粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土不同龄期动态力学性能

吕 炎， 白二雷*， 王志航， 孙慧颖

(1.空军工程大学航空工程学院，西安，710038；2.中天西北建设集团有限公司，西安，710077)

地质聚合物(geopolymer，简称地聚物)这一概念最初由法国科学家Davidovits于1978年提出[1]，它是以SiO2和Al2O3为主要成分的硅铝质物质为原材料，在碱性激发剂的作用下，反应生成的一种具有非晶到半晶体的三维硅铝酸盐结构的新型胶凝材料，相比于水泥，具有材料来源广(粉煤灰、矿渣、高岭土等)、能耗低、污染小等优点[2-4]。地聚物混凝土是以地聚物材料部分或全部替代水泥制成的一种新型混凝土，可以有效利用固体废弃物、减小污染且力学性能优异[5]，是近年来土木工程材料领域的一个研究热点。

由于生产地聚物的原材料种类繁多、矿物组成复杂，导致地聚物材料性能差异较大。单组分矿渣基地聚物是以矿渣为原料制备的胶凝材料，具有硬化快、强度高等优点，但其收缩大、易开裂的缺陷限制了工程应用[6]。而粉煤灰基地聚物活性低、聚合速度较慢，可与矿渣形成互补。针对广泛的应用需求，已有许多学者在粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土的力学性能方面开展了研究。范飞林等[7]以矿渣、粉煤灰为原材料，水玻璃和氢氧化钠作为碱性激发剂，研究室温下水灰比对矿渣-粉煤灰基地聚物的影响。试验结果显示，养护时间为7 d的矿渣-粉煤灰基地聚物抗压强度为36.7 MPa，28 d抗压强度达到54.7 MPa，强度随着龄期的增加具有稳定增长的特性，只是增速变慢。Cheah等[8]选择两种工业副产物，高炉矿渣和粉煤灰进行混合试验，利用氢氧化钠和硅酸钠溶液作为激发剂，对其抗压强度、抗弯强度及动态弹性模量、超声波脉冲速度等进行分析。试验结果发现，粉煤灰掺量为40%～80%时，矿渣-粉煤灰基地聚物的动态弹性模量、超声波脉冲速度及强度呈不断增加的趋势。Ismail等[9]使用部分粉煤灰替代矿渣，研究粉煤灰-矿渣基地聚物的力学强度、氯化物的渗透率及吸水率等。试验结果发现，使用25%粉煤灰取代矿渣时，复掺条件下的地聚物强度最佳，强度可达60 MPa。刘泽等[10]讨论矿渣对以粉煤灰为主体材料的地聚物强度及孔隙率的影响。试验结果显示，加入矿渣能降低粉煤灰基地聚物的孔隙率，并能有效提高单组分粉煤灰基地聚物的抗压强度，矿渣掺量为30%时抗压强度最强、孔隙率最低且气孔均匀。上述研究主要集中于粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土静态力学性能，对于地聚物混凝土动态力学性能的研究相对较少且很少考虑动态作用下混凝土的龄期效应。值得关注的是，在混凝土结构设计时，通常只选用龄期28 d的混凝土强度值作为参考值，但在实际工程中，为加快施工进度，早龄期混凝土在养护期间不可避免受到外界冲击荷载影响，例如车辆行驶、矿井爆破、桥梁振动，与此同时，自然灾害(地震)、人为失误或事故(爆炸、撞击)，以及近年来的袭击等突发事件，都会对新浇筑混凝土结构产生冲击扰动，影响材料性能，进而影响整个结构强度，所以需要对冲击荷载作用下早龄期地聚物混凝土动态力学特性及其随龄期变化规律加以研究。

基于此，本文以粉煤灰-矿渣基地聚物为研究对象，使用Φ100 mm分离式霍普金森压杆装置对地聚物混凝土进行了不同应变速率下的冲击压缩试验，获得各组不同龄期的试件在不同应变率下的应力-应变曲线，并从动态抗压强度、动态增强因子及比能量吸收等指标入手，深入探究应变率与龄期对粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土动态力学性能的影响规律；同时，针对龄期对地聚物混凝土应变率增强效应的影响，构建了考虑龄期的动态增强因子计算模型，以期为粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土的实际应用提供理论支持和科学依据。

1 试验

1.1 原材料与试件制备

水淬高炉矿渣(比表面积491.6 m2/kg，28 d活性指数≥95%)，矿渣经烘干、研磨后成为矿渣微粉；I级粉煤灰，化学组成如表1所示；粗骨料：石灰岩碎石，粒径为5～20 mm；细骨料：洁净中砂，细度模数为2.8；碱性激发剂由氢氧化钠、硅酸钠与水按一定比例混合制成，氢氧化钠为分析纯，纯度≥97%；硅酸钠采用液体硅酸钠，SiO2含量≥26.0%，Na2O含量≥8.2%，模数为3.1；水为一般自来水。

