應(yīng)變率對高延性水泥基復(fù)合材料基本力學(xué)性能的影響*

袁 振，夏超凡，張 聰,2，李志華

(1. 江南大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無錫 214000；2. 綠色建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100024)

0 引 言

高延性水泥基復(fù)合材料(HDCC)，相較于普通混凝土具有更強(qiáng)的拉伸韌性、裂縫控制能力，可以有效地改善了水泥基材料固有的高脆低韌特性，受到了土木工程領(lǐng)域越來越廣泛的關(guān)注[1-8]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對高延性水泥基復(fù)合材料靜態(tài)力學(xué)性能的研究取得了一定的進(jìn)展，但對于HDCC在不同應(yīng)變率下材料力學(xué)性能保留的觀點(diǎn)并不統(tǒng)一，并且在不同應(yīng)變率范圍內(nèi)，得出的力學(xué)性能規(guī)律也大不相同。為了更好的研究應(yīng)變率對材料力學(xué)性能的影響，陳強(qiáng)[9]、Douglas、Bollington[10]等學(xué)者發(fā)現(xiàn)在動態(tài)荷載作用下，隨著應(yīng)變率的增大，HDCC的彎曲強(qiáng)度、軸向壓縮強(qiáng)度均有上升趨勢。Viktoe Mechtcherine、徐世烺、Victor C Li等學(xué)者研究了PVA-HDCC的動態(tài)性能，Viktoe Mechtcherine[11]試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)變率在10-2s-1及以下時(shí)，HDCC的拉伸強(qiáng)度增長不太明顯，隨著應(yīng)變率的增長，HDCC的應(yīng)變能力呈下降趨勢；而

在較高應(yīng)變率(10～50 s-1)時(shí)，拉伸強(qiáng)度和拉伸應(yīng)變均有顯著提高。李賀東、徐世烺[12-13]則認(rèn)為4×10-6～1×10-1s-1應(yīng)變率下，極限拉伸應(yīng)變幾乎不受應(yīng)變率影響。Yu、Ravi Ranade[14]等學(xué)者研究了PE-HSHDCC的動態(tài)拉伸性能，Yu試驗(yàn)表明在10-4～5×10-2s-1應(yīng)變率下，加載速率對初裂應(yīng)力影響較大，而對峰值應(yīng)力和應(yīng)變能力的影響較??；Ravi Ranade、Vitor C Li試驗(yàn)表明，應(yīng)變率從10-4s-1增長到10s-1時(shí)，初裂強(qiáng)度和峰值荷載均有較大程度的增長，拉伸應(yīng)變則呈現(xiàn)下降趨勢。所以為明確HDCC的應(yīng)變率效應(yīng)，本研究擬從應(yīng)變率為10-5s-1到應(yīng)變率為10-2s-1，系統(tǒng)的分析應(yīng)變率對HDCC力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 基體材料

本試驗(yàn)選用的膠凝材料為P·O 42.5 水泥與I級粉煤灰，其基本物理參數(shù)如表1所示。選用石英砂作為細(xì)骨料(粒徑110 μm～210 μm，平均粒徑150 μm)。為使新拌合物具有較好的工作性，減水劑采用聚羧酸型高效減水劑(減水率為24%)。試驗(yàn)原材料質(zhì)量比為水泥∶粉煤灰∶石英砂∶水=1∶3∶0.8∶1.12，水膠比為0.28。

表1 膠凝材料的基本物理參數(shù)

1.2 纖維材料

試驗(yàn)選用日本Kuraray (可樂麗)公司生產(chǎn)的表面經(jīng)涂油處理的PVA纖維；為了提高HDCC力學(xué)性能的穩(wěn)定性[15-16]，選用上海峰竺有限公司生產(chǎn)的碳酸鈣晶須，各纖維及晶須的基本參數(shù)見表2。實(shí)驗(yàn)各組纖維配比如表3所示。

表2 纖維材料和晶須的物理力學(xué)性能

表3 纖維摻量

1.3 試件制作

壓縮試驗(yàn)每組配比采用3個(gè)70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試件，單軸拉伸試驗(yàn)每組配比采用3個(gè)如圖1所示的啞鈴型試件。

