高性能水泥基復(fù)合材料斷裂性能

徐文磊，宣衛(wèi)紅，陳育志，陳徐東，程熙媛

（1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京 210098；2.金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇南京 211169）

高性能水泥基復(fù)合材料（HPCC）通常由水泥、水、高效減水劑、高強度鋼纖維以及細骨料組成，并且具有極低的水灰比.鋼纖維在HPCC中通過橋接裂紋面阻止裂紋的發(fā)展，使后裂區(qū)中發(fā)生基體和鋼纖維之間的荷載重分布［1］，進而改善高強基體的脆性.已有的研究表明，鋼纖維摻量是影響HPCC力學(xué)行為的重要因素，拉伸強度、拉伸應(yīng)變［2］等性能指標對鋼纖維摻量具有很大依賴性，但是也有研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維摻量對彈性模量、第一裂紋對應(yīng)的抗折強度等無明顯影響［3］，鋼纖維摻量對HPCC的影響需要進一步的研究.

另外，憑借突出的抗壓強度［4］和抗拉強度［5］、高韌性［6］以及高耐久性［7］，HPCC已經(jīng)成為了重要工程建設(shè)中最具前景的建筑材料，例如公路橋梁、高層建筑以及防爆和抗震結(jié)構(gòu)等，這些重要工程對材料抗起裂及裂縫開展后的穩(wěn)定性和安全性提出了更高的要求.而目前關(guān)于HPCC的研究主要集中在機械性能、耐久性能及抗沖擊性能等方面，涉及HPCC斷裂性能的研究還不多.

Yoo等［8］探究了鋼纖維摻量對HPCC彎曲行為的影響，結(jié)果表明隨著鋼纖維摻量的增加，HPCC在峰值載荷下的抗彎強度、撓度和裂縫嘴張開位移（CMOD）呈偽線性增加.卿龍邦等［9］基于線性相關(guān)系數(shù)陡降法計算了HPCC的起裂韌度，發(fā)現(xiàn)當鋼纖維體積分數(shù)達到0.9%時，定向分布的鋼纖維混凝土起裂韌度趨于穩(wěn)定.鄧宗才［10］采用等效斷裂韌度方法來評價混雜纖維增強超高性能混凝土的增韌效果.這些研究重點關(guān)注了HPCC的一項或者幾項斷裂性能指標.

本文對鋼纖維體積分數(shù)為0%、1%和2%的帶預(yù)制裂縫HPCC矩形梁進行了三點彎曲測試，通過荷載-裂縫嘴張開位移（F-CMOD）曲線分析彎曲強度、殘余強度、起裂韌度、失穩(wěn)韌度、斷裂能、脆性指數(shù)等隨鋼纖維體積分數(shù)的變化特征.通過掃描電鏡（SEM）觀察HPCC的斷裂面形態(tài)，從微觀角度進一步分析HPCC的斷裂機理.

1 試驗

1.1 試驗材料和配合比

水泥采用P·Ⅱ52.5硅酸鹽水泥，性能符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》；河砂的最大直徑為2.45 mm，細度模數(shù)為2.8；聚羧酸鹽高效減水劑，固含量為50%（質(zhì)量分數(shù)）；江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的SBT-HDC超細礦物摻和料，其物理性能符合GB/T 18736—2017《高強高性能混凝土用礦物外加劑》；微直鋼纖維，長度13 mm，直徑0.2 mm，抗拉強度2 800 MPa，以體積分數(shù)（φSF）0%、1%和2%添加到HPCC基體中，對應(yīng)的試件編號為HPCC0、HPCC1和HPCC2.

HPCC的配合比見表1.將攪拌均勻的混合料澆筑在400 mm×100 mm×100 mm的模具中，在（20±2）℃且相對濕度RH＞90%的條件下養(yǎng)護24 h后脫模，于室內(nèi)自然環(huán)境下養(yǎng)護60 d，試驗前在試件非成型面中間位置切割深30 mm、寬2 mm的預(yù)制裂縫.另外，HPCC0、HPCC1和HPCC2各澆筑3個尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，標準養(yǎng)護28 d后進行抗壓試驗，測得其平均抗壓強度分別為64.8、89.8、108.8 MPa.

