溫度、應變率對地質聚合物混凝土抗壓強度的影響

王志坤，許金余，2，范建設，苗華東，劉遠飛

（1．空軍工程大學 機場建筑工程系，西安 710038；2．西北工業大學 力學與土木建筑學院，西安 710072；3．中國航空港建設第九工程總隊，四川 新津 611430）

地質聚合物［1－6］是近30年來發展起來的一種新型無機聚合鋁硅酸鹽材料，主要由一種或多種礦物材料經澆筑或壓制成型，在較低溫度下發生聚合反應，形成以共價鍵、離子鍵為主的致密高強體，具備密度低，重量輕，體積穩定性好，耐高溫，抗腐蝕能力強等優點，引起了國內外學者的廣泛關注。

Susan等［7］研究了高溫條件下耐火鋁硅酸鹽顆粒和纖維增強偏高嶺土基地質聚合物的力學特性，結果表明，耐火鋁硅酸鹽顆粒都能夠提高地質聚合物高溫后的壓縮強度和彎曲強度。王晴等［8］研究了無機礦物聚合物混凝土的高溫力學性能，結果表明偏高嶺土含量的不同對無機礦物聚合物混凝土高溫下的抗壓強度有著很大影響，偏高嶺土占膠凝材料固相的百分含量為20%時，無機礦物聚合物混凝土的高溫性能較好。許金余等［9］以礦渣與粉煤灰制備了碳纖維增強地聚合物混凝土，研究其在沖擊荷載下的強度和能量吸收特性，結果表明纖維增強地聚合物混凝土的沖擊壓縮強度與能量吸收特性均表現出近似應變率線性相關性。

近年來，由于火災、廠房爆炸、恐怖襲擊等災害頻發，建筑物不僅要承受高溫作用，而且要承受爆炸沖擊荷載，混凝土結構往往處于高溫、高應變率等極端條件下。因此，研究溫度及應變率共同作用下混凝土材料的力學響應顯得極為迫切。目前對地質聚合物混凝土的耐高溫性能的研究主要集中在準靜態加載條件下，對其高溫－沖擊耦合作用下的力學特性研究較少。本文以礦渣、粉煤灰為原料，以固體氫氧化鈉和液體硅酸鈉的混合液為激發劑，制備了地質聚合物混凝土；采用自主設計的高溫SHPB試驗系統，對高溫條件下地質聚合物混凝土的沖擊壓縮強度進行了試驗研究，探討了其隨溫度和應變率的變化規律。

1 試驗

1．1 原材料及配比

原材料：水淬高爐礦渣（比表面積為491．6 m／kg，28d活性指數95% ）；一級粉煤灰；石灰巖碎石（5 mm～10 mm，15%；10 mm～20 mm，85%）；中砂（細度模數為2．8）；化學純氫氧化鈉片狀固體（純度97% ）與液體硅酸鈉（模數為 3．1～3．4，SiO2含量 26．0%，Na2O含量8．2% ）的混合溶液為堿激發劑。其中：水膠比為0．26，砂率為40%。表1為礦渣、粉煤灰的化學組成，表2為地質聚合物混凝土配合比。

1．2 高溫SHPB試驗

采用自主研制的高溫SHPB試驗系統對地質聚合物混凝土的高溫動態抗壓強度進行測試。圖1為箱式預熱爐及其溫控系統，圖2為管式加熱裝置。

表2 地質聚合物混凝土配合比（kg／m3）Tab．2 Mix proportions of geopolymeric concrete（kg／m3）

圖1 箱式預熱爐Fig．1 Box heating furnace

圖2 管式加熱裝置Fig．2 Tubular heating furnace

首先將試件置于箱式預熱爐中，以10℃／min的升溫速率加熱；到達目標溫度后恒溫4 h，將其轉移至管式加熱爐中。為彌補運輸過程中的溫度損失（大約6～7 s），試件在管式爐內的相同目標溫度下恒溫10 min后再進行沖擊試驗。試驗設計時每種溫度下每種應變率下取三塊試件進行試驗，取平均值作為試驗結果；由于實際操作過程中存在試件爆裂、信號無采集等意外情況，每種溫度下的試件數為15～20塊。

