鋼纖維增強(qiáng)粉煤灰基地質(zhì)聚合物抗折過(guò)程聲發(fā)射特性研究

陶 鑫，安俊杰

?

鋼纖維增強(qiáng)粉煤灰基地質(zhì)聚合物抗折過(guò)程聲發(fā)射特性研究

陶 鑫1，安俊杰2

(1.黑龍江工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，黑龍江 雞西 158100； 2.雞西市森宇建筑工程有限公司，黑龍江 雞西 158100)

制備鋼纖維增強(qiáng)粉煤灰基地質(zhì)聚合物，鋼纖維的體積摻量不同，研究鋼纖維體積摻量對(duì)地質(zhì)聚合物抗折破壞行為及聲發(fā)射特性的影響，通過(guò)研究聲發(fā)射信號(hào)波形平均頻率AF及RA(上升時(shí)間與幅值的比值)的變化趨勢(shì)，得出地質(zhì)聚合物基體的拉伸破壞及剪切破壞的規(guī)律。結(jié)果表明：鍍銅鋼纖維對(duì)地質(zhì)聚合物的增韌效果明顯；持續(xù)時(shí)間在40000μs以上，且所含能量很高的波形為誘發(fā)災(zāi)變破壞的波形；小 RA值、大AF值對(duì)應(yīng)著地質(zhì)聚合物基體的拉伸破壞，大RA值、小AF值對(duì)應(yīng)著纖維拔出過(guò)程中與基體的相對(duì)剪切破壞。

纖維增強(qiáng)地質(zhì)聚合物；抗折破壞；聲發(fā)射；延性

硅酸鹽水泥作為一種膠凝材料應(yīng)用于基礎(chǔ)建設(shè)方面已經(jīng)持續(xù)了上百年的時(shí)間，對(duì)人類(lèi)的基礎(chǔ)建設(shè)貢獻(xiàn)頗多。但是，水泥在生產(chǎn)過(guò)程中能耗高，并且排出大量溫室氣體及有毒氣體。因此需要一種材料來(lái)取代硅酸鹽水泥。地質(zhì)聚合物作為一種新型膠凝材料具有許多優(yōu)良的性能, 如材料硬化快，強(qiáng)度高、耐久性，界面結(jié)合能力強(qiáng)，耐高溫耐腐蝕性好等特點(diǎn)，最主要的優(yōu)點(diǎn)是其可將工業(yè)廢料作為原料。[1]因此將來(lái)很有可能取代硅酸鹽水泥作為膠凝材料。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了很多探索地質(zhì)聚合物物理性能的研究。Hewayde E等[2]制備了地質(zhì)聚合物混凝土，研究了其抗壓性能以及在耐硫酸侵蝕條件下的性能。張?jiān)粕萚3]用粉煤灰為主要原材料制備了地質(zhì)聚合物，并測(cè)試了其抗壓強(qiáng)度，同時(shí)研究了其氯離子滲透性能以及凍融循環(huán)性能。白二雷等[4]則主要研究了地質(zhì)聚合物混凝土的沖擊變形性能，這些研究都一定程度地推動(dòng)了地質(zhì)聚合物的發(fā)展。

但是地質(zhì)聚合物同水泥基材料[5-6]相類(lèi)似，都是脆性材料，其延展性能較差，因此采用摻加纖維的方法來(lái)提高材料延性。纖維混凝土方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也已經(jīng)做了大量的研究。[7-8]研究者們也進(jìn)行了較多的纖維增強(qiáng)地質(zhì)聚合物方面的研究，主要集中纖維對(duì)地質(zhì)聚合物的增強(qiáng)增韌方面，[9]高溫對(duì)地質(zhì)聚合物性能的影響，[10]及地質(zhì)聚合物的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能[11]等方面。但是對(duì)地質(zhì)聚合物的宏觀破壞過(guò)程還鮮有研究。毫無(wú)疑問(wèn)，對(duì)其損傷演化的研究將對(duì)該材料的工程實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。

