地质聚合物混凝土的高温损伤特性研究.pdf

2 0 1 4年 第 8期 ( 总 第 2 9 8期 ) 混 凝 N u mb e r 8i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 8 ) Co nc r e t e 土 理 论研究 THE ORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 0 8 0 0 3 地质聚合物混凝土的高温损伤特性研究 朱靖塞 。许金余 1 l2 。罗鑫 ( 1 空军工程大学 工程学院 机场建筑工程系，陕西 西安 7 1 0 0 3 8 ；2 西北工业大学 力学与土木建筑学院，陕西 西安 7 1 0 0 7 2 ) 摘要 ： 制备了地质聚合物混凝土 ， 对经高温处理后的地质聚合物混凝土开展了准静态力学试验和超声波检测试验 ， 分析了不同 温度 、 不同冷却方式下地质聚合物混凝土的损伤特性。 结果表明： 地质聚合物混凝土的抗压强度随温度的升高而不断下降， 6 0 0是 抗压强度随温度变化曲线的拐点； 随着温度的升高 ， 损伤因子不断增大， 性能逐渐劣化 ； 冷却方式对高温后地质聚合物混凝土的损伤 特性具有较大影响， 相比于自然冷却方式而言， 浇水冷却后试件的抗压强度降低地更为明显， 声学损伤劣化加剧。 由此可见 ， 地质聚 合物混凝土的损伤随温度的升高而越加严重 ， 而且， 相 比于 自 然冷却方式而言 ， 浇水冷却后试件的损伤劣化加剧。 关键词： 地质聚合物混凝土；准静态试验 ；超声波检测 ；高温损伤特性 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 8 0 0 0 8 0 3 Hi g h t e mp e r a t u r e d a ma ge c h a r a c t e r i s t i c s o f g e o po l y me r i c c o n c r e t e ZHUJ i ng s a i ， XUJ i n yu1 ,2 LUOXi n ( 1 De p a r t me n t o f Ai r fi e l da n dBu i l d i n gEn g i n e e r i n g ， Ai r F o r c e En g i n e e r i n gUn i v e r s i t yE n g i n e e r i n gC o l l e g e ， Xi a n 7 1 0 0 3 8 ， C h i n a ； 2 Co l l e g e o f Me c h a n i c s a n d Ci v i l Ar c h i t e c t u r e ， No r t h we s t P o l y t e c h n i c Un i v e r s i t y， Xi a n 7 1 0 0 7 2 ， Ch i n a ) Abs t r act： Th e g e o po l y me r i c c o n c r e t e wa s p r e p a r e d Th e u l t r a s o ni c t e s t i n g a n d q u a s i s t a t i c c o mp r e s s i v e t e s t o f g e o po l y me fic a fte r e l e v a t e d t e mpe r a tur e we r e c a r r i e d o ut ， t he d a ma g e c hara c t e r i s t i c s o f g e o p o l y me r i c u nd e r v ari o u s t e mpe r a t u r e s a n d d i ffe r e n t c o o l i n g me t h o ds we r e a na l yz e dThe r e s u l t s i nd i c a t e d t h a t c o mp r e s s i v e s t r e n g t h d e c r e a s e d wi t h the ris i n g o ft e mpe r a tur e ， a n d 6 0 0C wa s t h e fle x p o i nt of