混雜纖維延性水泥基材料單軸受壓力學(xué)特性

王振波， 左建平， 張 君， 馮路路， 姜廣輝

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083； 2.清華大學(xué) 土木工程系， 北京 100084； 3.清華大學(xué) 結(jié)構(gòu)安全與耐久教育部重點實驗室， 北京 100084)

混凝土材料的脆性是制約工程結(jié)構(gòu)極端環(huán)境服役性和耐久性的重要因素.纖維增強延性水泥基復(fù)合材料(engineered cementitious composites，ECC)正是為了克服混凝土脆性、實現(xiàn)其拉伸高延性而發(fā)展起來的新型土木工程材料[1-2].ECC材料受拉開裂后形成多條細微裂紋(單條裂紋寬度小于100μm，裂紋間距約10mm)，多裂紋累加的“假應(yīng)變”使其極限拉應(yīng)變可達普通混凝土的幾百倍.清華大學(xué)張君教授課題組先后研發(fā)了低干縮ECC(LSECC)[3]和強度與延性匹配的ECC[4]，極大地發(fā)展了傳統(tǒng)ECC材料.目前，ECC材料已被應(yīng)用于鋼箱梁橋面鋪裝、路面板伸縮縫、建筑外墻保溫板等眾多工程領(lǐng)域[5-7].

工程結(jié)構(gòu)的構(gòu)件設(shè)計和非線性分析需要全面掌握結(jié)構(gòu)材料的各項力學(xué)性能.目前，ECC材料的力學(xué)性能研究主要集中在軸拉、彎曲等特性突出的方面，而最基礎(chǔ)、常用的單軸受壓性能并未得到廣泛關(guān)注.徐世烺等[8-9]采用棱柱體試件測試了ECC材料的單軸受壓性能，并給出了ECC的單軸受壓本構(gòu)模型；鄧明科等[10]研究了不同尺寸ECC試件的立方體抗壓強度，發(fā)現(xiàn)其抗壓強度的尺寸效應(yīng)較??；Zhou等[11]采用圓柱體試件測得不同強度ECC的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線，提出了新的本構(gòu)模型.根據(jù)Zhou等[11]的測試結(jié)果，并結(jié)合本課題組前期研究[12]發(fā)現(xiàn)，ECC的抗壓韌性隨強度提高而顯著降低，韌性與強度的反向發(fā)展規(guī)律對于ECC抗拉[4]和抗壓性能同時存在.鑒于高強ECC材料中聚乙烯醇(PVA)纖維的拔斷比例很高[12]，單純依靠PVA纖維已經(jīng)難以獲得材料的抗壓高韌性.因此，本課題組在前期研究中通過添加微細鋼纖維實現(xiàn)了高強ECC的拉伸高延性[4]，高強ECC的抗壓韌性也有望在添加鋼纖維之后得到改善.

本文在高強LSECC體系中添加不同摻量1)的微細鋼纖維，制備混雜PVA-鋼纖維增強延性水泥基材料.通過圓柱體試件單軸受壓試驗，獲得材料壓應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線和應(yīng)力-徑向應(yīng)變曲線，重點分析鋼纖維摻量對材料強度、峰值應(yīng)變、彈性模量、泊松比和抗壓韌性等受壓力學(xué)指標的影響規(guī)律，以期實現(xiàn)ECC材料受壓高強度與高韌性的相互匹配，為高強度高延性水泥基材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程應(yīng)用提供支撐.

1)本文涉及的纖維摻量均為體積分數(shù).

1 材料與試驗方法

1.1 原材料與配合比

試驗用原材料具體為：低干縮復(fù)合水泥；秦皇島石英砂廠生產(chǎn)的精制石英砂，規(guī)格100～200目(150～75μm)；Kuraray公司生產(chǎn)的聚乙烯醇(PVA)纖維和鞍山昌宏科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的鋼纖維(ST)；江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的高效聚羧酸減水劑；一水檸檬酸緩凝劑；自來水.其中，PVA纖維與鋼纖維的相關(guān)性能參數(shù)列于表1.

表1 聚乙烯醇纖維與鋼纖維的相關(guān)性能參數(shù)

混雜纖維延性水泥基材料的基體材料采用低干縮基材[3,12]，基材配合比為m(復(fù)合水泥)∶m(水)∶m(砂)∶m(減水劑)∶m(緩凝劑)=1.000∶0.250∶0.200∶0.015∶0.005.為便于下文描述，將基材標記為M-0.混雜體系的PVA纖維摻量固定為1.7%，鋼纖維摻量設(shè)計為0%，0.6%，1.0%和1.5%，各組試件分別標記為M-PVA，M-H1，M-H2和M-H3.此外，制備單摻鋼纖維水泥基材料對照組，鋼纖維摻量為1.7%，記為M-ST組.

