纳米氧化铝对混凝土静动态力学性能的影响

朱从进,白二雷,许金余,2,朱靖塞,刘远飞,尹跃刚

(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.空军航空大学飞行训练基地,长春 130062)



纳米氧化铝对混凝土静动态力学性能的影响

朱从进1,白二雷1,许金余1,2,朱靖塞1,刘远飞1,尹跃刚3

(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.空军航空大学飞行训练基地,长春 130062)

制备了掺量为0.2%的纳米氧化铝混凝土(NAC)，采用HYY系列液压伺服试验系统和φ100 mm分离式霍普金森压杆分别研究了NAC的准静态及在不同应变率下的动态力学性能。结果表明：准静态荷载下，NAC的强度及变形性能较素混凝土(PC)明显提高，抗压强度提高约44.5%。动荷载作用下，NAC的应变率敏感性显著，随着应变率的增大，峰值应力显著提高，极限应变增幅明显。此外，掺入纳米氧化铝后，NAC的强度和变形性能较之PC亦均提升显著。分析峰值韧度指标可知，随着应变率的提高，NAC的峰值韧度近似线性增大，纳米氧化铝的增韧效果十分显著。通过电镜扫描微观机理分析，纳米氧化铝提高了水泥硬化浆体的密实度，改善了混凝土界面过渡区，进而改善了NAC的强度和韧性。

混凝土； 纳米氧化铝； 分离式霍普金森压杆； 动态力学性能

1 引 言

水泥混凝土问世以来一直是建筑工程最重要的结构材料，得到广泛应用。随着混凝土结构规模及使用范围的不断扩大，其服役环境及所受荷载日趋复杂。因此，为确保混凝土结构的安全性及可靠性，有必要进一步针对混凝土材料的性能进行改进，以满足各条件下的使用要求。

以纳米材料为代表的超细粉体，是目前用于水泥基材料复合改性的一类新型材料[1]。将纳米材料掺入混凝土基体，可有效提升混凝土力学及变形性能。目前，针对纳米混凝土的研究已取得许多成果，但所掺入的纳米材料多为纳米二氧化硅[2-5]和纳米碳酸钙[6-9]，且研究重点主要集中于纳米混凝土的工作性和准静态力学性能方面，对于其动态力学性能方面的研究还相对较少。然而，许多混凝土结构在其服役期间难免会面临冲击、高温以及爆炸等极端外部荷载作用的威胁，因此有必要针对纳米混凝土在动态荷载作用下的力学性能进行研究。

氧化铝是水泥颗粒化合物中的重要组成部分，掺入纳米氧化铝与水泥具有天然的相容性，而且纳米氧化铝具有极高的强度和较好的韧性，在水泥水化反应中其产物具有较高的活性[10-13]。因此，可以预见在水泥混凝土中掺入纳米氧化铝能够有效增强混凝土的性能[14-16]。本文以纳米氧化铝粉体为改性材料，采用聚羧酸高性能减水剂作为纳米材料分散剂和混凝土减水剂，制备了纳米氧化铝混凝土(NAC)，采用HYY系列液压伺服试验系统和φ100 mmSHPB试验系统研究了其静态和动态力学性能，并与素混凝土(PC)进行比较，分析了纳米氧化铝对混凝土静动态力学性能的影响。

2 实 验

2.1 原材料

水泥：陕西耀县秦岭牌32.5R普通硅酸盐水泥；粉煤灰：由韩城第二发电厂提供；细骨料：灞河中砂，密度2.63 g/cm3；粗骨料：石灰岩碎石，密度2.7 g/cm3，含泥量0.2%，粒径范围5～20 mm；减水剂和纳米材料分散剂：均采用陕西中易化工生产的高性能聚羧酸母液；纳米氧化铝产自杭州万景，主要性能指标见表1。

