綠色韌性水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能*

鮑文博，李林鳳，底高浩，陳四利

（沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，沈陽 110870）

綠色韌性水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能*

鮑文博，李林鳳，底高浩，陳四利

（沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，沈陽 110870）

為了研究綠色尾礦砂PVA纖維增強水泥基復(fù)合材料的韌性，參考國內(nèi)外試驗方法開展了立方體抗壓、薄板拉伸和沖擊韌性等力學(xué)性能試驗研究.分析了纖維與基體的相互作用及增韌機理，討論了纖維摻量和水膠比二元因素對增韌性能的影響.該研究獲得了復(fù)合材料相應(yīng)的強度和韌性指標，為高性能尾礦砂PVA纖維增強水泥基復(fù)合材料的制備和工程應(yīng)用提供了參考.

綠色建材；尾礦砂；PVA纖維；水泥基復(fù)合材料；壓縮韌性；拉伸延性；沖擊韌性；增韌機理

建筑材料是人類基本建設(shè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，但建筑材料主要以自然資源及其轉(zhuǎn)化能源為其基本構(gòu)成，在建筑材料為人類文明進步繁榮作出巨大貢獻的同時，也給人類帶來了資源過渡開采、能源過渡消耗和環(huán)境過渡惡化的災(zāi)難性后果.綠色建筑材料是解決自然資源和能源資源消耗高、環(huán)境污染嚴重的最有效途徑，是解決建筑材料可持續(xù)發(fā)展的必然選擇.綠色材料的概念最早在1988年第一屆國際材料科學(xué)研究會議被提出［1］，1992年學(xué)術(shù)界明確定義綠色材料為在原料采取、產(chǎn)品制造、使用或者再循環(huán)、廢料處理等環(huán)節(jié)對地球負荷最小和有利于人類健康的材料［2］.1999年我國首屆全國綠色建材發(fā)展與應(yīng)用研討會上提出，定義綠色建材為采用清潔生產(chǎn)技術(shù)、少用天然資源和能源、大量使用工業(yè)或城市固態(tài)廢物生產(chǎn)的無毒害、無污染、無放射性、有利于環(huán)境保護和人體健康的建筑材料［3］.

美國等發(fā)達國家把提高混凝土的環(huán)保性與材質(zhì)性能結(jié)合起來，基于微觀力學(xué)原理開發(fā)出了一種超高韌性水泥基復(fù)合材料ECC（engineered cementitious composites）［4－6］，將混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性提高到了一個新的水平，從提高性能的角度有效地降低了混凝土的用量.自2010年以來，沈陽工業(yè)大學(xué)新型建筑材料研究團隊，從節(jié)約資源和提高性能兩個方面開始探索環(huán)保型高性能水泥基復(fù)合材料的研發(fā)，借鑒ECC制備技術(shù)，并應(yīng)用礦山開采廢棄的尾礦砂大比例替代ECC中的細骨料、用工業(yè)粉煤灰大比例替代水泥，來制備綠色水泥基復(fù)合材料GCC（green cementitious composites），先后在配比設(shè)計、制備工藝、基本力學(xué)性能以及增強增韌機理等基礎(chǔ)研究方面開展了系統(tǒng)研究，在GCC制備和高性能方面取得了重要進展［7］.目前，基于尾礦砂細骨料開發(fā)ECC水泥基復(fù)合材料方面的研究還很少，本試驗在項目組已有工作的基礎(chǔ)上對該綠色韌性水泥基復(fù)合材料進行了基本力學(xué)性能研究，為其工程應(yīng)用提供依據(jù).

1 試驗概況

為了開發(fā)該綠色韌性水泥基復(fù)合材料，課題組進行了系統(tǒng)的試驗研究，解決了尾礦砂替代率和解決纖維分散性兩個關(guān)鍵性問題［8］.在此基礎(chǔ)之上，本文試驗采用50%尾礦砂和54%粉煤灰的大比例替代率，并考慮纖維體積率和水膠比這兩種因素的影響，對該綠色韌性水泥基復(fù)合材料開展抗壓試驗、拉伸試驗和抗沖擊試驗等基本力學(xué)性能研究.本文共設(shè)計9組試驗，其中PVA纖維分別采用0、1.5%和2.0%三種體積率，水灰比分別采用0.4、0.45和0.5三個配比值，試驗配合比方案如表1所示.

