李大運(yùn)，孫詩(shī)兵，呂 鋒，田英良，金曉冬

(北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124)

1 概述

水泥基復(fù)合材料是一種易開(kāi)裂、韌性低的脆性材料。近年來(lái)，眾多學(xué)者研究表明，水泥基材料中摻入纖維可阻止自身缺陷的擴(kuò)展，提高基體強(qiáng)度以及變形能力[1]。這是因?yàn)槔w維摻入到水泥基材料后，可以有效的抑制水泥基材料內(nèi)部裂紋擴(kuò)展至聯(lián)通[2]，分散應(yīng)力分布，從而提高水泥基材料的斷裂性能[3]。

目前研究較多的纖維分兩種:一種是高彈性模量纖維，主要代表為鋼纖維，Zhang Peng等[4]研究發(fā)現(xiàn)鋼纖維摻量為0.5%～2%時(shí)，試件的斷裂韌性和斷裂能逐漸增加；另外一種是低彈性模量纖維，例如玻璃纖維，聚丙烯纖維，聚乙烯醇纖維等。鄧宗才等[5]研究了玻璃纖維對(duì)混凝土斷裂性能的影響，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維抑制裂縫擴(kuò)展的能力較強(qiáng)。漆貴海等[6]研究了PP纖維的長(zhǎng)度對(duì)超高強(qiáng)混凝土斷裂性能的影響。郭麗萍等[7]研究了PVA纖維對(duì)混凝土抗裂和韌性的影響。但目前關(guān)于不同種類纖維對(duì)HPCC斷裂性能的影響，沒(méi)有完整的概述[8-11]，由于不同研究者之間的試驗(yàn)配比不同，故不同纖維間、同種纖維不同體積分?jǐn)?shù)間可比性不好。因此本文基于斷裂力學(xué)，探討不同體積分?jǐn)?shù)的玻璃纖維、PP纖維、PVA纖維和鋼纖維對(duì)HPCC斷裂性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 原材料及配合比

水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，為中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院提供；砂子為中級(jí)砂，為中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院提供；減水劑為PCA-I聚羧酸型高效減水劑，固含量為20%，為江蘇蘇博特提供，其性能參數(shù)見(jiàn)表1；水為自來(lái)水；硅灰為鉑潤(rùn)公司提供，性能參數(shù)見(jiàn)表2；可再分線性乳膠粉為皖維8020；玻璃纖維、PP纖維、PVA纖維、鋼纖維的力學(xué)性能與物理參數(shù)見(jiàn)表3；HPCC配合比見(jiàn)表4。

表1 聚羧酸高效減水劑性能參數(shù)

表2 硅灰性能參數(shù)

表3 纖維的幾何物理參數(shù)

表4 HPCC配合比 kg/m3

2.2 試件制備

參考DL/T 5332—2005水工混凝土斷裂試驗(yàn)規(guī)程、GB/T 15231—2008玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法和國(guó) 際材料及結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室聯(lián)合會(huì)(RILEM)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。一組6個(gè)試樣，共27組。各類纖維摻量見(jiàn)表5。試件采用預(yù)混方式制作，將纖維加到水泥、硅灰、可再分散性乳膠粉中，攪拌30 s，隨后加入高效減水劑和水的混合液，攪拌60 s，最后加入中級(jí)砂，攪拌60 s，澆筑到模具中振實(shí)。放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28 d，養(yǎng)護(hù)28 d后在試件中間位置切出13 mm深的預(yù)制縫。

表5 試件編號(hào)及纖維摻量

2.3 三點(diǎn)彎曲斷裂試驗(yàn)

三點(diǎn)彎曲斷裂試驗(yàn)跨距為130 mm，利用美特斯CDT1305 電子壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，加載示意圖如圖1所示，壓力機(jī)加載速度為2 mm/min，加載方式為上支架向下移動(dòng)。在試樣跨中切口段放置YYJ-4/10電子引伸計(jì)，用橡皮筋固定，測(cè)量試件裂縫口的張開(kāi)位移CMOD。由于纖維增強(qiáng)水泥具有較好的韌性，試樣斷裂后加載載荷很難變?yōu)?，所以加載荷載降至峰值荷載的10%時(shí)停止加載。試驗(yàn)中主要測(cè)量了HPCC的P-CMOD曲線、起裂荷載、峰值荷載，并計(jì)算出斷裂能以及起裂韌度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的斷裂分為5個(gè)階段：1)水泥基材料發(fā)生彈性變形，并未斷裂；2)細(xì)觀裂縫產(chǎn)生，但沒(méi)有連接貫通；3)細(xì)觀裂縫擴(kuò)展至貫通，形成宏觀裂縫；4)水泥基體斷裂，纖維拉斷或開(kāi)始拔出；5)纖維均被拔出或斷裂，形成斷裂區(qū)。

