碳纖維增強地聚物混凝土韌性評價指標的對比研究

朱靖塞， 許金余，2， 羅 鑫， 李為民， 白二雷， 高志剛

（1.空軍工程大學機場建筑工程系，陜西西安710038；2.西北工業大學力學與土木建筑學院，陜西西安710072；3.廣州軍區空軍后勤部機場處，廣東廣州510052）

碳纖維[1]是伴隨著軍工事業的發展而成長起來的新型材料，具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕等一系列優異性能.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展，提高混凝土的抗裂性，而且可以提高結構的抗震性和抗疲勞特性.因此，碳纖維增強水泥基材料[2－3]的研究在國內外掀起了熱潮.

地聚物[4]是一種由堿激發硅鋁質材料所形成的新型膠凝材料，由于具有特殊的無機縮聚三維氧化物網絡結構，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）仍屬于準脆性材料，韌性不足，而纖維強韌化技術是目前解決此類問題的重要手段，基于此，碳纖維增強地聚物混凝土（CFRGC）應運而生.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韌性相關的研究顯得尤為重要.

近10幾年來，ACI 544委員會、JCI SFRC委員會等組織相繼提出不同的纖維增強混凝土韌性評價指標，這些方法[6]沒有統一標準，針對具體的材料，各評價指標各有優劣，而關于CFRGC沖擊韌性評價指標方面的研究成果相對少見，亟待開展相關試驗和理論研究.本文首先配制了基體強度等級為C30，碳纖維體積分數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）試驗裝置對其開展了多個應變率范圍的沖擊壓縮試驗，基于峰值韌度和比能量吸收2種評價指標研究了CFRGC的沖擊韌性，并進行了對比分析和機理探究.

1 試驗

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≥95%）；一級粉煤灰；石灰巖碎石（5～10mm約15%1））本文所涉及的含量、純度等除特別說明外均為質量分數.；10～20mm約85%）；中砂（細度模數為2.8）；化學純NaOH片狀固體（純度≥97%）；液體硅酸鈉（即水玻璃，模數為3.1～3.4，SiO2含量≥26.0%，Na2O含量≥8.2%）；瀝青基短切碳纖維，其具體物理與力學性能指標見表1.

配合比設計：基體配合比經過試配得到，與普通硅酸鹽水泥混凝土配合比設計中的重要參數水灰比類似，定義水與礦渣和粉煤灰的質量比為水膠比，具體配合比參數如下：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量比為4.2.在基體GC中分別摻入體積分數為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的靜態壓縮試驗結果.

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

表2 準靜態抗壓強度測試結果Table 2 Quasi－static compressive strength test results MPa

1.2 SHPB試驗設備

SHPB[7]試驗技術起初是用來研究金屬、聚合物等材料的高應變率性能，發展至今已有60a，現已被廣泛應用于混凝土等多種材料的動態力學性能測試.

沖擊壓縮試驗在φ100的SHPB試驗裝置上進行.用于測試脆性材料的大直徑SHPB試驗存在以下缺點：端面摩擦效應、彌散效應明顯；應力均勻性難以得到滿足；恒應變率加載困難.從以下方面解決這些問題：在試件和壓桿的端面均勻地涂抹上一層石墨與潤滑劑的混合物，以確保端面摩擦效應的減少；采用波形整形技術[8].有大量試驗表明，波形整形技術能有效降低彌散效應，同時還能通過一定技術參數的控制來實現應力均勻和恒應變率加載.

1.3 沖擊壓縮試驗

1.3.1 SHPB試驗有效性分析

圖1給出了2CG試件的應變率時程曲線（˙ε－t曲線）.由圖1可見，通過一系列技術手段的控制能較好地實現試驗過程中的近似恒應變率加載，保證了CFRGC的SHPB試驗有效性.

