钢纤维增强粉煤灰基地质聚合物抗折过程声发射特性研究

陶 鑫，安俊杰



钢纤维增强粉煤灰基地质聚合物抗折过程声发射特性研究

陶 鑫1，安俊杰2

(1.黑龙江工业学院 机械工程系，黑龙江 鸡西 158100； 2.鸡西市森宇建筑工程有限公司，黑龙江 鸡西 158100)

制备钢纤维增强粉煤灰基地质聚合物，钢纤维的体积掺量不同，研究钢纤维体积掺量对地质聚合物抗折破坏行为及声发射特性的影响，通过研究声发射信号波形平均频率AF及RA(上升时间与幅值的比值)的变化趋势，得出地质聚合物基体的拉伸破坏及剪切破坏的规律。结果表明：镀铜钢纤维对地质聚合物的增韧效果明显；持续时间在40000μs以上，且所含能量很高的波形为诱发灾变破坏的波形；小 RA值、大AF值对应着地质聚合物基体的拉伸破坏，大RA值、小AF值对应着纤维拔出过程中与基体的相对剪切破坏。

纤维增强地质聚合物；抗折破坏；声发射；延性

硅酸盐水泥作为一种胶凝材料应用于基础建设方面已经持续了上百年的时间，对人类的基础建设贡献颇多。但是，水泥在生产过程中能耗高，并且排出大量温室气体及有毒气体。因此需要一种材料来取代硅酸盐水泥。地质聚合物作为一种新型胶凝材料具有许多优良的性能, 如材料硬化快，强度高、耐久性，界面结合能力强，耐高温耐腐蚀性好等特点，最主要的优点是其可将工业废料作为原料。[1]因此将来很有可能取代硅酸盐水泥作为胶凝材料。国内外学者已进行了很多探索地质聚合物物理性能的研究。Hewayde E等[2]制备了地质聚合物混凝土，研究了其抗压性能以及在耐硫酸侵蚀条件下的性能。张云升等[3]用粉煤灰为主要原材料制备了地质聚合物，并测试了其抗压强度，同时研究了其氯离子渗透性能以及冻融循环性能。白二雷等[4]则主要研究了地质聚合物混凝土的冲击变形性能，这些研究都一定程度地推动了地质聚合物的发展。

但是地质聚合物同水泥基材料[5-6]相类似，都是脆性材料，其延展性能较差，因此采用掺加纤维的方法来提高材料延性。纤维混凝土方面，国内外学者也已经做了大量的研究。[7-8]研究者们也进行了较多的纤维增强地质聚合物方面的研究，主要集中纤维对地质聚合物的增强增韧方面，[9]高温对地质聚合物性能的影响，[10]及地质聚合物的动态力学性能[11]等方面。但是对地质聚合物的宏观破坏过程还鲜有研究。毫无疑问，对其损伤演化的研究将对该材料的工程实际应用具有重要的意义。

声发射，已经广泛地应用于岩石及混凝土的破坏实验中，[12-15]借助于声发射可以更好地对材料及结构内部的损伤进行检测。但是声发射系统应用在地质聚合物内部损伤检测方面的实验很少，而在混凝土及岩石方面应用较多。为探索纤维地质聚合物声发射特征，本文利用声发射系统对钢纤维地质聚合物的抗折过程进行了监测，同时将声发射系统与加载系统进行了同步，来研究地质聚合物在抗折破坏过程中力学行为与声发射特征之间的关系，基于力学特征与声发射同步分析，研究纤维掺量的增韧效果，探索纤维增强地质聚合物宏观力学行为与声发射参数之间的关联。

1 实验材料与方法

1.1 试验材料。

粉煤灰：温州磐石热电厂所产。硅灰：购于北京慕湖外加剂厂，SiO2含量达84.69%，二者的成分含量如表1所示。激发剂：水玻璃以及NaOH片碱(纯度>98%)，其主要成分的质量含量为： Na2O, 7.9%；SiO2, 27.9%；水64.2%。钢纤维：镀铜钢纤维(抗拉强度>2850MPa，直径0.2mm，长度13mm)采用赣州大业金属纤维有限公司的。

表1 粉煤灰、硅灰化学成分的XRF分析

1.2 试样制备

前期试配中已找到最优配合比，硅灰的质量掺量为30%，NaOH溶液浓度为18mol/L，泡花碱在激发剂中的质量含量为75%，配合比如表2所示。

钢纤维的掺加越多，地质聚合物的密度就会越大。为有统一的计算标准，在计算钢纤维掺量时，统一取体积密度为2000 kg/m3，例如对于钢纤维体积掺量(Vf)为0.5%时，则一立方拌合物需添加掺入为5L的钢纤维，取钢纤维的密度为7.8g/cm3，则需掺加39kg钢纤维。

