納米氧化鋁對(duì)混凝土靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響

朱從進(jìn),白二雷,許金余,2,朱靖塞,劉遠(yuǎn)飛,尹躍剛

(1.空軍工程大學(xué)機(jī)場(chǎng)建筑工程系,西安 710038;2.西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院,西安 710072;3.空軍航空大學(xué)飛行訓(xùn)練基地,長(zhǎng)春 130062)

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納米氧化鋁對(duì)混凝土靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響

朱從進(jìn)1,白二雷1,許金余1,2,朱靖塞1,劉遠(yuǎn)飛1,尹躍剛3

(1.空軍工程大學(xué)機(jī)場(chǎng)建筑工程系,西安 710038;2.西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院,西安 710072;3.空軍航空大學(xué)飛行訓(xùn)練基地,長(zhǎng)春 130062)

制備了摻量為0.2%的納米氧化鋁混凝土(NAC)，采用HYY系列液壓伺服試驗(yàn)系統(tǒng)和φ100 mm分離式霍普金森壓桿分別研究了NAC的準(zhǔn)靜態(tài)及在不同應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。結(jié)果表明：準(zhǔn)靜態(tài)荷載下，NAC的強(qiáng)度及變形性能較素混凝土(PC)明顯提高，抗壓強(qiáng)度提高約44.5%。動(dòng)荷載作用下，NAC的應(yīng)變率敏感性顯著，隨著應(yīng)變率的增大，峰值應(yīng)力顯著提高，極限應(yīng)變?cè)龇黠@。此外，摻入納米氧化鋁后，NAC的強(qiáng)度和變形性能較之PC亦均提升顯著。分析峰值韌度指標(biāo)可知，隨著應(yīng)變率的提高，NAC的峰值韌度近似線性增大，納米氧化鋁的增韌效果十分顯著。通過(guò)電鏡掃描微觀機(jī)理分析，納米氧化鋁提高了水泥硬化漿體的密實(shí)度，改善了混凝土界面過(guò)渡區(qū)，進(jìn)而改善了NAC的強(qiáng)度和韌性。

混凝土； 納米氧化鋁； 分離式霍普金森壓桿； 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

1 引 言

水泥混凝土問(wèn)世以來(lái)一直是建筑工程最重要的結(jié)構(gòu)材料，得到廣泛應(yīng)用。隨著混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)模及使用范圍的不斷擴(kuò)大，其服役環(huán)境及所受荷載日趨復(fù)雜。因此，為確?；炷两Y(jié)構(gòu)的安全性及可靠性，有必要進(jìn)一步針對(duì)混凝土材料的性能進(jìn)行改進(jìn)，以滿足各條件下的使用要求。

以納米材料為代表的超細(xì)粉體，是目前用于水泥基材料復(fù)合改性的一類新型材料[1]。將納米材料摻入混凝土基體，可有效提升混凝土力學(xué)及變形性能。目前，針對(duì)納米混凝土的研究已取得許多成果，但所摻入的納米材料多為納米二氧化硅[2-5]和納米碳酸鈣[6-9]，且研究重點(diǎn)主要集中于納米混凝土的工作性和準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能方面，對(duì)于其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能方面的研究還相對(duì)較少。然而，許多混凝土結(jié)構(gòu)在其服役期間難免會(huì)面臨沖擊、高溫以及爆炸等極端外部荷載作用的威脅，因此有必要針對(duì)納米混凝土在動(dòng)態(tài)荷載作用下的力學(xué)性能進(jìn)行研究。

氧化鋁是水泥顆?；衔镏械闹匾M成部分，摻入納米氧化鋁與水泥具有天然的相容性，而且納米氧化鋁具有極高的強(qiáng)度和較好的韌性，在水泥水化反應(yīng)中其產(chǎn)物具有較高的活性[10-13]。因此，可以預(yù)見在水泥混凝土中摻入納米氧化鋁能夠有效增強(qiáng)混凝土的性能[14-16]。本文以納米氧化鋁粉體為改性材料，采用聚羧酸高性能減水劑作為納米材料分散劑和混凝土減水劑，制備了納米氧化鋁混凝土(NAC)，采用HYY系列液壓伺服試驗(yàn)系統(tǒng)和φ100 mmSHPB試驗(yàn)系統(tǒng)研究了其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，并與素混凝土(PC)進(jìn)行比較，分析了納米氧化鋁對(duì)混凝土靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原材料

