馬 瑞 郭麗萍,2,3 諶正凱 李天宇 孫 偉,2,3

(1東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 211189)(2東南大學(xué)江蘇省土木工程材料重點實驗室, 南京 211189)(3東南大學(xué)江蘇省先進土木工程材料協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 211189)

超高性能鋼纖維水泥基復(fù)合材料-高延性水泥基材料復(fù)合梁的制備及彎曲性能

馬 瑞1郭麗萍1,2,3諶正凱1李天宇1孫 偉1,2,3

(1東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 211189)(2東南大學(xué)江蘇省土木工程材料重點實驗室, 南京 211189)(3東南大學(xué)江蘇省先進土木工程材料協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 211189)

研究了無配筋條件下超高性能鋼纖維水泥基復(fù)合材料(UHPFRCC)與高延性水泥基復(fù)合材料(HDCC)復(fù)合梁試件的彎曲變形性能．通過純剪切強度測試,比較了界面處理工藝對界面粘結(jié)性能的影響．通過彎拉實驗測試了復(fù)合梁試件在彎曲載荷下的變形性能,并與純UHPFRCC梁的變形能力進行對比．結(jié)果表明,不同的界面處理工藝決定了界面粘結(jié)性能．最佳的界面處理方法能使界面粘結(jié)強度高于HDCC基體本身強度,界面過渡區(qū)基體致密,沒有明顯的微觀缺陷．UHPFRCC-HDCC復(fù)合梁在彎拉荷載下,極限抗彎強度達到13.4 MPa,跨中最大撓度為2.8 mm．HDCC能通過自身的多縫開裂增加裂縫數(shù)目來改善變形能力．與UHPFRCC梁相比,UHPFRCC-HDCC復(fù)合梁彎曲時,塑形變形明顯,并具有更大的彎曲撓度．

高延性水泥基材料;超高性能鋼纖維水泥基復(fù)合材料;復(fù)合梁;彎曲撓度;界面剪切強度

超高性能混凝土(ultra high performance concrete, UHPC)具有極高的強度(抗壓大于150 MPa,抗折大于25 MPa),以及很高的基體密實程度,能夠有效抑制腐蝕性離子的侵蝕[1],可以應(yīng)用于超高層結(jié)構(gòu)、海洋平臺、大跨徑薄壁結(jié)構(gòu)、軍事防御設(shè)施等嚴酷環(huán)境或者特殊要求的工程[2-3]．但混凝土作為脆性材料,隨著強度等級的提高,脆性表現(xiàn)更加明顯．為了改善UHPC的脆性斷裂,常通過摻加纖維制得超高性能鋼纖維水泥基復(fù)合材料(ultra-high performance fiber reinforced cementitious composites, UHPFRCC)[4]．研究人員針對不同纖維摻量、纖維種類對UHPFRCC的彎曲撓度的影響已經(jīng)進行了大量研究[5-8]．從這些研究結(jié)果中可以歸納出,UHPFRCC在彎曲載荷下的典型載荷-撓度曲線分為彈性變形段、塑性變形段和下降段3個階段[9]．纖維雖然提高了UHPFRCC的極限載荷和整體韌度,但試件在承載力上升過程中的變形量仍然較小,塑性變形尤為不明顯．大撓度變形主要集中在極限彎曲強度以后,即鋼纖維被大量拔出的過程中,此時試件被破壞．同時從初裂點至極限載荷條件下,變形產(chǎn)生的裂紋數(shù)量少,裂紋寬度大．因此在實際工程應(yīng)用中,通常需要配筋來保證UHPFRCC在極限承載強度下的彎曲變形能力[10-12]．但鋼筋和水泥基材料之間存在明顯的界面區(qū)域,在彎拉荷載作用下,界面區(qū)更容易產(chǎn)生缺陷,進而成為腐蝕性離子和水分傳輸?shù)耐ǖ?破壞水泥基材料的性能[13]．同時,由于鋼筋易于遭到腐蝕破壞,使其不能用于海水、鹽湖等嚴酷環(huán)境中,制約了水泥基結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境和使用壽命．

