王秋生， 溫 唯， 羅 昊， 易 勇

(1.北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點實驗室， 北京 100124； 2.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院， 長沙 410012)

1 研究背景

為了改善水泥基材料的拉伸性能，Li等[1]以“纖維橋聯(lián)”理論為核心，結(jié)合初裂準則與穩(wěn)態(tài)開裂準則，提出工程水泥基復(fù)合材料(engineered cementitious composites，ECC)的概念，并應(yīng)用聚乙烯醇纖維研制出聚乙烯醇纖維增強工程水泥基復(fù)合材料(polyvinyl alcohol fiber reinforced engineered cementitious composites，PVA-ECC)材料[2].PVA-ECC的高韌性與多裂縫穩(wěn)態(tài)開展模式有效彌補了普通混凝土脆性大、裂縫寬度大、耐久性能差的缺陷[3-5]，在工程中得到較為廣泛的應(yīng)用.

PVA-ECC達到峰值應(yīng)力前有較長的彈塑性階段，其較強的應(yīng)變硬化性能來源于拉伸荷載作用下保持穩(wěn)態(tài)的多細微裂縫發(fā)展.當PVA-ECC同時滿足初裂準則與穩(wěn)態(tài)開裂準則時，便會具備較強的應(yīng)變硬化性能[6-7].

初裂準則要求材料第一裂紋處的拉伸應(yīng)力不得超過基體中纖維可獲得的最大橋聯(lián)應(yīng)力，當材料不滿足初裂準則時，纖維會直接從基體中被拉出或扯斷，應(yīng)力隨之驟降；穩(wěn)態(tài)開裂準則也稱為能量準則，要求裂紋尖端開裂韌度要小于裂紋開裂最大韌度，裂紋尖端的開裂韌度由穩(wěn)態(tài)開裂應(yīng)力決定，其大小應(yīng)小于纖維最大橋聯(lián)應(yīng)力.

粉煤灰是PVA-ECC中重要的膠凝材料，摻入基體后能夠減弱水泥顆粒間的黏聚效應(yīng)，提升材料流動性；粉煤灰與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠，能夠改善骨料與水泥間的界面結(jié)構(gòu)并有效降低基體與纖維的結(jié)合強度[8]，增強材料的韌性；另外粉煤灰消耗基體中的氫氧化鈣，可以提高基體強度.粉煤灰本身活性較低，水化速度較慢，吸水性可以達到130%，粉煤灰摻量較大時會顯著提升PVA-ECC的韌性[9]，但是會降低拌制漿體的流動性；粉煤灰摻量較小時，小幅降低基體與纖維的粘結(jié)強度，材料的韌性無法得到提升.因此，合適的粉煤灰摻量對于提高PVA-ECC的韌性十分重要.

本文應(yīng)用拉伸試驗研究粉煤灰摻量對PVA-ECC抗拉性能的影響，提出粉煤灰的合適摻量范圍；應(yīng)用光學(xué)掃描研究PVA-ECC試件斷口處的破壞特征，把纖維破壞模式與拉伸應(yīng)力指數(shù)相聯(lián)系，探討PVA-ECC獲得高拉伸應(yīng)變的評價方法.

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗材料及性能

本試驗使用的膠凝材料包括硅酸鹽水泥(P·O42.5型)、一級粉煤灰和硅灰，其中：水泥的平均粒徑為45.184 μm，比表面積為0.986 m2/g；粉煤灰的平均粒徑為19.282 μm，比表面積為1.25 m2/g；硅灰用來增加膠凝材料流動性，其本身對強度無影響，硅灰摻量為5%以下攪拌時對纖維的分散有利.水泥和粉煤灰的化學(xué)成分見表1、2.試驗采用平均粒徑為149 μm (100目)的石英砂、二水合硫酸鈣以及日本Kuraray公司生產(chǎn)的REC-15型PVA纖維，纖維的物理屬性見表3.為加強大摻量粉煤灰PVA-ECC的流動性，采用含固量為15.8%、減水率為28%的聚羧酸類減水劑.

