混雜纖維增強高韌性水泥基復(fù)合材料的拉伸性能

許子龍， 謝 群

(濟(jì)南大學(xué)土木建筑學(xué)院， 山東濟(jì)南250022)

鋼筋混凝土作為現(xiàn)代社會最主要的建筑材料被廣泛應(yīng)用， 但是鋼筋的高延性與混凝土的低抗拉能力導(dǎo)致鋼筋混凝土的耐久性大幅降低。 為了解決該問題， Li等[1]在20世紀(jì)90年代研制出一種具有應(yīng)變硬化、 延伸率為3%、 多裂縫的高韌性水泥基復(fù)合(ECC)材料。 近年來， 國內(nèi)外學(xué)者們對ECC材料進(jìn)行深入研究， 增韌材料的形式主要分為2類， 即同種纖維不同尺寸混雜[2-5]和不同的纖維種類混雜[6-8]。 這些研究采用的纖維多是聚乙烯醇(PVA)纖維， 制成的ECC材料直接拉伸的延伸率通常為3%～4%， 其中摻入PVA纖維的體積分?jǐn)?shù)多在2%左右。目前國內(nèi)外的ECC材料中的增韌材料多采用PVA纖維，該類纖維為日本可樂麗公司生產(chǎn)，造價較高。另外，由于PVA纖維具有親水性，纖維與水泥基體之間有較強的化學(xué)黏結(jié)力，因此試件破壞形式多表現(xiàn)為纖維拉斷而不是纖維拔出[9]。

聚乙烯(PE)纖維是一種憎水纖維，ECC材料中多采用長度為18 mm的長纖維。采用掃描電子顯微鏡對試件破壞面的觀察發(fā)現(xiàn)，PE纖維一般發(fā)生斷裂和拔出2種破壞形式，較大的長徑比能夠保證纖維有足夠的化學(xué)黏結(jié)力，提升ECC材料的延性[10]。為了解決水泥基材料中單摻PE 纖維初裂拉力較小的問題，本文中通過摻入鋼纖維來提升ECC材料的初裂拉力和極限拉力，通過直接拉伸試驗來探尋最佳鋼纖維摻量。

1 試件制備

1.1 材料與配合比

水泥試件共采用4種配合比。 PE纖維的體積分?jǐn)?shù)固定為1%， 鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0、 0.3%、 0.6%、 0.9%，鋼纖維具體摻量見表1。水泥為河南永安水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P.O 42.5級硅酸鹽水泥；粉煤灰采用河南省鞏義市第二電廠的一級粉煤灰，化學(xué)組成見表2；硅灰產(chǎn)自河南鉑潤有限公司，化學(xué)組成見表3；集料用砂為河南龍澤凈水材料有限公司生產(chǎn)的平均粒徑為0.15 mm的細(xì)砂；減水劑為上海臣啟有限公司生產(chǎn)的粉末狀聚羧酸減水劑；增稠劑為上海臣啟有限公司生產(chǎn)的羥丙基甲基纖維素；拌和水為市政自來水；鋼纖維和PE纖維的性能指標(biāo)見表4。

表1 高韌性水泥基復(fù)合材料配合比

表2 粉煤灰的化學(xué)組成

表3 硅灰的化學(xué)組成

表4 纖維的性能參數(shù)

1.2 ECC制備與養(yǎng)護(hù)

采用JJ-5型水泥砂漿攪拌機(jī)進(jìn)行ECC材料的攪拌。PE纖維加入前應(yīng)人工拆分至不成縷的初步分散狀態(tài)，然后將其投入砂漿攪拌機(jī)中快速攪拌2 min至均勻，取出備用。制備ECC材料的整體攪拌過程如圖1所示。將ECC漿體澆筑在狗骨型拉伸試件[11]的標(biāo)準(zhǔn)模具中，充分壓實并覆蓋塑料膜保濕。為了防止拆除模具時試件斷裂，應(yīng)在澆筑成型2 d后進(jìn)行拆模。拆模后的試件送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，養(yǎng)護(hù)室內(nèi)溫度為20 ℃，相對濕度為95%，養(yǎng)護(hù)時間為28 d。由于采用了2種纖維，因此試件命名以纖維種類的首字母和摻量數(shù)值組成。P1表示摻入PE纖維體積分?jǐn)?shù)為1%，無鋼纖維；P1S0.3表示摻入PE纖維體積分?jǐn)?shù)的1%且鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.3%；以此類推。

