玄武巖纖維地聚物混凝土的高溫動(dòng)態(tài)力學(xué)特性

許金余，蘇灝揚(yáng)，白二雷，劉志群

(1.空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院機(jī)場(chǎng)建筑工程系，陜西西安710038;2.西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院，陜西 西安710072)

地聚物［1］是近年新發(fā)展起來的一種新型材料，有可能在許多場(chǎng)合代替水泥，并有著比水泥更優(yōu)異的性能.地聚物硬化體的脆性較大，與硅酸鹽水泥混凝土相比，盡管地聚物混凝土的折壓比有一定程度的提高，但其脆性依然很高.為此，人們進(jìn)行了長期的研究，提出了降低其脆性的多種方法，其中纖維增強(qiáng)混凝土［2－3］是解決混凝土脆性的有效方法之一.玄武巖纖維［4］是一種新型纖維增強(qiáng)材料，具有性價(jià)比高、抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫、抗裂性能好等優(yōu)點(diǎn).空軍工程大學(xué)許金余［4］研究了沖擊荷載作用下玄武巖纖維增強(qiáng)地聚物混凝土(Basalt Fiber Reinforced Geopolymeric Concrete，BFRGC)的變形特性，結(jié)果表明當(dāng)玄武巖纖維的體積摻量為0.2%時(shí)，玄武巖纖維對(duì)地聚物混凝土變形能力的改善效果最佳.隨著“9·11”事件的發(fā)生以及近年來火災(zāi)事故的不斷上升，纖維混凝土材料的高溫力學(xué)性能越來越多地受到了人們的關(guān)注.Matteo等［5－6］通過彎曲試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)和單軸拉伸試驗(yàn)對(duì)高溫下鋼纖維混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete，SFRC)的力學(xué)特性進(jìn)行了詳細(xì)研究，討論了溫度增加時(shí)SFRC強(qiáng)度的退化情況;李友群等［7］對(duì)聚丙烯纖維、橡膠粉、鋼纖維等改善高強(qiáng)混凝土高溫性能的情況進(jìn)行了比較，指出了研究中存在的問題和今后的研究發(fā)展方向;胡克旭等［8］進(jìn)行不同溫度下碳纖維－混凝土界面的剪切試驗(yàn)，初步建立了不同溫度下的黏結(jié)應(yīng)力－滑移關(guān)系.

目前對(duì)混凝土材料的瞬時(shí)高溫動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的測(cè)試并沒有得到很好的解決，對(duì)于纖維增強(qiáng)地聚物混凝土的高溫動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究也相對(duì)較少.筆者采用自主研制的箱式預(yù)熱爐和管式加熱裝置，結(jié)合φ100 mm SHPB試驗(yàn)裝置，研究了玄武巖纖維混凝土的瞬時(shí)高溫動(dòng)態(tài)力學(xué)性能.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及配比

水淬高爐礦渣:比表面積為491.6 m2/kg，28 d活性指數(shù)≥95%;一級(jí)粉煤灰;石灰?guī)r碎石:5～10 mm粒級(jí)約占15%，10～20 mm粒級(jí)約占85%;中砂:細(xì)度模數(shù)為2.8;化學(xué)純氫氧化鈉片狀固體:純度≥97%;液體硅酸鈉:模數(shù)為3.1 ～3.4，SiO2含量≥26.0%，Na2O含量≥8.2%(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì));玄武巖纖維:體積摻量為0.2%，單絲直徑為15 μm，短切長度為18 mm，密度為2 650 kg/m3，彈性模量為93～110 GPa，抗拉強(qiáng)度為 4 150 ～4 800 MPa，極限伸長率為3.1%.玄武巖纖維地聚物混凝土的配合比見表1.

表1 玄武巖纖維地聚物混凝土配合比

混凝土澆筑完靜置一晝夜后置于(20±1)℃、濕度＞95%的環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，28 d后采用DQ－1型切割機(jī)、SHM－200型雙端面磨石機(jī)進(jìn)行切割打磨，試件兩端面研磨拋光，加工成φ100 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣，端面平行度控制在±0.05 mm以內(nèi)，表面平面度在±0.02 mm以內(nèi).

