沖擊荷載下油菜秸稈灰分混凝土的動態(tài)力學(xué)性質(zhì)

齊臻，劉保華,2*，易戀，曾哲，周雲(yún)

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沖擊荷載下油菜秸稈灰分混凝土的動態(tài)力學(xué)性質(zhì)

齊臻1，劉保華1,2*，易戀1，曾哲1，周雲(yún)1

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南長沙 410128)

運(yùn)用直徑80 mm分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)設(shè)備，研究油菜秸稈灰分摻量分別為10%、15%、20%、25%的混凝土在0.30、0.45、0.65 MPa沖擊加載氣壓下的動態(tài)力學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明：油菜秸稈灰分混凝土的應(yīng)變率與試件加載氣壓呈正相關(guān)關(guān)系；峰值應(yīng)力隨加載氣壓的提高而增大，油菜秸稈灰分摻量為10%的混凝土在不同加載氣壓下的峰值應(yīng)力變化率最大，其變化率高達(dá)63.63%；在同一加載氣壓下，油菜秸稈灰分混凝土峰值應(yīng)力隨灰分摻量的增加而減??；相比對照混凝土峰值應(yīng)力，10%摻量混凝土最大，其峰值應(yīng)力大于對照混凝土，而其他摻量油菜秸稈灰分混凝土峰值應(yīng)力均低于對照混凝土，油菜秸稈灰分摻量10%的混凝土的動態(tài)承載力最優(yōu)。

沖擊荷載；油菜秸稈灰分；混凝土；動態(tài)力學(xué)性質(zhì)

劉巧玲等[1]研究表明，油菜秸稈灰分摻量增加，混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度降低。黃偉等[2]研究表明，油菜秸稈灰分能夠有效提高混凝土的抗?jié)B性，摻量在15%以內(nèi)時，混凝土抗?jié)B性隨油菜秸稈灰分摻量的增加而增強(qiáng)。張強(qiáng)等[3–4]研究表明，油菜秸稈灰分摻量為15%~20%、水灰比為0.5~0.55時，油菜秸稈灰分混凝土抗拉性能最優(yōu)；隨著油菜秸稈灰分替代量的增加，混凝土的抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢；油菜秸稈灰分摻量在20%時，隨著硅粉摻量的增加，混凝土的粘聚性和保水性變優(yōu)。筆者運(yùn)用直徑為80 mm的分離式霍普金森壓桿(SHPB)[5–8]試驗(yàn)裝置，對油菜秸稈灰分摻量為10%、15%、20%、25%的混凝土進(jìn)行加載氣壓為0.30、0.45、0.65 MPa的沖擊壓縮試驗(yàn)，研究油菜秸稈灰分混凝土的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變的變化規(guī)律，以期得到混凝土最佳動態(tài)力學(xué)性質(zhì)下的油菜秸稈灰分最適摻量。現(xiàn)將結(jié)果報(bào)道如下。

1　試件的制備

1.1材料

收集湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)油菜基地油菜秸稈，洗凈，于馬沸爐中500 ℃煅燒5 h，過孔徑0.150 mm篩制得油菜秸稈灰分。其表觀密度為2.98 g/cm3，SiO2含量61.76%。復(fù)合硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級為P·C32.5。河砂細(xì)度模數(shù)2.63。卵石粒徑5~10 mm。

1.2油菜秸稈灰分混凝土試件的制作

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55—2011)[9]，油菜秸稈灰分混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度值為C30，經(jīng)計(jì)算后試配，確定混凝土的配合比(質(zhì)量比)為水∶水泥∶河砂∶卵石=0.48∶1.00∶1.27∶2.13。制作5組混凝土試件，其中4組(B、C、D、E)分別以油菜秸稈灰分替代水泥質(zhì)量的10%、15%、20%、25%，以不摻油菜秸稈灰分作為空白對照(A)，每組制作5個試件，共計(jì)25個。

為滿足沖擊壓縮試驗(yàn)中試件應(yīng)力均勻的假定[10–12]，試件的長徑比應(yīng)為0.5。用內(nèi)徑71 mm、長200 mm的試模制作試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，放入恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱，28 d后，用石材切割機(jī)床將試件切割成直徑71 mm、高37 mm的圓柱體，并由磨床打磨成直徑71 mm、高35 mm的圓柱體(圖1)，試件端面不平整度不大于0.02 mm[13–15]。

