多孔材料的孔結(jié)構(gòu)對其力學(xué)性能及破裂機制的影響

賈 蓬, 徐雪桐, 黃 菲, 楊其要

(東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110819)

多孔材料是一種非均質(zhì)材料,其宏觀力學(xué)特性取決于其基體特性及細觀組成.前人對多孔材料的研究主要集中在泡沫混凝土、泡沫鋁及泡沫彈性材料等,尤其對于多孔材料的孔隙率、孔徑、孔隙分布等對材料宏觀性能的影響較為關(guān)注.通過對國外文獻[1-8]的閱讀發(fā)現(xiàn),孔隙率會在極大程度上影響泡沫混凝土的抗壓強度,并表現(xiàn)為隨著孔隙率的增加而減少.He等[9]研究表明,孔徑大小及其分布會在很大的程度上影響材料的物理和機械性能.Hilal等[10]認為較高的孔隙體積會導(dǎo)致更大程度的孔隙合并,使得孔徑較大且強度較低.Nambiar等[11]通過探究孔隙尺寸等因素對強度的影響,發(fā)現(xiàn)孔隙尺寸較小的材料強度更高.Nguyen等[12]提出了一種數(shù)值與實驗相結(jié)合的方法來表征泡沫混凝土的力學(xué)行為,研究表明孔隙分布對材料承載力的影響較小.李志斌等[13]認為,密度對閉孔泡沫鋁的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有明顯影響,較大密度的泡沫鋁,其屈服應(yīng)力及平臺應(yīng)力都較大.Su等[14]研究發(fā)現(xiàn),隨著孔隙率的增加,其彈性模量、極限抗壓強度等均會降低.金屬多孔材料的壓縮性能與其優(yōu)良的能量吸收性能相關(guān)[15].王展光等[16]研究了泡沫鋁的壓縮屈服強度和吸能性能,發(fā)現(xiàn)壓縮強度隨著孔隙率的減小而增大,吸能能力隨著孔隙率的減小而增強.Zhu等[17]研究了PMMA微孔泡沫材料的靜態(tài)抗壓強度.發(fā)現(xiàn)孔隙率對其靜態(tài)抗壓強度影響最大.Zhang等[18]研究發(fā)現(xiàn)降低泡沫材料孔隙率或減少孔徑尺寸都可以增大其抗壓強度.Kozowski等[19]在研究凍融循環(huán)對泡沫混凝土的強度影響時發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過凍融循環(huán)后，泡沫混凝土的強度降低約15%.Tikalsky等[20]在對泡沫混凝土進行凍融循環(huán)試驗后發(fā)現(xiàn),泡沫混凝土孔徑增加,其抵抗凍融循環(huán)能力增強,分析其原因在于氣孔為水轉(zhuǎn)化成冰所產(chǎn)生的體積膨脹提供了緩沖空間,因此若水未能在結(jié)冰前充滿孔隙,則凍融循環(huán)對材料的破壞效果可以忽略不計.

由于孔隙結(jié)構(gòu)形態(tài)分布極為復(fù)雜,在實驗過程中,準(zhǔn)確反映這些孔隙結(jié)構(gòu)對其破壞形式的影響具有一定困難.因此利用數(shù)字圖像處理技術(shù),依據(jù)圖像提供的骨料真實幾何形狀與位置信息建立數(shù)值模型,研究多孔材料的內(nèi)部孔隙的細觀特征以及其非均勻性對宏觀性能的影響,是研究多孔材料內(nèi)部復(fù)雜力學(xué)行為的一種重要方法.張后全等[21]利用RFPA2D研究了布孔方式等因素對材料宏觀力學(xué)的影響,發(fā)現(xiàn)孔洞的存在雖然會降低材料的強度,但同時可以增加材料的韌性,從而會改變材料的宏觀力學(xué)特性.Zhao等[22]在Balshin模型的基礎(chǔ)上,創(chuàng)建了高孔隙率泡沫混凝土的抗壓強度預(yù)測模型,發(fā)現(xiàn)其抗壓強度會隨著干密度與固體密度之比的增加而增加.但是對于多孔材料細觀結(jié)構(gòu)對其破裂過程影響的模擬研究尚不多見.

