椰子纖維MPC復(fù)合水泥基材料受壓性能試驗(yàn)研究

吳 輝，黃 旻，張力文，謝柱堅(jiān)，張俊平

(1.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006； 2.廣州大學(xué)工程抗震研究中心，廣東 廣州 510006)

磷鎂水泥(MPC)是一種由磷酸鹽、氧化鎂和硼砂等混合制備而成的新型無(wú)機(jī)膠凝材料，屬于化學(xué)粘結(jié)陶瓷類(lèi)[1-2]，具有水化速度快、早期強(qiáng)度高、耐磨及抗凍性好等優(yōu)點(diǎn)[3].與普通硅酸鹽水泥相比，其具有良好的粘結(jié)強(qiáng)度且干縮比遠(yuǎn)小于普通硅酸鹽水泥砂漿，因此，在混凝土修補(bǔ)和養(yǎng)護(hù)工程中具有良好的應(yīng)用前景[4-5].但是，與硅酸鹽水泥材料相似，MPC脆性大、延性弱的缺點(diǎn)限制了它的工程應(yīng)用范圍.為了克服這些缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)添加纖維的方法，如鋼纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維和聚丙烯纖維等，以提高其延性.Feng等[6]發(fā)現(xiàn)摻入1.6%的微鋼纖維可以對(duì)MPC復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度提高95.7%.馮虎等[7]發(fā)現(xiàn)在MPC中摻入微鋼纖維抗壓強(qiáng)度和韌性顯著提高，且隨著微鋼纖維摻量的提高，抗壓強(qiáng)度也隨之提高.Ahmad等[8]發(fā)現(xiàn)了MPC砂漿中加入0.5%玄武巖纖維和10%硅灰粉后，MPC抗壓強(qiáng)度提高了47.4%且擁有優(yōu)越的延性.劉雪敏等[9]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在MPC中摻入不超過(guò)2 kg/m3的短切玄武巖纖維有助于提高抗壓強(qiáng)度，且摻量為1.5 kg/m3時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值40.51 MPa.Fang等[10]證實(shí)玻璃纖維可以有效防止MPC開(kāi)裂，當(dāng)摻入4%的3 mm玻璃纖維時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度最大為1.5 MPa.單春明等[11]發(fā)現(xiàn)在MPC中摻入長(zhǎng)度15 mm.體積分?jǐn)?shù)1%聚丙烯纖維時(shí)，其水泥砂漿抗壓強(qiáng)度最大，為93.2 MPa，且其延性和耗能性能都有較大提高.然而，以往添加的纖維多為人造纖維，這些纖維在生產(chǎn)和廢物處理過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致二氧化碳的過(guò)量排放和能源消耗，從而帶來(lái)一系列環(huán)境問(wèn)題[12].因此，有必要尋找一種環(huán)保的材料替代人造纖維來(lái)改善這些問(wèn)題.與人造纖維相比，椰子纖維作為一種天然植物纖維，具有完全可生物降解、可利用性強(qiáng)、可再生、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)[13-14].除了這些顯著的環(huán)保特性外，CF在天然纖維中具有很好的韌性[15-17]，Gautam Basu等[18]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：椰子纖維斷裂強(qiáng)度達(dá)到11.25 cN/tex，斷裂伸長(zhǎng)率為21.5%，具有良好的斷裂韌性及延伸性.當(dāng)水泥基體在受到外加荷載時(shí)，摻入的纖維可以吸收一部分能量，幫助基體承受荷載，阻礙基體中微裂紋的擴(kuò)展[19].盡管椰子纖維和大多數(shù)植物纖維一樣抗堿性較弱，但混凝土并非強(qiáng)堿物.根據(jù)目前對(duì)椰子纖維水泥基材料的短周期研究發(fā)現(xiàn)水泥基材料堿性對(duì)植物纖維影響不大.因此，椰子纖維在提高水泥復(fù)合材料的韌性和壓縮性能方面具有很大潛力.Thanushan等[20]發(fā)現(xiàn)CF可以提高水泥砌塊的剩余強(qiáng)度、延性和能量吸收性能.Li等[21]發(fā)現(xiàn)CF增強(qiáng)膠凝復(fù)合材料具有更好的抗彎強(qiáng)度、更高的吸能能力和延性.Zainorizuan等[22]發(fā)現(xiàn)在泡沫混凝土中摻入適量椰子纖維能夠顯著提高其抗壓強(qiáng)度.Nabiha等[23]也發(fā)現(xiàn)在輕質(zhì)泡沫混凝土中加入椰子纖維可以顯著改善其脆性同時(shí)改變其破壞模式，并增強(qiáng)抗壓性能和抗裂性能.Subramanian等[24]發(fā)現(xiàn)在自密實(shí)混凝土中摻入經(jīng)沸水處理過(guò)的椰子纖維可提高23.48%的抗壓強(qiáng)度.Ali等[15]發(fā)現(xiàn)在碳纖維混凝土中摻入一定量的椰子纖維能夠提高其抗壓強(qiáng)度、抗壓韌性、斷裂模量和彎曲韌性.鑒于對(duì)現(xiàn)有的椰子纖維對(duì)普通混凝土抗壓強(qiáng)度、延性及能量吸收的影響研究發(fā)現(xiàn)，CF有望改善MPC的延性和能量吸收性能.目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于椰子纖維磷酸鎂水泥的研究十分有限，多數(shù)集中于CF普通水泥砂漿與混凝土或是人造纖維磷酸鎂水泥，因此，有必要對(duì)CF-MPC的力學(xué)性能展開(kāi)專(zhuān)項(xiàng)研究，探明這種新型水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能，以便在實(shí)際工程中的應(yīng)用.本團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)前期研究探明了椰子纖維摻量、長(zhǎng)度和試件養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)MPC抗彎性能的影響[25-27].基于此，本文主要通過(guò)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)研究不同CF摻量和不同養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)MPC靜態(tài)抗壓性能的影響規(guī)律，并進(jìn)行SEM、XRD微觀分析從微觀上研究CF摻量及養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)MPC靜態(tài)抗壓性能的影響機(jī)理.

