钢纤维活性粉末混凝土高温后动力学特性研究.pdf
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1、第 1 3卷第 5 期 2 0 1 0年 1 O月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI LDI NG MATERI AL S Vo 1 1 3,No 5 0c t , 2 O 1 0 文 章 编 号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 0 ) 0 5 0 6 2 0 0 6 钢纤维活性粉末 混凝土 - 一 = 了 同 日 皿 后动力学特性研 究 王立 闻, 庞 宝君 , 杨震琦 , 迟润强 ( 哈尔滨工业大学 空间碎片高速撞击研究中心,黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 8 0 ) 摘 要 : 利 用霍 普 金 森 压 杆 系统 ( s p l i t Ho p k i
2、 n s o n p r e s s u r e b a r , S HP B ) , 采 用 铅 片作 为 整 形 器, 分 别对 未经 高温 处理 及 经 6 0 0 , 8 0 0 高 温作 用后 的素 活 性粉 末混 凝 土 ( n o r ma l r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e , NRPC) 和 钢 纤 维 增 强 活 性 粉 末 混 凝 土 ( s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e , S F R
3、P C) 进行 冲击压 缩 试 验 , 以研 究 高温 后 NR P C 和 S F R P C 的 动 态 力 学性 能及 钢 纤 维 掺 量 对 S F R P C抗 中击性能 的影响 结果表 明 , 经 高温作 用后 , NR P C和 S F R P C在应 变率 ( 7 5 8 5 s ) 下 的动 态抗压 强度均 明显 降低 , 6 0 0 , 8 0 0作 用后 动 态抗 压 强度损 失率 分别 约 为 2 5 , 6 5 , 但峰 值 应 变均提 高高 温 作 用 后 , S F RPC 的 抗 冲 击 能 力 明 显 优 于 NRP C, 6 0 0 及 8 0 0 时 S
4、FRP C ( 1 0 F 00 ) 动 态抗 压 强度 同 N RP C相 比分 别提 高 了 2 8 1 和 3 5 1 , 峰 值韧度 则分 别提 高 了 8 3 4 和 7 4 9 破 坏程 度上 S F R P C也 明显轻 于 NR P C, 试 样呈现 裂 而不散 的 形 态 最后 , 分析 了高温后 钢 纤维对活性 粉末 混凝土 的增强增韧 作 用机 理 关键词 :活性粉末 混凝 土( RP C ) ;霍普金 森压杆 系统 ( S HP B ) ; 钢 纤 维 ;高温 ;动态 力学性 能 中图分 类号 : TU5 2 8 5 7 2 文献标志 码 : A d o i : 1 0
5、 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 0 0 5 0 1 1 Dy n a mi c Be h a v i o r f o r S t e e l Fi b e r Re i nf o r c e d Re a c t i v e Po wd e r Co n c r e t e a f t e r Ex p o s u r e i n Hi g h Te m p e r a t u r e WANG Li we n。 PANG Ba o - j “ ”, Y ANG Zh e n q i 。 CHI Ru n q i a n g (Hy pe r
6、v e l oc i t y I mp a c t Re s e a r c h Ce n t e r, Ha r bi n I ns t i t ut e of Te c hn o l o g y,Ha r b i n 15 0 08 0,Ch i na ) Ab s t r a c t :Dy n a mi c be ha v i or s o f no r ma l r e a c t i v e p owde r c o n c r e t e( NRPC)a nd s t e e l f i be r r e i n f o r c e d r e a c t i v e p owd
