黃志強， 劉　鑫， 皮新萌

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870)

?

三點彎曲下PVA-尾礦砂水泥基復(fù)合材料斷裂特性*

黃志強， 劉鑫， 皮新萌

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870)

針對混凝土的早期開裂問題，設(shè)計了PVA-尾礦砂水泥基復(fù)合材料三點彎曲梁試驗，研究了尾礦砂摻量、縫高比、纖維摻量以及使用條件對斷裂韌度和斷裂能的影響規(guī)律.通過試驗得出P-δ曲線和P-COMD曲線，并計算斷裂韌度和斷裂能.結(jié)果表明：斷裂韌度與縫高比成反比，且隨著纖維摻量的增加而增加，但尾礦砂對斷裂韌度的影響卻很??；斷裂能隨纖維摻量的增加而增加，隨尾礦砂摻量的增加而降低；正常使用條件下的斷裂能、斷裂韌度計算值比腐蝕使用條件下的斷裂能、斷裂韌度計算值均增大約10%.

三點彎曲； 水泥基復(fù)合材料； 纖維摻量； 尾礦砂摻量； 縫高比； 起裂斷裂韌度； 失穩(wěn)斷裂韌度； 斷裂能

自從1961年Kaplan進行了斷裂韌度試驗，首次將斷裂力學(xué)的概念應(yīng)用于混凝土中，隨后有關(guān)學(xué)者針對混凝土的斷裂性能進行了大量的試驗研究工作，斷裂力學(xué)被逐漸應(yīng)用于研究混凝土的斷裂特性，成為繼彈性力學(xué)和塑性力學(xué)之后第三個指導(dǎo)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的力學(xué)依據(jù).1980年潘家錚提出斷裂力學(xué)可能是水工設(shè)計中的一種有用的工具，利用斷裂力學(xué)分析了水工結(jié)構(gòu)裂縫，同年，于驍忠和居襄發(fā)表了混凝土斷裂韌度的試驗研究成果.繼此，國內(nèi)學(xué)者[1-7]對混凝土斷裂特性的研究也陸續(xù)展開，并取得了重要研究成果，大連理工大學(xué)教授徐世烺[8-10]等人在大量試驗的基礎(chǔ)上，于2005年制定了《水工混凝土斷裂試驗規(guī)程》[11]，統(tǒng)一了混凝土斷裂韌度的測試方法，為混凝土壩的斷裂試驗提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn).但是，目前關(guān)于將斷裂力學(xué)用于PVA-尾礦砂水泥基復(fù)合材料的研究仍比較少，因此，本文基于三點彎曲梁試驗，利用斷裂力學(xué)的研究方法，分析了采用不同骨料、纖維摻量、縫高比和使用條件等因素對材料力學(xué)性能的影響，找到力學(xué)性能的最優(yōu)化配合比.

1　試驗材料

試驗中采用42.5硅酸鹽水泥、Ⅰ級粉煤灰、西卡減水劑，細骨料采用粒徑為0.15 mm尾礦砂和粒徑為0.3 mm天然砂，其中尾礦砂為本溪紅透山鐵礦尾礦砂，PVA纖維為泰安同伴PVA纖維.PVA纖維特性如表1所示.部分試驗材料如圖1所示.

表1　PVA纖維特性Tab.1　Features of PVA fiber

圖1　部分試驗材料Fig.1　Sectional experimental materials

2　試驗方法

水泥基復(fù)合材料的投料與攪拌工藝如圖2所示，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的三點彎曲梁.試件分為兩部分：常態(tài)養(yǎng)護條件下三點彎曲；鹽化腐蝕使用條件下三點彎曲，此條件下試件需正常養(yǎng)護28 d后，再放入5%氯化鈣溶液進行浸泡鹽化腐蝕28 d.尾礦砂的摻量為0%、50%和100%，纖維的摻量為1.5%和2%，預(yù)制裂縫的制作方法采用鋸切裂縫，縫寬控制在(3±1) mm，縫高為2、3和4 cm，即縫高比分別為0.2、0.3和0.4，水灰比為0.32，粉煤灰的替代率為54.5%，減水劑為高效減水劑，摻量為0.75%.

圖2　投料與攪拌工藝Fig.2　Material feeding and stirring process

試件編號可描述為：W代表尾礦砂百分比；X代表纖維摻量；F代表縫高比；Z代表正常使用條件；Y代表鹽化使用條件.如WXFZ-0-1.5-2代表正常使用條件下，尾礦砂摻量為0%，纖維摻量為1.5%，預(yù)制裂縫高度為2 cm.