表1 水泥化學(xué)成分

表2 粉煤灰化學(xué)成分

表3 PVA纖維物理屬性

2.2 試件制備與試驗方法

為保證拌制漿體良好的流動性，定制容量為100 L的橫臥式強制攪拌機：攪拌機轉(zhuǎn)軸配備2把大轉(zhuǎn)刀，6把小轉(zhuǎn)刀；電機轉(zhuǎn)速可調(diào)，每分鐘最大轉(zhuǎn)速為160轉(zhuǎn).攪拌機細部結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 攪拌機示意圖Fig.1 Schematic diagram of mixer

PVA-ECC攪拌工藝為：按照比例稱取對應(yīng)原材料，將減水劑加入水中，使用玻璃棒攪拌均勻；將除PVA纖維外的干料放入攪拌機，以75 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌1 min，隨后加入PVA纖維，加大到95 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌1 min；倒入一半的溶液，并以90 r/min的速度攪拌1 min，隨后將剩下一半溶液倒入，加大到120 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌2 min；最后得到PVA-ECC漿體，整體攪拌耗時5 min.抗拉試件12 h脫模，養(yǎng)護至齡期28 d并磨平試件表面.

抗拉試驗的試件尺寸為260 mm×50 mm×15 mm，每組5個，加載采用位移控制，速率為0.1 mm/min.通過傳感器連接計算機來獲取實時數(shù)據(jù)并生成測試件的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線.

2.3 試驗配合比設(shè)計

試驗配合比如表4所示.配合比的設(shè)計以PVA-ECC的設(shè)計理論、文獻為主要基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場試配情況進行調(diào)整.其中，粉煤灰摻量范圍為17%～70%，水膠比均小于0.3，PVA纖維摻量按照拌制漿體體積為1.0計算，其余組分按照膠凝材料質(zhì)量為1.0來計算.設(shè)置配合比編號的格式為E-X-Y，E代表ECC材料，X代表粉煤灰比例，Y代表硫酸鈣比例.例如，E-17-2代表粉煤灰摻量為17%、硫酸鈣摻量為2%的PVA-ECC材料.

表4 試驗配合比

配比表中設(shè)置參量為2%硫酸鈣的對照組，旨在證明粉煤灰摻量是影響材料抗拉性能的主要原因[10]；E-17-2、E-18-0、E-28-2三組配比為石英砂的對照組，石英砂對材料的抗拉性能影響有限，旨在證明粉煤灰摻量是影響材料抗拉性能的主要原因.

3 結(jié)果與討論

3.1 粉煤灰摻量的影響

如圖2所示，3組配比的拉伸應(yīng)變均低于2%.配比E-17-2與配比E-18-0的PVA纖維摻量均為1%，二者拉伸應(yīng)變均低于1%；配比E-28-2的PVA纖維摻量為2%，拉伸應(yīng)變值高于前者.3組配比的粉煤灰摻量較低，纖維與基體的黏結(jié)強度較高，纖維在拔出過程中易斷裂，材料的初裂強度與抗拉強度較高，拉伸應(yīng)變較低.

圖2 E-17-2、E-18-0、E-28-2初裂強度及拉伸應(yīng)變Fig.2 Initial crack strength and tensile strain of E-17-2, E-18-0 and E-28-2

如圖3所示， E-50-0比E-50-2增加了2%摻量的硫酸鈣，其延性減弱了0.32%.PVA-ECC中摻入硫酸鈣作為化學(xué)活化劑會激活粉煤灰與水泥的火山灰反應(yīng)，硫酸鈣的加入相對應(yīng)地消耗了粉煤灰.粉煤灰對于基體與纖維的黏結(jié)強度起決定作用，當粉煤灰減少時，纖維和基體黏結(jié)強度對應(yīng)增大，這會對應(yīng)削弱纖維的滑移過程，材料應(yīng)變能力也對應(yīng)減弱.但硫酸鈣摻量在2%時消耗粉煤灰的量較少，對試件的延性影響有限.

圖3 E-50-0與E-50-2初裂強度及拉伸應(yīng)變Fig.3 Initial crack strength and tensile strain of E-50-0 and E-50-2

從圖4發(fā)現(xiàn)：當粉煤灰摻量為45%～60%時，隨著粉煤灰摻量的增大，試件的拉伸應(yīng)變會對應(yīng)上升；當粉煤灰摻量在60%～70%時，其拉伸應(yīng)變隨粉煤灰摻量增大而減小.當其摻量不足時，材料韌性不足；當其摻量過大時，纖維無法獲得較好的滑移硬化過程.當粉煤灰摻量在55%～65%時，初裂強度隨粉煤灰摻量的增大而減小，較低的初裂強度可以使纖維獲得較好的滑移硬化過程.配比為E-65-2的拉伸應(yīng)變比配比為E-60-2的拉伸應(yīng)變小0.28%，但初裂強度卻小0.72 MPa，說明配比為E-65-2時，有著較好的纖維滑移硬化過程，材料的抗拉性能更高.