1 試驗(yàn)內(nèi)容及方案設(shè)置

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方案

本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期下不同CF摻量的MPC試件進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，研究養(yǎng)護(hù)齡期及CF摻量對(duì)MPC靜態(tài)抗壓性能的影響，并通過(guò)微觀分析印證力學(xué)試驗(yàn)現(xiàn)象.試驗(yàn)內(nèi)容主要分為三部分：

(1)通過(guò)分析不同CF摻量下的破壞形態(tài)、抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)和能量吸收性能，研究椰子纖維摻量對(duì)MPC靜態(tài)抗壓性能的影響規(guī)律；

(2)通過(guò)分析不同養(yǎng)護(hù)齡期下的破壞形態(tài)、抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)和能量吸收性能，研究養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)MPC靜態(tài)抗壓性能的影響規(guī)律；

(3)結(jié)合場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，簡(jiǎn)稱(chēng)SEM)、X射線(xiàn)衍射(X-Ray diffraction,簡(jiǎn)稱(chēng)XRD)等現(xiàn)代微觀測(cè)試技術(shù)，研究MPC在不同CF摻量和不同養(yǎng)護(hù)齡期下微觀結(jié)構(gòu)及水化成分的變化，揭示其對(duì)MPC靜態(tài)抗壓性能的影響機(jī)理.

試驗(yàn)方案采用5個(gè)CF摻量(0、1%、2%、3%、4%)和2個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期(7 d、28 d)，對(duì)MPC試件進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，研究不同CF摻量在不同養(yǎng)護(hù)齡期下對(duì)破壞形態(tài)、抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變行為和能量吸收的影響.試驗(yàn)按GB/T17671—1999《水泥砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)方法》規(guī)范進(jìn)行，共選用30個(gè)試件，試件尺寸為40 mm×40 mm×70 mm，如圖1所示.根據(jù)齡期、纖維摻量不同將試件分為10組，各組試件按“纖維摻量-養(yǎng)護(hù)齡期”編號(hào)，每組有三個(gè)試件.例如，CF3-D7是CF摻量為3%，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d，用于研究其靜態(tài)抗壓性能的試件.表1給出了試件的配合比.