高延性水泥基復(fù)合材料(high ductility cementitious composites, HDCC)具有單軸拉伸延性高、裂縫寬度控制能力優(yōu)異、滲透性低和耐久性良好等性能[14]．Li等[15]設(shè)計了在拉伸作用下具有應(yīng)變硬化和多縫開裂特性的高延性、高耐久水泥基復(fù)合材料ECC(engineered cementitious composites),在日本、美國和歐洲等國家和地區(qū)有了一些工程應(yīng)用實例,但國內(nèi)由于成本等問題鮮有應(yīng)用．張麗輝等[14,16]通過HDCC的國產(chǎn)化研究,選用普通河砂代替磨細石英砂、國產(chǎn)PVA纖維代替日本進口纖維并采用大摻量粉煤灰作為主要凝膠材料,制備了生態(tài)高延性水泥基復(fù)合材料(ECO-UDCC)．ECO-UDCC具有良好的力學(xué)性能和延性,折壓比為0.3～0.6,極限延伸率超過2%,并且在變形過程中伴隨著明顯的多縫開裂,通常裂縫寬度小于100 μm．相對于UHPFRCC,HDCC的抗壓強度偏低,通常保持在30～80 MPa,工程中常用作橋面的連接板、水壩及路面修復(fù)等．

本文研究了UHPFRCC和HDCC兩種水泥基材料復(fù)合對UHPFRCC彎曲性能的影響,制備了UHPFRCC和HDCC的復(fù)合型水泥基無配筋復(fù)合梁．復(fù)合梁以UHPFRCC作為結(jié)構(gòu)的主要承載單元,HDCC作為保護層,利用HDCC的高延性以及在變形過程中的多縫開裂現(xiàn)象,增強復(fù)合梁的彎曲變形能力．通過三點彎拉實驗測試,對比了UHPFRC梁在復(fù)合前后的彎曲-撓度變形能力．本文還針對2種水泥基材料的界面結(jié)合能力,研究了不同的處理工藝對復(fù)合界面粘結(jié)性能的影響．

1 設(shè)計制備與測試方法

1.1 材料

實驗中所用的膠凝材料分別為江南-小野田公司的標號為P·Ⅱ52.5級硅酸鹽水泥和海螺牌標號為P·Ⅱ42.5R級硅酸鹽水泥,南京熱電廠F級粉煤灰,埃肯公司的920U型硅灰．膠凝材料的化學(xué)成分見表1．UHPFRCC中使用的細集料是最大粒徑為2.36 mm的普通河砂;所用超細鋼纖維的長度為13 mm, 長徑比為65, 抗拉強度為2 850 MPa．HDCC中的細集料為最大粒徑為1.18 mm 的普通河砂;所用纖維為表面經(jīng)過特殊處理的高強高模聚乙烯醇纖維(PVAF)．PVAF性能如表2所示．

表1 膠凝材料的化學(xué)組分分析 %

表2 PVA纖維的性能

實驗中通過使用聚羧酸系減水劑和功能組分來調(diào)節(jié)2種水泥基材料的工作性能,達到最佳的澆筑效果．實驗中拌合水為自來水．

1.2 配合比與攪拌工藝

經(jīng)過前期大量配合比實驗[14,16-17],本文選用抗壓強度為150 MPa的UHPFRCC以及抗壓強度為40 MPa的HDCC，2種水泥基材料的配合比見表3.