1.3 流動度試驗

ECC漿體制備完成后進(jìn)行流動度試驗。將攪拌好的ECC漿體分2次倒入跳桌的模具中，第1次倒入2/3，搗棒壓實15次，然后澆滿模具再次壓實10次， 去除模具上部多余漿體。將截圓錐模具提起，跳桌跳動30次之后用鋼尺量取直徑，求得最大、最小平均值即為ECC的流動度，見表5。

表5 不同試件的流動度

1.4 試驗方案

本文中各配合比試件數(shù)量均為3個，直接拉伸試件的尺寸見圖2。

圖2 直接拉伸試件(單位為mm)

試件厚度存在澆筑誤差， 以試驗前實測為準(zhǔn)。 采用CMT5305型萬能試驗機(jī)加載， 加載速率為0.5 mm/min。 試驗機(jī)配有FXYB105C型液壓楔形夾具夾緊。這是一種非高壓夾緊的方式，目的是使試件在試驗過程中不會被夾碎，并能保證試件在拉伸時不會發(fā)生滑移。位移計采用YHD-50型線性位移傳感器，通過特制夾具放置在試件兩側(cè)(見圖3)，測量段的長度以位移計夾具之間實測長度為準(zhǔn)，通過兩側(cè)位移計取平均數(shù)的方式測得試件的變形量。

2 結(jié)果與討論

2.1 試件破壞形式

通過直接拉伸試驗，P1試件表現(xiàn)出應(yīng)力硬化和多裂縫破壞的特征， 如圖4(a)所示。 裂縫的開裂模式表現(xiàn)如下： 在被測量段出現(xiàn)垂直于豎直拉力的水平裂縫， 水平裂縫通常伴隨著斜裂縫的出現(xiàn)， 小部分斜裂縫出現(xiàn)的主要原因在于纖維亂向分布； 在試件達(dá)到極限拉力之后， 可以聽到纖維被拔出的聲音， 這種聲音的出現(xiàn)意味著拉力即將開始快速減??； 在最終破壞裂縫處， 纖維多表現(xiàn)為拔出而不是拉斷， 如圖4(b)所示， 這種破壞方式有利于拉伸應(yīng)變的增大。

圖3 拉伸試樣加載裝置

(a)試件破壞形式

摻入鋼纖維的直接拉伸試件的破壞形式如圖5所示。由圖可以看出，鋼纖維的加入導(dǎo)致試件開裂不再均勻，而是集中于第1條裂縫附近。鋼纖維的直徑較大且采用的是平直光滑的鋼纖維，因此在鋼纖維分布薄弱處易產(chǎn)生第1條裂縫。第1條裂縫產(chǎn)生之后，拉力在附近會導(dǎo)致細(xì)密裂縫的產(chǎn)生。經(jīng)過集中開裂區(qū)的耗能，距離集中裂縫區(qū)較遠(yuǎn)的被測段則表現(xiàn)出較少的裂紋。最后，集中裂縫區(qū)多條細(xì)裂縫匯聚成為較大的主裂縫，纖維經(jīng)過拔出過程后，應(yīng)力開始減小。隨著纖維摻量的增加，這種集中開裂的情況明顯改善，與鋼纖維摻量較大的情況相比仍表現(xiàn)出多裂縫開裂的破壞形式。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

摻入PE纖維和鋼纖維的水泥基復(fù)合材料試件的直接拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。由圖可以看出，所有曲線都表現(xiàn)為應(yīng)變硬化的特征，應(yīng)力快速減小前所對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)闃O限應(yīng)變。曲線的波動意味著試件開裂，通過對比可知，曲線波動的幅度與鋼纖維摻入量大致成反比關(guān)系。