水泥：陜西耀縣秦嶺牌32.5R普通硅酸鹽水泥；粉煤灰：由韓城第二發(fā)電廠提供；細(xì)骨料：灞河中砂，密度2.63 g/cm3；粗骨料：石灰?guī)r碎石，密度2.7 g/cm3，含泥量0.2%，粒徑范圍5～20 mm；減水劑和納米材料分散劑：均采用陜西中易化工生產(chǎn)的高性能聚羧酸母液；納米氧化鋁產(chǎn)自杭州萬(wàn)景，主要性能指標(biāo)見表1。

表1 納米氧化鋁性能指標(biāo)Tab.1 Properties of nano-alumina

2.2 試驗(yàn)材料

NAC配合比如表2所示。制備流程如下：

(1)將聚羧酸母液與部分水?dāng)嚢栊纬蓽p水劑溶液待用；

(2)將納米氧化鋁粉體加入減水劑溶液中攪拌60 s，而后經(jīng)超聲波分散15 min制成納米氧化鋁混合液待用；

(3)將粉煤灰和一半的水泥倒入攪拌機(jī)攪拌30 s，再將納米氧化鋁混合液倒入攪拌30 s；

(4)倒入砂、石分別攪拌30 s；

(5)將剩余水和水泥倒入攪拌120 s。

攪拌完畢后，將混凝土拌合物裝入邊長(zhǎng)100 mm的立方體模具和內(nèi)壁直徑100 mm，長(zhǎng)度50 mm的圓柱體模具，并置于振動(dòng)臺(tái)振搗密實(shí)。試件澆筑完成后在室內(nèi)靜置1 d后脫模、編號(hào)，然后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度(20±2 )℃，相對(duì)濕度95%以上)進(jìn)行為期28 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后將試件取出，采用雙端面磨石機(jī)進(jìn)行水磨加工，以確保試件表面光潔度、平整度及兩端面的平行度等滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。最終，制成幾何尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件(用于準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn))及φ98 mm×50 mm的圓柱形試件(用于動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn))。

表2 納米氧化鋁混凝土配合比Tab.2 Mix proportions of nano-alumina concrete /kg·m-3

2.3 試驗(yàn)設(shè)備及方法

(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；εI(t)、εR(t)、εT(t)分別為桿中的入射、反射、透射應(yīng)變。

由于SHPB試驗(yàn)中加載波在傳播過(guò)程中易產(chǎn)生彌散效應(yīng)，且不能保證試件在破壞前有足夠的時(shí)間達(dá)到應(yīng)力均勻狀態(tài)。本文采用入射波整形技術(shù)[18,19]改變加載波形，將傳統(tǒng)矩形加載波變成半正弦波或三角形加載波，是解決彌散效應(yīng)問(wèn)題的有效手段。采用H62黃銅波形整形器對(duì)入射波進(jìn)行整形，整形器厚度為1 mm，直徑為20 mm、22 mm、25 mm、27 mm、30 mm。動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)束后，收集試件碎塊，采用COXIEM-30掃描電鏡對(duì)NAC和PC微觀形貌進(jìn)行掃描并分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖1 準(zhǔn)靜態(tài)荷載下應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress versus strain curves by quasi-static loading

應(yīng)力應(yīng)變曲線是材料性能和指標(biāo)的綜合性反映，其幾何形狀特征及特征點(diǎn)的變化能夠較為直觀地反映出試件在不同受力階段的強(qiáng)度變形特征。圖1和圖2分別為準(zhǔn)靜態(tài)荷載及動(dòng)態(tài)荷載作用下NAC與PC的應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖1可知：(1)在準(zhǔn)靜態(tài)荷載下，兩組混凝土在應(yīng)力作用前期首先經(jīng)歷一段壓密過(guò)程，應(yīng)變隨著應(yīng)力的增大而增大；(2)同一應(yīng)變下，NAC的應(yīng)力顯著大于PC，NAC和PC的峰值應(yīng)力分別為49.4 MPa和34.1 MPa，前者較后者提高約44.5%，說(shuō)明納米氧化鋁的摻入對(duì)提高混凝土抗壓強(qiáng)度具有顯著效果；(3)較之PC，NAC在達(dá)到峰值應(yīng)力后，其曲線出現(xiàn)一段較長(zhǎng)的近似平臺(tái)區(qū)，之后曲線驟降，說(shuō)明NAC在峰后隨著應(yīng)變的增大仍在較大范圍內(nèi)保持一定強(qiáng)度，直至試件被壓壞而失去承載能力，最終試件迅速破壞，試件破壞近似彈塑性，表明納米氧化鋁的摻入可顯著改善混凝土變形性能。