表3 配合比設(shè)計

試件成型時,使用JJ-5型水泥膠砂攪拌機,低速時葉片公轉(zhuǎn)為(62±5)r/min,自轉(zhuǎn)為(140±5)r/min,高速時葉片公轉(zhuǎn)為(125±10)r/min,自轉(zhuǎn)為(285±10)r/min．攪拌過程采用手動控制,2種不同材料的拌合工藝如下:

1) 制備UHPFRCC時,將所需粉料按表3稱量后依次加入攪拌鍋中,低速攪拌2 min，混合均勻；然后將減水劑和拌合水緩慢加入,同時低速攪拌3 min,至形成漿體；最后加入鋼纖維,同時低速攪拌2 min,再高速攪拌1.5 min．

2)制備HDCC時,先將膠凝材料、細集料和功能組分依次加入攪拌鍋中,低速攪拌2～3 min；然后加入減水劑和拌合水,同時低速攪拌2 min；最后加入PVA纖維,同時低速攪拌4～5 min,再高速攪拌1 min．

1.3 試件成型

復(fù)合梁試件為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件,UHPFRCC和HDCC材料在該試件截面的高度比約為3∶1(見圖3)．成型時,先澆筑UHPFRCC材料,再澆筑HDCC材料,3種不同的澆筑工藝如下:

1) 初凝時復(fù)合工藝．先澆筑UHPFRCC材料,然后靜置到其達到初凝時間(約2 h)后,再澆筑HDCC材料進行復(fù)合．

2) 終凝時復(fù)合工藝．先澆筑UHPFRCC材料,然后靜置到其達到終凝時間(約20 h)后,再澆筑HDCC材料進行復(fù)合．

3) 養(yǎng)護后鑿毛復(fù)合工藝．先澆筑UHPFRCC材料,待其在85 ℃下蒸養(yǎng)72 h,再將復(fù)合表面采用人工深鑿的方法,用鐵錘和鉆鑿去表面的浮漿和部分水泥石,使表面粗糙度達到2～3 mm,然后澆筑HDCC材料進行復(fù)合．

澆筑完成的復(fù)合試件表面覆蓋塑料膜,在室內(nèi)條件下養(yǎng)護48 h后拆模,再移至蒸養(yǎng)箱中85 ℃下養(yǎng)護72 h．

剪切實驗中的試件采用Z形模成型(見圖1),成型過程及養(yǎng)護制度與復(fù)合梁相同．

1—鋼模; 2—擋塊(a) 試件形狀及夾持方式(單位:cm)

(b) 示意圖

1.4 測試方法

1.4.1 基本力學(xué)性能測試

UHPFRCC和HDCC的抗壓、抗折強度按照標準《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》[18]測試,試件為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體．

HDCC的單軸拉伸實驗參照文獻[19],試件形狀為“狗骨頭”狀，厚度為13 mm.實驗中采用位移控制的加載方式,加載速率為0.3 mm/min,在單軸拉伸狀態(tài)下測試HDCC材料的初裂強度、極限抗拉強度和極限拉伸應(yīng)變．

HDCC的彎曲性能實驗參照標準 [20],試件為15 mm×75 mm×300 mm的薄板,實驗中采用位移控制的加載方式,加載速率為0.5 mm/min,測試彎曲強度及撓度值．

1.4.2 復(fù)合界面剪切測試

2種材料接觸界面的純剪切性能測試,選用Z形模成型剪切試件,見圖1(a)．UHPFRCC和HDCC的復(fù)合接觸區(qū)域是面積為50 mm×50 mm的正方形．測試所用設(shè)備為電子萬能實驗機,試件夾持方式如圖1(b)所示．實驗中,試塊上、下2面正中位置與壓頭之間分別墊一根剛性短棍,使壓力沿中心豎直作用在試件上,從而在2種材料的接觸界面只存在純剪切力．實驗采用位移控制的加載方式,加載速率為0.5 mm/min．實驗中以3個試件為一組,分別測試了3種不同界面處理方式下復(fù)合試件的界面剪切強度．

1.4.3 彎曲性能測試

實驗試件為100 mm×100 mm×400 mm 的長方體,測試所用設(shè)備為MTS 810液壓伺服疲勞試驗機．采用三點彎的測試方式,跨中距離為150 mm,三點加載裝置如圖2所示．實驗采用位移控制的加載方式,加載速率為0.5 mm/min．實驗中以3個試件為一組,分別測試了UHPFRCC梁、UHPFRCC與HDCC復(fù)合梁的彎曲性能．

