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基于SHPB技术测试典型金属动态压缩性能的尺寸效应分析1. 内容概述SHPB技术作为一种先进的材料动态力学性能测试手段，近年来在材料科学领域受到了广泛关注。
在本文档中，我们将首先简要介绍SHPB技术的原理及其在金属动态压缩性能测试中的应用。
我们将通过具体的实验数据和理论分析，详细讨论不同尺寸下金属的动态压缩性能及其尺寸效应。
我们还将探讨尺寸效应对金属动态压缩性能的影响机制，为优化材料设计和提高材料性能提供有益的参考。
我们将对实验结果进行总结，并提出一些针对性的结论和建议。
通过本文档的研究，我们期望能够为相关领域的研究者提供一种基于SHPB技术的金属动态压缩性能测试方法，并为未来材料科学的发展提供有益的启示和借鉴。
1.1 研究背景金属材料的动态压缩性能是材料科学和工程领域中的一个重要研究方向，尤其在航空航天、汽车制造、建筑结构等领域具有广泛的应用前景。
金属材料在受到外部冲击或压力时，会产生塑性变形，甚至断裂。
研究金属材料的动态压缩性能对于评估其在实际应用中的安全性和可靠性具有重要意义。
传统的金属动态压缩性能测试方法主要包括霍尔效应法、光电子能谱法等，但这些方法往往存在测试时间长、精度低等问题。
基于分离式霍普金森压杆（SHPB）技术的动态压缩性能测试方法逐渐受到关注。
SHPB技术具有操作简便、精度高、时间短等优点，能够较为真实地反映材料的动态压缩性能。
在使用SHPB技术进行金属动态压缩性能测试时，尺寸效应是一个不可忽视的问题。
金属材料的尺寸效应是指材料在不同尺寸下的力学性能存在差异，这主要是由于材料的微观结构、缺陷、表面处理等因素引起的。
在研究金属材料的动态压缩性能时，必须考虑尺寸效应的影响，以便更准确地评估材料的性能。
为了深入研究基于SHPB技术测试典型金属动态压缩性能的尺寸效应，本论文首先对相关文献进行了综述，介绍了SHPB技术的基本原理、实验方法以及尺寸效应的研究现状。
通过实验和数值模拟相结合的方法，研究了不同尺寸下典型金属的动态压缩性能及其尺寸效应，为进一步优化材料和提高其性能提供了理论依据。
复合材料学报第22卷 第2期 4月 2005年Acta Materiae Compositae SinicaVol 122No 12April2005文章编号:100023851(2005)022*******收稿日期:2004204205;收修改稿日期:2004207209通讯作者:张若棋,教授,博士生导师,长期从事冲击动力学、冲击波物理的研究工作 E 2mail :zhangrq1@public 1cs 1hn 1cn动态压缩下一种碳纤维织物增强复合材料的各向异性力学性能实验研究蒋邦海,张若棋3(国防科技大学理学院应用物理系,长沙410073)摘 要: 为获得一种碳纤维二维正交平纹机织布增强树脂基复合材料准静态和动态压缩力学性能,对其三个主方向(垂直于碳布方向、碳布经向、碳布纬向),分别利用Instron 试验机和SHPB 实验技术,进行了准静态压缩和动态压缩实验。
得到了三个主方向从低应变率(10-3/s )到高应变率(约103/s )下的压缩应力2应变曲线和压缩强度,并通过分析得到了三个主方向上的动态压缩响应特点:垂直于碳布方向的力学性能及其与应变率的相关性主要由树脂基体所控制;碳布经向和纬向的力学性能主要由碳纤维所控制,并且和纤维初始微屈曲相关。
最后,分别给出三个主方向上的压缩强度和弹性模量与应变率相关性的表达式。
关键词: 碳纤维;平纹机织;复合材料;各向异性;动态性能;SHPB 中图分类号: TB 332;TB 33011 文献标识码:ADY NAMIC COMPRESSIVE MECHANICAL PR OPERTIES OF A CARBON FIBERWOVEN REINFORCED COMPOSITE :EXPERIMENTAL STU DYJ IAN G Banghai ,ZHAN G Ruoqi 3(Applied Physics Department ,Science College ,National University of Defense Technology ,Changsha 410073,China )Abstract : To understand the quasistatic and dynamic compressive mechanical properties of a kind of carbon fiber two 2dimensional orthogonal plain woven reinforced polymer matrix composite ,numbers of quasistatic and dynamic compression experiments in its three principal directions (the vertical direction of the carbon cloth ,and also the warp and fill directions in the carbon cloth )were conducted ,by means of Instron