地聚物混凝土動(dòng)力學(xué)特性和微觀機(jī)理研究

賴(lài) 韋 寒 雨, 蓋 文 杰, 肖 峰, 余 昊, 吳 鑫 洋, 周 長(zhǎng) 發(fā)

(四川大學(xué)水利水電學(xué)院,四川 成都 610065)

1 前 言

為解決硅酸鹽混凝土中的水泥(OPC)生產(chǎn)時(shí)粉塵和二氧化碳(CO2)產(chǎn)生的問(wèn)題,地聚物混凝土(GC)應(yīng)運(yùn)而生。對(duì)地聚物混凝土的已有研究主要集中在靜態(tài)力學(xué)特性上,但受應(yīng)變率效應(yīng)等因素影響,混凝土在靜、動(dòng)態(tài)荷載作用下的響應(yīng)機(jī)理的差異較大,并在很大程度上依賴(lài)于混凝土配合比設(shè)計(jì)[1]。地聚物混凝土中常見(jiàn)的膠凝材料為粉煤灰、礦渣和硅粉,因此研究地聚物混凝土在這三種材料不同配合比下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性具有必要性。

已有研究成果表明礦渣-粉煤灰基地聚物混凝土具有較高的應(yīng)變率敏感性[2], 地聚物混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨硅粉摻量增大而增大[3]。研究發(fā)現(xiàn)[4],在地聚物混凝土中加入礦渣將導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)坡度的急劇上升,下降部分更陡,說(shuō)明其脆性較高,當(dāng)利用30%摻量硅粉替代礦渣時(shí),在水化反應(yīng)下將產(chǎn)生強(qiáng)度更高的凝膠物質(zhì)[5]。Xiao等人[6]認(rèn)為,粉煤灰增多將導(dǎo)致動(dòng)態(tài)試驗(yàn)應(yīng)力峰值增大。為更好理解GC的力學(xué)行為,還需對(duì)地聚合物的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。Xie等[7]認(rèn)為加入礦渣等含鈣材料可改善地聚物混凝土的力學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu)、并降低工作性能。研究[8]表明硅粉可改變體系中的Si/Al比以改變其微觀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度特性,使得填充效果密集從而提高基質(zhì)強(qiáng)度。

筆者運(yùn)用SHPB裝置進(jìn)行系列動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn),研究并討論粉煤灰、礦渣、硅粉不同配合比下,地聚物混凝土在各應(yīng)變率下的抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)、動(dòng)態(tài)增強(qiáng)因子(DIF),并采用SEM從微觀作用上分析各因素的影響機(jī)理,深入了解配合比對(duì)地聚物混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的影響。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 材料準(zhǔn)備和試樣制作

為研究地聚物混凝土的動(dòng)態(tài)荷載下的力學(xué)性能,實(shí)驗(yàn)試樣采用粉煤灰、礦渣、硅粉作為膠凝材料,硅酸鈉溶液、氫氧化鈉作為堿激發(fā)劑,加入砂石、減水劑、水等原料拌制混凝土。所用骨料為1～5 mm的河砂、5～10 mm粒徑均勻的石子。粉煤灰、礦渣和硅粉材料的化學(xué)組成成分見(jiàn)表1,地聚物混凝土的配合比見(jiàn)表2。

表1 粉煤灰、礦渣、硅粉的化學(xué)組成成分 /%

表2 地聚物混凝土的配合比 /(kg·m-3)

地聚物混凝土試樣試驗(yàn)流程圖見(jiàn)圖1,提前24 h制備堿激發(fā)劑,將模數(shù)調(diào)整為定值2.0后,加入適量的外加水;將各組不同比例的膠凝材料、骨料均勻混合后,加入定量的激發(fā)劑,充分?jǐn)嚢韬?振動(dòng)壓實(shí)、裝模密閉;將混凝土封存24 h后進(jìn)行脫膜養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)時(shí)長(zhǎng)為28 d。

