溫度、應(yīng)變率對(duì)地質(zhì)聚合物混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

王志坤，許金余，2，范建設(shè)，苗華東，劉遠(yuǎn)飛

（1．空軍工程大學(xué) 機(jī)場(chǎng)建筑工程系，西安 710038；2．西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院，西安 710072；3．中國(guó)航空港建設(shè)第九工程總隊(duì)，四川 新津 611430）

地質(zhì)聚合物［1－6］是近30年來發(fā)展起來的一種新型無機(jī)聚合鋁硅酸鹽材料，主要由一種或多種礦物材料經(jīng)澆筑或壓制成型，在較低溫度下發(fā)生聚合反應(yīng)，形成以共價(jià)鍵、離子鍵為主的致密高強(qiáng)體，具備密度低，重量輕，體積穩(wěn)定性好，耐高溫，抗腐蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

Susan等［7］研究了高溫條件下耐火鋁硅酸鹽顆粒和纖維增強(qiáng)偏高嶺土基地質(zhì)聚合物的力學(xué)特性，結(jié)果表明，耐火鋁硅酸鹽顆粒都能夠提高地質(zhì)聚合物高溫后的壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。王晴等［8］研究了無機(jī)礦物聚合物混凝土的高溫力學(xué)性能，結(jié)果表明偏高嶺土含量的不同對(duì)無機(jī)礦物聚合物混凝土高溫下的抗壓強(qiáng)度有著很大影響，偏高嶺土占膠凝材料固相的百分含量為20%時(shí)，無機(jī)礦物聚合物混凝土的高溫性能較好。許金余等［9］以礦渣與粉煤灰制備了碳纖維增強(qiáng)地聚合物混凝土，研究其在沖擊荷載下的強(qiáng)度和能量吸收特性，結(jié)果表明纖維增強(qiáng)地聚合物混凝土的沖擊壓縮強(qiáng)度與能量吸收特性均表現(xiàn)出近似應(yīng)變率線性相關(guān)性。

近年來，由于火災(zāi)、廠房爆炸、恐怖襲擊等災(zāi)害頻發(fā)，建筑物不僅要承受高溫作用，而且要承受爆炸沖擊荷載，混凝土結(jié)構(gòu)往往處于高溫、高應(yīng)變率等極端條件下。因此，研究溫度及應(yīng)變率共同作用下混凝土材料的力學(xué)響應(yīng)顯得極為迫切。目前對(duì)地質(zhì)聚合物混凝土的耐高溫性能的研究主要集中在準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下，對(duì)其高溫－沖擊耦合作用下的力學(xué)特性研究較少。本文以礦渣、粉煤灰為原料，以固體氫氧化鈉和液體硅酸鈉的混合液為激發(fā)劑，制備了地質(zhì)聚合物混凝土；采用自主設(shè)計(jì)的高溫SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)高溫條件下地質(zhì)聚合物混凝土的沖擊壓縮強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探討了其隨溫度和應(yīng)變率的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1．1 原材料及配比

原材料：水淬高爐礦渣（比表面積為491．6 m／kg，28d活性指數(shù)95% ）；一級(jí)粉煤灰；石灰?guī)r碎石（5 mm～10 mm，15%；10 mm～20 mm，85%）；中砂（細(xì)度模數(shù)為2．8）；化學(xué)純氫氧化鈉片狀固體（純度97% ）與液體硅酸鈉（模數(shù)為 3．1～3．4，SiO2含量 26．0%，Na2O含量8．2% ）的混合溶液為堿激發(fā)劑。其中：水膠比為0．26，砂率為40%。表1為礦渣、粉煤灰的化學(xué)組成，表2為地質(zhì)聚合物混凝土配合比。

1．2 高溫SHPB試驗(yàn)

采用自主研制的高溫SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)地質(zhì)聚合物混凝土的高溫動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。圖1為箱式預(yù)熱爐及其溫控系統(tǒng)，圖2為管式加熱裝置。