聲發(fā)射，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于巖石及混凝土的破壞實(shí)驗(yàn)中，[12-15]借助于聲發(fā)射可以更好地對(duì)材料及結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷進(jìn)行檢測(cè)。但是聲發(fā)射系統(tǒng)應(yīng)用在地質(zhì)聚合物內(nèi)部損傷檢測(cè)方面的實(shí)驗(yàn)很少，而在混凝土及巖石方面應(yīng)用較多。為探索纖維地質(zhì)聚合物聲發(fā)射特征，本文利用聲發(fā)射系統(tǒng)對(duì)鋼纖維地質(zhì)聚合物的抗折過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，同時(shí)將聲發(fā)射系統(tǒng)與加載系統(tǒng)進(jìn)行了同步，來(lái)研究地質(zhì)聚合物在抗折破壞過(guò)程中力學(xué)行為與聲發(fā)射特征之間的關(guān)系，基于力學(xué)特征與聲發(fā)射同步分析，研究纖維摻量的增韌效果，探索纖維增強(qiáng)地質(zhì)聚合物宏觀力學(xué)行為與聲發(fā)射參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料。

粉煤灰：溫州磐石熱電廠所產(chǎn)。硅灰：購(gòu)于北京慕湖外加劑廠，SiO2含量達(dá)84.69%，二者的成分含量如表1所示。激發(fā)劑：水玻璃以及NaOH片堿(純度>98%)，其主要成分的質(zhì)量含量為： Na2O, 7.9%；SiO2, 27.9%；水64.2%。鋼纖維：鍍銅鋼纖維(抗拉強(qiáng)度>2850MPa，直徑0.2mm，長(zhǎng)度13mm)采用贛州大業(yè)金屬纖維有限公司的。

表1 粉煤灰、硅灰化學(xué)成分的XRF分析

1.2 試樣制備

前期試配中已找到最優(yōu)配合比，硅灰的質(zhì)量摻量為30%，NaOH溶液濃度為18mol/L，泡花堿在激發(fā)劑中的質(zhì)量含量為75%，配合比如表2所示。

鋼纖維的摻加越多，地質(zhì)聚合物的密度就會(huì)越大。為有統(tǒng)一的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，在計(jì)算鋼纖維摻量時(shí)，統(tǒng)一取體積密度為2000 kg/m3，例如對(duì)于鋼纖維體積摻量(Vf)為0.5%時(shí)，則一立方拌合物需添加摻入為5L的鋼纖維，取鋼纖維的密度為7.8g/cm3，則需摻加39kg鋼纖維。

試樣制備過(guò)程中，首先制備18mol/L的NaOH溶液，堿溶液與水玻璃按質(zhì)量比1:3制成激發(fā)劑溶液。水泥砂漿攪拌機(jī)中加入規(guī)定質(zhì)量的硅灰與粉煤灰，干拌5min，再加入激發(fā)劑溶液攪拌5min，將拌合物裝入40×40×160mm的試模中，放到振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)5min。將塑料薄膜覆蓋于成型試樣表面，室溫養(yǎng)護(hù)24h后拆模, 并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28d齡期。

表2 GP配合比 kg/m3

1.3 測(cè)試系統(tǒng)及方法。

試驗(yàn)過(guò)程中采用兩套裝置，包括聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和抗折加載控制系統(tǒng)。試驗(yàn)加載設(shè)備所采用的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)是深圳新三思生產(chǎn)的。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為PAC micro-II 8型聲發(fā)射系統(tǒng) ，其探頭型號(hào)為NANO 30, 激振頻率為300 kHz。在試樣的兩端面中間各布置1個(gè)探頭，上表面布置2個(gè)探頭，實(shí)驗(yàn)前應(yīng)將試樣表面除塵，將少量凡士林耦合劑涂于探頭表面，用膠帶將探頭固定于試樣表面。本實(shí)驗(yàn)所采用位移控制模式的加載方式，其速率為0.05mm/min，對(duì)應(yīng)的名義應(yīng)變率為2.08×10-5s-1。對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行升級(jí)改造，使其將實(shí)時(shí)荷載值轉(zhuǎn)化為0-10V的電信號(hào)，聲發(fā)射系統(tǒng)以外參數(shù)的形式采集到荷載值，這樣就能將載荷-時(shí)間曲線(xiàn)和試樣的聲發(fā)射演化進(jìn)行同步觀測(cè)。

