微膠囊-纖維水泥基復(fù)合材料動(dòng)態(tài)劈裂拉伸性能研究

王險(xiǎn)峰， 盛 敏， 趙玉龍， 邢 鋒， 李大望

(深圳大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院， 廣東 深圳 518060)

0 引 言

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制備

主要原材料:膠凝材料為PⅡ42.5R硅酸鹽水泥、粉煤灰和礦渣; 細(xì)集料為標(biāo)準(zhǔn)石英砂;水為自來(lái)水；兩種纖維類型，一種為PVA纖維,另一種為PE纖維;UF/E微膠囊，自制[1]；MC120D 固化劑。

纖維-微膠囊水泥基復(fù)合材料的配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 配合比設(shè)計(jì)

本研究采用圓柱形試件[8-9]，為了與動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn)對(duì)比，靜態(tài)劈裂試驗(yàn)采用與動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn)相同的尺寸，故設(shè)計(jì)的試件直徑為100 mm,厚度為50 mm。共有75個(gè)試件，其中靜態(tài)試驗(yàn)試件15個(gè)，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)試件60個(gè)。

1.2 靜態(tài)試驗(yàn)方法

國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM)[6]和美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)[7]提出巴西劈裂試驗(yàn)作為替代拉伸試驗(yàn)方法，以彌補(bǔ)直接拉伸試驗(yàn)的缺陷。準(zhǔn)靜態(tài)抗拉強(qiáng)度為

(1)

式中：Pt----試件破壞時(shí)所受的力;

D----試件直徑;

H----試件高度。

1.3 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法

直徑為120 mm的SHPB試驗(yàn)裝置由三部分組成，分別是沖擊系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)。試件置于入射桿和透射桿之間，其基本原理為一維彈性應(yīng)力波傳播理論，如圖1所示。

Murashita等[22]用重組瘦素處理虹鱒后，發(fā)現(xiàn)可顯著抑制其攝食行為，刺激抑制食欲因子——阿片促黑色素原A1/A2(proopiomelanocorein-A1/A2，POMC-A1/A2)基因表達(dá)，并降低促食欲因子神經(jīng)肽Y(neuropeptide Y，NPY)基因的表達(dá)水平。重組鮭瘦素也可顯著抑制大西洋鮭的生長(zhǎng)[38]。

圖1 SHPB試驗(yàn)基本原理

(2)

(3)

(4)

式中：t----開(kāi)始到最大應(yīng)力的滯后時(shí)間;

Es----試件的彈性模量。

2 結(jié)果和討論

2.1 強(qiáng)度分析

總結(jié)了試件類型和靜動(dòng)態(tài)劈裂拉伸試驗(yàn)結(jié)果,其中A,B,C,D依次代表不同纖維體積摻量，M0和M8分別代表微膠囊的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。所有試件都進(jìn)行了3次平均試驗(yàn)，表中列出的均為平均值，見(jiàn)表2。

表2 試件類型和靜動(dòng)態(tài)劈裂拉伸試驗(yàn)結(jié)果

在靜態(tài)荷載下，試樣A-M0和A-M8的靜態(tài)劈裂抗拉強(qiáng)度分別為3.71 MPa和4.33 MPa，說(shuō)明微膠囊可以提高基體的劈裂抗拉強(qiáng)度。通過(guò)添加2%PVA纖維、2%PE纖維和2%PVA-PE混雜纖維，試樣A-M8的靜態(tài)劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高到4.81、6.06、6.51 MPa。在動(dòng)態(tài)荷載下，應(yīng)變率在0.96～30.30 s-1，所有試件的動(dòng)態(tài)劈裂抗拉強(qiáng)度都隨著應(yīng)變率的增加而提高，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率敏感性。以A-M0為例，隨著應(yīng)變率從0.96 s-1增加到8.34 s-1，試件的劈裂強(qiáng)度依次為3.91、4.42、6.57、10.21 MPa，相應(yīng)的DIF[10- 11]值為1.05、1.19、1.77、2.75，其他試件也反映了相似的規(guī)律，隨著纖維含量從PVA到PVA-PE混雜纖維變化，試件的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度均有所增加，且PVA-PE混雜纖維的增強(qiáng)效果最好。