表1 纳米氧化铝性能指标Tab.1 Properties of nano-alumina

2.2 试验材料

NAC配合比如表2所示。制备流程如下：

(1)将聚羧酸母液与部分水搅拌形成减水剂溶液待用；

(2)将纳米氧化铝粉体加入减水剂溶液中搅拌60 s，而后经超声波分散15 min制成纳米氧化铝混合液待用；

(3)将粉煤灰和一半的水泥倒入搅拌机搅拌30 s，再将纳米氧化铝混合液倒入搅拌30 s；

(4)倒入砂、石分别搅拌30 s；

(5)将剩余水和水泥倒入搅拌120 s。

搅拌完毕后，将混凝土拌合物装入边长100 mm的立方体模具和内壁直径100 mm，长度50 mm的圆柱体模具，并置于振动台振捣密实。试件浇筑完成后在室内静置1 d后脱模、编号，然后移入标准养护室(温度(20±2 )℃，相对湿度95%以上)进行为期28 d的标准养护。养护结束后将试件取出，采用双端面磨石机进行水磨加工，以确保试件表面光洁度、平整度及两端面的平行度等满足试验标准要求。最终，制成几何尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件(用于准静态力学试验)及φ98 mm×50 mm的圆柱形试件(用于动态力学试验)。

表2 纳米氧化铝混凝土配合比Tab.2 Mix proportions of nano-alumina concrete /kg·m-3

2.3 试验设备及方法

(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；εI(t)、εR(t)、εT(t)分别为杆中的入射、反射、透射应变。

由于SHPB试验中加载波在传播过程中易产生弥散效应，且不能保证试件在破坏前有足够的时间达到应力均匀状态。本文采用入射波整形技术[18,19]改变加载波形，将传统矩形加载波变成半正弦波或三角形加载波，是解决弥散效应问题的有效手段。采用H62黄铜波形整形器对入射波进行整形，整形器厚度为1 mm，直径为20 mm、22 mm、25 mm、27 mm、30 mm。动力试验结束后，收集试件碎块，采用COXIEM-30扫描电镜对NAC和PC微观形貌进行扫描并分析。

3 结果与讨论

3.1 应力应变曲线

图1 准静态荷载下应力-应变曲线Fig.1 Stress versus strain curves by quasi-static loading

应力应变曲线是材料性能和指标的综合性反映，其几何形状特征及特征点的变化能够较为直观地反映出试件在不同受力阶段的强度变形特征。图1和图2分别为准静态荷载及动态荷载作用下NAC与PC的应力应变曲线。由图1可知：(1)在准静态荷载下，两组混凝土在应力作用前期首先经历一段压密过程，应变随着应力的增大而增大；(2)同一应变下，NAC的应力显著大于PC，NAC和PC的峰值应力分别为49.4 MPa和34.1 MPa，前者较后者提高约44.5%，说明纳米氧化铝的掺入对提高混凝土抗压强度具有显著效果；(3)较之PC，NAC在达到峰值应力后，其曲线出现一段较长的近似平台区，之后曲线骤降，说明NAC在峰后随着应变的增大仍在较大范围内保持一定强度，直至试件被压坏而失去承载能力，最终试件迅速破坏，试件破坏近似弹塑性，表明纳米氧化铝的掺入可显著改善混凝土变形性能。

图2 动荷载下应力-应变曲线 (a)PC; (b)NACFig.2 Stress versus strain curves by dynamic loading (a)PC; (b)NAC

由图2可知：(1)在动荷载作用下，两组混凝土应变率敏感性显著，即随着应变率的增大，试样峰值应力增大；(2)两组曲线下降段存在趋势上的一致性，即随着应变率的升高，曲线下降段逐渐右移，表明试件形变加剧；(3)两组混凝土在达到应力峰值前曲线较平滑，峰后曲线呈震荡式波动下降，这主要归因于混凝土试样内部不均匀及部分碎块仍具有一定强度；(4)较之PC，NAC曲线随着应变率的增大，峰值应力提高较明显，极限应变增幅显著，说明掺入纳米氧化铝能够有效提高混凝土的抗压强度和变形性能。

3.2 动态抗压强度

(2)

可以看出：(1)两组混凝土的动态抗压强度与应变率均呈现明显正相关性，即随应变率的提高，动态抗压强度近似线性增大；(2)PC与NAC的线性拟合曲线斜率相近，但NAC强度整体显著高于PC，表明掺入纳米氧化铝显著提高了混凝土的动态抗压强度，但并未影响动态抗压强度随应变率的增长速度。

