碱类型对地聚合物混凝土应变率效应 影响的对比研究*

罗 鑫，许金余,2,白二雷，李为民

(1.空军工程大学工程学院机场建筑工程系，陕西 西安 710038; 2.西北工业大学力学与土木建筑学院，陕西 西安 710072; 3.广州军区空军后勤部机场处,广东 广州 510052)

地聚合物[1-2]由于具有特殊的无机缩聚三维氧化物网络结构[3]，因此具有高耐久性[4-5]、高体积稳定性[6-8]等优异性能。地聚合物的胶凝特性的产生来源于碱激发剂作用下的硅铝质材料，其中碱激发剂[9]的运用是最关键的技术，碱激发剂类型的选择对地聚合物性能的影响至关重要。

地聚合物混凝土[10](geopolymer concrete, GC )是以地聚合物为主要胶凝材料制备得到的新型混凝土材料。国防应用中的混凝土结构除了用于承受正常设计载荷外，还要承受各种变化急剧的强动载荷，因此对混凝土材料动态力学性能的研究备受关注。在动态力学性能描述中，应变率是一个重要的特征参量，目前的研究[11-13]表明, 应变率效应是指材料强度随应变率变化而发生变化的现象。目前对于GC应变率效应[14]的研究较少，而有关碱激发剂类型对GC的应变率效应的研究尚属空白，亟待相关实验和理论研究。

本文中首先制备2种类型的碱激发剂：NS型激发剂，由NaOH和液体水玻璃复合组成；NN型激发剂，由NaOH和Na2CO3复合组成。然后分别激发矿渣和粉煤灰复合材料，得到强度等级均为C30的NS激发矿渣粉煤灰基地聚合物混凝土(NS-activated slag and fly ash based geopolymer concrete， NSSFGC)和NN激发矿渣粉煤灰基地聚合物混凝土(NN-activated slag and fly ash based geopolymer concrete， NNSFGC)，采用经波形整形技术改进后的∅100 mm SHPB实验装置开展2种GC的动态压缩实验，对比分析在冲击荷载作用下的应变率效应。

1 实验基本情况

GC的原材料包括：矿渣、粉煤灰、NaOH、液体硅酸钠、Na2CO3、水、中砂和碎石。主要特性如下：

粉体材料：(1) 矿渣：陕西蒲城恒远环保建材有限公司，比表面积≥400 m2/kg；(2) 粉煤灰：韩城电厂，F类(低钙)级。

碱激发剂原料：(1) NaOH：东莞市乔声电子科技有限公司，含量≥99.0%；(2) 液体硅酸钠：南京合一化工厂，模数为3.0～3.3；(3) Na2CO3：天津市百世化工有限公司，白色粉状，含量≥99.8%；(4) 水：饮用水。

骨料：(1)中砂：灞河中砂，细度模数为2.8；(2) 碎石：泾阳县石灰岩碎石，颗粒级配为5～10 mm约占15%、10～20 mm约占85%。

为保证实验设计的科学性，以粉体材料(矿渣、粉煤灰)、骨料(中砂、碎石)、强度等级(C30)为不变量，以碱激发剂类型为变化因素。NSSFGC的碱激发剂类型为NS型，准静态抗压强度fs为44.1 MPa；NNSFGC的的碱激发剂类型为NN型，准静态抗压强度fs为42.9 MPa。

试件制备：按照“裹砂石法”的技术要求，将GC原料混合，搅拌均匀后装入圆柱体试模成型，室温暴露24 h后拆模，立即进行标准养护；根据研究需要取出，进行切割、水磨加工，得到实验用圆柱形试件，几何尺寸约为∅95 mm×50 mm。

2 测试方法

2.1 SHPB实验设备

GC的动态压缩实验依托∅100 mm SHPB实验装置[15]进行，采用500 mm长的射弹。其中，压杆的直径为100 mm，输入杆、输出杆和吸收杆的长度分别为4.5、2.5和1.8 m，材料均为48CrMoA，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.25～0.3，密度7.85 g/cm3，如图1所示。

