氧化鋁空心球復摻玄武巖纖維輕骨料混凝土動力學性能

第一作者葉學華男，博士生，1980年3月生

通信作者許金余男，教授，博士生導師，1963年10月生

氧化鋁空心球復摻玄武巖纖維輕骨料混凝土動力學性能

葉學華1， 許金余1,2， 劉俊良2

(1. 西北工業大學力學與土木建筑學院，西安710072； 2.空軍工程大學機場建筑工程系，西安710038)

摘要：采用直徑100 mm分離式霍普金森壓桿試驗系統，研究不同應變率下素混凝土(PC)、玄武巖纖維混凝土(BC)、氧化鋁空心球混凝土(AC)及玄武巖纖維-氧化鋁空心球復合混凝土(BAC)動力學性能，構建動態本構模型。結果表明，應變率提高，4組試件動壓強度、峰值應變、均值應變及破碎分形維數增大，應變率效應顯著；摻入氧化鋁空心球使試件強度及動彈性模量降低，峰值應變及均值應變增大，沖擊變形性能增強?；赟argin非線性彈性靜態本構模型，引入率強化因子與骨料弱化因子構建材料的動態本構模型，所得擬合曲線與實測應力應變曲線吻合較好，特征強度與特征應變等基本相同。

關鍵詞：輕骨料混凝土；氧化鋁空心球；SHPB；動力學性能；本構模型

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51378497)；國家自然科學基金資助項目(51208507)

收稿日期：2014-12-18修改稿收到日期：2015-02-25

中圖分類號:TU528.01文獻標志碼：A

Dynamic performance of alumina bubble-basalt fiber lightweight aggregate concrete

YEXue-hua1,XUJin-yu1,2,LIUJun-liang2(1. College of Mechanics and Civil Architecture, Northwest Polytechnic University, Xi’an 710072, China；2. Department of Airfield and Building Engineering, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China)

Abstract:The dynamic mechanical properties of plain concrete, basalt fiber reinforced concrete, alumina bubble concrete and basalt fiber-alumina bubble concrete were investigated by using a 100 mm diameter split Hopkinson pressure bar (SHPB) system under various strain rates. The constitutive model was established based on the experiments. The results of the four series specimens indicate that an increasing trend of dynamic compressive strength, peak strain, average strain and fractal dimension will be displayed as the strain rate increases. With the adding of alumina bubble, the dynamic compressive strength and elastic modulus decrease while the peak strain and average strain increase obviously. An experienced dynamic constitutive model was established based on the nonlinear elastic constitutive model by considering the influence of strain rate and alumina bubble and the simulated curves can well fit the testing curves.

Key words:lightweight aggregate concrete; alumina bubble; SHPB; dynamic performance; constitutive model

輕骨料混凝土作為自重小、保溫隔聲性能優異的建筑材料工程中應用廣泛[1-2]。研究表明多孔復合型防護結構能大幅度提高結構的抗爆震能力[3]，故亦用于軍、民防護工程。有關輕骨料混凝土研究大多集中于靜態性能，而對其動力學性能研究較少。Bischoff等[4]認為EPS混凝土具有較強吸能效果；王丹等[5]通過研究塑鋼混雜纖維輕骨料混凝土動態性能，發現輕骨料混凝土破壞前能抵抗多次沖擊?；炷练雷o結構在沖擊荷載下的破壞強度與變形能力強弱直接關系防護工程的抗打擊能力，因此，進一步研究輕骨料混凝土動力學行為，對其在防護工程中的拓展應用具有重要意義。

氧化鋁空心球為高性能新型輕集料，具有高強度、高硬度、熱膨脹系數小、耐磨等優異物理化學性能。將其摻入混凝土配制的輕骨料混凝土自重輕、強度高、變形性能好。玄武巖纖維作為常見的增強纖維，因具有抗拉強度高、耐沖擊、耐高溫、化學性能穩定等優點廣泛用于工程中[6-7]，將玄武巖纖維摻入混凝土中，可有效改善混凝土脆性、提高其抵抗沖擊荷載能力[8-10]。

