ECC三軸壓縮特性試驗(yàn)研究

管延華，吳佳杰，朱登元，張宏慶，孫仁娟，王怡凱

(1.山東大學(xué)齊魯交通學(xué)院，濟(jì)南 250000；2.臨沂大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，臨沂 276000； 3.齊魯交通發(fā)展集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250000)

0 引 言

纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(Engineered cementitious composites,簡稱ECC)最早由美國密歇根大學(xué)的Li教授提出[1]，通過在水泥砂漿基體中添加纖維材料，能起到阻止、延緩、分散材料裂縫發(fā)展的作用，使ECC的拉應(yīng)變穩(wěn)定達(dá)到3%以上，極大地提高了材料的變形能力、抗裂能力和耐久度[2-3]。Song[4]、劉從亮[5]等研究了粉煤灰摻量對ECC力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，粉煤灰的摻入有利于改善ECC中的纖維-基體界面性能，提高材料的延性和韌性。徐世烺[6]、胡春紅[7]等對ECC進(jìn)行了單軸受壓試驗(yàn)，指出纖維的摻入能夠提高基體的韌性，其破壞模式由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐模褽CC在峰值荷載后的軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線較普通混凝土緩和，極限壓應(yīng)變明顯大于普通混凝土。然而，目前對ECC受力性能的研究以單軸拉壓和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)居多，而對于ECC多軸受壓下的力學(xué)性能響應(yīng)研究則較少[8]。潘金龍[9]、李艷[10]等通過常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)指出，圍壓的存在能夠提高ECC的極限抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變，且ECC在多軸壓下的破壞準(zhǔn)則與普通混凝土不完全一致。因此，當(dāng)ECC應(yīng)用于橋梁墩柱中時(shí)，其墩身內(nèi)的鋼筋骨架將起到約束變形作用，這相當(dāng)于給ECC施加一個(gè)圍壓，此時(shí)若仍用單軸受力模型去評價(jià)ECC的力學(xué)性能是不合適的，因而有必要研究ECC在復(fù)雜應(yīng)力條件下的受力特性和多軸破壞準(zhǔn)則。

本文通過常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，得到了不同圍壓下的ECC壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并就其強(qiáng)度、變形特性以及破壞模式進(jìn)行了分析，為今后構(gòu)建ECC材料本構(gòu)模型提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

ECC三軸壓縮試件由水、水泥、粉煤灰、石英砂、增稠劑、減水劑和纖維拌和澆筑而成，其中水泥標(biāo)號P·O 42.5，粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰，石英砂規(guī)格為120目，增稠劑為15萬粘度羥丙基甲基纖維素，減水劑為聚羧酸系高效減水劑，纖維采用日本可樂麗公司生產(chǎn)的PVA纖維。試驗(yàn)配合比詳見表1，其中水膠比為0.26，粉煤灰與水泥質(zhì)量比1.2，纖維體積摻量2%。PVA纖維性能見表2。

表1 試驗(yàn)配合比Table 1 Mix proportions of experiments

表2 PVA纖維性能Table 2 Properties of PVA fibers

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

ECC三軸壓縮試件為φ50 mm×100 mm圓柱體，試驗(yàn)中采用了0 MPa、1.5 MPa、3 MPa、4.5 MPa四組不同圍壓，同時(shí)為了加強(qiáng)對比，還澆筑了一組配比相同但不摻PVA纖維的砂漿試件。各試件具體參數(shù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 3 Design of experiments

圖1 三軸試驗(yàn)裝置Fig.1 Triaxial test setup

采用濟(jì)南海威爾HSW-1000B微機(jī)控制電液伺服巖石三軸儀進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，如圖1所示。試驗(yàn)中的加載制度為：(1)對試件進(jìn)行預(yù)加載，目標(biāo)值3 kN，加載速率0.5 kN/s；(2)施加圍壓，加載速率0.05 MPa/s，直至目標(biāo)值并保持恒載；(3)軸向加載，加載速率0.05 MPa/s，直至試件破壞。試驗(yàn)過程中通過軸向變形傳感器和徑向變形傳感器測量試件的實(shí)時(shí)變形，試驗(yàn)結(jié)束后觀測試件的破壞位置及形態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 試件破壞形態(tài)

圖2顯示了各試件的典型破壞模式，對比圖(a)、(b)可以看出，在無圍壓條件下，不摻PVA纖維的砂漿試件其破壞模式為脆性破壞，試件發(fā)生塊狀碎裂。而對于摻入PVA纖維的ECC試件，其基體受力開裂后，裂縫處的纖維繼續(xù)承受拉應(yīng)力并傳遞給周圍未開裂的基體進(jìn)而產(chǎn)生新的裂縫，試件由脆性破壞轉(zhuǎn)為延性破壞[11]，試件的韌性提高，裂縫開展得到有效限制。由圖(c)～(e)可以看出，在施加圍壓后，試件的韌性進(jìn)一步增大，徑向變形得到有效約束，裂縫寬度相對減小，最終各試件均發(fā)生剪切破壞，且破壞后仍具有較好的整體性。

圖2 各試件典型破壞面
Fig.2 Typical failure surfaces of specimens

2.2 圍壓對抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 不同圍壓下ECC的軸向峰值抗壓強(qiáng)度Fig.3 Axial peak strength of ECC under different confining pressures