表2 地質(zhì)聚合物混凝土配合比（kg／m3）Tab．2 Mix proportions of geopolymeric concrete（kg／m3）

圖1 箱式預(yù)熱爐Fig．1 Box heating furnace

圖2 管式加熱裝置Fig．2 Tubular heating furnace

首先將試件置于箱式預(yù)熱爐中，以10℃／min的升溫速率加熱；到達(dá)目標(biāo)溫度后恒溫4 h，將其轉(zhuǎn)移至管式加熱爐中。為彌補(bǔ)運(yùn)輸過程中的溫度損失（大約6～7 s），試件在管式爐內(nèi)的相同目標(biāo)溫度下恒溫10 min后再進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)每種溫度下每種應(yīng)變率下取三塊試件進(jìn)行試驗(yàn)，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果；由于實(shí)際操作過程中存在試件爆裂、信號(hào)無采集等意外情況，每種溫度下的試件數(shù)為15～20塊。

圖3為不同溫度下地質(zhì)聚合物混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線?？梢钥闯觯瑘D3中各條曲線峰后的應(yīng)變?cè)谶_(dá)到最大值之后有回彈的趨勢(shì)，這可能是由于試件破壞后爐壁的影響限制了試件的橫向變形和向外擴(kuò)張，間接地影響了試件峰后的應(yīng)變，出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。需要說明的是，爐壁的存在并不影響材料峰前的應(yīng)力和應(yīng)變。這是因?yàn)闋t膛的內(nèi)徑略大于壓桿和試件的直徑，為了使試件能夠與壓桿準(zhǔn)確對(duì)中，我們選擇了耐高溫、質(zhì)地柔軟、變形量大的陶瓷纖維卷氈墊在試件的下面，寬度約為試件寬度的1／2，厚度約為10～12 mm。高溫條件下，地質(zhì)聚合物混凝土的峰值應(yīng)變大約在0．010～0．040之間，常溫下地質(zhì)聚合物的泊松比約為0．2，高溫下則更低，而試件的半徑約為49 mm，因此，峰前試件的橫向變形遠(yuǎn)小于卷氈的厚度，其應(yīng)力應(yīng)變幾乎不受影響。此外，不難發(fā)現(xiàn)，800℃時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線的初始段有一定程度的波動(dòng)，其原因可能有兩種，第一是800℃高溫下試件的損傷較大，內(nèi)部裂縫孔隙較多，使得加載初始段應(yīng)力隨應(yīng)變的變化不穩(wěn)定；第二是800℃時(shí)的高溫?zé)釠_擊對(duì)應(yīng)變片采集的信號(hào)有干擾，尤其是在試件強(qiáng)度還沒有達(dá)到較高水平時(shí)。圖4給出了不同溫度和應(yīng)變率條件下地質(zhì)聚合物混凝土的破壞形態(tài)?？梢钥闯?，隨著應(yīng)變率的升高，試件的破壞尺度由大到小變化，尤其是在400℃以前；600℃和800℃時(shí)，當(dāng)應(yīng)變率大于80 s－1，試件的破壞程度差別不大。

圖3 不同溫度下應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig．3 Stress-strain curves of geopolymeric concrete at different temperatures

圖4 高溫下地質(zhì)聚合物混凝土破壞形態(tài)Fig．4 Damage forms of geopolymeric concrete at elevated temperatures

2 結(jié)果與討論

2．1 溫度效應(yīng)

圖5給出了不同溫度下地質(zhì)聚合物混凝土的動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度隨應(yīng)變率的變化關(guān)系，圖6為高溫條件下動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度相對(duì)于常溫時(shí)的增長(zhǎng)率。從圖中可以看出，200℃時(shí)地質(zhì)聚合物混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度較常溫時(shí)有所增長(zhǎng)，在應(yīng)變率為30 s－1時(shí)，最大增幅約40%；400℃和600℃時(shí)與常溫接近，800℃時(shí)強(qiáng)度急劇下降，下降幅度為65%～90%。