表1 試件配合比Tab.1 Specimen mix ratio

如圖1所示，靜態(tài)壓縮試驗(yàn)參照ASTM C109標(biāo)準(zhǔn)使用MTS-E45.305萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行.首先，以1.0 mm/min的速率預(yù)加載試件，預(yù)加載至0.01 kN結(jié)束.然后以2.0 mm/min的加載速率開(kāi)始加載，同時(shí)通過(guò)安裝在受壓測(cè)上的傳感器在計(jì)算機(jī)上記錄荷載-位移曲線(xiàn)數(shù)據(jù).當(dāng)加載力下降到峰值荷載的50%時(shí)，試驗(yàn)停止，試件失效，并使用高清相機(jī)捕捉試件的破壞形態(tài).隨后在破壞的試件中取4 mm×2 mm的MPC薄片，同組配合比試件均取1個(gè)，試驗(yàn)齡期控制為7 d、28 d.采用LEO1530VP型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)形貌，同時(shí)采用PW3040/60型X射線(xiàn)衍射儀測(cè)定水泥基體主要組分及含量.

圖1 試件及壓縮試驗(yàn)儀器Fig.1 Specimens and compression test instruments

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范ASTM C109-16[28]計(jì)算每個(gè)試件抗壓強(qiáng)度，按公式(1)計(jì)算.

(1)

式中：fcu為抗壓強(qiáng)度(MPa)；Pu為最大荷載(kN)；A是受壓面積(A=2 800 mm2).

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范ASTM C469-14[29]，采用式(2)計(jì)算試件的彈性模量.

(2)

式中：E為彈性模量 (GPa)；σ1為應(yīng)力且σ1=0.5uε(MPa)；σ2為應(yīng)力增加到峰值應(yīng)力的40% (MPa)；ε2為縱向應(yīng)變(對(duì)應(yīng)于應(yīng)力軸σ2).

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方案

本試驗(yàn)采用的MPC基材組分為重?zé)趸V(MgO)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)、硼砂(Na2B4O7·10H2O)、粉煤灰(Fly ash，簡(jiǎn)稱(chēng)FA)、水，材料基本配合比見(jiàn)表2.氧化鎂粉由新密正陽(yáng)鑄造材料公司提供，平均粒徑約為45 μm，其化學(xué)組分見(jiàn)表3；粉煤灰由河南鄭州鞏義市恒諾涂料有限公司提供，其化學(xué)成分見(jiàn)表4；磷酸二氫鉀由南京姜華化玻有限公司生產(chǎn)，純度為99.5%；硼砂由南京姜華化玻有限公司生產(chǎn)，含量大于99.5%.椰子纖維由江西省佳高誠(chéng)進(jìn)出口貿(mào)易有限公司提供，其物理參數(shù)及力學(xué)性能見(jiàn)表5.

表2 MPC基本配合比Tab.2 Basic mix ratio

表3 氧化鎂粉末的化學(xué)成分Tab.3 Chemical composition of magnesium oxide powder

表4 粉煤灰的化學(xué)成分Tab.4 Chemical composition of fly ash

表5 椰子纖維的物理參數(shù)和力學(xué)性能Tab.5 Physical parameters and mechanical properties of coconut fiber

在試件制備之前對(duì)原材料進(jìn)行前期處理(圖2)：磷酸二氫鉀置于60 ℃烘箱內(nèi)干燥30～40 h，球磨機(jī)研磨6～8 h,42目實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)篩做過(guò)篩處理；硼砂置于60℃烘箱內(nèi)干燥24～30 h，球磨機(jī)研磨4～6 h，42目實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)篩做過(guò)篩處理；CF置于潔凈水浸泡30～60 min,刷子洗滌、剛梳順直，重復(fù)5～10遍，確保CF表面干凈，然后放入30 ℃干燥箱干燥24～36 h，并每隔2～3 h翻轉(zhuǎn)一遍.待完全干燥后取出，使用恒溫水箱沸水煮2 h，隨即撈出并再放入清水清洗，直至洗出的水清澈為止.為去除CF表面大量自由水，再次放入30 ℃干燥箱，執(zhí)行前述干燥過(guò)程，得到本文試驗(yàn)所需的成品CF，最后按照試驗(yàn)方案鍘刀短切.

