朱靖塞， 許金余，2， 羅 鑫， 李為民， 白二雷， 高志剛

（1.空軍工程大學(xué)機(jī)場(chǎng)建筑工程系，陜西西安710038；2.西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院，陜西西安710072；3.廣州軍區(qū)空軍后勤部機(jī)場(chǎng)處，廣東廣州510052）

碳纖維[1]是伴隨著軍工事業(yè)的發(fā)展而成長(zhǎng)起來(lái)的新型材料，具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕等一系列優(yōu)異性能.與其他合成纖維相比較，碳纖維在混凝土中不僅可約束微裂紋的擴(kuò)展，提高混凝土的抗裂性，而且可以提高結(jié)構(gòu)的抗震性和抗疲勞特性.因此，碳纖維增強(qiáng)水泥基材料[2－3]的研究在國(guó)內(nèi)外掀起了熱潮.

地聚物[4]是一種由堿激發(fā)硅鋁質(zhì)材料所形成的新型膠凝材料，由于具有特殊的無(wú)機(jī)縮聚三維氧化物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得它在眾多方面具有比堿礦渣水泥、陶瓷、硅酸鹽水泥等更好的性能[5].但地聚物混凝土（geopolymeric concrete，GC）仍屬于準(zhǔn)脆性材料，韌性不足，而纖維強(qiáng)韌化技術(shù)是目前解決此類問(wèn)題的重要手段，基于此，碳纖維增強(qiáng)地聚物混凝土（CFRGC）應(yīng)運(yùn)而生.摻加碳纖維的主要目的在于提高地聚物混凝土的韌性，因此與CFRGC韌性相關(guān)的研究顯得尤為重要.

近10幾年來(lái)，ACI 544委員會(huì)、JCI SFRC委員會(huì)等組織相繼提出不同的纖維增強(qiáng)混凝土韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)，這些方法[6]沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)具體的材料，各評(píng)價(jià)指標(biāo)各有優(yōu)劣，而關(guān)于CFRGC沖擊韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)方面的研究成果相對(duì)少見(jiàn)，亟待開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)和理論研究.本文首先配制了基體強(qiáng)度等級(jí)為C30，碳纖維體積分?jǐn)?shù)φcf分別為0%，0.1%，0.2%，0.3%的CFRGC，然后采用φ100分離式霍普金森壓桿（SHPB）試驗(yàn)裝置對(duì)其開(kāi)展了多個(gè)應(yīng)變率范圍的沖擊壓縮試驗(yàn)，基于峰值韌度和比能量吸收2種評(píng)價(jià)指標(biāo)研究了CFRGC的沖擊韌性，并進(jìn)行了對(duì)比分析和機(jī)理探究.

1 試驗(yàn)

1.1 基本情況

原材料：水淬高爐礦渣（比表面積為491.6m2／kg，28d活性指數(shù)≥95%）；一級(jí)粉煤灰；石灰?guī)r碎石（5～10mm約15%1））本文所涉及的含量、純度等除特別說(shuō)明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).；10～20mm約85%）；中砂（細(xì)度模數(shù)為2.8）；化學(xué)純NaOH片狀固體（純度≥97%）；液體硅酸鈉（即水玻璃，模數(shù)為3.1～3.4，SiO2含量≥26.0%，Na2O含量≥8.2%）；瀝青基短切碳纖維，其具體物理與力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1.

配合比設(shè)計(jì)：基體配合比經(jīng)過(guò)試配得到，與普通硅酸鹽水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)水灰比類似，定義水與礦渣和粉煤灰的質(zhì)量比為水膠比，具體配合比參數(shù)如下：水膠比0.31，礦渣300kg／m3，粉煤灰100kg／m3，砂629kg／m3，石子968kg／m3，液體硅酸鈉和氫氧化鈉的質(zhì)量比為4.2.在基體GC中分別摻入體積分?jǐn)?shù)為0%，0.1%，0.2%，0.3%的碳纖維.為便于分析，分別以GC，1CG，2CG，3CG表示.表2列出了CFRGC的靜態(tài)壓縮試驗(yàn)結(jié)果.