2.2 破壞狀態(tài)分析

D-M8試件在0.2 MPa沖擊氣壓下的劈裂抗拉強(qiáng)度-時(shí)間曲線如圖2所示。

圖2 D-M8試件在0.2 MPa沖擊氣壓下的劈裂抗拉強(qiáng)度-時(shí)間曲線

基于型號(hào)為Fastcam SA-X2高速攝像機(jī)(FPS為5 000)，同步拍攝試件裂紋擴(kuò)展過(guò)程。在AO階段,沒(méi)有產(chǎn)生裂紋;在OB階段，裂紋在試件中心萌生并且不斷沿縱向軸線方向發(fā)展;在BC階段，縱向裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展并貫穿試件表面;在CD階段，試件被縱向軸線方向的主裂紋分為兩部分,在垂直或傾斜于主裂紋的方向上，會(huì)產(chǎn)生由壓縮剪切破壞引起的二次裂紋;在DE階段，試件在平行于主裂紋的方向上產(chǎn)生拉伸裂紋,并最終被這些裂紋分成兩部分。結(jié)合整個(gè)裂紋擴(kuò)展過(guò)程，該試件的裂紋擴(kuò)展規(guī)律是以拉伸破壞引起的主裂紋為主，以壓縮剪切破壞的二次裂紋為輔，這是由于PVA-PE混雜纖維能有效抑制主裂紋的產(chǎn)生，并產(chǎn)生多條分支裂紋，延緩試件沿著主裂紋破壞。

裂紋擴(kuò)展和破壞程度取決于纖維類型和纖維體積分?jǐn)?shù)。給出了在0.1 MPa的沖擊氣壓下，A-M8，B-M8，C-M8和D-M8這四種試件的裂紋擴(kuò)展過(guò)程，如圖3所示。

圖3 在0.1 MPa沖擊氣壓下，四種試件的裂紋擴(kuò)展過(guò)程

試件的裂紋都是從中心萌生，裂紋擴(kuò)展過(guò)程根據(jù)時(shí)間順序分為三個(gè)時(shí)間點(diǎn)：在400 μs時(shí)，試件從中心產(chǎn)生縱向裂紋，其中，A-M8試件的縱向裂紋寬度最大，C-M8試件產(chǎn)生了多條縱向裂紋，而B(niǎo)-M8試件和D-M8試件縱向裂紋并不明顯；到600 μs時(shí)，A-M8試件的分支裂紋長(zhǎng)度最長(zhǎng)，而D-M8試件裂紋長(zhǎng)度最短，裂紋的擴(kuò)展得到有效限制；800 μs后，A-M8和B-M8這兩種試件即將被主裂紋分成兩部分，而C-M8和D-M8這兩種試件由于并沒(méi)有被主裂紋貫穿，且存在多條分支裂紋，試樣還沒(méi)有失效。此外，我們研究了所有試件在0.15 MPa沖擊氣壓下的破壞狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 所有試件類型在0.15 MPa沖擊氣壓下的最終破壞狀態(tài)

與其他試件相比，試件D-M8中產(chǎn)生多條分支裂紋，破壞后的碎片明顯較大，碎片的分散程度較小,并且附著在試件上，試件仍能保持較好的整體性。這體現(xiàn)出該試樣的破壞主要是來(lái)自于纖維受拉延性破壞而產(chǎn)生的裂紋，而非混凝土受壓脆性破壞而產(chǎn)生的裂紋。也就是說(shuō)，在高應(yīng)變率作用下，纖維對(duì)試件的增韌效果和能量耗散能力的提升。

總體而言，纖維消耗自身能量改善混凝土在承受沖擊荷載時(shí)的脆性破壞。纖維消耗能量一方面能減緩裂紋擴(kuò)展并降低裂紋萌生速度;另一方面能提升混凝土的韌性和能量吸收能力。纖維與水泥基體之間有效的載荷傳遞機(jī)制有助于混凝土在高應(yīng)變率下抵抗較高的載荷。三種纖維對(duì)試件的增韌效果由高至低依次為PVA-PE混雜纖維、PE纖維和PVA纖維。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)在沖擊載荷下，微膠囊-纖維水泥基復(fù)合材料具有顯著的應(yīng)變率效應(yīng)，且隨著應(yīng)變率增加，劈裂抗拉強(qiáng)度提高。微膠囊和纖維都能增強(qiáng)混凝土的靜動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，增強(qiáng)效果從高至低依次為PVA-PE混雜纖維、PE纖維、PVA纖維和微膠囊。

2)纖維的摻入能有效地改善微膠囊自修復(fù)混凝土在動(dòng)力荷載作用下的脆性破壞。在破壞過(guò)程中，纖維能有效抑制主裂紋的產(chǎn)生，并產(chǎn)生多條分支裂紋，延緩試件沿著主裂紋破壞，進(jìn)而提高水泥基材料的斷裂韌性。增韌效果從高至低依次為PVA-PE混雜纖維、PE纖維和PVA纖維。