試件直接拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征數(shù)值如表6所示。 由表可以看出， P1試件初裂應(yīng)力較小， 約為2 MPa， 應(yīng)變大多集中在6.5%左右，鋼纖維的摻入可以有效地增大初裂拉力，且初裂拉力與摻量呈正相關(guān)，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.3%、 0.6%、 0.9%時，與P1試件相比，初裂拉力分別增大45.19%、 80.28%、 96.15%， 同時， 極限應(yīng)力分別增大33.97%、 27.99%、 8.85%，說明鋼纖維數(shù)量的增加不利于保證纖維與基體之間的黏結(jié)力。極限應(yīng)變隨著鋼纖維摻量的增加呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.3%、 0.6%、 0.9%時，與P1試件相比，極限應(yīng)變分別減小50.81%、 23.47%、 32.39%。P1S0.3試件極限應(yīng)變顯著減小的原因在于試件開裂后，摻量較少的鋼纖維容易造成應(yīng)力集中，裂縫集中出現(xiàn)于最初裂縫附近，造成試件在主裂縫破壞。

表6 摻入聚乙烯(PE)纖維和鋼纖維的水泥基復(fù)合材料試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征數(shù)值

通過不同試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的對比可知， 鋼纖維的加入使拉應(yīng)力發(fā)展過程更穩(wěn)定。 如圖6(d)所示， 應(yīng)力-應(yīng)變曲線不僅表現(xiàn)出應(yīng)力硬化特征， 而且可以大致分為3個階段： 第1個階段為彈性階段， 即第1條裂縫出現(xiàn)之前， 應(yīng)力呈線性快速增長， 斜率即為彈性模量； 第2個階段為裂縫發(fā)展階段， 即裂縫發(fā)展使得應(yīng)力-應(yīng)變曲線在某個應(yīng)力值上下波動， 試件通過開裂耗能， 應(yīng)力隨著應(yīng)變小幅增大； 第3個階段為纖維拔出階段， 即多條細(xì)小裂縫匯集成一條主裂縫， 纖維開始被直接拔出， 應(yīng)力快速減小。 由此可見， 鋼纖維的摻入有利于水泥基材料抗拉應(yīng)力的穩(wěn)定發(fā)展。 通過對比可以看出， 雖然摻加鋼纖維有極限拉應(yīng)力更大和拉力發(fā)展過程更穩(wěn)定的優(yōu)勢， 但是試件的極限拉伸應(yīng)變減小。 與P1相比， P1S0.3、 P1S0.6、 P1S0.9的拉伸應(yīng)變分別減小50.81%、 23.47%、 32.39%。應(yīng)變減小的原因是鋼纖維與PE纖維直徑相差較大，并且鋼纖維表面光滑與水泥基體黏結(jié)力較小，使得鋼纖維更易被拔出。鋼纖維的摻量與拉伸應(yīng)變減小之間呈非線性關(guān)系，試驗結(jié)果表明，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.6%時試件的綜合性能較好。

3 結(jié)論

為了解決水泥基材料中單摻PE纖維初裂拉力較小的問題，本文中通過摻入鋼纖維來增大試件的初裂拉力和極限拉力，通過直接拉伸試驗來探尋最佳的鋼纖維摻量，得到如下結(jié)論：

1)4組試件的直接拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出應(yīng)力硬化特征。隨著鋼纖維摻量增加，曲線波動的幅度減小，說明鋼纖維的加入有利于試件的穩(wěn)定開裂。當(dāng)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.9%時，試件表現(xiàn)出類似于鋼筋混凝土的三階段式應(yīng)力-應(yīng)變曲線，說明摻加鋼纖維的試件具備穩(wěn)定承載開裂能力。

2)在鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.3%～0.9%時，初裂應(yīng)力與鋼纖維的摻量呈正相關(guān)，初裂應(yīng)力分別增大45.19%、 80.28%、 96.15%。鋼纖維的摻入利于試件的極限應(yīng)力提升，與單摻PE纖維情況相比，分別增大33.97%、 27.99%、 8.85%。

3)鋼纖維的摻入不利于試件應(yīng)變發(fā)展。 當(dāng)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.3%～0.9%時， 試件的極限應(yīng)變與摻量呈負(fù)相關(guān)， 拉伸應(yīng)變分別減小50.81%、 23.47%、 32.39%；鋼纖維的摻量與拉伸應(yīng)變減小之間呈非線性關(guān)系，試驗結(jié)果表明，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.6%時試件的綜合性能較好。