鮑文博， 付云鵬

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870)

目前，國內(nèi)外大多數(shù)研究人員為了解決水泥基復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度低、整體韌性差、呈脆性破壞的問題，在其基體內(nèi)摻加適量的纖維，通過纖維與水泥基復(fù)合材料的共同作用實(shí)現(xiàn)其阻裂和增韌性能[1].美國密歇根大學(xué)Li教授率領(lǐng)密歇根大學(xué)高等土木工程材料實(shí)驗(yàn)室(advanced civil engineering materials research laboratory，ACE-MRL)研究人員，開始了超高韌性水泥基復(fù)合材料的研制開發(fā)，研制出工程應(yīng)用的水泥基復(fù)合材料(engineered cementitious composite，ECC)[2]，它是一種采用低摻量纖維獲得的高韌性性能材料.國內(nèi)研究人員主要對(duì)水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能和工程應(yīng)用兩方面進(jìn)行分析，大連理工大學(xué)徐世烺教授從超高韌性水泥基復(fù)合材料的拉伸、壓縮、彎曲和斷裂性能進(jìn)行分析，得出超高韌性水泥基復(fù)合材料具有類似金屬材料的拉伸強(qiáng)化性能，其極限拉伸應(yīng)變可達(dá)3%以上，是一種可變形的纖維混凝土材料[3].

韌性是表征水泥基復(fù)合材料強(qiáng)度和延性的綜合指標(biāo).薛會(huì)青等[4]對(duì)PVA(聚乙烯醇纖維)水泥基復(fù)合材料進(jìn)行了彎曲韌性試驗(yàn)研究；王玉清等[5]對(duì)聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的剪切韌性進(jìn)行分析.然而國內(nèi)外學(xué)者[6-11]對(duì)PVA水泥基復(fù)合材料的壓縮韌性和拉伸韌性研究相對(duì)較少.本文通過借鑒ECC技術(shù)，采用粉煤灰替代部分水泥、用尾礦砂替代50%天然砂制備PVA增強(qiáng)尾礦砂水泥基復(fù)合材料，通過制作三種不同水膠比試件來進(jìn)行軸心抗壓和直接拉伸試驗(yàn)，采用韌性比和韌性指數(shù)雙特征指標(biāo)定量表征材料的壓縮韌性和拉伸韌性，可為實(shí)際土木工程提供參考.

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)制備PVA增強(qiáng)尾礦砂水泥基復(fù)合材料全部采用國內(nèi)原材料，采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為一級(jí)粉煤灰；天然砂為曬干以后的普通河砂，其粒徑大小為0.3～0.6 mm；尾礦砂為鐵礦山開采處理以后曬干的尾礦砂，其粒徑大小為0.15～0.30 mm，其組成成分如表1所示；減水劑為高效減水劑，其減水率最高可達(dá)40%；增稠劑化學(xué)名為羥丙基甲基纖維素，具有良好的增稠能力；纖維為PVA，此纖維具有較好的耐堿性和分散性，其力學(xué)性能如表2所示.

表1 尾礦砂組成成分Tab.1 Composition of tailing sand %

表2 PVA力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of PVA

1.2 試件制備

本試驗(yàn)采用三步制備PVA增強(qiáng)尾礦砂水泥基復(fù)合材料，首先將水泥、粉煤灰、天然砂和尾礦砂倒入U(xiǎn)JZ-15型水泥砂漿攪拌機(jī)進(jìn)行干拌2 min，然后加入總量為三分之二的水、減水劑和增稠劑濕拌4 min，最后加入PVA纖維和剩余的水混合攪拌2.5～4 min，使水泥砂漿攪拌機(jī)里的材料攪拌充分、均勻.攪拌后將材料倒入塑料模具中，振搗成型，表面覆蓋保鮮膜，24 h后脫模，放入濕度90%以上，溫度為20±3 ℃的養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后取出，晾干24 h后進(jìn)行試驗(yàn).圖1為軸心抗壓試件，圖2為直接拉伸試件.

圖1 軸心抗壓試件Fig.1 Axial compression specimen

圖2 直接拉伸試件Fig.2 Direct tensile specimen

1.3 試驗(yàn)方案

基于文獻(xiàn)[12-14]的研究，本試驗(yàn)采用2%的PVA纖維體積摻量和三組水膠比(0.25、0.30、0.35)的配比方案.PVA增強(qiáng)尾礦砂水泥基復(fù)合材料的水膠比如表3所示.