apparatus and SHPB technology respec 2tively.The compressive stress 2strain curves and compressive strength were achieved in each direction in a large strain rate range (f rom strain rate 10-3/s to about 103/s ).The experimental results show that the dynamic per 2formance of this composite in each three principal directions has its own characteristics :in the vertical direction of the carbon cloth ,the mechanical property and the strain rate effect are matrix 2dominated ;in the warp or fill direc 2tion in the carbon cloth ,the carbon fiber and its initial waviness master the mechanical property.Two formulas were proposed to model the relationship of the compressive strength and elastic modulus with the strain rate.K eyw ords : carbon fiber ;plain weave ;composite ;anisotropic ;dynamic properties ;SHPB 近年来,由于连续纤维增强复合材料具有优异的力学性能,使其在各个工程领域得到了越来越多的应用,其力学性能的研究正受到重视。
高性能混凝土的SHPB测试技术摘要高性能混凝土是一种特殊的混凝土，由于其具有高强度、高耐久性、高耐久性和较低的渗透性等特点，广泛应用于建筑结构、道路、桥梁等领域。
为了更好地了解高性能混凝土的力学性能，研究人员常使用SHPB测试技术进行测试。
本文将介绍高性能混凝土的SHPB测试技术，包括其原理、测试步骤和应用。
1. 引言高性能混凝土是一种以高强度和高性能为目标的特殊混凝土。
它具有一系列优异的力学性质，如高强度、高耐久性、较低的渗透性和较小的收缩。
在建筑结构、道路和桥梁等领域应用广泛。
为了更好地了解高性能混凝土的力学性能，研究人员常使用Split Hopkinson Pressure Bar（SHPB）技术进行测试。
SHPB是一种高速压力杆技术，可用于测量材料的高应变率动态力学特性。
2. 原理SHPB技术是一种在很短时间内施加高压脉冲到试样上的方法，主要用于测量在单向动态拉伸或压缩载荷下材料的动态力学性能。
技术的核心部分是两个导杆通过脉冲形成器与被测试材料相连。
当形成器发出一个很短的脉冲压缩后导杆相互碰撞，导致两个导杆的快速运动。
因此，SHPB测试的载荷速率比传统试验方法的载荷速率高得多。
试验与试样的动应变和动应力可通过记录两个导杆的速度波形来计算测量。
结果可用于绘制应变-应力曲线，通过不同载荷下的测试来计算材料性能。
3. 测试步骤3.1 试样准备试样应按照标准要求进行制备和切割。
在测试之前，试样的尺寸和形状应量取并与标准匹配。
试样应保持在一定的温度和湿度环境中，以避免影响测试结果。
3.2 实验条件设置SHPB测试中, 时间、应变速率和温度是需要优先设置的实验条件。
应定期检测系统参数以保证测试结果的准确性。
实验室环境的温度和湿度也应被监测，以保证测试的可靠性。
试验时，应在适当的电子显微镜下观察试样的损伤，为后续的研究提供支持。
3.3 数据采集和处理在测试中，应负责记录数据。
应根据实验标准对数据进行统计和分析，以根据结果计算出高性能混凝土的动态力学性质，同时另一方面需要根据数据进行可靠性分析。
基于SHPB的混凝土及钢筋混凝土冲击压缩力学行为研究一、本文概述随着现代工程技术的迅速发展，混凝土及钢筋混凝土材料在冲击、爆炸等极端动载荷作用下的力学行为越来越受到关注。
冲击压缩力学行为研究对于保障工程结构在极端环境下的安全性和稳定性具有重要意义。
本文基于分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar，简称SHPB）试验技术，对混凝土及钢筋混凝土在冲击压缩载荷下的力学特性进行了深入的研究。
SHPB试验技术作为一种有效的动态力学测试方法，能够模拟材料在高速冲击下的应力-应变响应，为混凝土及钢筋混凝土冲击压缩力学行为的研究提供了有力的技术支持。
本文首先介绍了SHPB试验技术的基本原理和试验装置，然后详细阐述了混凝土及钢筋混凝土在冲击压缩载荷下的应力波传播特性、应力-应变关系、能量耗散以及损伤演化等方面的研究内容。
通过对比分析不同条件下混凝土及钢筋混凝土的冲击压缩试验结果，本文揭示了材料在冲击载荷作用下的力学特性变化规律，探讨了冲击速度、试件尺寸、配筋率等因素对材料力学行为的影响。
