混雜纖維增強應(yīng)變硬化水泥基復合材料的彎曲性能預(yù)測

張 聰，夏超凡,袁 振,李志華

(1.江南大學 環(huán)境與土木工程學院，江蘇 無錫 214000; 2.武漢理工大學 硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，湖北 武漢 430000; 3.中國建筑材料科學研究學院 綠色建筑材料國家重點實驗室，北京 100024)

應(yīng)變硬化水泥基復合材料(SHCC)的極限拉伸應(yīng)變大、延性好，近年來受到了土木工程領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[1-6].但是由于成本原因，SHCC的推廣應(yīng)用依然存在瓶頸.纖維混雜化是提高SHCC性價比的重要手段之一[7-20].近年來，國內(nèi)外學者對鋼纖維(SF)/聚乙烯醇(PVA)纖維混雜應(yīng)變硬化水泥基復合材料(SF-PVA/SHCC)的基本力學性能開展了廣泛的試驗研究[8-20].相比于直接拉伸試驗，彎曲試驗更容易開展且其數(shù)據(jù)離散較小.而且從結(jié)構(gòu)材料的工程應(yīng)用角度來看，深入了解SF-PVA/SHCC的彎曲性能是其在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件中應(yīng)用的前提.近年來，國內(nèi)外學者對PVA纖維混雜應(yīng)變硬化水泥基復合材料(PVA/SHCC)以及SF-PVA/SHCC的彎曲性能開展了一定的研究，但是目前依然欠缺能夠預(yù)測SF-PVA/SHCC彎曲性能的理論計算方法.

1 試驗

1.1 基體材料

基體選用水泥砂漿，材料包括無錫天山水泥集團有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥、河南四通化建有限公司提供的Ⅰ級粉煤灰和精細石英砂(粒徑100～210μm，平均粒徑150μm)，按照m(水泥)∶m(粉煤灰)∶m(石英砂)=1.0∶4.0∶1.8的比例混合，水膠比mW/mB=0.34.瑞士進口的Sika牌聚羧酸高性能減水劑，減水率(質(zhì)量分數(shù))28.3%，用于調(diào)節(jié)新拌漿體的工作性，摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.5%.

1.2 纖維材料

鋼纖維(SF)由上海真強纖維有限公司生產(chǎn)，有端部彎鉤，長度為13mm，直徑為0.2mm，長徑比為65，抗拉強度為2000MPa，彈性模量為200～210GPa，密度為7.8g/cm3；PVA纖維由日本可樂麗公司生產(chǎn)，長度為12mm，直徑為39μm，抗拉強度為 1100MPa，彈性模量為 42.8GPa，密度為1.3g/cm3.試驗中各纖維摻量(均以SHCC的體積分數(shù)計)如表1所示.

表1 應(yīng)變硬化水泥基復合材料中纖維摻量

1.3 試件制作

采用無錫建材試驗儀器廠的JJ-5型行星式水泥膠砂攪拌機，先將水泥、粉煤灰、石英砂干拌2min；隨后加入水和高效減水劑，攪拌2min；最后均勻加入纖維，攪拌5min，獲得新拌水泥基材料.攪拌過程中發(fā)現(xiàn)，新拌材料工作性良好，纖維分散比較均勻，未發(fā)現(xiàn)明顯的纖維纏繞與結(jié)團現(xiàn)象.采用100mm×400mm×15mm試件測試材料的抗彎性能，每組配合比成型試件3個.參照JC/T 2461—2018《高延性纖維增強水泥基復合材料力學性能試驗方法》，新拌材料裝模后放入標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護24h后拆模，在(20±2)℃、相對濕度95%的條件下繼續(xù)養(yǎng)護至28d，將試件取出進行彎曲性能試驗.

1.4 彎曲性能試驗

采用濟南蘭博時代測試技術(shù)有限公司的WAW-100D型萬能試驗機，按照圖1所示加載裝置進行加載.試件跨距為300mm，通過荷載傳感器(量程10kN)和位移計(LVDT)測試試件的彎曲荷載及跨中撓度.加載方式為位移控制，加載速率為0.5mm/min.

圖1 彎曲性能試驗加載裝置Fig.1 Loading instrument for flexural property test(size：mm)

2 結(jié)果與討論

2.1 彎曲荷載-撓度曲線

圖2為各組試件的彎曲荷載-撓度曲線.圖3為各組試件的抗彎強度與極限彎曲撓度的平均數(shù)據(jù)統(tǒng)計.由圖2、3可以看出：(1)鋼纖維劣化了SHCC的彎曲變形能力，說明PVA纖維對SHCC的彎曲撓度硬化行為起控制作用；隨著鋼纖維摻量的提高，SHCC的彎曲變形能力將進一步劣化，當鋼纖維摻量由0%增加到1.00%時，SHCC的極限彎曲撓度降低了63.7%.這是因為相同摻量條件下，鋼纖維的根數(shù)和PVA纖維的根數(shù)差異太大.因此，實際上纖維的有效橋聯(lián)應(yīng)力是不足的[4]，導致SHCC的硬化過程和多縫開裂過程并不穩(wěn)定，從而無法使SHCC表現(xiàn)出明顯的高延性.(2)鋼纖維提高了SHCC的彎曲承載能力，其抗彎強度隨著鋼纖維摻量的提高而增大，隨著鋼纖維摻量由0%增加到1.00%，SHCC的抗彎強度提高了57.3%.這是由于本文所采用的超細鋼纖維屬剛性纖維且?guī)в卸瞬繌濄^，而亂向分布的微細鋼纖維可以很好地阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴展以及宏觀裂縫的發(fā)生和發(fā)展，對主要由主拉應(yīng)力控制的抗彎強度有明顯的改善作用.而PVA纖維屬柔性纖維，相比于微細鋼纖維，PVA纖維對SHCC的抗彎強度影響較弱.