圖2 同步測(cè)試試驗(yàn)裝置示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋼纖維對(duì)地質(zhì)聚合物的增韌作用。

圖3 不同纖維摻量地質(zhì)聚合物抗折荷載時(shí)間曲線(xiàn)

圖3為不同纖維摻量地質(zhì)聚合物抗折荷載時(shí)間曲線(xiàn)圖。圖中可發(fā)現(xiàn)，未添加鋼纖維的地質(zhì)聚合物同水泥基材料相同，均屬于脆性材料，其抗折強(qiáng)度極低，僅為1.38MPa，而添加鋼纖維的試樣的抗折強(qiáng)度隨著纖維含量的增加而穩(wěn)固增長(zhǎng)，Vf2.0的抗折強(qiáng)度為凈漿試樣的7.6倍之多。鋼纖維取向隨機(jī)的分布于地質(zhì)聚合物基體中，在抗折實(shí)驗(yàn)中，鋼纖維的拔出及拉斷都需要大量的能量，因此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的能量幾乎全部被鋼纖維吸收，抑制了基體的開(kāi)裂，因此使得纖維地質(zhì)聚合物的抗折強(qiáng)度提高。所有試樣在峰值荷載前表現(xiàn)出相同的性質(zhì)。區(qū)別在于峰值荷載之后，含有鋼纖維的試樣由于鋼纖維與地質(zhì)聚合物基體間界面結(jié)合力以及纖維的拔出都將消耗較高的斷裂能，因此荷載呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)，不發(fā)生災(zāi)變破壞。而Vf0試樣峰值荷載后幾乎不吸收任何斷裂能而直接發(fā)生災(zāi)變破壞。含有纖維的試樣在荷載下降段會(huì)出現(xiàn)荷載突降而后又緩慢上升的毛刺，這是因?yàn)樵诳拐圻^(guò)程中，裂縫處的鋼纖維將會(huì)被拔出，在鋼纖維拔出后試樣承受的荷載突然下降，而后應(yīng)力重分布給斷面上的其他鋼纖維，荷載出現(xiàn)上升的趨勢(shì)，荷載曲線(xiàn)即出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中聲發(fā)射特性分析。

圖4 聲發(fā)射能量的持續(xù)時(shí)間分布

觀察圖4發(fā)現(xiàn)，隨著鋼纖維含量的增加，信號(hào)波形中所含的能量逐漸升高，持續(xù)時(shí)間在40000μs以上的波形逐漸減少，乃至消失，Vf0試樣的波形中含有持續(xù)時(shí)間在100000μs的波形，且能量值很高，此時(shí)試樣發(fā)生災(zāi)變破壞；Vf0.5及Vf1.0試樣的波形中雖然出現(xiàn)了持續(xù)時(shí)間在100000μs的波形，但是所含能量并沒(méi)有出現(xiàn)較大的增長(zhǎng)，反而有下降的趨勢(shì)，此時(shí)試樣由脆性災(zāi)變破壞逐步向延性破壞方向發(fā)展；Vf2.0試樣的波形中已經(jīng)不含有持續(xù)時(shí)間在100000μs的波形，試樣破壞形式也變成了延性破壞。因此可以認(rèn)為持續(xù)時(shí)間在40000μs以上且所含能量很高的波形為誘發(fā)災(zāi)變破壞的波形。

圖5 不同試樣峰前峰后平均RA及平均AF統(tǒng)計(jì)圖

聲發(fā)射參數(shù)可以反映出聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度，即材料內(nèi)部損傷的強(qiáng)度信息，但是很難將其與材料的宏觀破壞聯(lián)系在一起。而信號(hào)波形的參數(shù)變化可以很好地反映出宏觀變化，因此將波形參數(shù)與荷載時(shí)間曲線(xiàn)關(guān)聯(lián)起來(lái)進(jìn)行分析，可以得出波形參數(shù)與材料宏觀破壞之間的聯(lián)系。

