王振波， 張 君， 王 慶

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京100083； 2.清華大學(xué) 土木工程系， 北京100084；3.清華大學(xué) 結(jié)構(gòu)安全與耐久教育部重點(diǎn)實驗室， 北京 100084)

高延性低干縮纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(LSECC)是為克服水泥基材料的脆性、解決傳統(tǒng)高延性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(ECC)收縮開裂問題而發(fā)展起來的新型土木工程材料[1-3].LSECC的極限拉應(yīng)變可達(dá)30000×10-6以上，28d干縮低至200×10-6～400× 10-6[3]，與普通混凝土相當(dāng).目前，LSECC已被應(yīng)用于鋼箱梁橋面鋪裝、高速公路橋路面板伸縮縫、建筑外墻保溫等眾多工程領(lǐng)域[4-6]，然而其抗壓強(qiáng)度只相當(dāng)于C20～C40普通混凝土，強(qiáng)度偏低，且耐磨性、抗?jié)B性也較差，在應(yīng)用中易開裂，難以確保耐久性.因此，LSECC并不適用于高強(qiáng)度、高延性要求的工程結(jié)構(gòu).

不同強(qiáng)度等級LSECC的拉伸試驗[3]表明，LSECC的高強(qiáng)度與高延性不匹配問題比較突出.在LSECC中摻入體積分?jǐn)?shù)為2.0%左右的聚乙烯醇(PVA)纖維后，受力破壞時，高強(qiáng)基材中的纖維斷裂比例高，難以有效發(fā)揮橋接作用.如果同時混雜摻入鋼纖維，將有望改善LSECC的力學(xué)性能.Lawler等[7]采用微細(xì)鋼纖維與PVA纖維混雜，控制纖維總體積分?jǐn)?shù)為2.5%，結(jié)果顯示，混雜纖維體系的抗彎強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的增加逐漸提高，即鋼纖維主要提高了材料的強(qiáng)度，而PVA纖維主要提高了材料的變形能力.Wang等[8]將鋼纖維與PVA纖維在水泥基材中等比例混雜，纖維總體積分?jǐn)?shù)為1.0%，結(jié)果表明，混雜纖維體系可實現(xiàn)拉伸應(yīng)變硬化和多點(diǎn)開裂，在強(qiáng)度和延性方面均優(yōu)于單摻纖維體系，其裂紋寬度小于100μm，抗?jié)B性較單摻體系顯著提升.然而，混雜纖維增強(qiáng)延性水泥基復(fù)合材料的研究往往忽略基材強(qiáng)度因素，并且多采用抗彎、抗剪等簡單試驗方法，能夠直接獲得材料拉伸力學(xué)參數(shù)和開裂形態(tài)的軸拉試驗較少被采用.另外，混雜纖維中各種纖維的貢獻(xiàn)程度也不夠明確.

本文選取細(xì)短鋼纖維，將其摻入LSECC體系(PVA纖維體積分?jǐn)?shù)φ(PVA)為1.7%)中，試驗研究不同強(qiáng)度混雜PVA/鋼纖維增強(qiáng)延性水泥基復(fù)合材料的軸拉、抗壓性能，分析基材強(qiáng)度和鋼纖維摻量對其力學(xué)性能及裂紋寬度的影響，以期獲得高強(qiáng)度、高延性、低裂紋寬度的水泥基復(fù)合材料.

1 試驗

1.1 原材料與配合比

水泥為自行研發(fā)的復(fù)合水泥；砂為秦皇島石英砂廠生產(chǎn)的精制石英砂，粒徑75～150μm(200～100目)；纖維分別為日本Kuraray公司生產(chǎn)的PVA纖維和鞍山昌宏公司生產(chǎn)的鋼纖維(ST)，2種纖維的相關(guān)性能見表1；減水劑為江蘇博特新材料公司生產(chǎn)的高效聚羧酸減水劑；緩凝劑為一水檸檬酸；水為自來水.

