温度、应变率对地质聚合物混凝土抗压强度的影响

王志坤，许金余，2，范建设，苗华东，刘远飞

（1．空军工程大学 机场建筑工程系，西安 710038；2．西北工业大学 力学与土木建筑学院，西安 710072；3．中国航空港建设第九工程总队，四川 新津 611430）

地质聚合物［1－6］是近30年来发展起来的一种新型无机聚合铝硅酸盐材料，主要由一种或多种矿物材料经浇筑或压制成型，在较低温度下发生聚合反应，形成以共价键、离子键为主的致密高强体，具备密度低，重量轻，体积稳定性好，耐高温，抗腐蚀能力强等优点，引起了国内外学者的广泛关注。

Susan等［7］研究了高温条件下耐火铝硅酸盐颗粒和纤维增强偏高岭土基地质聚合物的力学特性，结果表明，耐火铝硅酸盐颗粒都能够提高地质聚合物高温后的压缩强度和弯曲强度。王晴等［8］研究了无机矿物聚合物混凝土的高温力学性能，结果表明偏高岭土含量的不同对无机矿物聚合物混凝土高温下的抗压强度有着很大影响，偏高岭土占胶凝材料固相的百分含量为20%时，无机矿物聚合物混凝土的高温性能较好。许金余等［9］以矿渣与粉煤灰制备了碳纤维增强地聚合物混凝土，研究其在冲击荷载下的强度和能量吸收特性，结果表明纤维增强地聚合物混凝土的冲击压缩强度与能量吸收特性均表现出近似应变率线性相关性。

近年来，由于火灾、厂房爆炸、恐怖袭击等灾害频发，建筑物不仅要承受高温作用，而且要承受爆炸冲击荷载，混凝土结构往往处于高温、高应变率等极端条件下。因此，研究温度及应变率共同作用下混凝土材料的力学响应显得极为迫切。目前对地质聚合物混凝土的耐高温性能的研究主要集中在准静态加载条件下，对其高温－冲击耦合作用下的力学特性研究较少。本文以矿渣、粉煤灰为原料，以固体氢氧化钠和液体硅酸钠的混合液为激发剂，制备了地质聚合物混凝土；采用自主设计的高温SHPB试验系统，对高温条件下地质聚合物混凝土的冲击压缩强度进行了试验研究，探讨了其随温度和应变率的变化规律。

1 试验

1．1 原材料及配比

原材料：水淬高炉矿渣（比表面积为491．6 m／kg，28d活性指数95% ）；一级粉煤灰；石灰岩碎石（5 mm～10 mm，15%；10 mm～20 mm，85%）；中砂（细度模数为2．8）；化学纯氢氧化钠片状固体（纯度97% ）与液体硅酸钠（模数为 3．1～3．4，SiO2含量 26．0%，Na2O含量8．2% ）的混合溶液为碱激发剂。其中：水胶比为0．26，砂率为40%。表1为矿渣、粉煤灰的化学组成，表2为地质聚合物混凝土配合比。

1．2 高温SHPB试验

采用自主研制的高温SHPB试验系统对地质聚合物混凝土的高温动态抗压强度进行测试。图1为箱式预热炉及其温控系统，图2为管式加热装置。

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

图1 箱式预热炉Fig．1 Box heating furnace

图2 管式加热装置Fig．2 Tubular heating furnace

首先将试件置于箱式预热炉中，以10℃／min的升温速率加热；到达目标温度后恒温4 h，将其转移至管式加热炉中。为弥补运输过程中的温度损失（大约6～7 s），试件在管式炉内的相同目标温度下恒温10 min后再进行冲击试验。试验设计时每种温度下每种应变率下取三块试件进行试验，取平均值作为试验结果；由于实际操作过程中存在试件爆裂、信号无采集等意外情况，每种温度下的试件数为15～20块。