圖3為三點彎曲試驗示意圖.用電液伺服結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)對試件進行加載，采用等速位移控制，加載速度為0.08 mm/min.利用計算機采集系統(tǒng)記錄試件破壞全程的數(shù)據(jù)，同時利用非接觸式視頻測量儀進行全程錄像，采集位移、應(yīng)變、撓度和縫寬的變化情況.

圖3　三點彎曲試驗示意圖Fig.3　Schematic three point bending test

3　試驗結(jié)果計算與分析

尾礦砂水泥基復(fù)合材料屬于韌性材料，試件在彎曲過程中會出現(xiàn)許多裂縫現(xiàn)象，應(yīng)變會發(fā)生硬化，本文分別采用了斷裂韌度和斷裂能的概念來進行韌性評價.

3.1三點彎曲試驗現(xiàn)象與試驗曲線分析

3.2斷裂韌度計算及分析

(2)

(3)

式中：FQ為起裂荷載；m為試件支座間的質(zhì)量；g為重力加速度；S為試件兩支座間的跨度；ac為有效裂縫長度；t為試件厚度；h為試件高度；a0為初始裂縫長度.

(5)

式中，F(xiàn)max為最大荷載.斷裂韌度的計算結(jié)果如表2所示.

Fig.4Load-deflection and load-CMOD curves for WXF-0-1.5-3 under different working conditions

表2　斷裂韌度計算結(jié)果Tab.2　Calculated results of fracture toughness　MPa·m1/2

韌度增大幅度較小，一般為0.9%～5%.由表2可知，在腐蝕使用條件下，起裂斷裂韌度變化規(guī)律同正常使用條件下相似，尾礦砂含量多少對失穩(wěn)斷裂韌度影響并不十分明顯，約為2%.

圖5　斷裂韌度尾礦砂摻量的關(guān)系Fig.5　Relationship between fracture toughness and tailing sand content

圖6　斷裂韌度縫高比的關(guān)系Fig.6　Relationship between fracture toughness and crack-depth ratio

圖7　斷裂韌度纖維摻量的關(guān)系Fig.7　Relationship between fracture toughness and fiber content

圖8為WXF-0-1.5-2的斷裂韌度與使用條件的關(guān)系圖.由圖8可知，在尾礦砂摻量相同、纖維摻量相同、縫高比相同、正常使用條件下，斷裂韌度與腐蝕使用條件下相比，起裂斷裂韌度大40%，失穩(wěn)斷裂韌度大20%.

圖8　斷裂韌度與使用條件的關(guān)系Fig.8　Relationship between fracture toughness and working conditions

3.3斷裂能計算及分析

通過測量P-δ曲線，計算斷裂能，其表達式為

(6)

式中：δ0為荷載P下降到接近零時對應(yīng)的位移；a為裂縫高度.表3為斷裂能計算結(jié)果.

表3　斷裂能計算結(jié)果Tab.3　Calculated results of fracture energy

圖9為纖維摻量為1.5%、縫高比為0.3時斷裂能與尾礦砂摻量變化關(guān)系.由圖9可知，在同一縫高比、同一種纖維摻量、正常使用條件下，隨著尾礦砂含量的增加，斷裂能基本呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢，減小量約為25%以上；在腐蝕使用條件下，斷裂能減小量約為10%以上.其中有幾組的變化趨勢不是很明顯，主要原因是一方面為裂縫的預(yù)制過程中人工控制可能會出現(xiàn)一些偏差，但偏差并不是很大，另一方面為纖維的分布方式也會影響斷裂能的大小.

圖9　斷裂能與尾礦砂摻量變化關(guān)系Fig.9　Relationship between fracture energy and tailing sand content

圖10為尾礦砂摻量為0%、纖維摻量為2%時斷裂能與縫高比變化關(guān)系.由圖10可知，在同一配合比、同一種纖維摻量、正常使用條件下，隨著縫高比的增加，斷裂能逐漸降低，降低大小為3%～20%；在腐蝕養(yǎng)護條件下，斷裂能降低為5%～30%.因此，縫高比越大，斷裂能越小.

