高流態(tài)地質(zhì)聚合物混凝土的高應變率動態(tài)壓縮變形特性＊

羅 鑫，許金余，2，蘇灝揚，李為民，白二雷

（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）

地質(zhì)聚合物（geopolymer concrete，GC）［1］是一種由堿激發(fā)硅鋁質(zhì)材料而形成的膠凝材料，其主要原材料有偏高嶺土、火山灰、粉煤灰和硅灰等。GC由于具有特殊的無機縮聚三維氧化物網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)［2］，具有比陶瓷、水泥和金屬等更優(yōu)異的性能，如高耐久性［3－4］和高體積穩(wěn)定性［5－7］等。混凝土材料應用的主流方向：一是綠色［8］，主要特征體現(xiàn)為盡可能多地采用工業(yè)固體廢渣，減少水泥熟料的用量，減少環(huán)境負荷，促進可持續(xù)發(fā)展，因此，采用粉煤灰和礦渣這2種主要工業(yè)固體廢渣制備GC的研究備受關(guān)注；二是高性能［9］，包含高耐久性、高體積穩(wěn)定性和高工作性（主要表現(xiàn)為高流態(tài)），對于GC而言，前2項指標易于滿足，但對于高流態(tài)卻是難以實現(xiàn)，為突破應用瓶頸，開展高流態(tài)地質(zhì)聚合物混凝土（highly －fluidized geopolymer concrete，HFGC）的性能測試顯得尤為重要。此外，混凝土結(jié)構(gòu)除了用于承受正常設計載荷外，往往還要承受各種變化急劇的強動載荷，如爆炸和沖擊作用等，混凝土材料的動態(tài)力學性能方面的研究具有重要的指導意義，相關(guān)的實驗成果可為建立動態(tài)本構(gòu)模型和開展數(shù)值模擬提供動力響應數(shù)據(jù)，目前對于GC的動態(tài)力學性能［10－11］研究的報道較少。

基于此，本文中，以礦渣、粉煤灰為原材料，以NaOH、Na2CO3為堿激發(fā)劑，基于礦渣粉煤灰基地質(zhì)聚合物材料的強度體系［12］制備強度等級為C30的HFGC，并采用經(jīng)波形整形技術(shù)改進后的?100mm SHPB系統(tǒng)［13］對HFGC開展高應變率動態(tài)壓縮實驗，分析GC的變形特性。

1 HFGC試樣

1.1 原材料

粉體材料：水淬高爐礦渣，其比表面積為491.6m2/kg，28d活性指數(shù)≥95%，該礦渣中SiO2的質(zhì)量分數(shù)為29.2%，Al2O3的質(zhì)量分數(shù)為19.4%，F(xiàn)e2O3的質(zhì)量分數(shù)為5.8%，CaO 的質(zhì)量分數(shù)為38.6%，Na2O的質(zhì)量分數(shù)為0.2%，TiO2的質(zhì)量分數(shù)為0.6%，MgO的質(zhì)量分數(shù)為2.8%，K2O的質(zhì)量分數(shù)為0.1%，SO3的質(zhì)量分數(shù)為2.6%；一級粉煤灰，其中SiO2的質(zhì)量分數(shù)為45.8%，Al2O3的質(zhì)量分數(shù)為21.4%，F(xiàn)e2O3的質(zhì)量分數(shù)為12.6%，CaO的質(zhì)量分數(shù)為13.7%，Na2O的質(zhì)量分數(shù)為1.1%，TiO2的質(zhì)量分數(shù)為0.2%，MgO的質(zhì)量分數(shù)為1.3%，K2O的質(zhì)量分數(shù)為1.8%，P2O5的質(zhì)量分數(shù)為0.1%，SO3的質(zhì)量分數(shù)為1.9%。

堿激發(fā)劑制備原料：NaOH（NH），片狀，分析純，質(zhì)量純度≥99.0%；Na2CO3（NC），粉狀，分析純，質(zhì)量純度≥99.8%；外加劑：自行試配得到的白色無機物，在制備的堿激發(fā)劑中其質(zhì)量分數(shù)均為0.4%；自來水。