表1 碳纖維的物理、力學(xué)性能指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical properties of carbon fiber

表2 準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 2 Quasi－static compressive strength test results MPa

1.2 SHPB試驗(yàn)設(shè)備

SHPB[7]試驗(yàn)技術(shù)起初是用來(lái)研究金屬、聚合物等材料的高應(yīng)變率性能，發(fā)展至今已有60a，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于混凝土等多種材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試.

沖擊壓縮試驗(yàn)在φ100的SHPB試驗(yàn)裝置上進(jìn)行.用于測(cè)試脆性材料的大直徑SHPB試驗(yàn)存在以下缺點(diǎn)：端面摩擦效應(yīng)、彌散效應(yīng)明顯；應(yīng)力均勻性難以得到滿足；恒應(yīng)變率加載困難.從以下方面解決這些問(wèn)題：在試件和壓桿的端面均勻地涂抹上一層石墨與潤(rùn)滑劑的混合物，以確保端面摩擦效應(yīng)的減少；采用波形整形技術(shù)[8].有大量試驗(yàn)表明，波形整形技術(shù)能有效降低彌散效應(yīng)，同時(shí)還能通過(guò)一定技術(shù)參數(shù)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力均勻和恒應(yīng)變率加載.

1.3 沖擊壓縮試驗(yàn)

1.3.1 SHPB試驗(yàn)有效性分析

圖1給出了2CG試件的應(yīng)變率時(shí)程曲線（˙ε－t曲線）.由圖1可見(jiàn)，通過(guò)一系列技術(shù)手段的控制能較好地實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中的近似恒應(yīng)變率加載，保證了CFRGC的SHPB試驗(yàn)有效性.

圖1 SHPB試驗(yàn)過(guò)程中2CG試件的應(yīng)變率時(shí)間歷程曲線Fig.1 Strain rate－time history curve of 2CG specimen in SHPB testing

1.3.2 應(yīng)力－應(yīng)變曲線與破壞形態(tài)

SHPB試驗(yàn)的應(yīng)力－應(yīng)變（σ－ε）曲線如圖2所示.由圖2可見(jiàn)，在碳纖維體積分?jǐn)?shù)相同的情況下，隨著應(yīng)變率的增加，CFRGC的動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度也隨之增大.

圖3給出了3CG試件的破壞形態(tài).顯然，隨著應(yīng)變率的增加，試件的破碎程度更為明顯.在沖擊荷載作用下，CFRGC要經(jīng)過(guò)壓實(shí)擠密、彈性變形、軟化、屈服、微缺陷擴(kuò)展、破壞等階段，在這些階段中試件始終和外界進(jìn)行能量交換，將外部的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變能，又將應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為塑性能、表面能等，并以聲發(fā)射、動(dòng)能等形式向外界釋放能量.可以認(rèn)為能量與試件的破壞息息相關(guān)，而這些能量主要體現(xiàn)在試件的損傷能上，因此破碎程度也可反映CFRGC能量特性的應(yīng)變率效應(yīng).由此可見(jiàn)，CFRGC是一種應(yīng)變率敏感材料.

圖2 碳纖維體積分?jǐn)?shù)不同的CFRGC的SHPB試驗(yàn)應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.2 Stress－strain curves of CFRGC with different fiber volume fraction

圖3 SHPB試驗(yàn)后3CG試件的破壞形態(tài)Fig.3 Fracture morphology of 3CG specimen after SHPB testing

2 沖擊韌性分析

2.1 韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)

韌性即為材料在一定荷載下所具有的變形能力，是材料延性和強(qiáng)度的綜合.一般從宏觀角度講，韌性可定義為材料或結(jié)構(gòu)從加載到失效為止吸收能量的能力.韌性不僅與材料強(qiáng)度有關(guān)，而且還取決于材料破壞時(shí)的變形量.

