, 徐雪桐, 黄菲, 杨其要 东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2021-02-23
基金项目：国家自然科学基金资助项目(52174071，U1903216，52004052); 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N180701005)。
作者简介：贾蓬(1973-)，女，内蒙古呼和浩特人，东北大学副教授，博士。
摘要：针对多孔材料的孔结构对其宏观力学性能及其破裂机制与耐久性的影响, 对两种不同孔结构的多孔材料进行了单轴压缩和冻融循环试验, 建立了能反映材料内部孔隙结构的三维非均匀数值模型, 对两种多孔材料在单轴压缩下的破裂机制进行了分析.实验结果表明: 孔结构对于金尾矿多孔材料的力学性能有显著影响.较大的孔隙率除会显著降低材料的抗压强度外, 吸能性能会显著增加; 在±25 ℃范围内冻融循环10次条件下的试验结果表明, 当金尾矿多孔材料的孔隙率较小且为闭孔结构时, 孔洞因冻融造成的孔壁颗粒脱落填塞而造成材料的抗冻性能有所提高; 孔隙率较小时, 金尾矿多孔材料在单轴压缩下的裂纹扩展主要从试件两端向试件中部扩展贯通为一条连续主拉裂纹, 次生裂纹较少; 而孔隙率较大时, 压缩过程会出现大量微裂纹, 最终主裂纹附近会伴随大量次生裂纹.
关键词：多孔材料孔结构宏观特性破裂机制RFPA3D-CT
Effect of Pore Structure on Mechanical Properties and Fracture Mechanism of Porous Materials
JIA Peng
, XU Xue-tong, HUANG Fei, YANG Qi-yao School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: JIA Peng, E-mail: polorjia@163.com.
Abstract: In order to study the effect of pore structure on the mechanical properties, fracture mechanism and durability of altered rock porous materials, the uniaxial compression and freeze-thaw cycle experiments were carried out on two types of porous materials with different pore structures. Meanwhile, numerical simulation was conducted to analyze the failure process and failure mechanism of the two porous materials under uniaxial compression. The results show that the pore structure has a significant effect on the mechanical properties of porous materials. The larger the porosity, the lower the compressive strength and the higher the energy absorption. The 10-cycle freeze-thaw experiments in the range of ±25 ℃ show that when the porosity is small and closed, the frost resistance of the material increases due to the particle falling and filling of the pore wall by the freeze-thaw effect, and when the porosity is small, the crack propagation under uniaxial compression mainly extends from both ends of the specimen to the middle of the specimen, forming a continuous main tensile crack with few secondary cracks; when the porosity is large, a large number of microcracks will appear under compression with many secondary cracks.
Key words: porous materialpore structuremacrocharacteristicsfracture mechanismRFPA3D-CT
多孔材料是一种非均质材料, 其宏观力学特性取决于其基体特性及细观组成.前人对多孔材料的研究主要集中在泡沫混凝土、泡沫铝及泡沫弹性材料等, 尤其对于多孔材料的孔隙率、孔径、孔隙分布等对材料宏观性能的影响较为关注.通过对国外文献[1-8]的阅读发现, 孔隙率会在极大程度上影响泡沫混凝土的抗压强度, 并表现为随着孔隙率的增加而减少.He等[9]研究表明, 孔径大小及其分布会在很大的程度上影响材料的物理和机械性能.Hilal等[10]认为较高的孔隙体积会导致更大程度的孔隙合并, 使得孔径较大且强度较低.Nambiar等[11]通过探究孔隙尺寸等因素对强度的影响, 发现孔隙尺寸较小的材料强度更高.Nguyen等[12]提出了一种数值与实验相结合的方法来表征泡沫混凝土的力学行为, 研究表明孔隙分布对材料承载力的影响较小.李志斌等[13]认为, 密度对闭孔泡沫铝的应力-应变关系有明显影响, 较大密度的泡沫铝, 其屈服应力及平台应力都较大.Su等[14]研究发现, 随着孔隙率的增加, 其弹性模量、极限抗压强度等均会降低.金属多孔材料的压缩性能与其优良的能量吸收性能相关[15].王展光等[16]研究了泡沫铝的压缩屈服强度和吸能性能, 发现压缩强度随着孔隙率的减小而增大, 吸能能力随着孔隙率的减小而增强.Zhu等[17]研究了PMMA微孔泡沫材料的静态抗压强度.发现孔隙率对其静态抗压强度影响最大.Zhang等[18]研究发现降低泡沫材料孔隙率或减少孔径尺寸都可以增大其抗压强度.Koz?owski等[19]在研究冻融循环对泡沫混凝土的强度影响时发现，经过冻融循环后，泡沫混凝土的强度降低约15 %.Tikalsky等[20]在对泡沫混凝土进行冻融循环试验后发现, 泡沫混凝土孔径增加, 其抵抗冻融循环能力增强, 分析其原因在于气孔为水转化成冰所产生的体积膨胀提供了缓冲空间, 因此若水未能在结冰前充满孔隙, 则冻融循环对材料的破坏效果可以忽略不计.
