粉煤灰-礦渣基地聚物混凝土不同齡期動態力學性能

呂 炎， 白二雷*， 王志航， 孫慧穎

(1.空軍工程大學航空工程學院，西安，710038；2.中天西北建設集團有限公司，西安，710077)

地質聚合物(geopolymer，簡稱地聚物)這一概念最初由法國科學家Davidovits于1978年提出[1]，它是以SiO2和Al2O3為主要成分的硅鋁質物質為原材料，在堿性激發劑的作用下，反應生成的一種具有非晶到半晶體的三維硅鋁酸鹽結構的新型膠凝材料，相比于水泥，具有材料來源廣(粉煤灰、礦渣、高嶺土等)、能耗低、污染小等優點[2-4]。地聚物混凝土是以地聚物材料部分或全部替代水泥制成的一種新型混凝土，可以有效利用固體廢棄物、減小污染且力學性能優異[5]，是近年來土木工程材料領域的一個研究熱點。

由于生產地聚物的原材料種類繁多、礦物組成復雜，導致地聚物材料性能差異較大。單組分礦渣基地聚物是以礦渣為原料制備的膠凝材料，具有硬化快、強度高等優點，但其收縮大、易開裂的缺陷限制了工程應用[6]。而粉煤灰基地聚物活性低、聚合速度較慢，可與礦渣形成互補。針對廣泛的應用需求，已有許多學者在粉煤灰-礦渣基地聚物混凝土的力學性能方面開展了研究。范飛林等[7]以礦渣、粉煤灰為原材料，水玻璃和氫氧化鈉作為堿性激發劑，研究室溫下水灰比對礦渣-粉煤灰基地聚物的影響。試驗結果顯示，養護時間為7 d的礦渣-粉煤灰基地聚物抗壓強度為36.7 MPa，28 d抗壓強度達到54.7 MPa，強度隨著齡期的增加具有穩定增長的特性，只是增速變慢。Cheah等[8]選擇兩種工業副產物，高爐礦渣和粉煤灰進行混合試驗，利用氫氧化鈉和硅酸鈉溶液作為激發劑，對其抗壓強度、抗彎強度及動態彈性模量、超聲波脈沖速度等進行分析。試驗結果發現，粉煤灰摻量為40%～80%時，礦渣-粉煤灰基地聚物的動態彈性模量、超聲波脈沖速度及強度呈不斷增加的趨勢。Ismail等[9]使用部分粉煤灰替代礦渣，研究粉煤灰-礦渣基地聚物的力學強度、氯化物的滲透率及吸水率等。試驗結果發現，使用25%粉煤灰取代礦渣時，復摻條件下的地聚物強度最佳，強度可達60 MPa。劉澤等[10]討論礦渣對以粉煤灰為主體材料的地聚物強度及孔隙率的影響。試驗結果顯示，加入礦渣能降低粉煤灰基地聚物的孔隙率，并能有效提高單組分粉煤灰基地聚物的抗壓強度，礦渣摻量為30%時抗壓強度最強、孔隙率最低且氣孔均勻。上述研究主要集中于粉煤灰-礦渣基地聚物混凝土靜態力學性能，對于地聚物混凝土動態力學性能的研究相對較少且很少考慮動態作用下混凝土的齡期效應。值得關注的是，在混凝土結構設計時，通常只選用齡期28 d的混凝土強度值作為參考值，但在實際工程中，為加快施工進度，早齡期混凝土在養護期間不可避免受到外界沖擊荷載影響，例如車輛行駛、礦井爆破、橋梁振動，與此同時，自然災害(地震)、人為失誤或事故(爆炸、撞擊)，以及近年來的襲擊等突發事件，都會對新澆筑混凝土結構產生沖擊擾動，影響材料性能，進而影響整個結構強度，所以需要對沖擊荷載作用下早齡期地聚物混凝土動態力學特性及其隨齡期變化規律加以研究。