本文还结合数值模拟方法，对冲击压缩过程中材料的破坏模式、应力波传播规律等进行了深入的分析和讨论。
本文总结了混凝土及钢筋混凝土冲击压缩力学行为研究的主要成果和结论，指出了研究中存在的问题和不足，并对未来的研究方向进行了展望。
本文的研究成果不仅有助于深入理解混凝土及钢筋混凝土在冲击压缩载荷下的力学特性，也为相关工程结构的设计和安全评估提供了重要的理论依据和技术支持。
二、冲击压缩试验技术概述冲击压缩试验技术，特别是分离式霍普金森压杆（SHPB）技术，是近年来研究材料在高应变率下动态力学行为的重要手段。
SHPB系统主要由入射杆、透射杆、吸收杆、试件、以及测量装置等组成。
当高压气体驱动入射杆撞击试件时，会在试件中产生冲击压缩效应，同时入射杆和透射杆上的应变片会记录下应变信号，进而计算出试件在冲击过程中的应力-应变关系。
文章编号:1009 6825(2011)07 0094 03S HPB 技术在混凝土动态力学性能测试中的应用收稿日期:2010 11 24作者简介:章伟宜(1970 ),男,工程师,安徽省安庆市城乡规划设计院,安徽安庆 246003章伟宜摘 要:介绍了S HPB 实验技术的实验装置和基本原理,综述了S H PB 应用于大直径试样时存在的问题及进展,为该方法应用于土木工程材料动态力学性能提供了可行的技术路线,具有一定指导意义。
关键词:S HPB 实验技术,波形弥散,试样中图分类号:TU 528文献标识码:A1 实验装置早在1914年,H opki nson 就提出了压杆技术,1949年K o lsky 改进了H opk i nson 装置提出了分离式H opk i nson 装置。
典型的S H PB 装置及数据处理系统如图1所示。
包括:子弹、压杆、测速系统、超动态应变放大器、瞬态波形采集存储系统和数据处理系统。
压杆和子弹一般由高强度合金钢或铝合金制成,压杆、试样的接触面加工平整并保持平行撞击,压杆支座不能影响应力波的传递,压杆包括入射杆、透射杆。
撞击速度通过测速器测定,入射杆和透射杆上应变计记录的应变脉冲经超动态应变仪放大后由瞬态波形存储器采集存储。
近年来,随着国防和民用的需要,S H PB 的研究对象已由金属、高聚物等均质材料发展到泡沫、混凝土等非均质材料,这些非均质材料要求试样尺寸加大,相应的S HPB 装置中的压杆直径也要加大。
为此,国内外都相继建起了大直径的S HPB 装置。
欧美等发达国家已先后建起了 51, 76, 100和200 200束型S HPB 装置[1,2],在国内,中国科学技术大学冲击动力实验室于1998年率先建成当时国内最大直径74mm 直锥变截面S HPB 装置,其装置如图2所示。
锥杆大小端直径分别为74mm ,37mm,装置中关键部位是锥杆过渡段的长度,刘孝敏、胡时胜考虑截面变化引起的弥散建议将该长度设计为大于370mm [3,4]。
软材料的低阻抗SHPB实验技术与应用张方举;何鹏;胡文军;谢若泽【摘要】The low impedance SHPB of polycarbonate (PC) bars technique was introduced, the wave propagation in the PC bars was analyzed with the method of wave propagation coefficient, and the wave propagation coefficients according to wave attenuation and dispersion were given. The waveform was predicted with the obtained attenuation exponent and phase speeds, which was accorded with the measured wave. With the low impedance SHPB technique, the dynamic stress-strain curves of two kinds of soft materials, foams and rubbers, were obtained.%介绍了一种以聚碳酸酯(PC)材料为波导杆的低阻抗SHPB系统,采用波传播系数实验方法分析PC杆中的波传播过程,得到了PC杆中与波衰减和弥散相关的波传播系数,并利用所测衰减指数和相速度预测了波形,预测波形与实测波形符合较好.应用低阻抗SHPB,获得了泡沫和橡胶两类典型低阻抗材料的动态力学性能.【期刊名称】《中国测试》【年(卷),期】2012(038)002【总页数】5页(P17-20,55)【关键词】低阻抗SHPB;衰减;弥散;应力波;软材料【作者】张方举;何鹏;胡文军;谢若泽【作者单位】中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳621900;中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳621900;中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳621900;中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳621900【正文语种】中文【中图分类】TQ328;TM934.730 引言SHPB自发明以来，由于其结构简单、数据处理简便而越来越得到广泛应用。