圖1 地聚物混凝土試樣試驗(yàn)流程圖

2.2 試驗(yàn)方法

靜荷載試驗(yàn)利用液壓-伺服系統(tǒng),所測(cè)立方體試樣為100 mm×100 mm×100 mm,靜載試樣尺寸圖見(jiàn)圖2(a),取三次測(cè)量值的平均值,記錄數(shù)值并分析。動(dòng)荷載試驗(yàn)采用改進(jìn)的霍普金森壓力桿(SHPB)裝置,其主要由沖擊桿(長(zhǎng)為300 mm)、入射桿(長(zhǎng)為3 000 mm)和透射桿(長(zhǎng)為2 000 mm)所構(gòu)成,SHPB試樣尺寸圖見(jiàn)圖2(b),動(dòng)態(tài)壓縮試樣圖見(jiàn)圖2(c),SHPB試驗(yàn)裝置圖見(jiàn)圖3。

a)靜載試樣尺寸圖 (b)SHPB試樣尺寸圖

圖3 SHPB試驗(yàn)裝置圖

試驗(yàn)采用脈沖整形技術(shù)將所獲波形矯正為正弦波,為降低摩擦,實(shí)驗(yàn)前需在試件接觸面處涂抹潤(rùn)滑油,同時(shí)在入射桿與透射桿之間對(duì)稱(chēng)粘貼兩對(duì)應(yīng)變片以確保試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性。

試驗(yàn)時(shí)將試件放置在入射桿和透射桿之間,緊密貼合確保一維變形,利用液壓供應(yīng)系統(tǒng)將高壓油注入軸向輸送室,沖擊桿由氣槍提供動(dòng)力產(chǎn)生沿桿傳播的斜向應(yīng)力εi。當(dāng)入射波傳遞至桿與試件的交界面時(shí),將會(huì)在界面上分別引起反射波和透射波,采用應(yīng)變片進(jìn)行量測(cè)即可由應(yīng)力波理論得到試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

該試驗(yàn)中的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率計(jì)算如下:

(1)

(2)

(3)

其中,A和E分別是桿的橫截面積和彈性模量,C0是壓桿中的彈性波速,L是試件的原始長(zhǎng)度,s為試樣的橫截面積。

此外,試驗(yàn)還采用掃描電鏡(SEM)對(duì)提取的破碎樣品進(jìn)行分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 靜荷載試驗(yàn)

為不同配合比下地聚物混凝土的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度,粉煤灰和礦渣的摻量比例為1∶1的GC-1靜態(tài)抗壓強(qiáng)度最大,為29.17 MPa。對(duì)比GC-1、GC-2、GC-5可得,當(dāng)粉煤灰保持50%摻量不變時(shí),試件的抗壓強(qiáng)度隨著硅粉替換礦渣摻量的增多而呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。地聚物混凝土靜態(tài)應(yīng)力峰值強(qiáng)度見(jiàn)圖4。

圖4 地聚物混凝土靜態(tài)應(yīng)力峰值強(qiáng)度

GC-2靜載下破壞試件的SEM分析中,少量的硅粉有利于Ca-O鍵的斷裂,并與SiO2、Al2O3等生成C-A-S-H凝膠,但硅粉活性較大,不利于粉煤灰、礦渣受堿溶解,未反應(yīng)完成的粉煤灰堆積在骨料與凝膠材料間原有裂縫的弱區(qū)域處,導(dǎo)致試件抗壓強(qiáng)度的下降,GC-2靜態(tài)加載碎屑SEM分析見(jiàn)圖5。

圖5 GC-2靜態(tài)加載碎屑SEM分析

對(duì)于粉煤灰與礦渣比值為1∶0.9、1∶0.36的試件,當(dāng)硅粉摻量保持不變時(shí),試件靜態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著礦渣摻量的減少而下降,原因是礦渣含量的增加將產(chǎn)生密度更大的鈣基水合物凝膠(硅酸鋁鈣),提高了試件的抗壓強(qiáng)度。含礦渣摻量較大的GC-1、GC-2試樣失效模型為脆性斷裂的“楔形”模型,具體表現(xiàn)為裂縫從試樣頂端沿對(duì)角方向延伸并直接貫穿至底面,破壞面處大量骨料出露。原因是礦渣的摻入可提高混凝土的壓實(shí)度和均勻性,改善骨料與基體界面的黏結(jié)性,使更多的裂紋通過(guò)骨料傳播。靜態(tài)試驗(yàn)失效模型圖見(jiàn)圖6。