本文將氧化鋁空心球摻入混凝土配制輕骨料混凝土，并復摻玄武巖纖維進行纖維增強。采用直徑100 mm的分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗系統，研究不同應變率下氧化鋁空心球及玄武巖纖維對混凝土動壓強度、峰值應變、均值應變、彈性模量及破壞形態影響，構建相應動態本構模型。

1試驗

1.1原材料

采用秦嶺牌42.5R級普通硅酸鹽水泥，韓城第二發電廠一級粉煤灰，平均粒徑0.1～0.15 μm霖源牌微硅粉，粒徑范圍5～20 mm石灰巖碎石，細度模數2.78灞河中砂，自來水，減水率20%的FDN高效減水劑；俄金玄武巖纖維公司的短切玄武巖纖維，密度2 650 kg/m3，短切長度18 mm，單絲直徑15 μm，抗拉強度4 150～4 800 MPa，見圖1；蘇州羅卡節能科技公司的氧化鋁空心球，粒徑3～5 mm，氧化鋁含量大于99%，耐壓強度50 N，見圖2。

圖1 玄武巖纖維Fig.1Basaltfiber圖2 氧化鋁空心球Fig.2Aluminabubble

1.2試件制備及試驗方法

試驗包括素混凝土(PC)、玄武巖纖維混凝土(BC)、氧化鋁空心球混凝土(AC)及玄武巖纖維-氧化鋁空心球復合混凝土(BAC)4組試件。其中AC與BAC兩組將20%(體積分數)的粗、細骨料等體積替換為氧化鋁空心球，BC與BAC摻入0.3%(體積分數)玄武巖纖維作對比試驗。各組試件配合比見表1。制備試件時先將玄武巖纖維與粗、細骨料倒入攪拌機中干拌，再將水泥及溶有減水劑的水倒入，待攪拌120 s后將拌合物倒出，分多次撒入氧化鋁空心球攪拌均勻。攪拌后將拌合物分別裝入立方體、圓柱體鋼模中振搗成型，1 d后拆模移入標準養護室進行28 d養護，經切割、打磨，制成尺寸150 mm×150 mm×150 mm的標準立方體及98 mm×50 mm的短圓柱體試件，前者用于準靜態壓縮試驗，后者用于動態壓縮試驗。準靜態壓縮試驗采用HYY型電液伺服材料試驗系統，加載速率0.5 MPa/s。動態壓縮試驗采用100 mm SHPB試驗系統。為消除大直徑壓桿質點橫向運動引起的彌散效應，增加應力脈沖上升沿時間，用直徑30～50 mm的鋁質圓片作波形整形器[11-12]， SHPB試驗原理見文獻[13]。

表1　混凝土配合比(m -3)

2結果與分析

2.1強度分析

各組試件靜壓強度見表2。由表2看出，摻入氧化鋁空心球后試件靜壓強度減小，而復摻玄武巖纖維后靜壓強度增大。

表2　靜壓強度(MPa)

各組試件動壓強度隨應變率變化規律見圖3。由圖3看出，隨應變率增大，各組試件的動壓強度均逐漸增大，反映出明顯的應變率效應；同一應變率水平下各組試件動壓強度從大到小依次為BC>PC>BAC>AC，表明摻入玄武巖纖維能提高試件強度；AC動壓強度低于PC，說明摻入氧化鋁空心球能增大試件內部的薄弱環節，降低試件強度；應變率一定時，摻入氧化鋁空心球可降低玄武巖纖維的增強效應。

2.2變形分析

為研究氧化鋁空心球及玄武巖纖維對試件沖擊變形性能影響，本文對試件峰值應變與均值應變進行分析。峰值應變即試件到達峰值應力時的應變，是表征試件沖擊變形特性及描述試件變形失穩破壞的重要指標。均值應變即試件應力應變曲線下方所圍面積與峰值應力比值[14]，反映試件沖擊失穩破壞全過程變形性能。

4組試件峰值應變隨應變率變化關系見圖4。由圖4看出，隨應變率增大各組試件峰值應變均有提升，反映出明顯的應變率效應；應變率一定時AC峰值應變大于PC，當應變率為63.2 s-1時AC的峰值應變較PC增大5.37×10-3，為PC峰值應變的1.72倍。說明摻入氧化鋁空心球對試件的極限變形能力有大幅度提升；氧化鋁空心球對試件峰值應變的改善效果遠大于玄武巖纖維。

