 - 8 ， 可以发现： 不同应变率下， E P S混凝土的应 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 5 3O 25 20 b 1 5 】 0 5 0 00 0 3 O 0 0 6 0 0 0 9 O 0 1 2 O 0 1 5 S 图 6未改性 1 mm EP S混凝土的应力一 应变 曲线 S 图 7 1 mm EP S混凝土( 4 0 硅灰 ) 的应 力一 应变曲线 圈 8 1 mm E PS混凝土( 4 0 硅灰 ， 0 5 碳纤维 ) 的应力一 应变 曲线 力一 应变 曲线有显著不 同， 最大应力 、 弹性模 量随应变率增 加而 增加， 峰值应变随应变率增加而减小。 这些特点与素混凝土区别 很大 ， 随应变率增加 ， 素混凝土应 力一 应变 曲线 的最大应力 、 峰 值应变单调增加， 弹性模量变化较小。 在 3 0 S 应变率左右， E P S 混凝土的应力一 应变曲线表现出显著的三阶段： 初始弹性段、 平 台段和压实段 ， 平 台段对 应的应力很低 ， 在 1 0 MP a以下 。 随应 变率增加 ， 平 台段范围逐渐减小直至消失 。 压实段 的斜率随应变 率增加而增加， 这也是导致峰值应变随应变率变化趋势与素混 凝土不同的原因。 高应变率下， E P S混凝土的应力一 应变曲线 卸载段曲率有转折点， 转折点后应力平台显著。 解释E P S混凝土 应力一 应变 曲线 表现 的上述 特征必 须结 合其 结构特 征进 行分 析。 E P S混凝土是由 E P S颗粒和混凝土有机结合形成 的一种复 合材料。 在受力变形过程中， E P S颗粒和混凝土泡孔相互作用： 由 于混凝土泡孔结构的侧向约束及 E P S颗粒本身的率增强效应， 导致其强度较单纯的 E P S材料大大增强 ， 因此在应变率 3 0 S 左 右应力一 应变 曲线的平 台段 即混凝土 泡孔被压 缩后 ， E P S颗粒 开始 承载 的表现 ， 随后 由于 E P S颗粒横 向膨 胀大大增 强对混凝 土泡孑 L 壁的支撑作用， 应力一 应变曲线的压实段斜率增加。随应 变率增加， 一方面混凝土和 E P S颗粒的率增强效应体现， 导致 混凝 土泡孔结构初始段 承载力大 大增 强 ， 同时另一方 面裂 纹的 表 3 1 、3 mm E P S混凝土主要力学参数 多点发展也 导致混凝 土泡孑 L 结构 在没有 明显 压缩变形 下发生 脆性破坏 。因此 ， 应 力一 应变 曲线 的平 台段消失 ， 强度增强 ， 峰值 应变 降低 ( 延性降低 ) 。 在混凝土泡孑 L 压溃后 ， E P S颗粒被压缩 ， 体现 出显著的吸能特征 ， 在应力一 应变 曲线上表现出卸载段 的应 力平台。最终破坏形态上， 与高应变率下素混凝土粉碎破坏形 态不同， 高含量 E P S混凝土试样被压扁， 但形状基本完整， 表现 出明显 的可压缩 性。 2 2 E P S粒径、 改性材料的影响 图 9 1 1 给出了不 同系列 E P S混凝土最大应力 、 峰值应变随 应变率 的变 化规律 ， 可以发现 ： 两种 E P S粒径 混凝土力学 参 数随应变率增加的变化趋势相同， 但相同体积含量时， E P S粒径 对其力学性能有显著影响 。 未改性时 ， 在相近应变率下 ， 大粒径 E P S混凝土具有较高的强度和较大的峰值应变。 但添加相同改 性 材料后 ， 小粒径 E P S混凝 土的强度 、 峰值应变 的增幅大大超 过大粒径 E P S混凝土。 这是 因为 E P S混凝土在制备过程中 ， 由于 E P S本 身的轻质 ， 憎水 的特点导致 其在制 备过程 易悬 浮 ， 和 易 性差 ， 砂浆不能完全包裹 E P S颗粒 ， 导致两者黏接力较差 ， 且这 种缺陷随 E P S体积含量的增加及 E P S颗粒变细而显著。 而增加 硅灰改性后， 细小的硅灰颗粒能有效填充胶凝材料与粗细集料 间隙， 减小其初始缺陷， 提高其力学性能， 另一方面更为重要的 是， 硅灰能够大大提高 E P S颗粒和混凝土泡孔间的界面结合力， 27 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 应变率 ， s 图 9 3 mm E P S混凝土强度一 应变率 曲线 应 变率 ， s 图 1 0 1 mm E P S混凝土强度一 应变率 曲线 应变率 s 图 1 1 3 mm E P S混凝土峰值应变一 应变率 曲线 应 变 翠 s 图 1 2 1 mm EP S混凝 土峰值应变一 应变率 曲线 使得在受力变形过程 中 E P S颗粒 和混凝土泡孔 间的相互作用 的增强效果更显著 。 