基于此，本文以粉煤灰-礦渣基地聚物為研究對象，使用Φ100 mm分離式霍普金森壓桿裝置對地聚物混凝土進行了不同應變速率下的沖擊壓縮試驗，獲得各組不同齡期的試件在不同應變率下的應力-應變曲線，并從動態抗壓強度、動態增強因子及比能量吸收等指標入手，深入探究應變率與齡期對粉煤灰-礦渣基地聚物混凝土動態力學性能的影響規律；同時，針對齡期對地聚物混凝土應變率增強效應的影響，構建了考慮齡期的動態增強因子計算模型，以期為粉煤灰-礦渣基地聚物混凝土的實際應用提供理論支持和科學依據。

1 試驗

1.1 原材料與試件制備

水淬高爐礦渣(比表面積491.6 m2/kg，28 d活性指數≥95%)，礦渣經烘干、研磨后成為礦渣微粉；I級粉煤灰，化學組成如表1所示；粗骨料：石灰巖碎石，粒徑為5～20 mm；細骨料：潔凈中砂，細度模數為2.8；堿性激發劑由氫氧化鈉、硅酸鈉與水按一定比例混合制成，氫氧化鈉為分析純，純度≥97%；硅酸鈉采用液體硅酸鈉，SiO2含量≥26.0%，Na2O含量≥8.2%，模數為3.1；水為一般自來水。

表1 礦渣、粉煤灰的化學成分

配合比設計：粉煤灰-礦渣基地聚物混凝土強度及其發展，主要由Si/Al與堿激發劑決定。通過調整粉煤灰/礦渣、水膠比以及液體硅酸鈉/NaOH這3個因素，制備出了28 d立方體靜態抗壓強度為44.1 MPa的粉煤灰-礦渣基地聚物混凝土，配合比如表2所示。

表2 粉煤灰-礦渣基地聚物混凝土配合比 單位：kg/m3

1.2 試驗設備與方法

(a)全貌

(b)沖頭與試件圖1 Φ100 mm SHPB試驗裝置

圖2 SHPB 試驗過程中試件中的應力波傳播

表3 SHPB材料參數

2 結果與分析

2.1 試驗結果

表4為齡期為3 d、7 d、28 d粉煤灰-礦渣基地聚物混凝土的SHPB試驗結果，其中：動態抗壓強度fcd為試件在動態壓縮荷載作用下達到的峰值應力，反映材料在沖擊荷載作用下的強度特性；動態增強因子(dynamic increase factor, DIF)為動態與準靜態抗壓強度之比，是反映材料在沖擊荷載作用下抗壓強度提高程度的指標，表達式如下：

表4 SHPB試驗結果

(1)

式中：fcd為動態抗壓強度；fcs準靜態抗壓強度。

比能量吸收(SEA)，即單位體積吸收的能量，用來表征材料的能量吸收能力[13]，表示為：

(2)

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、εr、εt分別為桿中的入射、反射、透射應變；T為試件完全破壞時刻。

2.2 應力-應變曲線

應力-應變曲線是顯示應力隨應變增加而變化的圖表，它是混凝土材料在受荷作用下力學行為變化的直接反映。根據“三波法”整理得到如圖3所示的不同齡期下粉煤灰-礦渣基地聚物混凝土的多應變率應力-應變(σ-ε)曲線圖，分析可知：①各組試件的應力-應變曲線均由上升段和下降段組成且趨勢較為相似，說明試驗穩定性較好；在高速加載過程中，試件首先度過壓實擠密階段，然后進入準彈性階段，直至達到峰值，而后進入軟化階段，殘余強度逐漸下降。②應力-應變曲線中，壓實擠密階段切線斜率逐漸升高，準彈性階段斜率相近，到達峰值，進入軟化階段后，斜率逐漸降低；曲線下降段應變區間稍大于上升段應變區間，說明混凝土在破壞后仍具有一定的變形能力。③在同一齡期下，隨著應變率的增加，地聚物混凝土的峰值應力、峰值應變不斷增大，說明粉煤灰-礦渣基地聚物是一種應變率敏感性材料；隨著養護齡期增大，試件峰值應力隨養護齡期的增大而提高，這也符合混凝土強度隨齡期的發展規律。

