Impact mechanical properties of slag- and fly ash-based geopolymer concrete
-
摘要: 以矿渣和粉煤灰为原料,以氢氧化钠和液体硅酸钠为激发剂制备出养护28 d后静态抗压强度高达56.4 MPa的矿渣-粉煤灰基地质聚合物混凝土(geopolymer concrete, GC)试件,以普通硅酸盐水泥为原料制备出养护28 d静态抗压强度高达61.6 MPa的普通硅酸盐水泥混凝土(ordinary Portland cement concrete, PC)试件,采用100 mm霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)试验装置分别对GC试件和PC试件进行冲击压缩试验,得到了2种材料在0~100 s-1平均应变率范围内的应力应变曲线。通过分析应力应变曲线,并与PC进行了对比,研究了矿渣-粉煤灰基GC的冲击力学性能。结果表明,GC作为一种新型混凝土类材料,在冲击荷载作用下具有较好的强度、变形性能和韧性;GC是一种率敏感材料,冲击荷载作用下抗压强度、变形性能和韧性随应变率的增大而增强;和PC相比,冲击荷载下GC的抗压强度较小,韧性较低,GC在开始破坏前产生的变形与PC的基本相等,完全破坏时产生的变形较小。Abstract: The slag- and fly ash-based geopolymer concrete (GC) specimens were prepared by sodium silicate and sodium hydroxide alkali-activated slag and fly ash,the ordinary Portland cement concrete (PC) specimens were prepared by Portland cement, the 28-day-static compressive strengths of the GC and PC were 56.4 and 61.6 MPa, respectively. Impact compressive experiments were carried out on the GC and PC specimens, respectively, by using a 100-mm-diameter split Hopkinson pressure bar (SHPB) device.The dynamic stress-strain curves in the average strain rate range of 0 to 100 s-1for these two materials were obtained experimentally. These stress-strain curves were compared to explore the dynamic mechanics properties of the GC. The GC takes on favorable impact compressive strength,deformation performance and toughness under impact load. The GC exhibits rate sensitivity, its dynamic compressive strength, deformation performance and toughness increases with the increase of strain rate under impact load. The impact compressive strength and toughness of the GC are less than those of the PC, the deformation of the GC before the specimens start breaking is approximate to that of the PC, while the deformation of the GC after the specimens break completely is less than that of the PC.
-
Key words:
- solid mechanics /
- impact mechanical properties /
- SHPB experiment /
- geopolymer concrete /
- strain rate
-