圖2為摻雜不同種類纖維的HPCC試件的破壞特征，由圖2(a)可見(jiàn)：摻雜玻璃纖維的試件出現(xiàn)明顯的脆性斷裂，在出現(xiàn)砰的一聲后，裂紋迅速向上擴(kuò)展至試件的頂部，斷截面無(wú)明顯的纖維絨毛，說(shuō)明在試樣斷裂時(shí)纖維也隨之?dāng)嗔眩瑳](méi)有拔出。即玻璃纖維并沒(méi)有明顯增強(qiáng)水泥基材料的韌性，水泥基材料與纖維的握裹力大于纖維的拉拔強(qiáng)度。由圖2(b)可見(jiàn)在斷裂處有PP纖維在不斷的拔出，并可以聽(tīng)到滋滋的聲音。在斷截面有大量的纖維絨毛，產(chǎn)生原因?yàn)樵嚰嗔褧r(shí)，大量纖維拔出。圖2(c)為含PVA試件的破壞特征，試件在斷裂時(shí)有一定的延展性，觀察斷截面可以發(fā)現(xiàn)有少量纖維絨毛，即斷裂過(guò)程纖維拔拉斷的數(shù)量遠(yuǎn)大于纖維拔出的數(shù)量。圖2(d)為含鋼纖維試件的破壞特征，摻雜鋼纖維的試件在斷裂過(guò)程中表現(xiàn)出良好的韌性，裂紋緩慢向上擴(kuò)展。在斷截面發(fā)現(xiàn)有大量的鋼纖維拔出。

3.2 P-CMOD曲線分析

圖3為摻雜玻璃纖維、PP纖維、PVA纖維、鋼纖維的HPCC試件的P-CMOD曲線。

由圖3(a)可以看出，玻璃纖維對(duì)峰值載荷影響較大，當(dāng)玻璃纖維體積分?jǐn)?shù)從0.4%增加到1.6%時(shí)，試件的峰值荷載逐漸增大；當(dāng)玻璃纖維體積分?jǐn)?shù)超過(guò)2.0%時(shí)，試件的峰值荷載降低，表明適當(dāng)摻雜玻璃纖維可以提高HPCC的峰值載荷；當(dāng)玻璃纖維體積分?jǐn)?shù)從0%變化到2.0%時(shí)，P-CMOD曲線的飽滿度也基本呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)玻璃纖維體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1.6%時(shí)，P-CMOD曲線最為飽滿。表明隨著玻璃纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，對(duì)HPCC抵抗裂縫擴(kuò)展的能力呈現(xiàn)先增強(qiáng)后降低的趨勢(shì)。

由圖3(b)可以看出，PP纖維對(duì)峰值載荷無(wú)顯著影響，當(dāng)PP纖維摻量在0%～2.0%之間，峰值載荷在1.2 kN～1.4 kN之間；摻雜PP纖維HPCC試件的P-CMOD曲線在初裂階段與素PC類似，即初裂前曲線呈線性發(fā)展，在達(dá)到峰值荷載后曲線呈下降趨勢(shì)。但與素PC不同的是，摻雜PP纖維系列試件初裂后仍可以繼續(xù)承受荷載，P-CMOD曲線的飽滿度隨PP纖維體積分?jǐn)?shù)增加而增加。甚至當(dāng)PP纖維體積分?jǐn)?shù)大于1.2%時(shí)，表現(xiàn)出荷載下降后又繼續(xù)上升的二次強(qiáng)化現(xiàn)象。表明隨著PP纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，對(duì)HPCC抵抗裂縫擴(kuò)展的能力呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢(shì)。