第43卷第3期2024年3月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.43㊀No.3March,2024高温下玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的动态压缩力学行为冷玲倻1,张鹏飞2,3,梁文文1(1.江西科技学院城市建设学院,南昌㊀330098;2.江西省灌溉排水发展中心,南昌㊀330013;3.江西水利职业技术学院建筑工程系,南昌㊀330013)摘要:为研究高温下玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土(BFRGC)的动态压缩力学行为,本文制备了纤维体积掺量为0%㊁0.1%㊁0.2%㊁0.3%的BFRGC 试件,并对其进行了不同温度(20㊁200㊁400㊁600㊁800ħ)下的动态冲击试验㊂结果表明:BFRGC 试件静态抗压强度㊁动态抗压强度和比能量吸收具有明显的温度强化效应和高温损伤效应,峰值应变表现出显著的温度塑化效应㊂BFRGC 试件的静态抗压强度㊁动态抗压强度的温度阀值为400ħ㊂随着温度的升高,BFRGC 试件的静态抗压强度㊁动态抗压强度和比能量吸收均先增大后减小,峰值应变不断增大㊂掺加适量的玄武岩纤维可以提高常温及高温下地质聚合物混凝土的静态抗压强度和动态力学性能,且其最佳掺量为0.1%㊂关键词:地质聚合物混凝土;玄武岩纤维;动态力学性能;高温;分离式霍普金森压杆(SHPB)中图分类号:TU528㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2024)03-0914-08Dynamic Compressive Mechanical Behavior of Basalt Fiber Reinforced Geopolymer Concrete under High TemperatureLENG Lingye 1,ZHANG Pengfei 2,3,LIANG Wenwen 1(1.College of Urban Construction,Jiangxi University of Technology,Nanchang 330098,China;2.Irrigation and Drainage Center in Jiangxi Province,Nanchang 330013,China;3.Department of Construction Engineering,Jiangxi Water Resources Institute,Nanchang 330013,China)Abstract :In order to study the dynamic compressive mechanical behavior of basalt fiber reinforced geopolymer concrete (BFRGC)after high temperature,BFRGC specimens with fiber volume content of 0%,0.1%,0.2%and 0.3%were prepared,and dynamic impact tests of BFRGC specimens at 20,200,400,600and 800ħwere carried out.The results show that the static compressive strength,dynamic compressive strength and specific energy absorption of BFRGC specimens have obvious temperature enhancement effect and high temperature damage effect,and the peak strain shows a significant temperature plasticization effect.The temperature threshold of static compressive strength and dynamic compressive strength of BFRGC specimens is 400ħ.With the increase of temperature,the static compressive strength,dynamic compressive strength and specific energy absorption of BFRGC specimens increase first and then decrease,and the peak strain increases continuously.The static compressive strength and dynamic mechanical properties of