圖3為不同溫度下地質聚合物混凝土的應力應變曲線。可以看出，圖3中各條曲線峰后的應變在達到最大值之后有回彈的趨勢，這可能是由于試件破壞后爐壁的影響限制了試件的橫向變形和向外擴張，間接地影響了試件峰后的應變，出現回彈現象。需要說明的是，爐壁的存在并不影響材料峰前的應力和應變。這是因為爐膛的內徑略大于壓桿和試件的直徑，為了使試件能夠與壓桿準確對中，我們選擇了耐高溫、質地柔軟、變形量大的陶瓷纖維卷氈墊在試件的下面，寬度約為試件寬度的1／2，厚度約為10～12 mm。高溫條件下，地質聚合物混凝土的峰值應變大約在0．010～0．040之間，常溫下地質聚合物的泊松比約為0．2，高溫下則更低，而試件的半徑約為49 mm，因此，峰前試件的橫向變形遠小于卷氈的厚度，其應力應變幾乎不受影響。此外，不難發現，800℃時應力應變曲線的初始段有一定程度的波動，其原因可能有兩種，第一是800℃高溫下試件的損傷較大，內部裂縫孔隙較多，使得加載初始段應力隨應變的變化不穩定；第二是800℃時的高溫熱沖擊對應變片采集的信號有干擾，尤其是在試件強度還沒有達到較高水平時。圖4給出了不同溫度和應變率條件下地質聚合物混凝土的破壞形態。可以看出，隨著應變率的升高，試件的破壞尺度由大到小變化，尤其是在400℃以前；600℃和800℃時，當應變率大于80 s－1，試件的破壞程度差別不大。

圖3 不同溫度下應力應變曲線Fig．3 Stress-strain curves of geopolymeric concrete at different temperatures

圖4 高溫下地質聚合物混凝土破壞形態Fig．4 Damage forms of geopolymeric concrete at elevated temperatures

2 結果與討論

2．1 溫度效應

圖5給出了不同溫度下地質聚合物混凝土的動態壓縮強度隨應變率的變化關系，圖6為高溫條件下動態壓縮強度相對于常溫時的增長率。從圖中可以看出，200℃時地質聚合物混凝土的動態抗壓強度較常溫時有所增長，在應變率為30 s－1時，最大增幅約40%；400℃和600℃時與常溫接近，800℃時強度急劇下降，下降幅度為65%～90%。

溫度對地質聚合物混凝土動態壓縮強度的影響可作如下解釋：地質聚合物中存在硅氧四面體和鋁氧四面體兩種基本單元，其縮聚大分子通式為Mx［－（Si－O2）z－Al－O－］n·wH2O，結構為以環狀鏈構成的連續三維網絡構架，具有一定的結晶形態。其分子完全是由Si、Al、O元素等鏈節通過共價鍵構成的，其中Si－O鍵能為535 kJ／mol，高于有機聚合物的 C－C鍵能360 kJ／mol，并且Si－O鍵和Al－O鍵具有方向性，不易轉動。地質聚合物的這些結構特點，使得其在200℃～600℃時能夠保持網絡結構的完整性，因此它不會像普通水泥基體由于氫氧化鈣晶體的分解而導致400℃后強度下降。此外，200℃前，由于自由水的存在，高溫會促進基體中未反應的鋁硅酸鹽物質溶解絡合、濃縮聚合，促進了聚合反應的發生，同時結構更加密實，因此強度較常溫有所提高；200℃后，由于自由水已基本蒸發，縮聚反應停止，因此強度與常溫時相近。800℃時，作為骨料的石灰石已開始分解，強度急劇下降。

2．2 應變率效應

2．2．1 溫度對應變率的影響

圖7給出了不同溫度下應變率和彈速的關系?？梢园l現，應變率隨彈速近似線性增長。此外，同一彈速水平下，200℃～600℃時的應變率與常溫接近，800℃時較常溫提高明顯。這是因為地質聚合物的三維網絡結構，使其黏彈性特征在高溫下變化較小，應變率較常溫變化不大；而800℃時石灰石已開始分解，結構疏松，變形量大，因此在同等彈速下，應變變化較快。

