齡期對定向鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料斷裂性能的影響*

卿龍邦 楊卓凡 慕 儒

(河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院, 天津 300401)

水泥基材料是目前使用最為廣泛的建筑材料，其多孔、多相、不均勻，可以通過摻入纖維的方式改善其抗拉強(qiáng)度低、抗裂性差等缺點(diǎn)。鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料具有良好的延性，可以顯著提高水泥基體的抗拉性能，延緩宏觀裂縫的出現(xiàn)及發(fā)展。

普通鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料中的鋼纖維是隨機(jī)分布的，只有部分纖維能有效地發(fā)揮作用。通過將鋼纖維定向，使其與主拉應(yīng)力方向一致，即定向鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，不僅可以增加鋼纖維的利用率，而且極大提高了結(jié)構(gòu)的承載力。當(dāng)前定向鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料相關(guān)力學(xué)性能的研究已得到國內(nèi)外眾多學(xué)者的重視。Abrishambaf等通過單軸拉伸試驗(yàn)，定量地分析了纖維方向?qū)Τ咝阅芾w維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料拉伸性能的影響[1]。Wijffels等進(jìn)行三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)來探究纖維方向?qū)ψ悦軐?shí)混凝土失穩(wěn)破壞的影響[2]。Kang等通過三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)研究了超高性能水泥基復(fù)合材料在不同纖維分布方向下的抗彎性能[3]。

由于鋼纖維有效地提高了水泥基體的延性，鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料具有良好的阻裂性能，其中斷裂性能是鋼纖維增強(qiáng)水泥基材料的重要力學(xué)性能之一。國內(nèi)外學(xué)者已對鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料經(jīng)28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的力學(xué)性能及斷裂性能做了大量的研究[4-12]，但目前關(guān)于鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料斷裂性能的研究主要集中于隨機(jī)亂向鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，而對定向鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料斷裂性能的研究尚且不足。

在澆筑及養(yǎng)護(hù)過程中，常存在操作不規(guī)范、水泥硬化收縮等因素，致使水泥基材料中帶有大量微裂縫。受早期水化反應(yīng)等作用，微裂縫會(huì)加劇擴(kuò)展[13]，其中水化過程明顯受齡期的影響。由于材料性能和微觀結(jié)構(gòu)是影響結(jié)構(gòu)耐久性的直接原因，齡期對材料微觀結(jié)構(gòu)的變化、水泥基材料的性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)的耐久性有著關(guān)鍵的影響，研究齡期對建筑物的施工以及混凝土性能的全面研究有著極其重要的作用。

當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者對不同齡期混凝土斷裂性能的研究已取得了很多成果[14-19]，但關(guān)于不同齡期鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料斷裂性能的研究相對較少且多集中于隨機(jī)亂向鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。孫啟林等通過三點(diǎn)彎曲梁和楔入劈裂試驗(yàn)，測定早齡期階段鋼纖維混凝土的抗裂能力，研究鋼纖維混凝土在不同養(yǎng)護(hù)齡期下承載能力以及抗裂性能的變化規(guī)律[20]。Bordelon等通過楔入劈拉試驗(yàn)，探究纖維形式及纖維體積摻量在不同齡期下對纖維增強(qiáng)混凝土的抗彎性能以及斷裂性能的影響[21]。Fu等通過對不同齡期、不同纖維摻量的鋼纖維混凝土進(jìn)行三點(diǎn)彎曲梁斷裂試驗(yàn)，分析養(yǎng)護(hù)齡期及纖維摻量對鋼纖維混凝土斷裂性能的影響[22]。上述研究僅針對隨機(jī)亂向鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，由于齡期定向鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料斷裂性能的研究對于分析結(jié)構(gòu)在不同養(yǎng)護(hù)階段的穩(wěn)定性具有重要作用，而相關(guān)研究內(nèi)容相對缺乏，研究齡期對定向鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料斷裂性能的影響有重要的研究價(jià)值和實(shí)際意義。

本研究通過對不同齡期的定向及隨機(jī)亂向鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料試件的三點(diǎn)彎曲斷裂試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)獲得的荷載-裂縫口張開位移曲線，分析了裂縫擴(kuò)展全過程，并計(jì)算出斷裂能，進(jìn)而研究了齡期對定向鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料斷裂性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用P·O 42.5級水泥，天然河沙，密度為2 500 kg/m3；聚羧酸型減水劑；鋼纖維長為30 mm；水灰比為0.36。具體試驗(yàn)配合比見表1，鋼纖維參數(shù)見表2。試件養(yǎng)護(hù)28 d后，測得的水泥砂漿立方體抗壓強(qiáng)度為45.4 MPa。

表1 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)Table 1 Design of the mix proportion kg/m3