圖10　斷裂能與縫高比變化關(guān)系Fig.10　Relationship between fracture energy and crack-depth ratio

在同一縫高比、正常使用條件下，對于尾礦砂摻量為0%、50%、100%的三組試件，隨著纖維摻量的增大，其斷裂能增大量分別約為100%、25%、100%；在同一縫高比、腐蝕使用條件下，對于尾礦砂摻量為0%、50%、100%的三組試件，隨著纖維摻量的增大，其斷裂能增大量分別約為80%、30%、80%.圖11為尾礦砂摻量為50%、縫高比為0.2的斷裂能與纖維摻量變化關(guān)系.

圖11　斷裂能與纖維摻量變化關(guān)系Fig.11　Relationship between fracture energy and fiber content

圖12為尾礦砂摻量為0%、纖維摻量為1.5%、縫高比為0.2的斷裂能與使用條件變化關(guān)系.由圖12可知，同一種配合比、正常使用條件下比腐蝕使用條件下的斷裂能高約30%，但配合比不同，使用條件對斷裂能的影響量略有差別，根據(jù)表3的數(shù)據(jù)可知，尾礦砂摻量越高，養(yǎng)護條件對斷裂能的影響越小.

圖12　斷裂能與使用條件變化關(guān)系Fig.12　Relationship between fracture energy and working conditions

4　結(jié)　論

通過對PVA-尾礦砂水泥基復(fù)合材料三點彎曲試驗斷裂問題進行研究，可以得出如下結(jié)論：

1) 斷裂能在正常使用條件下，隨纖維摻量的增加而增大，纖維摻量為2%的斷裂能較摻量為1.5%大20%以上，隨尾礦砂摻量的增大而減小，減小量約為3%～20%.在腐蝕使用條件下，斷裂能隨著縫高比的增大而減小，減小量約為5%～30%，隨纖維摻量的增大而增大，纖維摻量為2%的斷裂能較摻量為1.5%大30%以上，隨尾礦砂摻量的增大而減小，減小量約為15%.正常使用條件下的斷裂能計算值比腐蝕使用條件下的斷裂能計算值大約10%.

2) 斷裂韌度在正常使用條件下，隨縫高比的增大而減小，且其減小量為5%以上，隨纖維摻量的增大而增大，纖維摻量為2%的斷裂韌度較摻量為1.5%大10%以上，而尾礦砂摻量對其影響很微小.在腐蝕使用條件下，斷裂韌度隨著縫高比的增大而減小，減小量約為10%以上，隨纖維摻量的增大而增大，纖維摻量為2%的斷裂韌度較摻量為1.5%大20%以上，而尾礦砂摻量對其影響很微小.正常使用條件下的斷裂韌度計算值比腐蝕使用條件下的斷裂韌度計算值大約10%.

3) 根據(jù)斷裂能及斷裂韌度的數(shù)據(jù)分析，可以選擇配合比WX-50-2作為最優(yōu)配合比.

[1]沈新普，馮金龍，代樹紅，等.基于DSCM的混凝土結(jié)構(gòu)變形局部化試驗 [J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，30(2)：212-218.

(SHEN Xin-pu，F(xiàn)ENG Jin-long，DAI Shu-hong，et al.Experimental study on deformation localization of concrete structures with DSCM [J].Journal of Shenyang University of Technology，2008，30(2)：212-218.)

[2]張廷毅，高丹盈，鄭光和，等.三點彎曲下混凝土斷裂韌度及影響因素 [J].水利學(xué)報，2013，44(5)：601-607.

(ZHANG Ting-yi，GAO Dan-ying，ZHENG Guang-he，et al.Fracture toughness of concrete and influencing factors under three-point bending [J].Journal of Hydraulic Engineering，2013，44(5)：601-607.)

[3]蔣梅玲，金賢玉，田野，等.基于斷裂力學(xué)和損傷理論的混凝土開裂模型 [J].浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2011，45(5)：948-953.

(JIANG Mei-ling，JIN Xian-yu，TIAN Ye，et al.New concrete cracking model established based on fracture menchanics and damage theoty [J].Journal of Zhejiang University(Engineering Science)，2011，45(5)：948-953.)

[4]高原，張君，韓宇棟.硫酸鹽侵蝕環(huán)境下混凝土斷裂參數(shù)衰減規(guī)律 [J].建筑材料學(xué)報，2011，14(4)：465-472.