由于孔隙结构形态分布极为复杂, 在实验过程中, 准确反映这些孔隙结构对其破坏形式的影响具有一定困难.因此利用数字图像处理技术, 依据图像提供的骨料真实几何形状与位置信息建立数值模型, 研究多孔材料的内部孔隙的细观特征以及其非均匀性对宏观性能的影响, 是研究多孔材料内部复杂力学行为的一种重要方法.张后全等[21]利用RFPA2D研究了布孔方式等因素对材料宏观力学的影响, 发现孔洞的存在虽然会降低材料的强度, 但同时可以增加材料的韧性, 从而会改变材料的宏观力学特性.Zhao等[22]在Balshin模型的基础上, 创建了高孔隙率泡沫混凝土的抗压强度预测模型, 发现其抗压强度会随着干密度与固体密度之比的增加而增加.但是对于多孔材料细观结构对其破裂过程影响的模拟研究尚不多见.
本文选择金尾矿按照不同的掺量与页岩和珍珠岩混合作为原料，经过1 130~1 150 ℃高温烧制得到孔径均匀且结构较为密实的轻型多孔陶瓷材料.通过试验, 对两种孔隙结构不同的蚀变型金尾矿制备的多孔材料的力学性能和耐久性进行了分析, 并利用数字图像技术和大规模并行计算, 通过构建可以反映多孔材料内部孔隙的三维非均匀数值模型, 对两种材料的破裂机理进行了分析, 为深入认识尾矿多孔陶瓷材料[23]的性能提供理论和实验基础.
1 试验准备及试验方案试验采用的金尾矿采自河北省某尾矿库中处理达标的某蚀变岩型金尾矿.将金尾矿与页岩和珍珠岩等进行混合并在1 130~1 150 ℃高温烧制, 经过一段时间的保温后, 将其自然冷却得到两种孔结构不同的样品, 如图 1所示.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 尾矿陶瓷材料Fig.1 Tailings ceramic materials (a)—材料1；(b)—材料2. |
样品尺寸均为50 mm×50 mm×100 mm.首先对两种不同孔径材料的基本物理参数进行测定.使用101-2AB电热鼓风干燥箱, 在105 ℃的条件下对试件进行了48 h干燥处理, 自然冷却后, 通过JEA10001电子天平对材料质量进行测量.将干燥后的试块放入DZF型真空抽气机中, 使试件完全泡水并且水面没过岩石上表面至少2 cm, 将容器密封好后, 以-0.1 MPa的真空值对其进行12 h的真空饱和至容器内无气泡产出, 将试件从容器中取出, 并擦净表面水分, 放至电子天平测量饱水质量.通过试件干燥及饱水质量, 计算得出材料的饱和密度以及饱水率, 将平均孔径与孔隙率都比较大的定义为材料2, 将平均孔径与孔隙率相对较小的定义为材料1.结果如表 1所示.
表 1(Table 1)
 表 1 两种多孔材料的物理参数Table 1 Physical parameters of the two types of porous materials
| 表 1 两种多孔材料的物理参数 Table 1 Physical parameters of the two types of porous materials |
两种材料孔隙结构显微观察如图 2所示.利用ImageJ对两种材料进行的孔径统计如图 3所示.通过显微观察以及统计图可以发现, 材料1的孔隙基本为密闭孔, 内部孔径尺寸大多集中在0.75~1.25 mm之间, 孔隙之间不连通, 孔壁较厚且均匀, 孔壁上分布的孔隙相对较少, 孔壁相对平滑; 材料2内部孔径尺寸大多集中在2.75~3.75 mm之间, 孔径较大, 孔壁较薄且不均匀, 孔隙基本为通孔且孔壁上还存在一些大小不等的微孔, 这些微孔相互独立使得孔壁相对粗糙.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 孔隙结构显微观察Fig.2 Microscopic observation of the pore structure (a)—材料1；(b)—材料2. |
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 两种材料的孔径分布Fig.3 The pore size distribution of the two materials |
采用由荷兰帕纳科公司生产的MPDDY2094型X射线衍射仪对材料进行XRD物相分析, 并用MDI Jade6对衍射图谱进行分析, 结果如图 4所示.材料1的主要矿物成分为石英(SiO2), 赤铁矿(Fe2O3); 材料2的主要矿物成分为石英(SiO2), 透辉石(CaMgSi2O6)以及氢化钙(CaH2).