基材采用自行研發(fā)的低干縮材料，其配合比及28d抗壓強(qiáng)度如表2所示.試驗中通過調(diào)整外加劑摻量來控制新拌漿體的和易性.混雜體系中PVA纖維摻量固定為1.7%，鋼纖維摻量(φ(ST)，體積分?jǐn)?shù))為0%，0.3%，0.6%和1.0%.

表1 PVA纖維和鋼纖維的相關(guān)性能

表2 基材配合比及28d抗壓強(qiáng)度

1.2 試驗方法

軸拉試件為200mm×100mm×20mm薄板，每組6個試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件((20±2) ℃，相對濕度>95%)下養(yǎng)護(hù)至27d取出，再在室溫環(huán)境下放置2h， 使表面水分散失.然后在試件表面粘貼鋁片，以加固試件端頭，防止其在引伸計標(biāo)距之外產(chǎn)生裂紋.鋁片粘貼完成后將試件放置6h，以確保粘膠完全硬化.抗壓試件為70.7mm×70.7mm×70.7mm立方體，每組3個試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至28d取出，再在室溫環(huán)境下放置2h后進(jìn)行力學(xué)性能試驗.

軸拉及抗壓試驗均在MTS 810材料試驗機(jī)上進(jìn)行，采用位移控制模式加載，加載速率為0.15mm/min. 試件應(yīng)變通過夾持在兩側(cè)的引伸計測量，引伸計標(biāo)距為50mm，試驗裝置分別如圖1，2所示.加載過程中，計算機(jī)自動采集時間、荷載和應(yīng)變，采集頻率為2次/s.

2 軸拉性能

試件的開裂強(qiáng)度σfc,t，開裂應(yīng)變εfc，彈性模量Et，抗拉強(qiáng)度σt和極限拉應(yīng)變εt的確定方法詳見文獻(xiàn)[3].試件的典型軸拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示.試件的力學(xué)性能見表3.

圖1 軸拉試驗裝置Fig.1 Experimental setup of uniaxial tensile test(size:mm)

圖2 抗壓試驗裝置Fig.2 Experimental setup of compressive test

圖3 試件的典型軸拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Typical uniaxial tensile stress-strain curves of specimens

Matrixφ(PVA)/%φ(ST)/%σfc,t/MPaεfc/%σt/MPaεt/%Et/GPaM0.251.70 2.540.0103.881.2525.761.70.33.350.0124.311.8427.581.70.63.160.0114.411.6728.651.71.03.580.0134.581.0428.53M0.551.70 0.960.0072.313.0613.231.70.31.170.0092.303.4113.541.70.61.160.0092.752.5314.271.71.01.510.0102.761.6314.47

在混雜體系中，鋼纖維摻量相對較小(0%～1.0%)，因此試件的軸拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀受PVA纖維控制.隨著鋼纖維摻量的增加，試件的開裂強(qiáng)度逐漸提高，同時，其軸拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的應(yīng)變硬化段趨于光滑，這主要是鋼纖維協(xié)同PVA纖維在裂紋間更好地發(fā)揮了橋接作用所致[9].試件的抗拉強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的變化規(guī)律與開裂強(qiáng)度類似.此外，鋼纖維對試件的增強(qiáng)程度明顯受水膠比影響.由圖3可見，鋼纖維對高強(qiáng)系列(M0.25)試件軸拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響較大，而對低強(qiáng)系列(M0.55)試件軸拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響較小.

圖4為鋼纖維摻量對試件抗拉強(qiáng)度和極限拉應(yīng)變的影響.由圖4(a)可見，試件的抗拉強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的增加逐漸提高.鋼纖維摻量為0.3%，0.6%和1.0%時，M0.25系列試件的抗拉強(qiáng)度較單摻纖維體系分別提高了0.43，0.53和0.70MPa，M0.55系列試件的抗拉強(qiáng)度較單摻體系分別變化了-0.01，0.44和0.45MPa，即鋼纖維對高強(qiáng)基材的增強(qiáng)程度明顯大于低強(qiáng)基材.由圖4(b)可見，當(dāng)鋼纖維摻量不超過0.6%時，試件的極限拉應(yīng)變隨鋼纖維摻量的增加呈上升趨勢，但是，當(dāng)其摻量較大時，會對試件的極限拉應(yīng)變造成負(fù)面影響.在PVA纖維摻量為1.7%時，提高試件極限拉應(yīng)變的最優(yōu)鋼纖維摻量為0.3%～0.6%.