表1 HPCC的配合比Table 1 Mix proportion of HPCC kg/m3

1.2 三點彎曲測試

采用MTS 322閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)對試件進行三點彎曲測試.加載方式及試件幾何尺寸如圖1所示.在預(yù)制裂縫兩側(cè)各粘貼1個帶坡口的鐵片安裝夾式引伸計，用來測量裂縫嘴張開位移CMOD.試驗在CMOD控制方式下進行加載，加載速率為0.001 mm/s，能夠穩(wěn)定獲得包括下降段的F-CMOD曲線.每組測試3個試件，編號分別為S1、S2、S3.

圖1 加載方式及試件幾何尺寸Fig.1 Loading mode and geometry of specimen（size：mm）

1.3 斷裂面微觀形態(tài)分析

通過Hitachi SU 8100型掃描電鏡來觀察試件斷裂面形態(tài)，以進一步揭示HPCC的破壞機理.試件彎曲破壞后從斷裂面取樣，并用無水乙醇浸泡以消除基體水化存在的影響，在進行SEM測試前，將樣品置于真空烘箱中干燥24 h.

2 結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)

HPCC試件的破壞形態(tài)如圖2所示.由圖2可見：對于不含鋼纖維的試件HPCC0，裂紋一旦萌生很快就會擴展形成宏觀裂縫，裂縫從缺口尖端近乎沿直線擴展直達梁頂部，試件完全斷裂，斷口表面光滑，表現(xiàn)出明顯的脆性；在含鋼纖維試件的斷裂面上可以觀察到鋼纖維的拔出現(xiàn)象，當裂紋萌生后，裂紋兩側(cè)不僅存在基體間的黏聚力，還存在鋼纖維的橋接作用，即使達到峰值荷載，試件依舊保持變形和承載能力，裂縫的擴展過程較為緩慢，表現(xiàn)出明顯的塑性；相比鋼纖維體積分數(shù)為1%的試件HPCC1，鋼纖維體積分數(shù)2%的試件HPCC2裂紋表面粗糙度更大，這是因為在鋼纖維體積分數(shù)更高的情況下，裂紋表面附近隨機分布的鋼纖維更多，這些傾斜的鋼纖維形成的橋接作用更強，導(dǎo)致基體開裂路徑變得更加復(fù)雜.

圖2 HPCC試件的破壞形態(tài)Fig.2 Failure modes of HPCC specimens

2.2 F-CMOD曲線

HPCC試件的F-CMOD曲線見圖3.從圖3可以看出：加載初期不同鋼纖維體積分數(shù)下試件的F-CMOD曲線基本重合；但是在峰值荷載前后曲線形態(tài)大有不同，不摻鋼纖維試件HPCC0的加載曲線峰前部分幾乎呈線性，峰后段荷載隨著CMOD的增大迅速減小，表現(xiàn)出典型的脆性特征；而摻鋼纖維試件的峰前存在明顯的撓曲硬化行為，峰后段荷載隨CMOD增大逐漸減小，展現(xiàn)了突出的韌性.

圖3 HPCC試件的F-CMOD曲線Fig.3 F-CMOD curves of HPCC specimens

由圖3還可以看出，隨著鋼纖維體積分數(shù)的增加，峰值荷載相應(yīng)增大.帶預(yù)制裂縫HPCC梁的三點彎曲強度f由下式得出［11］：

式中：Fmax為峰值荷載；S為跨度；D、L分別為試件的高度和寬度；a0為預(yù)制裂縫深度.