表1 矿渣、粉煤灰的化学成分

配合比设计：粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土强度及其发展，主要由Si/Al与碱激发剂决定。通过调整粉煤灰/矿渣、水胶比以及液体硅酸钠/NaOH这3个因素，制备出了28 d立方体静态抗压强度为44.1 MPa的粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土，配合比如表2所示。

表2 粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土配合比 单位：kg/m3

1.2 试验设备与方法

(a)全貌

(b)冲头与试件图1 Φ100 mm SHPB试验装置

图2 SHPB 试验过程中试件中的应力波传播

表3 SHPB材料参数

2 结果与分析

2.1 试验结果

表4为龄期为3 d、7 d、28 d粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土的SHPB试验结果，其中：动态抗压强度fcd为试件在动态压缩荷载作用下达到的峰值应力，反映材料在冲击荷载作用下的强度特性；动态增强因子(dynamic increase factor, DIF)为动态与准静态抗压强度之比，是反映材料在冲击荷载作用下抗压强度提高程度的指标，表达式如下：

表4 SHPB试验结果

(1)

式中：fcd为动态抗压强度；fcs准静态抗压强度。

比能量吸收(SEA)，即单位体积吸收的能量，用来表征材料的能量吸收能力[13]，表示为：

(2)

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、εr、εt分别为杆中的入射、反射、透射应变；T为试件完全破坏时刻。

2.2 应力-应变曲线

应力-应变曲线是显示应力随应变增加而变化的图表，它是混凝土材料在受荷作用下力学行为变化的直接反映。根据“三波法”整理得到如图3所示的不同龄期下粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土的多应变率应力-应变(σ-ε)曲线图，分析可知：①各组试件的应力-应变曲线均由上升段和下降段组成且趋势较为相似，说明试验稳定性较好；在高速加载过程中，试件首先度过压实挤密阶段，然后进入准弹性阶段，直至达到峰值，而后进入软化阶段，残余强度逐渐下降。②应力-应变曲线中，压实挤密阶段切线斜率逐渐升高，准弹性阶段斜率相近，到达峰值，进入软化阶段后，斜率逐渐降低；曲线下降段应变区间稍大于上升段应变区间，说明混凝土在破坏后仍具有一定的变形能力。③在同一龄期下，随着应变率的增加，地聚物混凝土的峰值应力、峰值应变不断增大，说明粉煤灰-矿渣基地聚物是一种应变率敏感性材料；随着养护龄期增大，试件峰值应力随养护龄期的增大而提高，这也符合混凝土强度随龄期的发展规律。

(a)3 d

(b)7 d

(c)28 d图3 不同龄期地聚物混凝土的应力-应变曲线

2.3 动态力学性能

2.3.1 动态抗压强度

图4 地聚物混凝土的动压强度

2.3.2 动态增强因子

为进一步分析不同龄期地聚物混凝土的动态强度与应变率之间的关系，采用动态增强因子(DIF)进行分析。图5为不同龄期地聚物混凝土动态增强因子随应变率变化的关系，分析可知：①在应变率30～120 s-1范围内，每个龄期试件的DIF均随着平均应变率的增加而提高，表明材料动态增强效果明显。②应变率对动态抗压强度的提高存在一个阈值，当应变率低于阈值时，动态抗压强度低于准静态抗压强度，即DIF值小于1，说明在低应变率下混凝土内部不能产生足够的微裂缝，无法耗散过多能量；但超过阈值之后，动态抗压强度增长明显，DIF值增加。龄期为3 d、28 d时，试件应变率阈值为40 s-1左右；龄期为7 d时，阈值为60 s-1左右。③随着龄期的增大，地聚物混凝土动态强度增强效应有所变化，从图中可以发现，龄期为7 d的地聚物混凝土DIF值小于龄期为3 d的地聚物混凝土，这是因为在冲击荷载压缩过程中，低强度混凝土的应力波传播速度稍小，使得局部效应更加明显[15]。养护龄期达到28 d时，地聚物混凝土的DIF增大。当应变率约为83 s-1时，龄期为28 d的地聚物混凝土的DIF为1.61，约为7 d和3 d地聚物混凝土的1.35倍和1.24倍。这说明地聚物混凝土DIF较为复杂，需要进一步进行研究。

图5 地聚物混凝土的动态强度增长因子

国内外许多学者及机构通过试验或数值计算方法对混凝土DIF进行了研究，并提出了各自的计算模型。欧洲混凝土协会(CEB)[16]考虑混凝土静态抗压强度对DIF的影响，提出了CEB模型，表达式如式(3)所示：

(3)

图6为不同龄期下粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土DIF按照CEB公式拟合结果和试验实测结果，对比后可以发现：CEB模型拟合结果普遍大于实测值且差距较大，拟合效果较差。

图6 CEB的DIF模型

此外，许多学者根据动态压缩试验，对CEB模型进行了改进，提出了自己的DIF计算模型。Ross等[17]利用SHPB设备进行了应变率为10-1～103s-1区间内的试验，研究混凝土动态强度应变率强化效应，提出的DIF表达式如下：

(4)

Grote等[18]学者利用霍普金森压杆，研究了水泥砂浆和类混凝土材料在不同应变率下动态力学性能，结合试验结果提出了以下模型：

(5)