圖1　油菜秸稈灰分混凝土試件

2　混凝土沖擊壓縮試驗(yàn)

采用湖南大學(xué)土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)工程綜合防護(hù)研究所研制的等截面SHPB試驗(yàn)裝置(圖2)，在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)完成混凝土試件的沖擊壓縮試驗(yàn)。

圖2　SHPB試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)

SHPB試驗(yàn)裝置由發(fā)射裝置、子彈、輸入桿和輸出桿組成。發(fā)射裝置以高壓氮?dú)怛?qū)動子彈，子彈撞擊輸入桿，輸入桿內(nèi)產(chǎn)生一維應(yīng)力波，應(yīng)力波經(jīng)輸入桿傳到試件時，輸入桿獲得反射波，輸出桿獲得透射波。用動態(tài)應(yīng)變儀測得輸入桿、輸出桿不同時間點(diǎn)的應(yīng)變值，經(jīng)智能測量分析儀分析，由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)輸出試件的應(yīng)力–應(yīng)變曲線。

試驗(yàn)前，將子彈送至發(fā)射裝置底部，調(diào)節(jié)氣壓控制器的氣壓值，分別以0.3、0.45、0.65 MPa的加載氣壓沖擊各組試件。動態(tài)應(yīng)變儀測試系統(tǒng)中的示波器信號采集通道選擇CH1和CH2，橋壓設(shè)置為2 V。在試件兩端面均勻涂抹黃油，置于輸入桿和輸出桿之間，貼緊兩桿端面，分別對5組混凝土試件在0.3、0.45、0.65 MPa氣壓下進(jìn)行加載，得到混凝土在不同加載氣壓下的應(yīng)力–應(yīng)變曲線。

3　結(jié)果與分析

因在0.3 MPa加載氣壓下，A組試件破壞不正常，故不對其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1油菜秸稈灰分混凝土應(yīng)變率的變化

由圖3可以看出，油菜秸稈灰分混凝土應(yīng)力均隨應(yīng)變值的增大先增后減。將動態(tài)應(yīng)變儀測試的不同時間點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin軟件，處理得到混凝土應(yīng)變率、峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變值，列于表1。

a0.35 MPa

b0.45 MPa

c　0.65 MPa

表1　油菜秸稈灰分混凝土沖擊壓縮試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明：加載氣壓值和油菜秸稈灰分摻量對油菜秸稈灰分混凝土應(yīng)變率均有影響，加載氣壓值較油菜秸稈灰分摻量對油菜秸稈灰分混凝土的應(yīng)變率影響更明顯。當(dāng)加載氣壓值變化時，油菜秸稈灰分混凝土應(yīng)變率與加載氣壓呈正相關(guān)；同一加載氣壓下，油菜秸稈灰分混凝土應(yīng)變率不隨油菜秸稈灰分摻量的變化而變化?？梢?，在霍普金森壓桿試驗(yàn)中，加載氣壓與應(yīng)變率存在一一對應(yīng)關(guān)系，混凝土試件的應(yīng)變率也能直觀反映作用于試件上沖擊荷載的大小。

3.2油菜秸稈灰分混凝土峰值應(yīng)力的變化

加載氣壓值和油菜秸稈灰分摻量對油菜秸稈灰分混凝土峰值應(yīng)力均有影響。隨著加載氣壓的增大，油菜秸稈灰分混凝土峰值應(yīng)力不斷提高；當(dāng)加載氣壓一定時，混凝土的峰值應(yīng)力隨油菜秸稈灰分摻量的增加逐漸減小。不同加載氣壓下混凝土試件的峰值應(yīng)力最大值所對應(yīng)油菜秸稈灰分摻量為10%，該峰值應(yīng)力高于普通混凝土；而其他摻量混凝土的峰值應(yīng)力均低于普通混凝土。油菜秸稈灰分摻量為10%的混凝土在不同加載氣壓下的峰值應(yīng)力變化率最大，其變化率高達(dá)63.63%?？梢?，10%的油菜秸稈灰分摻量，混凝土的動態(tài)承載力最優(yōu)。

