高流態(tài)地質(zhì)聚合物混凝土的高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)壓縮變形特性＊

羅 鑫，許金余，2，蘇灝揚(yáng)，李為民，白二雷

（1.空軍工程大學(xué)工程學(xué)院機(jī)場(chǎng)建筑工程系，陜西 西安710038；2.西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院，陜西 西安710072；3.廣州軍區(qū)空軍后勤部機(jī)場(chǎng)處，廣東 廣州510052）

地質(zhì)聚合物（geopolymer concrete，GC）［1］是一種由堿激發(fā)硅鋁質(zhì)材料而形成的膠凝材料，其主要原材料有偏高嶺土、火山灰、粉煤灰和硅灰等。GC由于具有特殊的無(wú)機(jī)縮聚三維氧化物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［2］，具有比陶瓷、水泥和金屬等更優(yōu)異的性能，如高耐久性［3－4］和高體積穩(wěn)定性［5－7］等?；炷敛牧蠎?yīng)用的主流方向：一是綠色［8］，主要特征體現(xiàn)為盡可能多地采用工業(yè)固體廢渣，減少水泥熟料的用量，減少環(huán)境負(fù)荷，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，因此，采用粉煤灰和礦渣這2種主要工業(yè)固體廢渣制備GC的研究備受關(guān)注；二是高性能［9］，包含高耐久性、高體積穩(wěn)定性和高工作性（主要表現(xiàn)為高流態(tài)），對(duì)于GC而言，前2項(xiàng)指標(biāo)易于滿足，但對(duì)于高流態(tài)卻是難以實(shí)現(xiàn)，為突破應(yīng)用瓶頸，開(kāi)展高流態(tài)地質(zhì)聚合物混凝土（highly －fluidized geopolymer concrete，HFGC）的性能測(cè)試顯得尤為重要。此外，混凝土結(jié)構(gòu)除了用于承受正常設(shè)計(jì)載荷外，往往還要承受各種變化急劇的強(qiáng)動(dòng)載荷，如爆炸和沖擊作用等，混凝土材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能方面的研究具有重要的指導(dǎo)意義，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)成果可為建立動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型和開(kāi)展數(shù)值模擬提供動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)，目前對(duì)于GC的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能［10－11］研究的報(bào)道較少。

基于此，本文中，以礦渣、粉煤灰為原材料，以NaOH、Na2CO3為堿激發(fā)劑，基于礦渣粉煤灰基地質(zhì)聚合物材料的強(qiáng)度體系［12］制備強(qiáng)度等級(jí)為C30的HFGC，并采用經(jīng)波形整形技術(shù)改進(jìn)后的?100mm SHPB系統(tǒng)［13］對(duì)HFGC開(kāi)展高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，分析GC的變形特性。

1 HFGC試樣

1.1 原材料

粉體材料：水淬高爐礦渣，其比表面積為491.6m2/kg，28d活性指數(shù)≥95%，該礦渣中SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.2%，Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.4%，F(xiàn)e2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.8%，CaO 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38.6%，Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%，TiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%，MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.8%，K2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，SO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.6%；一級(jí)粉煤灰，其中SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45.8%，Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.4%，F(xiàn)e2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.6%，CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.7%，Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1%，TiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%，MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.3%，K2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.8%，P2O5的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，SO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.9%。

堿激發(fā)劑制備原料：NaOH（NH），片狀，分析純，質(zhì)量純度≥99.0%；Na2CO3（NC），粉狀，分析純，質(zhì)量純度≥99.8%；外加劑：自行試配得到的白色無(wú)機(jī)物，在制備的堿激發(fā)劑中其質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.4%；自來(lái)水。

骨料：石灰?guī)r碎石，其中粒徑為5～10mm的石灰?guī)r碎石質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為15%，粒徑為10～20mm的石灰?guī)r碎石質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為85%；灞河中砂，細(xì)度模數(shù)為2.8。

