高延性水泥基復(fù)合材料彎曲性能的率效應(yīng)*

劉明輝，余志輝，張 聰,2

(1. 江南大學(xué)，環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無錫 214000 2. 江蘇省土木工程環(huán)境災(zāi)變與結(jié)構(gòu)可靠性重點(diǎn)實(shí)驗室，江蘇 徐州 221000)

0 引 言

高延性水泥基復(fù)合材料(High Ductility Cementitious Composite, HDCC)是一種具有應(yīng)變硬化和多縫開裂特征的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，其拉伸應(yīng)變通?？蛇_(dá)3%以上，最大裂縫寬度可控制在100 μm以內(nèi)[1, 2]。相較于高脆性、低韌性的普通混凝土材料，HDCC材料優(yōu)良的性能使其有望大規(guī)模應(yīng)用在抗震工程、橋梁工程、大壩和港口等建筑結(jié)構(gòu)中[3]。

HDCC是一種應(yīng)變率敏感材料[4-5]，加載速率對于其動態(tài)力學(xué)性能影響很大,但目前國內(nèi)外學(xué)者對于HDCC力學(xué)性能的研究多集中在靜態(tài)荷載作用下[6-9]，而對于其動態(tài)荷載下的力學(xué)性能研究相對較少。Ali A. Heravi[10]等利用霍普金森拉桿研究了SHCC (strain hardening cement-based composite)在200s-1應(yīng)變速率下的拉伸性能，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變率的提高，纖維和基體的粘結(jié)強(qiáng)度的變化使得材料的峰值應(yīng)變和斷裂能均有所提高。李艷等研究了不同PVA纖維體積分?jǐn)?shù)(0%、0.5%、1%、1.5%、2%)的PVA-HDCC在3種應(yīng)變率下的動態(tài)壓縮性能,結(jié)果表明隨著PVA體積分?jǐn)?shù)的增大，PVA-ECC的動態(tài)峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和韌性增大[11]。由此可見，上述研究主要集中在HDCC的動態(tài)拉伸和動態(tài)壓縮性能，但HDCC更常處于彎-拉復(fù)合受力狀態(tài)，研究加載速率對于其受彎性能的影響不容忽視。此外，目前的研究多關(guān)注于單摻PVA纖維的HDCC材料，而單摻纖維存在一定的局限性：僅采用高彈模高強(qiáng)度的PVA纖維會造成較高的成本，而采用低彈模低強(qiáng)度的PVA纖維在高應(yīng)變率下容易斷裂達(dá)不到高延性效果[12]。為此，不少學(xué)者嘗試在PVA-HDCC中使用混雜纖維以提高HDCC的性價比[13]。

本文以前期研究為基礎(chǔ)[14-15]，分析了不同加載速率(0.1、1、10和50 mm/min)，不同PVA纖維摻量(體積分?jǐn)?shù)1.5%、1.75%、2%)以及混雜使用PVA纖維與碳酸鈣晶須對HDCC彎曲性能的影響，并對其初裂強(qiáng)度，極限抗彎強(qiáng)度，動態(tài)增強(qiáng)因子φDIF和彎曲韌性進(jìn)行評價。本文的研究成果可以為HDCC材料的研究與應(yīng)用提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí) 驗

1.1 原材料與配合比

原材料為：P·O 42.5R 型水泥(江蘇無錫)，比表面積7.01 m2/g；I級粉煤灰，比表面積0.37 m2/g；細(xì)骨料采用精制石英砂，粒徑為110～210 μm，平均粒徑為150 μm；減水劑采用聚羧酸型高效減水劑，減水率為24.1%；拌合用水為自來水。所用纖維材料包括PVA纖維(日本Kuraray，約150 000元/噸)和碳酸鈣晶須(上海峰竺，約1 500元/噸)。原材料的基本物理和化學(xué)參數(shù)分別如表1和表2所示。原材料形貌如圖1所示。

表1 纖維和晶須的物理力學(xué)性能Table 1 Physical and mechanical properties of fiber and whisker

表2 原材料的化學(xué)組成 (%)Table 2 Chemical composition of raw materials (%)

圖1 原材料的形貌Fig.1 Morphology of raw materials

為了研究動態(tài)荷載作用下碳酸鈣晶須對PVA-HDCC彎曲性能的影響，共設(shè)計了5組配合比，如表3所示。

表3 試驗配合比 (kg/m3)Table 3 Experimental mix proportion (kg/m3)