geopolymer concrete at room temperature and high temperature can be improved by adding appropriate content of basalt fiber,and the optimal content of basalt fiber is 0.1%.Key words :geopolymer concrete;basalt fiber;dynamic mechanical property;high temperature;split Hopkinson pressure bar (SHPB)收稿日期:2023-11-03;修订日期:2023-12-06基金项目:江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ202020)作者简介:冷玲倻(1986 ),女,讲师㊂主要从事土木工程材料的研究㊂E-mail:lenglingyejxkjxy@0㊀引㊀言与普通硅酸盐水泥混凝土相比,地质聚合物混凝土(geopolymer concrete,GC)不仅表现出更好的力学性㊀第3期冷玲倻等:高温下玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的动态压缩力学行为915能和耐化学侵蚀性,还具有绿色环保㊁低能耗㊁低碳排放等优点[1-2],是一种具有广阔应用前景的建筑材料㊂近年来,随着火灾事故不断发生,混凝土材料的高温力学性能受到了人们越来越多的关注㊂由于地质聚合物胶凝体的特殊网络结构,GC通常被认为比普通硅酸盐水泥混凝土具有更好的耐火性能,其高温力学性能也得到了大量研究[3-4]㊂然而,在实际使用过程中,建筑物在承受高温作用的同时还可能承受冲击荷载,例如火灾中上层建筑物对下部结构的撞击以及火灾中化学物质引起的爆炸等㊂因此,GC在高温-冲击耦合作用下的力学性能还需进一步研究㊂GC与普通硅酸盐水泥混凝土同属准脆性材料,其在受力过程中表现出较大的脆性[5]㊂纤维掺入后有明显的增强增韧作用,为了提高GC的变形性能和韧性,国内外就纤维增强地质聚合物混凝土(fiber reinforced geopolymer concrete,FRGC)的力学性能也做了大量研究[6-7]㊂研究[8-9]发现,掺加纤维是提高GC 变形性能和韧性的有效途径㊂玄武岩纤维不仅力学性能优异,且具有良好的热稳定性㊂因此,本文考虑使用玄武岩纤维来改善混凝土的脆性和耐高温性能㊂鉴于此,本文制备了玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土(basalt fiber reinforced geopolymer concrete, BFRGC),并采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置和电阻式箱式加热炉对BFRGC进行了20~800ħ下的动态冲击试验㊂本文通过分析不同玄武岩纤维掺量㊁不同温度下BFRGC的动态抗压强度㊁动态强度增长因子(dynamic strength increase factor,DIF)㊁峰值应变和比能量吸收,研究了高温后BFRGC的动态压缩力学行为㊂1㊀实㊀验1.1㊀原材料原材料包括粉煤灰㊁矿渣㊁NaOH㊁硅酸钠㊁碎石㊁砂㊁水和玄武岩纤维㊂粉煤灰和矿渣为胶凝材料,NaOH 和硅酸钠为碱性激发剂㊂粉煤灰为一级粉煤灰,密度为2.05g/cm3,购自华能金陵电厂㊂矿渣为水淬高炉矿渣,密度为2.97g/cm3,购自津西新材料矿渣粉厂㊂粉煤灰和矿渣的主要化学组成如表1所示㊂NaOH为片状固体,分析纯,购自昊信化工有限公司㊂硅酸钠为液体,模数为3.1~3.4,购自昊信化工有限公司㊂碎石为石灰岩碎石,粒径为5~20mm㊂砂为中砂,细度模数为2.8㊂水为洁净的自来水㊂玄武岩纤维直径为15μm且长度为9mm,密度为2.65g/cm3,购自博超工程材料有限公司㊂表1㊀粉煤灰和矿渣的主要化学组成Table1㊀Main chemical composition of fly ash and slagComposition Mass fraction/%SiO2Al2O3CaO Fe2O3Na2O TiO2MgO K2O P2O5SO3MnO Cl-Firing loss Fly ash45.8021.4013.7012.60 1.100.20 1.30 1.800.10 1.90 0.10 Slag29.4419.5738.55 10.00 3.00 2.770.010.361.2㊀试件制备BFRGC的配合比如表2所示,其中GC㊁BFRGC1㊁BFRGC2㊁BFRGC3分别表示玄武岩纤维体积掺量为0%㊁0.1%㊁0.2%㊁0.3%的BFRGC试件㊂BFRGC的具体制备步骤为:1)将碎石和砂加入混凝土搅拌机的搅拌锅中,边搅拌边添加玄武岩纤维,搅拌30s;2)将粉煤灰㊁矿渣混合均匀加入搅拌锅中,搅拌30s;3)将NaOH㊁硅酸钠和水混合搅拌均匀制成碱性激发剂,再将碱性激发剂加入搅拌锅中,搅拌2min;4)将拌合物从搅拌锅倒出,再装入模具中振捣㊁成型,室内养护1d后拆模,标养至28d龄期㊂BFRGC试件尺寸为100mmˑ100mmˑ100mm和ϕ100mmˑ50mm,前者用于静态压缩试验,后者用于动态冲击试验㊂1.3㊀试验方法高温试验:采用电阻式箱式加热炉加热试件,加热速率为10ħ/min,加热至200㊁400㊁600㊁800ħ后,恒温4h以保证试件内外的温度均匀㊂试件加热完毕后,立刻进行静态压缩试验和动态冲击试验㊂静态压缩试验:采用3000KN混凝土全自动压力试验机进行静态压缩试验,每组至少测试3个有效试件,试验结果取平均值㊂916㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷表2㊀BFRGC 