楊國梁，李 峰，張志飛，畢京九，董智文，李 影

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

高延性水泥基復(fù)合混凝土是一種新型高性能水泥基復(fù)合材料(engineering cementitious composites， ECC)[1-3]，具有高延性、高耗能能力、抗侵蝕性、抗沖擊性和耐磨性等特點，在建成結(jié)構(gòu)的裂縫控制和工程修復(fù)方面具有重要作用，其優(yōu)異的韌性和吸能能力能夠有效吸收沖擊荷載的能量，在防護工程建造[4]等領(lǐng)域也極具應(yīng)用價值。

聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)纖維具有強度高、伸度低、耐磨、抗酸堿、耐候性好的優(yōu)點，并與水泥、石膏等基材有良好的親和力和結(jié)合性，成為纖維混凝土選取的重要研究方向[5]。但目前關(guān)于PVA纖維體積摻量對PVA材料強度的影響還沒有統(tǒng)一的結(jié)論：有學(xué)者通過試驗發(fā)現(xiàn)隨著纖維體積摻量的增加(0%增加至2%)，孔隙率升高使試件劣化，試件抗壓強度逐漸降低[6-7]；有的學(xué)者則認(rèn)為隨著纖維體積摻量的增加，存在較優(yōu)的摻量區(qū)間，聚乙烯醇纖維增強水泥基復(fù)合材料(PVA-ECC)的加入可以提高試件的強度。國內(nèi)徐世烺團隊[8-10]成功配制出了添加PVA纖維的超高韌性水泥基復(fù)合材料，并對其力學(xué)性能開展了一系列研究。謝磊等[11]對5種纖維體積摻量(0%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%)的PVA-ECC試件進行動態(tài)沖擊壓縮試驗，試驗發(fā)現(xiàn)PVA纖維的摻入對動態(tài)強度增強因子、沖擊韌性和抗破碎能力有明顯提高作用，并隨纖維摻量的增加而進一步增強。祝和意等[12]對不同纖維體積摻量的PVA-ECC試件進行抗彎和抗壓試驗，通過試驗發(fā)現(xiàn)PVA纖維體積摻量從1%增加至2%時會使抗壓強度持續(xù)升高。羅毅等[13]通過正交試驗的方法研究了纖維體積摻量對PVA-ECC流動性和抗折性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)纖維摻量不超過0.5%時，纖維對抗折強度沒有明顯影響，當(dāng)纖維摻量超過0.5%時，抗折強度有著較大的提高。Liew等[14]和Merchant等[15]均通過研究發(fā)現(xiàn)PVA纖維體積摻量小于1%時，纖維的分散程度高，材料的強度隨著纖維體積摻量的提高而提高，但繼續(xù)增大纖維體積摻量會降低材料的密實度，降低試件強度。在動載作用下，材料表現(xiàn)出黏性特征，破壞過程更加復(fù)雜,纖維摻量對PVA-ECC動態(tài)斷裂特性的影響需更深入探討。

混凝土材料破壞的過程是損傷持續(xù)發(fā)展的過程，這一破壞過程實質(zhì)上是裂紋的發(fā)育、擴展到貫通的損傷發(fā)展過程[16]?；炷疗茐闹皇菗p傷發(fā)展的最終階段，要完整地描述混凝土破壞的非線性特征，必須對其裂紋的起裂、擴展和貫通的過程進行研究。在試件構(gòu)型的選取上，混凝土作為類巖石試件，可以使用中心切槽半圓盤彎曲(notched semi-circular bend， NSCB)試件來確定動態(tài)斷裂韌度[17]。裂縫尖端張開位移(crack tip opening displacement， CTOD)被認(rèn)為是與混凝土材料性質(zhì)相關(guān)的參數(shù)，臨界裂縫尖端張開位移(CTODC)值是研究材料斷裂的重要參數(shù)[18-19]。CTODC可由裂縫嘴張開位移值(crack mouth opening displacement, CMOD)間接計算[20]，也可以通過無損檢測的方式直接確定峰值荷載對應(yīng)的臨界裂縫尖端張開位移值[21]，數(shù)字圖像相關(guān)(digital image correlate， DIC)方法作為一種無損檢測技術(shù)可以應(yīng)用于對混凝土斷裂過程的研究[22-25]，如果在PVA纖維混凝土的動態(tài)斷裂過程研究中引入DIC技術(shù)，并統(tǒng)一觸發(fā)參數(shù)，則可以同步獲得其應(yīng)力變化與裂紋發(fā)展之間的關(guān)系，有利于進一步揭示PVA-ECC的動態(tài)斷裂機理。