表2 鋼纖維材料參數(shù)Table 2 Material parameters of steel fiber

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試件制備

試驗(yàn)采用帶預(yù)制缺口的有機(jī)玻璃試模，分別制備鋼纖維體積摻量為1.2%、2.0%的定向及隨機(jī)亂向鋼纖維水泥砂漿三點(diǎn)彎曲梁試件。為了研究齡期對鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料斷裂性能的影響，試件拆模后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下分別養(yǎng)護(hù)1,3,7,14,28 d，之后各進(jìn)行三點(diǎn)彎曲梁斷裂試驗(yàn)。試件尺寸均為100 mm×100 mm×400 mm，初始縫高比為0.4，試驗(yàn)簡圖見圖1。試件信息及斷裂能見表3。

圖1 試件幾何尺寸 mmFig.1 Specimen sizes

表3 試件信息及斷裂能Table 3 Specimen information and fracture energy

1)試件編號的含義，例如OSFRC-1.2-1表示齡期為1 d、纖維體積摻量為1.2%的定向鋼纖維增強(qiáng)水泥基材料，以此類推。2)斷裂能增益比 = 纖維摻量為2.0%的鋼纖維增強(qiáng)水泥基材料的斷裂能 / 相同齡期下纖維摻量為1.2%的鋼纖維增強(qiáng)水泥基材料的斷裂能。

定向鋼纖維水泥砂漿試件(OSFRC)的制備方法可參見文獻(xiàn)[23]。

1.3 加載方案

三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)在SUNS 20 kN萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)中，分別通過荷載傳感器和夾式引伸儀來測量荷載和裂縫口張開位移，其中荷載傳感器、夾式引伸儀的最大量程分別為20 kN、10 mm。在試件預(yù)制縫的前、后兩側(cè)分別安裝夾式引伸儀，將其所測得的裂縫口張開位移取平均值作為最終的裂縫口張開位移。試驗(yàn)采用位移加載，加載速率為0.15 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 荷載-裂縫口張開位移曲線

圖2為不同齡期下定向與隨機(jī)亂向鋼纖維水泥砂漿試件(SFRC)的荷載-裂縫口張開位移曲線，可以看出：在不同齡期下，相同類型試件的荷載-裂縫口張開位移曲線趨勢均相同，而OSFRC與SFRC的曲線有所不同。在加載初期，主要由水泥基體來承擔(dān)荷載，其峰值荷載與裂縫口張開位移近似呈現(xiàn)線性增長關(guān)系；在峰值應(yīng)力后，曲線呈現(xiàn)出非線性，橋接在裂縫處的鋼纖維承擔(dān)荷載，OSFRC的曲線斜率變得緩和并穩(wěn)定地下降，延性得到一定的改善，而SFRC在峰值荷載之后有明顯且較陡的下降段，之后再趨于平緩穩(wěn)定。這是由于OSFRC試件在裂縫處橋接的鋼纖維數(shù)量高于SFRC試件，其延性得到一定的改善。值得注意的是，在平緩卸載的過程中，SFRC的曲線較OSFRC的更為平穩(wěn)，曲線斜率較小。

a—1 d; b—3 d; c—7 d; d—14 d; e—28 d。試件編號后的百分?jǐn)?shù)為鋼纖維體積摻量。圖2 各齡期下試件的荷載-裂縫口張開位移曲線Fig.2 Curves of loading and crack opening development of specimens at different ages

當(dāng)SFRC試件的荷載-裂縫口張開位移曲線達(dá)到峰值荷載時(shí)，OSFRC試件的荷載-裂縫口張開位移曲線仍處于上升趨勢，峰值荷載明顯大于隨機(jī)亂向試件，這是由于定向試件中的大部分鋼纖維方向與拉應(yīng)力方向一致并均勻分布，其在承載過程中有效承擔(dān)荷載的鋼纖維數(shù)量明顯多于隨機(jī)亂向試件，顯著提高了水泥基體的阻裂能力。隨著齡期的增加，兩種材料試件的峰值荷載也隨之增加，OSFRC試件相較同纖維摻量的SFRC試件的峰值荷載相差較大，以經(jīng)7 d養(yǎng)護(hù)的試件而言，纖維摻量為1.2%的OSFRC試件較SFRC試件的峰值荷載提高了1.4倍?？梢缘贸觯ㄏ蜾摾w維在提高水泥基材料斷裂性能方面充分發(fā)揮了鋼纖維的增強(qiáng)增韌作用。

對于不同纖維摻量的OSFRC，隨著纖維摻量的提高，其承載力也隨之相應(yīng)增加。這是由于在裂縫處，纖維摻量較高的水泥基材料中能有效分擔(dān)外荷載的鋼纖維數(shù)量相應(yīng)多于纖維摻量低的水泥基材料，進(jìn)而大大提高了水泥基體的承載力。以經(jīng)14 d養(yǎng)護(hù)的試件而言，在纖維摻量由1.2%增加到2.0%時(shí)，OSFRC的峰值荷載增加了55.8%。

