文摘

在这项研究中,玄武岩纤维和聚丙烯纤维与不同体积比例混合到轻骨料混凝土(LAC)和虫胶的静态抗压强度和动态抗压性能与纤维混合测试。玄武岩纤维和聚丙烯纤维对LAC的应力-应变关系和能量转换关系进行了分析。结果表明,玄武岩纤维和聚丙烯纤维与适当的体积比有利于提高LAC的强度和韧性,但混合效果更好。混合纤维的体积比为0.2%时,抗压强度、弹性模量、峰值应变、极限应变和增加了61.9%,23.57%,32.81%,和45.14%,分别比LAC没有纤维。基于统计损伤理论,建立了纤维LAC压缩损伤本构模型;纤维提高了LAC的延性和能量吸收能力,显示了更好的抗冲击性。最后,基于现代SEM微观测试技术和EDS测试技术,普通漆的内部结构和化学元素成分和纤维轻骨料进行了比较和分析。骨料混凝土的内部密实度提高轻骨料混凝土的强度和韧性,这揭示了从微观机理上的纤维LAC的观点。

1。介绍

目前,随着现代建筑的发展对大跨度和超级高楼大厦,以减少结构断面,减少结构的重量,提高保温和其他表演,轻量化的要求,强度高、耐久性和可持续发展提出了具体。轻骨料混凝土(LAC)被广泛使用,因为这些优势。漆是指用轻骨料的混凝土部分或完全取代粗和细骨料和高耐久性的特点,流动性,节能、环保,表观密度不超过1950公斤/米3。轻质混凝土和sublightweight混凝土是指部分或全部的混凝土粗骨料的轻骨料,和这样的轻质混凝土是指所有的粗和细骨料的混凝土是由轻质骨料(1- - - - - -3]。目前,LAC通常是准备从页岩陶粒、膨胀性粘土陶粒,或烧结陶粒。因此,促进轻骨料混凝土可以充分利用各种工业和农业废物,减少自然沙子和石头的数量,节约能源,减少环境污染4,5]。试验研究[4,6)发现LAC的机械强度和变形能力相关类型的轻骨料,混合物的水胶比,密度等级。与混凝土相同的组合相比,普通骨料的弹性模量和刚度大于水泥砂浆,和裂缝一般界面面积的扩大,而轻骨料的弹性模量和刚度小于水泥砂浆。当承受外荷载,裂缝可以通过轻骨料本身,这使得内部应力传递机制不同。tensile-compression强度比、抗弯强度、弹性模量和相对骨折LAC的能量更低,压应变峰值和脆性大,随着强度的增加,脆性显著增加的趋势。因此,加强和增韧的漆已经成为近年来的研究热点。

目前,无论是普通骨料混凝土或虫胶,添加纤维是国际公认的方法之一,可以大大降低水泥基体材料的脆性和提高他们的强度和韧性7- - - - - -9]。例如,钢纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维和碳纤维。先前的研究[10- - - - - -14]报道了抗压强度、韧性、耐冲击、剪切钢纤维混合轻质骨料混凝土的性能。先前的研究[15- - - - - -22]报道的影响碳纤维强度,韧性,轻骨料混凝土的导热系数。先前的研究[22- - - - - -26]报道分析了强度、冲击和剪切性能的玻璃纤维漆。但由于钢纤维的高价格和水泥基体分散不匀,碳纤维的复杂的生产过程,和玻璃纤维的耐碱性水泥矩阵,性等问题限制了在实际工程中的应用。聚丙烯纤维是一个灵活的纤维高的变形性能,但其弹性模量和抗拉强度相对较低。当纳入混凝土,聚丙烯纤维可以降低宏观裂缝的混凝土的膨胀率,同时提高混凝土延性(27- - - - - -29日]。先前的研究[30.- - - - - -35]报道聚丙烯纤维增强LAC的属性;抗压强度和弹性模量的影响不明显,但它可以显著提高LAC的力量,可以显著提高LAC的韧性。玄武岩纤维是由玄武岩石材通过高温融化的绘画,这是SiO组成2,艾尔。2O3曹,分别以、铁2O3,TiO2。一方面,玄武岩纤维的制备过程中能耗低,弹性模量可以达到93∼115 GPa和抗拉强度可以达到200∼5000 MPa,这是一种新型的无机环境保护、绿色和高性能纤维材料。另一方面,玄武岩纤维具有良好的粘结性能与水泥基材料(36- - - - - -38]。玄武岩纤维的强度的影响,影响阻力和剪切性能研究了轻骨料混凝土的引用(39- - - - - -41]。结果表明,玄武岩纤维在抗压强度影响很大,耐冲击,轻骨料混凝土的抗剪性能。