本文選取5種體積摻量的PVA纖維混凝土NSCB試件，并在試件表面進行噴斑處理，通過分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson press bar， SHPB)裝置對各組試件開展沖擊試驗，并通過高速攝影系統(tǒng)記錄試件的動態(tài)斷裂過程，借助DIC技術(shù)對試件裂紋的起裂和斷裂過程進行監(jiān)測，研究纖維體積摻量對試件裂紋動態(tài)起裂和擴展過程的影響。

1 實 驗

1.1 原材料

試件制備所用材料為：42.5普通硅酸鹽水泥、河砂(燕新控股集團有限公司)、聚羧酸高性能減水劑(減水率大于35%)、水、一級粉煤灰、PVA纖維(日本可樂麗高模)。PVA纖維性質(zhì)見表1。

表1 PVA纖維基本材料性質(zhì)Table 1 Basic material properties of PVA fiber

1.2 試樣制備

圖1為NSCB試件構(gòu)型示意圖。NSCB試件的半徑R為25 mm，厚度B為22 mm，預(yù)制裂紋長度ɑ為5 mm；試件支座跨度S為27.5 mm(P1為投射桿作用力，P2為入射桿作用力)。根據(jù)國際巖石力學(xué)與巖石工程學(xué)會(ISRM)關(guān)于NSCB試件的試驗要求[17]，對尺寸數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，即：αa=a/R，αB=B/R，αS=S/D(D為NSCB試件直徑)。本試驗中，αa=0.2，αB=0.88，αS=0.55。

圖1 NSCB試件構(gòu)型示意圖Fig.1 Schematic diagram of NSCB specimen

為了研究PVA纖維體積摻量對試件動態(tài)斷裂過程的影響，本文設(shè)置5個纖維體積分?jǐn)?shù)，按纖維體積摻量0%、0.75%、1.50%、2.25%和3.00%分為5個對照組，試件編號方式以“P-1-3-1”試件為例，該編號意義為，“P-1”代表其組號，“-3”代表沖擊速度為3 m/s，“-1”代表第一次試驗試件。不同PVA纖維體積摻量(δ，單位%)的ECC試樣的配合比如表2所示。

表2 PVA-ECC的配合比Table 2 Mixing ratio of PVA-ECC

將所需基材放入攪拌機攪拌，為保證PVA纖維在漿體中均勻分散，在攪拌過程中應(yīng)逐步、均勻地撒入PVA纖維，攪拌完成后將PVA-ECC漿體倒入150 mm×150 mm×550 mm的長方體模具中，養(yǎng)護28 d后取出，經(jīng)取芯、切割、研磨后制備成直徑為50 mm、厚度為22 mm的圓盤，用線鋸將圓盤試件對半分為兩個半圓盤試件，在半圓盤直徑的中部切設(shè)計長度的垂直預(yù)制縫，同時為了分析試件動態(tài)斷裂的全過程，按照數(shù)字圖像相關(guān)方法的技術(shù)要求[26]，對本文所制NSCB試件進行了噴斑處理，噴斑后的NSCB試件如圖2所示。

