利用沖擊球壓法評(píng)價(jià)BFCC凍融下的表面損傷特征

何曉雁，郭 磊，趙燕茹，李文超，張淑艷

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) a.土木工程學(xué)院，b.內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

玄武巖纖維水泥基復(fù)合材料(Basalt Fiber Cement Composites，BFCC)是以水泥凈漿、砂漿或水泥混凝土為基體，以玄武巖纖維為增強(qiáng)體組合而成的一種復(fù)合材料，具有超高強(qiáng)度、優(yōu)異的耐久性的特點(diǎn)[1]，被廣泛地應(yīng)用于極端惡劣的工程環(huán)境，如橋梁、隧道、軍事等。玄武巖纖維在其中起著增強(qiáng)、增韌、阻裂的作用，當(dāng)裂縫產(chǎn)生時(shí)可以阻止水泥基體中微裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，因而使復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及斷裂能較未摻纖維的水泥基體均有明顯的提高[2,3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)有超過(guò)20 萬(wàn)km2的鹽堿地區(qū)，西北更是屬于鹽堿地帶的集中區(qū)，惡劣的服役環(huán)境是影響水泥基復(fù)合材料使用壽命的主要原因。因此，研究水泥基材料鹽凍下的耐久性損傷具有重要的意義。

混凝土材料凍融損傷過(guò)程是一個(gè)由內(nèi)部損傷逐步演變的劣化過(guò)程，一般而言，分析混凝土材料耐久性及損傷可定性地分為兩個(gè)階段：第一階段混凝土材料表面觀察不到明顯的損傷，但內(nèi)部已有微裂縫的產(chǎn)生；第二階段混凝土材料表面出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)破壞并且伴隨環(huán)境作用損傷繼續(xù)增大[4]。大多數(shù)學(xué)者對(duì)抗凍性的研究主要集中于第二階段下的混凝土材料性能的劣化，對(duì)第一階段混凝土材料表面的損傷沒(méi)有深入研究，僅僅依靠相對(duì)動(dòng)彈模量、抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)不能清晰準(zhǔn)確地反映混凝土材料凍融過(guò)程中耐久性的改變[5]。此外，由于第一階段的損傷特征非常不明顯，所以依靠現(xiàn)有方法不能實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土材料損傷特性的徹底分析。沖擊球壓法是以赫茲接觸理論為基礎(chǔ)對(duì)材料進(jìn)行檢測(cè)的方法，具有傳統(tǒng)試驗(yàn)方法不具備的優(yōu)勢(shì)，操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)信息量豐富，可以在任何條件下對(duì)混凝土材料表面進(jìn)行彈塑性特征判定，可以追蹤材料損傷發(fā)展的全部過(guò)程[6]。目前已在脆性材料和金屬材料的彈塑性變形特征等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展[7]，但是應(yīng)用于混凝土材料領(lǐng)域的研究非常稀少。為此本文擬利用沖擊球壓法對(duì)BFCC凍融下的表面損傷特征進(jìn)行研究。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料與BFCC配合比

水泥采用唐山冀東水泥廠生成的盾石牌42.5普通硅酸鹽水泥；硅灰為石家莊永興硅材料責(zé)任有限公司生產(chǎn)的硅灰；粉煤灰采用II級(jí)粉煤灰；細(xì)骨料選取0.15～4.75 mm的天然砂；外加劑為聚羧酸高效減水劑；水為自來(lái)水；玄武巖纖維采用上海俄金玄武巖纖維公司生產(chǎn)的短切型玄武巖纖維，纖維長(zhǎng)度為12 mm，單纖直徑為12 μm，彈性模量105 GPa。BFCC配合比設(shè)計(jì)參照活性粉末混凝土規(guī)范，并考慮到施工經(jīng)濟(jì)性，以天然砂完全代替石英砂，具體配比見(jiàn)表1。為水泥645 kg/m3，硅灰90 kg/m3，粉煤灰135 kg/m3，天然砂1170 kg/m3，減水劑為膠凝材料的2%，水膠比0.22。

表1 BFCC的配合比

1.2 試件制備及試驗(yàn)方法

采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體進(jìn)行抗凍性試驗(yàn)，試件48 h拆模，然后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室放置28 d，根據(jù)GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能及耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中“快凍法”進(jìn)行抗凍性試驗(yàn)。試驗(yàn)前將試件在18～22 ℃水中浸泡4 d，再進(jìn)行試驗(yàn)。一次凍融循環(huán)歷時(shí)4 h，凍結(jié)時(shí)間歷時(shí)2.5 h，融化時(shí)間歷時(shí)1.5 h。凍融過(guò)程中，試件中心溫度分別控制在-17±2 ℃和8±2 ℃。