圖2 動(dòng)荷載下應(yīng)力-應(yīng)變曲線 (a)PC; (b)NACFig.2 Stress versus strain curves by dynamic loading (a)PC; (b)NAC

由圖2可知：(1)在動(dòng)荷載作用下，兩組混凝土應(yīng)變率敏感性顯著，即隨著應(yīng)變率的增大，試樣峰值應(yīng)力增大；(2)兩組曲線下降段存在趨勢(shì)上的一致性，即隨著應(yīng)變率的升高，曲線下降段逐漸右移，表明試件形變加劇；(3)兩組混凝土在達(dá)到應(yīng)力峰值前曲線較平滑，峰后曲線呈震蕩式波動(dòng)下降，這主要?dú)w因于混凝土試樣內(nèi)部不均勻及部分碎塊仍具有一定強(qiáng)度；(4)較之PC，NAC曲線隨著應(yīng)變率的增大，峰值應(yīng)力提高較明顯，極限應(yīng)變?cè)龇@著，說(shuō)明摻入納米氧化鋁能夠有效提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和變形性能。

3.2 動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度

(2)

可以看出：(1)兩組混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變率均呈現(xiàn)明顯正相關(guān)性，即隨應(yīng)變率的提高，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度近似線性增大；(2)PC與NAC的線性擬合曲線斜率相近，但NAC強(qiáng)度整體顯著高于PC，表明摻入納米氧化鋁顯著提高了混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，但并未影響動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增長(zhǎng)速度。

圖3 動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變率之間的關(guān)系Fig.3 Dynamic compressive strength versus strain rate

圖4 峰值應(yīng)變?chǔ)臥與應(yīng)變率之間的關(guān)系Fig.4 Peak strain versus strain rate

3.3 動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變

峰值應(yīng)變(εP)，即混凝土試樣在動(dòng)荷載作用下達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，是表征動(dòng)荷載作用下混凝土壓縮變形性能的重要力學(xué)參數(shù)。兩組混凝土的峰值應(yīng)變隨應(yīng)變率的變化關(guān)系如圖4所示。由圖4可知：(1)兩組混凝土在動(dòng)荷載作用下的εP曲線總體趨勢(shì)基本一致：隨著應(yīng)變率的增大，峰值應(yīng)變先增大后減小，這是由于在動(dòng)荷載作用下混凝土需經(jīng)歷一段壓密過(guò)程，但當(dāng)混凝土達(dá)到峰值應(yīng)變后，試樣裂縫不穩(wěn)定擴(kuò)展，而逐漸失去承載能力最后發(fā)生破壞；(2)兩組混凝土的峰值應(yīng)變值均較離散，但NAC的峰值應(yīng)變值整體大于PC，且NAC的峰值應(yīng)變值在0.015～0.016附近波動(dòng)，表明在動(dòng)荷載作用下NAC表現(xiàn)出更強(qiáng)的變形能力。

3.4 沖擊韌性

圖5 峰值韌度RP與應(yīng)變率之間的關(guān)系Fig.5 Impact toughness versus strain rate

沖擊韌性反映混凝土試樣受動(dòng)荷載時(shí)的吸能能力，與材料強(qiáng)度和材料破壞時(shí)的變形量有關(guān)，是混凝土強(qiáng)度與變形性能的綜合表征。本文采用材料破壞前應(yīng)力應(yīng)變曲線所圍面積進(jìn)行表征，即積分峰值應(yīng)力之前應(yīng)力應(yīng)變曲線下圍成的面積，稱為峰值韌度RP[20]。兩組混凝土峰值韌度隨應(yīng)變率的變化關(guān)系如圖5所示，式(3)為線性擬合關(guān)系式：

(3)