骨料：石灰?guī)r碎石，其中粒徑為5～10mm的石灰?guī)r碎石質(zhì)量分數(shù)約為15%，粒徑為10～20mm的石灰?guī)r碎石質(zhì)量分數(shù)約為85%；灞河中砂，細度模數(shù)為2.8。

1.2 制備方法

按照SEC施工法的技術(shù)要求［14］，將原料混合，攪拌均勻后裝入試模成型，室溫暴露24h后拆模，立即進行標準養(yǎng)護（T＝（20±2）℃，相對濕度＞95%）；28d后取出，進行切割、水磨加工，以保證試件的平面度、光潔度及垂直度在標準范圍內(nèi)。本文中用于SHPB實驗的圓柱形試件幾何尺寸約為?95mm×50mm。

1.3 基本性能

凝結(jié)硬化特性：采用調(diào)整水量法測得標準稠度用水質(zhì)量分數(shù)為28%，測定的初凝時間為170min，終凝時間為8h。對照標準［15］可知，普通硅酸鹽水泥的初凝時間不得早于45min，終凝時間不得遲于10h。由此可知，該新型膠凝材料的凝結(jié)時間正常，滿足施工要求。

和易性：對新拌混凝土進行坍落度實驗，測試結(jié)果為188mm，達到大流動性混凝土的要求［15］，而且未觀察到分層、離析和泌水現(xiàn)象，黏聚性和保水性得到了保證。

準靜態(tài)力學性能：對HFGC試樣開展準靜態(tài)力學實驗［15］，得到其準靜態(tài)抗壓強度為42.89MPa，說明制得的HFGC達到C30混凝土的要求。

2 測試方法

2.1 基本介紹

利用?100mm SHPB實驗裝置［13］對制得的HFGC進行高應變率力學性能測試。用于測試脆性材料的大直徑SHPB實驗存在以下缺點［16］：慣性效應、端面摩擦效應、彌散效應明顯；應力均勻性難以得到滿足；恒應變率加載困難。通過以下手段解決這些問題：試件長徑比為0.5左右［17］；在試件和壓桿的端面均勻地涂抹上一層石墨與潤滑劑的混合物［18］；采用波形整形技術(shù)［19］降低彌散效應，同時通過技術(shù)參數(shù)的控制實現(xiàn)應力均勻和恒應變率加載。采用圓形H62黃銅片作為整形器材料，厚度均為1mm，直徑分別為20、22、25、27和30mm，整形后應力波形的前沿升時在200μs以上，遠高于傳統(tǒng)矩形波的前沿升時（70μs左右），保證了試件內(nèi)部在破壞之前有足夠長的時間達到應力均勻。

在射彈幾何形狀和尺寸以及整形器材料確定的前提下，影響SHPB實驗恒應變率加載的因素［20］主要是射彈速度v和整形器直徑d，且v和d只能對應于一個最佳近似恒應變率，而且對于不同的實驗對象，存在不同的對應關(guān)系。

圖1 典型的應變率時程曲線Fig.1Typical strain rate －time curves

2.2 數(shù)據(jù)處理

利用桿件上的應變片可記錄入射脈沖εi、反射脈沖εr及透射脈沖εt，其中εi－εr即為作用于試樣上的沖擊脈沖。基于平面假設和應力均勻假設，利用一維應力波理論［21］，可以將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為試件的應變率（t）、應力σs（t）和應變εs（t）：

式中：E為桿的彈性模量；c為桿中波速；A和As分別為桿和試件的橫截面積；ls為試件的初始長度。

3 結(jié)果與討論

在準靜態(tài)載荷作用下，試件直接進入彈性階段，隨著荷載的增加，內(nèi)部的裂紋越來越多，并由內(nèi)而外不斷擴展、貫通，形成可見裂縫，最終導致試件完全破壞。在高應變率載荷作用下，試件首先要經(jīng)歷一個壓實擠密階段，該階段往往持續(xù)0～120μs，之后進入穩(wěn)定的彈性階段，直至峰值，最后進入軟化、屈服階段，整個過程伴隨著不同形式的內(nèi)部微損傷演化，并由此最終導致材料破壞。試件的典型破壞形態(tài)［22］如圖2所示。