研究表明,(42- - - - - -44)两个或两个以上的不同大小的纤维添加到混凝土,可以减少混凝土裂缝的产生和有积极的影响提高混凝土的韧性。因此,当两种纤维不同弹性模(玄武岩纤维和聚丙烯纤维)被添加到虫胶,两个可以在不同结构尺度裂纹桥接的作用,有效地抑制LAC的裂纹扩展,提高LAC的强度和韧性。目前,对混合纤维轻骨料混凝土的研究主要集中在静态强度和工作性能,和很少有研究能量变化规律和动态静态压缩破坏过程中压缩性能。在此基础上,有效地促进basalt-polypropylene混合纤维轻骨料混凝土的应用在工程结构,有必要研究LAC的静态抗压强度和动态压缩性能与玄武岩纤维和聚丙烯纤维混合。玄武岩纤维和聚丙烯纤维的影响在能源储存和耗散在压缩和讨论了影响LAC的失败从能量转换的角度,和basalt-polypropylene压缩本构模型的混合纤维轻骨料混凝土(HFLAC)根据统计损伤理论建立了。为了提供一个理论参考高层的压力或超级高楼轻骨料混凝土。

2。试验概述

2.1。原材料

胶结材料使用中国标准P O 42.5级普通硅酸盐水泥,和28天抗压强度为42.5 MPa。粗骨料是页岩陶粒和细骨料是自然中沙。的基本性质如表所示1。混合高弹性模量、低弹性模量纤维,玄武岩纤维采用短切玄武岩纤维和聚丙烯纤维采用单丝聚丙烯纤维束。的基本性质如表所示2。减剂采用HPWR-type高性能减代理和减水率是37%。水是普通的自来水。

表1
骨料的基本属性。
表2
纤维性能指标。
2.2。混合比设计

根据轻骨料混凝土的制备技术,设计协调比例如表所示3。

表3
HFLAC的混合比例。
2.3。样品制备

样品的生产过程如下:1分钟的陶粒和沙子混合,添加水泥1分钟,然后加入纤维为2分钟。混合均匀后,水溶性减水剂添加了3分钟,然后混合放入模具振动台的振动。三个150 mm×150 mm×150 mm在每组试件进行抗压强度试验。hye - 3000电液伺服机是用于测量,和加载速率为0.5毫米/秒。动态压缩进行了测试使用铝制分离式霍普金森压杆(SHPB)设备。标本的大小直径74毫米和38毫米高度。标准维护持续28 d。测试结果取平均值。

3所示。结果与讨论

3.1。静态抗压强度测试
3.1.1。力学性能指标

(1)强度。每组的抗压强度值的标本在图所示1。可以看出LAC的抗压强度显示的趋势先增加,然后下降。与虫胶相比,抗压强度增加了61.9%,当纤维体积比为0.2%。


图1
抗压强度。

(2)弹性模量。每个组标本的弹性模量的值在图所示2。从图可以看出2弹性模量的值逐渐增加,但当体积分数超过0.2%,弹性模量开始减少。纤维与纤维混合时,弹性模量大于单纤维。当纤维体积比为0.2时,弹性模量的值是最大的,这就增加了23.57%而没有纤维轻骨料混凝土。LAC显然是相关的弹性模量与弹性模量的聚合和表面结构。纤维掺入提高试样的内部焊接,所以它可以提高LAC的弹性模量。


图2
弹性模量。

(3)应变峰值。峰值应变是虫胶的应力-应变关系的重要指标,主要影响指数,如强度、加载速率、压力区和约束条件。LAC的峰值应变图所示3。可以看出,随着纤维体积比的升级,逐渐LAC峰值应变的增加。当混合纤维的体积比是0.2%,峰值应变与普通混凝土相比增加32.81%,没有纤维。这表明与纤维体积分数的升级、LAC的变形能力增加,和体积应变率逐渐增加。


图3
峰值应变。

(4)极限应变。在应力-应变曲线的下降阶段,当压力值是75%的峰值应力值,此时对应的应变值称为极限应变。极限应变的应力-应变曲线及其重要特征点,这对工程应用有重要的参考价值。LAC如图的极限应变4。可以看出,纤维轻骨料混凝土极限应变的增加在一定程度上,这表明LAC的延性与纤维可以有效地增加。其中,hc - 0.2集团的极限应变值是最大的,这是没有纤维LAC的高出45.14%。