图3 动态抗压强度与应变率之间的关系Fig.3 Dynamic compressive strength versus strain rate

图4 峰值应变εP与应变率之间的关系Fig.4 Peak strain versus strain rate

3.3 动态峰值应变

峰值应变(εP)，即混凝土试样在动荷载作用下达到峰值应力时所对应的应变，是表征动荷载作用下混凝土压缩变形性能的重要力学参数。两组混凝土的峰值应变随应变率的变化关系如图4所示。由图4可知：(1)两组混凝土在动荷载作用下的εP曲线总体趋势基本一致：随着应变率的增大，峰值应变先增大后减小，这是由于在动荷载作用下混凝土需经历一段压密过程，但当混凝土达到峰值应变后，试样裂缝不稳定扩展，而逐渐失去承载能力最后发生破坏；(2)两组混凝土的峰值应变值均较离散，但NAC的峰值应变值整体大于PC，且NAC的峰值应变值在0.015～0.016附近波动，表明在动荷载作用下NAC表现出更强的变形能力。

3.4 冲击韧性

图5 峰值韧度RP与应变率之间的关系Fig.5 Impact toughness versus strain rate

冲击韧性反映混凝土试样受动荷载时的吸能能力，与材料强度和材料破坏时的变形量有关，是混凝土强度与变形性能的综合表征。本文采用材料破坏前应力应变曲线所围面积进行表征，即积分峰值应力之前应力应变曲线下围成的面积，称为峰值韧度RP[20]。两组混凝土峰值韧度随应变率的变化关系如图5所示，式(3)为线性拟合关系式：

(3)

4 机理分析

NAC试件准静态应力应变曲线出现一段较长的近似平台区反映了其结构和能量两方面的变化。混凝土破坏的实质是内部裂缝的萌生、扩展直至贯通，最终导致混凝土的失效破坏，纳米氧化铝的掺入，改善了混凝土内部结构(微观孔隙结构、界面过渡区等)，减少了初始裂缝，当试件受准静态荷载作用时，裂缝的萌生和扩展十分缓慢，因此，NAC在达到临界破坏状态时所需时间将会延长，导致破坏前试件应变增长的同时应力几乎维持不变，即出现“平台区”；从能量的角度分析，试件在破坏前表现为能量的积蓄过程，将外部荷载的持续作用转变为自身应变能，而NAC经纳米氧化铝改善结构后，能够存储的能量增加，即相同荷载作用下能够坚持的时间有所增加，在应力应变曲线上则表现为应力的“平台区”。动荷载作用下，由于作用时间非常短，无论是PC还是NAC，其裂缝的发展(能量的积累)速度非常快，致使动态应力应变曲线不会出现类似的"平台区"。

纳米氧化铝均匀弥散于混凝土中，从微观层面上改变混凝土的内部组成，进而对宏观力学性能产生影响。在不同放大倍数下PC和NAC的微观形貌电镜扫描图像分别如图6、图7所示。由图6可知，PC的内部水泥石微观形貌粗糙，可见大量孔隙暗影。图6b中可见大量柱状晶体交叉成网，大量粒状和团状晶体散乱分布其间，微裂缝发育明显；图6c中存在大量针状晶体散乱分布于柱状晶体网络之间，微裂缝广泛分布；图6d中出现显著薄弱区，较大孔隙缺陷和暗影。由于大量的针状、粒状和团状晶体散乱分布于柱状晶体网络中，加之大量缺陷孔隙和发育显著的微裂缝，对水泥石性能产生十分不利的影响，进而影响混凝土的强度形成，导致宏观裂缝的发展，引起混凝土的内部损伤。