的配合比Table 2㊀Mix ratio of BFRGCSpecimen Mix ratio /(kg㊃m -3)Fly ash Slag NaOH Sodium silicate Gravel Sand Water Basalt fiber GC 1003003010510336711050BFRGC1100300301051033671105 2.65BFRGC2100300301051033671105 5.30BFRGC31003003010510336711057.95动态冲击试验:采用ϕ100mm 的SHPB 试验装置进行动态冲击试验,如图1所示,加载气压为0.60MPa㊂试验波形如图2所示,采用 三波法 ,根据应变片测得的入射波应变εi 和透射波应变εt 可计算得到试件的应力σ㊁应变率εᶄ和应变ε,如式(1)~(3)所示㊂σ(t )=EA 0A s εt(t )(1)εᶄ(t )=2l s C 0εi (t )(2)ε(t )=2l s C 0ʏεi (t )(3)式中:E ㊁A 0㊁C 0分别为压杆的弹性模量㊁横截面面积和弹性波速,A s ㊁l s 分别为试件端面面积和厚度,t 为时间㊂每组至少测试3个有效试件,动态应力-应变曲线选取其中一组,其余性能指标取平均值㊂图1㊀SHPB 试验装置示意图Fig.1㊀Schematic diagram of SHPB testdevice 图2㊀SHPB 试验波形Fig.2㊀Waveform of SHPB test 2㊀结果与讨论2.1㊀静态抗压强度温度和纤维掺量对BFRGC 静态抗压强度的影响如图3所示㊂由图3可知,随着温度的升高,BFRGC的静态抗压强度先增大后减小㊂在200ħ时,BFRGC的静态抗压强度最大,GC㊁BFRGC1㊁BFRGC2㊁BFRGC3的静态抗压强度分别较20ħ时增加了8.69%㊁8.40%㊁10.57%㊁10.20%㊂随着温度的升高,BFRGC 的静态抗压强度不断减小㊂在400ħ时,BFRGC 的静态抗压强度与20ħ时接近㊂在600ħ时,BFRGC 静态抗压强度较20ħ时有所减小,GC㊁BFRGC1㊁BFRGC2㊁BFRGC3的静态抗压强度分别较20ħ时减小了18.79%㊁14.10%㊁18.96%㊁27.19%㊂在800ħ时,BFRGC 静态抗压强度显著降低,GC㊁BFRGC1㊁BFRGC2㊁BFRGC3的静态抗压强度分别为20ħ时的39.36%㊁45.32%㊁36.07%㊁31.13%㊂400ħ为BFRGC 的温度阀值,当温度低于400ħ时,BFRGC 的静态抗第3期冷玲倻等:高温下玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的动态压缩力学行为917㊀压强度较20ħ时有所提高;当温度高于400ħ时,BFRGC 的静态抗压强度较20ħ时有所减小㊂随着玄武岩纤维掺量的增大,BFRGC 的静态抗压强度先增大后减小㊂当玄武岩纤维掺量为0.1%时,BFRGC 的静态抗压强度最大㊂在20㊁200㊁400㊁600㊁800ħ时,BFRGC1的静态抗压强度分别较GC 增大了11.88%㊁11.58%㊁10.69%㊁18.34%㊁28.83%㊂图3㊀温度和纤维掺量对BFRGC 静态抗压强度的影响Fig.3㊀Effects of temperature and fiber content on static compressive strength of BFRGC 2.2㊀动态抗压强度BFRGC 的动态冲击试验结果如表3所示,温度和纤维掺量对BFRGC 动态抗压强度的影响如图4所示㊂由图4可知,当玄武岩纤维掺量相同时,随着温度由20ħ升高至800ħ,BFRGC 的动态抗压强度均先增大后减小㊂在200ħ时,BFRGC 的动态抗压强度最大,且较20ħ时大㊂在200ħ时,GC㊁BFRGC1㊁BFRGC2和BFRGC3的动态抗压强度分别较20ħ时增大了25.63%㊁28.37%㊁28.45%㊁26.03%,而后随着温度的升高,BFRGC 的动态抗压强度不断减小;在400ħ时,BFRGC 的动态抗压强度与20ħ时相近;在600ħ时,BFRGC 的动态抗压强度较20ħ时有所减小;在800ħ时,BFRGC 的动态抗压强度显著减小,GC㊁BFRGC1㊁BFRGC2和BFRGC3的动态抗压强度分别为20ħ时的44.88%㊁54.53%㊁42.97%㊁36.92%㊂温度对BFRGC 的动态抗压强度既有强化效应又有损伤效应,且BFRGC 的温度阈值为400ħ㊂当温度小于400ħ时,温度的强化效应占据主导地位,从而使得BFRGC 