7、 e r c o nc r e t e( SFRPC)wi t h a nd wi t h ou t e xp os u r e i n 6 0 0 8 0 0we r e i n ve s t i g a t e d by s pl i t H o pk i ns o n p r e s s u r e b a r ( SHPB)s y s t e m wi t h pu l s e s h a pi ng t e c h no l o gy The d yn a mi c be ha v i or s o f d i f f e r e nt m a t e r i a l s a n d
8、 t he e f f e c t o f s t e e l f i be r o n SFRPC ma t r i x we r e a l s o s t ud i e d The r e s u l t s ho ws t ha t a f t e r e x p os ur e i n h i gh t e mp e r a t u r e, d yn a mi c c o mpr e s s i v e s t r e ng t h d e c r e a s e s r a p i dl y f o r bo t h NRPC a n d SFRPC u nd e r mi d
9、s t r a i n r a t e ( 7 5 85 s ), t he d yn a mi c s t r e n gt h i s l o we r e d b y a bo u t 2 5 wi t h e x p os u r e i n 6 0 0 , a nd a b ou t 6 5 wi t h e x po s ur e i n 8 0 0 , bu t p e a k s t r a i n i n c r e a s e s i n b o t h s i t u a t i o ns The i mpa c t r e s i s t a n c e f o r S
10、FRPC wa s s u p e r i o r ov e r NRPC a f t e r e x p os u r e , t he d yn a mi c c omp r e s s i ve s t r e n gt h i n c r e a s e s by ab o ut 2 8 1 a n d 3 5 1 a f t e r e x p os ur e i n 6 0 0 a nd 8 00r e s p e c t i ve l y,f o r S FRPC( 1 0 ) c o mp a r e d wi t h NRPC, t he pe a k t o u g hne
11、 s s i m p r o ve s b y a b ou t 8 3 4 a nd 7 4 9 r e s p e c t i v e l y I t i s f ou n d t ha t t he d a ma g e f or S FRPC i s s i g ni f i c a n t l y l e s s t ha n t ha t f or NRPC, t he r e a r e o nl y s ome c r a c ks bu t t h e s pe c i m e n d o e s n t r u pt u r e Th e me c h a ni s m o
12、f s t e e l f i b e r s t r e ng t h e ni ng e f f e c t f o r SFRPC i s di s c us s e d Ke y wo r d s:r e a c t i ve po wd e r c o n c r e t e( RPC); s pl i t Ho pk i ns o n pr e s s ur e ba r(SHPB)s y s t e m ; s t e e l f i be r; h i g h t e mp e r a t ur e;dy na mi c me c ha n i c a l pr o pe r