煤层气(coal-bed methane,CBM)又称煤层瓦斯,主要成分是甲烷,归类于非常规天然气[1-2],是优质的化工和能源原料。在对煤层气中甲烷进行低温液化分离的过程中,气体中甲烷浓度有可能穿过爆炸极限,在此过程中甲烷有可能发生爆炸,这对分离提纯系统非常危险。煤层气液化过程中危险性较高的是低温分馏阶段,该过程中,降温后的煤层气经过节流、压力降低、甲烷液化等过程,分离出氧气、氮气,该阶段属于“低温低压”的工况范围。分馏塔顶部气相甲烷含量较少,可能会处于爆炸极限范围内,若遇到零星火花或外界热源,有可能引发燃烧爆炸。为了评估爆炸危险程度,保证安全生产和优化工艺操作过程,有必要讨论可燃性气体在工作环境下(主要是温度和压力)的爆炸特性[3]。
最小点火能这一概念是由Lewis等[4],主要是针对气体电火花点火而言。Eckhoff[5]组建了电火花发生器,测量得到丙烷-空气混合气的最小点火能为0.48 mJ;Sacks等[6]论证了闪电可以引起矿井下瓦斯气体的点火;Han等[7]通过数值方法进行了研究,得到当量比、电极间距和电极半径对甲烷-空气混合气体最小点火能、熄灭距离和点火延迟期产生的影响;Kelley等[8]通过实验得到了不同当量比和不同压力下,火花点火的球形火焰持续传播的最小点火半径。谭迎新等[9]根据标准[10]测得几种可燃气体(液体蒸气)的最小点火能数据。当前通用的标准包括美国试验与材料协会标准[11]、美国汽车工程师学会标准[12]、法国国家标准[13]、以及国际电工委员会标准[14]等。
本文中,通过实验与计算相结合的方法,利用甲烷最小点火能测试装置,对特定工况下的甲烷最小点火能进行测定,并进行数据分析。
1. 测试装置及测试步骤
1.1 实验装置
最小点火能测试装置示意图如图 1所示。爆炸容器高度为300 mm,内径为100 mm,壁厚为25 mm,能承压45 MPa。爆炸容器放置于制冷箱内腔中,并带有自动控温系统。可燃气体的初始温度由位于容器中心的快速响应热电偶测试得到,热电偶测温范围为-185~370 ℃,响应时间为20 μs,耐受压力34 MPa,瞬间耐高温1 800 ℃。
可燃气体初始压力通过精密压力计进行测试,压力计的精度等级为0.02。采用电火花放电,由位于容器中心的两个不锈钢电极放出。爆炸压力通过电荷型压电传感器(Dytran 2300C5)测试得到,传感器的采样频率为500 kHz,传感器与电荷放大器配合使用。
爆炸温度由快速响应热电偶测试得到,热电偶测温范围为-40~1768 ℃,瞬间耐高温2100 ℃,耐高压34 MPa,响应时间20 μs。本文中,参考标准BS-EN-1839-2003[11],当爆炸压力增加了初始压力的5%即认为发生了爆炸。
在传统的最小点火能测试中,采用的点火能量E计算公式为:
E=CU2/2 (1) 式中:E为最小点火能,C为储能电容,U为放电电压。
由于电路阻抗和杂散电容的影响,由式(1)得到的结果往往偏大。本文中,装置点火电路如图 2所示。放电过程中,电流探针和电压探头分别测量通过电极的电流i(t)和两侧的电压u(t),结果由示波器记录。典型的电流和电压-时间曲线如图 3所示。精确的火花能量计算公式为:
E=∫t0u(t)i(t)dt (2) 1.2 测试步骤
爆炸容器先用氮气进行吹扫,然后真空泵抽真空。实验气体通过分压法配置,通气的次序为甲烷-空气。在点火前,通过取样阀取少量混合气体,利用气象色谱仪准确测试其浓度作为混合气体浓度。打开制冷装置,使爆炸容器内的气体进行降温至目标温度。然后关闭制冷系统,触发火花发生器。先选择一个足以击穿电极的电压和电容。然后逐渐减小电容值直到连续25次放电实验不能点燃气体为止。此时的点火能量为该条件下的最小点火能Em,通过式(2)计算得到。在实验中,连续两次放电应保证15~20 s的间隔,以使上次的电能充分耗散。
实验完成后,在下一次实验之前,先用3倍体积的氮气吹扫容器,然后用真空泵抽真空。为了保证实验的可重复性,每种工况做3组平行实验[12]。
2. 测试结果及分析
2.1 敏感条件的确定
在所有实验条件的组合中,使得点火能量达到最小的实验条件为敏感条件。本实验中,应考虑的敏感条件为电极间隙和当量比。通过实验,得到电极间隙和当量比对储存最小点火能Em的影响分别如图 4~5所示。从图 4可以看出,存在一个最佳的电极间隙(1 mm)使得点火能量达到最小。从图 5可以看出,当量比为1时点火能达到最小。因此,本文中,所有的实验测试是在电极间隙为1 mm,当量比为1的条件下进行的。
2.2 实验装置的验证
图 6是实验时数据采集系统记录的混合气体成功点燃时的压力-时间曲线,从图 6可以看出,点火后混合气体压力短时间内迅速上升,压力变化大于初始压力的5%,故认定混合气体被成功点燃。