3 裂紋寬度控制

纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料在拉伸極限狀態(tài)下的裂紋間距和裂紋寬度是評價其延性和耐久性的重要指標(biāo).本文采用式(1)來計算軸拉試件達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度時的平均裂紋間距Sa(mm).

Sa=L0/N

(1)

式中：L0為試件開裂區(qū)域在平行于加載方向上的長度(mm)，在本試驗中，試件的開裂區(qū)域為引伸計的標(biāo)距范圍，即L0=50mm；N為L0范圍內(nèi)試件表面的裂紋數(shù)量.

圖4 鋼纖維摻量對試件抗拉強(qiáng)度和極限拉應(yīng)變的影響Fig.4 Effect of steel fiber content on tensile strength and ultimat tensile strain of composites

在軸拉試件中，平均裂紋寬度wa(mm)可通過剔除極限拉應(yīng)變中的基材彈性應(yīng)變獲得，即wa可通過式(2)進(jìn)行估算.

wa=(εt-σt/Et)L0/N

(2)

根據(jù)式(2)計算得到2個強(qiáng)度系列試件的平均裂紋間距和平均裂紋寬度，如圖5所示.

由圖5可見，當(dāng)水膠比由0.55降至0.25時，試件的平均裂紋間距顯著增大，平均裂紋寬度減小.這說明基材強(qiáng)度仍是控制材料開裂形態(tài)的重要因素.M0.25系列試件的平均裂紋間距受鋼纖維摻量的影響較為顯著，當(dāng)其摻量為0.3%時，試件的平均裂紋間距由6.8mm降至4.0mm，降幅約41%，當(dāng)其摻量超過0.6%后，試件的平均裂紋間距有“反彈”增加趨勢.降低試件裂紋間距、提高其延性的最優(yōu)鋼纖維摻量為0.3%～0.6%.M0.55系列試件的平均裂紋間距受鋼纖維摻量影響并不明顯.平均裂紋間距隨鋼纖維摻量的變化規(guī)律與極限拉應(yīng)變的變化規(guī)律密切相關(guān)，因為材料延性在本質(zhì)上是多條裂紋累加的結(jié)果，裂紋間距越小(裂紋數(shù)量越多)材料延性越大.由此可見，裂紋間距(裂紋數(shù)量)是衡量延性的間接指標(biāo).

圖5 鋼纖維摻量對試件平均裂紋間距和平均裂紋寬度的影響Fig.5 Effect of steel fiber volume fraction on average crack spacing and crack width of specimens

研究[10-12]表明，ECC的最大裂紋寬度為60～100μm. 而由式(2)計算得到的M0.25，M0.55系列單摻PVA纖維的試件平均裂紋寬度分別為81，117μm. 可見，采用本文中的試驗方法確定的裂紋寬度合理可信.由圖5(b)可見，鋼纖維可顯著降低試件的平均裂紋寬度，并且隨著其摻量的增加，M0.25，M0.55系列試件的裂紋寬度均逐漸降低.當(dāng)鋼纖維摻量提高至1.0%時，試件的平均裂紋寬度分別減小至27，60μm，說明鋼纖維對控制裂紋寬度非常有效.在工程應(yīng)用中，裂縫寬度控制往往比提高極限拉應(yīng)變(延性)更為關(guān)鍵，即使材料的極限拉應(yīng)變僅有1%，也遠(yuǎn)大于一般構(gòu)件所要求的變形量，而且，構(gòu)件中形成的裂紋數(shù)量也遠(yuǎn)低于軸拉試驗中觀察到的結(jié)果，因此片面追求材料的高延性并沒有太大的實際意義.在保證LSECC具有一定延性變形能力的前提下，大幅提升其自身的裂紋寬度控制能力，將有望改善、甚至根除其帶裂紋工作時的耐久性問題.

