堿類型對地聚合物混凝土應變率效應 影響的對比研究*

羅 鑫，許金余,2,白二雷，李為民

(1.空軍工程大學工程學院機場建筑工程系，陜西 西安 710038; 2.西北工業(yè)大學力學與土木建筑學院，陜西 西安 710072; 3.廣州軍區(qū)空軍后勤部機場處,廣東 廣州 510052)

地聚合物[1-2]由于具有特殊的無機縮聚三維氧化物網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)[3]，因此具有高耐久性[4-5]、高體積穩(wěn)定性[6-8]等優(yōu)異性能。地聚合物的膠凝特性的產(chǎn)生來源于堿激發(fā)劑作用下的硅鋁質(zhì)材料，其中堿激發(fā)劑[9]的運用是最關(guān)鍵的技術(shù)，堿激發(fā)劑類型的選擇對地聚合物性能的影響至關(guān)重要。

地聚合物混凝土[10](geopolymer concrete, GC )是以地聚合物為主要膠凝材料制備得到的新型混凝土材料。國防應用中的混凝土結(jié)構(gòu)除了用于承受正常設計載荷外，還要承受各種變化急劇的強動載荷，因此對混凝土材料動態(tài)力學性能的研究備受關(guān)注。在動態(tài)力學性能描述中，應變率是一個重要的特征參量，目前的研究[11-13]表明, 應變率效應是指材料強度隨應變率變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。目前對于GC應變率效應[14]的研究較少，而有關(guān)堿激發(fā)劑類型對GC的應變率效應的研究尚屬空白，亟待相關(guān)實驗和理論研究。

本文中首先制備2種類型的堿激發(fā)劑：NS型激發(fā)劑，由NaOH和液體水玻璃復合組成；NN型激發(fā)劑，由NaOH和Na2CO3復合組成。然后分別激發(fā)礦渣和粉煤灰復合材料，得到強度等級均為C30的NS激發(fā)礦渣粉煤灰基地聚合物混凝土(NS-activated slag and fly ash based geopolymer concrete， NSSFGC)和NN激發(fā)礦渣粉煤灰基地聚合物混凝土(NN-activated slag and fly ash based geopolymer concrete， NNSFGC)，采用經(jīng)波形整形技術(shù)改進后的?100 mm SHPB實驗裝置開展2種GC的動態(tài)壓縮實驗，對比分析在沖擊荷載作用下的應變率效應。

1 實驗基本情況

GC的原材料包括：礦渣、粉煤灰、NaOH、液體硅酸鈉、Na2CO3、水、中砂和碎石。主要特性如下：

粉體材料：(1) 礦渣：陜西蒲城恒遠環(huán)保建材有限公司，比表面積≥400 m2/kg；(2) 粉煤灰：韓城電廠，F(xiàn)類(低鈣)級。

堿激發(fā)劑原料：(1) NaOH：東莞市喬聲電子科技有限公司，含量≥99.0%；(2) 液體硅酸鈉：南京合一化工廠，模數(shù)為3.0～3.3；(3) Na2CO3：天津市百世化工有限公司，白色粉狀，含量≥99.8%；(4) 水：飲用水。

骨料：(1)中砂：灞河中砂，細度模數(shù)為2.8；(2) 碎石：涇陽縣石灰?guī)r碎石，顆粒級配為5～10 mm約占15%、10～20 mm約占85%。

為保證實驗設計的科學性，以粉體材料(礦渣、粉煤灰)、骨料(中砂、碎石)、強度等級(C30)為不變量，以堿激發(fā)劑類型為變化因素。NSSFGC的堿激發(fā)劑類型為NS型，準靜態(tài)抗壓強度fs為44.1 MPa；NNSFGC的的堿激發(fā)劑類型為NN型，準靜態(tài)抗壓強度fs為42.9 MPa。

試件制備：按照“裹砂石法”的技術(shù)要求，將GC原料混合，攪拌均勻后裝入圓柱體試模成型，室溫暴露24 h后拆模，立即進行標準養(yǎng)護；根據(jù)研究需要取出，進行切割、水磨加工，得到實驗用圓柱形試件，幾何尺寸約為?95 mm×50 mm。

2 測試方法

2.1 SHPB實驗設備

GC的動態(tài)壓縮實驗依托?100 mm SHPB實驗裝置[15]進行，采用500 mm長的射彈。其中，壓桿的直徑為100 mm，輸入桿、輸出桿和吸收桿的長度分別為4.5、2.5和1.8 m，材料均為48CrMoA，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.25～0.3，密度7.85 g/cm3，如圖1所示。

圖1 ?100 mm SHPB實驗裝置Fig.1 ?100 mm SHPB experiment apparatus

2.2 波形整形技術(shù)