采用水泥砂漿攪拌機(jī)(JJ-5，無錫市建工試驗(yàn)儀器制造有限公司)將石英砂、粉煤灰、水泥、碳酸鈣晶須依次加入慢速干拌2 min，隨后加入一半水及高效減水劑慢速攪拌1 min后加入余下水及高效減水劑快速攪拌6 min，最后分3次均勻加入PVA纖維，每次加入間隔1 min，攪拌10 min后裝模成型。參照ISO 679[17]成型試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，拆模結(jié)束后移至溫度20±2 ℃，濕度95%的恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱，養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行拉伸及壓縮測試。

圖1 單軸拉伸試件尺寸

1.4 試驗(yàn)方案及設(shè)備

本文試驗(yàn)方法參照《JC/T 2461-2018 高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)方法》[18]。壓縮試驗(yàn)采用WAW-600D微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南蘭博時(shí)代測試技術(shù)有限公司)，加載方式采用位移控制，對2種配合比試件在4種不同應(yīng)變率下進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，應(yīng)變率分別為10-5、10-4、10-3和10-2s-1，分別對應(yīng)0.04242、0.4242、4.242和42.42 mm/min的壓縮速率。通過WAW-600D微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)和引伸計(jì)測得試件在壓縮過程中的荷載與變形的關(guān)系，引伸計(jì)測試標(biāo)距為50 mm，如圖2所示。

圖2 壓縮試驗(yàn)加載裝置

拉伸試驗(yàn)采用MTS Exceed 萬能材料試驗(yàn)機(jī)(美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司)，加載方式采用位移控制，對2種配合比試件在4種不同應(yīng)變率下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，應(yīng)變率分別為10-5、10-4、10-3和10-2s-1，分別對應(yīng)0.03、0.3、3和30 mm/min的拉伸速率。通過荷載傳感器和引伸計(jì)測得試件在拉伸過程中的荷載與變形的關(guān)系，引伸計(jì)測試標(biāo)距為50 mm，如圖3所示。

圖3 單軸拉伸試驗(yàn)加載裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能

圖4為各組試件在不同應(yīng)變率下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，每組配比測試3個(gè)試件，取拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的中間值作為代表性曲線。各組試件的拉伸力學(xué)性能如圖5所示。其中采用極限拉伸應(yīng)變處(80%峰值應(yīng)力處對應(yīng)的拉伸應(yīng)變作為極限拉伸應(yīng)變)應(yīng)力-應(yīng)變曲線所包圍下的面積作為試件拉伸韌性的評價(jià)指標(biāo)。由圖5可知，隨著應(yīng)變率的提高，試件的拉伸韌性出現(xiàn)明顯的下降。對于A組試件，當(dāng)應(yīng)變率由10-5s-1提升至10-2s-1時(shí)，試件的拉伸韌性分別降低了9.22%、5.22%、9.84%，B組試件的拉伸韌性隨應(yīng)變率提高分別降低了18.52%、5.62%、2.22%；而B組試件在4種應(yīng)變率下的拉伸韌性相比A組分別提高了348.7%、313.48%、311.94%、342.62%。由此可見應(yīng)變率與HDCC材料的拉伸韌性的關(guān)系是負(fù)相關(guān)的，但在不同應(yīng)變率下碳酸鈣晶須的引入對HDCC的拉伸韌性均有顯著的提高。

由圖4和圖5可知，對于A組試件，當(dāng)應(yīng)變率由10-5s-1提升至10-2s-1時(shí)，其拉伸初裂應(yīng)力分別提高了9.96%、11.96%、18.45%，峰值應(yīng)力分別提高20.68%、28.97%、6.04%，極限拉伸應(yīng)變分別降低了37.5%、37.14%、16.67%。對于B組試件，隨著應(yīng)變率的提高其拉伸初裂應(yīng)力分別提高了59.62%、20.88%、17.52%，峰值應(yīng)力分別提高19.25%、24.48%、14.64%，極限拉伸應(yīng)變分別降低了36%、29.63%、25%，可知隨著應(yīng)變率的提高試件的峰值應(yīng)力及初裂應(yīng)力均有較大的提高且在應(yīng)變率由10-4s-1提升至10-3s-1時(shí)提升幅度最大，而極限拉伸應(yīng)變隨著應(yīng)變率的提高而降低，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