图3为不同温度下地质聚合物混凝土的应力应变曲线。可以看出，图3中各条曲线峰后的应变在达到最大值之后有回弹的趋势，这可能是由于试件破坏后炉壁的影响限制了试件的横向变形和向外扩张，间接地影响了试件峰后的应变，出现回弹现象。需要说明的是，炉壁的存在并不影响材料峰前的应力和应变。这是因为炉膛的内径略大于压杆和试件的直径，为了使试件能够与压杆准确对中，我们选择了耐高温、质地柔软、变形量大的陶瓷纤维卷毡垫在试件的下面，宽度约为试件宽度的1／2，厚度约为10～12 mm。高温条件下，地质聚合物混凝土的峰值应变大约在0．010～0．040之间，常温下地质聚合物的泊松比约为0．2，高温下则更低，而试件的半径约为49 mm，因此，峰前试件的横向变形远小于卷毡的厚度，其应力应变几乎不受影响。此外，不难发现，800℃时应力应变曲线的初始段有一定程度的波动，其原因可能有两种，第一是800℃高温下试件的损伤较大，内部裂缝孔隙较多，使得加载初始段应力随应变的变化不稳定；第二是800℃时的高温热冲击对应变片采集的信号有干扰，尤其是在试件强度还没有达到较高水平时。图4给出了不同温度和应变率条件下地质聚合物混凝土的破坏形态。可以看出，随着应变率的升高，试件的破坏尺度由大到小变化，尤其是在400℃以前；600℃和800℃时，当应变率大于80 s－1，试件的破坏程度差别不大。

图3 不同温度下应力应变曲线Fig．3 Stress-strain curves of geopolymeric concrete at different temperatures

图4 高温下地质聚合物混凝土破坏形态Fig．4 Damage forms of geopolymeric concrete at elevated temperatures

2 结果与讨论

2．1 温度效应

图5给出了不同温度下地质聚合物混凝土的动态压缩强度随应变率的变化关系，图6为高温条件下动态压缩强度相对于常温时的增长率。从图中可以看出，200℃时地质聚合物混凝土的动态抗压强度较常温时有所增长，在应变率为30 s－1时，最大增幅约40%；400℃和600℃时与常温接近，800℃时强度急剧下降，下降幅度为65%～90%。

温度对地质聚合物混凝土动态压缩强度的影响可作如下解释：地质聚合物中存在硅氧四面体和铝氧四面体两种基本单元，其缩聚大分子通式为Mx［－（Si－O2）z－Al－O－］n·wH2O，结构为以环状链构成的连续三维网络构架，具有一定的结晶形态。其分子完全是由Si、Al、O元素等链节通过共价键构成的，其中Si－O键能为535 kJ／mol，高于有机聚合物的 C－C键能360 kJ／mol，并且Si－O键和Al－O键具有方向性，不易转动。地质聚合物的这些结构特点，使得其在200℃～600℃时能够保持网络结构的完整性，因此它不会像普通水泥基体由于氢氧化钙晶体的分解而导致400℃后强度下降。此外，200℃前，由于自由水的存在，高温会促进基体中未反应的铝硅酸盐物质溶解络合、浓缩聚合，促进了聚合反应的发生，同时结构更加密实，因此强度较常温有所提高；200℃后，由于自由水已基本蒸发，缩聚反应停止，因此强度与常温时相近。800℃时，作为骨料的石灰石已开始分解，强度急剧下降。

2．2 应变率效应

2．2．1 温度对应变率的影响

图7给出了不同温度下应变率和弹速的关系。可以发现，应变率随弹速近似线性增长。此外，同一弹速水平下，200℃～600℃时的应变率与常温接近，800℃时较常温提高明显。这是因为地质聚合物的三维网络结构，使其黏弹性特征在高温下变化较小，应变率较常温变化不大；而800℃时石灰石已开始分解，结构疏松，变形量大，因此在同等弹速下，应变变化较快。