1.2 制備方法

按照SEC施工法的技術(shù)要求［14］，將原料混合，攪拌均勻后裝入試模成型，室溫暴露24h后拆模，立即進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（T＝（20±2）℃，相對(duì)濕度＞95%）；28d后取出，進(jìn)行切割、水磨加工，以保證試件的平面度、光潔度及垂直度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。本文中用于SHPB實(shí)驗(yàn)的圓柱形試件幾何尺寸約為?95mm×50mm。

1.3 基本性能

凝結(jié)硬化特性：采用調(diào)整水量法測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)稠度用水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%，測(cè)定的初凝時(shí)間為170min，終凝時(shí)間為8h。對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)［15］可知，普通硅酸鹽水泥的初凝時(shí)間不得早于45min，終凝時(shí)間不得遲于10h。由此可知，該新型膠凝材料的凝結(jié)時(shí)間正常，滿足施工要求。

和易性：對(duì)新拌混凝土進(jìn)行坍落度實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果為188mm，達(dá)到大流動(dòng)性混凝土的要求［15］，而且未觀察到分層、離析和泌水現(xiàn)象，黏聚性和保水性得到了保證。

準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能：對(duì)HFGC試樣開(kāi)展準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)［15］，得到其準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度為42.89MPa，說(shuō)明制得的HFGC達(dá)到C30混凝土的要求。

2 測(cè)試方法

2.1 基本介紹

利用?100mm SHPB實(shí)驗(yàn)裝置［13］對(duì)制得的HFGC進(jìn)行高應(yīng)變率力學(xué)性能測(cè)試。用于測(cè)試脆性材料的大直徑SHPB實(shí)驗(yàn)存在以下缺點(diǎn)［16］：慣性效應(yīng)、端面摩擦效應(yīng)、彌散效應(yīng)明顯；應(yīng)力均勻性難以得到滿足；恒應(yīng)變率加載困難。通過(guò)以下手段解決這些問(wèn)題：試件長(zhǎng)徑比為0.5左右［17］；在試件和壓桿的端面均勻地涂抹上一層石墨與潤(rùn)滑劑的混合物［18］；采用波形整形技術(shù)［19］降低彌散效應(yīng)，同時(shí)通過(guò)技術(shù)參數(shù)的控制實(shí)現(xiàn)應(yīng)力均勻和恒應(yīng)變率加載。采用圓形H62黃銅片作為整形器材料，厚度均為1mm，直徑分別為20、22、25、27和30mm，整形后應(yīng)力波形的前沿升時(shí)在200μs以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)矩形波的前沿升時(shí)（70μs左右），保證了試件內(nèi)部在破壞之前有足夠長(zhǎng)的時(shí)間達(dá)到應(yīng)力均勻。

在射彈幾何形狀和尺寸以及整形器材料確定的前提下，影響SHPB實(shí)驗(yàn)恒應(yīng)變率加載的因素［20］主要是射彈速度v和整形器直徑d，且v和d只能對(duì)應(yīng)于一個(gè)最佳近似恒應(yīng)變率，而且對(duì)于不同的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，存在不同的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖1 典型的應(yīng)變率時(shí)程曲線Fig.1Typical strain rate －time curves

2.2 數(shù)據(jù)處理

利用桿件上的應(yīng)變片可記錄入射脈沖εi、反射脈沖εr及透射脈沖εt，其中εi－εr即為作用于試樣上的沖擊脈沖?；谄矫婕僭O(shè)和應(yīng)力均勻假設(shè)，利用一維應(yīng)力波理論［21］，可以將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為試件的應(yīng)變率（t）、應(yīng)力σs（t）和應(yīng)變?chǔ)舠（t）：