2．2．2 動態強度增長因子

動態強度增長因子［10］（DIF），即單軸壓縮條件下，動態強度和準靜態強度的比值，是材料應變率強化效應的重要指標。200℃～800℃的準靜態抗壓強度分別為 61．3 MPa、58．1 MPa、55．8 MPa和 18．2 MPa。相關研究表明，混凝土類材料的DIF隨著應變率的增加而不斷增長，并存在一個臨界應變率值，當應變率大于臨界值時，DIF急劇增長。但很多學者認為，這種應變率強化效應并不是真正的應變率效應，而是由側向約束引起的。Li等［11］近來的研究表明SHPB試驗中，應變率為102～103s－1條件下動態強度的增強主要是由于接觸面限制作用和橫向慣性效應引起的側向約束作用。Zhou等［12］認為，當應變率低于 200 s－1時，側向約束作用可以忽略，DIF增長主要是由于材料的應變率效應。為探求高溫條件下地質聚合物混凝土DIF的應變率效應，首先要確定由側向約束引起的附加應力值。附加應力可表示為［13］：

圖5 不同溫度下動態抗壓強度隨應變率變化規律Fig．5 Dynamic compressive strength versus strain rate at different temperatures

圖6 高溫下動態抗壓強度增長率Fig．6 Increase ratio of dynamic compressive strength at elevated temperatures

圖7 不同溫度下應變率與彈速的關系Fig．7 The relation between strain rate and projectile velocity at different temperatures

圖8 最大附加應力隨應變率變化情況Fig．8 Relation between maximum additional tress and strain rate at elevated temperatures

文獻［11，14］在大量試驗數據統計分析的基礎上提出，混凝土材料在10～100 s－1應變率范圍內的DIF與應變率的對數呈線性關系。本文通過對試驗數據的擬合發現高溫條件下，DIF隨應變率的對數近似線性增長，且相關性較好，具體公式如下：

圖9展示了DIF隨應變率對數變化情況。由圖9及式（2）～（5）的斜率不難發現，溫度越高，DIF的應變率效應越明顯?；炷令惒牧螪IF應變率效應的物理機制目前仍不完全清楚，公認的使得宏觀DIF具有應變率敏感性的主要因素有兩個，一是混凝土本身的黏彈性特征，二是依賴于時間的裂縫擴展。材料的破壞是由于裂縫的產生和擴展所致，裂縫的產生和擴展將消耗大量的能量，由于動態沖擊作用下加載時間很短，因此只能通過增加應力的方式來累積能量。200℃～600℃時，地質聚合物混凝土內的水分蒸發，但整體結構并沒有破壞，保持著較好的穩定性，并且發生收縮，結構更加致密，黏彈性特性增強，裂縫產生和擴展所需要的能量也增大，因此應力增長較為明顯。800℃時DIF的應變率效應最為明顯，但它與400℃～600℃時的強化機制并不相同。800℃時，地質聚合物基體仍保持完整性，但石灰石開始分解，地質聚合物混凝土結構已經破壞，內部存在著大量的裂隙和裂縫，強度大幅度降低。根據DIF的定義，由于800℃時地質聚合物混凝土的準靜態強度較低，因此在沖擊荷載作用下強度值的絕對增長雖然不大，但宏觀表現為較強的應變率敏感性。

圖9 DIF隨應變率對數變化情況Fig．9 Relation between DIF and logarithm of strain rate at elevated temperatures

3 結 論

本文采用自主設計的高溫SHPB試驗系統，以礦渣、粉煤灰為原料，以固體氫氧化鈉和液體硅酸鈉的混合液為激發劑，制備了地質聚合物混凝土；試驗研究了高溫條件下地質聚合物混凝土的沖擊壓縮強度，并探討了其隨溫度和應變率的變化規律。主要結論為：

（1）200℃時地質聚合物混凝土的動態抗壓強度較常溫時有所增長，在應變率為30 s－1時，最大增幅約40%；800℃時強度急劇下降，下降幅度為65%～90%。

（2）應變率隨彈速近似線性增長；同一彈速水平下，200℃～600℃時的應變率與常溫接近，800℃時較常溫提高明顯。

（3）在30～130 s－1應變率范圍內，高溫下地質聚合物混凝土的DIF與應變率的對數呈線性關系，且溫度越高，應變率效應越明顯。

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