采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體進(jìn)行沖擊球壓試驗(yàn)，如圖1。由于接觸試驗(yàn)對(duì)材料表面流體的動(dòng)力效應(yīng)非常敏感，為了避免試驗(yàn)產(chǎn)生較大誤差，試驗(yàn)前將凍融后的試件放入45 ℃烘箱烘干并利用自動(dòng)雙端面磨石機(jī)將試樣表面腐蝕部分磨平拋光，以便于準(zhǔn)確測(cè)量試樣表面壓痕。為了避免試驗(yàn)結(jié)果受邊緣效應(yīng)的影響，測(cè)試點(diǎn)的布置情況為：測(cè)點(diǎn)距試樣邊緣大于1 cm，每個(gè)測(cè)點(diǎn)之間間隔不小于2 cm。沖擊試驗(yàn)的荷載通過(guò)荷載傳感器測(cè)定，材料表面壓痕損傷利用數(shù)碼體式顯微鏡和微分尺進(jìn)行觀察測(cè)量，測(cè)量?jī)x器精度為0.01 mm。每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量相互垂直的兩條直徑，取兩數(shù)據(jù)的平均值，若兩數(shù)據(jù)之差大于30%，則此數(shù)據(jù)無(wú)效。

圖1 沖擊試驗(yàn)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

凍融試驗(yàn)中，凍融介質(zhì)分別選取5%濃度的硫酸鈉、3.5%濃度的氯化鈉和水溶液。試件進(jìn)行500次凍融循環(huán)，每25次循環(huán)后進(jìn)行動(dòng)彈模量值測(cè)定；每100次凍融循環(huán)后進(jìn)行沖擊球壓試驗(yàn)。組號(hào)編號(hào)D代表凍融；C代表凍融介質(zhì)為NaCl；W代表凍融介質(zhì)為水；S代表凍融介質(zhì)為Na2SO4；數(shù)字代表凍融循環(huán)次數(shù)，例如：D0試驗(yàn)組為未凍融條件下，C200為在NaCl凍融介質(zhì)中進(jìn)行200次凍融循環(huán)試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融后的BFCC表面沖擊荷載-壓痕尺寸關(guān)系

圖2所示為BFCC在硫酸鈉、氯化鈉、水凍融介質(zhì)中經(jīng)歷500次凍融循環(huán)后的沖擊荷載-壓痕尺寸關(guān)系，圖中測(cè)點(diǎn)分布比較凌亂，這也從側(cè)面反映了BFCC的各向異性。但是不同凍融介質(zhì)條件下的BFCC表面沖擊荷載-壓痕尺寸關(guān)系曲線仍有一定的發(fā)展規(guī)律：(1)不論在哪一種凍融介質(zhì)中，荷載先隨著壓痕的增長(zhǎng)迅速增大，達(dá)到臨界點(diǎn)之后增長(zhǎng)減緩，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布也變得集中，結(jié)合后期對(duì)壓痕形貌的觀測(cè)可知，臨界點(diǎn)后的壓痕深度基本不變，說(shuō)明凍融對(duì)BFCC表層的影響最大也最為迅速，而表層以下的結(jié)構(gòu)仍具有抗沖擊性；(2)隨著壓痕尺寸的增長(zhǎng)，S500試驗(yàn)組的沖擊荷載發(fā)展趨勢(shì)明顯低于W500和C500試驗(yàn)組，而且上升段上升趨勢(shì)很小，在相同沖擊應(yīng)力之下，壓痕尺寸最大，這表明凍融介質(zhì)為硫酸鈉溶液時(shí)，凍融損傷程度最大。