在試件制備(圖3)過(guò)程中，首先，將磷酸二氫鉀、硼砂、粉煤灰干粉放入攪拌機(jī)中攪拌約30 s；其次，將氧化鎂粉末加入混合物中，持續(xù)攪拌30s至混合均勻，隨后加水?dāng)嚢? min成漿體，再將CF加入到漿體中，快速攪拌30 s；最后，將混合良好的拌合物注入模具，1 h后脫模，在相對(duì)濕度45% (±5%)和20 (±3) ℃的房間中分別養(yǎng)護(hù)7 d和28 d.在試件將要達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期之前，使用手磨機(jī)、高精度磨床打磨試件，保證試件上下面平整、平行，并在試件表面噴涂白漆以便觀察試件破壞進(jìn)程.

圖2 原材料前期處理Fig.2 Preliminary treatment of raw materials

圖3 試件制備流程Fig.3 Specimens preparation process

2 試件結(jié)果與分析

2.1 破壞模式

試件的破壞根據(jù)試件延性的增長(zhǎng)將破壞模式總結(jié)為三種形式(見(jiàn)圖4).Ⅰ型破壞：當(dāng)加載力達(dá)到峰值時(shí)，試件瞬間失效，脆性特征明顯.Ⅱ型破壞：與Ⅰ型破壞相似，但由于CF連接在裂縫中，試件破壞時(shí)未剝離.Ⅲ型破壞：試件由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)檠有裕虞d力達(dá)到峰值后試件仍能抵抗荷載，試件的裂縫逐漸增多，裂縫寬度小于Ⅰ型和Ⅱ型.Ⅳ型破壞：與Ⅲ型破壞類(lèi)似，但由于CF摻量過(guò)高，使其在MPC中分布不均勻，出現(xiàn)纖維團(tuán)聚現(xiàn)象.

圖4 試件破壞模式Fig.4 Failure mode of specimen

在養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)，CF0-D7組試件表現(xiàn)為Ⅰ型破壞，試件破壞形態(tài)見(jiàn)圖5(a)，在受壓過(guò)程中豎向試件側(cè)表面中間區(qū)域首先產(chǎn)生微小裂縫，隨著荷載的逐漸增大伴有水泥碎塊剝落，當(dāng)加載到峰值應(yīng)力時(shí)，裂縫擴(kuò)大并迅速貫通，伴隨突發(fā)性崩裂，產(chǎn)生較大的壓碎破壞聲響，邊角混凝土壓碎明顯.從試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，圖11(a)，也能發(fā)現(xiàn)試件達(dá)到峰值應(yīng)力后，試件在微小應(yīng)變內(nèi)破壞，應(yīng)力迅速下降為0；CF1-D7組試件破壞表現(xiàn)為Ⅱ型破壞，與Ⅰ型破壞現(xiàn)象基本一致，但由于CF將破裂的碎片連接在一起，試件并沒(méi)有分裂成獨(dú)立的碎片；隨著試件CF摻量的繼續(xù)增加(CF2-D7、CF3-D7)，試件破壞發(fā)展為Ⅲ型破壞，試件破壞具有一定的延性特征.在試驗(yàn)過(guò)程中，隨著荷載的增加，裂紋以一定的速度擴(kuò)展，并擴(kuò)展到一定的寬度形成裂縫，可觀察到部分CF從MPC基體中拔出，且由于纖維的連接，破裂的碎片并沒(méi)有分裂成獨(dú)立的碎片；當(dāng)纖維摻量超過(guò)3%時(shí)(CF4-D7)表現(xiàn)為Ⅳ型破壞，試件仍具有較大延性，但由于CF摻量過(guò)高導(dǎo)致MPC砂漿流動(dòng)性差、CF分布不均勻，一些纏繞成團(tuán)的CF出現(xiàn)在裂縫中.

圖5 各組試件破壞形態(tài)Fig.5 Failure pattern of each sample

當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，試件隨CF摻量變化的破壞形態(tài)與7 d養(yǎng)護(hù)齡期下試件的破壞形態(tài)基本一致.但相同CF摻量的試件中，28 d養(yǎng)護(hù)齡期的試件比7天養(yǎng)護(hù)齡期下的試件脆性都更大，破壞時(shí)的裂縫寬度更窄.并且從圖11中可觀察到28 d養(yǎng)護(hù)齡期下峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變均小于7 d養(yǎng)護(hù)齡期.另外從試件破壞面來(lái)看28 d養(yǎng)護(hù)齡期試件內(nèi)部孔隙明顯小于7 d養(yǎng)護(hù)齡期試件，28 d養(yǎng)護(hù)齡期試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密.