试样制备过程中，首先制备18mol/L的NaOH溶液，碱溶液与水玻璃按质量比1:3制成激发剂溶液。水泥砂浆搅拌机中加入规定质量的硅灰与粉煤灰，干拌5min，再加入激发剂溶液搅拌5min，将拌合物装入40×40×160mm的试模中，放到振动台上振动5min。将塑料薄膜覆盖于成型试样表面，室温养护24h后拆模, 并进行标准养护至28d龄期。

表2 GP配合比 kg/m3

1.3 测试系统及方法。

试验过程中采用两套装置，包括声发射监测系统和抗折加载控制系统。试验加载设备所采用的电子万能试验机是深圳新三思生产的。声发射监测系统为PAC micro-II 8型声发射系统 ，其探头型号为NANO 30, 激振频率为300 kHz。在试样的两端面中间各布置1个探头，上表面布置2个探头，实验前应将试样表面除尘，将少量凡士林耦合剂涂于探头表面，用胶带将探头固定于试样表面。本实验所采用位移控制模式的加载方式，其速率为0.05mm/min，对应的名义应变率为2.08×10-5s-1。对试验机进行升级改造，使其将实时荷载值转化为0-10V的电信号，声发射系统以外参数的形式采集到荷载值，这样就能将载荷-时间曲线和试样的声发射演化进行同步观测。

图2 同步测试试验装置示意图

2 实验结果与分析

2.1 钢纤维对地质聚合物的增韧作用。

图3 不同纤维掺量地质聚合物抗折荷载时间曲线

图3为不同纤维掺量地质聚合物抗折荷载时间曲线图。图中可发现，未添加钢纤维的地质聚合物同水泥基材料相同，均属于脆性材料，其抗折强度极低，仅为1.38MPa，而添加钢纤维的试样的抗折强度随着纤维含量的增加而稳固增长，Vf2.0的抗折强度为净浆试样的7.6倍之多。钢纤维取向随机的分布于地质聚合物基体中，在抗折实验中，钢纤维的拔出及拉断都需要大量的能量，因此实验过程中的能量几乎全部被钢纤维吸收，抑制了基体的开裂，因此使得纤维地质聚合物的抗折强度提高。所有试样在峰值荷载前表现出相同的性质。区别在于峰值荷载之后，含有钢纤维的试样由于钢纤维与地质聚合物基体间界面结合力以及纤维的拔出都将消耗较高的断裂能，因此荷载呈现缓慢下降的趋势，不发生灾变破坏。而Vf0试样峰值荷载后几乎不吸收任何断裂能而直接发生灾变破坏。含有纤维的试样在荷载下降段会出现荷载突降而后又缓慢上升的毛刺，这是因为在抗折过程中，裂缝处的钢纤维将会被拔出，在钢纤维拔出后试样承受的荷载突然下降，而后应力重分布给断面上的其他钢纤维，荷载出现上升的趋势，荷载曲线即出现毛刺现象。

2.2 实验过程中声发射特性分析。

图4 声发射能量的持续时间分布

观察图4发现，随着钢纤维含量的增加，信号波形中所含的能量逐渐升高，持续时间在40000μs以上的波形逐渐减少，乃至消失，Vf0试样的波形中含有持续时间在100000μs的波形，且能量值很高，此时试样发生灾变破坏；Vf0.5及Vf1.0试样的波形中虽然出现了持续时间在100000μs的波形，但是所含能量并没有出现较大的增长，反而有下降的趋势，此时试样由脆性灾变破坏逐步向延性破坏方向发展；Vf2.0试样的波形中已经不含有持续时间在100000μs的波形，试样破坏形式也变成了延性破坏。因此可以认为持续时间在40000μs以上且所含能量很高的波形为诱发灾变破坏的波形。

图5 不同试样峰前峰后平均RA及平均AF统计图

声发射参数可以反映出声发射信号的强度，即材料内部损伤的强度信息，但是很难将其与材料的宏观破坏联系在一起。而信号波形的参数变化可以很好地反映出宏观变化，因此将波形参数与荷载时间曲线关联起来进行分析，可以得出波形参数与材料宏观破坏之间的联系。