目前國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)纖維增強(qiáng)混凝土韌性的指標(biāo)不盡相同.常用的一般有兩種，一是峰值韌度Rp，其定義是：若假定應(yīng)力－應(yīng)變曲線中峰值點(diǎn)之前的部分為微裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，之后的部分為微裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展階段，則以應(yīng)力－應(yīng)變曲線的峰值點(diǎn)為分界，定義在峰值點(diǎn)之前應(yīng)力－應(yīng)變曲線的面積為峰值韌度Rp（見(jiàn)圖4中的陰影面積），該指標(biāo)反映了材料失穩(wěn)前的完整力學(xué)響應(yīng)，試驗(yàn)誤差離散性較小，數(shù)據(jù)較韌度值可靠；二是比能量吸收[9]（specific energy absorption，SEA），其物理意義是：?jiǎn)挝惑w積的纖維增強(qiáng)地聚物混凝土吸收應(yīng)力波能量的大小，該方法綜合考慮了試驗(yàn)中多個(gè)影響因子，比較接近材料韌性的實(shí)際值，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：E為桿的彈性模量；c為桿中波速；A，As分別為桿和試件的橫截面積；ls為試件的初始厚度；εi，εr，εt分別為桿中的入射、反射、透射應(yīng)變；T為試件完全破壞時(shí)刻.

圖4 Rp指標(biāo)示意圖Fig.4 Diagram of index Rp

2.2 峰值韌度評(píng)價(jià)

圖5給出了Rp隨應(yīng)變率（˙ε）變化的規(guī)律.從圖5整體趨勢(shì)來(lái)看，Rp表現(xiàn)出了顯著的應(yīng)變率效應(yīng)，即其隨應(yīng)變率的增加而增加.深入分析可知，在碳纖維體積分?jǐn)?shù)相同的情況下，Rp和lg˙ε近似呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，如圖6所示；對(duì)其線性擬合，得式（2）：

圖5 峰值韌度Rp與應(yīng)變率˙ε的關(guān)系Fig.5 Relationship between peak toughness and strain rate

圖6 峰值韌度Rp與lg˙ε的關(guān)系Fig.6 Relationship between peak toughness and lgε˙

從峰值韌度的評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)看，通過(guò)對(duì)比擬合直線的斜率可知，CFRGC在碳纖維體積分?jǐn)?shù)φcf為0.3%時(shí)能發(fā)揮出明顯的沖擊增韌優(yōu)勢(shì).原因在于，碳纖維在混凝土內(nèi)部構(gòu)成了一種三維亂向分布的網(wǎng)絡(luò)體系，這一亂向網(wǎng)絡(luò)體系有助于提高混凝土受沖擊時(shí)動(dòng)能的吸收.在混凝土受沖擊荷載作用時(shí)，纖維可以緩和混凝土內(nèi)部裂縫尖端應(yīng)力集中程度，并有效阻礙混凝土中裂縫的迅速發(fā)展，吸收由沖擊荷載所產(chǎn)生的動(dòng)能，從而提高混凝土的韌度.混凝土最終的破壞形態(tài)也能反映碳纖維的增韌效應(yīng).

2.3 比能量吸收評(píng)價(jià)

圖7給出了SEA隨應(yīng)變率（˙ε）變化的規(guī)律.由圖7的整體趨勢(shì)來(lái)看，SEA表現(xiàn)出了顯著的應(yīng)變率效應(yīng)，即其隨應(yīng)變率的增加而增加.深入分析可知，在碳纖維體積分?jǐn)?shù)相同的情況下，SEA和lg˙ε近似呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，如圖8所示；對(duì)其線性擬合，得式（3）：

圖7 SEA與應(yīng)變率˙ε的關(guān)系Fig.7 Relationship between SEA and strain rate

圖8 SEA與lg˙ε的關(guān)系Fig.8 Relationship between SEA and lg˙ε

由此分析可知，從比能量吸收的評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)看，CFRGC在10～102s－1應(yīng)變率范圍內(nèi)的韌性為64.0～786.9kJ／m3，表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變率相關(guān)性，隨應(yīng)變率的增加而增加；碳纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)SEA有一定的影響，對(duì)比擬合直線的斜率可知，碳纖維體積分?jǐn)?shù)φcf為0.3%時(shí)的比能量吸收值隨著應(yīng)變率增加而增加的趨勢(shì)相對(duì)較明顯，但碳纖維體積分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)的比能量吸收值則要比其他摻量下高，即CFRGC的沖擊增韌優(yōu)勢(shì)在碳纖維體積分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)表現(xiàn)得較為明顯，但在碳纖維體積分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，碳纖維的增韌效果更為明顯.