圖4 各組試件的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 各組試件的拉伸力學(xué)性能參數(shù)與拉伸韌性平均值

由圖5可知，在4種應(yīng)變率下，當(dāng)加入碳酸鈣晶須后試件的峰值應(yīng)力分別提高了21.05%、19.63%、15.46%、24.83%；試件的極限拉伸應(yīng)變分別提高了260.61%、264.58%、285.71%、260%，而試件在應(yīng)變率為10-5s-1時(shí)初裂應(yīng)力降低，其它應(yīng)變率下初裂應(yīng)力均提高，這可能是拉伸試驗(yàn)過程中試件與拉伸模具中存在空隙導(dǎo)致，整體規(guī)律是碳酸鈣晶須的加入提高了材料的初裂應(yīng)力。由此可以看出，在不同應(yīng)變率下，碳酸鈣晶須對HDCC拉伸峰值應(yīng)力的提高有著顯著的作用，特別對HDCC的拉伸應(yīng)變的提高具有明顯作用。因此碳酸鈣晶須對改善HDCC材料的拉伸力學(xué)性能可起明顯的作用。

2.2 壓縮性能

圖6為各組試件在不同應(yīng)變率下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，每組配比測試3個(gè)試件，取壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線的中間值作為代表性曲線。各組試件的抗壓強(qiáng)度如圖7所示。由圖6可知，隨著應(yīng)變率由10-5s-1提升至10-2s-1，A組試件的抗壓強(qiáng)度分別提高了10.46%、9.38%、5.56%，B組試件的抗壓強(qiáng)度分別提高了8.13%、10.81%和6.79%。由此可見隨著應(yīng)變率的提高試件的抗壓強(qiáng)度也隨之提高。

由圖7a可知，在4種應(yīng)變率下，當(dāng)加入碳酸鈣晶須后試件抗壓強(qiáng)度提升至25.58、27.66、30.65和32.73 MPa，峰值應(yīng)力分別提高了24.42%、21.8%、23.39%、24.83%，試件的抗壓強(qiáng)度得到明顯提高。由圖7b可知，當(dāng)應(yīng)變率在10-5～10-2s-1范圍內(nèi)變化時(shí)，峰值應(yīng)力處的應(yīng)變值沒有明顯的變化規(guī)律，而在摻入碳酸鈣晶須后從整體上看，應(yīng)變值略有增加的趨勢。由此可見峰值應(yīng)力處的應(yīng)變值不隨應(yīng)變率的增大而發(fā)生變化，在加入碳酸鈣晶須后應(yīng)變值略有增大。

圖6 各組試件的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7 各組試件的壓縮力學(xué)性能參數(shù)平均值

3 結(jié) 論

研究了在應(yīng)變率為10-5、10-4、10-3和10-2s-1下HDCC的拉伸性能和壓縮性能以及在引入碳酸鈣晶須后HDCC的力學(xué)性能，分析了應(yīng)變率對HDCC拉伸強(qiáng)度、拉伸應(yīng)變、拉伸韌性以及壓縮強(qiáng)度的影響，可以得到以下結(jié)論：

(1)隨著應(yīng)變率的提高，HDCC材料的拉伸韌性與極限拉伸應(yīng)變的關(guān)系是負(fù)相關(guān)的，而HDCC材料的初裂應(yīng)力及峰值應(yīng)力均有較大幅度的提高，呈正相關(guān)關(guān)系。

(2)在不同應(yīng)變率下，碳酸鈣晶須的摻入對改善HDCC材料的拉伸力學(xué)性能起明顯的作用,對HDCC材料的拉伸峰值應(yīng)力、拉伸韌性及拉伸應(yīng)變的提高有著較為顯著的作用。

(3)隨著應(yīng)變率的提高，HDCC材料的抗壓強(qiáng)度也隨之提高，呈正相關(guān)關(guān)系，且碳酸鈣晶須的引入對提高HDCC材料的抗壓強(qiáng)度，起著十分明顯的作用。

(4)當(dāng)應(yīng)變率在10-5～10-2s-1范圍內(nèi)變化時(shí)，壓縮峰值應(yīng)力處的應(yīng)變值不隨應(yīng)變率的增大而發(fā)生變化，在加入碳酸鈣晶須后應(yīng)變值略有增大。