凍融環(huán)境下PVA纖維水泥基復(fù)合材料斷裂性能*

黃志強(qiáng)， 徐光炯， 劉 鑫

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

混凝土存在脆性大、易開裂、韌性差、抗拉強(qiáng)度低、開裂后裂縫寬度難以控制等缺點(diǎn)，直接影響著結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命.為了克服這些缺點(diǎn)， 各類纖維在混凝土工程中的使用應(yīng)運(yùn)而生[1].基于斷裂力學(xué)和微觀力學(xué)的原理，美國密歇根大學(xué)的Victor教授和麻省理工大學(xué)的Christopher教授于1992年提出了一種拉伸變形性能優(yōu)異的聚乙烯醇纖維增韌水泥基復(fù)合材料.通過系統(tǒng)地 設(shè)計(jì)、調(diào)整及優(yōu)化，該復(fù)合材料在纖維體積摻量約為2%的情況下便可獲得3%以上的拉應(yīng)變性能[2-3].

在寒冷地區(qū)，凍融循環(huán)是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)劣化的主要因素之一.混凝土在受凍后孔隙的溶液結(jié)冰膨脹，作用于孔隙壁，產(chǎn)生微裂紋損傷，最終導(dǎo)致混凝土內(nèi)部開裂[4]，繼而降低結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的使用壽命，因此，研究混凝土的抗凍性能具有重要的意義.自從PVA纖維水泥基復(fù)合材料出現(xiàn)以后，眾多學(xué)者對該復(fù)合材料的抗凍性能進(jìn)行了研究，并取得一系列的研究成果[5-8].

本文對凍融循環(huán)后的試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究PVA水泥基復(fù)合材料的起裂韌度、失穩(wěn)韌度及斷裂能在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的衰減規(guī)律.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用普通P·O 42.5水泥；粉煤灰采用Ⅰ級(jí)粉煤灰；細(xì)骨料采用50%的粒徑為0.15 mm尾礦砂和50%的粒徑為0.3 mm天然砂；減水劑為西卡減水劑；纖維采用國產(chǎn)ECC用改性聚乙烯醇(PVA)纖維，纖維性能參數(shù)如表1所示；試驗(yàn)用水采用本地飲用自來水.

表1 PVA纖維性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters for PVA fiber

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

PVA纖維水泥基復(fù)合材料制備時(shí)，先將水泥、粉煤灰、尾礦砂和天然砂按比例加入攪拌機(jī)中干拌2 min，使各種材料能夠均勻分散；加入增稠劑，攪拌1 min；加入水，并通過加入減水劑來調(diào)節(jié)水泥砂漿的流動(dòng)性，攪拌3 min；最后加入PVA纖維，攪拌5～8 min，攪拌結(jié)束時(shí)應(yīng)確保纖維在漿體中不成團(tuán)、不結(jié)塊.如果纖維未能在水泥基材中均勻分散，不僅影響PVA纖維水泥基復(fù)合材料的工作性能，而且會(huì)形成應(yīng)力集中點(diǎn)，成為腐蝕介質(zhì)侵入的薄弱點(diǎn)和突破口，危害結(jié)構(gòu)安全，降低其使用壽命[9].將拌合物澆入模具后，應(yīng)先放置在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)2 min，減少氣泡數(shù)量同時(shí)將表面抹平，之后蓋上塑料薄膜，并置于室內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h，拆模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù).預(yù)制裂縫的縫高為2 cm，即縫高比為0.2.試件的纖維摻量為2%，水灰比為0.5，粉煤灰代替率為54.5%，尾礦砂代替率為50%，增稠劑摻量為0.13%，減水劑摻量為0.5%.

1.3 試驗(yàn)方法

凍融循環(huán)試驗(yàn)根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL352—2006)中抗凍性能試驗(yàn)的快凍法，采用天津市港源試驗(yàn)儀器廠的混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn).當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到指定設(shè)計(jì)凍融次數(shù)時(shí)，從試驗(yàn)機(jī)中拿出其中1組試件，進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn).而其余各組試件繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的凍融循環(huán)，直至達(dá)到所設(shè)計(jì)的循環(huán)次數(shù).