各圍壓(σ3)下ECC的峰值抗壓強(qiáng)度(即偏應(yīng)力Δσ，Δσ=σ1-σ3)如圖3所示，由圖可知，隨著圍壓的增加，ECC的極限抗壓強(qiáng)度顯著提高，兩者大致呈線性關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果匯總于表4中，根據(jù)各試件的實(shí)測第一主應(yīng)力σ1與圍壓σ3可繪制不同圍壓下ECC的摩爾圓如圖4所示，由相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線可確定出ECC的c值為8.9 MPa，φ值為51°。此外，根據(jù)摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則[12]，應(yīng)有：

(1)

(2)

(3)

式中：c為ECC粘聚力，φ為ECC摩擦角，fc為ECC單軸抗壓強(qiáng)度，k為側(cè)向壓力系數(shù)。

表4 各試件的強(qiáng)度參數(shù)Table 4 Strength parameters of specimens

將φ=51°代入式(3)中，可得k=7.974。同時(shí)，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)可繪制不同圍壓下ECC試件σ1/fc與σ3/fc關(guān)系曲線如圖5所示，擬合直線方程的斜率即kECC為7.995，與理論計(jì)算k值基本吻合，但大于普通混凝土k=4.1～5.3[13-14]，表明ECC軸壓強(qiáng)度受圍壓影響的程度大于普通混凝土，即隨著圍壓的增大，ECC的主壓應(yīng)力顯著提高。

圖4 不同應(yīng)力狀態(tài)下的ECC摩爾圓
Fig.4 Mohr’s circles of ECC under different stress conditions

圖5 不同圍壓下ECC的σ1/fc與σ3/fc關(guān)系曲線
Fig.5 Relationship betweenσ1/fcandσ3/fcof ECC under different confining pressures

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變特性分析

砂漿試件和不同圍壓下ECC試件的軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。無圍壓條件下，ECC的單軸壓縮峰值應(yīng)變一般在0.005左右[6]。從圖6中可以看出，當(dāng)圍壓為0 MPa時(shí)，ECC試件的峰值壓應(yīng)變已達(dá)到0.004，且存在有一個(gè)明顯的水平屈服段。隨著應(yīng)變的進(jìn)一步增大，試件的承載力才呈現(xiàn)出快速下降趨勢，與李艷等學(xué)者的試驗(yàn)結(jié)果較為一致[10]，表明PVA纖維的摻入能夠提高試件的韌性，減緩應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段，使試件由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐?。ECC的受壓過程可以分為三個(gè)階段，即彈性階段、應(yīng)變硬化階段和軟化階段。圍壓的存在會約束ECC的徑向變形，延緩裂縫的產(chǎn)生，因此圍壓越高，ECC的彈性階段越長，相應(yīng)的彈模也越大，反應(yīng)在應(yīng)力-應(yīng)變圖中為曲線斜率增大。在應(yīng)變硬化階段，由于圍壓約束的存在，使得試件在達(dá)到單軸抗壓強(qiáng)度后仍然能繼續(xù)受力，且圍壓越大，極限抗壓強(qiáng)度越高。圍壓對試件的軟化階段同樣有顯著影響，圍壓越大，曲線下降得越平緩，ECC韌性得到提高。

圖6 不同圍壓下各試件的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線
Fig.6 Axial stress-strain curves of speciments under different confining pressures

圖7 ECC 的ε1/εc與σ3/fc關(guān)系圖
Fig.7 Relationship betweenε1/εcandσ3/fcof ECC

不同圍壓下ECC試件的軸向峰值應(yīng)變?nèi)绫?所示，當(dāng)圍壓分別為1.5 MPa、3 MPa、4.5 MPa時(shí)，相應(yīng)ECC的軸向峰值應(yīng)變ε1分別為單軸受壓條件下峰值應(yīng)變εc的1.48倍、1.65倍、1.79倍。由此可構(gòu)建ECC在三軸受壓狀態(tài)下相對峰值應(yīng)變與相對圍壓的關(guān)系如圖7所示，相應(yīng)表達(dá)式為：

(4)

式(4)表明ECC軸向峰值應(yīng)變與圍壓間有較好的線性關(guān)系。

表5 ECC軸向峰值應(yīng)變Table 5 Axial peak strain of ECC

3 結(jié) 論

(1)ECC中PVA纖維的摻入能起到橋聯(lián)作用，有利于限制試件的裂縫發(fā)展，提高韌性，試件由脆性破壞轉(zhuǎn)為延性破壞。

(2)三軸壓縮試驗(yàn)中，隨著圍壓的增大，ECC的軸向極限抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變均有所提高。這是因?yàn)閲鷫耗軌蚣s束ECC的徑向變形，進(jìn)而限制裂縫的發(fā)展，使ECC在達(dá)到單軸抗壓強(qiáng)度后仍然能夠繼續(xù)受力。

(3)ECC三軸受壓下的變形特性可表現(xiàn)為彈性變形-應(yīng)變硬化-應(yīng)變軟化三階段，且與圍壓大小有關(guān)。隨著圍壓提高，ECC應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性段斜率增大，同時(shí)應(yīng)變硬化段提高，相應(yīng)峰值強(qiáng)度和應(yīng)變增大，軟化下降段減緩。

(4)三軸受壓狀態(tài)下，各試件均為剪切破壞，且ECC的主壓應(yīng)力以及軸向峰值應(yīng)變與圍壓間有較好的線性相關(guān)性。計(jì)算結(jié)果顯示，ECC的側(cè)向壓力系數(shù)大于普通混凝土的側(cè)向壓力系數(shù)，表明ECC軸向峰值強(qiáng)度受圍壓影響較大。