4 機(jī)理分析

NAC試件準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)一段較長(zhǎng)的近似平臺(tái)區(qū)反映了其結(jié)構(gòu)和能量?jī)煞矫娴淖兓??；炷疗茐牡膶?shí)質(zhì)是內(nèi)部裂縫的萌生、擴(kuò)展直至貫通，最終導(dǎo)致混凝土的失效破壞，納米氧化鋁的摻入，改善了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)(微觀孔隙結(jié)構(gòu)、界面過(guò)渡區(qū)等)，減少了初始裂縫，當(dāng)試件受準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用時(shí)，裂縫的萌生和擴(kuò)展十分緩慢，因此，NAC在達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí)所需時(shí)間將會(huì)延長(zhǎng)，導(dǎo)致破壞前試件應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)的同時(shí)應(yīng)力幾乎維持不變，即出現(xiàn)“平臺(tái)區(qū)”；從能量的角度分析，試件在破壞前表現(xiàn)為能量的積蓄過(guò)程，將外部荷載的持續(xù)作用轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨響?yīng)變能，而NAC經(jīng)納米氧化鋁改善結(jié)構(gòu)后，能夠存儲(chǔ)的能量增加，即相同荷載作用下能夠堅(jiān)持的時(shí)間有所增加，在應(yīng)力應(yīng)變曲線上則表現(xiàn)為應(yīng)力的“平臺(tái)區(qū)”。動(dòng)荷載作用下，由于作用時(shí)間非常短，無(wú)論是PC還是NAC，其裂縫的發(fā)展(能量的積累)速度非?？?，致使動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線不會(huì)出現(xiàn)類似的"平臺(tái)區(qū)"。

納米氧化鋁均勻彌散于混凝土中，從微觀層面上改變混凝土的內(nèi)部組成，進(jìn)而對(duì)宏觀力學(xué)性能產(chǎn)生影響。在不同放大倍數(shù)下PC和NAC的微觀形貌電鏡掃描圖像分別如圖6、圖7所示。由圖6可知，PC的內(nèi)部水泥石微觀形貌粗糙，可見大量孔隙暗影。圖6b中可見大量柱狀晶體交叉成網(wǎng)，大量粒狀和團(tuán)狀晶體散亂分布其間，微裂縫發(fā)育明顯；圖6c中存在大量針狀晶體散亂分布于柱狀晶體網(wǎng)絡(luò)之間，微裂縫廣泛分布；圖6d中出現(xiàn)顯著薄弱區(qū)，較大孔隙缺陷和暗影。由于大量的針狀、粒狀和團(tuán)狀晶體散亂分布于柱狀晶體網(wǎng)絡(luò)中，加之大量缺陷孔隙和發(fā)育顯著的微裂縫，對(duì)水泥石性能產(chǎn)生十分不利的影響，進(jìn)而影響混凝土的強(qiáng)度形成，導(dǎo)致宏觀裂縫的發(fā)展，引起混凝土的內(nèi)部損傷。

由圖7a、b可以看出，在相同倍數(shù)下，NAC的微觀形貌較PC更均勻，孔隙暗影較少，無(wú)顯著薄弱區(qū)和網(wǎng)狀或柱狀晶體斷面，未見針狀有害晶體和大量團(tuán)狀晶體。在較高倍數(shù)電鏡掃描下的圖7c、d，可見突起的圓粒狀晶體，未明顯脫離基體，雜質(zhì)晶體少，斷面均勻，微觀形貌密實(shí)。突起的圓粒狀晶體增大了反應(yīng)的接觸面積和接觸摩擦力，在一定程度上阻礙了試件破壞時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的相對(duì)滑移。同時(shí)納米γ-Al2O3比表面積較大且具有較強(qiáng)的吸附能力和催化活性，在水泥水化過(guò)程中生成的Ca(OH)2可在納米氧化鋁表面形成水化鋁酸鈣，且易與水泥中的水化產(chǎn)物產(chǎn)生化學(xué)鍵合[21]，在此過(guò)程中，大量六方片狀氫氧化鈣有害晶體被反應(yīng)消耗。此外，納米氧化鋁彌散于水泥基復(fù)合材料中，填充于水泥石的微孔隙中，在水泥硬化漿體原有網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，鍵合更多納米級(jí)水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)進(jìn)而形成新的致密網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)[22]，細(xì)化了界面過(guò)渡區(qū)中的氫氧化鈣有害晶體，改善了混凝土微觀界面過(guò)渡薄弱區(qū)中氫氧化鈣晶體的富集和定向排列性能，增加了水化產(chǎn)物C-S-H在界面薄弱區(qū)的含量[17]，優(yōu)化了基體界面性質(zhì)，提高了水泥硬化漿體的密實(shí)度，進(jìn)而顯著提高了NAC強(qiáng)度和韌性。在動(dòng)荷載作用下，混凝土的能量消耗源于新裂縫的萌生和初始裂縫的擴(kuò)展，而前者耗散的能量遠(yuǎn)大于后者[23]?；炷两缑孢^(guò)渡薄弱區(qū)的改善，使初始裂縫數(shù)目和尺寸減少，有害孔隙比例降低，因此，NAC在動(dòng)荷載作用下新裂縫的萌生數(shù)量增加，較之相同體積的PC，NAC破壞能耗增大[24]，表明納米氧化鋁顆粒的摻入提高了混凝土的沖擊韌性。