2.2 抗壓強(qiáng)度

圖6(a)給出了7 d、28 d養(yǎng)護(hù)齡期下各組試件的平均抗壓強(qiáng)度(Average Compressive Strength，簡(jiǎn)稱(chēng)ACS).在7 d養(yǎng)護(hù)齡期下，隨著CF摻量從0增加到4%，試件ACS從47.97 MPa持續(xù)減小到45.03 MPa.在不同CF摻量(1%、2%、3%、4%)下對(duì)應(yīng)的ACS遞減率分別為0.41%、1.61%、4.21%、6.13%，如圖6(b)所示.

圖6 不同齡期、CF摻量下MPC的抗壓強(qiáng)度和相對(duì)遞減率Fig.6 Compressive strength and relative delative rate of MPC at different curing ages and CF dosages

CF摻量對(duì)MPC抗壓強(qiáng)度的影響可以解釋為MPC內(nèi)部發(fā)生著如下水化反應(yīng).

MgO+KH2PO4+5H2O=MgKPO4·6H2O其中，主要水化產(chǎn)物六水磷酸鉀鎂(MgKPO4·6H2O，簡(jiǎn)稱(chēng)MKP)包裹著未反應(yīng)的MgO和KH2PO4形成的晶體結(jié)構(gòu)如圖7所示，是提供MPC機(jī)械強(qiáng)度的主要部件[30].而圖8(a)XRD分析中，同一齡期下MKP含量隨CF摻量的增加而遞減，當(dāng)CF摻量從0增加到4%時(shí)，MKP的最大衍射強(qiáng)度從566.12 a.u.下降到543.36 a.u.，導(dǎo)致MPC抗壓強(qiáng)度的損失，這主要是因?yàn)殡S著CF體積摻量的增加，MPC在CF-MPC中的占比相對(duì)有所下降，導(dǎo)致水化產(chǎn)物MKP也相對(duì)下降；此外，通過(guò)圖9 MPC及CF-MPC的SEM圖可發(fā)現(xiàn)隨著CF的摻入，過(guò)高摻量(4%)時(shí)會(huì)出現(xiàn)CF分布不均勻和CF團(tuán)聚的現(xiàn)象，致使結(jié)構(gòu)整體性降低，CF周?chē)霈F(xiàn)了較大的微裂縫，導(dǎo)致MPC整體抗壓性能下降.

當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，ACS隨CF摻量的變化趨勢(shì)與7 d養(yǎng)護(hù)齡期下基本一致.如圖6(a)所示，隨CF摻量從0增加到4%，ACS從57.24 MPa持續(xù)降低到54.91 MPa.在不同CF摻量(1%、2%、3%、4%)下對(duì)應(yīng)的ACS相對(duì)遞減率分別為0.16%、0.98%、3.06%、4.07%，相比7 d養(yǎng)護(hù)齡期的相對(duì)遞減率較小.這主要是因?yàn)?8 d養(yǎng)護(hù)齡期下MPC水化反應(yīng)更充分，MPC基體內(nèi)部和MPC與CF之間粘結(jié)力均增強(qiáng)，未摻CF的MPC抗壓強(qiáng)度基數(shù)較大，因此CF對(duì)MPC抗壓強(qiáng)度縮減的影響較小.而如圖6(a)所示，當(dāng)CF摻量相同時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)明顯增大，這主要是因?yàn)?8 d養(yǎng)護(hù)齡期下試件水化反應(yīng)更加充分，產(chǎn)生更多MKP包裹的晶體結(jié)構(gòu)，提高了抵抗外部壓力的能力.