圖4展示了HPCC試件彎曲強度與鋼纖維體積分數(shù)的關(guān)系.由圖4可見：HPCC試件彎曲強度隨鋼纖維體積分數(shù)增加呈近似線性增長，這是因為當微裂紋形成后，鋼纖維對裂紋兩側(cè)基體起到了橋接作用，并且隨著鋼纖維體積分數(shù)的增加，鋼纖維與基體之間的應(yīng)力減小，從而延緩了裂紋的形成與擴展，彎曲強度隨之提高.與不摻鋼纖維試件相比，試件HPCC1和HPCC2的彎曲強度增幅分別為62%、145%.

圖4 HPCC試件彎曲強度與鋼纖維體積分數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between bending strength and steel fiber content of HPCC specimens

除了更高的彎曲強度，摻鋼纖維試件較不摻鋼纖維試件還具有出色的延性，這在F-CMOD曲線上表現(xiàn)為多峰和寬峰.由圖3可見，HPCC試件雖然寬峰現(xiàn)象很顯著，但是多峰現(xiàn)象并不顯著，僅在HPCC2-S1中表現(xiàn)明顯.對此，文獻［12］指出，當纖維摻量低于臨界纖維摻量時，復(fù)合材料不存在應(yīng)變硬化和多重裂紋.

2.3 殘余強度

為進一步了解鋼纖維對試件F-CMOD曲線峰后行為的貢獻，采用EN 14651（2007）《Test method for metallic fibre concrete-measuring the flexural tensile strength（limit of proportionality（LOP），residual）》和Fib Model Code 2010《Principles，models and test validation》推薦的方法對試件殘余強度fR，i進行了評價.當CMOD值為0.5、1.5、2.5、3.5 mm時，分別計算殘余強度fR，1、fR，2、fR，3和fR，4，fR，i計算公式為：

式中：FR，i為CMOD值為0.5、1.5、2.5、3.5 mm時對應(yīng)的荷載.

不含鋼纖維試件由于峰后軟化迅速，無法根據(jù)推薦方法對殘余強度進行分析.

表2列出了試件HPCC1、HPCC2的殘余強度.由表2可見：與試件HPCC1相比，試件HPCC2的殘余強度fR，1、fR，2、fR，3和fR，4均有所提高，增幅都在27%以上，說明較高的鋼纖維體積分數(shù)會顯著提高HPCC殘余強度；但值得注意的是，隨著fR，1變化到fR，4，殘余強度的增幅從56.5%逐漸衰減到27.3%.殘余強度增幅的逐漸減小說明鋼纖維體積分數(shù)為2%的試件峰后荷載衰減更快，其峰后延展性更差，通過對比圖3中峰后軟化段的斜率也能直觀看出這點.文獻［13］對4種鋼纖維體積分數(shù)（1%、2%、3%、4%）下超高性能鋼纖維增強混凝土的彎曲行為進行了研究，同樣發(fā)現(xiàn)微直鋼纖維體積分數(shù)越高，軟化區(qū)峰值載荷越大，峰后延展性越低.需要指出的是該現(xiàn)象并不適用于所有類型的鋼纖維，文獻［14］中采用端勾型鋼纖維混凝土進行三點彎曲試驗，其峰后延展性的表現(xiàn)就截然相反.

表2 試件HPCC1、HPCC2的殘余強度Table 2 Residual strength of specimen HPCC1 and HPCC2

2.4 斷裂特征參數(shù)

