高 杰，張 暄，韓樂(lè)冰，王 飛，管延華

(1.山東大學(xué)齊魯交通學(xué)院，濟(jì)南 250000;2.山東光實(shí)能源有限公司，濟(jì)南 250000;3.齊魯交通發(fā)展集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250000)

0 引 言

近年來(lái)，隨著連續(xù)介質(zhì)微觀力學(xué)學(xué)科理論的發(fā)展以及其在復(fù)合材料中應(yīng)用的深入，超高韌性水泥基復(fù)合材料(Ultra-High Toughness Cementitious Composites，簡(jiǎn)稱UHTCC)[1-2]得到了快速的發(fā)展。通過(guò)對(duì)UHTCC纖維與基體參數(shù)有目的的調(diào)整，其性能發(fā)生了根本性的變化，實(shí)現(xiàn)了從普通纖維混凝土的應(yīng)變軟化到應(yīng)變硬化、從半脆性破壞到延性多裂縫破壞的性能轉(zhuǎn)變。當(dāng)作用于復(fù)合材料的拉伸荷載超過(guò)其基體開裂強(qiáng)度后，UHTCC中產(chǎn)生裂縫，纖維的橋接作用阻止了裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，并且通過(guò)微裂縫條數(shù)的增加實(shí)現(xiàn)UHTCC的應(yīng)變硬化性能。許多學(xué)者對(duì)UHTCC的基本力學(xué)性能與應(yīng)變硬化能力進(jìn)行了研究，牛恒茂等[3]通過(guò)基體組分的優(yōu)化探討了水灰比、骨料、礦物摻合料等對(duì)UHTCC應(yīng)變硬化能力的影響；劉曙光等[4-9]研究了水膠比、粉煤灰品種與摻量、纖維摻量等因素對(duì)UHTCC抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響。UHTCC優(yōu)異的應(yīng)變硬化和多縫開裂性能，有效地提高了UHTCC的彎曲韌性[10-11]，提升了材料在彎拉荷載作用下的耗能能力。李賀東等[12]通過(guò)薄板試件與梁試件研究了UHTCC的彎曲性能與韌性評(píng)價(jià)方法，試驗(yàn)表明UHTCC具有與金屬比擬的彎曲變形能力，運(yùn)用JSCE-SF4方法并結(jié)合變形硬化系數(shù)法能夠從能量和強(qiáng)度兩個(gè)方面評(píng)價(jià)UHTCC的彎曲韌性；蔡向榮等[13]通過(guò)韌性指標(biāo)的對(duì)比研究了薄板彎曲荷載-變形曲線與單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)果表明四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)可以代替單軸拉伸試驗(yàn)評(píng)價(jià)UHTCC的特殊力學(xué)性能；張黎飛等[14]通過(guò)分析彎曲韌性指數(shù)，結(jié)合薄板純彎曲段裂縫數(shù)目，研究了UHTCC彎曲能力與耐久性的關(guān)系。

綜上所述，目前對(duì)不同因素影響UHTCC彎曲韌性的綜合研究相對(duì)較少。在前期對(duì)UHTCC開展的配合比研究的基礎(chǔ)上[15]，以纖維體積摻量、粉煤灰摻量、水膠比為試驗(yàn)變量，對(duì)薄板試件開展四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，采用ASTM C1018韌性指數(shù)法分析UHTCC的彎曲韌性性能，探究各因素對(duì)UHTCC彎曲韌性的影響規(guī)律。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥、Ⅰ級(jí)粉煤灰，骨料為80～120目精細(xì)石英砂，外加劑為聚羧酸系高效減水劑，纖維為日本Kuraray公司生產(chǎn)的PVA纖維(有關(guān)性能指標(biāo)見表1)，拌合水為普通自來(lái)水。

表1 PVA纖維的性能指標(biāo)Table 1 Performance index of PVA fiber

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取7組配合比，以前期配合比研究中保證強(qiáng)度并具有高延性的最優(yōu)配合比[15]為基準(zhǔn)配合比(第三組)，纖維在UHTCC中有良好的阻裂作用，選取三種纖維體積摻量分別為1.6%、1.8%、2.0%；粉煤灰能夠在很大程度上影響UHTCC基體以及基體與纖維間的界面性能，選取粉煤灰摻量(以粉煤灰與水泥的質(zhì)量比F/C表示)為1.0、1.2、1.5；水膠比對(duì)基體強(qiáng)度影響較大，進(jìn)而影響裂縫的開展，選取水膠比為0.24、0.26、0.28。試驗(yàn)配合比如表2所示。各組試件28 d抗壓強(qiáng)度如表3所示。