图5为不同钢纤维含量试样的峰值前后平均RA及平均AF统计表，观察图4 可知所有试样的平均RA及平均AF均有明显的变化，平均RA值峰后较峰前都有明显的增长，而平均AF值呈现出相反的趋势。这恰恰与试样的破坏形式相对应，峰值前，试样由细小的裂纹逐渐向一条主裂纹扩展，此时钢纤维几乎没有拔出，表现为地质聚合物基体的拉伸破坏；但是峰值荷载后的破坏形式表现为钢纤维在基体中的拔出，钢纤维与基体间发生相对剪切破坏。这也说明了拉伸破坏所对应的平均RA值较小，平均AF值较大；剪切破坏所对应的平均RA值较大，平均AF值较小。

图6 不同钢纤维含量试样实验过程中平均AF演化图

图7 不同钢纤维含量试样实验过程中平均RA演化图

图6、图7为不同钢纤维含量试样实验过程中平均AF及平均RA演化图，从图中可发现整个实验过程中平均RA值呈现趋势是逐渐增大的，平均AF大体趋势是逐渐减小的，只是当钢纤维含量较低时现象不是很明显，当钢纤维含量增加到2.0%时，无论是平均RA或AF现象都已很明显。对于Vf0.5的现象并不明显，是由于峰值荷载后试样中既有基体的拉伸破坏又有钢纤维的拔出剪切破坏，且二者所占的比例相对较均衡，因此现象不明显；而对于Vf2.0试样，整个实验过程是由基体的拉伸破坏逐渐向钢纤维拔出过程中与地质聚合物基体之间的相对剪切破坏过渡。峰值荷载之前，几乎没有钢纤维拔出，主要为基体的拉伸破坏，随着实验的进行，峰值荷载后，裂缝越来越大且越来越宽，断面上的钢纤维也逐渐增多，即拔出的钢纤维越来越多，出现钢纤维与地质聚合物基体之间的相对剪切破坏，此时主要体现为剪切破坏且占据主导地位。因此实验过程中平均RA、AF有如此明显的变化规律。

3 结论

利用声发射系统对不同镀铜钢纤维掺量地质聚合物在三点抗折试验过程中的声发射特性进行了同步测试与分析，结果如下。

(1)镀铜钢纤维对地质聚合物具有很好的增韧作用，抗折强度随着钢纤维体积掺量的增加而增长，钢纤维体积掺量为2.0%时的抗折强度为净浆试样的7.6倍。

(2)随着钢纤维含量的增加，声发射信号波形中持续时间大于40000μs的波形逐渐减少，且所含能量逐渐降低，对应着试样有灾变破坏逐渐向延性破坏发展，因此持续时间在40000μs以上且所含能量很高的波形为诱发灾变破坏的波形。

(3)实验过程中平均RA及AF在峰值荷载前后是变化的，其中RA是增大的，而AF是减小的。

(4)整个实验过程中，RA值是增大的，AF值是减小的，且钢纤维含量越大现象越明显，峰值荷载前，较小的RA,较大的AF值对应着地质聚合物基体的拉伸破坏；而峰值荷载后，较大的RA，较小的AF值对应着钢纤维在基体中拔出二者之间的相对剪切破坏。

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Class No.:TB332 Document Mark：A

(责任编辑：宋瑞斌)

Acoustic emission behavior of steel fiber reinforced geopolymer under three-point bending

Tao Xin1，An Junjie2

(1.Department of Mechanical Engineering,Heilongjiang University of Technology, Jixi, Heilongjiang 158100, China；2.Senyu Construction Engineering Co., Ltd, Jixi, Heilongjiang 158100，China)

Geopolymer samples reinforced with different volume fractions of steel fibers were loaded under three-point bending process to investigate the relationship between the macroscopic mechanical behavior and mesoscopic damage evolution. The Acoustic emission (AE) behaviors of steel fiber reinforced geopolymer (SFRG) was measured to monitor the characteristics of damage evolution. Researching the acoustic emission signal waveform average frequency of AF and RA (ratio of Riseing time and Amplitude) trends, the rule of macroscopic mechanical behavior and mesoscopic damage evolution can known. The results show that volume fractions of steel fibers can improve ductility; The disaster damage waveform duration is more than 40000 μs; Little RA value, big AF value corresponds to the tensile failure of geopolymer, and the big RA value, little AF value corresponds to the shear failure of geopolymer.

fiber reinforced geopolymer; three-point bending process; acoustic emission; ductility

陶 鑫，硕士，助教，黑龙江工业学院机械工程系。研究方向：新型建筑材料组织与性能。

TB332

A

1672-6758(2016)11-0052-4