圖1 SHPB試驗過程中2CG試件的應變率時間歷程曲線Fig.1 Strain rate－time history curve of 2CG specimen in SHPB testing

1.3.2 應力－應變曲線與破壞形態

SHPB試驗的應力－應變（σ－ε）曲線如圖2所示.由圖2可見，在碳纖維體積分數相同的情況下，隨著應變率的增加，CFRGC的動態壓縮強度也隨之增大.

圖3給出了3CG試件的破壞形態.顯然，隨著應變率的增加，試件的破碎程度更為明顯.在沖擊荷載作用下，CFRGC要經過壓實擠密、彈性變形、軟化、屈服、微缺陷擴展、破壞等階段，在這些階段中試件始終和外界進行能量交換，將外部的機械能轉變為應變能，又將應變能轉化為塑性能、表面能等，并以聲發射、動能等形式向外界釋放能量.可以認為能量與試件的破壞息息相關，而這些能量主要體現在試件的損傷能上，因此破碎程度也可反映CFRGC能量特性的應變率效應.由此可見，CFRGC是一種應變率敏感材料.

圖2 碳纖維體積分數不同的CFRGC的SHPB試驗應力－應變曲線Fig.2 Stress－strain curves of CFRGC with different fiber volume fraction

圖3 SHPB試驗后3CG試件的破壞形態Fig.3 Fracture morphology of 3CG specimen after SHPB testing

2 沖擊韌性分析

2.1 韌性評價指標

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

目前國內外評價纖維增強混凝土韌性的指標不盡相同.常用的一般有兩種，一是峰值韌度Rp，其定義是：若假定應力－應變曲線中峰值點之前的部分為微裂紋穩定擴展階段，之后的部分為微裂紋不穩定擴展階段，則以應力－應變曲線的峰值點為分界，定義在峰值點之前應力－應變曲線的面積為峰值韌度Rp（見圖4中的陰影面積），該指標反映了材料失穩前的完整力學響應，試驗誤差離散性較小，數據較韌度值可靠；二是比能量吸收[9]（specific energy absorption，SEA），其物理意義是：單位體積的纖維增強地聚物混凝土吸收應力波能量的大小，該方法綜合考慮了試驗中多個影響因子，比較接近材料韌性的實際值，數學表達式為：

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、透射應變；T為試件完全破壞時刻.

圖4 Rp指標示意圖Fig.4 Diagram of index Rp

2.2 峰值韌度評價

圖5給出了Rp隨應變率（˙ε）變化的規律.從圖5整體趨勢來看，Rp表現出了顯著的應變率效應，即其隨應變率的增加而增加.深入分析可知，在碳纖維體積分數相同的情況下，Rp和lg˙ε近似呈線性增長關系，如圖6所示；對其線性擬合，得式（2）：

圖5 峰值韌度Rp與應變率˙ε的關系Fig.5 Relationship between peak toughness and strain rate

圖6 峰值韌度Rp與lg˙ε的關系Fig.6 Relationship between peak toughness and lgε˙

從峰值韌度的評價指標來看，通過對比擬合直線的斜率可知，CFRGC在碳纖維體積分數φcf為0.3%時能發揮出明顯的沖擊增韌優勢.原因在于，碳纖維在混凝土內部構成了一種三維亂向分布的網絡體系，這一亂向網絡體系有助于提高混凝土受沖擊時動能的吸收.在混凝土受沖擊荷載作用時，纖維可以緩和混凝土內部裂縫尖端應力集中程度，并有效阻礙混凝土中裂縫的迅速發展，吸收由沖擊荷載所產生的動能，從而提高混凝土的韌度.混凝土最終的破壞形態也能反映碳纖維的增韌效應.