圖2 凍融循環(huán)后BFCC表面沖擊荷載-壓痕尺寸關(guān)系

2.2 凍融對(duì)BFCC表面沖擊荷載-時(shí)間關(guān)系的影響

試驗(yàn)中球頭沖擊材料表面可分為兩個(gè)階段：第一階段，球頭以一定速度壓縮材料表面直至相對(duì)速度變?yōu)?，此時(shí)材料表面瞬間產(chǎn)生最大法相位移，局部的彈性模量也會(huì)升高[8]；第二階段，材料表面彈性變形恢復(fù)，并對(duì)球頭產(chǎn)生一沖量，球頭發(fā)生回跳，材料表面也會(huì)留下永久性的局部變形即沖擊壓痕。從能量轉(zhuǎn)化的角度分析[9]：假設(shè)不計(jì)空氣阻力，球頭在沖擊材料表面時(shí)攜帶的能量全部為動(dòng)能。接觸到材料表面時(shí)發(fā)生沖擊現(xiàn)象，球頭攜帶的全部動(dòng)能轉(zhuǎn)化為材料發(fā)生彈性和塑性變形的能量，忽略彈性波在材料內(nèi)部擴(kuò)散的能量以及局部發(fā)熱和產(chǎn)生聲音的能量[10]，可知沖擊后遺留在材料表面的永久性損傷由塑性功組成，而材料彈性的能量則表現(xiàn)為球頭回跳時(shí)的沖量。由此可知小球進(jìn)行二次回彈時(shí)間越短、高度越低，材料表面發(fā)生彈性變形越小，塑性損傷越嚴(yán)重，材料抵抗沖擊的能力越弱。

圖3為BFCC在硫酸鈉凍融介質(zhì)中進(jìn)行不同周期的凍融循環(huán)的沖擊荷載-時(shí)間曲線。圖中所示的曲線均在相同沖擊高度下完成，然而產(chǎn)生的回彈時(shí)間間隔卻完全不同，未凍融試驗(yàn)組的回彈時(shí)間為0.09 s，凍融500次的回彈時(shí)間僅為0.03 s，而且二次回彈產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力只能達(dá)到未凍融前的30%。隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，二次回彈的時(shí)間不斷減小，二次回彈的沖擊應(yīng)力也在降低。這意味著凍融循環(huán)嚴(yán)重降低了BFCC表面屈服強(qiáng)度，使得材料抗沖擊性能越來(lái)越弱。究其原因，當(dāng)試樣受到凍融以及硫酸鹽溶液的腐蝕雙重作用時(shí)，內(nèi)部孔隙變大貫通，基體表面結(jié)構(gòu)變得疏松脆弱，抵抗沖擊的能力顯著下降。

圖3 BFCC沖擊荷載與時(shí)間的關(guān)系

2.3 凍融對(duì)BFCC表面沖擊壓痕應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響

美國(guó)科學(xué)家Lawn等人對(duì)陶瓷、玻璃等脆性材料的沖擊應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系做了大量的研究[11]，并證實(shí)沖擊應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以完美地表征材料表面損傷。通過(guò)沖擊試驗(yàn)測(cè)得的BFCC表面壓痕直徑以及沖擊應(yīng)力，利用等效壓痕應(yīng)力σ0=F/(πr2)和等效壓痕應(yīng)變?chǔ)?r/R(其中，F(xiàn)為產(chǎn)生壓痕最大壓力值(N)；r為壓痕尺寸(mm)；R為小球直徑(mm))，得到在三種凍融介質(zhì)中經(jīng)歷500次凍融循環(huán)的沖擊壓痕應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4所示。

圖4 凍融前后BFCC壓痕應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖4可知，BFCC沖擊壓痕應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線分為兩個(gè)階段。第一階段為低荷載階段，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線近似呈現(xiàn)為直線。當(dāng)荷載到達(dá)某一臨界值后進(jìn)入第二階段，隨著應(yīng)變的增加應(yīng)力反而降低，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線變成非線性。觀察沖擊壓痕發(fā)現(xiàn)，在直線段BFCC表面的壓痕基本沒(méi)有裂縫和破碎面產(chǎn)生，壓痕內(nèi)呈現(xiàn)波紋狀破壞面；當(dāng)超過(guò)屈服點(diǎn)后，壓痕波紋狀破壞面繼續(xù)擴(kuò)展，壓痕直徑變大，壓痕周圍隨之出現(xiàn)環(huán)狀裂紋。這說(shuō)明沖擊荷載在達(dá)到臨界值以前，沖擊增加了材料表面的局部彈性模量使得材料抵抗沖擊的能力短暫增強(qiáng)，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而增大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是BFCC表面臨界屈服強(qiáng)度很小，球頭以較低的荷載沖擊BFCC表面時(shí)，會(huì)使沖擊區(qū)域流體靜壓力短暫迅速升高以及材料自身塑性流動(dòng)的大幅度減弱[12]。臨界點(diǎn)后BFCC的沖擊壓痕應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線呈下降趨勢(shì)，但下降程度很小，曲線斜率很平緩。