圖3 各組試件的平均抗彎強度和極限彎曲撓度Fig.3 Average flexural strength and ultimate flexural deflection of each group sample

2.2 彎曲裂縫形態(tài)

圖4為各組試件跨中區(qū)域的彎曲裂縫形態(tài).由圖4可以看出：PVA-SHCC在彎曲荷載作用下表現(xiàn)出了明顯的多縫開裂特征，裂縫寬度和裂縫間距均較?。浑S著鋼纖維摻量的提高，試件的彎曲裂縫寬度和裂縫間距逐漸變大，裂縫數(shù)量逐漸減少，多縫開裂現(xiàn)象逐漸變得不明顯，且出現(xiàn)裂縫局部化的現(xiàn)象.上述發(fā)現(xiàn)與各組試件荷載-撓度曲線所表現(xiàn)出來的規(guī)律一致：隨著鋼纖維摻量的提高，荷載-撓度曲線變得更加平滑(多縫開裂行為減弱)，極限撓度值逐漸減小(裂縫減少且出現(xiàn)局部化現(xiàn)象).

2.3 彎曲性能預(yù)測

2.3.1抗彎強度計算

Maalej等[21]研究發(fā)現(xiàn)，SHCC的抗彎強度(極限彎曲應(yīng)力，σbu)與其抗拉強度(極限拉伸應(yīng)力，σtu)的比值在1～4之間.在此基礎(chǔ)上，本文通過引入纖維增強因子(RIv)[22]，用于考慮混雜纖維體積和纖維幾何特征的影響，將PVA-SHCC以及SF-PVA/SHCC的σbu與σtu的關(guān)系表達為式(1).

(1)

每當母親用一些類似“牙膏沒有從最尾端擠出”“冰箱門沒關(guān)緊”“看電視超過半個小時”等等小事向我興師問罪，并且總是將矛頭轉(zhuǎn)向我的成績上面去時，我便知道，夜里，父親又會來到我的房間。

根據(jù)Li等[24]的研究，σtu=gσ0.其中：σ0為纖維橋聯(lián)應(yīng)力，按式(2)計算；g為纖維效應(yīng)系數(shù)，按式(3)計算.

(2)

(3)

式中：τPVA、τSF分別為PVA、SF纖維與基體的界面粘結(jié)強度，其取值可參考文獻[25]；φPVA、lPVA、dPVA分別為PVA摻量、長度和直徑；φSF、lSF、dSF分別為SF的摻量、長度和直徑；Fbe端部彎鉤鋼纖維的形狀特征系數(shù)[23]，取值范圍1.2～2，本文取為1.8；f為界面參數(shù)，取值范圍0～1，本文根據(jù)Ahmed等[20]的建議，取為0.55.

2.3.2極限彎曲撓度計算

(4)

(5)

根據(jù)Lin等[28]的研究，εtu可按式(6)計算.

(6)

式中：δcu為裂縫極限開口位移；xd為裂縫極限間距.為簡化計算，假設(shè)極限狀態(tài)時裂縫間距相等.

圖4 各組試件跨中區(qū)域的彎曲裂縫形態(tài)Fig.4 Flexural cracking pattern of each group sample in mid-span area

圖5 板隔離體的應(yīng)變分布和曲率Fig.5 Strain distribution and curvature of slab free body

Kanda等[28]以及Li等[29]研究發(fā)現(xiàn)，PVA纖維會出現(xiàn)滑移-硬化行為，而剛性纖維如鋼纖維會出現(xiàn)滑移-軟化行為.Lin等[27]研究發(fā)現(xiàn)，如果忽略PVA纖維的滑移-硬化行為，會使δtu明顯偏低.對于有滑移-軟化現(xiàn)象的鋼纖維，δtu取值參考Li等[30]的研究.根據(jù)Lin等[27]的建議，考慮PVA纖維滑移-硬化行為，δtu可按式(7)計算.

(7)

(8)

(9)

表2為各組試件抗彎強度σbu和極限彎曲撓度(D)的理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比,其中σbu-theory/σbu-test均值為0.98，標準差為0.061，變異系數(shù)為0.062，Dtheory/Dtest均值為1.06，標準差為0.037，變異系數(shù)為0.035.

表2 各組試件的平均抗彎強度和極限彎曲撓度的理論值與試驗值對比

從表2可以看出，計算模型可以較好地預(yù)測SF-PVA/SHCC的彎曲性能.其中，極限彎曲撓度的理論計算結(jié)果均高于試驗結(jié)果，是因為理論計算中假定裂縫是均勻等間距分布的，是一種理想狀態(tài)，而實際試驗中SHCC的裂縫分布不均勻，裂縫開展是不充分的，因此實際情況下SHCC極限撓度的試驗值低于理論計算值.

3 結(jié)論

(1)鋼纖維劣化了SHCC的彎曲變形能力和多縫開裂能力；隨著鋼纖維摻量由0%增加到1.00%，SHCC的極限彎曲撓度降低了63.7%；隨著鋼纖維摻量的提高，SHCC的彎曲多縫開裂能力進一步劣化；鋼纖維對提高SHCC的彎曲承載能力有利，材料的抗彎強度隨鋼纖維摻量的提高而增大，隨著鋼纖維摻量由0%增加到1.00%，SHCC的抗彎強度提高了57.3%.

(2)本文提出的彎曲性能計算方法可以較好地預(yù)測SF-PVA/SHCC的抗彎強度和極限彎曲撓度.