表2 試驗(yàn)配合比Table 2 Test mix ratio /(kg/m3)

表3 UHTCC抗壓強(qiáng)度Table 3 Compressive strength of UHTCC

1.3 試件方法與過(guò)程

圖1 彎曲試驗(yàn)加載裝置Fig.1 Bending test loading device

UHTCC抗彎試驗(yàn)采用350 mm×50 mm×15 mm薄板試件，每組配合比制作3個(gè)試件，使用砂漿攪拌機(jī)拌合，然后將拌合好的UHTCC澆入鋼模成型， 24 h后脫模并放入濕度90%以上，溫度(20±3) ℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，達(dá)到28 d齡期后取出進(jìn)行彎拉試驗(yàn)。四點(diǎn)彎曲加載采用WDW-10E微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加載方式為位移加載，加載速率為0.5 mm/min，加載過(guò)程中在跨中位置通過(guò)LVDT測(cè)量跨中撓度，以彎拉應(yīng)力、跨中撓度為指標(biāo)，結(jié)合荷載-撓度曲線，分析不同因素對(duì)UHTCC彎曲韌性的影響。測(cè)試裝置如圖1所示。

2 結(jié) 果

2.1 荷載-撓度曲線

試驗(yàn)得到的荷載-撓度曲線如圖2所示。從圖中可以看出，不同配比的UHTCC極限跨中撓度最大值達(dá)到24 mm，表現(xiàn)出良好的彎曲變形能力；其破壞形態(tài)表現(xiàn)為延性破壞，根據(jù)荷載-撓度曲線，破壞過(guò)程可大致分為三個(gè)階段：彈性階段、多縫開裂階段、破壞階段。在彈性階段，荷載主要由基體承擔(dān)，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到基體抗拉強(qiáng)度時(shí)，試件底部開始出現(xiàn)裂縫；多縫開裂階段，試件呈現(xiàn)不同程度的應(yīng)變強(qiáng)化特征，在初裂后，裂縫寬度保持不變，隨著變形的增加，裂縫數(shù)目增多，荷載上下波動(dòng)且緩慢增加，荷載的下降對(duì)應(yīng)于新裂縫的產(chǎn)生；破壞階段，達(dá)到UHTCC的峰值荷載，在最薄弱處裂縫局部化擴(kuò)展，試件破壞。

圖2 各試驗(yàn)變量變化時(shí)荷載-撓度曲線Fig.2 Load-deflection curves when each test variable changes

從圖2(a)中可以看出，隨著纖維摻量的增加，UHTCC的極限跨中撓度與極限彎拉荷載均增加，其中纖維摻量為1.6%時(shí)，極限跨中撓度為12.36 mm，極限彎拉荷載為0.5 kN，纖維摻量為1.8%與2.0%時(shí)極限跨中撓度分別增加了17%、62%，分別為14.46 mm、20.05 mm，且纖維摻量越高，UHTCC的應(yīng)變硬化段越長(zhǎng)，試件上裂縫的飽和程度更高。這是因?yàn)槔w維摻量增大，裂縫截面處纖維密度增加，提高了纖維橋接能力，使得裂縫寬度得到控制；隨著荷載的增加，試件通過(guò)裂縫數(shù)量的增加實(shí)現(xiàn)應(yīng)變硬化性能，跨中撓度與彎拉荷載增加。從圖2(b)中可以看出，粉煤灰摻量的增加對(duì)極限彎拉荷載的影響較小，F(xiàn)/C從1.0增加到1.2和1.5時(shí)，極限跨中撓度提高幅度分別為42%、78%，表明粉煤灰摻量增加能夠顯著提高試件的彎曲變形能力，裂縫的開展也得到明顯的改善，分布更加均勻，但粉煤灰摻量過(guò)大不能保證較低的裂縫寬度。這是因?yàn)榉勖夯揖哂形⒓闲?yīng)，粉煤灰摻量增加使得基體更加均勻密實(shí)，且粉煤灰摻量增加降低基體強(qiáng)度，其“滾珠”作用弱化了纖維與基體間的化學(xué)粘結(jié)作用，使得纖維更易滑動(dòng)拔出，增大了裂縫寬度。從圖2(c)中可以看出，水膠比增加，極限彎拉荷載會(huì)略有降低，但是極限跨中撓度增加較大，當(dāng)水膠比從0.24增加到0.26和0.28時(shí)，極限跨中撓度分別增加40%、60%，表明水膠比的增大也能夠提高UHTCC的彎曲變形能力，裂縫數(shù)量增加，撓度增大，這主要是因?yàn)樗z比增大后降低了基體開裂強(qiáng)度，裂縫尖端斷裂韌度降低，更容易產(chǎn)生新的裂縫，同時(shí)改善了纖維/基體的界面性質(zhì)，隨著荷載的增大，未開裂基體產(chǎn)生新裂縫，開裂截面處纖維滑動(dòng)拔出，使得UHTCC撓度增大。