圖5為不同鋼纖維含量試樣的峰值前后平均RA及平均AF統(tǒng)計(jì)表，觀察圖4 可知所有試樣的平均RA及平均AF均有明顯的變化，平均RA值峰后較峰前都有明顯的增長(zhǎng)，而平均AF值呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。這恰恰與試樣的破壞形式相對(duì)應(yīng)，峰值前，試樣由細(xì)小的裂紋逐漸向一條主裂紋擴(kuò)展，此時(shí)鋼纖維幾乎沒(méi)有拔出，表現(xiàn)為地質(zhì)聚合物基體的拉伸破壞；但是峰值荷載后的破壞形式表現(xiàn)為鋼纖維在基體中的拔出，鋼纖維與基體間發(fā)生相對(duì)剪切破壞。這也說(shuō)明了拉伸破壞所對(duì)應(yīng)的平均RA值較小，平均AF值較大；剪切破壞所對(duì)應(yīng)的平均RA值較大，平均AF值較小。

圖6 不同鋼纖維含量試樣實(shí)驗(yàn)過(guò)程中平均AF演化圖

圖7 不同鋼纖維含量試樣實(shí)驗(yàn)過(guò)程中平均RA演化圖

圖6、圖7為不同鋼纖維含量試樣實(shí)驗(yàn)過(guò)程中平均AF及平均RA演化圖，從圖中可發(fā)現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中平均RA值呈現(xiàn)趨勢(shì)是逐漸增大的，平均AF大體趨勢(shì)是逐漸減小的，只是當(dāng)鋼纖維含量較低時(shí)現(xiàn)象不是很明顯，當(dāng)鋼纖維含量增加到2.0%時(shí)，無(wú)論是平均RA或AF現(xiàn)象都已很明顯。對(duì)于Vf0.5的現(xiàn)象并不明顯，是由于峰值荷載后試樣中既有基體的拉伸破壞又有鋼纖維的拔出剪切破壞，且二者所占的比例相對(duì)較均衡，因此現(xiàn)象不明顯；而對(duì)于Vf2.0試樣，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程是由基體的拉伸破壞逐漸向鋼纖維拔出過(guò)程中與地質(zhì)聚合物基體之間的相對(duì)剪切破壞過(guò)渡。峰值荷載之前，幾乎沒(méi)有鋼纖維拔出，主要為基體的拉伸破壞，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，峰值荷載后，裂縫越來(lái)越大且越來(lái)越寬，斷面上的鋼纖維也逐漸增多，即拔出的鋼纖維越來(lái)越多，出現(xiàn)鋼纖維與地質(zhì)聚合物基體之間的相對(duì)剪切破壞，此時(shí)主要體現(xiàn)為剪切破壞且占據(jù)主導(dǎo)地位。因此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中平均RA、AF有如此明顯的變化規(guī)律。

3 結(jié)論

利用聲發(fā)射系統(tǒng)對(duì)不同鍍銅鋼纖維摻量地質(zhì)聚合物在三點(diǎn)抗折試驗(yàn)過(guò)程中的聲發(fā)射特性進(jìn)行了同步測(cè)試與分析，結(jié)果如下。

(1)鍍銅鋼纖維對(duì)地質(zhì)聚合物具有很好的增韌作用，抗折強(qiáng)度隨著鋼纖維體積摻量的增加而增長(zhǎng)，鋼纖維體積摻量為2.0%時(shí)的抗折強(qiáng)度為凈漿試樣的7.6倍。

(2)隨著鋼纖維含量的增加，聲發(fā)射信號(hào)波形中持續(xù)時(shí)間大于40000μs的波形逐漸減少，且所含能量逐漸降低，對(duì)應(yīng)著試樣有災(zāi)變破壞逐漸向延性破壞發(fā)展，因此持續(xù)時(shí)間在40000μs以上且所含能量很高的波形為誘發(fā)災(zāi)變破壞的波形。

(3)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中平均RA及AF在峰值荷載前后是變化的，其中RA是增大的，而AF是減小的。

(4)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，RA值是增大的，AF值是減小的，且鋼纖維含量越大現(xiàn)象越明顯，峰值荷載前，較小的RA,較大的AF值對(duì)應(yīng)著地質(zhì)聚合物基體的拉伸破壞；而峰值荷載后，較大的RA，較小的AF值對(duì)應(yīng)著鋼纖維在基體中拔出二者之間的相對(duì)剪切破壞。

[1]Davidovits J . Geopolymeric reactions in the economic future of cements and concretes: world - wide mitigation of carbon dioxide emission [C].M Proceedings of the 2nd International Conference on Geopolymer. France: Saint Quentin,1999:111- 121.