圖6 靜態(tài)試驗(yàn)失效模型圖

對(duì)比GC-1、GC-2、GC-5,隨著硅粉摻量的增多,試件“楔形”破裂效應(yīng)顯著下降,受壓破壞后其骨料破碎率降低、試件完整程度較高,可歸因于硅粉通過(guò)填充作用及其生成的多聚合產(chǎn)物在膠結(jié)界面發(fā)揮了較強(qiáng)的粘結(jié)能力。粉煤灰摻量較高的GC-3、GC-4破壞試件中,斷裂面與軸向力呈θ°,原因可能為未反應(yīng)完全的粉煤灰含量過(guò)高,對(duì)裂紋的橫向膨脹有抑制作用,導(dǎo)致試樣呈傾斜角度剪切破壞。

3.2 動(dòng)荷載試驗(yàn)

3.2.1 動(dòng)荷載應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)機(jī)理是表征材料動(dòng)態(tài)特性的重要指標(biāo),不同配合比下地聚物混凝土試件的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度均隨應(yīng)變速率的增加而呈現(xiàn)上升趨勢(shì),試樣的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖7,其主要是由于Stefan效應(yīng)、橫向約束效應(yīng)和裂紋傳播效應(yīng)所造成的。與靜態(tài)加載不同,混凝土試樣在低應(yīng)變率下傾向于沿骨料-凝膠材料粘結(jié)界面斷裂,而在高應(yīng)變率下裂紋則被迫通過(guò)阻力較高的區(qū)域傳播。各試樣的最終應(yīng)變也隨應(yīng)變率的增加而呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。對(duì)比GC-1、GC-2、GC-5,當(dāng)粉煤灰摻量保持不變時(shí),與硅粉相比,礦渣摻量的增加能有效提高地聚物混凝土的最終應(yīng)變,使得峰后應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的下降更為平緩,呈現(xiàn)出較長(zhǎng)的下降分支,表明其具有一定的延性響應(yīng)。

(a)GC-1

3.2.2 動(dòng)荷載抗壓強(qiáng)度特性

在60s-1-135s-1應(yīng)變率下,試件的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度受應(yīng)變率影響的原因主要?dú)w于裂紋擴(kuò)展效應(yīng)和Stefan效應(yīng),應(yīng)變率對(duì)試樣動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖8。與靜態(tài)抗壓強(qiáng)度不同,礦渣摻量較高(45%)、硅粉摻量低(5%)的GC-2試件在各應(yīng)變率下,其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度均為最高,主要原因是試件所含的硅粉較少,由于處于低鈣環(huán)境下,結(jié)晶不良的SiO2溶解后發(fā)生ASR機(jī)制[9]的概率較低,Si-O鍵斷裂后,游離的Si(OH)42-可促進(jìn)礦渣進(jìn)行堿化反應(yīng),生成強(qiáng)度較高的C-A-S-H凝膠,礦渣摻量越高則生成的C-A-S-H凝膠也就越多。在動(dòng)態(tài)加載下由于響應(yīng)時(shí)間較短,裂縫更易通過(guò)較強(qiáng)的路徑進(jìn)行傳播,故而提高了混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度。

圖8 應(yīng)變率對(duì)試樣動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的影響

對(duì)比GC-2、GC-5,硅粉顆粒參與堿化反應(yīng)的需水量隨著硅粉含量的增加而增大,導(dǎo)致其附近的含水量過(guò)低,Stefan效應(yīng)減弱,裂紋拓展阻力下降,從而使得試件動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度下降。

在含高摻量粉煤灰(70%)GC-3試件中,過(guò)量的粉煤灰會(huì)堆積在黏結(jié)界面處,減小試件的黏結(jié)界面強(qiáng)度和力學(xué)性能,從而導(dǎo)致其在低應(yīng)變率下動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度較小。而隨著應(yīng)變率提高,其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度也不斷提高,可歸因于在較高應(yīng)變率下,過(guò)量的粉煤灰在粘結(jié)界面間的搭接行為導(dǎo)致的橫向變形減少,形成了更高的裂紋觸發(fā)率,從而提高了試件的動(dòng)態(tài)性能。

3.2.3 動(dòng)荷載增加因子(DIF)

DIF為動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與靜態(tài)抗壓強(qiáng)度之比,利用DIF和應(yīng)變率之間的關(guān)系可表征材料的應(yīng)變率敏感性,為此該研究建立了DIF和應(yīng)變率的線(xiàn)性擬合方程見(jiàn)圖9,其線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)R2均大于0.92。試件的DIF均隨應(yīng)變率的增加而增加,但由于各試件膠凝材料的組成不同,導(dǎo)致其內(nèi)部的反應(yīng)產(chǎn)物、孔隙結(jié)構(gòu)及粘結(jié)界面處的相互作用不同,其應(yīng)變率敏感性存在顯著差異。試件GC-1的靜、動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度均較高,但其DIF值較低,DIF的應(yīng)變率敏感性較弱。粉煤灰摻量較大的GC-3試件粘結(jié)界面強(qiáng)度較弱、整體質(zhì)量較差,其靜、動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度均較低,反而具有較高的DIF,與文獻(xiàn)[10]一致。