本文選擇金尾礦按照不同的摻量與頁巖和珍珠巖混合作為原料，經(jīng)過1 130～1 150 ℃高溫?zé)频玫娇讖骄鶆蚯医Y(jié)構(gòu)較為密實的輕型多孔陶瓷材料.通過試驗,對兩種孔隙結(jié)構(gòu)不同的蝕變型金尾礦制備的多孔材料的力學(xué)性能和耐久性進行了分析,并利用數(shù)字圖像技術(shù)和大規(guī)模并行計算,通過構(gòu)建可以反映多孔材料內(nèi)部孔隙的三維非均勻數(shù)值模型,對兩種材料的破裂機理進行了分析,為深入認識尾礦多孔陶瓷材料[23]的性能提供理論和實驗基礎(chǔ).

1 試驗準(zhǔn)備及試驗方案

試驗采用的金尾礦采自河北省某尾礦庫中處理達標(biāo)的某蝕變巖型金尾礦.將金尾礦與頁巖和珍珠巖等進行混合并在1 130～1 150 ℃高溫?zé)?經(jīng)過一段時間的保溫后,將其自然冷卻得到兩種孔結(jié)構(gòu)不同的樣品,如圖1所示.

圖1 尾礦陶瓷材料

樣品尺寸均為50 mm×50 mm×100 mm.首先對兩種不同孔徑材料的基本物理參數(shù)進行測定.使用101-2AB電熱鼓風(fēng)干燥箱,在105 ℃的條件下對試件進行了48 h干燥處理,自然冷卻后,通過JEA10001電子天平對材料質(zhì)量進行測量.將干燥后的試塊放入DZF型真空抽氣機中,使試件完全泡水并且水面沒過巖石上表面至少2 cm,將容器密封好后,以-0.1 MPa的真空值對其進行12 h的真空飽和至容器內(nèi)無氣泡產(chǎn)出,將試件從容器中取出,并擦凈表面水分,放至電子天平測量飽水質(zhì)量.通過試件干燥及飽水質(zhì)量,計算得出材料的飽和密度以及飽水率,將平均孔徑與孔隙率都比較大的定義為材料2,將平均孔徑與孔隙率相對較小的定義為材料1.結(jié)果如表1所示.

兩種材料孔隙結(jié)構(gòu)顯微觀察如圖2所示.利用ImageJ對兩種材料進行的孔徑統(tǒng)計如圖3所示.通過顯微觀察以及統(tǒng)計圖可以發(fā)現(xiàn),材料1的孔隙基本為密閉孔,內(nèi)部孔徑尺寸大多集中在0.75～1.25 mm之間,孔隙之間不連通,孔壁較厚且均勻,孔壁上分布的孔隙相對較少,孔壁相對平滑;材料2內(nèi)部孔徑尺寸大多集中在2.75～3.75 mm 之間,孔徑較大,孔壁較薄且不均勻,孔隙基本為通孔且孔壁上還存在一些大小不等的微孔,這些微孔相互獨立使得孔壁相對粗糙.

表1 兩種多孔材料的物理參數(shù)

圖2 孔隙結(jié)構(gòu)顯微觀察

圖3 兩種材料的孔徑分布

采用由荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的MPDDY2094型X射線衍射儀對材料進行XRD物相分析,并用MDI Jade6對衍射圖譜進行分析,結(jié)果如圖4所示.材料1的主要礦物成分為石英(SiO2),赤鐵礦(Fe2O3);材料2的主要礦物成分為石英(SiO2),透輝石(CaMgSi2O6)以及氫化鈣(CaH2).

圖4 兩種材料XRD衍射圖譜

為獲得材料的力學(xué)性能和耐久性,分別開展單軸抗壓試驗和凍融循環(huán)試驗.每種多孔材料至少選用3塊試件進行標(biāo)準(zhǔn)抗壓試驗，為減少誤差,當(dāng)某組試驗數(shù)據(jù)離散型較大時,再增加試件進行補充試驗.在試樣與壓力機接觸的上下表面涂抹凡士林耦合劑以減小端部效應(yīng).采用東北大學(xué)巖石力學(xué)失穩(wěn)實驗室3 000 kN巖石剛度試驗機對材料進行單軸壓縮試驗,以0.002 mm/s的加載速率，并以位移加載的方式對試件進行加載,直至試件破壞.

凍融循環(huán)試驗采用天津港源機械廠有限公司生產(chǎn)的HDD混凝土快速凍融試驗機.凍融試驗分為兩組,每種多孔材料取4個試塊,設(shè)定循環(huán)溫度為-20 ℃～20 ℃,循環(huán)周期為4 h,設(shè)定凍融循環(huán)次數(shù)為10次.凍融循環(huán)完成后,取出試件并放入鼓風(fēng)干燥機中烘干后,進行單軸壓縮試驗.