圖3 動態壓縮強度與應變率關系Fig.3Relationshipsbetweendynamiccompressivestrengthandstrainrate圖4 峰值應變與應變率關系Fig.4Relationshipsbetweenpeakstrainandstrainrate圖5 均值應變與應變率關系Fig.5Relationshipsbetweenaveragestrainandstrainrate

4組試件均值應變隨應變率變化規律見圖5。由圖5看出，各組試件均值應變隨應變率增大而增大，具有明顯的應變率效應；AC均值應變高于PC，說明摻入氧化鋁空心球能改善試件沖擊破壞全過程的變形性能；BC均值應變低于PC，加入氧化鋁空心球后BAC均值應變高于AC，各組試件均值應變由大到小依次為BAC>AC>PC>BC。

2.3彈性模量分析

定義彈性模量Es為

(1)

式中：σ1，σ2為0.4倍、0.6倍峰值應力；ε1，ε2為應力應變曲線上升段應變值。

各組試件彈性模量隨應變率變化規律見圖6。由圖6看出，PC與BC的彈性模量隨應變率增大呈明顯下降趨勢，應變率為33.6 s-1時PC彈性模量為34.7 GPa，而應變率為97.3 s-1時彈性模量僅14.3 GPa，下降幅度明顯，此因隨加載速率提升試件內部裂縫迅速生成、發展，導致彈性模量降低；同一應變率下摻入玄武巖纖維對試件彈性模量有小幅提升；隨應變率增大，AC、BAC彈性模量一直處于較低水平且無明顯變化趨勢，而呈一定波動；此因摻入氧化鋁空心球后試件內部存在較多薄弱環節，加載速率增加并未引起內部薄弱環節顯著增加，因此AC、BAC彈性模量未隨應變率改變有明顯變化趨勢。

2.4破碎塊度分析

為進行試件沖擊破碎分析，收集試件沖擊破碎塊，用40 mm、20 mm、10 mm、5 mm、2.5 mm套篩對破碎塊進行篩分并計稱各級碎塊質量。用分形理論對破碎塊度定量分析，探究破碎程度與應變率關系。動荷載下混凝土失穩破壞為基體內原有細微裂縫發展、貫通的結果，因此其沖擊破碎塊度分布應具有一定分形特征[15]，分形維數表達式[16]為

D=3-b

(2)

式中：D為碎塊分形維數；b為碎塊分布參數，即In[M(r)/MT]-Inr曲線斜率，M(r)為粒徑小于r的碎塊累計質量，MT為碎塊總質量。

PC的In[M(r)/MT]-Inr雙對數曲線見圖7。由圖7看出，各數據點在雙對數坐標下具有較好的線性相關性，R值均大于0.93，表明沖擊破壞后混凝土碎塊尺度分布具有較好冪律特征，為統計意義上的分形。

圖6 彈性模量與應變率關系Fig.6Relationshipsbetweenelasticmodulusandstrainrate圖7 In[M(r)/MT]-Inr曲線(PC)Fig.7In[M(r)/MT]-Inrcurves(PC)圖8 分形維數與應變率關系Fig.8Relationshipsbetweenfractaldimensionandstrainrate

各組試件沖擊破碎分形維數隨應變率變化規律見圖8。由圖8看出，各組試件分形維數隨應變率增大而增大，應變率效應明顯，說明隨應變率增加試件破壞程度逐漸增大；各組試件分形維數斜率基本相同，說明摻入玄武巖纖維與氧化鋁空心球對其破碎塊度分布率敏感性無明顯影響；同一應變率下分形維數從大到小依次為AC>BAC>PC>BC，表明摻入玄武巖纖維具有一定阻裂作用，摻入氧化鋁空心球可增大試件破碎程度。