圖3(c)為單摻PVA纖維HPCC試件的P-CMOD曲線，PVA纖維對(duì)峰值載荷無(wú)顯著影響，當(dāng)PVA纖維摻量在0%～2.0%之間，峰值載荷在1.2 kN～1.4 kN之間；PVA纖維體積分?jǐn)?shù)為0%，0.4%，0.8%，1.2%的試樣在CMOD為0.06 mm時(shí)發(fā)生斷裂；PVA纖維體積分?jǐn)?shù)為1.6%,2.0%的試樣在CMOD為0.09 mm時(shí)發(fā)生斷裂，在PVA纖維含量(體積分?jǐn)?shù))小于1.2%時(shí)不能有效提升HPCC的韌性；當(dāng)PVA纖維體積分?jǐn)?shù)從0%變化到2.0%時(shí)，P-CMOD曲線的飽滿度也呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，當(dāng)PVA纖維體積分?jǐn)?shù)達(dá)到2.0%時(shí)，出現(xiàn)二次強(qiáng)化現(xiàn)象。表明隨著PVA纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，對(duì)HPCC抵抗裂縫擴(kuò)展的能力呈現(xiàn)先增強(qiáng)的趨勢(shì)。

圖3(d)為不同鋼纖維含量(體積分?jǐn)?shù))的P-CMOD曲線，鋼纖維摻量在0.4%，0.8%，1.6%，2.0%，3.0%時(shí)，峰值載荷在1.25 kN左右，摻量為1.2%時(shí)，最大載荷為0.75 kN，摻量為4.0%時(shí)，最大載荷為2.0 kN；當(dāng)鋼纖維摻量為3.0%時(shí)，二次強(qiáng)化的載荷約等于峰值載荷，P-CMOD曲線變得扁平，即HPCC斷裂的力等于鋼纖維拔出的力，處于“適筋”狀態(tài)。因此鋼纖維摻量應(yīng)不小于3.0%最為適宜。表明隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，對(duì)HPCC抵抗裂縫擴(kuò)展的能力呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢(shì)。

綜上所述，對(duì)于4種纖維來(lái)說(shuō)，摻雜玻璃纖維時(shí)，峰值載荷最大；4種纖維都能夠有效延緩裂紋的擴(kuò)展，且隨著纖維摻量的增多，增韌效果越好；4種纖維摻量相同時(shí)，對(duì)HPCC斷裂性能效果由大到小排序?yàn)镻P纖維>鋼纖維>PVA纖維>玻璃纖維。

3.3 斷裂能和起裂韌度分析

3.3.1 斷裂能

斷裂能GF是裂紋擴(kuò)展單位面積所需的能量，本文采用Hillerborg等[12]提出的RILEM 50-FMC(WFM)進(jìn)行計(jì)算，GF單位為N/m，按式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

其中,W0為斷裂功，J；m為支架間試件的質(zhì)量，kg；Alig為韌帶面積,m2；g為9.81 m/s2；b為試件厚度，m；d為試件高度，m；a0為初始開(kāi)口長(zhǎng)度，m。

3.3.2 起裂韌度

(2)

其中:

(3)

其中ac應(yīng)按照式(4)計(jì)算:

(4)

其中，h0為裝置夾式引伸計(jì)刀口薄鋼板的厚度，m；Vc為裂縫口張開(kāi)位移值，μm；E為計(jì)算彈性模量，GPa。

其中，E按式(5)計(jì)算；

(5)

3.3.3 斷裂參數(shù)的計(jì)算結(jié)果與分析

據(jù)上述公式計(jì)算出的各試件斷裂能和起裂韌度如表6所示。

表6 試件編號(hào)及纖維參量

由表6可知：1)單摻玻璃纖維的HPCC試件，其斷裂能在纖維體積分?jǐn)?shù)為1.6%時(shí)最大為450.66 N/m，為素PC試件斷裂能的2.03倍，起裂韌度在纖維體積分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)最大，為素PC試件斷裂能的2.45倍。2)對(duì)于PP纖維來(lái)說(shuō)，試件的斷裂能隨纖維增多而提升，在纖維體積為2.0%時(shí)，斷裂能最大為5 342.30 N/m，是素PC斷裂能的24.00倍，摻雜PP纖維后，起裂韌度會(huì)有所提升，PP纖維摻量的改變對(duì)起裂韌度影響不大。3)單摻PVA纖維的HPCC試件，其斷裂能隨纖維摻量增多而提升，在纖維體積為2.0%時(shí)，斷裂能最大為850.45 N/m，是素PC斷裂能的3.82倍。PVA纖維體積分?jǐn)?shù)為0.4%～2.0%時(shí)，起裂韌度為0.64 MPa·m1/2～0.74 MPa·m1/2，相比于素PC的0.55 MPa·m1/2有所提升，但PVA纖維摻量的改變對(duì)起裂韌度影響不大。4)隨著鋼纖維含量的增加，斷裂能不斷增大，鋼纖維的體積分?jǐn)?shù)為4.0%時(shí)，斷裂能最大為5 133.88 N/m，為素PC斷裂能的22倍。在鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1.2%時(shí)，起裂韌度降低，是因?yàn)樵赑-CMOD曲線中沒(méi)有出現(xiàn)傳統(tǒng)的峰值載荷，載荷不斷增加沒(méi)有出現(xiàn)明顯的下降，在高位震蕩，高性能水泥基材料斷裂的力要小于鋼纖維拔出的力。在水泥基材料斷裂后，只有鋼纖維阻止裂縫擴(kuò)展，從而產(chǎn)生了這種P-CMOD曲線。

