地聚物基陶瓷纤维混凝土高温性能的超声脉冲研究.pdf

2 0 1 3 年 第 5期 (总 第 2 8 3 期 ) N u mb e r 5 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 3 ) 混 凝 土 Con c r e t e 理论研究 THEORE TI CAL I 己 ES 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 3 0 5 0 0 9 地聚物基陶瓷纤维混凝土高温性能的超声脉冲研究 任韦波 ， 。许金余 1 I2 。白二雷 ( 1 空军工程大学 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： 以矿渣和粉煤灰为原料 ， 陶瓷纤维为增强材料， 制备了地聚物基陶瓷纤维混凝土 ， 通过超声波检测和抗压强度试验 ， 研 究了不同温度等级 、 不同纤维掺量下地聚物基陶瓷纤维混凝土抗压强度 、 纵波波速和频谱特征的变化规律。 结果表 明： 高温后聚 物基陶瓷纤维混凝土内部结构受损， 致使穿过其中的声波波速减小， 主频降低， 频谱曲线出现畸变； 不同温度等级下， 聚物基陶瓷 纤维混凝土的残余抗压强度与纵波波速具有较好的正相关性； 声波测试信号的频谱特征较波速对高温损伤更为敏感； 掺入陶瓷 纤维后， 地质聚合物混凝土的高温性能得到明显改善 ， 且纤维的相对最佳体积掺量为 O 3 。 关键词： 地质聚合物混凝土；陶瓷纤维 ；高温；超声检测 ；频谱分析 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 3 ) o 5 0 0 3 1 - 0 4 S t u d y 0 n t h e h i gh t e m p e r a t u r e p e r f o r ma n c e o f g e o p o l y m e r b a s e d c e r a m i c f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e b y u l t r a s o ni c pu l s e m e t h o d REN We i - b o1 XU J i n - y u1 ,2 9 BAIEr - l e i ( 1 D e p a r t me n t o f A i r f i e l da n dB u i l d i n g E n g i n e e ri n g ， A i r F o r c e E n gi n e e ri n g U n iv e r s i t y ， X i a l l 7 1 0 0 3 8 ， C h i n a ； 2 C o l l e g e o f Me c h a n i c s a n d C i v i l A r c h i t e c t u r e ， No r t h w e s t P o l y t e c h n i c U n i v e r s i ty， X i a n7 1 0 0 7 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e g e o p o l y me r b a s e d c e r a mi c fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e Wa S p r e p a r e d b y s l a g ， fl y a s h a n d c e r a mi c fi b e r Un d e r v a rio u s t e m- p e r a t u r e s a n d d i ff e r e n t v o l u me t r i c f r a c t i o n s o f c e r a mi c fi b e r ， t h e c h ang e l a ws o f c o mp r e s s i v e s t r e n g t h， l o n g i t u d i n a l wa v e v e l o c i ty and f r e q ue nc y s p e c t r um c h a r a c t e r i s t i c s we r e s t u di e d b y ul t r a s o n i c t e s t i n g an d c o mp r e s s i v e s tre n g t h t e s t i n g Th e r e s u l t s i n di c a t e d t h a t s i n c e the d a ma g e o f g e o p l y me r b a s e d c e r a mi c fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e c a u s e d b y h i g h - t e m p e r a t u r e e x p o s u r e ， the l o n gitu d ina l wa v e v e l o c i t y and ma i nfr e q u enc yd e c r e a s e ， thefr e q u e n c y s p e c t r u m C O X V e s d i s t o r t T h e r ewa s ap o s i t i v e c o r r e l a t i o nb e t we en l o n g i tud i n a l wa v e v e l o c i ty a n d r e s i d u a l c o mpr e s s i v e s tre ng t h u n d er di ffe r e nt t e mp e r a t u r e s Th e f r e q u e n c y s p e c t r u m c h a r a c t e ris t i c s o f a c o u s t i c s i gn a l s we r e mo r e s e n s i t i v e t o the d a ma g e t h a n l o n git u d i n a l wa v e v e l o c i tyT h e a d d i t i o n o f c e r am i c fi b e r w i l l s i gni fi c ant ly i m p r o v e th e p r o p e r t i e s o f g e o p l y mer b a s e d c e r a mi c fib e r r e i nf or c e d c o n c r e t e a f t e r e l e va t e d t e mp e r a t u r e the r e l a ti ve o pti mu m v o l um e t r i c f r a c t i o n wa s 0 - 3 K e ywor d s ： g e o p o l y me r c o n c r e t e ； c e r a mi cfi b e r ； e l e v a t ed t e mp e r a t u r e ； u l t r a s o n i c t e s ti n g ； fre q u e n c y s pe c t r u m an a l y s i 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 以地质聚合物为胶凝体材料 的新型高性能混凝土材料 ， 相 比于普通硅酸盐水泥混凝土， G C具有更加优异的物理 、 力学 、 耐久性能 】 - 4 ， 显示 出良好的应用前景 。 在 G C中掺人 增强纤 维 ， 制得地质聚合物基纤维增强混凝土( g e o p o l y me r b a s e d fi b e r r e i n f o r e e d c o n c r e t e ， G F C) ， 是针对 G C改性研究 的一个 主要手段 ， 对此国内外学者 已就常温下 G F C的相关 性能展开了研究， 并取得了一定的成果5 - 6 。 然而， 工程中为 确保结构使用安全 ， 还需要了解材料的高温性能， 但目前 针对 G F C高温性能的研究还相对较少 ，因而在一定程度 上限制 了 G F C的应用发展。 本试验 以水淬高炉矿渣和粉煤灰为原料 ， 陶瓷纤维为 增强材料， 制备了地聚物基陶瓷纤维混凝z h ( g e o p o l y me r b a s e d c e r a m i c fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ， 简称 G C F C， 下 同 ) ， 研 究 了不 同加热温度、 不同纤维掺量下 G C F C抗压强度 、 纵波波 速和频谱特征的变化规律 ， 为其今后的耐火设计及受火损 伤检测评估提供 了一定 的参考依据。 1试 验 概 况 1 1 原材料 基体材料： 韩城龙门钢铁有限公司生产的水淬高炉矿渣 ( 比表面积为4 9 1 6 m2 ， 2 8 d 活性指数i9 5 ) ； 韩城第二发 电厂生产的I 级粉煤灰； 泾阳县石灰岩碎石( 5 1 0 m i l l ， 1 5 ； 1 0 - - 2 0 m n l ， 8 5 ) ； 灞河中砂( 细度模数为 2 8 ) ； 化学纯氢氧 化钠片状固体( 纯度9 7 ) ； 液体硅酸钠( 模数为 3 1 3 4 ， S i O 含量i2 6 0 ， N a 2 0含量8 2 ， 以质量分数计 ) 。 