圖2 噴斑后NSCB試件的照片F(xiàn)ig.2 Images of NSCB specimens after spray spot

1.3 試驗原理及試驗方案

本試驗在中國礦業(yè)大學(xué)(北京)超高速實驗室進行，試驗所用SHPB系統(tǒng)直徑為50 mm，桿的密度為7 900 kg/m3，彈性模量為210 GPa，同時為探究不同纖維體積摻量PVA-ECC試件的動態(tài)斷裂破壞機理，本文試驗通過高速相機對NSCB試件的動態(tài)斷裂過程進行了記錄，觸發(fā)設(shè)置與應(yīng)力波波形記錄軟件同步觸發(fā)，高速相機圖像的分辨率為924×768，幀率設(shè)置為每秒拍攝100 000張圖片，即每張圖片間隔時間為10 μs，空間分辨率為每毫米10.34個像素，現(xiàn)場布置如圖3所示。

圖3 SHPB試驗布置Fig.3 SHPB test layout

(1)

式中：R為試件半徑；B為試件厚度；S為三點彎頭兩支撐點間的跨距；F(t)為試件兩端動荷載歷程；Y(αa)是僅與αa(即裂紋尺寸)有關(guān)的無量綱化應(yīng)力強度因子數(shù)值，且可以通過數(shù)值模擬方法獲得，取決于預(yù)制裂紋的幾何參數(shù)。由文獻[20]，當(dāng)αS為0.55時，Y(αa)函數(shù)可表示為

(2)

圖4所示為本文典型試件的動態(tài)力平衡的驗證圖，可見本文試驗過程中試件保持了較好的應(yīng)力平衡，起裂過程滿足動態(tài)力平衡假定。

對各組NSCB試件開展相同沖擊速度梯度下的沖擊試驗，設(shè)置沖擊速度3 m/s，每組試驗重復(fù)3次。

圖4 力平衡的驗證Fig.4 Verification of force balance

圖5 加載率的確定Fig.5 Determination of loading rate

2 結(jié)果與討論

2.1 裂紋擴展過程

圖6 DIC計算區(qū)域Fig.6 DIC calculation area

混凝土的斷裂并不是在瞬間發(fā)生的，而是具有顯著的時效歷程，在裂紋擴展前，試件裂紋尖端會出現(xiàn)微裂紋區(qū)[25]，在裂紋起裂后，混凝土基質(zhì)間仍存在黏結(jié)效應(yīng)，裂紋的擴展仍需克服骨料間的黏聚力，因此對混凝土材料動態(tài)斷裂特性的研究，不僅要著眼于動態(tài)起裂韌度的研究，更應(yīng)深入分析其動態(tài)斷裂過程。本節(jié)試驗設(shè)置了高速相機對PVA纖維混凝土NSCB試件的I型動態(tài)斷裂過程進行記錄，并使用VIC-2D軟件對所拍攝的圖像進行后處理，選擇試件方形區(qū)域為計算區(qū)域(AOI區(qū)域)，獲得并分析了試件位移場與應(yīng)變場情況，AOI區(qū)域如圖6所示，ST線為裂尖切線。

為了對數(shù)字圖像和加載歷程進行同步分析，設(shè)置動態(tài)應(yīng)變儀和高速相機同時觸發(fā)，對霍普金森桿數(shù)據(jù)進行修正后，得到試件荷載歷程中的裂紋發(fā)展過程，典型試件荷載歷程與裂紋起裂過程如圖7～圖10所示。

對比圖7～圖10，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)PVA纖維摻量小于1.50%時，試件發(fā)生開始出現(xiàn)宏觀裂紋的時刻接近荷載的峰值時刻，當(dāng)PVA纖維摻量超過1.50%時，這一現(xiàn)象出現(xiàn)變化，裂尖出現(xiàn)宏觀裂紋的時刻開始提前，究其原因是纖維添加較少的試件仍存在較大脆性，一旦發(fā)生起裂，試件很快趨于破壞，導(dǎo)致其裂尖荷載出現(xiàn)跌落，因此其荷載峰值時刻與宏觀裂紋出現(xiàn)的時刻十分接近，而添加PVA纖維較多的試件，基體開裂后仍存在PVA纖維連接，試件仍可以承擔(dān)荷載，并未完全發(fā)生破壞，所以其宏觀裂紋出現(xiàn)的時刻顯著早于試件的荷載峰值時刻。