圖2 三點彎拉測試的試件及實驗方式

1.4.4 微觀形貌

界面結(jié)合部位的微觀形貌使用SEM進行觀測,設(shè)備為FEI 3D場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡．

1.企業(yè)員工。受訪企業(yè)員工中男性占比為48.1%，女性占比為51.9%；年齡介于19-30歲占比為60%，年齡介于31-40歲占比為30%，超過40歲的占比為10%；月工資收入低于5000元的約占80%，月工資超過5000元的約占20%；?？茖W(xué)歷、本科學(xué)歷的占比均為43.6%，高中及以下、研究生學(xué)歷占比均為7.4%。經(jīng)走訪相關(guān)部門確認，調(diào)查樣本所體現(xiàn)的性別、年齡、收入、學(xué)歷情況與企業(yè)實際基本相符，樣本的代表性充足以確保研究的可信度。

2 結(jié)果與討論

2.1 基本力學(xué)性能

UHPFRCC和HDCC的抗折、抗壓強度如表4所示．HDCC的單軸拉伸實驗和彎曲性能實驗的結(jié)果如表5所示．彎曲測試后的試樣如圖3所示．

表4 UHPFRCC和HDCC的抗折、抗壓強度

表5 HDCC試件的單軸拉伸和彎曲性能測試結(jié)果

圖3 HDCC試件彎曲測試后的多縫開裂

從表3和表4結(jié)果可以看出,UHPFRCC具有非常高的抗折和抗壓強度,但折壓比僅為HDCC折壓比的1/2．HDCC在單軸拉伸下的極限延伸率達到0.7%,彎曲載荷下的跨中撓度達10.0 mm,具有非常好的拉伸及彎曲變形能力,同時在彎曲過程中會出現(xiàn)明顯的多縫開裂(見圖3)．

2.2 純剪切性能

不同界面處理方式對應(yīng)復(fù)合試件的界面剪切力測試結(jié)果見表6．明顯看出,采用初凝復(fù)合的界面處理方式,即UHPFRCC在達到初凝時再澆筑HDCC,得到的界面粘結(jié)力最強．UHPFRCC達到終凝以后再與HDCC復(fù)合澆筑,即使通過人工深鑿來增加復(fù)合界面的粗糙度,界面的粘結(jié)力仍然很弱,導(dǎo)致復(fù)合材料在外力作用下很容易發(fā)生剝離．

表6 不同界面處理方法對應(yīng)的界面剪切力

采用初凝復(fù)合方式制備的復(fù)合試件,其界面純剪切測試的載荷-位移曲線如圖4所示．由圖中可以看出,當載荷達到8.3 kN時,界面處出現(xiàn)裂紋,當載荷增加到21.9 kN時,試件完全破壞,此時試件兩部分剝離,曲線即陡然下降．接觸面剪切強度計算公為

(1)

式中,P為極限破壞載荷;A為接觸面面積,本實驗中為50 mm×50 mm．通過計算得到剪切強度δ為 8.6 MPa．

破壞分離后的試件界面如圖5所示．可見破壞后的UHPFRCC表面上,仍黏附有一層HDCC, 說

圖4 復(fù)合材料的剪切強度測試的載荷-位移曲線

圖5 試件測試破壞后的界面情況

明剪切破壞主要發(fā)生在界面偏向HDCC材料基體的一側(cè)．計算得到的界面處剪切強度也與前期實驗中純HDCC材料的剪切強度相近,進一步證明剪切時破壞集中發(fā)生在HDCC材料的基體中．

剪切實驗的結(jié)果證明,采用初凝復(fù)合的界面處理方式,2種水泥基材料的界面粘結(jié)效果最佳,剪切強度達到8.6 MPa．此時除HDCC保護層發(fā)生破壞外,不存在兩者剝離的風(fēng)險．