收稿 日期 ：2 0 1 2 1 1 _ o 9 基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 0 7 8 3 5 0 ) ； 国家 自然科学基金资助项目( 5 1 2 0 8 5 0 7 ) 31 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 相对纵 波坡速 图 4 相对纵波波速与相对抗压强度的关系曲线 检测方式的限制 ， 往往无法在现场直接对受火后的混凝土 结构进行残余抗压强度检测 ， 而是根据 已有 的测强曲线 ， 通 过测定穿过混凝土的超声波波速大小 ， 间接推求出结构 的 受火 温度 范围及 强度损失 。 因此 ， 构建高温后 G C F C的波 速一强度计算模型就显得十分必要。 图 4 为三种混凝 土相对纵波波速与相对抗压强度 ( 即 和 分别为高温前后试件的抗压强度) 的拟合关系 曲线 。 可以看出 ： 随着波速的增大 ， 抗压强度亦逐渐增大 ， 两者具有较好的正相关性 ； 当相对纵波波速处于 0 7 0 8 时， 三种混凝 土强度 出现不 同程度的反弹 ， 其相对抗压强度值 均 大于 1 0 ； 当相对纵 波波速处于 0 4 0 6 时 ， 纤 维对基体 的增强作用逐渐显现出来 ， G C F C 3 和 G C F C 2的残余抗 压强度较 G C F C 0明显提高； 此后， 随着波速的下降 ， 残余 抗压强度不 断减小 ， 纤 维的增 强效果 亦逐渐减弱 ， 当相对 纵波波速降至 O 2附近时 ， 三者 的强度损失均 已达 9 0 以 1 0 墨 。 薹 o 0 频率 k Hz ( a ) G C F C O ( 常 温) 上。 经 回归分析 ， 得到基于本试验原材料和配合 比的 G C F C 波速一强度计算模型 ， 如式( 1 ) 所示 。 - 0 7 4 7 + 5 3 5 9 ( v 4 v 0 ) 一 5 0 1 6 ( V 4 V o ) 1 4 1 2 ( v 4 v 0 ) 。 ( R2 =_ 0 9 2 6 2 ， GCF C 0 ) - 0 8 5 4 + 5 6 9 8 ( V 4 V 0 ) 一 5 1 0 5 ( V V 0 1 2 6 7 ( V V 0 ) 3 ( R Z = 0 9 5 43 GC F C 。 2 ) L 一 1 0 0 5 + 6 1 8 1 ( V 4V 0 ) 一 5 4 3 2 ( V V 0 1 2 5 8 ( v 4 v o ) 。 ( R2 =_ 0 9 8 7 0 ， GC F C 3 ) 2 3 声谱特征变化分析 目前针对混凝土声波测试信号 的分析 主要采用两 种 方法 ， 即时域分析法和频域分析法。 在时域范围内， 高温引 起的 内部损伤会导致声时延长 ， 波速减小 ， 波形 曲线 出现 畸变 ； 而在频域范围 内， 由于各类缺陷的吸收 、 干扰作用 ， 使得信号 中各频率成分 出现不 同程度的增减变化 ， 进而引 起信号主频( 各频率分量中幅值最大的称为主频) 与频谱 特征曲线等发生相应的改变8 - 9 。 通常试件损伤越小 ， 声波 信号中的高频成分就越丰富， 主频就越接近换能器的激振 频率 ， 反之 ， 高频成分因缺陷而快速衰减缺失 ， 造成信号主 频 降低 ， 频谱 以低频成分为主 。 为弥补单纯波速分析的不足， 更好地透过声信号所携带 的丰 富信息反映 G C F C内部 的损伤演化情况 ， 利用 Ma t l a b 软件 对各接 收信号进行快速傅里 叶变换( F F T ) ， 得到不 同 温度等级下三种混凝土的频谱特征曲线( 见图5 ， 因篇幅所 限， 仅列出其中部分代表温度) 及主频变化曲线( 见图6 ) 。 1 0 墨 。 董 o 0 频 率 k H z (b ) G C F C 2 ( 常温) 2 5 5 O 7 5 1 0 0 O 频率 k H z f d ) GCF C- 0 ( 4 0 01 频率 k Hz f g ) GCFC o ( 8 o o1 1 0 翟 。 釜 o 0 频率 k Hz ( e ) G C F C一 3 ( 常温) 2 5 5 O 7 5 1 0 0 0 频 率 k Hz ( e ) GCF C一 2 ( 4 0 0) f h ) G C F C- 2 ( 8 0 01 2 5 5 0 7 5 1 0 O 频率 k H z ( O GC F C - 3 ( 4 0 0 o C ) 频率 k H z f i ) GC F C - 3 ( 8 0 01 图 5 不同温度下声波测试信号的频谱特征图 可以看出 力 热前 ， 试件相对完整密实， 频谱曲线峰值突出， 对于 G C F C 0 ， 其主频在 2 0 0之后便急剧下降 ，4 0 0为 形态规则 ， 主频为换能器的激振频率 5 0 1 d t z ； , N ， 随着 3 1 7 k H z ， 8 0 0为 1 2 2 k H z ， 而对于 G C F C 2和 G C F C 3 ， 由 NNNNNY + N， 主频及频谱所占频带不断向低频端移动， 于纤维阻裂作用 ，减缓了裂缝的扩展及高频分量的衰减 ， 使 产生“ 频漂” 现象 ， 频谱曲线亦出现多峰 、 毛刺等不规则形态 ； 得主频上升 、频带右移 ， 尤其在 4 0 0 时 ， 其主频较 G C F C 0 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 0 4 0 N 王 蠢 。 