由图7a、b可以看出，在相同倍数下，NAC的微观形貌较PC更均匀，孔隙暗影较少，无显著薄弱区和网状或柱状晶体断面，未见针状有害晶体和大量团状晶体。在较高倍数电镜扫描下的图7c、d，可见突起的圆粒状晶体，未明显脱离基体，杂质晶体少，断面均匀，微观形貌密实。突起的圆粒状晶体增大了反应的接触面积和接触摩擦力，在一定程度上阻碍了试件破坏时结构内部的相对滑移。同时纳米γ-Al2O3比表面积较大且具有较强的吸附能力和催化活性，在水泥水化过程中生成的Ca(OH)2可在纳米氧化铝表面形成水化铝酸钙，且易与水泥中的水化产物产生化学键合[21]，在此过程中，大量六方片状氢氧化钙有害晶体被反应消耗。此外，纳米氧化铝弥散于水泥基复合材料中，填充于水泥石的微孔隙中，在水泥硬化浆体原有网结构的基础上，键合更多纳米级水化产物发生二次水化反应进而形成新的致密网络状结构[22]，细化了界面过渡区中的氢氧化钙有害晶体，改善了混凝土微观界面过渡薄弱区中氢氧化钙晶体的富集和定向排列性能，增加了水化产物C-S-H在界面薄弱区的含量[17]，优化了基体界面性质，提高了水泥硬化浆体的密实度，进而显著提高了NAC强度和韧性。在动荷载作用下，混凝土的能量消耗源于新裂缝的萌生和初始裂缝的扩展，而前者耗散的能量远大于后者[23]。混凝土界面过渡薄弱区的改善，使初始裂缝数目和尺寸减少，有害孔隙比例降低，因此，NAC在动荷载作用下新裂缝的萌生数量增加，较之相同体积的PC，NAC破坏能耗增大[24]，表明纳米氧化铝颗粒的掺入提高了混凝土的冲击韧性。

图6 PC电镜扫描微观形貌Fig.6 SEM microstructure of PC

图7 NAC电镜扫描微观形貌Fig.7 SEM microstructure of NAC

5 结 论

本文采用HYY系列液压伺服试验系统和φ100 mm分离式霍普金森压杆，分别研究了NAC的准静态及在不同应变率下的动态力学性能，主要结论如下：

(1)准静态荷载下，NAC的强度及变形性能较PC明显提高，抗压强度增大约44.5%；

(2)动荷载作用下，NAC应变率敏感性显著，随着应变率的增大，峰值应力显著提高，极限应变增幅明显，较之PC强度更高，变形性能更强；

(3)分析峰值韧度指标可知，随着应变率的提高,峰值韧度近似线性增大，纳米氧化铝对混凝土的增韧效果十分显著；

(4)通过电镜扫描微观机理分析，纳米氧化铝提高了水泥硬化浆体的密实度，改善了混凝土界面过渡区，进而改善了NAC的强度和韧性。

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Effect of Nano-alumina on Quasi-static and Dynamic Properties of Concrete

ZHUCong-jin1,BAIEr-lei1,XUJin-yu1,2,ZHUJing-sai1,LIUYuan-fei1,YINYue-gang3

(1.Department of Airfield and Building Engineering,Air Force Engineering University,Xi'an 710038,China;2.College of Mechanics and Civil Architecture,Northwest Polytechnic University,Xi'an 710072,China;3.Base of Flight Training,Aviation University of Air Force,Changchun 130062,China)

Nano-alumina concrete (NAC) was prepared in this paper with the weight fraction of nano-alumina of 0.2%.The quasi-static properties of NAC were investigated by the Hydraulically driven test system,as well as the dynamic properties which were studied under various strain rates by a 100-mm-diameter split Hopkinson pressure bar (SHPB) test device.The results indicate that the strength and deformation performances of NAC are significantly improved as compared with plain concrete (PC) and the compressive strength of NAC increases by about 44.5% under quasi-static loading.Under dynamic loading,the strain rate sensitivity of NAC is obvious and an increase in strain rate results in a significant growth in peak stress and ultimate strain,furthermore,NAC exhibits higher strength and better deformation properties when compared with PC.From the impact toughness evaluation metrics,the impact toughness of NAC approximately linearly increases with increase of strain rate,indicating that the toughening effect of nano-alumina is remarkable.The analysis of micro-mechanism based on Scanning Electron Microscope (SEM) images illustrate that nano-alumina improves the compactness of hardened cement paste and concrete interfacial transition zone,which improves the strength and toughness of NAC.

concrete;nano-alumina;split Hopkinson pressure bar;dynamic property

国家自然科学基金资助项目(51208507,51378497);陕西省青年科技新星项目(KJXX-81)

朱从进(1993-),男,硕士研究生.主要从事钢筋混凝土与防护工程研究.

TU502

A

1001-1625(2016)08-2575-06