3.4 纖維增強(qiáng)增韌機(jī)理分析

對(duì)于玻璃纖維來(lái)說(shuō)，在HPCC試件斷裂時(shí)屬于脆性破壞，玻璃纖維可以提高水泥基材料的斷裂性能，但纖維含量過(guò)多就會(huì)降低斷裂性能，纖維分散不均導(dǎo)致誤差增大。由圖2(a)可以看出在試樣斷截面沒(méi)有明顯的玻璃纖維，說(shuō)明在斷裂過(guò)程中發(fā)生的是玻璃纖維的斷裂而不是拔出，水泥基材料與玻璃纖維的握裹力大于玻璃纖維的抗拉強(qiáng)度；又因?yàn)椴ＡЮw維提升了水泥基材料的斷裂性能，可以推斷出纖維斷裂的力大于水泥基材料裂開(kāi)的力。所以可以通過(guò)添加抗拉強(qiáng)度更大的玻璃纖維進(jìn)一步提升水泥基材料的斷裂性能；PP纖維可以有效的提高水泥基材料的斷裂性能，PP纖維增強(qiáng)水泥要比玻璃纖維增強(qiáng)水泥有優(yōu)秀的斷裂性能，但斷裂韌度略低于玻璃纖維增強(qiáng)水泥。從圖2(b)可以看出在試樣斷截面有許多PP纖維，說(shuō)明在斷裂過(guò)程中發(fā)生的是PP纖維的拔出而不是斷裂，水泥基材料與PP纖維的握裹力小于PP纖維的抗拉強(qiáng)度；所以PP纖維增強(qiáng)水泥的斷裂性能隨PP纖維含量增加而提升，且斷裂破壞形式屬于韌性破壞；PVA纖維可以提高水泥基材料的斷裂性能，在體積分?jǐn)?shù)為2.0%以下，隨著纖維含量的增多，對(duì)HPCC試件的斷裂性能提升越大，但纖維分散不均導(dǎo)致誤差也在不斷增大。由圖2(c)可以看出在試樣斷截面沒(méi)有太多明顯的PVA纖維，說(shuō)明在斷裂過(guò)程中發(fā)生的是PVA纖維斷裂，少量PVA纖維由于與水泥基材料的握裹力較小造成了纖維拔出。綜合來(lái)看，相同體積分?jǐn)?shù)的PVA纖維增強(qiáng)水泥的斷裂性能介于玻璃纖維和鋼纖維之間；摻雜鋼纖維HPCC試件的斷裂截面如圖2(d)所示，斷截面有大量鋼纖維，鋼纖維對(duì)試件的斷裂性能有明顯的提升，且隨著纖維含量的增加，斷裂性能直線上升。由于鋼纖維的抗拉強(qiáng)度較大，表面較為光滑，在斷裂過(guò)程中對(duì)后期裂縫的阻滯效果較好，屬于韌性破壞。

4 結(jié)語(yǔ)

1)對(duì)于玻璃纖維來(lái)說(shuō)，體積分?jǐn)?shù)為1.2%時(shí)，斷裂性能最好，斷裂能為401.8 N/m，相比素混凝土提升了84.6%，斷裂韌度為1.37 MPa·m1/2,提升了66.7%；PP纖維體積分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)斷裂性能最好，斷裂能為5 342.3 N/m，相比素水泥提升了2 300.0%，斷裂韌度為0.96 MPa·m1/2,提升了31.8%；PVA纖維體積分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)斷裂性能最好，斷裂能為850.45 N/m，提升了282.1%，斷裂韌度為0.86 MPa·m1/2，提升了17.9%；鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為4.0%時(shí) 斷裂性能最好，斷裂能為5 133.88 N/m，提升了2 206.5%，斷裂韌度為1.12 MPa·m1/2,提升了54.0%。

2)這4種不同種類的纖維，對(duì)高性能水泥基復(fù)合材料的斷裂性能的提升效果由大到小排序?yàn)椋篜P纖維>鋼纖維>PVA纖維>玻璃纖維。