式中：E為桿的彈性模量；c為桿中波速；A和As分別為桿和試件的橫截面積；ls為試件的初始長(zhǎng)度。

3 結(jié)果與討論

在準(zhǔn)靜態(tài)載荷作用下，試件直接進(jìn)入彈性階段，隨著荷載的增加，內(nèi)部的裂紋越來(lái)越多，并由內(nèi)而外不斷擴(kuò)展、貫通，形成可見(jiàn)裂縫，最終導(dǎo)致試件完全破壞。在高應(yīng)變率載荷作用下，試件首先要經(jīng)歷一個(gè)壓實(shí)擠密階段，該階段往往持續(xù)0～120μs，之后進(jìn)入穩(wěn)定的彈性階段，直至峰值，最后進(jìn)入軟化、屈服階段，整個(gè)過(guò)程伴隨著不同形式的內(nèi)部微損傷演化，并由此最終導(dǎo)致材料破壞。試件的典型破壞形態(tài)［22］如圖2所示。

圖2 典型的破壞形態(tài)［22］Fig.2Typical facture morphology［22］

由圖2可知，在10～100s－1的應(yīng)變率范圍內(nèi)，隨著應(yīng)變率的升高，試件的破壞形態(tài)依次為無(wú)可見(jiàn)破損、出現(xiàn)邊裂、留芯、破碎和粉碎。各種形式的動(dòng)態(tài)破壞實(shí)際上并非一個(gè)簡(jiǎn)單的瞬時(shí)響應(yīng)，而是一個(gè)包含不同形式的損傷演化、以一定速率發(fā)展的動(dòng)態(tài)過(guò)程。試件的破碎程度隨著應(yīng)變率的升高而增大，這表明，HFGC為應(yīng)變率敏感材料。

不同應(yīng)變率下，HFGC試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線［22］如圖3所示。高應(yīng)變率下，HFGC試樣典型的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖3 不同應(yīng)變率下HFGC試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3Stress －strain curves of HFGC specimens at different strain rates

圖4 高應(yīng)變率下HFGC試樣典型的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4Typical stress －strain curve of HFGC specimens at high strain rate

從圖4可以看出，對(duì)應(yīng)于試件破壞的3個(gè)階段，應(yīng)力應(yīng)變曲線可劃為3個(gè)階段。

（1）AB階段，即壓實(shí)擠密階段，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈上凹型，這是因?yàn)镠FGC成分復(fù)雜，在其成型過(guò)程中內(nèi)部包含了大量的微裂隙、微孔洞等缺陷，這些缺陷在高應(yīng)變率作用下發(fā)生坍塌閉合。

（2）BC階段，即彈性階段，應(yīng)力應(yīng)變曲線基本呈直線，若在這一階段卸載，應(yīng)變可恢復(fù)，在該階段描述其變形特性常用泊松比和彈性模量。

（3）CD階段，即軟化、屈服階段，C點(diǎn)稱(chēng)為HFGC的屈服點(diǎn)。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)C點(diǎn)，隨著應(yīng)力的增加，曲線呈下凹型，進(jìn)入該階段后，試樣將發(fā)生不可逆的塑性變形。從圖3［22］可知，該階段很短，有的直接進(jìn)入峰值點(diǎn)，如＝66.03s－1時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)出了明顯的脆性破壞特征。由此可知，HFGC與普通混凝土類(lèi)似，同屬脆性材料。

圖5 峰值應(yīng)變隨平均應(yīng)變率的變化Fig.5Peak strain varied with mean strain rate

定義峰值應(yīng)變?chǔ)與為HFGC試件達(dá)到應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，分析該應(yīng)力應(yīng)變曲線中εc和E的變化規(guī)律，更全面地探討GC的變形特性。

由圖3［22］可知，在10～100s－1的應(yīng)變率范圍內(nèi)，HFGC的εc為（0.4～0.7）%，與其在準(zhǔn)靜態(tài)下的εc，q相比有了大幅度的提升，體現(xiàn)了明顯的沖擊韌化效應(yīng)［23］，圖5展示了峰值應(yīng)變?chǔ)與隨平均應(yīng)變率的變化規(guī)律。