表1 配合比及試件編號Tab.1 M ix proportion and specimen code

1.1 試驗材料

試驗用膠凝材料采用標號為P·O42.5的普通硅酸鹽水泥，細骨料采用粒徑為0.150～0.315mm范圍的鐵礦尾礦砂和天然砂混合細骨料，纖維采用長度為12 mm的 PVA纖維，粉煤灰采用電廠一級粉煤灰，同時添加摻量為1%的高效減水劑和摻量為0.13%的增稠劑等添加劑.PVA纖維的性能指標如表2所示.

表2 PVA纖維性能指標Tab.2 Performance indexes of PVA fiber

1.2 試件制備及養(yǎng)護

試驗依據(jù)《纖維混凝土試驗方法標準》（CECS 13：2009）有關(guān)規(guī)定和要求進行試件的制作與養(yǎng)護.其中，綠色韌性水泥基復(fù)合材料的抗壓試驗采用尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體砂漿試塊，6個試件為一組；拉伸試驗采用尺寸為200mm×50mm×15mm的薄板試件，6個試件為一組；沖擊試驗采用直徑為150 mm，厚度為（63±3）mm圓餅形試件，6個試件為一組.所有試件都按照優(yōu)化的攪拌制度攪拌，入模后在振動臺上振搗1min，抹平試模上口表面后蓋上塑料薄膜防止水分揮發(fā).48 h后拆模，置入濕度90%以上、溫度（20±3）℃的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護.

1.3 試驗方法

本文試驗依據(jù)《纖維混凝土試驗方法標準》（CECS 13：2009）、《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ／T221-2010）以及《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》（JGJ／T70-2009）和《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》（GB／T50081-2002）中相關(guān)規(guī)定進行.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 抗壓試驗

試驗采用YES-2000型數(shù)顯式壓力試驗機.試驗時先對試件進行預(yù)壓，達到要求后再以（2 400±200）N／s的速度對試件連續(xù)、均勻加荷，當(dāng)試件臨近破壞變形時，調(diào)整試驗機油門，直至試件破壞.試驗發(fā)現(xiàn)，未摻加纖維的GCC立方體試塊受壓破壞前裂縫集中，當(dāng)達到峰值荷載后迅速崩裂，承載力突然下降；而摻加纖維的GCC立方體試塊受壓破壞前形成細小分散裂縫，消耗大量變形能，隨著裂縫增加和擴展，承載力逐漸下降直至破壞，立方體試塊最終破壞形態(tài)如圖1所示.

圖1 受壓破壞后的立方體試塊Fig.1 Cubic specimen after compression failure

為了進一步研究GCC在壓縮過程中所展示的壓縮韌性，利用伺服系統(tǒng)測試出了GCC在受壓過程中的荷載-變形曲線，如圖2所示.由圖2可知，在荷載較小時，未摻加纖維的立方體試塊與摻加纖維的試塊荷載-變形規(guī)律并無差別，其變形均隨著荷載增加而穩(wěn)定增加.隨著荷載增大，未摻加纖維試塊的裂縫發(fā)展迅速，很快形成主裂縫；而摻加纖維試塊的裂縫仍在增加，但裂縫處的纖維明顯約束了裂縫的發(fā)展和主裂縫的形成，且隨著纖維摻量的增加，這種效果愈明顯.在壓力荷載達到峰值時，未摻加纖維試塊承載力突然失穩(wěn)，荷載-變形曲線出現(xiàn)了陡然下降段；而摻加纖維試塊由于裂縫兩側(cè)纖維的牽拉作用仍能保持較大的承壓能力，并能夠在該壓力水平下抵抗較大變形的發(fā)展，在荷載-變形曲線的峰值后出現(xiàn)了較大的平臺段，表明GCC的抗壓破壞需要吸收更多的能量.水膠比和纖維摻量變化對GCC的抗壓強度和抗壓韌性比有明顯影響，表3給出了在本文試驗配比范圍內(nèi)，水膠比和纖維摻量變化對平均抗壓強度和軸壓韌性比的影響關(guān)系.水膠比相同時，材料的纖維韌性比隨纖維摻量的增加而明顯增加，表明纖維的摻加使材料在抗壓破壞時吸收了更多的能量，顯著提高了GCC的韌性.