1.2 高溫加載技術(shù)

為研究混凝土類材料的瞬時(shí)高溫動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，對(duì)原有φ100 mm SHPB試驗(yàn)裝置進(jìn)行改造，增加箱式預(yù)熱爐和管式加熱爐，自主研制了高溫SHPB試驗(yàn)系統(tǒng).試驗(yàn)時(shí)，先將混凝土試件置于箱式預(yù)熱爐中，以10℃/min的速度加溫，到預(yù)定溫度后保持恒溫2 h，將其轉(zhuǎn)移至管式加熱爐中，為彌補(bǔ)運(yùn)輸試件過程(大約6～7 s)中的溫度損失，試件在管式爐內(nèi)目標(biāo)溫度下恒溫10 min后進(jìn)行沖擊試驗(yàn).圖1與圖2分別為箱式預(yù)熱爐和管式實(shí)時(shí)加熱裝置.

圖1 箱式預(yù)熱爐

圖2 管式實(shí)時(shí)加熱裝置

采用厚度為 1.0 mm，直徑為 30，35，40，45，50 mm的鋁片作為波形整形器，過濾了加載波中由于直接碰撞而引起的高頻分量，減小了波傳播過程中的彌散效應(yīng)，有效地解決了應(yīng)力均勻和恒應(yīng)變率加載的問題.在安裝試件的界面上，采用了涂抹界面劑(潤滑油添加石墨粉粒)的方法進(jìn)行界面處理，以減輕摩擦效應(yīng)的影響，確保了試驗(yàn)過程的有效性.

2 結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律

圖3與圖4分別給出了不同溫度下地聚物素混凝土(Geopolymeric Concrete，GC)和玄武巖纖維地聚物混凝土(BFRGC)的強(qiáng)度隨應(yīng)變率的變化情況.

圖3 不同溫度下GC強(qiáng)度隨應(yīng)變率的變化

圖4 不同溫度下BFRGC強(qiáng)度隨應(yīng)變率的變化

由圖3和圖4可知，不同溫度情況下，玄武巖纖維地聚物混凝土(BFRGC)的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度體現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率相關(guān)性，隨應(yīng)變率的提高近似線性增長.對(duì)于地聚物素混凝土(GC)而言，200℃時(shí)混凝土強(qiáng)度較常溫略有提高，400℃和600℃較常溫變化并不明顯，而800℃時(shí)，強(qiáng)度劇烈下降.摻入玄武巖纖維后，200℃時(shí)強(qiáng)度較常溫大幅度增長，400℃和600℃時(shí)略有降低;相對(duì)于素混凝土而言，200℃條件下纖維增強(qiáng)作用明顯，400℃和600℃條件下纖維的摻入使得強(qiáng)度有所下降.

2.2 峰值應(yīng)變隨溫度的變化規(guī)律

圖5與圖6分別給出了不同溫度下地聚物素混凝土(GC)和玄武巖纖維地聚物混凝土(BFRGC)的峰值應(yīng)變隨應(yīng)變率的變化情況.

圖5 不同溫度下GC峰值應(yīng)變隨應(yīng)變率的變化

圖6 不同溫度下BFRGC峰值應(yīng)變隨應(yīng)變率的變化

圖5和圖6表明，不同溫度下BFRGC的峰值應(yīng)變體現(xiàn)出顯著的應(yīng)變率線性相關(guān)性，其中400℃和600℃時(shí)變化情況相近.隨著溫度的升高，BFRGC的峰值應(yīng)變顯著提高，且均大幅度高于常溫時(shí)的峰值應(yīng)變值.其原因在于溫度的提高使得地聚物混凝土內(nèi)水分的蒸發(fā)和膠凝材料以及集料的分解，在其內(nèi)部形成大量空隙，變形能力提高.玄武巖纖維的摻入，提高了地聚物混凝土的峰值應(yīng)變，且在400℃和600℃時(shí)提高較為明顯.