圖7 MPC微觀形貌及組成Fig.7 Microstructure and composition of MPC

圖8 不同齡期、CF摻量下MKP和氧化鎂XRD最大峰值Fig.8 XRD maximum intensity of MKP and magnesium oxide at different ages and CF dosages

圖9 MPC與CF-MPC的SEM圖Fig.9 SEM diagram of MPC and CF-MPC

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變

如圖10所示，試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)可總結(jié)分為三個(gè)階段：近似彈性階段(O～A)、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段(A～B)和軟化下降階段(B～C，B～D).根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)可得到各個(gè)階段的彈性模量.當(dāng)MPC中不摻CF或者摻量較少(1%)時(shí)，軟化下降階段表現(xiàn)為B～C，試件如本文2.1所述試件表現(xiàn)為明顯的脆性特征.而隨CF摻量的增加，應(yīng)力-應(yīng)變軟化下降階段表現(xiàn)為B～D，這主要得益于椰子纖維的摻入改善MPC的延性.

圖10 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)構(gòu)型Fig.10 Stress-strain curve configuration

圖11(a)為7 d養(yǎng)護(hù)齡期下不同CF摻量試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，所有試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)在彈性階段(O～A)相似，都可以看作是一個(gè)近似線(xiàn)性上升階段.如圖12(a)所示，隨著CF摻量從0增加到4%，切線(xiàn)彈性模量(E)從11.06 GPa下降到7.56 GPa.根據(jù)復(fù)合材料理論[31]，較低模量的CF摻入MPC，使整體彈性模量降低.隨著載荷的增加，應(yīng)力增大到A點(diǎn)，裂紋處局部應(yīng)力超過(guò)了基體局部的抗裂能力，基體中出現(xiàn)了一些微小裂紋.進(jìn)入下一階段(A～B)后，盡管彈性模量隨著應(yīng)力的增加而逐漸下降，但由于基體間的粘結(jié)力和CF與MPC之間的“橋聯(lián)效應(yīng)”(圖13)未達(dá)到極限，基體承載力仍在增大.此外，從圖11(a)中可以看出，隨著CF摻量的增加，A～B階段對(duì)應(yīng)的應(yīng)變范圍也在增加，MPC中裂縫的開(kāi)展被延緩.割線(xiàn)模量(Es)的變化也可以用來(lái)表現(xiàn)CF摻量對(duì)微裂紋的限制作用.如圖12(b)，CF摻量從0增加到4%，7 d養(yǎng)護(hù)齡期下Es由10.50 GPa減少到7.11 GPa.

圖11 不同齡期、CF摻量下應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.11 Stress-strain curves at different cuings ages and CF dosages

圖12 不同齡期、CF摻量下MPC的切線(xiàn)模量和割線(xiàn)模量Fig.12 Tangent modulus and secant modulus of MPC at dfferent curing ages and CF dosages

圖13 “橋聯(lián)效應(yīng)”及其失效形式Fig.13 “Bridge effect” and its failure forms

當(dāng)曲線(xiàn)達(dá)到峰值應(yīng)力B點(diǎn)后，試件進(jìn)入軟化階段.這個(gè)階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)產(chǎn)生了不同變化：試件CF摻量為0和1%時(shí)，曲線(xiàn)在極小的應(yīng)變范圍內(nèi)應(yīng)力急劇下降到點(diǎn)C，試件破壞；當(dāng)CF摻量超過(guò)1%時(shí)，試件應(yīng)力緩慢下降到點(diǎn)D，試件表現(xiàn)出更大的極限應(yīng)變且仍有較大殘余強(qiáng)度.試件軟化階段的差異主要是因?yàn)镃F摻量的不同，CF摻量較少時(shí)(在本研究中小于1%)，“橋聯(lián)效應(yīng)”較弱，CF對(duì)MPC應(yīng)力-應(yīng)變行為的影響可以忽略不計(jì).從試件破壞面可以看出，CF1-D7組試件受壓過(guò)程中大部分CF迅速脫出，裂紋迅速擴(kuò)展，直至試件破壞.隨著摻量的增加，裂紋所在截面的CF數(shù)量增加，使得“橋聯(lián)效應(yīng)”增強(qiáng)，限制了裂縫的擴(kuò)展.圖11(b)為28 d養(yǎng)護(hù)齡期下不同CF摻量試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，其整體變化趨勢(shì)與7 d養(yǎng)護(hù)齡期下相似，都是經(jīng)過(guò)近似彈性階段(O～A)后呈現(xiàn)出了較為明顯的差別，隨荷載的逐漸增加達(dá)到峰值應(yīng)力，低于1%CF摻量的試件發(fā)生了脆性破壞，應(yīng)力突變降至0，而高于1%摻量試件仍能承受一定荷載，這主要是一定摻量的CF能夠增強(qiáng)CF與MPC之間的聯(lián)系，使試件具有了一定的延性.