經(jīng)歷500次凍融循環(huán)后，處于不同凍融介質(zhì)的BFCC沖擊壓痕應(yīng)力、應(yīng)變均減小，鹽凍條件下的試件損傷最為嚴(yán)重，線性段明顯變短，下降段斜率明顯變快。S500試驗(yàn)組發(fā)生損傷破壞，一方面是因?yàn)榱蛩猁}溶液通過(guò)材料外部孔隙進(jìn)入機(jī)體內(nèi)部，隨著凍融溫度的降低，硫酸鈉的溶解度逐漸降低，溶液變得飽和并產(chǎn)生結(jié)晶壓力；另一方面SO42-會(huì)與BFCC中Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的石膏會(huì)引起B(yǎng)FCC體積膨脹，使混凝土受到膨脹壓力而開(kāi)裂。之后石膏會(huì)繼續(xù)與BFCC水化產(chǎn)物C-A-H發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石。前期鈣礬石的膨脹作用會(huì)使BFCC結(jié)構(gòu)變得致密提高其強(qiáng)度，等到鈣礬石逐漸增多，BFCC就會(huì)過(guò)度膨脹而開(kāi)裂。C500試驗(yàn)組由于凍融介質(zhì)是NaCl溶液具有較高的濃度差，在滲透作用的下，基體內(nèi)部的水分逐漸向混凝土表面遷移，使得表面的可凍水變多，靜水壓變大。當(dāng)溫度低于0 ℃時(shí)，因不同濃度的結(jié)晶使得混凝土破壞。另外，BFCC中的水化物Ca(OH)2在NaCl溶液中的溶解度大于在水中的溶解度，導(dǎo)致Ca(OH)2不斷析出，孔隙不斷變大連通，加劇了BFCC基體的破壞。W500試驗(yàn)組凍融循環(huán)中僅受到靜水壓作用，凍融損傷程度最小。

從圖5壓痕形貌可知，BFCC材料沖擊壓痕表現(xiàn)為一個(gè)球冠形的小坑，并且球坑周圍BFCC由于沖擊產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用出現(xiàn)了顆粒堆積甚至破壞剝落。壓痕內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的環(huán)形裂紋以及由損傷中心向四周輻射的裂紋群。究其原因：BFCC水化反應(yīng)形成大量C/S比不同的C-S-H凝膠[13]，這些凝膠在沖擊作用下形成類似球冠形的損傷壓痕，并且損傷區(qū)以及周圍應(yīng)力重分布，形成了四周放射的徑向擠壓應(yīng)力，從而在球坑周圍產(chǎn)生了較大的切向應(yīng)力[14]。高強(qiáng)BFCC由于有一定的脆性特性，沖擊區(qū)域受拉應(yīng)力的破壞更加明顯。BFCC材料凍融循環(huán)200次時(shí)，壓痕周圍無(wú)明顯裂紋。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，壓痕破壞現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，周圍剝落的面積也越來(lái)越大。當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到500次時(shí)，C500試驗(yàn)組周圍出現(xiàn)塊狀剝落物，S500出現(xiàn)片狀剝落，而W500僅有少量的材料剝落，分析原因可能是硫酸鈉溶液凍結(jié)后有較大的抗壓塑性，導(dǎo)致了沖擊剝落較少，氯化鈉溶液凍結(jié)的冰塑性小，變形能力大，沖擊產(chǎn)生的剝落嚴(yán)重[15]。

圖5 不同凍融介質(zhì)下BFCC壓痕形貌對(duì)比

2.4 布氏硬度與凍融次數(shù)之間的關(guān)系

球壓實(shí)驗(yàn)中，沖擊碰撞對(duì)材料造成的損傷以材料局部壓痕表征。由于材料自身的彈性模量、屈服強(qiáng)度以及其他特性會(huì)影響沖擊后的材料損傷壓痕，因此，材料受沖擊損傷的程度跟材料的硬度有內(nèi)在的聯(lián)系[16]。對(duì)于球壓沖擊試驗(yàn)，沖擊所得的動(dòng)態(tài)硬度值跟布氏硬度值呈正比關(guān)系[7]，故可用布氏硬度評(píng)價(jià)凍融后BFCC凍融損傷程度。