2.3 吸能特性隨溫度的變化規(guī)律

圖7與圖8分別給出了不同溫度下地聚物素混凝土(GC)和玄武巖纖維地聚物混凝土(BFRGC)的能量吸收特性隨應(yīng)變率的變化情況.

圖7 不同溫度下GC吸能特性隨應(yīng)變率的變化

圖8 不同溫度下BFRGC吸能特性隨應(yīng)變率的變化

以混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線下的面積來表征其能量吸收特性.由圖7與圖8可知，200～600℃時(shí)玄武巖纖維地聚物混凝土(BFRGC)的吸能特性明顯優(yōu)于常溫狀態(tài)，而800℃時(shí)由于強(qiáng)度的急劇下降，且強(qiáng)度下降的幅度遠(yuǎn)高于應(yīng)變?cè)鲩L的幅度，使得能量吸收特性明顯降低.玄武巖纖維的摻入提高了地聚物混凝土的吸能特性，尤其是在200℃條件下.不難看出，對(duì)于地聚物素混凝土(GC)，600℃時(shí)吸能特性優(yōu)于400℃，并和200℃時(shí)較為接近;而摻玄武巖纖維后，600℃時(shí)吸能特性低于200℃而與400℃時(shí)較為接近.其原因在于玄武巖纖維的熔點(diǎn)在500℃到600℃之間，600℃時(shí)纖維的熔化造成了混凝土試件內(nèi)大量的空隙，耗散了部分能量.

3 結(jié)語

1)自主研制了高溫SHPB試驗(yàn)裝置，滿足了對(duì)地聚物混凝土材料瞬時(shí)高溫性能的測(cè)試;對(duì)入射波進(jìn)行了整形，保證了試驗(yàn)過程的有效性.

2)不同溫度條件下，BFRGC的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和能量吸收特性隨應(yīng)變率的提高近似線性增長.

3)200℃時(shí)BFRGC的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度相對(duì)于常溫大幅度提高，較素混凝土亦有所提高，但400℃和600℃時(shí)提高并不明顯.

4)隨著溫度的升高，BFRGC的峰值應(yīng)變顯著提高，且均大幅度高于常溫時(shí)的峰值應(yīng)變值.

5)200～600℃時(shí)BFRGC的吸能特性明顯優(yōu)于常溫狀態(tài)，而800℃時(shí)吸能特性明顯降低;玄武巖纖維的摻入提高了地聚物混凝土的吸能特性，尤其在200℃條件下提高顯著.

［1］李為民，許金余.玄武巖纖維增強(qiáng)地聚物混凝土的高應(yīng)變率力學(xué)行為［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2009，26(2):160－164.

［2］ Wang Z L，Shi Z M，Wang J G.On the strength and toughness properties of SFRC under static-dynamic compression［J］.Composites:Part B42(2011):1285 －1290.

［3］ Millard S G，Molyneaux T C K，Barnett S J，et al.Dynamic enhancement of blast-resistant ultra high performance fibrereinforced concrete under flexural and shear loading［J］.International Journal of Impact Engineering，2010(37):405－413.

［4］許金余，李為民，黃小明，等.沖擊荷載作用下玄武巖纖維增強(qiáng)地聚物混凝土的變形特性［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2009，37(7):1137 －1141.

［5］ Matteo Colombo，Marco Prisco.Mechanical properties of SFRC at high temperatures［C］∥Grosse，Christian U.Advances in Construction Materials 2007.Berlin:Springer Berlin Heidelberg，2007:299 －306.

［6］ Matteo Colombo，Marco Prisco，Roberto Felicetti.Mechanical properties of steel fiber reinforced concrete exposed at high temperatures［J］.Materials and Structures，2010(43):475－491.

［7］李友群，蘇健波.高強(qiáng)混凝土的抗火災(zāi)高溫性能研究概述［J］.混凝土，2009(2):24－26.

［8］胡克旭，盧凡，蔡正華.高溫下碳纖維－混凝土界面受剪性能試驗(yàn)研究［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，37(12):1592 －1597.