2 試驗結(jié)果分析

2.1 孔結(jié)構(gòu)對力學(xué)性能的影響

兩種材料在單軸壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示.可以看到孔隙結(jié)構(gòu)對材料的抗壓強度變形特性有顯著影響.材料1是材料2單軸抗壓強度的5倍.材料1表現(xiàn)為典型的脆性破壞,而材料2表現(xiàn)為延性破壞.

圖5 兩種材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

兩種多孔材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在應(yīng)力爬升過程中存在起伏振蕩的現(xiàn)象.在壓縮過程中,應(yīng)力往往要經(jīng)歷幾個下降段之后才能攀升到最高值.多孔固體的相關(guān)理論認為多孔固體的壓縮是孔壁不斷屈服坍塌與密實化的過程,即應(yīng)力振蕩行為[24].在孔壁由承載到逐漸失穩(wěn)破壞的過程中,其微觀承載力是不斷下降的,當(dāng)大部分孔壁都在經(jīng)歷失穩(wěn)破壞的時候,將表現(xiàn)出宏觀上的應(yīng)力值下降.然而,隨著一部分孔被壓縮密實,應(yīng)力將完成重分布的過程,整個系統(tǒng)在新的平衡體系下獲得一定的承載能力,從而使宏觀上的應(yīng)力值重新上升.在新型多孔材料中,孔隙的填充物分為空氣與多孔材料顆粒.由于多孔材料顆粒對孔壁的穩(wěn)定有一定的支持作用,孔壁的坍塌相對于孔隙要晚一些.因此孔壁坍塌與密實化是分批進行的,從而導(dǎo)致了應(yīng)力的波動.

在加載的初期階段,兩種材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出線性增大的趨勢,當(dāng)試件達到極限強度后,由于材料之間微裂紋不斷發(fā)展,材料的破壞逐漸演化成局部失穩(wěn)破壞,在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為應(yīng)力值迅速下降.與材料1不同的是,材料2在達到峰值強度后應(yīng)力未出現(xiàn)大幅度下降,反而保持了較長的應(yīng)力平臺,分析原因可能是由于材料2的孔隙率較大,且孔壁上存在較多微孔.在壓縮過程中孔隙被壓密,使得試件產(chǎn)生相應(yīng)變形壓縮消除局部失穩(wěn),而在材料剩余剪切帶中的基質(zhì)發(fā)生摩擦和互鎖使得承載力仍然存在[25].

對比圖6中兩條裂紋,可以發(fā)現(xiàn)隨著孔徑與孔隙率的增加,破壞的初始應(yīng)變和屈服平臺都會逐漸增加,即試件孔隙越大,材料內(nèi)孔隙的含量越多,壓密階段對應(yīng)的應(yīng)變越大,材料抵抗壓縮變形的能力越好,對能量的吸收能力就更強.但隨著孔徑的增加,孔含量在材料中占比過大,加載過程中材料的孔隙就越容易出現(xiàn)貫通裂紋而破壞.因此少量的單元破壞就足以導(dǎo)致試件整體發(fā)生失穩(wěn),表現(xiàn)為材料的極限抗壓強度降低.兩種材料的破壞模式均為典型的拉破壞模式.不同之處在于材料1的破壞形式是從試件內(nèi)部出現(xiàn)豎向裂縫,材料上下表面不產(chǎn)生破壞;而材料2則從頂部和底部發(fā)生崩裂(材料2部分被壓成殘渣而缺失).

圖6 兩種多孔材料的破壞模式

當(dāng)多孔材料受到外部壓力時,外力所做的功或者說是由于多孔材料內(nèi)部顆粒之間的相互擠壓產(chǎn)生的壓縮能量會轉(zhuǎn)化為兩種多孔材料的形變能.在應(yīng)力-應(yīng)變曲線中,兩種材料在承受荷載時,試件受壓吸收的能量為多孔材料承受壓縮荷載開始直至壓縮到完全密實狀態(tài)下壓縮曲線與坐標(biāo)軸之間所包含的面積,兩種材料的吸能曲線如圖7所示.盡管材料2的抗壓強度較低,但由于材料2孔壁以看出,所提方法和試驗結(jié)果具有較好的一致性,相對誤差在6%以內(nèi).同時,隨著氣隙厚度的增加,傳遞轉(zhuǎn)矩不斷降低,這是因為氣隙厚度的增大導(dǎo)致磁場的減弱.