2.4 對(duì)比分析

整體看來(lái)，峰值韌度與比能量吸收隨碳纖維體積分?jǐn)?shù)變化的規(guī)律不盡相同，說(shuō)明這2種表征沖擊韌性的方法存在差異，但2種方法反映的發(fā)展趨勢(shì)存在一致性，主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）沖擊韌性指標(biāo)存在明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，即隨著應(yīng)變率的增加而增加.不少學(xué)者認(rèn)為這是材料由一維應(yīng)力狀態(tài)向一維應(yīng)變狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng).由于進(jìn)行SHPB的CFRGC試件都比較大，因此在SHPB試驗(yàn)中，試件內(nèi)相當(dāng)部位的受力狀態(tài)已不能準(zhǔn)確地定為一維應(yīng)力，在沖擊荷載作用下，由于材料的慣性效應(yīng)，其側(cè)向的應(yīng)變受到限制，而且應(yīng)變率越高，這個(gè)限制就越明顯，從而有效地提高了其沖擊韌性.

（2）對(duì)于CFRGC而言，碳纖維具有一定的增韌效果.CFRGC是存在大量微缺陷的復(fù)合材料，在加載初期損傷較小，基體材料的應(yīng)變硬化起主導(dǎo)作用，其應(yīng)力－應(yīng)變曲線形態(tài)近似呈線性；隨著荷載的增加，損傷演化加劇，大量微缺陷成核并擴(kuò)展，斷面處的碳纖維參與受力而形成損傷過(guò)渡區(qū)，增加了能量的耗散，推遲了裂紋的不穩(wěn)定擴(kuò)展，從而提高了CFRGC的韌性.理論上而言，碳纖維體積分?jǐn)?shù)越大，CFRGC沖擊韌性增加越明顯.但由于實(shí)際澆注、攪拌等施工過(guò)程中存在較多不確定因素，導(dǎo)致纖維分散效果不佳，成團(tuán)現(xiàn)象嚴(yán)重，因而在其體積分?jǐn)?shù)較高情況下這種增加趨勢(shì)并不特別明顯.

（3）沖擊荷載作用下，碳纖維在GC中的增韌效果更為明顯.靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下CFRGC的損傷演化方式有所不同，靜態(tài)加載下，宏觀裂紋的萌生來(lái)源于缺陷最多的過(guò)渡相區(qū)，擴(kuò)展主要沿集料和砂漿的界面進(jìn)行，最終的破壞是由主裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展導(dǎo)致的；沖擊荷載下，加載的開(kāi)始段在骨料相，砂漿相和過(guò)渡相同時(shí)萌生大量的微裂紋，參與受力的碳纖維數(shù)量越多，越有利于提高材料的韌性.

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，采用比能量吸收作為沖擊韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)的應(yīng)變率效應(yīng)更加明顯，離散性較小，而且從指標(biāo)的計(jì)算方法可以看出SEA綜合考慮了試驗(yàn)中多個(gè)影響因子，比較接近材料韌性的實(shí)際值.因此，建議在評(píng)價(jià)碳纖維增強(qiáng)地聚物混凝土的沖擊韌性時(shí)，采用SEA指標(biāo)更加有效和合理.

3 結(jié)論

（1）從峰值韌度的評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)看，CFRGC在碳纖維體積分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)能發(fā)揮出明顯的沖擊增韌優(yōu)勢(shì).

（2）從比能量吸收的評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)看，在10～102s－1應(yīng)變率范圍內(nèi)CFRGC的韌性表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變率相關(guān)性，隨應(yīng)變率的增加而增加；CFRGC的沖擊增韌優(yōu)勢(shì)在碳纖維體積分?jǐn)?shù)為0.3%表現(xiàn)得較為明顯，但在碳纖維體積分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，碳纖維的增韌效果更為明顯，即CFRGC的增韌特性在碳纖維體積分?jǐn)?shù)為0.2%和0.3%時(shí)相對(duì)較為優(yōu)異.

（3）2種表征沖擊韌性的方法所反映的發(fā)展趨勢(shì)存在一致性，一是沖擊韌性指標(biāo)存在明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，即其隨著應(yīng)變率的增加而增加；二是碳纖維對(duì)于GC而言具有一定的增韌效果，而且在沖擊荷載作用下，碳纖維在GC中的增韌效果更為明顯.

（4）在評(píng)價(jià)碳纖維增強(qiáng)地聚物混凝土的沖擊韌性時(shí)，采用比能量吸收指標(biāo)更加有效和合理.

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