图4
极限应变。
3.1.2。应力-应变关系

应力-应变曲线可以有效地反映混凝土材料的损伤变化趋势下外部负载(45]。LAC的全应力-应变曲线如图5。可以看出,有4个主要阶段之前LAC的抗压应力-应变曲线出现峰值。在第一阶段,虽然有毛孔和内部微裂隙之间的轻骨料混凝土矩阵在初始加载,微裂隙不会传播由于低负荷。在第二阶段,轻质骨料混凝土矩阵开始局部裂缝,应力-应变曲线开始偏离线性。在第三阶段,在水泥基体之间的界面聚合,微裂隙的传播开始出现不稳定现象,裂缝蔓延到轻骨料混凝土在不同的路径。在第四阶段,主裂缝稳步增长,直到达到临界裂缝宽度,此时标本展览其峰值应力。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
(f)
(f)
(g)
(g)
图5
应力-应变曲线。(一)OC组。bf - 0.1 (b)组。(c) pf - 0.1。(d) hc - 0.1。(e) hc - 0.2。(f) hc - 0.3。(g) hc - 0.4。

从图可以看出5一般来说,普通轻骨料混凝土表现出明显的脆性破坏,以及纤维混凝土应力-应变曲线更丰满,表现出一个“高脂肪”的形状。当纤维体积分数为0.1%,与普通轻骨料相比,虽然在峰值应力之前没什么差别,它大大延误后的应力-应变曲线的下降速率峰值应力,表明纤维能明显提高轻骨料混凝土的延性变形特征。通过比较的应力-应变曲线bf - 0.1组和pf - 0.1,可以看出,玄武岩纤维对LAC的力量大于单独的聚丙烯纤维。然而,峰值应力后,应力-应变曲线的下降率的bf - 0.1组比pf - 0.1组,表明LAC的延性变形与聚丙烯纤维仅略大于玄武岩纤维。当混合纤维的体积分数为0.2%,斜率的线性应力-应变曲线的弹性阶段减少,而轻骨料混凝土的延性变形显著增加。然而,当混合纤维的体积比超过0.2%,纤维在漆的基础上的分散均匀性降低,容易结块。样品生产过程中,泡沫很容易引入,导致轻骨料混凝土内部缺陷的增加和减少变形阻力。

3.1.3。能源发展法律

能量进化是混凝土材料的基本特性在单轴压缩破坏的过程中(46]。在单轴压缩变形的本质和失败的混凝土材料负载下混凝土内能量演化的过程和与外界能量交换(47]。总应变能量的进化法则,耗散能量,弹性应变能的虫胶数据所示6- - - - - -8,分别。进化可以看出能源法律可以分为四个阶段:(1)主裂纹闭合阶段:主要的轻骨料混凝土的裂缝下封闭初始载荷,并没有新的裂缝生成在轻骨料混凝土。总应变能和耗散能量很小。(2)线性弹性阶段:在这个时候,没有新的裂缝形成的轻骨料混凝土,耗散的能量还小,这个时候,总应变能量几乎等于弹性应变能。(3)裂缝的快速扩张阶段:在这个时候,新的在轻骨料混凝土裂缝开始形成,总应变能量开始逐渐转变成耗散能量,和弹性应变能的增长率下降。(4)裂缝渗透阶段:峰值应力后,轻骨料混凝土内部的裂缝逐渐渗透,形成宏观裂缝渗透。在这个时候,由于负荷的逐渐减少,增加的速度总应变能的减少,能源存储在轻骨料混凝土是减少。弹性应变能耗散的形式耗散能量由于裂缝的渗透率。弹性应变能逐渐减少,和耗散能量迅速增加。


图6
总应变能量进化定律。

图7
进化定律耗散能量。

图8
弹性应变能进化定律。

结合数据6- - - - - -8可以看出,纤维体积比为0.1%时,纤维对LAC的能量演化的影响很小,在初始加载阶段。随着负载的增加,纤维可以明显提高的速度增加的总应变能和耗散能量虫胶。玄武岩纤维与聚丙烯纤维混合时,总应变能和耗散能量的轻骨料混凝土显著增加。在弹性应变能量峰值之前,纤维类型和体积率的影响混凝土弹性应变能的变化规律类似于影响总应变能和耗散能量。峰后弹性应变能,OC组的弹性应变能迅速降低,这表明裂缝渗透速度更快,表现出明显的脆性破坏特征。纤维的掺入,特别是混合纤维的掺入,弹性应变能量的减速率逐渐降低,延性破坏特征增加。这主要是因为玄武岩纤维和聚丙烯纤维的桥接作用抑制裂缝的发生和发展并显著提高轻骨料混凝土的延性破坏特征。