4 抗壓性能

試件28d的抗壓強(qiáng)度σc，峰值壓應(yīng)變εc和抗壓彈性模量Ec如表4所示.不同鋼纖維摻量試件28d的壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示.圖7為鋼纖維摻量對試件抗壓強(qiáng)度和峰值壓應(yīng)變的影響.

由表4，圖6可見，M0.25，M0.55系列試件具有明顯不同的抗壓性能.降低基材的水膠比，試件的彈性模量和抗壓強(qiáng)度均顯著提高.M0.25，M0.55系列試件28d的抗壓強(qiáng)度分別為62.0，18.4MPa，與相應(yīng)的基材抗壓強(qiáng)度相差不大.另外，基材強(qiáng)度對試件的峰值壓應(yīng)變影響較小，M0.25系列試件的峰值壓應(yīng)變?yōu)?.33%～0.42%，M0.55系列試件的峰值壓應(yīng)變?yōu)?.40%～0.46%，即M0.55系列試件的峰值壓應(yīng)變略大于M0.25系列試件.但二者的峰值壓應(yīng)變均顯著優(yōu)于普通混凝土的峰值壓應(yīng)變(約0.20%).由圖6還可發(fā)現(xiàn)，在峰值應(yīng)力后，M0.25，M0.55系列試件的應(yīng)力下降幅度較為平緩，其后期抗壓韌性突出，表現(xiàn)出優(yōu)良的抗壓變形能力.

表4 試件的抗壓性能

與軸拉試驗結(jié)果不同，鋼纖維摻量對試件抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變的影響并不顯著.在高強(qiáng)基材中，鋼纖維摻量0%，0.3%，0.6%和1.0%的試件28d抗壓強(qiáng)度分別為62.8，61.7，58.4和67.1MPa，變化幅度不大.在本文的配合比范圍內(nèi)，鋼纖維并未顯著提高試件的抗壓強(qiáng)度.

圖6 不同鋼纖維摻量試件28d的壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Compressive stress-strain curves of specimens with different volume fraction of steel fiber

圖7 鋼纖維摻量對試件抗壓強(qiáng)度和極限壓應(yīng)變的影響Fig.7 Effect of steel fiber volume fraction on compressive strength and compressive strain of composites

5 結(jié)論

(1)基材強(qiáng)度顯著影響混雜纖維增強(qiáng)延性水泥基復(fù)合材料的抗拉性能.降低基材水膠比，混雜纖維增強(qiáng)延性水泥基復(fù)合材料的開裂強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯提高，而極限拉應(yīng)變有所降低.隨著鋼纖維摻量的增加，混雜纖維增強(qiáng)延性水泥基復(fù)合材料的開裂強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸提高，且鋼纖維對高強(qiáng)基材的增強(qiáng)效果尤為明顯.鋼纖維摻量適量(不大于0.6%)時，混雜纖維增強(qiáng)延性水泥基復(fù)合材料的極限拉應(yīng)變與鋼纖維摻量正相關(guān).

(2)摻入鋼纖維顯著提升了混雜纖維增強(qiáng)延性水泥基材料的裂紋寬度控制能力，隨著鋼纖維摻量的增加，其平均裂紋寬度減小.在裂紋寬度控制方面，鋼纖維與PVA纖維混雜優(yōu)勢明顯.

(3)混雜纖維增強(qiáng)延性水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度由水膠比控制，M0.25，M0.55系列水泥基復(fù)合材料28d的抗壓強(qiáng)度分別為62.0，18.4MPa.M0.55系列水泥基復(fù)合材料的峰值壓應(yīng)變略大于M0.25系列水泥基復(fù)合材料，二者在抗壓變形能力方面均明顯優(yōu)于普通混凝土.鋼纖維摻量對混雜纖維增強(qiáng)延性水泥基復(fù)合材料彈性模量、抗壓強(qiáng)度和峰值壓應(yīng)變的影響不顯著.

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