1.2 試驗方法

先將水泥砂漿攪拌機(jī)清理干凈后內(nèi)部濕潤，把稱好的石英砂、水泥、粉煤灰和碳酸鈣晶須倒入水泥砂漿攪拌機(jī)中，慢速干拌2 min。隨后倒入一半的水?dāng)嚢? min，再將高效減水劑和剩余的水倒入，快速攪拌5 min。最后將PVA纖維均勻加入(添加纖維前應(yīng)注意纖維的分散性，保證纖維不成團(tuán)不成束)，攪拌10 min后裝入尺寸為400 mm×100 mm×13 mm鋼模具，在振動臺上振動2 min，以減少內(nèi)部氣泡。將成型好的試件覆蓋保鮮膜，靜置于溫度為(20±5)℃的環(huán)境中24 h后拆模，將拆好的試件編號放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中(溫度20 ℃±2 ℃,相對濕度不低于95%)養(yǎng)護(hù)28 d后取出測試其彎曲性能。

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)性能試驗方法》，采用量程為30 kN的MTS萬能試驗機(jī)(美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司)對薄板試件進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗，加載方式為位移控制，試驗的加載裝置如圖2所示。每組配比3個試件，試驗結(jié)果取平均值。加載速度分別為：0.1、1、10和50 mm/min，當(dāng)荷載下降至極限荷載的80%時，停止加載。

圖2 彎曲試驗加載裝置Fig.2 Loading instrument for flexural test

2 結(jié)果與討論

2.1 初裂強(qiáng)度與抗彎強(qiáng)度

圖3 (a)是各組HDCC試件在不同加載速率下的初裂強(qiáng)度?？梢园l(fā)現(xiàn)，在單摻PVA纖維的3組試件中，隨著PVA纖維摻量的降低，其初裂強(qiáng)度在4個加載速率下均呈現(xiàn)下降趨勢；而摻入碳酸鈣晶須后，材料的初裂強(qiáng)度明顯提升，PVA/CW-HDCC-1組在0.1和1 mm/min的加載速率下其初裂強(qiáng)度甚至超過了PVA-HDCC-1組的初裂強(qiáng)度。這是因為在微觀層面上，碳酸鈣晶須通過對裂紋的偏轉(zhuǎn)，對缺陷和微觀裂縫的橋聯(lián)作用，以及晶須從基體中拔出等機(jī)制實(shí)現(xiàn)了對基體的增強(qiáng)增韌作用[9,14]，從而提高了在動態(tài)荷載作用下試件的初裂強(qiáng)度。

圖3 (b)為不同加載速率下各組HDCC薄板試件的抗彎強(qiáng)度?？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)不摻碳酸鈣晶須時，PVA-HDCC-1, PVA-HDCC-2, PVA-HDCC-3 3組試件在加載速率為1 mm/min時的抗彎強(qiáng)度相比于加載速率為0.1 mm/min時均有小幅度的下降，分別下降了0.55%、3.71%、9.95%。而摻入1%和3%碳酸鈣晶須后的HDCC薄板試件在1 mm/min加載速率下其抗彎強(qiáng)度分別提升了27.98%和27.32%。在4種加載速率下，摻入碳酸鈣晶須試件的抗彎強(qiáng)度均高于相同PVA纖維摻量的試件。這說明碳酸鈣晶須對于HDCC在動態(tài)荷載作用下的抗彎強(qiáng)度有很好的提升效果。此外，從圖2 (b)可以看到單摻PVA纖維的3組試件的抗彎強(qiáng)度隨著PVA纖維摻量降低而下降，說明PVA纖維摻量對于HDCC的抗彎強(qiáng)度起控制作用。

從圖3 (a)、(b)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加載速度>1 mm/min時，5組HDCC的初裂強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度隨著加載速率的增大均呈現(xiàn)上升趨勢。以準(zhǔn)靜態(tài)荷載(0.1 mm/min)時的抗彎強(qiáng)度為參照，5組試件在加載速率為10 mm/min時初裂強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的增長幅度都超過了8%；在加載速率為50 mm/min時增幅均超過了25%。這是因為隨著加載速率的提高，試件內(nèi)部的裂縫并無法充分?jǐn)U展和融合，因此能量累積和變形緩沖作用變小(在本試驗中反映為材料的開裂撓度變小)。根據(jù)沖量定理和功能原理, 材料只有通過增加應(yīng)力的方式來平衡外部能量[11]，所以表現(xiàn)為強(qiáng)度的增加。