13、t i e s 收稿 日期 : 2 0 0 9 0 7 3 0;修订 日期 : 2 0 0 9 0 9 1 4 基金项 目: 国家空间碎片专题研究基金项 目( k j s p 0 6 2 1 1 ) 作者简介 : 王立闻( 1 9 8 3 一 ) , 男 , 黑龙江齐齐哈尔人 , 哈尔滨工业大学博士生 Ema i l : wa n g l w 8 3 y a h o o c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 王立闻, 等 : 钢纤维活性粉末混凝土高温后动力学特性研 究 活 性 粉 末 混 凝 土 ( r e a c t i v e p o w d
14、e r c o n c r e t e , R P C ) 是继高强 、 高性 能 混凝 土 后 , 于 2 0世 纪 9 0年 代 初 由 P i e r r e Ri c h a r d等研 制 成功 的一 种 超高 性 能 混 凝土 J R P C 与普 通 混 凝 土 相 比具 有 高 强度 、 高 耐 久性及体 积稳定性 等优点 , 因此 , 在 土木 、 石油 、 核 电 、 市政 、 海 洋工程及 军事设施 中有 着广阔 的应用 前 景 但是上述 结构 在 服役 期 间不 可 避免 地 要 承受 各 种 外部载荷 , 如火灾 高温 、 冲击 载荷 、 地 震等 的作 用 另外 ,
15、 一些试 验工 况 下混 凝 土材 料 也会 遇 到各 种 高 温 作用后伴 有 冲击载 荷 的情 况 , 这 就要 求 其具 有 一 定 的高温后 抗 冲击 能力 , 以保证 结 构在 经 受 高温 作 用 后 的服 役 能力 及 使 用寿 命目前 , R P C 已成 为 工 程 材料研究 的新热点 2 与普通 混凝土 相 比, 高性 能混 凝 土 的抗 火 性 能 较 低l 3 , 当遭 遇火灾或 高温作用 时 , 它 常常会 发生爆 裂 在混凝 土基体 中掺加 钢纤 维 是 改善 其 力学 性 能 的有效途径 之一 , 尤 其是 对 高温 后 的力 学 性能 改 善 效 果更佳 目前
16、, 对混凝 土材 料 高温 后静 态 力学 性 能 的研 究 比较充分 , 但高 温 后动 态 力学 性 能 的研 究仍 处 于 起 步阶段 2 0 0 1年张彦 春 等 对 钢纤 维混 凝 土进 行 了 1 0 0 , 3 0 0 , 5 0 0 , 7 0 0 , 9 0 0的高温试验 , 发 现高温后 钢纤维混凝土 各项静 态力 学性能 均 明显优 于素 混凝 土 李丽娟等 j 对 高强混 凝土 ( 1 0 0 MP a ) 进 行 了高温 试 验 , 发 现 经 5 0 0 , 8 0 0高 温 后 高 强混 凝 土 的抗 压 强度 、 抗折 强度和劈 裂拉伸 强度均逐 渐变小 , 微
17、 观结 构逐渐变 差 2 0 0 4年 , P o o n等 l 6 研 究 了不 同 种类 纤 维对混凝 土高 温后 力学 性 能 的影 响 , 指 出在 高性 能 混凝土 中掺加钢纤 维可 以明显提高 混凝土 的剩余 抗 压强度 和弹 性 模 量 一 般 来 讲 , 混 凝 土 强 度 等 级 越 高 , 则其 相对剩余抗 压强 度越低 J 钢纤维 的加 人可 在一 定 程 度 上 提 高 混 凝 土 的 高 温 后 剩 余 抗 压 强 度_ 8 , 与 素 混 凝 土 相 比, 其 剩 余 抗 压 强 度 可 提 高 5 3 0 由于混凝 土结 构不可 避免地要 经受火 灾 ( 高温 )
18、 及动 载荷的作用 , 因此 , 研 究高温后 混凝 土材料 的动 态力 学性能是 必要 的 本 文利 用 霍普 金森 压 杆 系统 S HP B , 对 高温处理后 的素 活性 粉末 混凝 土 ( NR P C ) 及钢 纤维 增 强 活性 粉 末 混 凝 土 ( S F R P C ) 进 行 冲击 压缩 试验 , 得 到应变 率 7 5 8 5 S _ 1 下 钢纤 维 掺 量对 活性 粉末混凝 土高温后 剩余 动态力学性 能 的影 响规 律 为活性粉末 混 凝 土研 发及 其 结构 设 计提 供 必要 的依 据 , 同 时 也 为 灾 后 结 构 评 估 提 供 一 定 的 数 据 支
19、持 1 冲击压缩试验 1 1 试样 制备 水泥 : 哈尔 滨水 泥 厂生 产 的 P04 2 5硅 酸 盐 水 泥 硅灰 : 挪威 埃 肯公 司生 产 的 中质硅 灰 , 比表 面 积为 1 5 1 0 j c m 。 g 石 英粉 : 哈尔滨 晶华 材料有 限 公 司生产 , 粒径分 布 为 3 0 m, 其 中 S i O 含量 大 于 9 9 6 ( 质 量 分 数 ) 石 英 砂 : 哈 尔 滨 品华 材 料 有 限公 司生产 , 粒 径 分 别 为 1 0 9 2 1 2 , 2 1 2 3 8 0 m 的两种精 制石英砂 钢纤维 : 鞍 山昌宏钢纤维 厂生 产 的高强超 细钢纤 维