圖7 素水泥砂漿試件荷載歷程與裂紋起裂過程Fig.7 Load history and crack initiation process of plain cement mortar specimen

圖8 PVA纖維體積摻量為0.75%時試件荷載歷程 與裂紋起裂過程Fig.8 Load history and crack initiation process of specimen with 0.75% PVA fiber volume content

同時，由位移場的變化可見，試件在裂尖宏觀裂紋出現(xiàn)前存在微裂縫區(qū)，微裂紋區(qū)的發(fā)展也具有與起裂過程相同的規(guī)律，隨著PVA纖維摻量的提高，試件預(yù)制裂紋尖端從出現(xiàn)微裂紋區(qū)到宏觀裂紋出現(xiàn)的時間也隨之增加，但此時骨料之間仍存在黏結(jié)效應(yīng)，微裂隙區(qū)處于彈性狀態(tài)，并未發(fā)生宏觀裂紋的擴展，隨著荷載的增加，當(dāng)裂紋的張開位移大于臨界裂縫張開位移值，即開始出現(xiàn)宏觀裂紋時，之前存在的微裂紋區(qū)對試件宏觀裂紋的發(fā)展具有顯著的導(dǎo)向作用，如圖9中所示，裂尖在240 μs時出現(xiàn)顯著的裂尖位移條帶，即微裂隙區(qū)，隨后宏觀裂紋便沿著該條帶擴展。對比各摻量裂尖微裂隙區(qū)發(fā)展到宏觀裂紋出現(xiàn)的時間，可見隨著PVA纖維體積摻量的提高，微裂隙區(qū)存在的時間也隨之提高，這說明了PVA纖維的加入可以顯著減緩試件裂紋的擴展過程，具有極優(yōu)的阻裂特性。

圖10 PVA纖維體積摻量為3.00%時試件荷載歷程 與裂紋起裂過程Fig.10 Load history and crack initiation process of specimen with 3.00% PVA fiber volume content

2.2 裂縫尖端張開位移變化

為精確探究試件裂紋的斷裂過程，進一步提取各組試件在預(yù)制裂紋尖端切線處ST線上的位移值變化過程，沿著v方向在ST線上每隔7個像素點選取一個計算點(共15點)，形成一條測線平行于v軸，預(yù)制裂紋尖端O點恰是測線中點。通過DIC技術(shù)可以得到測線上各點在裂紋展開方向(v方向)的位移分布，而沿預(yù)制裂紋發(fā)展方向的位移u很小，且與I型斷裂無關(guān)，因此不予考慮。在不同時刻，ST線上計算點的位移分布值分布是顯著不同的，以P-1-3-1試件為例，其ST線上位移與相對位移變化如圖11所示。

圖11 P-1-3-1試件ST線上位移與相對位移變化Fig.11 Variation of v and Δv on ST line of P-1-3-1 specimen

由圖11可見，試件斷裂過程可以分為裂紋起裂前、裂紋擴展和裂紋完全貫通三個階段，可由高速攝影得到的圖像和ST線上相對位移量的變化確定裂紋發(fā)展所處的階段，在圖11中以不同顏色線框標(biāo)出，斷裂過程三個階段的示意圖如圖12所示。

在裂紋起裂前，由測點的位移變化可見，ST線上各點位移量未發(fā)生明顯變化；隨著沖擊荷載值的增加，在裂尖點出現(xiàn)裂紋，并逐步向前擴展，此時在ST線上O點兩側(cè)位移值出現(xiàn)突變，并且位移值不斷增長，此時裂紋擴展需要克服混凝土骨料間的黏結(jié)力，O點兩側(cè)的相對位移量出現(xiàn)非線性的變化。隨著裂紋的貫通，試件完全開裂并繞著圓弧頂點轉(zhuǎn)動，O點兩側(cè)的相對位移量出現(xiàn)線性的變化。

