摘要：ECC作為一種新型的纖維增強水泥基復合材料，具有優(yōu)異的力學性能。文章結合單軸拉伸試驗與非接觸式全場微應變測試，系統(tǒng)研究了PP纖維-ECC材料受拉本構行為。單軸拉伸荷載-位移試驗與應變云圖結果表明PP-ECC材料出現了多縫開裂特征；由于存在應力集中，裂縫主要出現在試件兩邊夾持端和啞鈴型受拉端拐角處；PP纖維-ECC材料的受拉本構行為可分為直線上升階段、變形硬化階段和變形軟化階段，其中雙線性模型能夠較好擬合應力-應變關系。研究結果可為ECC材料的優(yōu)化設計和應用提供理論依據和技術支持。

關鍵詞：橋梁工程；PP纖維；ECC材料；單軸拉伸試驗；受拉本構模型

中圖分類號：U414.1

0 引言

混凝土材料作為人類社會發(fā)展離不開的主要建筑材料，在近十幾年來為推進我國基礎設施建設進入全新的發(fā)展階段作出了巨大的貢獻。但與此同時，普通混凝土存在著抗拉強度低、脆性大易開裂以及開裂后裂縫寬度難以控制的缺點，導致許多混凝土結構在其長期的工程應用中存在嚴重的安全隱患［1］。

隨著復合材料在工程領域應用的日益廣泛，其中ECC（Engineered Cementitious Composites）作為一種新型的纖維增強水泥基復合材料，具有優(yōu)異的力學性能，因此在橋梁、高速公路、隧道等土木工程結構中得到了廣泛應用。在ECC材料的力學性能研究中，受拉本構行為是一個重要的研究方向［2］。PP纖維作為一種具有高強度、高模量、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)點的纖維材料，在ECC材料中具有較好的相容性和分散性［3］。在ECC中添加PP纖維可以顯著提高材料的抗拉強度和韌性，因此對于基于單軸拉伸試驗的PP纖維-ECC材料受拉本構行為的研究具有重要的實際意義。

王曉剛與Folker H W等［4］采用脛形和啞鈴形兩種試件，研究改變纖維摻量對ECC應變硬化性能造成的影響，試驗結果表明，纖維摻量lt;2%時，抗拉強度分別約為3 MPa和3.8 MPa。王文煒等［5］研究不同纖維ECC材料的力學性能，發(fā)現在一定標度范圍之內，影響纖維臨界體積率的主要因素是纖維直徑且與臨界體積率二者之間近似正相關。

本文結合單軸拉伸試驗與非接觸式全場微應變測試，對PP纖維-ECC材料的受拉本構行為進行了系統(tǒng)的研究。通過分析試件的應力-應變曲線，建立了PP纖維-ECC材料受拉本構模型。本研究結果可為ECC材料的優(yōu)化設計和應用提供理論依據和技術支持。

1 試驗概況

本文采用表1所示的配合比制備PP纖維-ECC材料單軸拉伸試件，完成28 d標準養(yǎng)護后進行單軸拉伸試驗。試件尺寸如圖1（a）所示，試驗時將試件夾持于試驗機專用夾具中，啞鈴型模具的優(yōu)勢之一是便于加持，試件制備如圖1（b），而后將夾具安裝在MTS微機控制試驗機上。

單軸拉伸試驗采用MTS微機控制試驗機，對于ECC這類超高韌性水泥基復合材料，在直接拉伸試驗峰值荷載之后的應變曲線不太關心，重點更多地集中在試件多縫開裂的漫長過程，同時觀察應力-應變曲線的硬化段和裂縫寬度的變化。此外，為了便于MatchID非接觸式全場微應變測量系統(tǒng)的觀測，在試驗前，除了布置MatchID所需的觀測機和場景布置外，還應對試件做散斑預處理。試驗現場如圖2所示，用試驗機上的夾具固定好經過散斑處理的試件，安裝到試驗機上的上下夾頭，放置應變測量系統(tǒng)的攝影機到拉伸現場兩側并對準試件拉伸區(qū)，調節(jié)好光源和參數設置后，即可開始拉伸試驗，并同時開始應變采集。試驗中控制加載速率為0.2 mm/min。

借助MatchID捕獲的應變云圖可以清晰識別裂縫出現的區(qū)域，從而分析拉伸試驗中PP纖維-ECC材料出現的多縫開裂情況，得到初裂抗拉強度、極限抗拉強度、極限拉應變。數據采集操作流程如下：

（1）將相機和鏡頭組裝，并固定橫梁上，調節(jié)云臺水平，通過連接線使相機與電腦連接；

（2）進入采集軟件，對準、調出十字線，校準鏡頭，調整相機的距離，保證試件位于兩相機中間位置；

（3）對兩個相機分別對焦使圖像顯示清晰，后排數字2.8、4、5.6、8等代表光圈大小，將白點定位在2.8，此時光圈最大，盡量光最多、景深最小，然后調節(jié)前面的對焦工具，直至畫面顯示最清晰圖像，并適當調節(jié)光圈大小以便增加景深；