圖2 抗壓荷載-變形曲線Fig.2 Compressive load-deformation curve

表3 立方體抗壓試驗結(jié)果Tab.3 Results of compression test for cube

2.2 直接拉伸試驗

試驗采用薄板試件，其尺寸為200 mm×50mm×15mm.為了防止試驗時試件兩端因裝卡受壓破壞，試驗前對試件的裝夾端進行了加固，分別在試件的兩個端頭粘貼了2 mm厚的鋁板，如圖3所示（單位：mm）.

圖3 直接拉伸試件Fig.3 Direct tension specimen

試驗使用微機控制電液伺服試驗機，采用位移控制，對試件連續(xù)、均勻加荷.當(dāng)試件臨近破壞、變形速度增快時，調(diào)整加載速度，直至試件破壞，記錄最大荷載，試驗測得的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示.

試驗表明，未摻加纖維的和摻加纖維的尾礦砂水泥基復(fù)合材料的拉伸性能差別非常顯著，未摻加纖維的GCC一旦開裂迅速形成主裂縫且即刻退出工作，而摻加纖維的GCC開裂后裂縫寬度發(fā)展受限且承載能力仍會持續(xù)增加.由于纖維的橋接作用，纖維增強GCC在裂縫處的纖維把基體開裂釋放的以及外力增加的應(yīng)變能不斷傳遞給四周基體，直到裂縫處的纖維達到拉伸極限被拉斷或達到拉拔極限被從基體中拔出為止，在這一過程中吸收了大量的變形能，使得綠色韌性尾礦砂PVA水泥基復(fù)合材料出現(xiàn)準應(yīng)變硬化現(xiàn)象，即水泥基體在試件開裂后荷載仍繼續(xù)增大，并呈現(xiàn)多裂縫狀態(tài)，該尾礦砂 PVA纖維水泥基復(fù)合材料的變形能力大大增加，其極限應(yīng)變最大可達3%，遠大于普通水泥基復(fù)合材料的抗拉應(yīng)變極限.由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可見，纖維摻量和水灰比對拉伸韌性有一定影響，拉伸變形能力在一定范圍內(nèi)隨著纖維摻量增加和水灰比的適當(dāng)增大而有所增加.

圖4 直接拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Direct tensile stress-strain curve

2.3 抗沖擊試驗

為了考察該綠色水泥基復(fù)合材料GCC在動態(tài)荷載作用下的韌性，開展了抗沖擊韌性試驗研究.試驗采用落錘沖擊圓板法，并參考美國混凝土學(xué)會 ACI-544和中國工程建設(shè)協(xié)會 CECS13推薦的沖擊試驗裝置，自行設(shè)計了落錘沖擊試驗裝置，其示意圖如圖5所示.沖擊球為鋼質(zhì)球，直徑為63mm.測試時，將落錘自由落下，直接沖擊放置在試件中心的沖擊鋼球頂部，然后由沖擊球把沖擊力傳遞給圓餅試樣，對試驗實施沖擊加載.每完成一次沖擊即為一個循環(huán)，每次沖擊加載后仔細檢查試件是否開裂或破壞，記錄試件初裂及破壞時的沖擊次數(shù)，試驗結(jié)果如表4所示.表4中的沖擊韌性指數(shù)，系參照彎曲韌性的評價方法并按ASTM-C1018彎曲韌性指數(shù)概念［9］定義的.

圖5 沖擊試件與試驗裝置Fig.5 Impact specimen and experimental device

表4 抗沖擊試驗結(jié)果Tab．4 Results of impact test

綠色水泥基復(fù)合材料GCC沖擊試驗的破壞過程可分為兩個階段：第一階段，不同纖維摻量及不同水灰比的GCC的初裂次數(shù)在3～4次之間，初裂沖擊能約為200 N·m.纖維摻量及水灰比的多少對材料初裂性能的影響并不明顯，說明其偏差主要是材料本身的離散性所致，而與纖維摻量的多少關(guān)系不大.無纖維增強的GCC一旦沖擊出現(xiàn)初裂即告破壞，因此，它只存在第一階段.纖維增強GCC試樣進入第二階段后，纖維的阻裂增韌作用逐漸呈現(xiàn)出來，最終沖擊破壞次數(shù)較初裂次數(shù)增大數(shù)十倍.從消耗沖擊能量考察，有纖維增強較無纖維增強的GCC沖擊破壞能平均增加了24.38倍.在水膠比相同的前提下，隨著纖維摻量的增加，GCC的破壞沖擊能增加，延性指數(shù)也相應(yīng)增加.由此可見，沖擊破壞能隨纖維摻量在一定范圍內(nèi)增加而穩(wěn)定增加，這是由于第二階段纖維的阻裂增韌作用被強化的結(jié)果.另一方面，在纖維摻量相同的配比下，適當(dāng)增加水膠比可以在一定程度上改善其沖擊韌性.