2．2．2 动态强度增长因子

动态强度增长因子［10］（DIF），即单轴压缩条件下，动态强度和准静态强度的比值，是材料应变率强化效应的重要指标。200℃～800℃的准静态抗压强度分别为 61．3 MPa、58．1 MPa、55．8 MPa和 18．2 MPa。相关研究表明，混凝土类材料的DIF随着应变率的增加而不断增长，并存在一个临界应变率值，当应变率大于临界值时，DIF急剧增长。但很多学者认为，这种应变率强化效应并不是真正的应变率效应，而是由侧向约束引起的。Li等［11］近来的研究表明SHPB试验中，应变率为102～103s－1条件下动态强度的增强主要是由于接触面限制作用和横向惯性效应引起的侧向约束作用。Zhou等［12］认为，当应变率低于 200 s－1时，侧向约束作用可以忽略，DIF增长主要是由于材料的应变率效应。为探求高温条件下地质聚合物混凝土DIF的应变率效应，首先要确定由侧向约束引起的附加应力值。附加应力可表示为［13］：

图5 不同温度下动态抗压强度随应变率变化规律Fig．5 Dynamic compressive strength versus strain rate at different temperatures

图6 高温下动态抗压强度增长率Fig．6 Increase ratio of dynamic compressive strength at elevated temperatures

图7 不同温度下应变率与弹速的关系Fig．7 The relation between strain rate and projectile velocity at different temperatures

图8 最大附加应力随应变率变化情况Fig．8 Relation between maximum additional tress and strain rate at elevated temperatures

文献［11，14］在大量试验数据统计分析的基础上提出，混凝土材料在10～100 s－1应变率范围内的DIF与应变率的对数呈线性关系。本文通过对试验数据的拟合发现高温条件下，DIF随应变率的对数近似线性增长，且相关性较好，具体公式如下：

图9展示了DIF随应变率对数变化情况。由图9及式（2）～（5）的斜率不难发现，温度越高，DIF的应变率效应越明显。混凝土类材料DIF应变率效应的物理机制目前仍不完全清楚，公认的使得宏观DIF具有应变率敏感性的主要因素有两个，一是混凝土本身的黏弹性特征，二是依赖于时间的裂缝扩展。材料的破坏是由于裂缝的产生和扩展所致，裂缝的产生和扩展将消耗大量的能量，由于动态冲击作用下加载时间很短，因此只能通过增加应力的方式来累积能量。200℃～600℃时，地质聚合物混凝土内的水分蒸发，但整体结构并没有破坏，保持着较好的稳定性，并且发生收缩，结构更加致密，黏弹性特性增强，裂缝产生和扩展所需要的能量也增大，因此应力增长较为明显。800℃时DIF的应变率效应最为明显，但它与400℃～600℃时的强化机制并不相同。800℃时，地质聚合物基体仍保持完整性，但石灰石开始分解，地质聚合物混凝土结构已经破坏，内部存在着大量的裂隙和裂缝，强度大幅度降低。根据DIF的定义，由于800℃时地质聚合物混凝土的准静态强度较低，因此在冲击荷载作用下强度值的绝对增长虽然不大，但宏观表现为较强的应变率敏感性。

图9 DIF随应变率对数变化情况Fig．9 Relation between DIF and logarithm of strain rate at elevated temperatures

3 结 论

本文采用自主设计的高温SHPB试验系统，以矿渣、粉煤灰为原料，以固体氢氧化钠和液体硅酸钠的混合液为激发剂，制备了地质聚合物混凝土；试验研究了高温条件下地质聚合物混凝土的冲击压缩强度，并探讨了其随温度和应变率的变化规律。主要结论为：

（1）200℃时地质聚合物混凝土的动态抗压强度较常温时有所增长，在应变率为30 s－1时，最大增幅约40%；800℃时强度急剧下降，下降幅度为65%～90%。

（2）应变率随弹速近似线性增长；同一弹速水平下，200℃～600℃时的应变率与常温接近，800℃时较常温提高明显。

（3）在30～130 s－1应变率范围内，高温下地质聚合物混凝土的DIF与应变率的对数呈线性关系，且温度越高，应变率效应越明显。

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