因此小 E P S粒 径的优势才得以发挥 。 硅 灰和碳纤维对 E P S混凝土具有显著的改性效果。 以2 0 硅灰替 代相同质量的水泥进行改性时， 对于 3 1 T I m粒径 E P S混凝土 ， 在应变率 3 0 ,- ,6 6 范围内 ， 强度增加幅度约 4 0 ， 对于 1 I n nE P S 混凝土， 强度增加幅度超过 1 0 0 ， 即硅灰能显著改善 E P S混凝 土的强度。 但随着硅灰含量的增加 ， 其对 E P S混凝土强度的改 善不再进一步提高 ， 对于 3 I I II T I E P S混凝土 ， 加入 4 0 o灰的 E P S 混凝土强度较加入 2 0 硅灰的还略有降低。 这进一步证实硅灰 2 8 对 E P S混凝土性能的提 升主要在于改善各组分的界面性能 ， 随 硅灰 含量增加 ， 混凝土 自收缩增大 ， 需水量增多 ， 且二次水化反 应随混凝土龄期增加而增加 ， 因此在固定水灰比、 减水剂 、 低龄 期情况下 ， 高硅灰含量混凝土的强度并不提升。 在延性方面， 硅 灰有效提高应变率3 0 s 时 E P S混凝土的峰值应变， 加入 2 0 硅 灰对 3 m l T l E P S 混凝土提高幅度约 3 0 ， 对 1 mmE P S混凝土提 高幅度达到 9 0 。 但对 6 6 s 的峰值应变提升减小。 从应力一 应 变曲线形态上可以发现， 加入硅灰后应变率 3 O 应力一 应变曲线 的平 台段更为显著 。 这与前 面的分析一致 ， E P S 颗粒和混凝土泡 孑 L 更紧密， 泡孑 L 壁弯曲后， E P S变形更显著， 在更高的应变率下， 由于泡孔壁 的脆性 破坏 ， 硅灰仅对 强度有提升作 用 ， 在延性 方 面作 用较小。 碳纤 维可以进一步提升 E P S混凝土的强度 ， 加入 碳纤维 0 5 体积含量时 ， 强度提升幅度约 1 5 。 另外 ， 最终混凝 土破坏形态也显示碳纤维改性后整体试样裂纹数量更少 ， 结 构 更完整。 这也表明碳纤维有效提高了 E P S混凝土的抗冲击性能 。 3结论 ( 1 ) E P S混凝土具有与素混凝土显著不同的应变率效应， 其应力一 应变曲线在 3 0 s 应变率时有明显的三阶段： 弹性段， 平 台段 和压 实段 。 随应 变率增加平台段消失 ， 这反应 了 E P S颗粒 和混凝土泡孑 L 相互作用效果 。 ( 2 ) 高应 变率 下 ， E P S混凝 土卸载段 应力应变 曲线发生转 折， 有明显的应力平台， 反应了 E P S混凝土的吸能特性。 最终的 破环形态与素混凝土的粉碎破坏不 同： 有明显 的压缩变形 ， 形状 完整性随 E P S含量增加而增加 ， 反映 了可压缩性 。 ( 3 ) 掺人一定量的硅灰可以有效改善 E P S混凝土的动态力 学I生 能， 大大提高其强度， 但过高掺量的硅灰进一步提升性能的效 果不明显。 碳纤维对 E P S 混凝土具有进一步增强和增韧效果。 参考文献 ： 1 】C O O K D J E x p a n d e d p o l y s t y r e n e b e a d s a s l i g h t w e i g h t a g g r e g a t e f o r c o n c r e t e J P r e c a s t C o n c r e t e ， 1 9 7 3 ， 4 ( 4 ) ： 6 9 1 - 6 9 3 2 J2 B A B U K G， B A B U D S B e h a v io u r o f l i g h t w e i g h t e x p a n d e d p o l y s t y r e n e c o n c r e t e c o n t a i n i n g s i l i c a f u me Ce me n t a n d Co n c ret e Re s e a r c h， 2 0 0 3 ( 3 3 ) ： 7 5 5 7 6 2 3 B A B U D S ， B AB U K G， WE E T HP r o p e r t i e s o