圖6 PC電鏡掃描微觀形貌Fig.6 SEM microstructure of PC

圖7 NAC電鏡掃描微觀形貌Fig.7 SEM microstructure of NAC

5 結(jié) 論

本文采用HYY系列液壓伺服試驗(yàn)系統(tǒng)和φ100 mm分離式霍普金森壓桿，分別研究了NAC的準(zhǔn)靜態(tài)及在不同應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，主要結(jié)論如下：

(1)準(zhǔn)靜態(tài)荷載下，NAC的強(qiáng)度及變形性能較PC明顯提高，抗壓強(qiáng)度增大約44.5%；

(2)動(dòng)荷載作用下，NAC應(yīng)變率敏感性顯著，隨著應(yīng)變率的增大，峰值應(yīng)力顯著提高，極限應(yīng)變?cè)龇黠@，較之PC強(qiáng)度更高，變形性能更強(qiáng)；

(3)分析峰值韌度指標(biāo)可知，隨著應(yīng)變率的提高,峰值韌度近似線性增大，納米氧化鋁對(duì)混凝土的增韌效果十分顯著；

(4)通過(guò)電鏡掃描微觀機(jī)理分析，納米氧化鋁提高了水泥硬化漿體的密實(shí)度，改善了混凝土界面過(guò)渡區(qū)，進(jìn)而改善了NAC的強(qiáng)度和韌性。

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Effect of Nano-alumina on Quasi-static and Dynamic Properties of Concrete

ZHUCong-jin1,BAIEr-lei1,XUJin-yu1,2,ZHUJing-sai1,LIUYuan-fei1,YINYue-gang3

(1.Department of Airfield and Building Engineering,Air Force Engineering University,Xi'an 710038,China;2.College of Mechanics and Civil Architecture,Northwest Polytechnic University,Xi'an 710072,China;3.Base of Flight Training,Aviation University of Air Force,Changchun 130062,China)

Nano-alumina concrete (NAC) was prepared in this paper with the weight fraction of nano-alumina of 0.2%.The quasi-static properties of NAC were investigated by the Hydraulically driven test system,as well as the dynamic properties which were studied under various strain rates by a 100-mm-diameter split Hopkinson pressure bar (SHPB) test device.The results indicate that the strength and deformation performances of NAC are significantly improved as compared with plain concrete (PC) and the compressive strength of NAC increases by about 44.5% under quasi-static loading.Under dynamic loading,the strain rate sensitivity of NAC is obvious and an increase in strain rate results in a significant growth in peak stress and ultimate strain,furthermore,NAC exhibits higher strength and better deformation properties when compared with PC.From the impact toughness evaluation metrics,the impact toughness of NAC approximately linearly increases with increase of strain rate,indicating that the toughening effect of nano-alumina is remarkable.The analysis of micro-mechanism based on Scanning Electron Microscope (SEM) images illustrate that nano-alumina improves the compactness of hardened cement paste and concrete interfacial transition zone,which improves the strength and toughness of NAC.

concrete;nano-alumina;split Hopkinson pressure bar;dynamic property

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51208507,51378497);陜西省青年科技新星項(xiàng)目(KJXX-81)

朱從進(jìn)(1993-),男,碩士研究生.主要從事鋼筋混凝土與防護(hù)工程研究.

TU502

A

1001-1625(2016)08-2575-06