3.1.4。损伤本构模型

1986年,等效应变原则由法国Lemaitre教授提出:在单轴加载下,只要无损材料的本构关系的名义应力是由有效应力变化的损伤后,任意变形受损材料的本构关系可以从无损材料的本构方程(48]。在此基础上,受损材料的本构方程可以推导出,见以下方程:

在方程(1),ε是应变;σn有效的压力;E是无损材料的弹性模量;D是名义应力;和D损伤变量。

假设混凝土损伤参数D服从威布尔分布统计,损伤本构模型推导出如下:

在公式(2):一个尺度参数;b是形状参数。

根据应力-应变全曲线的特征,公式(2)应满足以下四个条件:① ;② ;③ ;和④ 。在哪里εc峰值应变;σc峰值应力;和E是初始弹性模量。以下方程推导

用条件④为公式(3我们得到以下方程:

因此,

用的条件③得到以下方程:

损伤本构方程可以得到如下:

损伤演化方程如下:

根据测量峰值应力、峰值应变和初始弹性模量、LAC的损伤本构方程和损伤演化方程压缩下表所示4。图9之间的比较测量获得的应力-应变曲线和理论曲线用表吗4本构方程。图10显示每组的损伤演化规律的试样在压缩。

表4
漆的损伤本构方程和损伤演化方程。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
(f)
(f)
(g)
(g)
图9
LAC曲线比较。(一)OC组。bf - 0.1 (b)组。(c) pf - 0.1。(d) hc - 0.1。(e) hc - 0.2。(f) hc - 0.3。(g) hc - 0.4。

图10
损伤演化律法。

从图可以看出9总的来说,基于损伤理论建立的本构模型可以有效地代表LAC的应力-应变关系。特别是在峰值应力之前,它几乎一致,计算结果开始偏离残余变形阶段的测试结果。从图10,它可以从漆的损伤演化规律,在峰值应力之前,每个组标本的损伤发展更快,但由于纤维可以作为强化,它可以有效地减少轻骨料混凝土的重量。压缩变形的损伤过程中,峰值应力后,也由于桥接影响有效地抑制裂缝的扩张和渗透,减少漆的损伤发展速度,增强了LAC的韧性变形特征。

3.2。动态压缩性能测试
3.2.1之上。应力-应变关系

每组的应力-应变关系的标本在0.3 MPa气压图所示11。可以看出,纤维类型和内容有一个大对轻骨料混凝土的应力-应变关系的影响。在初始阶段,应力与应变的增加线性增加。达到弹性极限压力后,标本进入重要的塑料形状变形阶段,伴随着一个缓慢增加屈服强度;达到屈服应力时,试样的应变略有升级,但压力急剧降低,试样完全摧毁。


图11
动态压缩试验的应力-应变曲线。
3.2.2。机械性能参数

图12显示了LAC的峰值应力下的动态压缩试验。图13显示了LAC的峰值应变下动态压缩试验。曲线包围的面积和坐标轴代表韧性指数的冲击载荷下的标本。LAC的韧性指数图所示14。动态增强因子DIF的比例是动态峰值应力对应的每个组的抗压强度,结果如图所示15。可以看出,随着纤维体积比的增长,LAC的动态强度和冲击韧性指数先增加然后减少,这表明纤维,特别是混合纤维,有利于加强LAC的动态抗压强度,改善韧性的虫胶。OC组明显不同的峰值应变峰值应变的虫胶掺杂纤维。DIF结果表明,聚合物纤维具有明显的加固效果漆。hc - 0.2组的DIF价值是最大的,和力量也最明显的增强效果。


图12
峰值应力。

图13
峰值应变。

图14
弹性指数。

图15
DIF。
3.2.3。能源特点分析

样本的输入能量的作用下动态压缩主要是转化为反映能源、传输能量,吸收能量的标本。SHPB系统的压力平衡状态下的能量吸收的样本单位体积计算如下: 在哪里W我,WR,WT入射能量,反映出能量,分别和传输能量。cB,一个B,EB是波速、横截面积和弹性杆的弹性模量,分别。 , ,和 事件压力,压力反射和传输压力的时间吗t,分别。