圖9 應(yīng)變率—DIF線(xiàn)性擬合圖

如前所述,GC-5硅粉含量較大(20%)、界面性能良好,從而導(dǎo)致其破裂概率往往較高,使得試件中細(xì)微裂紋周?chē)璺鄣臉蚪幼饔脺p弱,其抗沖擊性能下降。同時(shí),試件中的游離水含量隨硅粉含量的增多而減少,Stefan效應(yīng)減弱,其DIF應(yīng)變率敏感性較低。在GC-2中,當(dāng)硅粉含量較少(5%)、僅用于適當(dāng)提高混凝土中的Si/Al比時(shí),試件內(nèi)同時(shí)存在C-S-H凝膠和C-A-S-H凝膠,使微觀結(jié)構(gòu)更為致密,有效地將沖擊應(yīng)力由加載處迅速轉(zhuǎn)移至試件內(nèi)部以抵消緩沖,提高試件的應(yīng)變率敏感性。

3.2.4 掃描電鏡(SEM)分析

硅粉含量為0%時(shí)試件細(xì)微裂縫較多、且有未反應(yīng)完成的不規(guī)則狀礦渣顆粒和球狀粉煤灰、產(chǎn)物C-(A)-S-H、N-A-S-H等。在同一應(yīng)變率下,隨著硅粉含量增加,礦渣含量減少,硅粉含量較高的地聚物混凝土在微觀結(jié)構(gòu)下的微裂紋和微孔隙更少,原因在于微小的硅粉顆粒可以發(fā)揮空間填充能力,使粘結(jié)界面更密實(shí),同時(shí)降低礦渣含量可減少其額外產(chǎn)生Ca(OH)2導(dǎo)致的微裂紋的膨脹和發(fā)展。相同應(yīng)變率下各試件的SEM分析見(jiàn)圖10。

(a)GC-1, 112s-1

由于硅粉具有比表面積高和活性大的特性,硅粉摻量過(guò)大將降低礦渣和粉煤灰的活化程度,使得未反應(yīng)完全的粉煤灰和礦渣含量增加。同時(shí),高硅粉摻量試件對(duì)水需求的增加會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部部分區(qū)域保持非反應(yīng)狀態(tài),增加試樣的不均勻性,并出現(xiàn)部分脆弱的微觀結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致試樣DIF的應(yīng)變率敏感性降低。

不同應(yīng)變率下GC-2的SEM分析見(jiàn)圖11,由于試件界面粘結(jié)良好,故在低應(yīng)變率荷載的作用下,裂縫主要沿著已有裂縫擴(kuò)展,應(yīng)力其集中區(qū)較明顯。隨著應(yīng)變率的逐漸升高,試件內(nèi)部細(xì)紋產(chǎn)生的速度也逐漸加快。

圖11 不同應(yīng)變率下GC-2的SEM分析

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)地聚物混凝土不同配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行的動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)研究及分析,得出了以下主要結(jié)論:

(1)當(dāng)試樣中粉煤灰與礦渣摻量比為1∶1時(shí),其靜態(tài)抗壓強(qiáng)度最高。隨著硅粉摻量的增多,地聚物混凝土靜態(tài)抗壓強(qiáng)度形呈現(xiàn)先下降后緩慢上升趨勢(shì)。

(2)在動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)中,硅粉含量5%、礦渣含量45%的GC內(nèi)部的結(jié)構(gòu)致密,動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)最佳,試件的應(yīng)變率敏感性高,而當(dāng)硅粉摻量較大時(shí),DIF應(yīng)變率敏感性較低。

(3)在掃描電鏡(SEM)分析中發(fā)現(xiàn),隨著應(yīng)變速率增加,試件內(nèi)部細(xì)微裂紋逐漸增多,且多發(fā)生在強(qiáng)度較大的骨料顆粒、產(chǎn)物C-(A)-S-H凝膠、以及未反應(yīng)完全的硅粉、粉煤灰等材料內(nèi)部。