2.3 復(fù)合梁設(shè)計與彎拉性能測試

復(fù)合梁設(shè)計中UHPFRCC作為主要的承重載體,是主體結(jié)構(gòu),HDCC主要作為保護層提高整個疊合梁的彎曲變形能力．由2.1節(jié)中的測試結(jié)果可知,HDCC的彎曲變形能力明顯優(yōu)于UHPFRCC材料,并且HDCC沒有明顯的尺寸效應(yīng)．在設(shè)計復(fù)合梁2種水泥基材料的復(fù)合比例時，需要滿足在外力作用下復(fù)合梁發(fā)生彎曲變形時，HDCC彎曲載荷在沒有達到UHPFRCC極限承載力就已經(jīng)發(fā)生多縫開裂的情況．本實驗中,選取UHPFRCC和HDCC體積比為3∶1的最佳比例．界面剪切強度的測試結(jié)果表明,復(fù)合梁在制備過程中選擇初凝時復(fù)合制備方式為最佳．UHPFRCC梁和復(fù)合梁在彎拉實驗中的載荷-撓度曲線如圖6所示．

圖6 UHPFRCC梁和復(fù)合梁的三點彎拉應(yīng)力-撓度曲線

從圖6中可知,UHPFRCC梁在三點彎拉加載過程中,承載力的上升速率很快,曲線近似一條直線,對應(yīng)的塑性變形較?。斶_到極限彎曲應(yīng)力約19.1 MPa時,對應(yīng)的彎曲撓度為1.7 mm左右．載荷-撓度曲線在上升過程中沒有明顯的抖動,說明在加載中沒有多余的裂縫出現(xiàn)．極限彎曲載荷以后,曲線的下降較為平緩．

UHPFRCC-HDCC復(fù)合梁在三點彎拉加載過程中,承載力的上升速率較為平緩,曲線在10.4 MPa應(yīng)力位置出現(xiàn)第1次抖動,出現(xiàn)初裂點．隨后,承載力的上升速率逐漸降低,出現(xiàn)明顯的塑性變形,并伴隨著多條裂縫的產(chǎn)生．當達到極限彎曲應(yīng)力約13.4 MPa時,彎曲撓度為2.8 mm 左右．

復(fù)合梁的實驗過程中,當應(yīng)力達到10.4 MPa時,初裂紋出現(xiàn)在試件的HDCC保護層的跨中附近．隨著載荷持續(xù)增加,HDCC逐漸進入多縫開裂階段,直至主裂縫穿透HDCC層,并進一步在UHPFRCC 上延伸．試件破壞后,UHPFRCC和HDCC兩種材料仍沒有分離．測試后的試件如圖7所示,可見跨中附近,HDCC層明顯存在很多微小裂縫,直至UHPFRCC中匯聚成一條主裂縫．

圖7 三點彎拉實驗后試件的裂縫存在狀態(tài)

通過對比可以明顯看出,UHPFRCC-HDCC復(fù)合梁與普通的UHPFRCC梁相比,在彎拉載荷作用下雖然極限彎曲載荷有所下降,但仍然保持在13.4 MPa．同時,復(fù)合梁試件具有更明顯的塑性變形曲線,在極限彎曲載荷下跨中撓度更大．由于HDCC材料的極限延伸率是UHPFRCC的2～3倍,復(fù)合試件在彎曲載荷下產(chǎn)生裂縫后,HDCC材料會形成多條微裂紋來分散變形產(chǎn)生的應(yīng)力,避免主裂縫的快速匯集形成．在多縫開裂的過程中如果載荷消失,那么這些細小的微裂縫可以通過基體本身未水化水泥顆粒的水化得到修補．