[2]Hewayde E, Nehdi M, Allouche E. Effect of Geopolymer cement on microstructure, compressive strength and suiphuric acid resistance of concrete[J].Magazine of Concrete Research, 2006,58(5):321-331.

[3]Zhang Yunsheng, Sun Wei. Fly ash based geopolymer concrete[J].Indian Concrete Journal, 2006,80(1):20-24.

[4]白二雷,許金余,高志剛.地質(zhì)聚合物混凝土的變形特性研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013,35(4):80-83.

[5]王彩輝,孫偉,蔣金洋.水泥基復(fù)合材料在多尺度方面的研究進(jìn)展[J].硅酸鹽學(xué)報(bào), 2011,39(4):726-738.

[6]Yu-Fang Fu, Yuk-Lung Wong, Chi-Sun Poon. Experimental study of micro/macro crack development and stress-strain relations of cement-based composite materials at elevated temperatures[J].Cement and Concrete Research2004, 34(5):789-797.

[7]陳潤(rùn)鋒,張國(guó)防,顧國(guó)芳.我國(guó)合成纖維混凝土研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].建筑材料學(xué)報(bào),2001(2):167-173.

[8]趙順波,孫曉燕,李長(zhǎng)永.高強(qiáng)鋼纖維混凝土彎曲韌性試驗(yàn)研究[J].建筑材料學(xué)報(bào),2003,6(1):95-99.

[9]Faiz Uddin, Ahmed Shaikh. Review of mechanical properties of short ?bre reinforced geopolymer composites [J].Construction and Building Materials, 2013(43):37-49.

[10]Peigang He, Dechang Jia, Tiesong Lin. Effects of high-temperature heat treatment on the mechanical properties of unidirectional carbon ?ber reinforced geopolymer composites [J].Ceramics International,2010,36(4):1447-1453.

[11]許金余,李為民,楊進(jìn)勇.纖維增強(qiáng)地質(zhì)聚合物混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能[J].土木工程學(xué)報(bào),2010(2):127-132.

[12]Zhang Yunsheng, Sun Wei, Li Zongjin. Impact properties of geopolymer based extrudatesincorporated with fly ash and PVA short fiber[J]. Construction and Building Materials, 2009,22: 370-383.

[13]李庶林,唐海燕.不同加載條件下巖石材料破裂過(guò)程的聲發(fā)射特性研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2010,32(1):147-152.

[14]吳勝興,張順祥,沈德建.混凝土軸心受拉聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2008,41(4):31-39.

[15]趙興東，劉建坡，李元輝.巖石聲發(fā)射定位技術(shù)及其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].巖土工程學(xué)報(bào),2008,30(10):1472-1476.

Class No.:TB332 Document Mark：A

(責(zé)任編輯：宋瑞斌)

Acoustic emission behavior of steel fiber reinforced geopolymer under three-point bending

Tao Xin1，An Junjie2

(1.Department of Mechanical Engineering,Heilongjiang University of Technology, Jixi, Heilongjiang 158100, China；2.Senyu Construction Engineering Co., Ltd, Jixi, Heilongjiang 158100，China)

Geopolymer samples reinforced with different volume fractions of steel fibers were loaded under three-point bending process to investigate the relationship between the macroscopic mechanical behavior and mesoscopic damage evolution. The Acoustic emission (AE) behaviors of steel fiber reinforced geopolymer (SFRG) was measured to monitor the characteristics of damage evolution. Researching the acoustic emission signal waveform average frequency of AF and RA (ratio of Riseing time and Amplitude) trends, the rule of macroscopic mechanical behavior and mesoscopic damage evolution can known. The results show that volume fractions of steel fibers can improve ductility; The disaster damage waveform duration is more than 40000 μs; Little RA value, big AF value corresponds to the tensile failure of geopolymer, and the big RA value, little AF value corresponds to the shear failure of geopolymer.

fiber reinforced geopolymer; three-point bending process; acoustic emission; ductility

陶 鑫，碩士，助教，黑龍江工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系。研究方向：新型建筑材料組織與性能。

TB332

A

1672-6758(2016)11-0052-4