。 + H 2 0 1 O 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 温度 ， 图 6声 波测 试信 号主 频 随温 度的变 化 曲线 分别升高了 3 1 3 和 4 6 4 ， 说 明纤维增强 了 G C F C的耐高 温性能 ， 且频谱较波速对试件 内部损伤更为敏感 ； 经频谱 分析 ，认为 G C F C 3的耐高温性相对 最优 ， G C F C 2次 之 ， G C F C 一 0 最差 ， 这与 2 1 中波速分析的结果一致 。 2 4 机理分析 高温后 G C F C宏 观力学 、 声学特性 的改变与其 内部微 观组织结构 、 物质成分的变化 密切相关 。 2 0 0之前 ， 自由 水 分的蒸发致使 G C F C收缩密实 、 微裂缝闭合 ， 加之试件 内部 的温湿环境提供了硅铝酸盐物质反应所需的激活能 ， 新 生成 的产物缓 解了应 力集中 ， 增强了试件的整体性 ， 使 得 G C F C性能劣化程度较低 ， 甚 至出现反弹 ； 2 0 0之后 ， 微裂缝受热不断扩展， 骨料与基体的胶结面因热膨胀系数 不同而变形开裂 ， 各类聚合 产物也开始断键 、 解聚 ， 使得原 有的三维 网状结构遭到破坏【 l 埘 ， G C F C损 伤不断累积 ， 性能 不断退化 。 掺入 陶瓷纤维后 ， 由于其长径 比大 、 耐火性好 、 抗 拉强 度高 、 吸水性强等特点_ 1 l 】 ， 被基体材料牢 固地握 裹在其 中 ， 通过纤 维的增强 、 阻裂 、 桥 接作用 ， 改善了基体 的微 观结 构 ， 阻止 了微裂缝 的产生 与发展 ， 减轻 了混凝 土性能 的损 伤劣化 ， 使得 G C F C 一 2和 G C F C 3 较 G C F C 0 波速更大 、 主 频更高 、 承载能力更强 ， 耐高温性能得到整体改善 。 而当温 度升至一定高度后( 8 0 0) ， 基体材料分解 、 破 坏 ， 丧失了 与纤维的黏结力 ， 使得纤维的作用不能有效发挥 ， 对G C F C 的改善效果逐渐减弱 。 3结论 ( 1 ) 高温后 G C F C内部出现大量孔隙 、 裂缝等缺陷 ， 造 成 穿过其 中的声 波波速减小 ， 主频 降低 ， 频谱 曲线出现畸 上 接 第 3 O页 骨料掺量低于 2 0 时， 总骨料的 1 4 d 膨胀率小于 0 1 ， 按照 快速砂浆棒法的判定标准 ， 可以认为不会发生碱骨料反应。 ( 4 ) 灰色关联分析结果表明活性骨料掺量是对砂浆试 件 1 4 d 膨胀率影响最大的因素， 其次是温度， 影响最小的 是水泥中碱含量 。 参考文献 ： 【 1 唐伟东水工混凝土碱骨料反应“ 最劣点” 效应试验研究 J 】 _ 混凝 土 ， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 3 5 3 7 2 S T A N T O N T E I n fl u e n c e o f c e m e n t a n d a g g r e g a t e o n c o n c 。 。e x - p a n s i o n J E n g i n e e r i n g N e w s R e c o r d ， 1 9 4 0 ， 1 2 4 ( 5 ) ： 5 9 3 4 变 ， 同时 ， 随着温度 的升高 ， G C F C疏松失稳 ， 残余 抗压强 度不断下 降。 ( 2 ) 不 同温度等级下 G C F C的抗压强度与纵波波速具 有 较好 的正相关性 ， 通过建立波速一强度计算模型 ， 可 以 实现高温后 G C F C的损伤预测评估。 ( 3 ) 声波测试信号 的频谱特征较波速对高温损伤更 为 敏感 ， 经频谱分析 ， 可以弥补单纯波速分析的不足 ， 更好地 反映出高温后 G C F C的损伤演化规律 。 ( 4 ) 陶瓷纤维的掺入有效改善 了地质聚合物混凝土的 高温性能 ， 降低了其损伤劣化程度 ， 当纤维掺量为 O 3 时 ， 改善效果相对最佳。 