溫度對(duì)地質(zhì)聚合物混凝土動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度的影響可作如下解釋：地質(zhì)聚合物中存在硅氧四面體和鋁氧四面體兩種基本單元，其縮聚大分子通式為Mx［－（Si－O2）z－Al－O－］n·wH2O，結(jié)構(gòu)為以環(huán)狀鏈構(gòu)成的連續(xù)三維網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，具有一定的結(jié)晶形態(tài)。其分子完全是由Si、Al、O元素等鏈節(jié)通過共價(jià)鍵構(gòu)成的，其中Si－O鍵能為535 kJ／mol，高于有機(jī)聚合物的 C－C鍵能360 kJ／mol，并且Si－O鍵和Al－O鍵具有方向性，不易轉(zhuǎn)動(dòng)。地質(zhì)聚合物的這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得其在200℃～600℃時(shí)能夠保持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的完整性，因此它不會(huì)像普通水泥基體由于氫氧化鈣晶體的分解而導(dǎo)致400℃后強(qiáng)度下降。此外，200℃前，由于自由水的存在，高溫會(huì)促進(jìn)基體中未反應(yīng)的鋁硅酸鹽物質(zhì)溶解絡(luò)合、濃縮聚合，促進(jìn)了聚合反應(yīng)的發(fā)生，同時(shí)結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，因此強(qiáng)度較常溫有所提高；200℃后，由于自由水已基本蒸發(fā)，縮聚反應(yīng)停止，因此強(qiáng)度與常溫時(shí)相近。800℃時(shí)，作為骨料的石灰石已開始分解，強(qiáng)度急劇下降。

2．2 應(yīng)變率效應(yīng)

2．2．1 溫度對(duì)應(yīng)變率的影響

圖7給出了不同溫度下應(yīng)變率和彈速的關(guān)系?？梢园l(fā)現(xiàn)，應(yīng)變率隨彈速近似線性增長(zhǎng)。此外，同一彈速水平下，200℃～600℃時(shí)的應(yīng)變率與常溫接近，800℃時(shí)較常溫提高明顯。這是因?yàn)榈刭|(zhì)聚合物的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其黏彈性特征在高溫下變化較小，應(yīng)變率較常溫變化不大；而800℃時(shí)石灰石已開始分解，結(jié)構(gòu)疏松，變形量大，因此在同等彈速下，應(yīng)變變化較快。

2．2．2 動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長(zhǎng)因子

動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長(zhǎng)因子［10］（DIF），即單軸壓縮條件下，動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度的比值，是材料應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)的重要指標(biāo)。200℃～800℃的準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度分別為 61．3 MPa、58．1 MPa、55．8 MPa和 18．2 MPa。相關(guān)研究表明，混凝土類材料的DIF隨著應(yīng)變率的增加而不斷增長(zhǎng)，并存在一個(gè)臨界應(yīng)變率值，當(dāng)應(yīng)變率大于臨界值時(shí)，DIF急劇增長(zhǎng)。但很多學(xué)者認(rèn)為，這種應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)并不是真正的應(yīng)變率效應(yīng)，而是由側(cè)向約束引起的。Li等［11］近來的研究表明SHPB試驗(yàn)中，應(yīng)變率為102～103s－1條件下動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的增強(qiáng)主要是由于接觸面限制作用和橫向慣性效應(yīng)引起的側(cè)向約束作用。Zhou等［12］認(rèn)為，當(dāng)應(yīng)變率低于 200 s－1時(shí)，側(cè)向約束作用可以忽略，DIF增長(zhǎng)主要是由于材料的應(yīng)變率效應(yīng)。為探求高溫條件下地質(zhì)聚合物混凝土DIF的應(yīng)變率效應(yīng)，首先要確定由側(cè)向約束引起的附加應(yīng)力值。附加應(yīng)力可表示為［13］：

圖5 不同溫度下動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率變化規(guī)律Fig．5 Dynamic compressive strength versus strain rate at different temperatures

圖6 高溫下動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率Fig．6 Increase ratio of dynamic compressive strength at elevated temperatures