2.2 抗折強(qiáng)度

UHTCC抗折強(qiáng)度如圖3所示。從圖中可以看出，纖維摻量增加，UHTCC的抗折強(qiáng)度增大；但是粉煤灰摻量增加，UHTCC抗折強(qiáng)度略有降低，水膠比增大時(shí)，UHTCC抗折強(qiáng)度降低幅度較大。這是由于隨著纖維摻量增加，纖維橋接能力增強(qiáng)，抗折強(qiáng)度增大；粉煤灰摻量增加使得基體強(qiáng)度降低，但是改善了纖維與基體的界面性能，跨中撓度顯著增大，抗折強(qiáng)度略有降低；水膠比增大降低了基體強(qiáng)度，同時(shí)裂縫尖端斷裂韌度降低，更容易產(chǎn)生新的裂縫，同時(shí)，較大的水膠比降低了纖維與基體間的摩阻力，纖維更容易滑動(dòng)拔出，降低了UHTCC的抗折強(qiáng)度。

圖3 UHTCC抗折強(qiáng)度Fig.3 Flexural strength of UHTCC

2.3 韌性指數(shù)

圖4 荷載-撓度曲線Fig.4 Load-deflection curve

彎曲韌性能夠較好地反映材料在靜載作用下抵抗變形性能與能量吸收能力。美國(guó)ASTM C1018法為能量比值法，其物理意義明確，應(yīng)用較為廣泛。由于UHTCC顯著的應(yīng)變硬化特性，彎曲變形能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通纖維混凝土，為了較好地描述UHTCC的耗能能力與彎曲韌性的發(fā)展過(guò)程，本文參考ASTM C1018標(biāo)準(zhǔn)，取初裂撓度δc對(duì)應(yīng)的荷載-撓度曲線下的面積A0為基準(zhǔn)，并取3δc、5.5δc、10.5δc、15.5δc、20.5δc、25.5δc和峰值荷載時(shí)的變形δU對(duì)應(yīng)荷載-撓度曲線下的面積與A0的比值為韌性指數(shù)Im，且依次記為I5、I10、I20、I30、I40、I50、IU[12]。各韌性指數(shù)如圖4所示。其中，為取值簡(jiǎn)便，初裂點(diǎn)定義為荷載-撓度曲線出現(xiàn)明顯非線性的點(diǎn)，初裂點(diǎn)與峰值點(diǎn)的選取如圖4標(biāo)示。

計(jì)算得到的彎曲韌性指數(shù)如表4所示。參考Naaman對(duì)應(yīng)變硬化材料的規(guī)定[16]，當(dāng)Im>m且IU>2δU/δc-1時(shí)，材料為高韌性應(yīng)變硬化材料。從表4中可以看出，不同配比UHTCC的彎曲韌性指數(shù)均滿足上述要求，而且Im與m的差值隨m的增加逐漸增大，說(shuō)明UHTCC的韌性逐漸增加，耗能能力逐漸增強(qiáng)。

表4 UHTCC彎曲韌性指數(shù)Table 4 Bending toughness index of UHTCC

續(xù)表4

Note: "-" in the table indicates that the ratio has not reached the corresponding toughness index,δcis the initial crack deflection, andδUis the deflection corresponding to the ultimate load.

3 各因素對(duì)彎曲韌性的影響分析

3.1 纖維體積摻量對(duì)彎曲韌性的影響

圖5為不同纖維體積摻量對(duì)UHTCC韌性指數(shù)的影響。從圖中可以看出，隨著纖維體積摻量的增加，彎曲韌性指數(shù)均有不同程度的增大，且摻量越大，增加幅度越高。在峰值荷載處不同的纖維摻量對(duì)韌性指數(shù)的影響最為明顯，纖維體積摻量為1.8%與2.0%的韌性指數(shù)分別是1.6%的1.18倍、1.62倍，即纖維摻量的增加能夠提高UHTCC的韌性；且IU所對(duì)應(yīng)的δU處于UHTCC應(yīng)變硬化階段末期，基本包含了荷載-撓度曲線的全部，能較好地反映纖維體積摻量對(duì)彎曲韌性的影響。通過(guò)以上分析可以看出，由于基體開裂后纖維能夠貫穿裂縫，當(dāng)纖維摻量增加后，基體中纖維密度增大，裂縫截面處單位面積纖維量也隨之增加，纖維所發(fā)揮的橋聯(lián)作用增強(qiáng)，通過(guò)將荷載傳遞到周圍未開裂基體以及纖維脫粘與滑動(dòng)拔出繼續(xù)耗能的能力增強(qiáng)。