圖2 不同規(guī)格整形器下典型的入射波Fig.2 Typical incident wave under different pulse shapers

傳統(tǒng)的SHPB實驗方法用于混凝土等材料的動態(tài)力學測試時無法得到準確的沖擊力學特性參數(shù)，實驗方法需要改進，最常用的方法就是入射波整形技術(shù)[16-19]，即在入射桿前端面的中心位置粘貼一個整形器，可以達到改善入射波形的效果。本實驗中，采用圓形H62黃銅片作為整形器材料，厚度為1 mm，直徑d分別為20、22、25、27、30 mm。圖2展示了不同規(guī)格整形器狀態(tài)下典型的入射波。

由圖2可知，采用波形整形器消除了波形振蕩，得到類半正弦入射波，有學者從理論、實驗研究[20]和數(shù)值模擬[21]的角度出發(fā)，提出類三角形或者類半正弦形應力波能有效降低彌散效應，由此可見，波形整形技術(shù)的應用，得到了適合降低大直徑SHPB中彌散效應的特殊入射波。同時，波形整形器的應用，一方面拓寬了加載波的前沿升時，由傳統(tǒng)矩形波的69 μs左右到整形后200 μs以上，試件中應力應變在加載波的上升階段達到或接近均勻分布，另一方面，延長了試件破壞前的應力均勻狀態(tài)，而且有助于達到恒應變率加載的目的，如圖3所示。

圖3 應變率時程曲線Fig.3 The curves of strain rate vs time

2.3 數(shù)據(jù)處理

(1)

式中:E為桿的楊氏模量,c為桿中波速,A、As分別為桿、試件的橫截面積,ls為試件的初始厚度,τ1、τ2分別為反射波、透射波相對于入射波的時間延遲。

3 應變率效應

混凝土類材料的應變率效應是指材料強度隨著應變率變化而變化的現(xiàn)象，為探求GC的應變率效應，分析峰值應力的變化規(guī)律并進行對比研究。圖4中給出了GC的峰值應力fd和應變率的關(guān)系。

圖4 fd和應變率的關(guān)系Fig.4 The relationship between fd and strain rates

由圖4可知，2種類型的GC的峰值應力均隨著應變率的增加而增大，表現(xiàn)了明顯的應變率效應，這說明，GC為應變率敏感材料。

為對比分析GC的應變率效應，定義動態(tài)增長因子(dynamic increase factor)ξ為fd和準靜態(tài)抗壓強度fs的比值，該參數(shù)是反映沖擊荷載下材料強度增幅的指標

(2)

當實驗對象為NSSFGC時，動態(tài)增長因子用ξs表示；當實驗對象為NNSFGC時，動態(tài)增長因子用ξn表示。

(3)

(4)

圖5 ξ隨的變化規(guī)律Fig.5

P.H.Bishcholff等[23]和J.W.Tedesco等[24]對普通混凝土動態(tài)力學性能進行了系統(tǒng)、深入的研究，在對大量實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析的基礎上提出，普通混凝土材料在10～102s-1應變率范圍內(nèi)的動態(tài)增長因子可由平均應變率的對數(shù)線性表示，當應變率超過某一臨界應變率時，強度將大幅提高，本實驗得到的HFGC的強度特性的定性趨勢與普通混凝土一致，反映了混凝土類材料的通性。

這些均有助于應力從加載位置向內(nèi)部高效傳遞，從而可以更快、更好地發(fā)揮在沖擊荷載作用下的整體強度特性。

對比NSSFGC和NNSFGC的應變率效應可知，NNSFGC的應變率敏感性明顯強于NSSFGC，這主要基于一下幾點：

由此可見，堿激發(fā)劑類型對GC的應變率效應的影響很大，在應用時應根據(jù)具體要求慎重選擇合適的堿激發(fā)劑。若是應用在動荷載作用明顯的工程中，最好選用NN型激發(fā)劑，而且通過對GC應變率效應的對比分析，可以看出，GC的堿激發(fā)劑來源廣泛，盡管存在共性，但差異點更為明顯，對GC性能的研究應注明具體原材料，不能一概而論，尤其是建立動態(tài)本構(gòu)模型時，應變率敏感閾值不同，導致本構(gòu)模型的區(qū)段劃分也是不一致的。

4 結(jié) 論

采用經(jīng)波形整形技術(shù)改進后的?100 mm SHPB實驗裝置對強度等級均為C30的NSSFGC和NNSFGC進行了動態(tài)壓縮實驗，分析了在沖擊荷載作用下的破壞形態(tài)、強度特性的應變率效應，并進行了對比研究。主要結(jié)論如下：

(1)NNSFGC和NSSFGC的峰值應力隨著應變率的增加而越大，這表明，GC為應變率敏感材料；

(2) 在動態(tài)壓縮狀態(tài)下， 51.82和28.89 s-1分別為NSSFGC和NNSFGC的應變率敏感閾值；

(3)GC具備獨特的無機縮聚三維氧化物網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、與粗骨料間優(yōu)異的界面粘結(jié)性能，使其應變率敏感性強于普通混凝土；

(4)NN型激發(fā)劑更有利于發(fā)揮GC的整體強度特性；

(5)NNSFGC的應變率敏感性明顯強于NSSFGC。

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