圖7 兩種多孔材料的吸能曲線

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2.2 孔隙結(jié)構(gòu)對抗凍性能的影響

兩種材料在±25 ℃范圍內(nèi)凍融循環(huán)10次后,在單軸壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示.可以看到材料1凍融循環(huán)后應(yīng)力-應(yīng)變曲線壓密段坡度較未凍融前趨于平緩,這是由于凍融過程中,進入孔隙中的水凝結(jié)成冰時體積增加,導(dǎo)致材料的初始孔徑增大,造成壓密段變長.材料2在經(jīng)過凍融循環(huán)后,單軸抗壓的峰值強度有所降低,但材料1的單軸抗壓的峰值強度不降反增.這可能是由于材料1內(nèi)的孔以閉孔為主,且孔徑較小(見圖2),在凍融循環(huán)中,凍脹力使材料的孔洞之間形成貫通損傷帶,孔洞發(fā)生塌縮,破碎顆粒填充了孔洞所在的位置[26],從而抑制該區(qū)域內(nèi)進一步損傷;而材料2以開孔為主(見圖2),在凍融循環(huán)中,凍脹力使得材料內(nèi)的孔洞產(chǎn)生貫通的損傷帶后,由于材料2內(nèi)存在大量通孔,且孔徑較大,凍脹產(chǎn)生的破碎顆粒通過孔逐級掉落,無法填充孔洞所在位置,因此材料2在經(jīng)過凍融循環(huán)后的極限抗壓強度有所降低.

圖8 兩種材料凍融循環(huán)后應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 不同孔隙結(jié)構(gòu)多孔材料的裂紋擴展特征

由于試驗過程中無法對兩種材料在壓縮過程中裂紋擴展過程進行直接觀察,為討論不同孔隙結(jié)構(gòu)多孔材料的裂紋擴展特征,采用數(shù)字圖像處理方法對多孔材料進行孔隙結(jié)構(gòu)識別,利用RFPA3D-CT并行計算軟件[27]對單軸受壓條件下兩種材料的裂紋擴展過程進行模擬.數(shù)值模型尺寸與物理實驗的試樣尺寸相同,均為50 mm×50 mm×100 mm長方體試件,模型劃分為50×50×100個單元.采用位移加載,加載速率為0.002 mm/步.兩種材料的細觀基質(zhì)參數(shù)見表2.

表2 數(shù)值模型參數(shù)

圖9,圖10為兩種多孔材料在單軸受壓條件下的裂紋擴展過程.由圖9可以看到,材料1的裂紋首先出現(xiàn)在試樣上下兩個表面,隨著荷載的增加,頂部裂紋逐漸向下擴展,底部裂紋逐漸向上擴展,最終逐漸連接貫通為一條貫穿試樣的主裂紋和一條次裂紋,試樣發(fā)生典型的拉破壞.

由圖10可以看到,由于材料2的孔隙率大,內(nèi)部隨機分布有大量開孔且孔壁更薄,隨著壓力增加,大量微裂紋同時出現(xiàn),微裂紋在壓縮過程中不斷發(fā)展貫通,最終主裂紋附近會伴隨大量次生裂紋,材料破壞時其破碎程度大.

圖9 材料1在單軸壓縮下的裂紋擴展

圖10 材料2在單軸壓縮下的裂紋擴展

4 結(jié) 論

1) 孔結(jié)構(gòu)對于多孔材料的力學(xué)性能有顯著影響.較大的孔隙率除了顯著降低材料的抗壓強度外,材料的脆性特征顯著下降,受壓過程中的變形顯著增大,破壞的漸進性顯著增強,從而使材料的吸能性能顯著提高.

2) 在±25 ℃范圍內(nèi)凍融循環(huán)10次條件下的試驗結(jié)果表明,當(dāng)多孔材料的孔隙率較小且為閉孔結(jié)構(gòu)時,孔洞因凍融造成的孔壁顆粒脫落填塞而造成材料的抗凍性能有所增加.

3) 孔隙率較小時,多孔材料在單軸壓縮下的裂紋擴展主要從試件兩端向試件中部擴展貫通為一條連續(xù)主拉裂紋,次生裂紋較少;而孔隙率較大時,壓縮過程會出現(xiàn)大量微裂紋,最終主裂紋附近會伴隨大量次生裂紋,材料破壞時更為破碎.