試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，采用三點(diǎn)彎曲加載方式，圖1為三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意圖.用電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)對試件進(jìn)行加載，采用位移控制加載，加載速度為0.05 mm/min.計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，利用荷載傳感器測定荷載P，同時(shí)利用非接觸式視頻測量儀采集裂縫開口位移和撓度等變化情況.

圖1 試件加載方式示意圖Fig.1 Schematic loading mode for specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試件分為8組，每組3個(gè)試件，共24個(gè)試件，編號(hào)分別為D-0、D-25、D-50、D-75、D-100、D-150、D-200、D-250，數(shù)字即為凍融次數(shù).當(dāng)試件達(dá)到凍融次數(shù)后，進(jìn)行三點(diǎn)彎曲斷裂試驗(yàn).

2.1 破壞形態(tài)分析

圖2為凍融循環(huán)250次后的試件表面照片.進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)之前，所有試件表面均較光滑，且無明顯孔洞，纖維在基體內(nèi)部的分散性較好.經(jīng)過250次凍融循環(huán)后的試件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，表面的水泥砂漿出現(xiàn)剝落，但現(xiàn)象并不嚴(yán)重，且纖維與部分剝落的水泥砂漿仍然連結(jié)在一起.試件棱角處水泥砂漿也出現(xiàn)輕微的脫落現(xiàn)象.整個(gè)試件表面與棱角處均有少量纖維露出，且未見明顯的裂紋，這主要是由于PVA纖維的加入改善了試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高了試件抵抗由于凍融作用產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力的能力，對試件的凍脹開裂起到了有效的抑制作用.

2.2 質(zhì)量損失率

試件在不同凍融循環(huán)次數(shù)后的質(zhì)量損失率如圖3所示.從圖3可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件的質(zhì)量呈現(xiàn)上升趨勢.在凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到250次后，試件的質(zhì)量增加了1.92%，摻入PVA纖維對試件的質(zhì)量損失率有明顯的影響，主要原因是由于PVA纖維在基體中彼此相連，阻礙表面砂漿的脫落，且試件表面脫落的部分水泥砂漿仍然被纖維連結(jié)著，同時(shí)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件內(nèi)部的孔隙率也隨之增大，導(dǎo)致試件外部的水不斷進(jìn)入內(nèi)部孔隙中，彌補(bǔ)了試件本身的質(zhì)量損失，使質(zhì)量表現(xiàn)為增長的趨勢.

圖3 質(zhì)量損失率變化曲線Fig.3 Change curve of mass loss rate

2.3 雙K斷裂韌度計(jì)算及分析

裂縫擴(kuò)展過程可分為三個(gè)階段：起裂階段，裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段，失穩(wěn)破壞階段.其中，起裂時(shí)所對應(yīng)的斷裂韌度稱為起裂韌度，失穩(wěn)時(shí)所對應(yīng)的斷裂韌度稱為失穩(wěn)韌度，二者稱為雙K斷裂韌度.雙K斷裂韌度及斷裂能的計(jì)算公式借鑒《混凝土斷裂試驗(yàn)與斷裂韌度測定標(biāo)準(zhǔn)方法》[10].

2.3.1 起裂斷裂韌度計(jì)算及分析

起裂斷裂韌度的計(jì)算公式為

(1)

(2)

(3)

圖4為試件的P-CMOD(crack mouth opening displacement)曲線前半部分，通過該段曲線的拐點(diǎn)來確定起裂荷載，從而得到對應(yīng)的起裂韌度.