圖4 試件初裂強度及拉伸應(yīng)變Fig.4 Initial crack strength and tensile strain of specimen

結(jié)合數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當粉煤灰摻量在60%～65%時，PVA-ECC會具備較高的抗拉性能.

3.2 纖維破壞形式

在拉伸試驗后，用光學(xué)顯微鏡對試件破壞斷口處進行纖維形態(tài)觀察.材料破壞機理可由纖維與基體的黏結(jié)強度強弱分為3種：“拔出型”“斷裂型”“滑移硬化型”.

當顯微鏡下的纖維形態(tài)如圖5所示時，纖維破壞模式為“拔出型”.當拉伸試驗結(jié)束后，主裂縫周圍基體破碎，紅圈標注處可觀察到纖維長度較長.此破壞模式下的材料含有高摻量的粉煤灰，呈現(xiàn)出低抗拉強度、高拉伸應(yīng)變的力學(xué)特征.粉煤灰摻量過大，材料早期水化程度會對應(yīng)減弱，基體與纖維之間的黏結(jié)強度較低.當拉伸荷載作用時，維會在第1道裂縫形成后更輕松地被拔出，細裂縫隨著較短長度的纖維拔出后發(fā)展為主裂縫，較長長度的纖維也隨之被拔出.

圖5 “拔出型”纖維形態(tài)Fig.5 “Pull-out type” fibers

當顯微鏡下的纖維形態(tài)如圖6所示時，纖維破壞模式為“斷裂型”.當拉伸試驗結(jié)束后，主裂縫周邊基體沒有“拔出型”.試件破壞明顯，紅圈標注處可以觀察到纖維的拔出長度較短，并且纖維端頭有斷裂痕跡.此破壞模式下的材料粉煤灰摻量較小，呈現(xiàn)出高抗拉強度的力學(xué)特征.粉煤灰摻量較小時，基體與纖維的黏結(jié)強度較高.當拉伸荷載作用時，纖維與基體間較強的黏結(jié)強度導(dǎo)致其很難被拔出，隨著試驗進行，纖維承受的應(yīng)力超過纖維橋聯(lián)應(yīng)力，纖維便發(fā)生斷裂.

圖6 “斷裂型”纖維形態(tài)Fig.6 “Fracture type” fibers

當顯微鏡下的纖維形態(tài)如圖7所示時，纖維破壞模式為“滑移硬化型”.當拉伸試驗結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)纖維的拔出長度中等，摩擦痕跡嚴重，纖維端部損傷嚴重.這代表纖維拔出時與基體發(fā)生劇烈摩擦，纖維在拔出的過程中發(fā)揮應(yīng)變硬化性能，使得材料具備較高的抗拉強度與較強的拉伸應(yīng)變性能.

圖7 “滑移硬化型”纖維形態(tài)Fig.7 “Slip-hardening type” fibers

圖8為3條具有代表性的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線，其中：配比E-45-2 為“纖維斷裂”曲線，初裂強度高但曲線下降很快，應(yīng)變硬化程度低，其電鏡圖中纖維較短且端部不平整，表面纖維屬于斷裂后失效；E-65-0為“纖維拔出”曲線，抗拉強度較低，但具備較高的拉伸應(yīng)變，電鏡圖中纖維較長且表面平滑，裂縫周圍基體破碎嚴重，表明纖維屬于拔出后失效；配比E-60-2為 “纖維滑移硬化”曲線，可觀察到曲線波動較小，抗拉強度與拉伸應(yīng)變一直在持續(xù)增長，有著較好的應(yīng)變硬化過程，電鏡圖顯示纖維長度中等，摩擦痕跡嚴重，表明纖維在拔出過程中獲得較好的應(yīng)變硬化過程.