1.2 單軸受壓試驗

根據(jù)ECC材料設(shè)計與施工指南[13]，考慮到材料不含粗骨料，單軸受壓試件采用φ50×100mm的圓柱體.每組成型3個試件，在標準條件下((20±2) ℃，相對濕度>95%)養(yǎng)護28d后進行抗壓試驗.試驗設(shè)備為具有動靜閉環(huán)數(shù)字電液伺服控制功能的GCTS RTR-1000綜合測試系統(tǒng)，采用應(yīng)變控制模式進行加載，加載速率200μm/(m·min).軸向應(yīng)變通過安裝在試件兩側(cè)的LVDT傳感器進行測量；徑向應(yīng)變通過環(huán)繞試件圓周的徑向傳感器進行測量.徑向傳感器采用非延展性鏈條式設(shè)計，較點式結(jié)構(gòu)精度更高，可精確測量試件平均周長值的變化.試驗裝置示意圖如圖1所示.加載過程中，通過計算機自動采集時間、荷載、軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變等數(shù)據(jù)，采集頻率30次/min，實時記錄試件的加載破壞全過程.

圖1 單軸受壓試驗裝置Fig.1 Set-up of uniaxial compression test

2 結(jié)果及分析

2.1 單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

基材、單摻纖維ECC與混雜纖維ECC的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2，3所示.其中，正向為軸向應(yīng)變，負向為徑向應(yīng)變.每個配合比試件僅展示2個典型的試驗結(jié)果，以使各條曲線表達清晰.

圖2 基材與單摻纖維ECC的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Uniaxial compressive stress-strain curves of matrix and mono-fiber reinforced ECC

圖3 混雜纖維ECC單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Uniaxial compressive stress-strain curves of hybrid fiber reinforced ECC

由圖2，3可見，在加載初期，各組ECC試件的應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線和應(yīng)力-徑向應(yīng)變曲線均表現(xiàn)為明顯的線彈性特征，二者基本同時達到比例極限點.基材比例極限的平均值僅為0.212fc(其中fc為材料的軸心抗壓強度)，而纖維增強ECC試件的比例極限為0.326fc～0.346fc，說明纖維的摻入顯著提升了ECC材料的線彈性特征.未摻入纖維時，基材內(nèi)部缺陷起裂較早；而纖維增強ECC材料中的微細纖維可有效限制裂紋擴展，從而延長應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線性段，這在本質(zhì)上是因為引入的增強纖維提高了基材的開裂強度[12].在本文研究范圍內(nèi)，所有摻纖維ECC材料的比例極限均落在0.300fc～0.400fc區(qū)間，該規(guī)律與普通混凝土類似[14].Zhou等[11]測得的單摻纖維ECC材料的比例極限也在0.400fc附近.

應(yīng)力-應(yīng)變曲線在到達比例極限點以后開始偏離線性，應(yīng)力升至峰值后進入下降段.基材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰值后突降，應(yīng)力迅速衰減為零，表現(xiàn)為脆性破壞.摻入纖維以后，ECC應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段得到顯著改善.對于單摻PVA纖維體系M-PVA，盡管其應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段存在一定的應(yīng)力陡降，但隨后的殘余應(yīng)力發(fā)展可為ECC材料提供一定韌性.在相同摻量下，單摻鋼纖維體系M-ST的殘余應(yīng)力水平顯著高于單摻PVA纖維體系(傳統(tǒng)ECC)，說明鋼纖維在提高ECC材料抗壓韌性方面更具優(yōu)勢，這也是本文選取鋼纖維與PVA纖維進行混雜的出發(fā)點.

混雜纖維ECC試件的應(yīng)力-應(yīng)變特征顯著區(qū)別于單摻纖維ECC試件.對比圖2，3可見：添加鋼纖維顯著改善了ECC材料的單軸受壓力學(xué)性能，并且隨著鋼纖維摻量的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段斜率呈增大趨勢，曲線下降段隨鋼纖維摻量增加而逐漸趨于平緩，殘余應(yīng)力水平逐步提高；在軸向應(yīng)變達到20000μm/m時，鋼纖維摻量為0.6%，1.0%和1.5%的混雜纖維ECC試件壓應(yīng)力分別可達單軸抗壓強度的20%，30%和40%.說明混雜纖維ECC材料在受壓大變形情況下仍然能夠保持較高的承載能力，可在結(jié)構(gòu)抗震方面發(fā)揮獨特優(yōu)勢.