t he c h a n g i n g c u r v e b e t we e n c o mp r e s s i v e s t r e n gth and t e mp e r a tu r e ； Wi t h t h e r i s i n g o f t e mp e r a tur e ， d a ma g e f a c t o r i n c r e a s e d a n d p e r f o r ma n c e d e g r a d e s g r a d ua l l y；Th e i n flu e n c e c a us e d b y the c o o l i n g me t ho d s o n d a ma g e c ha r a c t e ris t i c s o f g e o po l yme r i c a f t e r e l e v a t e d t e mp e r a t u r e wa s o b vi o u s， mo r e o v e r ， c omp are d wi th n a t u r a l c o ol i ng， t h e d e c l i n e ofc o mpr e s s i v e s t r e ng t h o f s pe c i me ns c o o l e d b y s p r a y i n g wa t e r we r e mo r eo b v i o u s， an dthed a ma g ei n c r e a s e d，Th usi tc a nbe s e e n， t h ed a ma g e o fg e o po l y me r i ci n c r e a s e dwi th t h eris i n g o ft e mpe r a t ur e， a n dthe d am a g e c o o l e d b y s p r a yin g wa t e r we r e mo r e o b v i o u s t h a n t h a t c o o l e d b y n a t u r a l c o o l i n g K e y wor d s ： g e o p o l y me r i c c o n c r e t e ； q u a s i - s t a t i c c o mp r e s s i v e t e s t ； u l tr a s o n i c t e s t i n g ； h i g h t e mp e r a t u r e d a ma g e c h a r a c t e ri s t i c s 0 引 言 地质 聚合 物混 凝土 ( g e o p o l y me r i c c o n c r e t e ， G C ) 是一 种新 型无 机胶凝 复合材 料 ， 凭借其在力学性能 、 固化重金 属离子 、 耐久性等方面的独特优势【 - 2 以及符合生态理念而 引发 了国际上研究 的热潮 。随着 G C应用领域 的不 断拓 展 ， 工程环境也越来越 复杂多变 ， 而且 由于火灾 、 爆炸等突 发状况 ， 因此有 必要对经高温作用后 的 G C的各方面特性 进行研究 ， 以指导工程实践 。 国内外学者对高温下及高温后 G C的物质组成 、 质量损失等方面特性展开了相关研究 3 - 6 1 ， 但对损伤特性 的探讨少见 ， 亟待相关研究 以利于全面把握 G C的高温性能 。 本研究 以水淬高炉 矿渣 、 粉煤灰和硅灰 为原材料 ， 氢 氧化钠 、 碳酸钠和水为碱激发剂 ， 砂石为骨料 ， 制备了地质 聚合 物混 凝土 ( G e o p o l y me r i c C o n c r e t e ， G C) ， 开展 了准静 收稿 日期 ：2 0 1 4 - 0 2 - 2 0 基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 0 7 8 3 5 0 ， 5 1 2 0 8 5 0 7 ) 8 态力学试验和超声波检测试验， 主要研究了不同加热温度 、 不同冷却方式下 G C的力学特性和声学特性 的变化规律 ， 并由此也深入分析了 G C的高温损伤特性 。 