表 1给出了本文得到的甲烷的最小点火能与其他研究人员的结果对比。可以看出,Lewis等[4]得到的结果最小。但Eckhoff等[5]的研究结果表明Lewis等[4]提出的值过于保守。Kondo等[13]提出的结果也偏小,这是因为该结果是他们通过计算得到的,而并非实验。本文实验结果与Yuasa[14]等人得出的实验结果相近。在误差允许范围内,本文结果与文献[14]的差距不大,因此,本实验中的实验装置是有效的。
2.3 最小点火能测试结果
最小点火能Em的测试结果如表 2和图 7所示。表 2提供了最小点火能的测试值和标准偏差(不确定度),图 7显示了通过式(1)计算的结果和通过式(2)积分的结果。由图 7可知,本文中,实际火花的能量是储能的10%~20%。
表 2 最小点火能测试结果及标准偏差Table 2. MIE test results and standard deviation压力/MPa Em/mJ 不确定度 183 K 213 K 243 K 273 K 183 K 213 K 243 K 273 K 0.1 0.880 0.720 0.650 0.560 0.0160 0.0160 0.0220 0.0280 0.3 0.102 0.080 0.076 0.068 0.0070 0.0080 0.0110 0.0160 0.5 0.037 0.034 0.030 0.026 0.0014 0.0060 0.0100 0.0090 2.4 压力对最小点火能的影响
图 8所示为初始压力p对最小点火能的影响。数据点是平均值而误差棒是标准偏差。从图 8可以看出,随着初始压力的增加,最小点火能减小。当初始压力小于0.3 MPa时,最小点火能随着压力增加大大减小。而当初始压力大于0.3 MPa时,最小点火能随着初始压力增加而缓慢下降。
最小点火能Em(mJ)随1/p2(MPa-2)的变化关系如图 9所示。采用线性回归的方法对数据进行处理,可得:
Em={0.005 01+0.005 55/p2 273 K0.004 2+0.006 46/p2 243 K0.002 93+0.007 17/p2 213 K0.003 19+0.008 77/p2 183 K (3) 式(3)的决定系数R2≥0.999。式(3)表明,在某一初始温度下,最小点火能与1/p2呈高度线性相关。
2.5 温度对最小点火能的影响
图 10为温度(T)对最小点火能的影响。随着温度的增加,最小点火能减小:低压下(如0.1 MPa)随温度的升高最小点火能大大减小;压力大于0.1 MPa时,随着温度的升高最小点火能缓慢减小。
图 11给出了最小点火能Em(mJ)和1/T(K-1)的关系。对图中的数据进行线性回归,可得:
Em={−0.073 15+172.966 87/T 0.1 MPa,R2=0.9850.000 261 313+18.115 96/T 0.3 MPa,R2=0.9080.004 61+3.051 21/T 0.5 MPa,R2=0.951 (4) 式(4)表明,最小点火能与1/T呈近似线性相关。
2.6 依据实验结果的拟合公式
通过实验数据拟合,可得最小点火能的计算公式:
Em=(0.032 17+0.062 13/p2)(−0.011 5+27.648 3/T) (5) 式中:Em的单位为mJ,p的单位为MPa,T的单位为K,校正决定系数R2=0.999。依据公式(5)对最小点火能进行计算,得出实验结果与计算结果的差值要小于实验的标准偏差(不确定度)。因此,拟合得到的公式能够很好地预测一定工况范围内压力和温度升高情形下的最小点火能的值。
3. 结论
本文利用自行构建的实验装置成功测试了-90~0 ℃、0.1~0.5 MPa工况下甲烷的最小点火能,得到以下主要结论。(1)在上述工况范围内,使甲烷-空气混合气体点火能达到最小的敏感电极间隙为1.0 mm,敏感浓度为化学计量浓度(当量比为1)。(2)在上述工况范围内,甲烷最小点火能随初始压力的升高而减小,且低压(小于等于0.3 MPa)时甲烷最小点火能随初始压力的增高减小较快,高压(大于0.3 MPa)时减小较慢;另外,甲烷最小点火能与压力平方的倒数呈近似线性关系。(3)在上述工况范围内,甲烷最小点火能随初始温度的升高而减小。且低压(小于等于0.1 MPa)时甲烷最小点火能随初始温度的增高减小较快,高压(大于0.1 MPa)时减小较慢;另外,甲烷最小点火能与温度的倒数呈近似线性关系。(4)在上述工况范围内,拟合了甲烷最小点火能关于温度和压力的表达式,该式能较好地预测混合气体初始温度、初始压力变化时甲烷的最小点火能。
期刊类型引用(1)
1. 马龙泽,余永刚. 底部排气装置快速降压过程中燃烧流动特性数值分析. 兵工学报. 2019(03): 488-499 . 百度学术
其他类型引用(4)
-
计量
- 文章访问数: 2671
- HTML全文浏览量: 263
- PDF下载量: 409
- 被引次数: 5