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 两种材料XRD衍射图谱Fig.4 XRD patterns of the two materials (a)—材料1；(b)—材料2. |
为获得材料的力学性能和耐久性, 分别开展单轴抗压试验和冻融循环试验.每种多孔材料至少选用3块试件进行标准抗压试验，为减少误差, 当某组试验数据离散型较大时, 再增加试件进行补充试验.在试样与压力机接触的上下表面涂抹凡士林耦合剂以减小端部效应.采用东北大学岩石力学失稳实验室3 000 kN岩石刚度试验机对材料进行单轴压缩试验, 以0.002 mm/s的加载速率，并以位移加载的方式对试件进行加载, 直至试件破坏.
冻融循环试验采用天津港源机械厂有限公司生产的HDD混凝土快速冻融试验机.冻融试验分为两组, 每种多孔材料取4个试块, 设定循环温度为-20 ℃~20 ℃, 循环周期为4 h, 设定冻融循环次数为10次.冻融循环完成后, 取出试件并放入鼓风干燥机中烘干后, 进行单轴压缩试验.
2 试验结果分析2.1 孔结构对力学性能的影响两种材料在单轴压缩条件下的应力-应变曲线如图 5所示.可以看到孔隙结构对材料的抗压强度变形特性有显著影响.材料1是材料2单轴抗压强度的5倍.材料1表现为典型的脆性破坏, 而材料2表现为延性破坏.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 两种材料的应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of the two materials |
两种多孔材料的应力-应变曲线在应力爬升过程中存在起伏振荡的现象.在压缩过程中, 应力往往要经历几个下降段之后才能攀升到最高值.多孔固体的相关理论认为多孔固体的压缩是孔壁不断屈服坍塌与密实化的过程, 即应力振荡行为[24].在孔壁由承载到逐渐失稳破坏的过程中, 其微观承载力是不断下降的, 当大部分孔壁都在经历失稳破坏的时候, 将表现出宏观上的应力值下降.然而, 随着一部分孔被压缩密实, 应力将完成重分布的过程, 整个系统在新的平衡体系下获得一定的承载能力, 从而使宏观上的应力值重新上升.在新型多孔材料中, 孔隙的填充物分为空气与多孔材料颗粒.由于多孔材料颗粒对孔壁的稳定有一定的支持作用, 孔壁的坍塌相对于孔隙要晚一些.因此孔壁坍塌与密实化是分批进行的, 从而导致了应力的波动.
在加载的初期阶段, 两种材料的应力-应变曲线均表现出线性增大的趋势, 当试件达到极限强度后, 由于材料之间微裂纹不断发展, 材料的破坏逐渐演化成局部失稳破坏, 在应力-应变曲线上表现为应力值迅速下降.与材料1不同的是, 材料2在达到峰值强度后应力未出现大幅度下降, 反而保持了较长的应力平台, 分析原因可能是由于材料2的孔隙率较大, 且孔壁上存在较多微孔.在压缩过程中孔隙被压密, 使得试件产生相应变形压缩消除局部失稳, 而在材料剩余剪切带中的基质发生摩擦和互锁使得承载力仍然存在[25].
对比图 6中两条裂纹, 可以发现随着孔径与孔隙率的增加, 破坏的初始应变和屈服平台都会逐渐增加, 即试件孔隙越大, 材料内孔隙的含量越多, 压密阶段对应的应变越大, 材料抵抗压缩变形的能力越好, 对能量的吸收能力就更强.但随着孔径的增加, 孔含量在材料中占比过大, 加载过程中材料的孔隙就越容易出现贯通裂纹而破坏.因此少量的单元破坏就足以导致试件整体发生失稳, 表现为材料的极限抗压强度降低.两种材料的破坏模式均为典型的拉破坏模式.不同之处在于材料1的破坏形式是从试件内部出现竖向裂缝, 材料上下表面不产生破坏; 而材料2则从顶部和底部发生崩裂(材料2部分被压成残渣而缺失).