表2 布氏硬度值

圖6為BFCC在不同的凍融介質(zhì)中布氏硬度與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。曲線呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)，凍融循環(huán)達(dá)到200次布氏硬度值最大，隨后出現(xiàn)不同程度的降低。由表2中數(shù)據(jù)可知W200試驗(yàn)組在200次凍融循環(huán)后布氏硬度值增加了5.5%，C500和S500試驗(yàn)組布氏硬度值僅有小幅度的上升。在200次凍融循環(huán)后，W500試驗(yàn)組布氏硬度仍高于其他兩個(gè)試驗(yàn)組。分析差異原因可能是凍融初期BFCC仍在進(jìn)行二次水化反應(yīng)，使得凍融初期材料結(jié)構(gòu)更加致密，抗沖擊性有了一定的提高，但是鹽溶液下的凍融損傷比水溶液下的損傷嚴(yán)重，這使得200次循環(huán)后水溶液試驗(yàn)組布氏硬度值大于其他組。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，材料的凍融損傷逐漸增加，水化效果逐漸消失，導(dǎo)致BFCC損傷破壞。300次凍融循環(huán)后S500試驗(yàn)組布氏硬度下降幅度遠(yuǎn)超于其他試驗(yàn)組，經(jīng)歷500次凍融循環(huán)后，S500試驗(yàn)組布氏硬度值最低。說(shuō)明硫酸鈉溶液凍融腐蝕的雙重作用對(duì)BFCC材料的損傷最大。

圖6 BFCC布氏硬度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線

表3 不同凍融循環(huán)次數(shù)的BFCC相對(duì)動(dòng)彈模量和布氏硬度值 MPa

利用表3數(shù)據(jù)計(jì)算損傷度，如圖7所示。

圖7 不同物理量表示的BFCC損傷度

由圖7可知：(1)經(jīng)歷200次凍融循環(huán)后損傷度為負(fù)值，分析原因可能為凍融初期材料的損傷程度很小，而二次水化作用生成的水化硅酸鈣和氫氧化鈣填充到了孔隙中，增加了材料的密實(shí)度，使BFCC材料的抗凍性、抗沖擊性有了提升。200次以后，隨著凍融次數(shù)的增加，凍融對(duì)材料造成損傷逐漸增大，二次水化逐漸完成，損傷度則變?yōu)檎抵鸩皆鲩L(zhǎng)；(2)布氏硬度反映的是材料表面的力學(xué)性能，隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行BFCC表面最先破壞，所以凍融前期的布氏硬度相較動(dòng)彈模量變化的幅度更加明顯；(3)沖擊球壓測(cè)定的是材料表面損傷，與材料整體的損傷有一定的差異。但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，表面與內(nèi)部的力學(xué)性能差異逐漸下降，因此可以用沖擊球壓法對(duì)凍融損傷進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 結(jié) 論

(1)BFCC在硫酸鈉、氯化鈉、水溶液中經(jīng)歷500次凍融循環(huán)后的沖擊應(yīng)力-壓痕尺寸關(guān)系曲線表明，凍融對(duì)材料表層造成的損傷最為嚴(yán)重，而表層以下的結(jié)構(gòu)仍具有抗沖擊性；

(2)隨著B(niǎo)FCC在硫酸鈉溶液中凍融循環(huán)的進(jìn)行，材料受沖擊時(shí)二次回彈的時(shí)間和應(yīng)力不斷減小，表面的塑性損傷逐漸增大，凍融循環(huán)500次后回彈時(shí)間僅為0.03 s，而且二次回彈產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力只能達(dá)到未凍融前的30%；

(3)通過(guò)分析沖擊應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，經(jīng)歷500次凍融循環(huán)后，處于不同凍融介質(zhì)的BFCC沖擊壓痕應(yīng)力、應(yīng)變均減小，且鹽凍條件下材料的損傷更為嚴(yán)重；

(4)經(jīng)歷500次凍融循環(huán)后的S500試驗(yàn)組布氏硬度值最低，這說(shuō)明三種凍融介質(zhì)中，硫酸鈉溶液的腐蝕作用加劇了凍融循環(huán)對(duì)BFCC的損傷，使其性能劣化程度最大，結(jié)合損傷度的概念，可以發(fā)現(xiàn)布氏硬度評(píng)價(jià)凍融損傷比彈性模量更加敏感。