(a)3 d

(b)7 d

(c)28 d圖3 不同齡期地聚物混凝土的應力-應變曲線

2.3 動態力學性能

2.3.1 動態抗壓強度

圖4 地聚物混凝土的動壓強度

2.3.2 動態增強因子

為進一步分析不同齡期地聚物混凝土的動態強度與應變率之間的關系，采用動態增強因子(DIF)進行分析。圖5為不同齡期地聚物混凝土動態增強因子隨應變率變化的關系，分析可知：①在應變率30～120 s-1范圍內，每個齡期試件的DIF均隨著平均應變率的增加而提高，表明材料動態增強效果明顯。②應變率對動態抗壓強度的提高存在一個閾值，當應變率低于閾值時，動態抗壓強度低于準靜態抗壓強度，即DIF值小于1，說明在低應變率下混凝土內部不能產生足夠的微裂縫，無法耗散過多能量；但超過閾值之后，動態抗壓強度增長明顯，DIF值增加。齡期為3 d、28 d時，試件應變率閾值為40 s-1左右；齡期為7 d時，閾值為60 s-1左右。③隨著齡期的增大，地聚物混凝土動態強度增強效應有所變化，從圖中可以發現，齡期為7 d的地聚物混凝土DIF值小于齡期為3 d的地聚物混凝土，這是因為在沖擊荷載壓縮過程中，低強度混凝土的應力波傳播速度稍小，使得局部效應更加明顯[15]。養護齡期達到28 d時，地聚物混凝土的DIF增大。當應變率約為83 s-1時，齡期為28 d的地聚物混凝土的DIF為1.61，約為7 d和3 d地聚物混凝土的1.35倍和1.24倍。這說明地聚物混凝土DIF較為復雜，需要進一步進行研究。

圖5 地聚物混凝土的動態強度增長因子

國內外許多學者及機構通過試驗或數值計算方法對混凝土DIF進行了研究，并提出了各自的計算模型。歐洲混凝土協會(CEB)[16]考慮混凝土靜態抗壓強度對DIF的影響，提出了CEB模型，表達式如式(3)所示：

(3)

圖6為不同齡期下粉煤灰-礦渣基地聚物混凝土DIF按照CEB公式擬合結果和試驗實測結果，對比后可以發現：CEB模型擬合結果普遍大于實測值且差距較大，擬合效果較差。

圖6 CEB的DIF模型

此外，許多學者根據動態壓縮試驗，對CEB模型進行了改進，提出了自己的DIF計算模型。Ross等[17]利用SHPB設備進行了應變率為10-1～103s-1區間內的試驗，研究混凝土動態強度應變率強化效應，提出的DIF表達式如下：

(4)

Grote等[18]學者利用霍普金森壓桿，研究了水泥砂漿和類混凝土材料在不同應變率下動態力學性能，結合試驗結果提出了以下模型：

(5)

結合Ross和Grote的計算公式，對粉煤灰-礦渣基地聚物混凝土的DIF進行擬合，擬合結果與試驗結果見圖7。對比擬合結果和試驗實測結果后可以發現：Ross和Grote模型的計算結果與試驗實測數據吻合度較差，不符合實測值，曲線趨勢較為平緩，未能很好反映應變率效應。通過前文分析可知，養護齡期對于地聚物混凝土動態力學性能影響較大，而以上模型均未考慮齡期對DIF的影響，所以導致吻合度較差。

圖7 Ross和Grote的DIF模型

試驗研究表明，養護齡期對DIF的影響較大，為了使DIF的預測結果更加貼近試驗結果，筆者結合本試驗研究成果，構建了考慮養護齡期的DIF計算模型，該模型綜合了養護齡期和應變率對動態強度增強效應的影響，模型關系式見式(6):

(6)

式中：T為混凝土的養護齡期，單位為天；A、B為參數值，由試驗回歸所得，見表5。

表5 DIF模型參數值

圖8為考慮齡期DIF模型的計算結果與試驗數據值的比較。從圖中可以看出，該模型的計算結果與試驗結果吻合度較高。擬合程度可用決定系數R2來判斷，R2正常取值范圍為0～1，越接近1，擬合度越好。一般認為R2超過0.8的模型擬合度比較高。本模型R2=0.911 3，說明擬合效果較好，能反映出應變率效應，同時也體現出齡期對地聚物混凝土應變率增強效應的影響。