由上述分析可知，HDCC材料的抗彎強(qiáng)度具有明顯的加載速率增強(qiáng)效應(yīng)，即隨著加載速率的提高，材料的抗彎強(qiáng)度隨之增大。因此采用動態(tài)增強(qiáng)因子φDIF(Dynamic Increase Factor，DIF)，來描述HDCC材料的加載速率硬化效應(yīng),如公式(1)所示。

(1)

式中：σds為準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度(加載速率為0.1 mm/min的抗彎強(qiáng)度)；φDIF為彎曲動態(tài)強(qiáng)化因子，是其他加載速率下的抗彎強(qiáng)度σd與σds的比值。

圖4為各組試件的動態(tài)增強(qiáng)因子與加載速率對數(shù)(ln(1+υ))的關(guān)系。由圖3可以看到：各組HDCC試件的φDIF與加載速率的對數(shù)均呈現(xiàn)線性增長關(guān)系；對于不同纖維體積分?jǐn)?shù)和不同碳酸鈣晶須摻量的HDCC試件，各擬合曲線的斜率大致相同，即φDIF與加載速率對數(shù)的線性增長關(guān)系基本相同，這說明纖維體積分?jǐn)?shù)和碳酸鈣晶須摻量對HDCC抗彎強(qiáng)度敏感性的影響較小。

圖4 φDIF與ln(1+υ)的關(guān)系Fig.4 The relationship between φDIF and ln(1+υ)

2.2 彎曲韌性

為了研究加載速率對HDCC材料彎曲韌性的影響，根據(jù)試驗得到的荷載-撓度曲線(圖5)計算各組試件的能量吸收能力指標(biāo)TI，如公式(2)所示。

(2)

式中：TI為峰值點(diǎn)對應(yīng)荷載-撓度曲線下的面積與試件有效體積的比值；δMOR為峰值荷載處對應(yīng)的跨中撓度；P(δ)為試件所受的彎曲荷載；b為試件的寬度，即100 mm；h為試件的高度，即15 mm；L為支座的距離，即300 mm。各組HDCC在不同加載速率下的能量吸收能力指標(biāo)見表4。

表4 不同加載速率下的能量吸收能力指標(biāo)TITable 4 Index of energy absorption capacity under different loading rates

由表4可以看到，隨著加載速率的提高，各組HDCC試件的能量吸收能力呈現(xiàn)降低的趨勢，這是由于在較高的加載速率下HDCC中的PVA纖維的黏結(jié)-滑移過程并不充分，甚至纖維易被拉斷，導(dǎo)致無法充分發(fā)揮PVA纖維的“拔出”和“橋聯(lián)”能力，因此導(dǎo)致HDCC試件的彎曲韌性呈降低趨勢[16]。此外，從圖5中的荷載-撓度曲線可以看出，當(dāng)加載速率超過1 mm/min，各組試件的撓度隨加載速率的提高而逐漸減小，且峰值荷載后曲線下降段的斜率增大。說明HDCC的彎曲韌性和延性受加載速率的影響明顯，隨加載速率的提高而劣化。圖5 (a)、(b)、(c)為不同加載速率下HDCC的荷載撓度曲線?？梢钥闯觯S著PVA纖維摻量的降低，試件的極限荷載、極限撓度都有所下降并且出現(xiàn)了撓度硬化行為的退化。與PVA-HDCC-1相比，PVA-HDCC-2的極限荷載在4個加載速率下均下降了20%左右，PVA-HDCC-3的極限荷載均下降了50%左右。除此之外，PVA-HDCC-2和PVA-HDCC-3試件的極限撓度在0.1 mm/min的加載速率分別下降了26%和40%，而在10 mm/min的加載速率下分別下降了52%和61%。可以發(fā)現(xiàn)，PVA纖維對于HDCC的動態(tài)彎曲性能起到控制性作用。圖5 (d)、(e)為PVA/CW-HDCC-1和 PVA/CW-HDCC-2組試件在不同加載速率下的荷載-撓度曲線。可以看到，PVA/CW-HDCC-1和 PVA/CW-HDCC-2與PVA-HDCC-2和PVA-HDCC-3相比，試件的極限荷載和極限撓度均有所增加，撓度硬化行為更為明顯。在50 mm/min的加載速率下，碳酸鈣晶須對兩組試件的極限撓度提升最為明顯，對比靜荷載下分別提高了47.52%和44.65%。另外，在1 mm/min的加載速率下，晶須對兩組試件的極限荷載提升最明顯，分別提升了21.86%和21.45%；而在10和50 mm/min的加載速率下，兩組試件的極限荷載提升相近，均分別提升了7%和15%左右。這說明碳酸鈣晶須的摻入可以提升HDCC的動態(tài)抗彎性能。

