PVA纖維增強尾礦砂水泥基復(fù)合材料力學性能研究

張少峰 王 雪

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院，陜西 渭南714000）

PVA纖維增強尾礦砂水泥基復(fù)合材料力學性能研究

張少峰 王 雪

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院，陜西 渭南714000）

研制了采用高強高彈模PVA纖維作為增強材，以特制的尾礦砂水泥砂漿為基體制備PVA尾礦砂水泥基復(fù)合材料。本文通過單抗壓試驗、四點彎曲試驗、沖擊試驗研究這種新型材料的抗壓、抗彎和動力荷載作用下的抗裂性能。試驗結(jié)果表明：該材料抗壓強度類似混凝土，彈性模量較低，破壞狀態(tài)有一定的延性；該材料在彎曲荷載作用下具有假應(yīng)變硬化和多縫開裂特性,彎曲試驗測得的極限拉伸應(yīng)變在2%以上,極限荷載時薄板試件的最大裂縫寬度在60Lm左右；該材料在動力荷載作用下抵抗動力荷載的性能明顯強于普通混凝土，延性指標為8.04，PVA纖維抑制水泥基復(fù)合材料裂縫的張開和擴展 ，并且吸收能量，提高材料的沖擊性能，損傷小，整體性強，能量耗散力強。

PVA尾礦砂水泥基復(fù)合材料；假應(yīng)變硬化；多縫開裂；高延性

1 研究背景

超高韌性水泥基復(fù)合材料（Engineered cementitious composites,簡稱ECC）于20世紀90年代在美國密歇根大學成功研制。它以水泥砂漿為基體，其中加入聚乙烯纖維或聚乙烯醇纖維作為增強材料，通過斷裂力學、微觀力學和數(shù)理統(tǒng)計分析確定合理的纖維長度、直徑、基體和界面的性能參數(shù)。國外研究表明：超高韌性水泥基復(fù)合材料在拉伸和彎曲荷載的作用下呈現(xiàn)假應(yīng)變硬化和多縫開裂的特征，開裂裂縫寬度在0.1mm以內(nèi)，可以防止有害物質(zhì)的侵入和提高構(gòu)件的力學性能和耐久性能，目前此新型材料已在日本、美國等發(fā)達國家投入使用。由于它在材料的延性、耗能、抗侵蝕、抗沖擊和耐磨方面性能良好，我國大連理工大學、西安建筑科技大學等高校對它也進行制備工藝、力學性能和耐久性等相關(guān)的試驗研究。

鐵尾礦砂是一種復(fù)合礦物原料，是鐵礦石經(jīng)開采、加工、磁選后以泥漿狀排放的一種礦物廢料。我國是一個礦業(yè)大國，并且90%的能源及80%的原材料均來自礦產(chǎn)資源，目前我國國有礦山8000座，集體及私人礦山20萬座，尾礦廢料的年排放量為1.35億t。據(jù)統(tǒng)計，截止2010年，我國尾款砂的累積量達到110億t，伴隨著基礎(chǔ)建設(shè)的擴大，鐵礦石的需求日益增加，同時產(chǎn)生大量的廢石，尾礦砂對生態(tài)環(huán)境造成不可估量的嚴重破壞，并且威脅著人們?nèi)粘Ｉ詈蜕a(chǎn)，鐵尾礦等礦山廢棄物的堆存帶來一系列的問題。本次課題研究依據(jù)鮑文博教授、寧寶寬教授和陳四利等試驗結(jié)果以尾礦砂作為水泥基復(fù)合材料中的細骨料。

本文采用高強高彈模PVA纖維作為增強材,以精制水泥尾礦砂漿為基體,通過大量試驗研究成功配制了具有類似于ECC材料性能的PVA尾礦砂水泥基復(fù)合材料。本文將通過四點彎曲試驗、單軸抗壓試驗、沖擊斷裂試驗研究PVA尾礦砂水泥基復(fù)合材料的抗壓、抗彎和斷裂性能。