圖8 試件應(yīng)力- 應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curves of spcimens

3.3 拉伸應(yīng)力指數(shù)

Kanda等[11]發(fā)現(xiàn)當纖維最大橋聯(lián)應(yīng)力值大于等于初裂強度值的1.2倍時，PVA-ECC具備較強的應(yīng)變硬化性能.據(jù)此提出將纖維橋聯(lián)應(yīng)力值與初裂強度值的比值稱為拉伸應(yīng)力指數(shù)，并作為ECC材料的設(shè)計指標.當材料拉伸應(yīng)力指數(shù)滿足

σut/σfc>1.2

(1)

時，PVA-ECC的應(yīng)變硬化性能較強.部分高抗拉強度的PVA-ECC試件的拉伸應(yīng)力指數(shù)需滿足公式[12]

σut/σfc>1.3

(2)

本文中試件的拉伸應(yīng)變大于2%代表其應(yīng)變硬化性能較強，拉伸應(yīng)力指數(shù)的計算方法為材料直接拉伸試驗數(shù)據(jù)中的抗拉強度與初裂強度的比值.

根據(jù)試件的拉伸試驗結(jié)果，“斷裂型”試件的平均抗拉強度高于4 MPa，“滑移硬化型”試件的平均抗拉強度為3～4 MPa，“拔出型”試件的平均抗拉強度低于3 MPa.按照抗拉強度平均值對試件進行分組：3 MPa以下的配比歸類到T1組中；3～4 MPa的配比歸類到T2組中；4 MPa以上的配比歸類到T3組中.分別對T1、T2、T3組進行拉伸應(yīng)力指數(shù)的分析.

3.3.1 T1組分析

圖9為T1組的拉伸應(yīng)力指數(shù)- 拉伸應(yīng)變散點圖，圓形點為E-70-0配比，其散點的拉伸應(yīng)變值大于2%，拉伸應(yīng)力指數(shù)大于1.2時，數(shù)據(jù)點基本落在陰影區(qū)域中，這代表著其拉伸應(yīng)力指數(shù)在大于1.2時，試件具備著較強的抗拉性能.由圖中的方形點E-18-0可以發(fā)現(xiàn)，當PVA纖維的摻量為1%時，其拉伸應(yīng)變因纖維摻量低而無法到達2%，所以拉伸應(yīng)力指數(shù)達到1.2也無法使得拉伸應(yīng)變到達2%.

圖9 T1組試件拉伸應(yīng)力指數(shù)- 拉伸應(yīng)變散點圖Fig.9 Scatter diagram of tensile stress exponent-tensile strain of specimens in group T1

觀察E-70-0配比系列試件，發(fā)現(xiàn)其斷口處纖維大多較為光滑，并且裂縫周圍呈破碎狀.E-70-0配比粉煤灰摻量為70%，初裂強度平均值低.由于大摻量的粉煤灰存在，纖維與基體的黏結(jié)強度較弱，在受到拉伸荷載時，纖維在基體中滑移程度更大；初裂強度低，因此基體給纖維傳遞的力不高，纖維得以發(fā)揮高應(yīng)變能力.而較低的抗拉強度與較弱的基體則是試件承載時裂縫處發(fā)生破碎現(xiàn)象的原因.

這類纖維在破壞過程中的特征屬于“拔出型”纖維，拉伸應(yīng)力指數(shù)大于1.2也是“拔出型”纖維獲得大于2%拉伸應(yīng)變的一項必要條件.

3.3.2 T2組分析

圖10為T2組的拉伸應(yīng)力指數(shù)- 拉伸應(yīng)變散點圖，方形點為E-17-2配比和E-28-2配比，圓形點為E-50-2配比與E-65-2配比，三角形點為E-55-2、E-60-0和E-60-2配比.圖中僅有2個點未落入拉伸應(yīng)力指數(shù)大于1.2、拉伸應(yīng)變大于2%的陰影區(qū)域，其余全部處于陰影區(qū)域中.這代表著其拉伸應(yīng)力指數(shù)大于1.2時，試件的拉伸應(yīng)變達到2%以上.

圖10 T2組試件拉伸應(yīng)力指數(shù)- 拉伸應(yīng)變散點圖Fig.10 Scatter diagram of tensile stress exponent-tensile strain of specimens in group T2

由圖10中的方形點可以發(fā)現(xiàn)，粉煤灰摻量為28%時，整體水泥占比過大，材料脆性較大，摻量為2%的PVA纖維無法使材料本身的拉伸應(yīng)變到達2%.根據(jù)試驗結(jié)果顯示，粉煤灰摻量至少要達到40%時，纖維才可充分發(fā)揮其應(yīng)變作用.