由圖5可知，εc表現(xiàn)出了顯著的應(yīng)變率相關(guān)性，隨應(yīng)變率的升高而先增大，但達(dá)到某一應(yīng)變率時(shí)（定義該應(yīng)變率為材料變形時(shí)的應(yīng)變率閾值），反而隨著應(yīng)變率的升高而減小，滿足二次函數(shù)關(guān)系：

這與董毓利等［24］、J.W.Tedasco等［25］研究普通混凝土?xí)r所得到的結(jié)果一致，反映了混凝土類(lèi)材料的共性。由式（4）可知，變形特性變化的臨界應(yīng)變率為66.7s－1。其原因在于：一方面，微裂隙、微孔洞等損傷的產(chǎn)生和演化將導(dǎo)致材料的軟化［26］，在高應(yīng)變率作用下，HFGC內(nèi)部的損傷演化加劇，大量微缺陷的擴(kuò)展形成損傷峰值應(yīng)變過(guò)程區(qū)，增加能量耗散，推遲裂紋的不穩(wěn)定擴(kuò)展，因此在受載過(guò)程中表現(xiàn)出損傷軟化，可提高韌性，即峰值應(yīng)變?chǔ)與增大；另一方面，一般應(yīng)變率敏感的均勻材料在沖擊壓縮下表現(xiàn)出應(yīng)變隨應(yīng)變率的升高而減小的現(xiàn)象，即所謂的動(dòng)脆現(xiàn)象［27］。

因此，GC在高應(yīng)變率下的變形特性是損傷軟化和動(dòng)脆現(xiàn)象［27］這2種效應(yīng)組合作用的結(jié)果。在＜66.7s－1時(shí)，損傷軟化起主體作用，εc隨應(yīng)變率的升高而增大；而在＞66.7s－1時(shí)，以動(dòng)脆現(xiàn)象為主，損傷軟化為輔，εc隨著應(yīng)變率的升高而減小。

圖6 彈性模量隨平均應(yīng)變率的變化Fig.6Elastic module varied with mean strain rate

對(duì)普通混凝土而言，目前有關(guān)彈性模量隨應(yīng)變率的變化規(guī)律的研究結(jié)論不一致。P.Sukontasukkul 等［28］和 I.E.Shkolnik［29］在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)變率的升高，普通混凝土的彈性模量增大。W.H.Dilger等［30］認(rèn)為應(yīng)變率對(duì)彈性模量沒(méi)有影響。圖6給出了HFGC的彈性模量與平均應(yīng)變率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由圖6可知，高應(yīng)變率下HFGC的彈性模量均低于其在準(zhǔn)靜態(tài)下的彈性模量，但E隨著應(yīng)變率的升高而變化的規(guī)律性不明顯。

4 結(jié) 論

運(yùn)用波形整形技術(shù)改進(jìn)了?100mm SHPB實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)參數(shù)控制保證了應(yīng)力均勻和恒應(yīng)變率加載，并基于此測(cè)試了HFGC的變形特性。

（1）HFGC屬于應(yīng)變率敏感材料和脆性材料。

（3）高應(yīng)變率下，HFGC的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線可分為壓實(shí)擠密階段、彈性階段和軟化、屈服階段。

（4）在10～100s－1的應(yīng)變率范圍內(nèi)，HFGC的εc與其在準(zhǔn)靜態(tài)下的εc，q相比有了大幅度的提升，體現(xiàn)了明顯的沖擊韌化效應(yīng)。

（5）HFGC的εc隨應(yīng)變率的升高而先增大后減小，滿足二次函數(shù)關(guān)系εc＝－1.2×10－6＋1.6×10－4＋0.001 7，HFGC變形特性變化的臨界應(yīng)變率為66.7s－1。

（6）HFGC的動(dòng)態(tài)彈性模量均低于其在準(zhǔn)靜態(tài)下的彈性模量。

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