圖8 考慮養護齡期的DIF模型

2.3.3 比能量吸收

圖9是齡期為3 d、7 d、28 d地聚物混凝土在動態下平均應變率與單位體積吸收能的關系。分析可知：地聚物混凝土在10～102s-1應變率范圍內的比能量吸收為30.4～786.9 kJ/m3，不同齡期的地聚物混凝土的單位體積吸收表現出顯著的應變率效應，隨應變率的增加而提高，這與大多研究者得到的結論一致[14,19]。對每一齡期混凝土的比能量吸收進行線性擬合，線性方程的斜率由齡期3 d的1.287增長到齡期28 d的10.899，這表明隨著齡期增大，比能量吸收隨應變率增長速度加快，率敏感性增強。養護齡期為28 d的地聚物混凝土比能量吸收增長斜率明顯高于養護齡期為3 d和7 d的試件，原因主要是齡期的增長提高了混凝土強度和抗沖擊性能。

圖9 地聚物混凝土的比能量吸收

2.4 機理分析

整體來看，粉煤灰-礦渣基地聚物混凝土的動態抗壓強度、吸能性能隨應變率和養護齡期變化的規律基本相同，均表現出明顯的應變率效應，并且應變率效應會隨著齡期增大而逐漸增強。本文將對應變率效應與齡期效應的機理進行理論闡述。

應變率效應主要由沖擊荷載作用下材料的慣性作用引起[15,20]。試驗中由于地聚物混凝土試件尺寸較大，其受力點主要集中于試件中心部位，而試件邊緣部位由于材料慣性作用，限制了中部的橫向變形，對試件中部形成類似于圍壓作用，而材料邊緣的約束作用隨著應變率的增大而提高，因此進一步提高了材料的抗沖擊力學性能，表現出應變率敏感性[21]。另一方面，混凝土的破壞是裂縫的發育和發展過程，隨著沖擊速率的增大，沖擊荷載作用時間相應縮短，導致試件內部裂縫的擴展存在滯后，因此進一步提高了其動態抗壓強度。

地聚物混凝土動態抗壓強度應變率敏感性隨齡期增加而增大，其原因是：在齡期7 d之前，混凝土強度較低且具有一定的粘彈性，受到沖擊荷載作用后，進入壓實擠密階段，材料通過自身形變吸收了部分外界作用，宏觀表現為動態抗壓強度應變率敏感性不高[21,22]；隨著養護齡期的增大，水化反應、火山灰反應完成程度更高，反應體系中形成較多的C-S-H凝膠、C-A-S-H凝膠、N-A-S-H凝膠等水化物，填充于孔洞或空隙中，使得地聚物混凝土結構更加密實[23,24]，從而提高了混凝土強度和抗沖擊應變性能，進而導致應變率敏感性更加明顯[25]。

3 結論

1)混凝土養護齡期很大程度上影響了混凝土性能，同一齡期下，地聚物混凝土的動態抗壓強度隨應變率增加而增大，體現出明顯的應變率效應；相近應變率下，地聚物混凝土的動態抗壓強度隨齡期增加而增大，呈現出先慢后快的增長趨勢；不同齡期下，地聚物混凝土動態抗壓強度對應變率的敏感程度逐漸增大，隨著齡期增大，應變率效應逐漸增強。

2)地聚物混凝土強度增強效應受齡期影響較大，通過對比分析其他DIF計算模型，本文構建了考慮齡期的DIF計算模型，吻合程度較高，實現了對不同養護齡期地聚物混凝土DIF的預測分析。

3)在同一齡期下，地聚物混凝土的比能量吸收隨著應變速率的增加而增大，表現出明顯的率敏感性；在不同齡期下，地聚物混凝土的比能量吸收隨著齡期的增加而增大，表現出更高的應變率敏感性。