圖2 典型的破壞形態(tài)［22］Fig.2Typical facture morphology［22］

由圖2可知，在10～100s－1的應變率范圍內(nèi)，隨著應變率的升高，試件的破壞形態(tài)依次為無可見破損、出現(xiàn)邊裂、留芯、破碎和粉碎。各種形式的動態(tài)破壞實際上并非一個簡單的瞬時響應，而是一個包含不同形式的損傷演化、以一定速率發(fā)展的動態(tài)過程。試件的破碎程度隨著應變率的升高而增大，這表明，HFGC為應變率敏感材料。

不同應變率下，HFGC試樣的應力應變曲線［22］如圖3所示。高應變率下，HFGC試樣典型的應力應變曲線如圖4所示。

圖3 不同應變率下HFGC試樣的應力應變曲線Fig.3Stress －strain curves of HFGC specimens at different strain rates

圖4 高應變率下HFGC試樣典型的應力應變曲線Fig.4Typical stress －strain curve of HFGC specimens at high strain rate

從圖4可以看出，對應于試件破壞的3個階段，應力應變曲線可劃為3個階段。

（1）AB階段，即壓實擠密階段，應力應變曲線呈上凹型，這是因為HFGC成分復雜，在其成型過程中內(nèi)部包含了大量的微裂隙、微孔洞等缺陷，這些缺陷在高應變率作用下發(fā)生坍塌閉合。

（2）BC階段，即彈性階段，應力應變曲線基本呈直線，若在這一階段卸載，應變可恢復，在該階段描述其變形特性常用泊松比和彈性模量。

（3）CD階段，即軟化、屈服階段，C點稱為HFGC的屈服點。當應力超過C點，隨著應力的增加，曲線呈下凹型，進入該階段后，試樣將發(fā)生不可逆的塑性變形。從圖3［22］可知，該階段很短，有的直接進入峰值點，如＝66.03s－1時的應力應變曲線表現(xiàn)出了明顯的脆性破壞特征。由此可知，HFGC與普通混凝土類似，同屬脆性材料。

圖5 峰值應變隨平均應變率的變化Fig.5Peak strain varied with mean strain rate

定義峰值應變εc為HFGC試件達到應力達到峰值時對應的應變，分析該應力應變曲線中εc和E的變化規(guī)律，更全面地探討GC的變形特性。

由圖3［22］可知，在10～100s－1的應變率范圍內(nèi)，HFGC的εc為（0.4～0.7）%，與其在準靜態(tài)下的εc，q相比有了大幅度的提升，體現(xiàn)了明顯的沖擊韌化效應［23］，圖5展示了峰值應變εc隨平均應變率的變化規(guī)律。

由圖5可知，εc表現(xiàn)出了顯著的應變率相關(guān)性，隨應變率的升高而先增大，但達到某一應變率時（定義該應變率為材料變形時的應變率閾值），反而隨著應變率的升高而減小，滿足二次函數(shù)關(guān)系：

這與董毓利等［24］、J.W.Tedasco等［25］研究普通混凝土時所得到的結(jié)果一致，反映了混凝土類材料的共性。由式（4）可知，變形特性變化的臨界應變率為66.7s－1。其原因在于：一方面，微裂隙、微孔洞等損傷的產(chǎn)生和演化將導致材料的軟化［26］，在高應變率作用下，HFGC內(nèi)部的損傷演化加劇，大量微缺陷的擴展形成損傷峰值應變過程區(qū)，增加能量耗散，推遲裂紋的不穩(wěn)定擴展，因此在受載過程中表現(xiàn)出損傷軟化，可提高韌性，即峰值應變εc增大；另一方面，一般應變率敏感的均勻材料在沖擊壓縮下表現(xiàn)出應變隨應變率的升高而減小的現(xiàn)象，即所謂的動脆現(xiàn)象［27］。

因此，GC在高應變率下的變形特性是損傷軟化和動脆現(xiàn)象［27］這2種效應組合作用的結(jié)果。在＜66.7s－1時，損傷軟化起主體作用，εc隨應變率的升高而增大；而在＞66.7s－1時，以動脆現(xiàn)象為主，損傷軟化為輔，εc隨著應變率的升高而減小。