2.2 彎曲強(qiáng)度

彎曲強(qiáng)度是指材料在彎曲負(fù)荷作用下破裂或達(dá)到規(guī)定彎矩時(shí)能承受的最大應(yīng)力，它反映了材料抵抗彎曲的能力，用來衡量材料的彎曲性能。帶預(yù)制缺口的三點(diǎn)彎曲梁名義彎曲強(qiáng)度可由式(1)計(jì)算：

(1)

式中：S為試件凈跨；Pu為試件的峰值荷載；B為試件的寬度；D為試件的高度。

圖3給出了相同纖維摻量下的OSFRC和SFRC試件的彎曲強(qiáng)度。可得：OSFRC在7 d齡期內(nèi)彎曲強(qiáng)度的增長速度較快，在7 d齡期后速度放緩并趨于穩(wěn)定，而SFRC的彎曲強(qiáng)度隨著齡期的增加而不斷增長。在7 d養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，纖維摻量為2.0%、1.2%的OSFRC和SFRC試件第7天較第1天的彎曲強(qiáng)度分別增加了68%、49.7%；40.2%、30.1%，由此可以看出，OSFRC彎曲強(qiáng)度的增長速度明顯快于SFRC材料的。

a—2.0%; b—1.2%。圖3 相同纖維摻量下不同復(fù)合材料試件的彎曲強(qiáng)度Fig.3 The flexural strength of OSFRC and SFRC with the same volume contents of steel fiber

此外，在相同纖維摻量下，OSFRC的彎曲強(qiáng)度顯著大于SFRC的。如纖維摻量為2.0%的定向試件，在第14天齡期時(shí)，其彎曲強(qiáng)度較同摻量的SFRC試件增加了2.1倍；在第7天齡期時(shí)，纖維摻量為1.2%的OSFRC試件的彎曲強(qiáng)度相較SFRC試件的彎曲強(qiáng)度增加了1.4倍，這是由于在水泥基體中摻入鋼纖維，可以使纖維與水泥基體有良好的界面黏結(jié)能力，有效提高了基體的抗拉性能，延緩宏觀裂縫的出現(xiàn)及發(fā)展，并且將鋼纖維定向，使其與主拉應(yīng)力方向一致，可以充分發(fā)揮鋼纖維增強(qiáng)增韌的作用，從而進(jìn)一步提高材料的彎曲性能。

圖4為兩種復(fù)合材料試件在不同纖維摻量下的彎曲強(qiáng)度，可以看出：在相同齡期內(nèi)，兩種復(fù)合材料試件的彎曲強(qiáng)度均呈現(xiàn)出隨著纖維摻量的增加而增大的趨勢，由于在相同截面處，纖維摻量高的試件相較纖維摻量低的試件纖維的數(shù)量更多，在裂縫兩側(cè)有較多的纖維橋接來提高材料的彎曲性能。可知，在28 d齡期內(nèi)，纖維摻量為2.0%、1.2%的OSFRC試件的彎曲強(qiáng)度分別增加了74.6%、60.1%，纖維摻量為2.0%、1.2%的SFRC試件的彎曲強(qiáng)度分別增加了103.7%、63%，由此可得，SFRC試件彎曲強(qiáng)度增長率比同纖維摻量的OSFRC的大。

a—OSFRC; b—SFRC。圖4 不同纖維摻量下試件的彎曲強(qiáng)度Fig.4 The flexural strength of specimens with different volume contents of steel fiber

從圖4還可以看出：當(dāng)纖維摻量由1.2%增加到2.0%，在齡期分別為第1,3,7,14,28天時(shí)，OSFRC試件的彎曲強(qiáng)度分別提高了43.4%、49.9%、61.0%、55.8%、56.5%，而SFRC試件的彎曲強(qiáng)度分別提高了6.0%、5.3%、14.2%、21.2%、32.3%，可見，纖維摻量由1.2%增加到2.0%時(shí)，OSFRC試件的彎曲強(qiáng)度相較同齡期的SFRC試件有更為明顯地增加，其增強(qiáng)效果有所提高。對于SFRC試件，隨著纖維摻量的增加，彎曲強(qiáng)度雖有增加但增長幅度相對較小。

2.3 斷裂能

斷裂能GF是指裂縫擴(kuò)展單位面積所需要的能量，它是表征水泥基材料斷裂性能的一個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)國際結(jié)構(gòu)與材料研究協(xié)會(huì)混凝土斷裂力學(xué)技術(shù)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(RILEM TC50-FMC)的建議[24]，采用斷裂功法測定斷裂能GF，其簡單方便，易于操作，公式如下：