2.5討論

由分析知，氧化鋁空心球及玄武巖纖維對混凝土動力學影響較大。因氧化鋁空心球內部為空且強度較普通骨料偏小，在承受沖擊荷載時氧化鋁空心球會先發生形變，導致基體內裂縫迅速發展及AC與BAC彈性模量減小、峰值應變明顯增大。在試件破壞全過程中，氧化鋁空心球通過自身擠壓變形及與混凝土接觸面摩擦、粘阻消耗能量；摻入氧化鋁空心球使試件在沖擊破壞過程中內部裂縫大量生成、發展，消耗較多能量；改善混凝土變形與吸能性能，并致AC、BAC均值應變較高。摻入玄武巖纖維后混凝土靜、動壓強度與峰值應變提高，此因摻入的玄武巖纖維在試件內部形成三維空間網狀結構，試件破壞時能產生較好的阻裂效果。應變率較低時BC均值應變小于PC，因較低應變率下BC尚未完全破壞，部分作用于試件的沖擊能量只能以彈性能方式釋放耗散[17]，未能引發并參與試件的塑性變形破壞，致使BC的平均變形吸能能力小于PC，此時摻入氧化鋁空心球可有效增大試件均值應變。

因此，摻入氧化鋁空心球能較好改善混凝土沖擊變形性能，復摻玄武巖纖維能提升混凝土強度、變形等綜合性能，在承受沖擊荷載時兩者能優勢互補并較好協同工作。故通過摻入氧化鋁空心球及玄武巖纖維可配制具有良好動力學性能的輕質混凝土。

3本構模型

3.1模型構建

選Sargin[18]非線性彈性靜態本構模型為基礎，其表達式為

(3)

式中：fc,s為混凝土單軸靜態壓縮強度；σs，εs為試件應力、應變；εp,s為靜態壓縮峰值應變；A1，A2為模型參數。

試件動壓強度體現出明顯的加載速率強化效應，摻入氧化鋁空心球對試件動壓強度有所弱化。而式(3)中fc,s僅能反映試件靜壓強度特性。為此定義加載速率強化因子KV與骨料弱化因子KA表征加載速率及骨料弱化對混凝土影響，即

fc,d=fc,sKVKA

(4)

定義率強化因子為

(5)

定義弱化因子表征氧化鋁空心球對混凝土的弱化作用，摻入氧化鋁空心球后混凝土內部薄弱環節增多，強度減小，而隨氧化鋁空心球含量增多，混凝土強度必進一步弱化，在此將弱化因子定義為氧化鋁空心球摻量的減函數，即

(6)

式中：VA為氧化鋁空心球替換體積；V為骨料總體積；B為模型參數。

修正后得本構關系式為

(7)

(8)

3.2參數確定

表3　PC與AC經驗型動態本構模型參數

3.3模型驗證

為進一步驗證模型的準確性，將同一工況下模型曲線與試驗曲線進行對比，見圖9、圖10(篇幅所限，僅選兩組曲線)。AC各應變率下模型曲線與試驗曲線對比見圖11。由3圖看出，模型擬合曲線與實測應力應變曲線吻合較好，特征強度與特征應變較接近，構建模型可較好反映AC的沖擊力學行為，為AC的工程分析應用及進一步數值仿真計算提供參考依據。

圖9　PC模型曲線與試驗曲線對比 Fig.9 Comparison between test curve and fitted curve of PC

圖10　AC模型曲線與試驗曲線對比 Fig.10 Comparison between test curve and fitted curve of AC

圖11　AC模型曲線與試驗曲線總體對比 Fig.11 Comparison between all of test curve and fitted curve of AC

4結論

(1)4組試件的動壓強度、峰值應變、均值應變隨應變率增大而增大，表現出顯著的應變率效應。

(2)摻入氧化鋁空心球可降低試件靜、動壓強度與動彈性模量，大幅提高混凝土沖擊荷載下峰值應變及均值應變，改善混凝土沖擊變形性能。

(3)試件破碎塊度分形維數隨應變率增大而增大，能較好反映試件的破碎程度。

(4)以Sargin非線性彈性靜態本構模型為基礎，考慮加載速率及氧化鋁空心球影響，所得PC與AC模型擬合曲線與實測應力應變曲線吻合較好，特征強度、特征應變等基本相同。

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