不同階段的韌性指數(shù)表明了UHTCC韌性的發(fā)展過(guò)程，纖維體積摻量為1.6%時(shí)，跨中撓度較小，韌性指數(shù)未達(dá)到I40、I50，摻量為1.8%時(shí)，韌性指數(shù)未達(dá)到I50，表明纖維摻量越低，UHTCC韌性發(fā)展的越差，對(duì)應(yīng)于荷載-撓度曲線所包絡(luò)的面積減小，吸收能量的能力降低；對(duì)比不同的韌性指數(shù)可以看出，由于UHTCC具有較好的彎曲變形能力，三種纖維摻量UHTCC的韌性指標(biāo)Im均超過(guò)I30，表現(xiàn)出較好的韌性性能，且當(dāng)m為5、10、20、30時(shí)Im值相差不大，m為40、50時(shí)，Im值不能完整地描述不同纖維摻量的韌性性能。

圖5 不同纖維體積摻量的韌性指數(shù)Fig.5 Toughness index of different fiber volume content

圖6 不同粉煤灰摻量的韌性指數(shù)Fig.6 Toughness index of different fly ash content

3.2 粉煤灰摻量對(duì)彎曲韌性的影響

圖6為不同粉煤灰摻量對(duì)UHTCC韌性指數(shù)的影響。對(duì)比不同的粉煤灰摻量，可以看出韌性指數(shù)均隨粉煤灰摻量的增加先增大后減小，F(xiàn)/C為1.2時(shí)各階段韌性指數(shù)最大，表明粉煤灰摻量存在一個(gè)最佳值使得UHTCC彎曲韌性最好。從增韌角度分析，由于纖維被水化凝膠體包圍結(jié)合，形成粘結(jié)強(qiáng)度較高的纖維-基體界面，過(guò)大的粘結(jié)強(qiáng)度使得纖維破壞形式為拔斷破壞，不能充分發(fā)揮其增韌作用；粉煤灰為球狀結(jié)構(gòu)，摻入適量粉煤灰，不僅可以弱化纖維-基體界面的粘結(jié)強(qiáng)度，其滾珠作用可以使纖維更容易從基體中滑動(dòng)拔出，UHTCC極限撓度增加，增大了耗能能力；但是當(dāng)粉煤灰摻量過(guò)大時(shí)，由于粉煤灰的火山灰效應(yīng)需要堿性水化產(chǎn)物的激發(fā)，過(guò)大的粉煤灰摻量使得材料強(qiáng)度損傷超過(guò)跨中撓度增強(qiáng)效果，荷載-撓度曲線包絡(luò)面積減小，韌性指數(shù)減小。

從不同階段的韌性指數(shù)來(lái)看，不同粉煤灰摻量的韌性指數(shù)值均逐漸增大，峰值荷載時(shí)韌性指數(shù)分別達(dá)到59.45、103.03、90.42，表明隨跨中撓度的增加UHTCC吸收的能量逐漸增加，且峰值荷載時(shí)荷載-撓度曲線所包絡(luò)的面積較大，UHTCC具有較好的彎曲變形能力；F/C為1.0時(shí)，未能測(cè)出I50的值，表明粉煤灰摻量低時(shí)，會(huì)一定程度地降低UHTCC持續(xù)吸收能量的能力。

3.3 水膠比對(duì)彎曲韌性的影響

圖7為不同水膠比對(duì)UHTCC韌性指數(shù)的影響。從圖7中可以看出，不同水膠比的韌性指數(shù)有明顯的區(qū)別。隨水膠比的增大，I5值減小，表明在加載初期，纖維未能充分發(fā)揮作用，施加于試件上的能量基本由基體吸收，水膠比較大時(shí)，承受的彎拉荷載降低，造成荷載-撓度曲線所包絡(luò)的面積減小，韌性指數(shù)減小。隨荷載的增大，能量吸收方式逐漸轉(zhuǎn)為基體開裂耗能與纖維耗能，此時(shí)隨著水膠比增大，韌性指數(shù)逐漸增大，且m越大增加幅度越大；這是由于水膠比增大后，降低了纖維-基體界面的化學(xué)粘結(jié)力，纖維依靠界面間摩擦粘結(jié)力滑動(dòng)拔出，繼續(xù)耗能[17]。峰值荷載時(shí)，隨水膠比的增大，IU先增大后減小，表明過(guò)大的水膠比使得UHTCC極限強(qiáng)度降低，韌性指數(shù)減小。