f l i g h t w e i ght e x p a n d e d p o l y s t y r e n e a g g r e g a t e c o n c r e t e s c o n t a i n i n g f l y a s h J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h， 2 0 0 5 ( 3 5 ) ： 1 2 1 8 1 2 2 3 【 4 B A B U D S ， B A B U K G， H U AN W T E f f e c t o f p o l y s t y r e n e a g g r e g a t e s i z e o ff s t r e n g t h a n d mo i s t u r e mi g r a t i o n c h ara c t e r i s t i c s o f l i g h t we i g h t c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 2 0 0 6 ( 2 8 ) ： 5 2 0 - 5 2 7 5 】陈兵， 陈龙珠E P S 轻质混凝土力学性能研究 J 混凝土与水泥制品， 2 0 o 4 ( 3 ) ： 4 1 4 5 6 1 C H E N B， L I U J Y P r o p e r t i e s of l i g h tw e i g h t e x p a n d e d p o l y s t y r e n e c o n c r e t e r e i n f o r c e d w i t h s t e e l f i b e r J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 4 ( 3 4 ) ： 1 2 5 9 1 2 6 3 【 7 陈兵 ， 涂思炎， 翁友法E P S 轻质混凝土性能研究【 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 7 ， l O ( 1 ) ： 2 6 3 1 【 8 】C HE N B， L I U J YMe c h a n i c a l p r o p e rt i e s o f p o l y m e r mo d i fi e d c o n c ret e s c o n t a i n i n g e x p a n d e d p o l y s t y r e n e b e a d s 【 J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma - t e r i al s ， 2 0 0 7 ( 2 1 ) ： 7 - 1 1 9 S K V OR T S O V V， K E P L E R J ， B O Z H E V O L N A Y A E E n e r g y p a rt i t i o n f o r b all i s t i c p e n e t r a t i o n o f s a n d w i c h p a n e l s 【 J J I n t J I m p a c t E n g ， 2 0 0 3 ( 2 8 ) ： 6 9 7 - 7 1 6 1 0 B I S C HI F F P H， YA MU R A K， P E R R Y S H P o l y s t y r e n e a g g r e g a t e c o n c r e t e s u b j e c t e d t o h a r d i mp a c t J P r o c I n s t C i v i l E n g ( P a r t 2 ) ， 1 9 9 0 ， 8 9 ( 2 ) ： 2 2 5 2 3 9 作者简介 ： 单位地址 ： 联系电话 ： 巫绪涛( 1 9 7 1 一 ) ， 男， 博士， 副教授， 研究方向： 材料动态力 学行为。 安徽合肥工业大学土木与水利工程学院( 2 3 0 0 0 9 ) 1 3 9 6 5 0 2 4 1 6 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m