图1 ∅100 mm SHPB实验装置Fig.1 ∅100 mm SHPB experiment apparatus

2.2 波形整形技术

图2 不同规格整形器下典型的入射波Fig.2 Typical incident wave under different pulse shapers

传统的SHPB实验方法用于混凝土等材料的动态力学测试时无法得到准确的冲击力学特性参数，实验方法需要改进，最常用的方法就是入射波整形技术[16-19]，即在入射杆前端面的中心位置粘贴一个整形器，可以达到改善入射波形的效果。本实验中，采用圆形H62黄铜片作为整形器材料，厚度为1 mm，直径d分别为20、22、25、27、30 mm。图2展示了不同规格整形器状态下典型的入射波。

由图2可知，采用波形整形器消除了波形振荡，得到类半正弦入射波，有学者从理论、实验研究[20]和数值模拟[21]的角度出发，提出类三角形或者类半正弦形应力波能有效降低弥散效应，由此可见，波形整形技术的应用，得到了适合降低大直径SHPB中弥散效应的特殊入射波。同时，波形整形器的应用，一方面拓宽了加载波的前沿升时，由传统矩形波的69 μs左右到整形后200 μs以上，试件中应力应变在加载波的上升阶段达到或接近均匀分布，另一方面，延长了试件破坏前的应力均匀状态，而且有助于达到恒应变率加载的目的，如图3所示。

图3 应变率时程曲线Fig.3 The curves of strain rate vs time

2.3 数据处理

(1)

式中:E为杆的杨氏模量,c为杆中波速,A、As分别为杆、试件的横截面积,ls为试件的初始厚度,τ1、τ2分别为反射波、透射波相对于入射波的时间延迟。

3 应变率效应

混凝土类材料的应变率效应是指材料强度随着应变率变化而变化的现象，为探求GC的应变率效应，分析峰值应力的变化规律并进行对比研究。图4中给出了GC的峰值应力fd和应变率的关系。

图4 fd和应变率的关系Fig.4 The relationship between fd and strain rates

由图4可知，2种类型的GC的峰值应力均随着应变率的增加而增大，表现了明显的应变率效应，这说明，GC为应变率敏感材料。

为对比分析GC的应变率效应，定义动态增长因子(dynamic increase factor)ξ为fd和准静态抗压强度fs的比值，该参数是反映冲击荷载下材料强度增幅的指标

(2)

当实验对象为NSSFGC时，动态增长因子用ξs表示；当实验对象为NNSFGC时，动态增长因子用ξn表示。

(3)

(4)

图5 ξ随的变化规律Fig.5

P.H.Bishcholff等[23]和J.W.Tedesco等[24]对普通混凝土动态力学性能进行了系统、深入的研究，在对大量实验数据进行统计分析的基础上提出，普通混凝土材料在10～102s-1应变率范围内的动态增长因子可由平均应变率的对数线性表示，当应变率超过某一临界应变率时，强度将大幅提高，本实验得到的HFGC的强度特性的定性趋势与普通混凝土一致，反映了混凝土类材料的通性。

这些均有助于应力从加载位置向内部高效传递，从而可以更快、更好地发挥在冲击荷载作用下的整体强度特性。

对比NSSFGC和NNSFGC的应变率效应可知，NNSFGC的应变率敏感性明显强于NSSFGC，这主要基于一下几点：

由此可见，碱激发剂类型对GC的应变率效应的影响很大，在应用时应根据具体要求慎重选择合适的碱激发剂。若是应用在动荷载作用明显的工程中，最好选用NN型激发剂，而且通过对GC应变率效应的对比分析，可以看出，GC的碱激发剂来源广泛，尽管存在共性，但差异点更为明显，对GC性能的研究应注明具体原材料，不能一概而论，尤其是建立动态本构模型时，应变率敏感阈值不同，导致本构模型的区段划分也是不一致的。

4 结 论

采用经波形整形技术改进后的∅100 mm SHPB实验装置对强度等级均为C30的NSSFGC和NNSFGC进行了动态压缩实验，分析了在冲击荷载作用下的破坏形态、强度特性的应变率效应，并进行了对比研究。主要结论如下：

(1)NNSFGC和NSSFGC的峰值应力随着应变率的增加而越大，这表明，GC为应变率敏感材料；

(2) 在动态压缩状态下， 51.82和28.89 s-1分别为NSSFGC和NNSFGC的应变率敏感阈值；

(3)GC具备独特的无机缩聚三维氧化物网络结构、致密的内部结构、与粗骨料间优异的界面粘结性能，使其应变率敏感性强于普通混凝土；

(4)NN型激发剂更有利于发挥GC的整体强度特性；

(5)NNSFGC的应变率敏感性明显强于NSSFGC。

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