圖6 彈性模量隨平均應變率的變化Fig.6Elastic module varied with mean strain rate

對普通混凝土而言，目前有關(guān)彈性模量隨應變率的變化規(guī)律的研究結(jié)論不一致。P.Sukontasukkul 等［28］和 I.E.Shkolnik［29］在實驗中發(fā)現(xiàn)，隨著應變率的升高，普通混凝土的彈性模量增大。W.H.Dilger等［30］認為應變率對彈性模量沒有影響。圖6給出了HFGC的彈性模量與平均應變率的對應關(guān)系。

由圖6可知，高應變率下HFGC的彈性模量均低于其在準靜態(tài)下的彈性模量，但E隨著應變率的升高而變化的規(guī)律性不明顯。

4 結(jié) 論

運用波形整形技術(shù)改進了?100mm SHPB實驗裝置，通過參數(shù)控制保證了應力均勻和恒應變率加載，并基于此測試了HFGC的變形特性。

（1）HFGC屬于應變率敏感材料和脆性材料。

（3）高應變率下，HFGC的典型應力應變曲線可分為壓實擠密階段、彈性階段和軟化、屈服階段。

（4）在10～100s－1的應變率范圍內(nèi)，HFGC的εc與其在準靜態(tài)下的εc，q相比有了大幅度的提升，體現(xiàn)了明顯的沖擊韌化效應。

（5）HFGC的εc隨應變率的升高而先增大后減小，滿足二次函數(shù)關(guān)系εc＝－1.2×10－6＋1.6×10－4＋0.001 7，HFGC變形特性變化的臨界應變率為66.7s－1。

（6）HFGC的動態(tài)彈性模量均低于其在準靜態(tài)下的彈性模量。

［1］ Davidovits J.Geopolymers and geopolymeric materials［J］.Journal of Thermal Analysis and Calorimetry，1989，35（2）：429 －441.

［2］ Roy D M.New strong cement materials：Chemically bonded ceramics［J］.Science，1987，235（4789）：651 －658.

［3］ Miranda J M，F(xiàn)ernández －Jiménez A，González J A，et al.Corrosion resistance in activated fly ash mortars［J］.Cement and Concrete Research，2005，35（6）：1210 －1217.

［4］ Bakharev T.Durability of geopolymer materials in sodium and magnesium sulfate solutions［J］.Cement and Concrete Research，2005，35（6）：1233 －1246.

［5］ Davidovits J.Geopolymers：Inorganic polymeric new materials［J］.Journal of Thermal Analysis and Calorimetry，1991，37（8）：1633 －1656.

［6］ Davidovits J.Properties of geopolymer cements［C］∥First International Conference on Alkaline Cements and Concretes.1994：131 －149.

［7］ Palomo A，Maclas A，Blaneo M T，et al.Physical chemical and mechanical characterization of geopolymers［C］∥Proceedings of the 9th International Congress on the Chemistry of Cement.1992：505 －511.

［8］ 吳中偉.綠色高性能混凝土與科技創(chuàng)新［J］.建筑材料學報，1997（6）：3 －9.

［9］ 清華大學老科技工作者協(xié)會，北京交通大學土建學院.CECS207：2006高性能混凝土應用技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國計劃出版社，2006：2.

［10］ 許金余，李為民，范飛林，等.地質(zhì)聚合物混凝土的沖擊力學性能研究［J］.振動與沖擊，2009，28（1）：46 －51.Xu Jin －yu，Li Wei －min，F(xiàn)an Fei －lin，et al.Study on mechanical properties of geopolymeric concrete under impact loading［J］.Journal of Vibration and Shock，2009，28（1）：46 －51.

［11］ 李為民，許金余.玄武巖纖維對混凝土的增強和增韌效應［J］.硅酸鹽學報，2008，36（4）：476 －481.Li Wei －min，Xu Jin －yu.Strengthening and toughening in basalt fiber －reinforced concrete［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2008，36（4）：476 －481.

［12］ Luo Xin，Xu Jin －yu，Bai Er －lei，et al.Systematic study on the basic characteristics of alkali －activated slag －fly ash cementitious material system［J］.Construction and Building Materials，2012，29：482 －486.