結(jié)合圖11所確定的各組典型試件預(yù)制裂紋尖端切線(ST線)上各測點的位移發(fā)展過程，可以得到預(yù)制裂紋尖端兩側(cè)的位移差值，即裂縫尖端張開位移CTOD，結(jié)合裂紋尖端應(yīng)力因子時程曲線，即可直接確定臨界裂縫尖端張開位移CTODC，本文所得3 m/s沖擊速度下典型試件的裂縫尖端張開位移與裂紋尖端應(yīng)力因子關(guān)系曲線如圖13所示。

圖12 試件的裂紋擴展過程Fig.12 Crack propagation process of specimen

圖13 裂縫尖端張開位移與荷載關(guān)系Fig.13 Relationship between crack tip opening displacement and load

由圖13可見，裂縫尖端張開位移CTOD與荷載的關(guān)系曲線存在三個階段，第一個階段，CTOD與裂紋尖端應(yīng)力因子之間具有顯著的線性關(guān)系，此時裂縫尖端處于彈性階段，隨著荷載的提高，CTOD與尖端應(yīng)力因子關(guān)系曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，試件開始脫離線彈性階段進入塑性階段，此時微裂隙開始擴展，主裂縫處于亞臨界擴展階段，隨著裂縫尖端位移達到臨界值CTODC，試件發(fā)生斷裂，應(yīng)力因子也隨之降低，提取圖13(a)～(e)中各試件峰值荷載對應(yīng)的臨界裂縫尖端張開值CTODC，如圖13(f)所示，可見在PVA纖維體積摻量0%～2.25%的范圍內(nèi)，試件的CTODC值隨著纖維摻量的提高而提高，但當(dāng)纖維體積摻量超過2.25%時，試件在添入3.00%的PVA纖維時CTODC值顯著下降，在一定程度上說明試件內(nèi)部的缺陷開始增多，試件趨于劣化。添加PVA纖維可以顯著提高混凝土試件的臨界裂縫尖端張開位移值CTODC，提高試件的阻裂能力。圖14是采用放大鏡觀察到的試件裂縫破壞形態(tài)，可以看出：不添加纖維的試件開裂很明顯，試件破壞成兩部分；添加纖維的試件在破壞后由于纖維的黏結(jié)作用，試件出現(xiàn)破壞但不破碎的特征，延緩了試件從裂紋擴展到發(fā)生破壞的時間。在本文所設(shè)置的試驗條件下，添加2.25%PVA纖維的試件具有相對較大的臨界裂紋尖端張開位移值，也就是說，當(dāng)添加2.25%PVA纖維時試件的阻裂能力(即韌性)優(yōu)于其他幾組試件。

圖14 裂縫破壞微觀形態(tài)Fig.14 Cracks destroy microscopic morphology

3 結(jié) 論

1)試件在裂尖宏觀裂紋出現(xiàn)前存在微裂縫區(qū)，隨著PVA纖維摻量的提高，試件預(yù)制裂紋尖端出現(xiàn)微裂紋區(qū)到宏觀裂紋出現(xiàn)的時間也隨之增加。當(dāng)不添加PVA纖維或添加較少(小于1.50%)時，裂尖宏觀裂紋的出現(xiàn)基本在裂尖荷載的峰值時刻處，而隨著PVA纖維摻量的增加，裂尖宏觀裂紋的出現(xiàn)顯著早于裂尖荷載的峰值時刻，并且纖維體積摻量越大，裂尖宏觀裂紋出現(xiàn)得越早，裂紋擴展至完全斷裂的時間也顯著增加。

2)添加PVA纖維可以顯著提高混凝土試件的臨界裂縫尖端張開位移值，提高試件的阻裂能力，在本文所設(shè)置的試驗條件下，添加2.25%PVA纖維的試件具有較大的臨界裂縫尖端張開位移值。