1 试 验 1 1 试件 制备 原材料 ：韩城龙门钢铁有 限公 司生产 的水 淬高炉矿 渣 ( 比表面积 4 9 1 6 m2 k g ， 2 8 d 活 性指数 9 5 ) ； 韩城第 二发 电厂生 产的 I 级粉煤灰 ； 西安霖源 生产的硅灰 ， 含量 9 5 0 ； 泾 阳县 石 灰 岩碎 石 ( 5 1 0 m m， 1 5 ； 1 0 - 2 0 m m， 8 5 ) ； 灞河 中砂 ( 细 度模数 2 8 ) ； 氢氧 化钠 片状 固体 ( 分 析 纯 ， 含量 9 9 0 ) ； 碳 酸钠 粉状 固体 ( 分 析 纯 ， 含量 9 9 8 ) ； 自来水 。 试件 ： 按 照 “ 裹砂 石法 ” 搅拌 制 度 的技术 要求 ， 依 次 将 G C的原 材料装 入搅拌机 中 ， 均匀 混合 后装 入 圆柱 体 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 试 模 成 型 ， 室 温 暴 露 2 4 h后拆 模 ， 立 即进 行 标 准 养 护 ( ( 2 0 2 ) ， 相对 湿度 R H 9 5 ) ； 2 8 d后取 出 ， 进行 切 割 、 水 磨加 工( 控制其 端面平 行度 及表 面平 面度 ) ， 得 到 几何 尺寸约 为 c k 9 5 x 5 0 m m 的试验用 圆柱形试件 ， 如 图 1 所示 。 图 1圆柱 形试 件 1 2试验设备及方法 高温加 热设备采用武 汉华 中电炉设 备有限公 司生产 的 R X3 2 0 。 1 2 型箱式电阻炉 ， 设计最高温度为 1 2 0 0 ； 准 静态 力学试验采 用改进后 的 H Y Y系列 电液伺 服材料 系 统 ， 其工作原理 如图 2 所示 ； 超声波检测试验采用 中科 智 创岩 土技术 有限公 司生产 的 R S M S Y 5 N智 能型声波仪 ， 换能器激振主频 5 0 k H z 。 2 0 0 0k N _ _ 1制 系 统L _ 压 力机 荔 l L 图 2电液伺服试验系统原理图 试验共 设 5个加 热温 度等 级 ( 2 0 0 、 4 0 0 、 6 0 0 、 8 0 0和 1 0 0 0) ， 冷却 方式分 自然冷却 ( n a t u r a l c o o l i n g ， 静置 1 d ， N C) 和浇水 冷却 ( s p r a y c o o l i n g ， 喷淋 2 0 m i n ， s c ) 两 种 ， 为 便 于描述 ， 各工况可 由“ 加热温度 +冷却 方式 ” 进 行标识 ， 如加热 6 0 0后 自然冷却 ， 标识为“ 6 0 0 NC ” 。 准静态力 学试验 ： 基本操 作依 据 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土 力学性能试 验方法标准 进行 ， 试 验时采 用 控制 负荷加 载的方法 ， 试 验加载速度为 6 5 0 k N mi n 。 试 验 中 ， 将 试件 置于试 验机下 压板 中心 ， 确 保对 中 以使试 件 均 匀受 力 。 当试件 接近破 坏而 开始 迅速 变形 时 ， 应调 整 试 验机 油 门 ， 直 至试 件破 坏 。 由于 压力 试验 机得 到 的曲 线是压力一 位移关 系曲线 ， 所以需要进行 一定 的换算处 理 才能得 到应力 一 应变关 系 曲线 。 应 力 和应变 可分 别按 照 式 ( 1 ) 、 ( 2 ) 计 算 。 ( 1 ) L l ， A ： ( 2 ) 式 中： 、 分别表示应力 、 应变 ； F 压力机施加的荷载 ； “ 试验机测得的位移 ； A、 试件的横截面积 、 高。 超声波检测试 验 ： 试验 开始时 ， 先对各试件进行超声 波检测 ( 采样频率 5 0 0 0 k H z ) ， 测试时将探头分 别置于试 件两端的中心轴上进行对测 ， 探 头与试件表面采用黄油耦 合 ； 之后 ， 将试件放入 电阻加 热箱 ， 按 1 0 mi n的加热速 率加热 至指定温度并在箱 内恒 温 2 h ， 以确保 内部受热 均 匀 ； 加 热完毕 后 ， 立即将试件 取出并按 规定 的冷却方式进 行冷却 ， 1 d后再次进行超声波检测。 2 损伤特性 材料 的强 度 、 质量 、 波 速 等外部 特征 的变 化 正是 其 内部 物质成分 、 结构构造变化 的表现 。 高温后 G C的各项 外部特 征变 化表 明其性 能劣 化 ， 内部损 伤加 剧 ， 因此 通 过对外部 特征的分析 可有效地反 映 内在 的损 伤特性 。 