2.3 比能量吸收評價

圖7給出了SEA隨應變率（˙ε）變化的規律.由圖7的整體趨勢來看，SEA表現出了顯著的應變率效應，即其隨應變率的增加而增加.深入分析可知，在碳纖維體積分數相同的情況下，SEA和lg˙ε近似呈線性增長關系，如圖8所示；對其線性擬合，得式（3）：

圖7 SEA與應變率˙ε的關系Fig.7 Relationship between SEA and strain rate

圖8 SEA與lg˙ε的關系Fig.8 Relationship between SEA and lg˙ε

由此分析可知，從比能量吸收的評價指標來看，CFRGC在10～102s－1應變率范圍內的韌性為64.0～786.9kJ／m3，表現出顯著的應變率相關性，隨應變率的增加而增加；碳纖維體積分數對SEA有一定的影響，對比擬合直線的斜率可知，碳纖維體積分數φcf為0.3%時的比能量吸收值隨著應變率增加而增加的趨勢相對較明顯，但碳纖維體積分數為0.2%時的比能量吸收值則要比其他摻量下高，即CFRGC的沖擊增韌優勢在碳纖維體積分數為0.3%時表現得較為明顯，但在碳纖維體積分數為0.2%時，碳纖維的增韌效果更為明顯.

2.4 對比分析

整體看來，峰值韌度與比能量吸收隨碳纖維體積分數變化的規律不盡相同，說明這2種表征沖擊韌性的方法存在差異，但2種方法反映的發展趨勢存在一致性，主要表現在以下方面：

（1）沖擊韌性指標存在明顯的應變率效應，即隨著應變率的增加而增加.不少學者認為這是材料由一維應力狀態向一維應變狀態轉換過程中的力學響應.由于進行SHPB的CFRGC試件都比較大，因此在SHPB試驗中，試件內相當部位的受力狀態已不能準確地定為一維應力，在沖擊荷載作用下，由于材料的慣性效應，其側向的應變受到限制，而且應變率越高，這個限制就越明顯，從而有效地提高了其沖擊韌性.

（2）對于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合材料，在加載初期損傷較小，基體材料的應變硬化起主導作用，其應力－應變曲線形態近似呈線性；隨著荷載的增加，損傷演化加劇，大量微缺陷成核并擴展，斷面處的碳纖維參與受力而形成損傷過渡區，增加了能量的耗散，推遲了裂紋的不穩定擴展，從而提高了CFRGC的韌性.理論上而言，碳纖維體積分數越大，CFRGC沖擊韌性增加越明顯.但由于實際澆注、攪拌等施工過程中存在較多不確定因素，導致纖維分散效果不佳，成團現象嚴重，因而在其體積分數較高情況下這種增加趨勢并不特別明顯.

（3）沖擊荷載作用下，碳纖維在GC中的增韌效果更為明顯.靜態和動態下CFRGC的損傷演化方式有所不同，靜態加載下，宏觀裂紋的萌生來源于缺陷最多的過渡相區，擴展主要沿集料和砂漿的界面進行，最終的破壞是由主裂紋的失穩擴展導致的；沖擊荷載下，加載的開始段在骨料相，砂漿相和過渡相同時萌生大量的微裂紋，參與受力的碳纖維數量越多，越有利于提高材料的韌性.

通過對比可以發現，采用比能量吸收作為沖擊韌性評價指標的應變率效應更加明顯，離散性較小，而且從指標的計算方法可以看出SEA綜合考慮了試驗中多個影響因子，比較接近材料韌性的實際值.因此，建議在評價碳纖維增強地聚物混凝土的沖擊韌性時，采用SEA指標更加有效和合理.

3 結論

（1）從峰值韌度的評價指標來看，CFRGC在碳纖維體積分數為0.3%時能發揮出明顯的沖擊增韌優勢.

（2）從比能量吸收的評價指標來看，在10～102s－1應變率范圍內CFRGC的韌性表現出顯著的應變率相關性，隨應變率的增加而增加；CFRGC的沖擊增韌優勢在碳纖維體積分數為0.3%表現得較為明顯，但在碳纖維體積分數為0.2%時，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數為0.2%和0.3%時相對較為優異.

（3）2種表征沖擊韌性的方法所反映的發展趨勢存在一致性，一是沖擊韌性指標存在明顯的應變率效應，即其隨著應變率的增加而增加；二是碳纖維對于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）在評價碳纖維增強地聚物混凝土的沖擊韌性時，采用比能量吸收指標更加有效和合理.

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