觀察T2組中粉煤灰摻量在50%以上的試件，發(fā)現(xiàn)其斷口處纖維明顯出現(xiàn)大量劃痕，其初裂強度低于“斷裂型”試件.合適的粉煤灰摻量可以帶給纖維和基體較高的黏結(jié)強度，纖維在拔出的過程中，與基體發(fā)生了強烈摩擦，但二者黏結(jié)強度不夠強，無法將纖維扯斷，纖維因此產(chǎn)生較長的滑移過程并完全發(fā)揮自身的應(yīng)變硬化性能，材料因此獲得較高的拉伸應(yīng)變.

這類纖維在破壞過程中的特征屬于“滑移硬化型”纖維，拉伸應(yīng)力指數(shù)大于1.2也是“拔出型”纖維獲得大于2%拉伸應(yīng)變的一項必要條件.

3.3.3 T3組分析

圖11 T3組試件拉伸應(yīng)力指數(shù)- 拉伸應(yīng)變散點圖Fig.11 Scatter diagram of tensile stress exponent-tensile strain of specimens in group T3

圖11為T3組的拉伸應(yīng)力指數(shù)- 拉伸應(yīng)變散點圖，方形點為E-45-2配比，圓形點為E-50-0配比，三角形點為E-55-0配比.拉伸應(yīng)力指數(shù)在大于1.2時，存在拉伸應(yīng)變小于2%的數(shù)據(jù)點；在拉伸應(yīng)力指數(shù)大于1.3時，散點的拉伸應(yīng)變大于2%，均落在陰影區(qū)域中，占據(jù)所有數(shù)據(jù)點的78%.這代表著其拉伸應(yīng)力指數(shù)大于1.3時，該組試件的拉伸應(yīng)變達到了2%以上.

觀察此組試件，發(fā)現(xiàn)其斷口處纖維大多長度都較短，并且部分纖維有因斷裂而出現(xiàn)的頸縮現(xiàn)象.此組試件配比中粉煤灰摻量比T2組低，初裂強度較高.粉煤灰的摻量減少之后，纖維與基體的黏結(jié)強度隨之增加，在受到拉伸荷載時，纖維從基體中拔出的難度對應(yīng)增大；當纖維承載應(yīng)力超出自身橋聯(lián)應(yīng)力后，纖維便會因此斷裂.而初裂強度變高，拉伸應(yīng)力指數(shù)值隨之變小，所以整體標準需要上升到1.3才可以保證試件的拉伸應(yīng)變到達2%.

這類纖維在破壞過程中的特征屬于“斷裂型”纖維，拉伸應(yīng)力指數(shù)大于1.3應(yīng)是“斷裂型”纖維獲得大于2%拉伸應(yīng)變的一項必要條件.

不同的工程條件會對材料有不同的力學(xué)性能要求，針對初裂強度與抗拉強度需求大的特殊工程位置，“斷裂型”纖維會是更合適的纖維破壞模式，拉伸應(yīng)力指數(shù)的設(shè)計值應(yīng)提升到1.3；在一般的工程中，“滑移硬化型”纖維是最合適的纖維破壞模式，拉伸應(yīng)力指數(shù)設(shè)計值應(yīng)大于1.2.

4 結(jié)論

通過直接拉伸試驗與光學(xué)掃描研究了粉煤灰摻量對PVA-ECC應(yīng)變硬化性能的影響.得到以下結(jié)論：

1) 在粉煤灰摻量為45%～65%時，隨著粉煤灰摻量的增大，試件的抗拉性能會對應(yīng)提高；粉煤灰摻量在60%～65%時，PVA-ECC的抗拉性能較好.

2) “滑移硬化型”纖維的破壞模式可以對應(yīng)較高的極限抗拉強度和極限拉應(yīng)變.

3) 拉伸應(yīng)力指數(shù)大于1.2是“拔出型”與“滑移硬化型”纖維獲得大于2%拉伸應(yīng)變的必要條件；拉伸應(yīng)力指數(shù)大于1.3是“斷裂型”纖維獲得大于2%拉伸應(yīng)變的必要條件.