表3 PVA增強(qiáng)尾礦砂水泥基復(fù)合材料的水膠比Tab.3 Water binder ratio of PVA reinforced tailing sand-cement based composite

為了研究PVA增強(qiáng)尾礦砂水泥基復(fù)合材料性能，分別進(jìn)行了軸心抗壓試驗(yàn)和直接拉伸試驗(yàn)，并采用韌性比和韌性指數(shù)討論了材料韌性以及不同水膠比對(duì)其材料韌性性能的影響.根據(jù)《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS13：2009)規(guī)范要求，軸心抗壓試件為150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件，直接拉伸試件為400 mm×150 mm×12 mm的薄板試件，采用2%PVA纖維體積摻量試件(PVA reinforced cement-based composites of tailing sand，PRC)和素混凝土試件(TCC)進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)將試件進(jìn)行編號(hào)，根據(jù)0.25、0.30和0.35三種水膠比將試件分成三組，其中每組制作8個(gè)試件，保證每組試件的成功率不低于50%.圖3為軸心抗壓試驗(yàn)裝置，圖4為直接拉伸試驗(yàn)裝置.

圖3 軸心抗壓試驗(yàn)裝置Fig.3 Axial compression testing device

圖4 直接拉伸試驗(yàn)裝置Fig.4 Direct tensile testing device

2 結(jié)果及分析

考慮到試件的韌化程度和韌性質(zhì)量，本文選用文獻(xiàn)[1]得出的完全韌性比(簡(jiǎn)稱韌性比)和最大韌性指數(shù)(簡(jiǎn)稱韌性指數(shù))，采用雙特征指標(biāo)定量表征試件壓縮韌性和拉伸韌性.

2.1 壓縮韌性

圖5 軸壓荷載變形曲線Fig.5 Axial compression load-deformation curves

圖6 軸心抗壓能量吸收值Fig.6 Axial compression energy absorption values

圖7 軸心抗壓韌性比Fig.7 Axial compression toughness ratio

表4 不同壓縮變形下的能量吸收值Tab.4 Energy absorption values under different compressive deformation J

2.1.2 壓縮變形能

由表4可知，三種水膠比試件的壓縮變形能隨著壓縮變形的增加而不斷增大.圖6中，當(dāng)壓縮變形從3 mm到4 mm時(shí)，0.25、0.30和0.35水膠比試件的壓縮變形能增長(zhǎng)幅度分別為405.1%、390.29%、377.86%，在彈性變形階段，水膠比較低的試件初裂荷載值與初裂位移值較大，0.25水膠比試件壓縮變形能相對(duì)較大；當(dāng)壓縮變形為6 mm時(shí)，0.25水膠比試件壓縮變形能反而相對(duì)較小，可能存在的原因是0.25水膠比試件經(jīng)過強(qiáng)化階段后在壓縮變形為4.2 mm時(shí)達(dá)到最大荷載值，進(jìn)入破壞階段，當(dāng)軸心壓力不斷增大時(shí)，大量纖維拉斷同時(shí)試件表面產(chǎn)生的多條致密裂紋寬度逐漸增大，試件所承受的荷載隨著壓縮變形增加而快速下降，而0.30和0.35水膠比試件的壓縮變形能仍保持較高幅度的增長(zhǎng).

2.1.3 壓縮韌性性能分析

圖7列舉了不同水膠比下各組試件的韌性比.通常水泥基復(fù)合材料的壓縮韌性比取值范圍在0.5～1.0之間，PRC組當(dāng)水膠比為0.25、0.30、0.35時(shí)，相應(yīng)試件的韌性比為0.70、0.74和0.78，由此可見隨著水膠比的不斷增大，韌性比也有所增加.韌性比主要反映試件韌性的效果和質(zhì)量的好壞，在實(shí)際工程中，適當(dāng)提高水膠比有利于改善試件韌性效果和質(zhì)量，也增加了試件的壓縮韌性.TCC組的韌性比為0.5，加入纖維的0.35水膠比試件韌性比是其1.56倍，這也說明摻入適量纖維有助于改善試件的壓縮韌性.

圖8為不同水膠比下試件的韌性指數(shù).PRC組水膠比為0.25、0.30、0.35，所對(duì)應(yīng)的韌性指數(shù)分別為4.33、7.59和11.81，可以看出隨著水膠比的增加，試件的韌性指數(shù)相應(yīng)變大，0.35水膠比試件的韌性指數(shù)分別是0.25和0.30水膠比試件的2.73倍和1.56倍.韌性指數(shù)主要反應(yīng)水泥基復(fù)合材料試件的韌性大小和韌化程度，說明水膠比為0.35時(shí)試件的韌化程度要明顯優(yōu)于其余兩組配合比下的試件.與未加入纖維的水泥基復(fù)合材料TCC組相對(duì)比，其韌性指數(shù)大小僅為1.5，加入纖維0.35水膠比試件的韌性指數(shù)是其7.87倍，說明加入適量纖維可以使試件的壓縮韌性相應(yīng)增大.