的动态抗压强度较常温时增大㊂当温度大于400ħ时,高温损伤效应占据主导地位,从而使得BFRGC 的动态抗压强度较常温时减小㊂温度相同时,随着玄武岩纤维掺量的增大,BFRGC 的动态抗压强度先增大后减小㊂不同温度下,掺加适量的玄武岩纤维均可以提高GC 的动态抗压强度㊂当纤维掺量为0.1%时,BFRGC 的动态抗压强度最大㊂在20㊁200㊁400㊁600㊁800ħ时,BFRGC1的动态抗压强度分别较GC 增大了13.25%㊁15.72%㊁14.46%㊁20.60%㊁37.60%㊂由此可见,在600和800ħ时,玄武岩纤维对GC 动态抗压强度的提高幅度更大㊂高温下,玄武岩纤维对GC 的增强效果更佳㊂表3㊀BFRGC 的动态冲击试验结果Table 3㊀Results of dynamic impact test of BFRGCSpecimen Temperature /ħStatic compressive strength /MPa Strain rate /s -1Dynamic compressive strength /MPa Dynamic strength increase factor Peak strain /10-3Specific energy absorption /(kJ㊃m -3)GC2056.490.680.0 1.4210.71785.420061.393.7100.5 1.6415.841077.040058.192.583.0 1.4318.881055.160045.894.063.6 1.3821.23689.380022.293.535.9 1.6226.14383.3BFRGC12063.190.290.6 1.4314.34917.720068.492.9116.3 1.7021.951381.240062.192.595.0 1.5224.901287.760054.293.976.7 1.4127.28988.180028.693.749.4 1.7328.59609.5918㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷续表Specimen Temperature/ħStatic compressivestrength/MPaStrainrate/s-1Dynamic compressivestrength/MPaDynamic strengthincrease factorPeak strain/10-3Specific energyabsorption/(kJ㊃m-3)BFRGC22059.691.984.0 1.4112.65882.0 20065.991.7107.9 1.6419.451307.7 40058.293.886.9 1.4921.591189.9 60048.393.266.4 1.3825.01873.5 80021.592.936.1 1.6827.09539.7BFRGC32055.994.978.0 1.3911.19823.2 20061.694.498.3 1.6018.011216.8 40056.392.478.7 1.4020.071134.7 60040.793.756.3 1.3823.29810.8 80017.490.728.8 1.6626.40459.8图4㊀温度和纤维掺量对BFRGC动态抗压强度的影响Fig.4㊀Effects of temperature and fiber content on dynamic compressive strength of BFRGC2.3㊀动态强度增长因子动态强度增长因子DIF是指BFRGC的动态抗压强度和静态抗压强度的比值,反映了BFRGC强度的应变率敏感性[10]㊂温度和纤维掺量对BFRGC DIF的影响如图5所示㊂由图5可知,温度对BFRGC的DIF有较大影响,在20~600ħ,BFRGC的DIF随着温度的升高先增大后减小㊂在200ħ时,BFRGC的DIF最大,且较20ħ时大,此时BFRGC强度的应变率敏感性最强㊂在800ħ时,BFRGC的DIF显著增大,且较20ħ时更大,强度的应变率效应明显㊂在200ħ时,由于地质聚合物的聚合反应进一步发生,BFRGC的整体结构更加致密,因此其强度应变率敏感性增强[11]㊂在800ħ时,石灰石开始分解,BFRGC的内部结构已经破坏,存在大量的裂缝,强度大幅度降低[12]㊂根据DIF的定义,800ħ时BFRGC的静态强度显著减小,且减小幅度显著大于动态抗压强度的减小幅度,因此在800ħ时BFRGC的DIF显著增大㊂随着玄武岩纤维掺量的增大,BFRGC的DIF均先增大后减小,且BFRGC1的DIF最大㊂由此可见,掺加适量的玄武岩纤维可以提高GC强度的应变率敏感性,且纤维掺量为0.1%时提高效果最佳㊂玄武岩纤维与地质聚合物具有较强的相容性,形成了相互交错的网络结构,构筑了良好的界面特性㊂同时玄武岩纤维具有优异特性,例如 加筋作用 [13-14],能将GC中的碎石和砂包络其中,形成相互联系的整体,从而提高GC的整体性,增强GC强度的应变率敏感性㊂2.4㊀峰值应变温度和纤维掺量对BFRGC峰值应变的影响如图6所示㊂由图6可知,随着温度的升高,BFRGC的峰值应变不断增大㊂BFRGC的峰值应变表现出显著的温度塑化效应,即BFRGC的峰值应变随温度增大而不断增大,800ħ时BFRGC的峰值应变最大㊂高温加热会导致BFRGC内水分的蒸发和胶凝材料以及粗骨料的分解,内部形成大量空隙,使得其变形能力提高[15],进而引起BFRGC峰值应变的增加㊂掺加玄武岩纤维可第3期冷玲倻等:高温下玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的动态压缩力学行为919㊀以提高GC 在高温下的变形性能㊂不同温度下BFRGC1㊁BFRGC2㊁BFRGC3试件的峰值应变均较GC 试件的大㊂相同温度下,随着玄武岩纤维掺量的增加,BFRGC 的峰值应变先增大后减小㊂当纤维掺量为0.1%时,BFRGC 的峰值应变最大㊂玄武岩纤维通过连接骨料和地质聚合物,使GC 的完整性增强,从而提高其变形性能㊂图5㊀温度和纤维掺量对BFRGC DIF 的影响Fig.5㊀Effects of temperature and fiber content on DIF ofBFRGC 图6㊀温度和纤维掺量对BFRGC 峰值应变的影响Fig.6㊀Effects of temperature and fiber content on peak strain of BFRGC 2.5㊀比能量吸收以比能量吸收SEA 来表征BFRGC 的吸能特性,SEA 的计算式如式(4)所示㊂SEA =AEc A s l s ʏT 0[εi (t )2-εr (t )2-εt (t )2]d t (4)式中:εr 为反射波应变,c 为压杆中的波速,T 为试件破坏的时间㊂温度和纤维掺量对BFRGC SEA 的影响如图7所示㊂由图7可知,BFRGC 的SEA 具有明显的温度强化效应和高温损伤效应㊂随着温度的升高,BFRGC 的SEA 先增大后减小,在200ħ时,BFRGC 的SEA 最大;在400ħ时,BFRGC 的SEA 仍较20ħ时大;在600ħ时,BFRGC 的SEA 与20ħ时相近;在800ħ时,BFRGC 的SEA 较20ħ时小㊂BFRGC 吸能特性主要取决于强度和变形能力两个因素,在20~600ħ时,BFRGC 的变形特性不断增大,强度特性先增大后减小,BFRGC 在20与400ħ时的强度特性相差不大,故在200~400ħ时BFRGC 的吸能特性较20ħ时优异,在600ħ时BFRGC 的吸能特性与20ħ时相近㊂800ħ时,BFRGC 由于强度特性的急剧下降,且强度特性下降的幅度远高于变形特性增长的幅度,其吸能特性明显降低㊂920㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷图7㊀温度和纤维掺量对BFRGC SEA的影响Fig.7㊀Effects of temperature and fiber content on SEA of BFRGC掺加玄武岩纤维可提高GC的吸能特性㊂随着玄武岩纤维掺量的增大,BFRGC的SEA均先增大后减小㊂当纤维掺量为0.1%时,BFRGC的SEA均最大㊂当纤维掺量为0.2%㊁0.3%时,BFRGC的SEA虽有所减小,但仍较GC大㊂在GC中掺加玄武岩纤维后,其可与地质聚合物界面黏结,使得玄武岩纤维对GC有增韧的作用㊂高温作用后,玄武岩纤维与地质聚合物界面的黏结减弱,但玄武岩纤维耐高温,不会分解,仍裹在地质聚合物中,因此,玄武岩纤维仍具有增韧作用㊂当玄武岩纤维掺量较大时,容易导致试件成型过程中出现搅拌不均㊁纤维黏结成团㊁局部纤维掺量过大等现象,试件内部产生大量的原始裂纹[16],从而影响试件的吸能特性㊂3㊀结㊀论1)掺加适量的玄武岩纤维可以提高常温及高温下地质聚合物混凝土的静态抗压强度和动态力学性能,玄武岩纤维的最佳掺量为0.1%㊂2)BFRGC的静态抗压强度㊁动态抗压强度和比能量吸收具有明显的温度强化效应和高温损伤效应,峰值应变表现出显著的温度塑化效应㊂3)随着温度的升高,BFRGC的静态抗压强度㊁动态抗压强度和比能量吸收均先增大后减小,峰值应变不断增大㊂BFRGC的静态抗压强度㊁动态抗压强度的温度阀值为400ħ㊂4)当玄武岩纤维掺量为0.1%时,BFRGC的DIF最大,BFRGC强度的应变率敏感性最强㊂在20~600ħ, BFRGC的DIF随着温度的升高先增大后减小,在200ħ时BFRGC的DIF最大㊂参考文献[1]㊀魏㊀铭,张长森,王㊀旭,等.微纳米材料改性地质聚合物的研究进展[J].材料导报,2023,37(4):254-263.WEI M,ZHANG C S,WANG X,et al.Alkali-activated materials modified with micro-nano additives:a review[J].Materials Reports,2023, 37(4):254-263(in Chinese).[2]㊀MATALKAH F,ABABNEH A,AQEL R.Synthesis of calcined Kaolin-based geopolymer foam:assessment of mechanical properties,thermalinsulation,and elevated temperature 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