3.3油菜秸稈灰分混凝土峰值應(yīng)變的變化

加載氣壓值和油菜秸稈灰分摻量對油菜秸稈灰分混凝土峰值應(yīng)力均有影響，但是混凝土的峰值應(yīng)變與加載氣壓及油菜秸稈灰分摻量無明顯變化規(guī)律，混凝土峰值應(yīng)變離散度較大。

4　結(jié)　論

采用SHPB試驗(yàn)裝置，以不同加載氣壓對不同油菜秸稈灰分摻量的混凝土試件加載，結(jié)果表明，隨著加載氣壓的提高，油菜秸稈灰分混凝土應(yīng)變率逐漸增大。

油菜秸稈灰分摻量一定，混凝土的峰值應(yīng)力隨加載氣壓的增大不斷提高，油菜秸稈灰分摻量為10%的混凝土在不同加載氣壓下的峰值應(yīng)力變化率最大，其變化率高達(dá)63.63%。在同一加載氣壓下，油菜秸稈灰分混凝土峰值應(yīng)力隨油菜秸稈灰分摻量的增加而減少，相比對照混凝土峰值應(yīng)力，10%摻量油菜秸稈灰分混凝土最大，其峰值應(yīng)力大于對照混凝土，而其他摻量油菜秸稈灰分混凝土峰值應(yīng)力均低于對照混凝土。油菜秸稈灰分摻量在10%時，混凝土的動態(tài)承載力最優(yōu)。

[1] 劉巧玲．秸稈基混凝土的性能研究[D]．長沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013．

[2] 黃偉，劉保華，齊臻，等．油菜秸稈灰分混凝土抗硫酸鹽的侵蝕性能[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，42(2)：222–224．

[3] 張強(qiáng)．油菜秸稈混凝土的試驗(yàn)研究[D]．長沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014．

[4] 張強(qiáng)，劉保華，劉巧玲，等．雙摻油菜秸稈灰分和硅粉對混凝土性能的影響[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，40(3)：334–336．

[5] 陶俊林．SHPB實(shí)驗(yàn)中幾個問題的討論[J]．西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24(3)：27–35．

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[8] 胡時勝．SHPB與混凝土材料動態(tài)力學(xué)性能研究[C]// 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)沖擊動力學(xué)實(shí)驗(yàn)室．第三屆全國爆炸力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)交流會論文集．合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)沖擊動力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，2004：16–17．

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責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立

Dynamic mechanical properties of rape straw ash doped concrete under impact loading

QI Zhen1, LIU Baohua1,2*, YI Lian1, ZENG Zhe1, ZHOU Yun1

(1.College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2.Hunan Province Modern Agricultural Equipment Engineering Technology Research Center, Changsha 410128, China)

The dynamic mechanical properties of concrete doped with 10%, 15%, 20% and 25% percentage rape straw ash were studied by using the Φ80 mm split Hopkinson pressure bar test equipment under 0.3,0.45, and 0.65 MPa impact load. The results indicated that the strain rate of rape straw ash doped concrete was positively correlated with the loading pressure. The peak stress increased with an increase in the loading pressure. The highest change rate of peak stress was achieved to be 63.63% for the concrete doped with 10% percentage rape straw ash under different impact load. Under the same impact load, the peak stress of rape straw ash doped concrete decreased with the increase of the content of rape straw ash. Compared with the peak stress of the controlled concrete, only the concrete doped with 10% percentage rape straw ash was higher thanit. It is found that the dynamic bearing capacity of concrete was the best for the concrete doped with the10% percentage rape straw ash.

impact load; rape straw ash; concrete; dynamic mechanical performance

10.13331/j.cnki.jhau.2017.03.021

O347.3

A

1007-1032(2017)03-0336-04

2017–01–04

2017–03–04

湖南省政府重大專項(xiàng)(湘府閱[2014]35號)；湖南省教育廳青年基金項(xiàng)目(15B108)

齊臻(1990—)，男，湖北隨州人，碩士研究生，主要從事新型建筑材料研究，609729654@qq.com；

，劉保華，副教授，主要從事新型建筑材料、土木工程結(jié)構(gòu)研究，bhliu@hunan.edu.cn

投稿網(wǎng)址：http://xb.hunau.edu.cn