［13］ Li Wei －min，Xu Jin －yu.Impact characterization of basalt fiber reinforced geopolymeric concrete using a 100 －mmdiameter split Hopkinson pressure bar［J］.Materials Science and Engineering：A，2009，513 －514：145 －153.

［14］ 蔡瑞環(huán)，歐陽東，黃華縣，等.攪拌工藝對混凝土強度及氯離子滲透性影響實驗研究［J］.水運工程，2008（3）：9 －13.Cai Rui －h(huán)uan，Ouyang Dong，Huang Hua －xian，et al.Experimental study on influence of chloride ion’s permeability and strength of concrete by different mixing technologies［J］.Port and Waterway Engineering，2008（3）：9 －13.

［15］ 湖南大學，天津大學，同濟大學，等.土木工程材料［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002：90 －101.

［16］ 陶俊林.SHPB實驗技術(shù)若干問題研究［D］.北京：中國工程物理研究院，2005：21 －29.

［17］ Lok T S，Li X B，Liu D，et al.Testing and response of large diameter brittle materials subjected to high strain rate［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2001，14（3）：262 －269.

［18］ 胡澤斌，許金余，彭高豐，等.沖擊荷載作用下聚苯乙烯混凝土的吸能特性［J］.硅酸鹽學報，2010，38（7）：1173 －1178.Hu Ze －bin，Xu Jin －yu，Peng Gao －feng，et al.Energy －absorption property of expanded polystyrene concrete under impact［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2011，38（7）：1173 －1178.

［19］ Frew D J，F(xiàn)orrestal M J，Chen W.Pulse shaping techniques for testing brittle materials with a split Hopkinson pressure bar［J］.Experimental Mechanics，2002，42（1）：93 －106.

［20］ Lee O S，Kim S H，Han Y H.Thickness effect of pulse shaper on dynamic stress equilibrium and dynamic deformation behavior in the polycarbonate using SHPB technique［J］.Journal of Experimental Mechanics，2006，21（1）：51 －60.

［21］ 王禮立.應力波基礎［M］.2版.北京：國防工業(yè)出版社，2005：30 －74.

［22］ 羅鑫，許金余，蘇灝揚，等.沖擊載荷下高流態(tài)地質(zhì)聚合物混凝土的強度特性［J］.建筑材料學報，2014，17（1）：72 －77.Luo Xin，Xu Jin －yu，Su Hao －yang，et al.Strength properties of highly fluidized geopolymer concrete under impact loading［J］.Journal of Building Materials，2014，17（1）：72 －77.

［23］ Bishcholf P H，Pery S H.Compressive behavior of concrete at high strain rates［J］.Material and Structure，1991，144（24）：425 －450.

［24］ 董毓利，謝和平，趙鵬.不同應變率下混凝土受壓全過程的試驗研究及其本構(gòu)模型［J］.水利學報，1997（7）：72 －77.Dong Yu －li，Xie He －ping，Zhao Peng.Experimental study and constitutive model on concrete under compression with different strain rate［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1997（7）：72 －77.

［25］ Tedasco J W，Ross C A.Strain －rate －dependent constitutive equation for concrete［J］.Journal of Pressure Vessel Technology，1998，120（4）：398 －405.

［26］ 余壽文，馮西橋.損傷力學［M］.北京：清華大學出版社，1997：319 －325.

［27］ 寧建國，商霖，孫遠翔.混凝土材料動態(tài)性能的經(jīng)驗公式、強度理論與唯象本構(gòu)模型［J］.力學進展，2006，36（3）：389 －405.Ning Jian －guo，Shang Lin，Sun Yuan －xiang.The research developments of dynamic constitutive relationship for concrete［J］.Advances in Mechanics，2006，36（3）：389 －405.

［28］ Sukontasukkul P，Nimityongskul P，Mindess S.Effect of loading rate on damage of concrete［J］.Cement and Concrete Research，2004，34（11）：2127 －2134.

［29］ Shkolnik I E.Effect of nonlinear response of concrete on its elastic modulus and strength［J］.Cement and Concrete Composites，2005，27（7/8）：747 －757.

［30］ Dilger W H，Koch R，Kowalczyk R.Ductility of plain and confined concrete under different strain rates［J］.ACI Journal，1984，81（1）：73 －81.