2.2 鋼纖維摻量對受壓力學(xué)參數(shù)的影響

2.2.1單軸抗壓強度和峰值應(yīng)變

圖4給出了各組ECC試件的受壓力學(xué)參數(shù).由圖4(a)可見，所有摻纖維ECC試件的單軸抗壓強度均低于基材.增強纖維屬于微細尺度，在ECC試件攪拌成型過程中，大量存在的纖維容易引入較多缺陷，導(dǎo)致試件單軸抗壓強度降低.單摻PVA纖維體系單軸抗壓強度較基材降低近20%，這與徐世烺等[8-9]和Zhou等[11]的試驗結(jié)果接近.應(yīng)當(dāng)說明的是，PVA纖維的主要功能在于提供材料延性，因而犧牲部分抗壓強度的事實在所難免.單摻鋼纖維對照組的單軸抗壓強度較基材降低約10%，鋼纖維對基材單軸抗壓強度的削弱程度低于PVA纖維，這可能是由于鋼纖維尺寸較PVA纖維大，相同摻量下鋼纖維引入的缺陷較少所致.混雜纖維ECC試件的單軸抗壓強度隨鋼纖維摻量增加整體上呈增大趨勢，但增長幅度不大.摻入鋼纖維一方面提高了裂紋間的橋接作用，另一方面也引入了更多的缺陷，在二者綜合作用下鋼纖維的增強效果有所削弱.在本文研究范圍內(nèi)，混雜纖維ECC試件的單軸抗壓強度始終沒有超過單摻鋼纖維體系.

圖4 各組ECC試件的受壓力學(xué)參數(shù)Fig.4 Mechanical parameters of ECC specimens under uniaxial compression

各組ECC試件單軸抗壓強度對應(yīng)的軸向峰值應(yīng)變和徑向峰值應(yīng)變?nèi)鐖D4(b)所示.由圖4(b)可見，各組ECC試件軸向峰值應(yīng)變均在4400～5500μm/m 范圍內(nèi)，遠高于普通混凝土的軸向峰值應(yīng)變2000μm/m[14]，說明ECC材料具有更強的塑性變形能力.混雜纖維ECC試件的軸向峰值應(yīng)變均顯著大于單摻纖維體系，并且隨著鋼纖維摻量的增加而逐漸提高，當(dāng)鋼纖維摻量為1.5%時其軸向峰值應(yīng)變可提高22%.結(jié)合徑向峰值應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律，可發(fā)現(xiàn)軸向峰值應(yīng)變與徑向峰值應(yīng)變呈現(xiàn)明顯的正向相關(guān)關(guān)系.徑向應(yīng)變?yōu)樵嚰怪庇诩虞d方向的拉伸應(yīng)變，根據(jù)筆者前期研究結(jié)果[12]，混雜纖維ECC材料的抗拉變形能力隨鋼纖維摻量增加逐漸提高.因此，混雜纖維ECC材料在單軸受壓狀態(tài)下的橫向變形將受到更加持久的約束作用，軸向變形能力隨鋼纖維摻量增加而提高.

2.2.2彈性模量和泊松比

彈性模量為材料單軸受壓應(yīng)力-軸向應(yīng)變的線性段斜率，表征材料抵抗彈性變形的能力.由圖4(c) 可見，所有摻纖維ECC試件的彈性模量均低于基材.這是因為摻入纖維在ECC材料內(nèi)部引入了更多缺陷，增大了材料孔隙率，導(dǎo)致材料抵抗彈性變形的能力降低.單摻鋼纖維體系的彈性模量高于單摻PVA纖維體系，這說明鋼纖維在ECC材料中引入的缺陷較少.在單摻PVA纖維體系中添加鋼纖維，在引入缺陷的同時提高了基體材料的剛度，ECC材料彈性模量有所提高但幅度不大.上述規(guī)律與ECC材料單軸抗壓強度的發(fā)展趨勢類似.