2 試驗原材料和攪拌工藝

2.1 試驗材料

①水泥 采用翼東牌PR42.5R普通硅酸鹽水泥。

②細骨料 采用遼陽雞冠山的鐵尾礦砂和天然砂，材料的粒徑為0.315～0.15mm。

③減水劑 采用大連西卡公司減水劑，摻量為膠凝材料的1%

④粉煤灰 沈陽熱海電廠的一級粉煤灰

⑤纖維 采用山東泰安同伴纖維有限公司提供的纖維長度為12mm。 纖維的品質(zhì)指標見表1。

表1 PVA性能指標

2.2 制備工藝

本次試驗?zāi)z凝材料的制備工藝流程見圖1。

2.3 試驗方案

PVA纖維水泥基復(fù)合材料制備配合比參考尾礦砂水泥基復(fù)合材料的制備和力學性能試驗如表2所示。

表2 基準配合比（kg／m3）

3 基本力學性能

3.1 抗壓試驗

試驗采用立方體試件測定PVA尾礦砂水泥基復(fù)合材料的抗壓性能，試件尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm。試件齡期28d，在YES-2000型數(shù)顯式壓力試驗機上進行單軸抗壓試驗，采用位移控制模式，加載速率為0.5mm/min，用LVDT在試件對稱的側(cè)面位置測量壓縮變形，試驗測得的抗壓曲線圖見2。

從圖2可以看出立方體試件在峰值點以后的下降段與普通混凝土明顯不同，沒有出現(xiàn)荷載的突然降低，而是出現(xiàn)了較為緩慢的下降過程，體現(xiàn)了纖維對尾礦砂水泥基復(fù)活材料的增韌效果。試驗表明：PVA尾礦砂水泥基復(fù)合材料較混凝土有非常明顯的峰值后延性。

3.2 抗彎試驗

采用薄板試件和梁試件研究PVA尾礦砂水泥基復(fù)合材料的彎曲性能,試件尺寸分別為 400mm×100mm×20mm和 160mm×40mm× 40mm，試驗齡期28d。加載裝備為閉環(huán)液壓伺服材料試驗機，加載方式采用三不等分四點加載如圖3，加載裝備為閉環(huán)液壓伺服材料試驗機，加載速率為01mm/min，薄板采用三等分位置加載，測試跨度為300mm，梁采用三不等分位置加載，測試跨度為150mm。

據(jù)采集處理系統(tǒng)進行荷載和變形的數(shù)據(jù)采集和處理。試驗得到的荷載-撓度曲線如圖4所示。右側(cè)縱坐標是根據(jù)材料力學公式計算得到的抗彎應(yīng)力。由荷載-撓度曲線可得開裂荷載和開裂撓度、極限荷載和極限撓度,然后分別采用如下公式計算開裂強度、抗彎強度和極限拉伸應(yīng)變預(yù)測值,計算結(jié)果見表2，試驗曲線見圖4。

表3 主要力學性能指標

計算公式見（1）～（3）

根據(jù)ASTM-C1018的韌度指數(shù)計算尾礦砂PVA水泥基復(fù)合材料的韌性指數(shù)見表4。該方法利用試件試驗中得到的荷載-撓度曲線圖，先算出試件初裂時的撓度δ所對應(yīng)的荷載-撓度曲線下的面積A1，再計算出撓度達到5δ，10δ，20δ時荷載-撓度曲線所對應(yīng)的面積，并用其除以A1，得到的結(jié)果In即是所求的韌度指數(shù)。I5、I10和I20分別可由式（4）、式（5）和式（6）求得：

表4

3.3 薄板的韌性指數(shù)計算

試件在加載過程中觀測試件的變形和裂縫形式可以發(fā)現(xiàn)：薄板試件荷載峰值滯后產(chǎn)生較大的彎曲變形,并保持較好的完整性,試件底面在加載過程中可以觀測到大量近似平行的細小裂縫,裂縫寬度60Lm左右,平均裂縫間距1～2mm左右；試件卸載后部分裂縫自動閉合。梁試件在荷載峰值后,仍然保持一段時間的完整狀態(tài),然后隨著荷載的減小,試件的下部出現(xiàn)明顯的局部破壞裂縫,而試件側(cè)面有很多細密裂縫。由于梁試件橫截面上的彎拉應(yīng)力分布的影響,側(cè)面裂縫間距從下往上逐漸增大。綜上所述,PVA尾礦砂水泥基復(fù)合材料在彎曲荷載作用下的變形能力遠大于混凝土和普通纖維增強水泥基復(fù)合材料,而且它的開裂形式與混凝土和普通纖維增強水泥基復(fù)合材料的開裂形式明顯不同。由于PVA尾礦砂水泥基復(fù)合材料選擇了更為合理的材料參數(shù),使纖維的增強增韌效果得到了更好的發(fā)揮。在彎曲荷載作用下,PVA尾礦砂水泥基復(fù)合材料中的纖維依靠其連接作用控制了裂縫的進一步擴展,并承擔了基體釋放的應(yīng)力,同時依靠界面黏結(jié)將應(yīng)力傳遞給周圍未開裂的基體,誘發(fā)新裂縫的產(chǎn)生,使試件的純彎曲段逐漸出現(xiàn)了大量近似平行的細密裂縫。試驗中觀測到的試件上眾多的細密裂縫充分體現(xiàn)了纖維對基體裂縫的產(chǎn)生和擴展的有效控制作用。