2.4 能量吸收

圖14為7 d、28 d養(yǎng)護(hù)齡期下不同CF摻量試件的能量吸收情況，能量吸收定義為圖7所示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)下面積的應(yīng)變能.在本研究中，為計(jì)算O-B-D階段所包圍的面積，D點(diǎn)的應(yīng)變限制在7 000.從圖14(a)可清晰觀察到，7 d養(yǎng)護(hù)齡期下，隨著CF摻量從0增加到4%，能量吸收從124.65 kJ· m-3遞增到270.99 kJ·m-3.在不同CF摻量(1%、2%、3%、4%)下對(duì)應(yīng)的能量吸收遞增率分別為9.3%、51.4%、79.1%、117.4%，如圖14(b)所示.

圖14 不同齡期、CF摻量下MPC的能量吸收和相對(duì)增長(zhǎng)率Fig.14 Energy absorption and relative growth rate of MPC at different curing ages and CF dosages

隨CF摻量增加能量吸收遞增顯著主要是因?yàn)?.3中提到的MPC基體與CF之間的“橋聯(lián)效應(yīng)”增強(qiáng).如圖13所示，加入CF后基體之間的聯(lián)系增強(qiáng)，這主要得益于其內(nèi)部晶體產(chǎn)物與CF的連接.若基體中裂紋持續(xù)發(fā)展，CF會(huì)脫出基體或斷裂，且無(wú)論是裂紋的形成、CF的脫出或斷裂都會(huì)造成能量消耗，并隨著CF摻量的增加，“橋聯(lián)效應(yīng)”隨之增強(qiáng)，能量消耗也會(huì)更大.

28 d養(yǎng)護(hù)齡期下，其整體變化趨勢(shì)與7 d養(yǎng)護(hù)齡期下相似，隨著CF摻量從0增加到4%，能量吸收從129.92 kJ·m-3遞增到271.68 kJ·m-3.在不同CF摻量(1%、2%、3%、4%)下對(duì)應(yīng)的能量吸收遞增率分別為16.5%、89.2%、95.4%、109.1%，相較于7 d養(yǎng)護(hù)齡期的能量吸收，1%至3%CF摻量的能量吸收遞增率均有所增加，而由于0摻量的MPC試件在28 d養(yǎng)護(hù)齡期下能量吸收相對(duì)7 d養(yǎng)護(hù)齡期較高，盡管4%摻量的能量吸收值大于7 d養(yǎng)護(hù)試件，但能量吸收增長(zhǎng)率表現(xiàn)略低，如圖14所示.

3 結(jié)論

本文通過(guò)30個(gè)CF-MPC試件靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，對(duì)比分析了養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)MPC靜態(tài)抗壓性能的影響，以及CF摻量對(duì)MPC靜態(tài)抗壓性能的影響，結(jié)論如下：

(1)CF對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期7 d和28 d養(yǎng)護(hù)齡期的MPC靜態(tài)抗壓性能的影響相似.但28 d的試件表現(xiàn)出較高的脆性；

(2)CF摻量從0增加到4%時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度略有下降，7 d、28 d養(yǎng)護(hù)齡期下強(qiáng)度損失最大分別為6.13%、4.07%，試樣的彈性模量和割線(xiàn)模量與抗壓強(qiáng)度呈相同變化趨勢(shì)；

(3)CF的摻入可以有效改善MPC延性.在本試驗(yàn)中，當(dāng)CF摻量大于1%時(shí)，試件破壞形態(tài)由脆性變?yōu)檠有裕?/p>

(4)CF對(duì)提高M(jìn)PC能量吸收性能有顯著貢獻(xiàn).雖然MPC的能量吸收性能隨CF摻量的增加而增加，但CF摻量在2%～3%范圍時(shí)，其增加速率逐漸減緩；

(5)CF的摻入降低了MPC中主要水化產(chǎn)物MKP的含量.此外，過(guò)多CF會(huì)降低MPC結(jié)構(gòu)整體性.