(2)

式中：W0為梁跨中位置上的外荷載所做的功，即荷載-撓度曲線所包圍的面積；m為試件質(zhì)量；g為重力加速度；δmax為梁跨中的最大位移值；Alig為梁的斷裂韌帶凈面積。

根據(jù)所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過式(2)可計(jì)算得到不同齡期的OSFRC和SFRC試件的斷裂能，如圖5所示，各齡期下OSFRC、SFRC試件的斷裂能規(guī)律與相對應(yīng)的彎曲強(qiáng)度規(guī)律有相似之處。鋼纖維增強(qiáng)水泥基材料的斷裂能均隨著齡期的增加而增加，齡期越長，水泥基材料的抗阻裂能力越高，這是由于隨著齡期的增加，水泥基體的強(qiáng)度也逐漸增大，鋼纖維從基體中的拔出將消耗更多的能量，鋼纖維水泥基材料的斷裂能也隨之增加。在相同鋼纖維摻量下，OSFRC試件的斷裂能明顯大于SFRC試件。當(dāng)纖維摻量為2.0%時(shí)，在各齡期下OSFRC試件的斷裂能相較SFRC試件分別增加了1.83、2.31、2.43、2.51、1.84倍；當(dāng)纖維摻量為1.2%時(shí)，OSFRC試件的斷裂能分別增加了1.57、1.82、1.55、1.58、1.09倍，由此可得，相對于較低纖維摻量，較高纖維摻量下的OSFRC試件比SFRC試件的斷裂能有更為顯著的增加，合理地增加纖維摻量可有效提高水泥基體的抗裂性能。

a—2.0%; b—1.2%。圖5 相同纖維摻量下OSFRC、SFRC的斷裂能Fig.5 The fracture energy of OSFRC and SFRC with the same volume contents of steel fiber

從圖6中可以看出：對于不同纖維摻量的OSFRC、SFRC試件，斷裂能隨著纖維摻量的增加而增加。當(dāng)齡期從1 d增加到7 d時(shí)，纖維摻量為2.0%、1.2%的OSFRC試件的斷裂能分別增加了61%、39%，其斷裂能的增長速度較快，這是由于在早期水泥基材料的水化過程較劇烈，水化產(chǎn)物不斷填充材料的內(nèi)部，鋼纖維與水泥基體間的界面作用已較為明顯，水泥基材料的抗阻裂能力在早齡期內(nèi)增長迅速。在7～28 d齡期內(nèi)，OSFRC試件的斷裂能增長速度較為緩慢且趨于穩(wěn)定。對于SFRC試件，其斷裂能隨齡期的增長而不斷增加，呈現(xiàn)逐漸上升趨勢，齡期從1 d增加到28 d時(shí)，纖維摻量為2.0%、1.2%的試件斷裂能分別增長了76%、81%。

a—OSFRC; b—SFRC。圖6 不同纖維摻量下試件的斷裂能Fig.6 The fracture energy of specimens with different volume contents of steel fiber

由表3可以得到：在相同齡期下，OSFRC的斷裂能增益比與SFRC相比較大，就7 d齡期而言，在纖維摻量由1.2%增加到2.0%時(shí)，OSFRC試件的斷裂能增加了56%，而SFRC試件的斷裂能僅增加了16%；OSFRC試件的斷裂能增益比隨著齡期的增加而不斷增加，SFRC試件的斷裂能增益比則較為穩(wěn)定。

3 結(jié)束語

通過對不同齡期的OSFRC試件的三點(diǎn)彎曲梁斷裂試驗(yàn)，研究了齡期對OSFRC斷裂性能的影響，結(jié)果表明：

1)鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨著齡期的增加而增加，在相同纖維摻量下，OSFRC相較SFRC具有較好的彎曲性能。

2)OSFRC的斷裂能隨著齡期的增加而增大，在7 d齡期內(nèi)，斷裂能的增長速度較快，在7 d齡期后，增長速度開始變慢，斷裂能不再有明顯的增加，并趨于穩(wěn)定。

3)OSFRC的斷裂能隨著纖維摻量的增加而增大，在相同齡期內(nèi)，當(dāng)鋼纖維摻量由1.2%增加到2.0%時(shí)，OSFRC的斷裂能增長幅度相較SFRC更為明顯。

4)在試驗(yàn)配合比、試件尺寸一定的情況下，OSFRC的斷裂能顯著高于SFRC，由此表明摻入鋼纖維并將其定向可以使鋼纖維與水泥基體有較強(qiáng)的界面黏結(jié)性能，更好地發(fā)揮鋼纖維增強(qiáng)增韌的作用，從而提高水泥基復(fù)合材料的抗裂性能。