(GAO Yuan，ZHANG Jun，HAN Yu-dong.Decay of fracture parameters of concrete under sulfate environments [J].Journal of Building Materials，2011，14(4)：465-472.)

[5]羅素蓉，李豪.纖維自密實混凝土斷裂能試驗研究 [J].工程力學(xué)，2010，27(12)：119-123.

(LUO Su-rong，LI Hao.Exrerimental investigation on the fracture energy of fiber reinforced self-compacting concrete [J].Engineering Mechanics，2010，27(12)：119-123.)

[6]張廷毅，李慶斌，汪自力，等.鋼纖維高強混凝土斷裂韌度及影響因素 [J].硅酸鹽學(xué)報，2012，40(5)：638-645.

(ZHANG Ting-yi，LI Qing-bin，WANG Zi-li，et al.Fracture toughness of steel fiber reinforced high strength concrete and influencing factors [J].Journal of the Chinese Ceramic Society，2012，40(5)：638-645.)

[7]胡少偉，陸俊，范向前.混凝土斷裂試驗中的聲發(fā)射特性研究 [J].水力發(fā)電學(xué)報，2011，30(6)：16-19.

(HU Shao-wei，LU Jun，F(xiàn)AN Xiang-qian.Study on acoustic emission technique for normal concrete fracture test [J].Journal of Hydroelectric Engineering，2011，30(6)：16-19.)

[8]高淑玲，徐世烺，袁全，等.混雜鋼纖維高強混凝土斷裂特性研究 [J].大連理工大學(xué)學(xué)報，2011，51(4)：561-566.

(GAO Shu-ling，XU Shi-lang，YUAN Quan，et al.Study of fracture properties of hybrid-steel fiber reinforced high-strenght concrete [J].Journal of Dalian University of Technology，2011，51(4)：561-566.)

[9]朱榆，徐世烺.超高韌性水泥基復(fù)合材料加固混凝土三點彎曲梁斷裂過程的研究 [J].工程力學(xué)，2011，28(3)：69-77.

(ZHU Yu，XU Shi-lang.Study on fracture process of concrete three-point bending beams retrofitted with UHTCC [J].Engineering Mechanics，2011，28(3)：69-77.)

[10]徐世烺，張秀芳，卜丹.混凝土裂縫擴展過程中裂尖張開口位移(CTOD)與裂縫嘴張開口位移(CMOD)的變化關(guān)系分析 [J].工程力學(xué)，2011，28(5)：64-70.

(XU Shi-lang，ZHANG Xiu-fang，BU Dan.Relationship between crack tip opening displacement (CTOD) and crack mouth opening displacement(CMOD) throughtout development of concrete crack [J].Engineering Mechanics，2011，28(5)：64-70.)

[11]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T5332-2005水工混凝土斷裂試驗規(guī)程 [S].北京：中國電力出版社，2005.

(National Development and Reform Commission.DL/T5332-2005 Norm for fracture test of hydraulic concrete [S].Beijing：China Electric Power Press，2005.)

(責(zé)任編輯：鐘媛英文審校：尹淑英)

Fracture characteristics of PVA reinforced tailing sand cementitious composite under three-point bending

HUANG Zhi-qiang, LIU Xin, PI Xin-meng

(School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to solve the early-stage cracking problem of concrete, the three point bending beam test of PVA reinforced tailing sand cementitious composite was designed. The influence of tailing sand content, crack depth ratio, fiber content and working conditions on the fracture toughness and fracture energy was studied. The fracture toughness and fracture energy were calculated through theP-δcurves andP-COMD curves obtained from the test. The results show that the fracture toughness is inversely proportional to the crack-depth ratio, and increases with increasing the fiber content, but the tailing sand content has little effect on the fracture toughness. The fracture energy increases with increasing the fiber content, while decreases with increasing the tailing sand content. Under the normal working condition, the calculated values of both fracture energy and fracture toughness are 10% larger than those obtained under the corrosion working condition.

three-point bending; cementitious composite; fiber content; tailing sand content; crack-depth ratio; initial fracture toughness; unstable fracture toughness; fracture energy

2015-10-15.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51474050)； 遼寧省教育廳基金資助項目(201344089).

黃志強(1971-)，男，黑龍江伊春人，副教授，博士，主要從事巖石和混凝土損傷斷裂力學(xué)問題等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.04.16

TU 528

A

1000-1646(2016)04-0450-07

*本文已于2016-03-02 16∶45在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1645.040.html