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 两种多孔材料的破坏模式Fig.6 Failure modes of the two porous materials (a)—材料1；(b)—材料2. |
当多孔材料受到外部压力时, 外力所做的功或者说是由于多孔材料内部颗粒之间的相互挤压产生的压缩能量会转化为两种多孔材料的形变能.在应力-应变曲线中, 两种材料在承受荷载时, 试件受压吸收的能量为多孔材料承受压缩荷载开始直至压缩到完全密实状态下压缩曲线与坐标轴之间所包含的面积, 两种材料的吸能曲线如图 7所示. 尽管材料2的抗压强度较低, 但由于材料2孔壁存在大量微孔, 孔隙坍塌破坏的累积性和渐进性使得材料2的吸能性能显著提高.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 两种多孔材料的吸能曲线Fig.7 Energy absorption curves of the two porous materials |
2.2 孔隙结构对抗冻性能的影响两种材料在±25 ℃范围内冻融循环10次后, 在单轴压缩条件下的应力-应变曲线如图 8所示.可以看到材料1冻融循环后应力-应变曲线压密段坡度较未冻融前趋于平缓, 这是由于冻融过程中, 进入孔隙中的水凝结成冰时体积增加, 导致材料的初始孔径增大, 造成压密段变长.材料2在经过冻融循环后, 单轴抗压的峰值强度有所降低, 但材料1的单轴抗压的峰值强度不降反增.这可能是由于材料1内的孔以闭孔为主, 且孔径较小(见图 2), 在冻融循环中, 冻胀力使材料的孔洞之间形成贯通损伤带, 孔洞发生塌缩, 破碎颗粒填充了孔洞所在的位置[26], 从而抑制该区域内进一步损伤; 而材料2以开孔为主(见图 2), 在冻融循环中, 冻胀力使得材料内的孔洞产生贯通的损伤带后, 由于材料2内存在大量通孔, 且孔径较大, 冻胀产生的破碎颗粒通过孔逐级掉落, 无法填充孔洞所在位置, 因此材料2在经过冻融循环后的极限抗压强度有所降低.
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 两种材料冻融循环后应力-应变曲线Fig.8 Stress-strain curves of the two materials after freeze-thaw cycles (a)—材料1；(b)—材料2. |
3 不同孔隙结构多孔材料的裂纹扩展特征由于试验过程中无法对两种材料在压缩过程中裂纹扩展过程进行直接观察, 为讨论不同孔隙结构多孔材料的裂纹扩展特征, 采用数字图像处理方法对多孔材料进行孔隙结构识别, 利用RFPA3D-CT并行计算软件[27]对单轴受压条件下两种材料的裂纹扩展过程进行模拟.数值模型尺寸与物理实验的试样尺寸相同, 均为50 mm×50 mm×100 mm长方体试件, 模型划分为50×50×100个单元.采用位移加载, 加载速率为0.002 mm/步.两种材料的细观基质参数见表 2.
表 2(Table 2)
表 2 数值模型参数Table 2 Parameters of the numerical model
| 表 2 数值模型参数 Table 2 Parameters of the numerical model |
图 9, 图 10为两种多孔材料在单轴受压条件下的裂纹扩展过程.由图 9可以看到, 材料1的裂纹首先出现在试样上下两个表面, 随着荷载的增加, 顶部裂纹逐渐向下扩展, 底部裂纹逐渐向上扩展, 最终逐渐连接贯通为一条贯穿试样的主裂纹和一条次裂纹, 试样发生典型的拉破坏.
图 9(Fig. 9)
 | 图 9 材料1在单轴压缩下的裂纹扩展Fig.9 Crack development of material 1 under uniaxial compression |
图 10(Fig. 10)
 | 图 10 材料2在单轴压缩下的裂纹扩展Fig.10 Crack development of material 2 under uniaxial compression |
由图 10可以看到, 由于材料2的孔隙率大, 内部随机分布有大量开孔且孔壁更薄, 随着压力增加, 大量微裂纹同时出现, 微裂纹在压缩过程中不断发展贯通, 最终主裂纹附近会伴随大量次生裂纹, 材料破坏时其破碎程度大.
4 结论1) 孔结构对于多孔材料的力学性能有显著影响.较大的孔隙率除了显著降低材料的抗压强度外, 材料的脆性特征显著下降, 受压过程中的变形显著增大, 破坏的渐进性显著增强, 从而使材料的吸能性能显著提高.
2) 在±25 ℃范围内冻融循环10次条件下的试验结果表明, 当多孔材料的孔隙率较小且为闭孔结构时, 孔洞因冻融造成的孔壁颗粒脱落填塞而造成材料的抗冻性能有所增加.
3) 孔隙率较小时, 多孔材料在单轴压缩下的裂纹扩展主要从试件两端向试件中部扩展贯通为一条连续主拉裂纹, 次生裂纹较少; 而孔隙率较大时, 压缩过程会出现大量微裂纹, 最终主裂纹附近会伴随大量次生裂纹, 材料破坏时更为破碎.
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