结合Ross和Grote的计算公式，对粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土的DIF进行拟合，拟合结果与试验结果见图7。对比拟合结果和试验实测结果后可以发现：Ross和Grote模型的计算结果与试验实测数据吻合度较差，不符合实测值，曲线趋势较为平缓，未能很好反映应变率效应。通过前文分析可知，养护龄期对于地聚物混凝土动态力学性能影响较大，而以上模型均未考虑龄期对DIF的影响，所以导致吻合度较差。

图7 Ross和Grote的DIF模型

试验研究表明，养护龄期对DIF的影响较大，为了使DIF的预测结果更加贴近试验结果，笔者结合本试验研究成果，构建了考虑养护龄期的DIF计算模型，该模型综合了养护龄期和应变率对动态强度增强效应的影响，模型关系式见式(6):

(6)

式中：T为混凝土的养护龄期，单位为天；A、B为参数值，由试验回归所得，见表5。

表5 DIF模型参数值

图8为考虑龄期DIF模型的计算结果与试验数据值的比较。从图中可以看出，该模型的计算结果与试验结果吻合度较高。拟合程度可用决定系数R2来判断，R2正常取值范围为0～1，越接近1，拟合度越好。一般认为R2超过0.8的模型拟合度比较高。本模型R2=0.911 3，说明拟合效果较好，能反映出应变率效应，同时也体现出龄期对地聚物混凝土应变率增强效应的影响。

图8 考虑养护龄期的DIF模型

2.3.3 比能量吸收

图9是龄期为3 d、7 d、28 d地聚物混凝土在动态下平均应变率与单位体积吸收能的关系。分析可知：地聚物混凝土在10～102s-1应变率范围内的比能量吸收为30.4～786.9 kJ/m3，不同龄期的地聚物混凝土的单位体积吸收表现出显著的应变率效应，随应变率的增加而提高，这与大多研究者得到的结论一致[14,19]。对每一龄期混凝土的比能量吸收进行线性拟合，线性方程的斜率由龄期3 d的1.287增长到龄期28 d的10.899，这表明随着龄期增大，比能量吸收随应变率增长速度加快，率敏感性增强。养护龄期为28 d的地聚物混凝土比能量吸收增长斜率明显高于养护龄期为3 d和7 d的试件，原因主要是龄期的增长提高了混凝土强度和抗冲击性能。

图9 地聚物混凝土的比能量吸收

2.4 机理分析

整体来看，粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土的动态抗压强度、吸能性能随应变率和养护龄期变化的规律基本相同，均表现出明显的应变率效应，并且应变率效应会随着龄期增大而逐渐增强。本文将对应变率效应与龄期效应的机理进行理论阐述。

应变率效应主要由冲击荷载作用下材料的惯性作用引起[15,20]。试验中由于地聚物混凝土试件尺寸较大，其受力点主要集中于试件中心部位，而试件边缘部位由于材料惯性作用，限制了中部的横向变形，对试件中部形成类似于围压作用，而材料边缘的约束作用随着应变率的增大而提高，因此进一步提高了材料的抗冲击力学性能，表现出应变率敏感性[21]。另一方面，混凝土的破坏是裂缝的发育和发展过程，随着冲击速率的增大，冲击荷载作用时间相应缩短，导致试件内部裂缝的扩展存在滞后，因此进一步提高了其动态抗压强度。

地聚物混凝土动态抗压强度应变率敏感性随龄期增加而增大，其原因是：在龄期7 d之前，混凝土强度较低且具有一定的粘弹性，受到冲击荷载作用后，进入压实挤密阶段，材料通过自身形变吸收了部分外界作用，宏观表现为动态抗压强度应变率敏感性不高[21,22]；随着养护龄期的增大，水化反应、火山灰反应完成程度更高，反应体系中形成较多的C-S-H凝胶、C-A-S-H凝胶、N-A-S-H凝胶等水化物，填充于孔洞或空隙中，使得地聚物混凝土结构更加密实[23,24]，从而提高了混凝土强度和抗冲击应变性能，进而导致应变率敏感性更加明显[25]。

3 结论

1)混凝土养护龄期很大程度上影响了混凝土性能，同一龄期下，地聚物混凝土的动态抗压强度随应变率增加而增大，体现出明显的应变率效应；相近应变率下，地聚物混凝土的动态抗压强度随龄期增加而增大，呈现出先慢后快的增长趋势；不同龄期下，地聚物混凝土动态抗压强度对应变率的敏感程度逐渐增大，随着龄期增大，应变率效应逐渐增强。

2)地聚物混凝土强度增强效应受龄期影响较大，通过对比分析其他DIF计算模型，本文构建了考虑龄期的DIF计算模型，吻合程度较高，实现了对不同养护龄期地聚物混凝土DIF的预测分析。

3)在同一龄期下，地聚物混凝土的比能量吸收随着应变速率的增加而增大，表现出明显的率敏感性；在不同龄期下，地聚物混凝土的比能量吸收随着龄期的增加而增大，表现出更高的应变率敏感性。