不同階段的韌性指數(shù)逐漸增大且均大于m，Im與m的差值也逐漸增大，表明UHTCC優(yōu)異的應(yīng)變硬化與多縫開裂能力，使得其能夠持續(xù)耗能，保證了UHTCC在長(zhǎng)期使用過(guò)程中的性能。水膠比為0.24和0.28時(shí)，未能測(cè)得I50，說(shuō)明水膠比較低時(shí)，親水性PVA纖維與基體的界面性質(zhì)較差，未能充分發(fā)揮橋聯(lián)作用，跨中撓度較小，同時(shí)過(guò)高的水膠比降低了UHTCC的極限強(qiáng)度，荷載-撓度曲線包絡(luò)面積減小，相應(yīng)韌性指數(shù)減?。唤Y(jié)合IU先增大后減小的變化規(guī)律，可以看出水膠比過(guò)大或過(guò)小都會(huì)降低UHTCC持續(xù)耗能的能力。

圖7 不同水膠比的韌性指數(shù)Fig.7 Toughness index of different water-binder ratios

圖8 UHTCC韌性指數(shù)與極限跨中撓度Fig.8 UHTCC toughness index and ultimate mid-span deflection

3.4 極限跨中撓度與IU的關(guān)系

極限跨中撓度與韌性指數(shù)的關(guān)系如圖8所示。通過(guò)對(duì)極限跨中撓度與IU的相關(guān)性分析，得到兩者的二次曲線模型。曲線二次項(xiàng)系數(shù)為負(fù)值，表明并不是極限跨中撓度越大UHTCC的彎曲韌性越好，當(dāng)粉煤灰摻量增多或水膠比增大引起的強(qiáng)度損傷超過(guò)對(duì)跨中撓度的增強(qiáng)效果時(shí)，會(huì)對(duì)UHTCC的彎曲韌性造成負(fù)面影響。極限跨中撓度能夠直觀反映UHTCC與金屬相比擬的最大彎曲變形能力，從極限跨中撓度與IU的回歸分析中可以看出，對(duì)于不同的纖維體積摻量、水膠比、粉煤灰摻量，IU與極限跨中撓度具有良好的相關(guān)性；且峰值荷載時(shí)的撓度所對(duì)應(yīng)的IU幾乎包括荷載-撓度曲線的全部，能夠較為全面的表現(xiàn)出UHTCC的能量吸收能力，因此，IU能夠較好地反映UHTCC的彎曲變形能力，使用IU作為量化UHTCC韌性性能的指標(biāo)，能夠較為準(zhǔn)確地描述UHTCC在服役過(guò)程中吸收能量的能力。

4 結(jié) 論

(1)纖維的摻入能夠明顯提高UHTCC的極限彎拉荷載與極限跨中撓度，提高能量吸收能力，增大韌性指數(shù)，且m值越大韌性增加效果越明顯。

(2)粉煤灰摻量增加能夠使得纖維更容易滑動(dòng)拔出，提高UHTCC的極限跨中撓度，從而提高其韌性性能；但由于其對(duì)極限彎拉荷載的影響較小，粉煤灰摻量過(guò)大則會(huì)使得荷載-撓度曲線包絡(luò)面積減小，從而降低彎曲韌性；存在最佳粉煤灰摻量使得UHTCC韌性性能最好。

(3)水膠比增大降低了基體強(qiáng)度，使得開裂前期韌性指數(shù)減小，隨荷載的增加，由于水膠比增大降低了纖維-基體界面化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度，跨中撓度增大，提高了UHTCC的韌性性能，在峰值荷載時(shí)，較大水膠比降低了UHTCC極限強(qiáng)度，韌性性能相應(yīng)降低。

(4)IU與極限跨中撓度具有良好的相關(guān)性，使用IU能較好地描述UHTCC的彎曲變形能力，可以使用IU量化UHTCC在服役過(guò)程中的能量吸收能力與彎曲韌性性能。