圖4 荷載開口位移曲線Fig.4 Load-crack mouth opening displacement (CMOD) curve

經(jīng)過不同的凍融循環(huán)次數(shù)后試件的起裂斷裂韌度曲線如圖5所示.從圖5可以看出，PVA纖維水泥基復(fù)合材料的起裂斷裂韌度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)下降趨勢，且下降趨勢隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加有一定的放緩.250次凍融循環(huán)后試件起裂斷裂韌度下降37.2%，從原先的0.369 MPa·m1/2下降到0.232 MPa·m1/2.在凍融循環(huán)過程中，由于凍融產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力作用使試件內(nèi)部原有的微裂縫發(fā)生不斷延伸的情況，導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到損傷，因此，起裂荷載也隨之改變從而導(dǎo)致起裂斷裂韌度的下降.

圖5 起裂韌度變化曲線Fig.5 Change curve of initial fracture toughness

2.3.2 失穩(wěn)斷裂韌度計(jì)算及分析

失穩(wěn)斷裂韌度的計(jì)算公式為

(4)

(5)

(6)

其中，h0為裝置夾式引伸計(jì)刀口薄鋼板的厚度.在此試驗(yàn)中，開口位移采集方式為非接觸式視頻測量儀采集方式，所測點(diǎn)在裂縫最下方，故h0取0，Vc為裂縫張開口臨界位移值，即峰值所對應(yīng)的開口位移值，E為計(jì)算彈性模量，其表達(dá)式為

(7)

其中，ci為試件的初始值，可由試件P-CMOD曲線上升段的直線部分上任意一點(diǎn)計(jì)算得到.

圖6、7分別為峰值荷載和裂縫臨界開口位移變化曲線.從圖6、7可以看出，荷載最大值Fmax和臨界開口位移Vc隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低，但Vc的降低幅度要明顯大于Fmax的降低幅度.在達(dá)到250次凍融循環(huán)時(shí)，臨界開口位移Vc下降45.8%，而荷載最大值Fmax只下降18.9%.從圖8可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件的失穩(wěn)斷裂韌度呈現(xiàn)出下降的趨勢，而且下降的幅度較大.凍融循環(huán)250次后，試件的失穩(wěn)斷裂韌度下降了51.1%，從原先的8.614 MPa·m1/2下降到了4.214 MPa·m1/2.

圖6 峰值荷載變化曲線Fig.6 Change curve of peak load

圖7 裂縫臨界開口位移變化曲線Fig.7 Change curve of critical CMOD of crack

圖8 失穩(wěn)韌度變化曲線Fig.8 Change curve of unstable toughness

2.4 斷裂能計(jì)算及分析

斷裂能的計(jì)算公式為

GF=(W0+mgδ0)/Atig

(8)

式中：GF為斷裂能；W0為荷載撓度曲線與x坐標(biāo)軸所圍成的面積；δ0為最大撓度值；Atig為韌帶斷裂面積.在計(jì)算試件斷裂能的過程中，試件的質(zhì)量對斷裂能的影響不大，但仍然不可忽略.

圖9為斷裂能與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線.由圖9可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件的斷裂能隨之下降.當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到250次時(shí)，試件的斷裂能下降48.4%，從原先的6 837.8 N/m下降到3 526.0 N/m.主要原因是在凍融循環(huán)中，由于凍融產(chǎn)生的體積膨脹應(yīng)力的作用，試件內(nèi)部產(chǎn)生較多的微裂縫，且微裂縫不斷擴(kuò)展，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到損傷，從而導(dǎo)致斷裂能下降.

圖9 斷裂能變化曲線Fig.9 Change curve of fracture energy

3 結(jié) 論

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件表面的破壞程度逐漸加深.當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到250次時(shí)，試件表面有少量纖維露出并出現(xiàn)少量的浮渣.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件的質(zhì)量并未發(fā)生減少的情況，反而隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增加.

試件的起裂斷裂韌度和失穩(wěn)斷裂韌度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減低，失穩(wěn)斷裂韌度的下降幅度要大于起裂斷裂韌度.而在計(jì)算失穩(wěn)斷裂韌度中，峰值荷載的下降幅度要遠(yuǎn)小于臨界開口位移值的下降幅度.試件的斷裂能隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低.

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