3 結(jié) 論

本文基于50%尾礦砂和54%粉煤灰的大比例替代率，并考慮纖維體積率和水膠比這兩種因素的影響，對綠色韌性水泥基復(fù)合材料GCC的基本力學(xué)性能開展了試驗研究，得到以下結(jié)論：

1）綠色韌性尾礦砂PVA纖維增強水泥基復(fù)合材料具有良好的抗壓性能和抗拉延性，在拉伸荷載作用下均表現(xiàn)出明顯的假應(yīng)變硬化和多縫開裂特性，其極限拉伸應(yīng)變可達約3%，是一種具有延性變形特征的水泥基復(fù)合材料，具有很強的能量吸收能力，可以顯著改善混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能和抗拉變形能力.

2）PVA摻量和水膠比對于GCC的初裂沖擊能無明顯影響，但對破壞沖擊能的交互影響顯著.試驗采用的纖維摻量體積比由1.5%增加到2%時，水膠比分別為0.4、0.45和0.5的GCC的破壞沖擊能則依次增加42%、11%和15%，延性指數(shù)依次增加了66%、24%和28%；水膠比從0.4增加到0.5后，兩種纖維摻量的GCC試樣的破壞沖擊能增加了85%和50%，延性指數(shù)增加了88%和44%.由此可見，在一定范圍內(nèi)適當(dāng)增加纖維摻量和水膠比，可以改善GCC的抗沖擊韌性.

3）GCC中水膠比對尾礦砂PVA纖維增強水泥基復(fù)合材料的韌性和強度有一定的影響.水膠比在一定范圍內(nèi)增加時，材料的變形能力有所增強，韌性變大，但相應(yīng)的強度有所降低.

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［1］崔艷琦.國外綠色建材及其對我國的啟示［J］.新型建筑材料，2008，10（10）：37－39.（CUI Yan-qi.Green building materials in the world and its influence upon development in China［J］.New Building Materials，2008，10（10）：37－39.）

［2］李禮.建筑材料綠色性的6E綜合評價體系研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2012.（LILi.Research on 6E comprehensive evaluation system of greening building materials［D］.Dalian：Dalian University of Technology，2012.）

［3］柴海華，王素芳，晉國亮，等.綠色建材應(yīng)用現(xiàn)狀的調(diào)查研究［J］.建筑科學(xué)，2013，29（8）：53－56.（CHAIHai-hua，WANG Su-fang，JIN Guo-liang，etal. Investigation of application status of green building materials［J］.Building Science，2013，29（8）：53－56.）

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（責(zé)任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英）

Mechanical properties of green toughness cementitious composite

BAO Wen-bo，LI Lin-feng，DI Gao-hao，CHEN Si-li
（School of Architecture and Civil Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China）

In order to investigate the toughness of cementitious composite reinforced by green tailing sand PVA fiber，such mechanics performance tests as the compressive strength of cube as well as the tension and impact toughness of thin plate were conducted with taking the experimental methods at home and abroad as reference.The interaction and toughening mechanism between the fiber and matrix were analyzed，and the effect of both fiber content and ratio between water and cement on toughening performance was discussed. The corresponding strength and toughness indexes of composite are obtained，which can provide the reference for the preparation and engineering application of cementitious composite reinforced by tailing sand PVA fiber with high performance.

green building material；tailing sand；PVA fiber；cementitious composite；compressive toughness；tensile ductility；impact toughness；toughening mechanism

TU 411

A

1000－1646（2016）06－0697－06

10.7688／j.issn.1000－1646.2016.06.18

2015－11－17.

國家自然科學(xué)基金資助項目（51279109）.

鮑文博（1958－）男，遼寧大連人，教授，博士，主要從事結(jié)構(gòu)動力學(xué)及新型建筑材料等方面的研究.

09－07 16∶09在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.

http：∥www.cnki.net／kcms／detail／21.1189.T. 20160907.1609.040.htm l