20、 , r 一1 2 mm, d f 一0 2 mm, 抗 拉 强度不低 于1 0 0 0 MP a 减 水 剂 : 山东 莱 芜 生产 的聚 羧 酸高效减 水剂 本次试 验共制 备 了 4种 钢纤 维 掺量 的试 样 , 分 别 为 NRP C( 无 钢 纤 维 ) S FRP C( 0 5 ) , S FRP C ( 1 0 ) , S F R P C( 1 5 ) , 其 括 号 中数 据 表 示 钢纤 维 掺量 , 均 为体积分 数 4种试 样 的基准 配合 比均为 : ( 水泥 ) : m( 石 英 粉 ) : m( 1 0 9 2 1 2 m 石英 砂 ) : ( 2 1 2 3 8
21、 0 u m石英 砂 ) 一1: 0 2 4: 0 3 6: 0 6 0: 0 6 O, 减 水 剂 掺 量 均 为 2 3 ( 质 量 分 数 ) , 水 胶 比均 为 0 2 2 ( 质量 比) 由于混 凝 土动 态压 缩试 验 数 据离 散 性 较大 , 故每种试 样 进 行 3次 相 同条 件下 的 冲击 压 缩 试验 。 结 果取平 均值 原料 准备完毕 后 , 按 配合 比混合 , 放入水 泥砂 浆 搅 拌机 中 , 逐渐加水 搅拌 , 直至均匀 搅拌完 成后 , 将 拌和物 浇注 于 内径 3 6 5 mm, 长 度 6 0 0 ml T l 的模 具 中 , 在振 动 台上 振
22、动 5 mi n成型 试 件成 型后移 入养 护室 , 2 4 h后 拆 模 。 在 6 0 蒸 汽 中 养 护 3 d 根 据 S HP B试 验对试 样 尺 寸 的要 求 , 使 用切 片 机将 试 件 制成 3 6 5 2 3 mm 的圆柱体 , 两 端精 磨 , 以保证 良 好 的平 行度 , 不平行度 0 0 2 mm 最后将 制备好 的试样放入加热 炉中升温 预定温 度分别为 6 0 0 , 8 0 0, 升温 方式 如下 : 试样 在 常温情 况下放进 电炉炉 膛 , 然 后关 闭炉 门开 始升温 , 最初 电 炉 以全功率输 出 , 最高升温速率可达 1 6 mi n ; 随温
23、 度升高 , 升温速率逐渐降低 ; 快达到预定 温度 ( 比预 定 温度低 1 0 0左右) 时 , 电炉进行 自动 整定 , 最低升 温 速率仅为 1 mi ra达到预定温度 时保持 该温度 l h , 然后打开炉 门 自然 降温 , 3 h后取 出试样 并静 置于 常 温下 , 2 4 h后 进行 S HP B试 验 为避 免活性 粉末 混凝 土试样含水率 的不 同对试验结果 造成影响 , 在对所有 试样进行高温加热之前 , 均进行烘干处理 1 2 S I t P B试验 冲击压 缩 试验 是在 4 O的 S HP B装 置 上 进 行 的 , 压杆和子 弹 的材 料 均为 高强 度 合金
24、 钢 , 入射 杆 、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 2 2 建筑材料学报 第 l 3 卷 透射杆 长度均为 1 8 O 0 mm, 子 弹 长度 3 0 0 mm 图 1 为 S HP B装 置示意 图 图 1 S HP B试 验装 置 示 意 图 Fi g 1 Sk e t c h of SHPB e xp e r i me nt 对于混凝 土类材料的冲击压缩试验 , 试 样在达 到 峰值应变前 , 满 足应力 应变 均匀 分 布要求 , 且保 持 近 似恒应变率加载 , 是保证试验有效 性及结果 可靠性 的 关键 因此 , 试 验 中需 要采用 波
25、形整形 技 术对入 射 波形进行控制 选用铅片做 为整形 器 , 结果 表明 , 铅 片 整形器可有效延 长入 射 波的上 升沿 , 平滑 波形 , 消 除 应力波 的高频振荡 , 使试样有足够 长的时 间达到应力 应变均匀 图 2为试验 中使用铅 片整形器获得 的应变 率 8 0 S 时典 型入射 波 、 反 射 波及 透射 波 的波形 图 , 可 以看到 , 反射波 有一 明显 的平 台段 , 占整个 有效 加 载段的 5 O 左右 , 说 明在试样 的整 个加 载过程 中, 大 部分时间 内实现 了近似恒应变率加载 图 2 典 型 的 S HP B试 验 波 形 Fi g 2 Ty p
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- 关 键 词:
- 纤维 活性 粉末 混凝土 高温 动力学 特性 研究
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