图16显示入射能量的演化规律,反映了能量,为每组的标本和传输能量的作用下,负载。总的来说,入射能量、反射能量,和传输能量的标本种植,然后与纤维体积比的增长下降,这充分证明了在漆中添加纤维有利于改善轻骨料混凝土的性能。的能量吸收能力,混合纤维的影响优于单一纤维,混合和hc - 0.2组具有最好的性能。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图16
能源发展的法律。(一)入射能量,(b)反射能量,(c)传输能量。

4所示。微观结构和EDS分析

4.1。扫描电镜显微组织

标本的失败形态如图17。从数据可以看出(17日)- - - - - -17 (c)LAC没有纤维大的裂缝内,HFLAC相对密集。这主要是因为纤维的桥接作用提高轻骨料混凝土的密实度,从而提高LAC的强度和韧性。由于不同玄武岩纤维和聚丙烯纤维的物理和机械性能,两个可以发挥抑制作用不同的混凝土裂缝发展阶段,从而改变混凝土的能量转换机制和改善混凝土的延性和韧性。一般情况下,纤维与小一号主要是抑制裂纹的萌生和初始传播,而纤维更大尺寸主要是抑制宏观裂缝的扩张和渗透。由于高刚度的玄武岩纤维,轻骨料混凝土的粘结性能矩阵是更好。与聚丙烯纤维相比,玄武岩纤维更有利于提高轻骨料混凝土的强度;聚丙烯纤维具有更少的刚度和延性,有效地降低了轻骨料混凝土的裂缝渗透率,从而减少弹性应变能释放率和耗散能量转化率的轻骨料混凝土。从数据可以看出17日(d)- - - - - -17 (f)当体积混合玄武岩纤维和聚丙烯纤维的内容太大,分散均匀性的玄武岩纤维和聚丙烯纤维减少,影响玄武岩纤维、聚丙烯纤维和混凝土矩阵。玄武岩纤维和聚丙烯纤维之间的结合性能显示长度较大的拉拔力。因此,协同效应的玄武岩纤维和聚丙烯纤维有效地抑制裂纹的传播和渗透在轻骨料混凝土中,但当纤维体积比太大,很容易形成集聚在轻骨料混凝土中。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
(f)
(f)
图17
SEM显微结构。(一)OC组。bf - 0.1 (b)组。(c) pf - 0.1。(d) hc - 0.2。(e) hc - 0.3。(f) hc - 0.4。
4.2。EDS测试

基于EDS测试技术,化学元素成分的OC组和hc - 0.2组,如图18。可以看出,与普通轻骨料混凝土样品相比,钙和铝含量的化学成分形成纤维轻骨料混凝土的高,这进一步促进半岛的吸收和形式C-S-H凝胶,使样本更密集,有效提高了LAC的强度和韧性。

(一)
(一)
(b)
(b)
图18
EDS测试结果。(一)OC组。hc - 0.2 (b)组。

5。结论

(1)玄武岩纤维和聚丙烯纤维改善轻骨料混凝土的强度,和混合纤维的提升效果更明显。玄武岩纤维提高了LAC超过聚丙烯纤维,强度和纤维体积比很容易形成纤维集聚,从而降低LAC的力量。纤维的掺入轻骨料混凝土显著增加了弹性模量、峰值应变、极限应变,有效地提高了LAC的韧性。这有一定的参考价值纤维轻骨料混凝土的应用在高层建筑或超级高楼大厦。(2)基于Lemaitre等效应变假设原理,推导出HFLAC的压缩损伤本构模型。根据测试数据,确定模型参数,建立了HFLAC压缩损伤本构方程。测试曲线进行比较和分析,发现这两个配合度很好,这证明了提出的损伤本构模型的准确性。(3)动态压缩性能测试发现,纤维对轻骨料混凝土有显著聚合物强化效应,有一个重要的对轻骨料混凝土的应力-应变关系的影响。它有效地增强LAC的动态压缩强度和韧性,改善了LAC的能量吸收能力。其中,hc - 0.2组表现出最好的性能。(4)基于微观结构和EDS测试分析,发现有大裂缝在普通LAC和HFLAC密度是由于钙和铝的含量高。玄武岩纤维具有高刚度和高附着力与轻骨料混凝土矩阵,而良好的延性的聚丙烯纤维有利于抑制宏观裂纹的扩张和聚结。两者的协同效应提高了LAC的强度和韧性。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

提供的金融支持为研究在安徽大学自然科学研究重点项目批准号KJ2021A1234。