圖8 軸心抗壓韌性指數(shù)Fig.8 Axial compression toughness index

2.2 拉伸韌性

圖9 軸拉荷載變形曲線Fig.9 Axial tension load-deformation curves

表5 不同拉伸變形下的能量吸收值Tab.5 Energy absorption values under different tensile deformation J

圖10 軸心抗拉能量吸收值Fig.10 Axial tension energy absorption values

圖11 軸心抗拉韌性比Fig.11 Axial tension toughness ratio

2.2.2 拉伸變形能

比較不同拉伸變形下水膠比為0.25、0.30和0.35試件的拉伸變形能，由表5可知，三種水膠比試件的拉伸變形能隨著拉伸變形的增大而略有增加，在起初試驗(yàn)階段，水膠比越低的試件初裂荷載值與初裂位移值反而越大，因此其拉伸變形能更大.由圖10可知，水膠比為0.25、0.30、0.35試件在拉伸變形從2 mm到5 mm的增長(zhǎng)幅度分別為76.12%、83.13%、93.47%，通過能量增長(zhǎng)幅度可以看出，三種水膠比試件都具有一定的拉伸韌性，其中0.35水膠比試件的能量增長(zhǎng)幅度最高，說明0.35水膠比試件吸收能量較多，其拉伸變形能相對(duì)較好.

2.2.3 拉伸韌性性能分析

圖11為不同水膠比下各組試件的韌性比.通常水泥基復(fù)合材料的拉伸韌性比取值范圍在0.5～1.0之間，PRC組當(dāng)水膠比為0.25、0.30、0.35時(shí)，相應(yīng)的韌性比為0.80、0.86和0.93，因此，隨著水膠比的不斷增大，韌性比也略有增長(zhǎng).本試驗(yàn)中水膠比為0.35試件的拉伸韌性效果和質(zhì)量要比水膠比為0.25和0.30試件的相對(duì)較好.與未加入纖維的TCC組相對(duì)比，其韌性比只為0.5，加入纖維0.35水膠比試件的韌性比是其1.86倍，這說明適量加入纖維有利于改善試件的拉伸韌性.

圖12為不同水膠比下的韌性指數(shù).0.25、0.30和0.35水膠比試件對(duì)應(yīng)的韌性指數(shù)分別為5.80、9.26和18.68，可以看出隨著水膠比的增大，試件的韌性指數(shù)不斷變大，0.35水膠比試件下的韌性指數(shù)分別是0.25和0.30水膠比試件的3.22倍和2.02倍，由此可知，水膠比為0.35時(shí)試件的韌化程度要明顯優(yōu)于其他兩組水膠比試件的韌化程度.與未加入纖維的水泥基復(fù)合材料TCC組相對(duì)比，其韌性指數(shù)為1.5，加入纖維的0.35水膠比試件韌性指數(shù)是其12.45倍.

圖12 軸心抗拉韌性指數(shù)Fig.12 Axial tension toughness index

3 結(jié) 論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

1) 通過比較PRC和TCC組試件的韌性比，PRC組試件的韌性效果和質(zhì)量更好.當(dāng)水膠比為0.35時(shí)，PRC的壓縮韌性比是TCC的1.5倍，PRC的拉伸韌性比是TCC的1.86倍，三種水膠比試件的壓縮韌性比和拉伸韌性比均超過0.5.

2) 相比TCC組試件，PRC組試件的韌性指數(shù)更大，其韌化程度較明顯.當(dāng)水膠比為0.35時(shí)，PRC的壓縮韌性指數(shù)是TCC的7.87倍；PRC的拉伸韌性指數(shù)是TCC的12.45倍，PRC韌性指數(shù)指標(biāo)顯著優(yōu)化.

3) 不同水膠比對(duì)PRC的壓縮韌性和拉伸韌性有顯著影響.隨著水膠比的不斷增加，PRC的韌性質(zhì)量和韌化程度不斷提高，0.35水膠比試件的壓縮韌性比為0.78，0.35水膠比試件的壓縮韌性指數(shù)分別是0.25和0.30水膠比試件壓縮韌性指數(shù)的2.73倍和1.56倍；0.35水膠比試件的拉伸韌性比為0.93，0.35水膠比試件的拉伸韌性指數(shù)分別是0.25和0.30水膠比試件拉伸韌性指數(shù)的3.22倍和2.02倍，此外加入纖維的試件其拉伸韌性比均達(dá)到0.8及以上.