泊松比為材料在單軸受壓彈性變形階段的徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比，本文通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線線性段末端的應(yīng)變值進行計算.由圖4(d)可見，基材的泊松比為0.199，與普通混凝土相當(dāng)，而摻纖維體系的泊松比均低于基材.這說明單位軸向應(yīng)變產(chǎn)生的徑向應(yīng)變更小，導(dǎo)致?lián)嚼w維體系在單軸受壓狀態(tài)下的徑向變形對軸向變形不敏感，這在一定程度上體現(xiàn)了纖維對材料徑向變形的約束作用.在本文研究范圍內(nèi)，所有摻纖維體系的泊松比均在0.157～0.181之間小范圍變化，均值為0.168，這與Zhou等[11]的測試結(jié)果一致.為方便計算，在結(jié)構(gòu)分析中可將纖維增強ECC材料的泊松比統(tǒng)一取為0.168.

2.2.3抗壓韌性指標

抗壓韌性指標是定量評價材料耗能能力的重要力學(xué)參數(shù).目前，水泥基材料抗壓韌性指標的確定方法尚無統(tǒng)一標準可循，常用的方法有能量法、能量比值法、特征值法等[15].Nataraja等[16]將韌性指標定義為壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線在0～15000μm/m應(yīng)變范圍內(nèi)的下覆面積.Cai等[9]采用壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線在0～5ε0(ε0為軸向峰值應(yīng)變)范圍內(nèi)的下覆面積與峰前下覆面積的比值來評價延性材料的抗壓韌性指標.Zhou等[11]確定峰后應(yīng)力降至0.300fc時對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)棣?.3，定義韌性指標為峰后曲線至ε0.3范圍內(nèi)的下覆面積與峰前下覆面積之比.借鑒Zhou等[11]的方法，本文以壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線在ε0.3之前的下覆面積與峰前下覆面積之比來表征ECC材料的抗壓韌性.

不同纖維摻量復(fù)合材料韌性指標的變化規(guī)律如圖4(e)所示.由圖4(e)可見，摻纖維ECC體系的抗壓韌性指標均顯著大于基材.基材的抗壓韌性指標僅為1.37，說明其在峰后的耗能能力較弱.單摻PVA纖維體系與單摻鋼纖維體系的抗壓韌性指標分別為1.83和3.14，較基材分別提升了34%和129%.盡管混雜纖維ECC材料在抗拉延性方面可達基材的百倍以上[4]，但單軸抗壓韌性較基材的提高幅度并不大，這可能與PVA纖維的拔斷機制有關(guān)[12].相比之下，鋼纖維在提高ECC材料抗壓韌性方面有突出優(yōu)勢.對于在單摻PVA纖維體系中添加0.6%，1.0%和1.5%鋼纖維形成的混雜纖維體系，其單軸抗壓韌性指標分別較基材提高了82%，135%和164%，鋼纖維與PVA纖維混雜在提高ECC材料抗壓韌性方面效果顯著.結(jié)合筆者前期針對混雜纖維ECC材料單軸受拉性能的研究結(jié)果[12]得出，摻加鋼纖維可以同時提升ECC材料的抗拉延性和抗壓韌性，在ECC材料中混雜鋼纖維的優(yōu)勢明顯.

3 結(jié)論

(1)在PVA纖維增強ECC材料中摻加微細鋼纖維可顯著改善材料的單軸受壓力學(xué)性能.隨鋼纖維摻量增加，材料受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段斜率呈增大趨勢，且曲線下降段逐漸趨于平緩，殘余應(yīng)力水平顯著提高.混雜纖維ECC材料的比例極限為0.300fc～0.400fc，與普通混凝土相當(dāng).

(2)混雜纖維ECC材料的單軸抗壓強度隨鋼纖維摻量增加呈增大趨勢，但增長幅度不大，其受壓彈性模量也具有類似的發(fā)展規(guī)律；材料軸向峰值應(yīng)變和徑向峰值應(yīng)變均隨著鋼纖維摻量的增加而逐漸增大，混雜纖維ECC材料的塑性變形能力顯著增強；ECC材料的泊松比對鋼纖維摻量的變化不敏感，可統(tǒng)一取為0.168.

(3)PVA纖維ECC材料的單軸抗壓韌性較基材僅提升了34%.混雜纖維ECC材料的抗壓韌性則隨鋼纖維摻量增加而顯著提高，鋼纖維摻量為0.6%，1.0%和1.5%時，混雜纖維ECC材料抗壓韌性較基材分別提高了82%，135%，164%.鋼纖維與PVA纖維混雜在改善ECC材料抗壓韌性方面效果突出.