3.4 沖擊試驗

采用15mm和30mm厚的板試件研究PVA尾礦砂水泥基復(fù)合材料的抗沖擊性能,試件尺寸分別為15mm×100mm×400mm和30mm× 100mm×400mm，試驗齡期28d?？箯潧_擊試驗采用自制的三點彎曲試自由落錘沖擊裝置，跨距為350mm，錘重為1.35kg，15mm薄板的沖擊高度為300mm，30mm薄板的沖擊高度為500mm。試驗記錄15mm、30mmPVA尾礦砂水泥基復(fù)合材料的初裂及破壞沖擊次數(shù),板的沖擊能、延性指標和沖擊疲勞強度試驗結(jié)果及數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果見表5。

表5 沖擊性能指標數(shù)值

試驗過程和表5表明，PVA尾礦砂水泥基復(fù)合材料在一定的纖維體積摻量作用下，試件在動力荷載作用下能保持較好的完整性，動力荷載作用后試件的表面出現(xiàn)很多接近平行的細微裂縫。試件的破壞沖擊次數(shù)表明30mm板抵抗動力荷載的性能指標強于15mm板，這與尺寸效應(yīng)和制備工藝有關(guān)，有待進步一試驗研究。試件的各性能表明：PVA尾礦砂水泥基復(fù)合材料抵抗動力荷載的性能明顯強于普通混凝土，PVA纖維對裂縫面的橋接作用可以抑制水泥基復(fù)合材料裂縫的張開和擴展 ，并且吸收能量，提高材料的沖擊性能。PVA尾礦砂水泥基復(fù)合材料在沖擊荷載作用下破壞呈現(xiàn)多裂縫開裂，損傷小，整體性強，能量耗散力強。

4 結(jié)論

PVA尾礦砂水泥基復(fù)合材料具有很強的塑性應(yīng)變能力，極限拉伸應(yīng)變可達2.0%以上，是一種具有類似金屬變形性能的纖維水泥基復(fù)合材料，在彎曲荷載和動力荷載作用下表現(xiàn)出明顯的假應(yīng)變硬化和多裂縫開裂特性，最大裂縫寬度在60Lm左右，可以有效的阻止外界有害物質(zhì)的侵入，適應(yīng)于耐久性要求較高的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件。同時，PVA尾礦砂水泥基復(fù)合材料具有較強的抗動力荷載性能，延性指數(shù)為8.04，能夠吸收能量，顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能和變形性能，可應(yīng)用到抗震結(jié)構(gòu)，高層結(jié)構(gòu)和大跨結(jié)構(gòu)等。由于PVA尾礦砂水泥基復(fù)合材料具有較大的變形性能，因此可以應(yīng)用到混凝土結(jié)構(gòu)中一些塑性變形較大的構(gòu)件和部位。此外，該材料的彈性模量較低,但受壓變形能力比普通混凝土大很多,而且在極限荷載時材料能保持良好的整體性,不會發(fā)生坍塌破碎。由于PVA尾礦砂水泥基復(fù)合材料具有多方面的優(yōu)越性,并且將變廢為寶，因此在很多建設(shè)項目中有著潛在的應(yīng)用前景。

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［責任編輯：朱麗娜］

Experimental Study on Mechanical Properties of High Toughness Fiber Reinforced

A type of high toughness tailing sand cementitious composite reinforced by PVA fibers was de tailing sand cementitious composite veloped.The compressive strength,flexural strength and breaking resistance of this type of material were studied by uniaxial compressive tests,fourpoint flexural tests and Impact tests.The results show that the compressive strength is similar to that of concrete but the elastic modulus is lower and the compressive deformation capacity is much higher than that of concrete;It exhibits the characteristics of pseudo strain-hardening,multiple cracking and high ductility as well as high energy absorption,The ultimate strain excesses 2%and the crack width at ultimate load is about 60Lm;the performance of dynamic load resistance is stronger than the ordinary concrete,the ductility index is 8.04,PVA fiber prevents materials open and extension of cracks,and absorbing energy,improve the impact of the material performance,little injury,integrity is strong,energy dissipation power.

PVA tailing sand cementitious composite;False strain hardening;Slit;High ductility

陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院科學研究基金項目（KY2016-80）。

張少峰，碩士，陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院，結(jié)構(gòu)工程專業(yè)。