圖5 各組試件在4個加載速率下的荷載-撓度曲線圖，(a) PVA-HDCC-1; (b) PVA-HDCC-2; (c) PVA-HDCC-3; (d) PVA/CW-HDCC-2; (e) PVA/CW-HDCC-1Fig.5 Load-deflection curves of each group of specimens at four different loading rates: (a) PVA-HDCC-1; (b) PVA-HDCC-2; (c) PVA-HDCC-3; (d) PVA/CW-HDCC-2; (e) PVA/CW-HDCC-1

圖6(a)為不同加載速率下PVA-HDCC-2和PVA/CW-HDCC-1的能量吸收能力指標(biāo)TI的變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)在1.75%PVA纖維增強(qiáng)的HDCC中摻入1%碳酸鈣晶須后，試件的能量吸收指標(biāo)TI在4個加載速率下分別提高了54.4%、88.1%、75.1%和13.7%，說明摻入1%碳酸鈣晶須對于動態(tài)荷載下PVA-HDCC-2的能量吸收能力提升顯著。圖6 (b)為不同加載速率下PVA-HDCC-3和PVA/CW-HDCC-2的能量吸收能力指標(biāo)TI的變化趨勢。在1.5%PVA纖維增強(qiáng)的HDCC中摻入3%碳酸鈣晶須后，試件的能量吸收指標(biāo)TI在4個加載速率下分別提高了4.5%、14.8%、2.9%和22.8%，說明摻入3%碳酸鈣晶須能改善PVA-HDCC-3的抗彎韌性。對比圖6 (a)和(b)可以發(fā)現(xiàn)，添加1%碳酸鈣晶須對PVA-HDCC-2抗彎韌性的提高幅度遠(yuǎn)大于添加3%碳酸鈣晶須對PVA-HDCC-3抗彎韌性提高幅度，這主要是因為PVA-HDCC-2的PVA摻量高于PVA-HDCC-3，這進(jìn)一步說明對于HDCC的抗彎性能PVA纖維摻量是決定因素，碳酸鈣晶須有一定的提高作用。

圖6 不同加載速率下能量吸收能力指標(biāo)TI，(a) PVA-HDCC-2組和PVA/CW-HDCC-1組試件；(b) PVA-HDCC-3組和PVA/CW-HDCC-2組試件Fig.6 Index of energy absorption capacity under different loading rates: (a) specimens of PVA-HDCC-2 group and PVA/CW-HDCC-1 group; (b) specimens of PVA-HDCC-3 group and PVA/CW-HDCC-2 group

3 結(jié) 論

研究了不同加載速率下，PVA纖維摻量以及混雜使用PVA纖維與碳酸鈣晶須對高延性水泥基復(fù)合材料彎曲性能的影響，可以得到以下結(jié)論：

(1)隨著加載速率的提高，HDCC材料的初裂強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度呈上升趨勢，當(dāng)加載速率>1 mm/min時，增幅較為明顯。彎曲動態(tài)強(qiáng)度增長因子與加載速率的對數(shù)呈線性增長關(guān)系。PVA纖維和碳酸鈣晶須摻量對HDCC抗彎強(qiáng)度率敏感性的影響并不明顯。隨著加載速率的提高，HDCC的彎曲極限撓度和彎曲韌性均有不同程度的降低。

(2)不同加載速率下HDCC薄板試件的彎曲性能受PVA纖維摻量控制，隨著PVA纖維摻量的降低，HDCC的彎曲強(qiáng)度和彎曲韌性均明顯下降。

(3)相比于單摻1.75%或1.5%PVA纖維，混雜使用碳酸鈣晶須提高了HDCC在不同加載速率下的抗彎強(qiáng)度、彎曲韌性和能量吸收能力；而相比于單摻2%PVA纖維，在不同加載速率下混雜使用1.75%PVA纖維和1%碳酸鈣晶須并沒有引起HDCC彎曲性能明顯的劣化，但降低了HDCC成本，提高了性價比。