以 下将 通过对 力学 特性 和声 学特性 的分析来 研 究高 温损 伤特性 。 2 1 力学方面 众所周知 ， 力学性能是混凝土类材料损伤劣化变化最 为直观的参数 。 为对高温后的损伤特性基本规律进行探究 ， 测试 了不 同加热温度 、 不同冷却方式下 G C的抗压强度 。 定义抗压强度损失率 ： 儿 = ( 3 ) 式中 ： F 加热前后 的抗压强度损失 ； 加热前抗压强度 。 图 3给出了 儿 随 的变化曲线 。 ， 图 3 F L随 7 _ 的变化 曲线 随着加热温度 的上升 ， 试件 的抗压强度总体呈下降趋 势 ， 即抗压强度损失率不断地上升 ， 6 0 0是曲线变化的拐 点 ， 在 6 0 0之前 ， 抗 压强度变化平缓 ， 但超 过 6 0 0后 ， 急剧上 升 ， NC状态下 的抗压强度损失 率达到 8 5 ， 而且 S C后 的损失幅度普遍明显大于 N C 。 2 2 声学方 面 特征阻抗p 是声学特性的基本参数 ，综合反映了 密度( 与质量损 失相关 ) 和纵波波 速的变化 ， 可以准确地 描述 G C的损伤程度 。 这是因为 ： ( 1 ) 对 G C而言 ， 高温促 使 其 内部 组分 发生 一系列 物理 、 化学 变 化 ， 导致试 件 质 量明显受损 ， 密度变化无法忽略； ( 2 ) 特征阻抗等于界面 声压与通过该面声通量的比值， 表示声波传导时介质位 移需要克服的阻力， 是对试件弹性模量 、 密度 、 内部微裂 隙开展等 物理性 态 的综合 反映 ， 具有 明确 的物 理 意义 ； ( 3 ) 特征 阻抗 较波 速对 内部缺 陷更 为敏感 ， 而且若 波速 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 检测 出现误差 ， 但 密度 能够准 确测 定 ， 则特 征 阻抗 也 能 较为准确地 反映 出试件 的劣化程度 ， 削弱测试 误差带 来 的影响 。 因此 可将 由特征 阻抗 p 表 征的参数 D = l - p p 。 。 定义 为损 伤因子 。 图 4绘制 出了损伤 因子 D随温 度 的变化 曲线 。 rf 图 4损伤因子与温度的关系曲线 可以看 出： 随着温度的升高 ， 值不断增大 ， 性 能逐渐劣 化 ， 而且 S C后 的损伤程度明显要 大于 N C， 尤其在 2 0 0。 C 时 ， 差异表现地尤为明显 。 3损 伤机 理 由此 可见 ， 无论 是力 学特 性还 是声 学特 性 ， 均反 映 了损伤 随温度 的升高 而越加 严重 的变 化规 律 ， 而且 ， 相 比于 自然 冷 却方 式 而 言 ， 浇水 冷 却后 试 件 的损 伤劣 化 加剧 。 主要原 因在于 ： 对于 自然冷却后 的试件 ， 2 0 0时 ， 试 件 内部 自由水分受热蒸发形成较大 的蒸汽压 ， 这部分压力 无法排 出导致试件胀裂并 产生大量微小缺 陷 ， 致使特 征 阻抗下降； 4 0 0时， 微裂缝不断扩展延伸， 骨料与基体的 胶结面南于材料热工性能 的不同逐渐变形开裂 ， 抗压强度 和特 征阻抗继续下降 ； 7 0 0左 右时 ， 骨料开始膨胀分解 ； 8 0 0以后， 各类聚合产物及三维网状结构也开始断键、 解 聚 ， 形 成相应 的氧化物 ， 黏结力 丧失 ， 导致 G C 的力学 和 声学特性急剧退化。 而对于浇水冷却后的试件 ， 由于喷淋 时遇水骤 冷 ， 在试件 内外造成 了较 大的温度梯 度 和热应 力 ， 加剧 了微裂缝 的萌生及 损伤的发展 ， 使得 G C较 自然 冷却时劣化 更为严重【 8 1 ， 抗压强度和特征阻抗变化也更为 明 显 4结论 对高温后的地 质聚合 物混凝 土进行 了抗压强度测试 上接第 7页 5 5 曹芳 ， 马保国 ， 李友国 ， 等 混凝土的渗透性能及测试方法的对 比分析【 J 】 昆 凝土 ， 2 o o 2 ( 1 O ) ： 1 5 1 7 【 6 】 蒋林华 试验方法对混凝土抗氯离子渗透扩散性的影响【 J 】 混凝 土， 2 0 0 1 ( 1 1 ) ： 8 - 1 1 【 7 陈立军 混凝土渗透性测试方法的改进及水胶比的影响【 J 1 _混凝 土 ， 2 o o s ( 1 ) ： 3 0 3 5 【 8 J樊杰 混凝土渗透性评价方法 的研究 I ) J 哈尔滨 ： 哈尔滨工业大 学 2 0 0 6 】 0 和超声波检测 ， 分析 了高温后 G C的高温损 伤特性 ， 主要 结论如下 ： ( 1 ) 随着加热温度的上升 ， 试件 的抗 压强度总体呈下 降趋势 ， 即抗压强度损失率不断地上升 ， 6 0 0是曲线变化 的拐点 ， 在 6 0 0之前 ， 抗压强度变化平缓 ， 但超过 6 0 0 后 ， 急剧上升 ， 而且浇水冷却后 的损失幅度普遍 明显 大于 自然冷却后的。 ( 2 ) 随着温度 的升高 ， 损伤 因子不 断增大 ， 性 能逐渐劣 化 ， 而且浇水冷却后的的损伤程度 明显要大 于 自然冷却后 的， 尤其在 2 0 0 时， 差异表现地尤为明显 。 ( 3 ) 地质聚合物混凝 土的损伤随温度 的升高而越加严 重 ， 而且 ， 相 比于 自然冷却方式而言 ， 浇水冷却后试件的损 伤劣化加剧 。 参考文献 ： 【 1 】许金余 ， 李为民 ， 范飞林 ， 等 地质聚合物混凝土的冲击力学性 能研究【 J 】 振动与； 中 击 ， 2 0 0 9 ， 2 8 ( 1 ) ： 4 6 4 9 【 2 B AKHA RE V T G e o p o l y me r i e ma t e r i a l s p r e p a r e d u s i n g c l a s s f f 1 y a s h a n d e l e v a t e d t e m p e r a t u r e c u r i n g J C e me n t a n d C o n c r e t e R e - s e a r c h ， 2 0 0 5 ， ( 3 5 ) ： 1 2 2 4 1 2 3 2 【 3 】K ONG D L Y， S AN J AYA N J G D a ma g e b e h a v i o r o f g e o p o l y me r c o mp o s i t e s e x p o s e d t o e l e v a t e d t e mp e r a t u r e s J C e me n t & C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 2 0 0 8 ， ( 3 O ) ： 9 8 6 - 9 9 1 【 4 】KO NG D L Y， S AN J A YAN J GE f f e c t o f e l e v a t e d t e mp e r a t u r e s o n g e o p o l y m e r p a s t e ， m o r t a r a n d c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 1 0 ， ( 4 0 ) ： 3 3 4 3 3 9 5 罗鑫， 许金余， 张俊， 等 碱矿渣粉煤灰胶凝体系的温度激发特 性f J 1 硅酸盐通报， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 3 ) ： 7 2 8 7 3 1 6 6 许金余 ， 罗鑫 ， 吴菲 ， 等 地质聚合物混凝土动态劈裂拉伸破坏 的吸能特性l J 1 _ 空军工程大学学报： 自然科学版 ， 2 0 1 3 ， 1 4 ( 5 ) ： 8 5 88 7 吕天启， 赵国藩， 林志伸 ， 等 高温后静置混凝土的微观分析【 J 1 _ 建筑材料学报， 2 0 0 3 ， 6 ( 2 ) ： 1 3 5 1 4 1 【 8 贾福萍 ， 王永春 ， 渠艳艳 ， 等 冷却方式和静置时间对高温后混 凝土残余强度影响【 J 1 建筑材料学报 ， 2 0 1 1 ， 1 4 ( 3 ) ： 4 0 0 4 0 4 作者简介 ： 朱靖塞( 1 9 9 1 一 ) ， 男， 硕士生 ， 主要从事防护工程研究。 联系地址： 陕西省西安市长乐东路甲字 1 号( 7 1 0 0 3 8 ) 联系电话 ： 1 8 6 0 2 9 3 0 5 9 7 f 9 张武满 混凝土结构中氯离子加速渗透试验与寿命预测【 D 】 哈尔 滨 ： 哈尔滨工业大学 2 0 0 6 作 者简 介 联 系地 址 联系电话 张士萍( 1 9 8 2 一 ) ， 女， 博士 ， 副教授 ， 主要研究方向为土 木工程材料。 江荪省南京市江宁科学园弘景大道 1 号 南京工程学 院建筑工程学院( 2 1 1 1 6 7 ) 1 3 7 7 0 60 41 52 加 如 们 如 加2 日 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m