参考文献 ： 1 】丁庆军 ， 吴静 ， 吕林女 ， 等 新型地聚合物基轻质耐高温混凝土 的研究f J 】 j 昆 凝土， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 1 - 3 【 2 】AHMARI S， R EN X， T OUF I GH V， e t a 1 P r o d u c t i o n o f g e o p o l y me r - i c b i n d e r f r o m b l e n d e d w a s t e c o n c r e t e p o w d e r a n d fl y a s h J C o n - s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e ri a l s ， 2 0 1 2 ( 3 5 ) ： 7 1 8 7 2 9 f 3 1 WAN G M R， J I A D C， HE P G， e t a 1 Mi c r o s t r u c t u r a l a n d me c h a n i c a l c h a r a c t e r i z a t i o n o f fly a s h c e n o s p h e r dme t a k a o l i n - b a s e d g e o p o l y m e r i c c o m p o s i t e s J C e r a m i c s I n t e rn a t i o n a l ， 2 0 1 1 ( 3 7 ) ： 1 6 6 1 1 6 6 3 4 王睛， 刘磊， 吴昌鹏 高温作用下无机矿物聚合物混凝土的性能 研究 J 】 混凝土， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 6 9 7 1 【 5 L I W M， X U J Y I m p a c t c h a r a c t e ri z a t i o n of b a s a l t fi b e r r e i n f o r c e d g e o p o l y me r i c c o n c r e t e u s i ng a 1 0 0- mm- di a me t e r s p l i t Ho p k i n s o n p r e s s u r e b a r J Ma t e ri a l s S c i e n c e and E n g i n e e ri n g A， 2 0 0 9 ， 5 1 3 5 l 4 ： 1 4 51 53 【 6 许金余， 李为民， 杨进勇 ， 等 纤维增强地质聚合物混凝土的动 态力学性能【 J J _土木工程学报， 2 0 1 0 ， 4 3 ( 2 ) ： 1 2 8 1 3 1 【 7 张钰娟 ， 陈星明 ， 张志贵 混凝土爆炸损伤的超声波速分析 J 】 混 凝土 ， 2 0 1 1 ( 4 ) ： 2 7 3 2 8 陈敏 火灾后混凝土损伤超声诊断方法及应用研究【 D 】 长沙 ： 中 南大学 ， 2 0 0 8 【 9 】张慧， 黄真萍， 洪儒宝 超声波检测桩身混凝土缺陷的信号频谱 分析研究 J 1 福州大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 5 ) ： 7 3 1 7 3 6 1 O 】 郑娟荣 ， 刘丽娜 地质聚合物在高温作用后物相变化的研究【 J J _ 郑州大学学报： 工学版 ， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 3 ) ： 5 - 8 1 1 】 王小雅， 曹云峰 新型纤维材料陶瓷纤维 J 1 纤维素科学与 技术 ， 2 0 1 2 ， 2 0 ( 1 ) ： 7 9 8 3 作者简介： 任韦波 ( 1 9 8 8 一 ) ， 男 ， 硕士研究生， 主要从事结构工程 和防护工程方面的研究工作。 联系地址： 西安市空军工程大学航空航天工程学院研管大队 1 0 2 队( 7 1 0 0 3 8 ) 联系电话： 1 5 9 3 4 8 0 2 1 9 3 3 】 G B T 1 4 6 8 4 -2 0 1 1 ， 建设用砂 s E 京 ： 中国标准出版社 ， 2 0 1 1 【 4 I刘晨霞， 陈改新， 纪国晋， 等 不同温度下碱一 硅酸反应膨胀规律 研究 J 1 混凝土与水泥制品 ， 2 0 1 2 ( 3 ) ： 1 - 4 f 5 】刘崇熙， 文梓芸 混凝土碱一 骨料反应【 M】 广州： 华南理工大学出 版社 ， 1 9 9 5 6 1邓聚龙 灰色控制系统【 M 武汉： 华中工学院出皈社， 1 9 8 5 作者简介： ：zJ z 2 ( 1 9 7 9 一 ) ， 男 ， 博士研究生 ， 讲师， 主要从事土木 工程材料与结构研究。 联系地址 ： 甘肃省兰州市安宁区安宁西路 8 8 号 兰州交通大学 土木工程学院 4 0 8 信箱( 7 3 0 0 7 0 ) 联系电话 ： 1 3 9 1 9 2 7 8 3 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m