（4）微調節(jié)兩個相機底座，使兩個相機十字線中心基本位于同一個散斑點上，微調節(jié)底座之后如果畫面有些許模糊，可再調節(jié)對焦工具使其達到最清晰狀態(tài)；

（5）調整光源，保證圖像清晰，既不過暗，也不過曝；

（6）拍攝校正照片，并按照《校正操作流程》進行校正照片分析，采集散斑照片。

2 基于單軸拉伸試驗的PP纖維-ECC材料拉伸性能分析

PP纖維-ECC試件的單軸拉伸荷載-位移試驗結果如圖3所示。由圖3荷載-位移曲線圖可將PP纖維-ECC的受拉應力-應變關系大致劃分為3個階段：

（1）直線上升階段：荷載幾乎呈直線線性增長，此階段為水泥基體的線彈性階段；

（2）變形硬化階段：試件出現裂縫進入變形硬化階段時，荷載隨位移增長在波動中緩慢增長直到極限抗拉強度，隨之出現新的裂縫；

（3）變形軟化階段：此階段拉應變持續(xù)增長，試件逐漸失效，荷載在波動中逐漸下降。

通過MatchID捕獲的應變云圖可以清晰識別裂縫出現的區(qū)域，如圖4所示，發(fā)現PP-ECC材料在拉伸的過程中出現了多縫開裂的特征，云圖中偏暗色的區(qū)域為局部應變較大的地方，暗色越深的區(qū)域，裂縫開口越大。在單軸拉伸試驗中，初始裂縫主要出現在試件夾持兩端和中間區(qū)域，試件的兩端為試件啞鈴段和拉伸段的轉折處裂縫開口更大；出現裂縫開口處的纖維起著傳遞和分散荷載的作用，使已有的大裂縫隨變形兩側出現新的細小微裂縫，這使得試件能夠承受更大的拉伸變形。

單軸拉伸試驗的荷載數據和應變采集結果匯總于表2。根據表2試驗結果可知，PP纖維-ECC試件的初裂抗拉強度為3.34 MPa，極限抗拉強度為3.81 MPa。

3 PP纖維-ECC材料受拉本構行為

為便于分析材料的本構關系，將PP纖維-ECC試件的拉伸應力-應變關系進行無量綱處理。通常，受拉應力-應變關系可大致劃分成3個階段：（1）直線上升階段；（2）變形硬化階段；（3）變形軟化階段。其中第3階段對應材料裂縫過大、逐漸喪失承載能力的階段，沒有足夠的工程實際意義，因此本文在抗拉本構關系研究中不作考慮。

針對ECC材料的受拉本構關系，Li根據ECC的受拉應力-應變曲線首次提出了“三線性模型”，該模型將ECC變形硬化階段的應力波動簡化為直線，具體如式（1）所示。

利用麥夸特-全局優(yōu)化方法對3組ECC試件的受拉應力-應變數據進行擬合，其結果如表3所示。結合表3擬合結果，考慮到3組經濟型ECC試件互為平行組試件，因此可將模型各系數的擬合結果取平均值，作為式（3）中最終的模型參數p1～p3，具體計算結果和應力-應變數據繪制于圖5中。從圖5可以看出，本文提出的PP纖維-ECC受拉本構模型基本概括了材料應力應變發(fā)展趨勢，證明了該模型的適用性。同時也應指出，本文測試的試驗數據有限，更通用的參數取值還需進行更多試驗驗證和模型檢驗等相關工作來確定。

4 結語

本文通過對PP纖維-ECC材料進行單軸拉伸性能試驗和非接觸式全場微應變測試研究，得出以下結論：

（1）結合單軸拉伸試驗與非接觸式全場微應變測試，發(fā)現裂縫主要出現在試件兩邊夾持端和啞鈴型受拉端拐角處，由于存在應力集中，出現較大裂縫，且較大裂縫周圍存在細小裂縫。這是由于ECC材料中纖維分散和傳遞荷載，使得受拉試件能夠承受更大的拉應力和變形。

（2）PP纖維-ECC材料在受拉時應力-應變關系主要分三個階段，即直線上升階段、變形硬化階段和變形軟化階段?？梢詫CC材料的應力-應變擬合為雙線性模型，能夠有效地反映ECC材料的應力-應變變化趨勢。

參考文獻

［1］姚新宇，黃俞云，韓志盈.橋梁伸縮縫過渡區(qū)混凝土性能優(yōu)化研究［J］.西部交通科技，2021（2）：99-102.

［2］詹丹丹.摻玄武巖纖維透水混凝土的性能研究［J］.市政技術，202 40（1）：78-82.

［3］馬 超，賴兆平.纖維對水泥-乳化瀝青混合料性能的影響研究［J］.公路工程，202 47（6）：166-17 179.

［4］王曉剛，Wittmann F. H.，趙鐵軍.優(yōu)化設計水泥基復合材料應變硬化性能研究［J］.混凝土與水泥制品，2006（3）：46-49.

［5］王文煒，況宇亮，田 俊，等.不同纖維增強水泥基復合材料的基本力學性能研究［J］.應用基礎與工程科學學報，2016，24（1）：148-156.

收稿日期：2023-11-30

作者簡介：傅紹育（1989—），工程師，主要從事高速公路運營管理工作。