2.4 微觀分析

為了進一步表征界面處的微觀形貌,通過SEM對界面兩側(cè)不同基體以及界面過渡區(qū)進行觀測,結(jié)果如圖8所示．圖中虛線為界面可能位置,左側(cè)為UHPFRCC材料,右側(cè)為HDCC材料．由于HDCC中粉煤灰摻量達60%,基體中存在較多球形的未反應(yīng)粉煤灰顆粒．由圖8可以看出,UHPFRCC和HDCC兩種水泥基復(fù)合材料的基體都較為密實,沒有大量的孔隙和裂紋存在．同時2種材料在界面處沒有明顯的形貌和結(jié)構(gòu)變化,不存在明顯的缺陷．

圖8 粘結(jié)界面處的SEM照片

3 結(jié)論

1) 將高延性水泥基材料HDCC與超高性能混凝土UHPFRCC復(fù)合,制備出復(fù)合梁構(gòu)件．實驗結(jié)果證明,與普通UHPFRCC梁相比,復(fù)合梁試件能夠保持較高的抗折強度,同時明顯改善了其在彎曲載荷下的變形能力．復(fù)合梁試件在三點彎拉測試下的跨中撓度,在極限載荷下可達到2.8 mm．

2) HDCC在彎拉作用下,由于其自身超高的延性,以及多縫開裂的特性,能夠有效分散跨中部位在彎曲時的應(yīng)力集中,延緩主裂紋的形成及貫穿,提高了復(fù)合梁的抗彎曲能力．

3) 比較了不同復(fù)合方式下2種材料界面處粘結(jié)力的強弱,結(jié)果表明當采用初凝復(fù)合方法時,2種水泥基材料之間的界面粘結(jié)性能非常好．界面粘結(jié)強度取決于HDCC材料本身的基體強度,因此在實際應(yīng)用中不會發(fā)生界面剝離的危險．通過微觀分析可知,2種水泥基材料在基體和界面處都形成比較致密的水化產(chǎn)物,界面過渡區(qū)沒有明顯形貌和結(jié)構(gòu)變化,以及缺陷的存在．

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Preparation and bending properties of coupled beam made by UHPFRCC and high ductility cementitious composites

Ma Rui1Guo Liping1,2,3Chen Zhengkai1Li Tianyu1Sun Wei1,2,3

(1School of Materials Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)(2Jiangsu Key Laboratory of Construction Materials, Southeast University, Nanjing 211189, China)(3Collaborative Innovation Center of Advanced Civil Engineering Materials, Southeast University, Nanjing 211189, China)

The deformation property under bend-loading of a coupled beam specimen prepared by ultra-high performance fiber reinforced cementitious composite (UHPFRCC) with high ductility cementitious composite (HDCC) and without steel rebar was investigated. The effects of different interfacial treatments on the bond property between UHPFRCC and HDCC were evaluated by the pure sheer strength test, the deformation properties of specimens under tensile-bending loading were tested and compared with the pure UHPFRCC beam. The results show that the interfacial treatment dominates the bond. The bonding strength is stronger than that of HDCC matrix followed the optimal method, the interface transition zone is compacted without obvious micro-defects. The ultimate flexure strength of the coupled beam is 13.4 MPa under tensile-bending loading, with the maximum deflection of 2.8 mm. The numbers of cracks are increased by the multiple cracking happened on HDCC to improve the plastic deforming properties.Compared with the pure UHPFRCC beam, the UHPFRCC-HDCC coupled beam has more obvious plastic deforming and larger deflection under tensile-bending loading.

high ductility cementitious composites;ultra-high performance fiber reinforced cementitious composites; composite beam;bending deflection;interface sheer strength

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.029

2016-04-03. 作者簡介:馬瑞(1987—),男,博士生;郭麗萍(聯(lián)系人),女,博士,副教授,博士生導(dǎo)師,guoliping691@163.com．

國家自然科學(xué)基金資助項目(51378113,51438003)、東南大學(xué)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽資助項目．

馬瑞,郭麗萍,諶正凱，等.超高性能鋼纖維水泥基復(fù)合材料-高延性水泥基材料復(fù)合梁的制備及彎曲性能[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017,47(2):377-383.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.029.

TU528.31

A

1001-0505(2017)02-0377-07