圖7 不同溫度下應(yīng)變率與彈速的關(guān)系Fig．7 The relation between strain rate and projectile velocity at different temperatures

圖8 最大附加應(yīng)力隨應(yīng)變率變化情況Fig．8 Relation between maximum additional tress and strain rate at elevated temperatures

文獻(xiàn)［11，14］在大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上提出，混凝土材料在10～100 s－1應(yīng)變率范圍內(nèi)的DIF與應(yīng)變率的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。本文通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合發(fā)現(xiàn)高溫條件下，DIF隨應(yīng)變率的對(duì)數(shù)近似線性增長(zhǎng)，且相關(guān)性較好，具體公式如下：

圖9展示了DIF隨應(yīng)變率對(duì)數(shù)變化情況。由圖9及式（2）～（5）的斜率不難發(fā)現(xiàn)，溫度越高，DIF的應(yīng)變率效應(yīng)越明顯。混凝土類材料DIF應(yīng)變率效應(yīng)的物理機(jī)制目前仍不完全清楚，公認(rèn)的使得宏觀DIF具有應(yīng)變率敏感性的主要因素有兩個(gè)，一是混凝土本身的黏彈性特征，二是依賴于時(shí)間的裂縫擴(kuò)展。材料的破壞是由于裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展所致，裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展將消耗大量的能量，由于動(dòng)態(tài)沖擊作用下加載時(shí)間很短，因此只能通過增加應(yīng)力的方式來累積能量。200℃～600℃時(shí)，地質(zhì)聚合物混凝土內(nèi)的水分蒸發(fā)，但整體結(jié)構(gòu)并沒有破壞，保持著較好的穩(wěn)定性，并且發(fā)生收縮，結(jié)構(gòu)更加致密，黏彈性特性增強(qiáng)，裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)展所需要的能量也增大，因此應(yīng)力增長(zhǎng)較為明顯。800℃時(shí)DIF的應(yīng)變率效應(yīng)最為明顯，但它與400℃～600℃時(shí)的強(qiáng)化機(jī)制并不相同。800℃時(shí)，地質(zhì)聚合物基體仍保持完整性，但石灰石開始分解，地質(zhì)聚合物混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，內(nèi)部存在著大量的裂隙和裂縫，強(qiáng)度大幅度降低。根據(jù)DIF的定義，由于800℃時(shí)地質(zhì)聚合物混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度較低，因此在沖擊荷載作用下強(qiáng)度值的絕對(duì)增長(zhǎng)雖然不大，但宏觀表現(xiàn)為較強(qiáng)的應(yīng)變率敏感性。

圖9 DIF隨應(yīng)變率對(duì)數(shù)變化情況Fig．9 Relation between DIF and logarithm of strain rate at elevated temperatures

3 結(jié) 論

本文采用自主設(shè)計(jì)的高溫SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)，以礦渣、粉煤灰為原料，以固體氫氧化鈉和液體硅酸鈉的混合液為激發(fā)劑，制備了地質(zhì)聚合物混凝土；試驗(yàn)研究了高溫條件下地質(zhì)聚合物混凝土的沖擊壓縮強(qiáng)度，并探討了其隨溫度和應(yīng)變率的變化規(guī)律。主要結(jié)論為：

（1）200℃時(shí)地質(zhì)聚合物混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度較常溫時(shí)有所增長(zhǎng)，在應(yīng)變率為30 s－1時(shí)，最大增幅約40%；800℃時(shí)強(qiáng)度急劇下降，下降幅度為65%～90%。

（2）應(yīng)變率隨彈速近似線性增長(zhǎng)；同一彈速水平下，200℃～600℃時(shí)的應(yīng)變率與常溫接近，800℃時(shí)較常溫提高明顯。

（3）在30～130 s－1應(yīng)變率范圍內(nèi)，高溫下地質(zhì)聚合物混凝土的DIF與應(yīng)變率的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，且溫度越高，應(yīng)變率效應(yīng)越明顯。

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