2.4.1 起裂韌度和失穩(wěn)韌度

大量試驗結(jié)果表明混凝土材料的斷裂破壞特征呈準脆性，即混凝土裂縫的發(fā)展經(jīng)歷起裂、穩(wěn)定擴展和失穩(wěn)擴展3個過程.在混凝土裂縫擴展過程中，裂縫前端會萌生微裂紋并形成斷裂過程區(qū)，且斷裂過程區(qū)的發(fā)展造成混凝土F-CMOD曲線呈現(xiàn)非線性特征.考慮斷裂過程區(qū)對鋼纖維混凝土斷裂韌性的影響，基于Xu等［15］提出的雙K斷裂準則，采用DL/T 5332—2005《水工混凝土斷裂試驗規(guī)程》推薦的計算公式，計算HPCC試件的起裂韌度KQΙC和失穩(wěn)韌度KΙSC，結(jié)果見圖5.由圖5可見：HPCC起裂韌度KΙQC幾乎不受鋼纖維體積分數(shù)的影響，變化范圍在0.62～0.68 MPa·m1/2之間，這是因為在基體開裂之前的線彈性承載階段，基體間的黏聚力發(fā)揮主要作用，而鋼纖維的錨固和黏結(jié)作用尚未被激活；與不摻鋼纖維試件相比，摻鋼纖維試件的失穩(wěn)韌度KSΙC有很大提高，增幅達8倍以上，失穩(wěn)韌度的提高可能是由于鋼纖維發(fā)生了脫黏，相對于基體產(chǎn)生滑動，并通過在裂紋表面施加閉合牽引力而使基體裂紋穩(wěn)定擴展；試件HPCC1、HPCC2的失穩(wěn)韌度大致處于同一水平.Ren等［16］對6種微直鋼纖維體積分數(shù)（0%～2.5%）下的混凝土梁進行了三點彎曲試驗，得到的失穩(wěn)韌度一同列于圖5中.結(jié)合Ren等［16］的試驗結(jié)果，可以認為鋼纖維體積分數(shù)對HPCC失穩(wěn)韌度提升具有一定的限值，在1%左右，當鋼纖維體積分數(shù)繼續(xù)增加時，其對失穩(wěn)韌度的提升效果不明顯.

圖5 HPCC試件的起裂韌度和失穩(wěn)韌度Fig.5 Initial fracture toughness and unstable fracture toughness of HPCC specimens

2.4.2 斷裂能

斷裂能定義為產(chǎn)生單位斷裂表面積所需的能量，通常被認為是一種材料特性.本文基于F-CMOD曲線來計算斷裂能GF，采用的公式由JCI-S-001—2003《Method of test for fracture energy of concrete by use of notched beam》提供：

式中：W0為F-CMOD曲線下的面積；W1為試件自重和加載夾具所做的功；Alig為試件斷裂面的面積；m1為試件的質(zhì)量；m2為未附著在液壓夾具上的彎曲壓頭質(zhì)量；g為重力加速度；CMODc為試件破壞時的裂縫嘴張開位移.

需要說明的是，試驗過程中含鋼纖維的試件不會出現(xiàn)貫穿至梁頂?shù)耐耆珨嗔熏F(xiàn)象，并且夾式引伸計量程有限，因此取CMODc＝4 mm用于斷裂能的計算.HPCC試件斷裂能與鋼纖維體積分數(shù)的關(guān)系如圖6所示.由圖6可見，HPCC試件斷裂能隨著鋼纖維體積分數(shù)的增加而增加，試件HPCC2的斷裂能較試件HPCC1提高40%，而不摻鋼纖維試件的斷裂能（0.08 N/mm）和Fib Model Code 2010提出的C100普通混凝土斷裂能（0.17 N/mm）都遠遠小于摻鋼纖維試件.需要指出的是，若試驗條件允許負荷持續(xù)降為0，則鋼纖維混凝土梁的斷裂能會進一步增加.

圖6 HPCC試件斷裂能與鋼纖維體積分數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between fracture energy and steel fiber content of HPCC specimens

2.4.3 脆性指數(shù)

通常認為脆性是材料在發(fā)生重大不可逆變形之前突然斷裂的傾向，Hillerborg等［17］綜合考慮材料和結(jié)構(gòu)尺寸的影響，提出了脆性指數(shù)B的計算公式：

式中：lch為特征長度；E為彈性模量；ft為極限拉伸強度，由狗骨頭形狀的試件經(jīng)軸拉試驗測得.

表3給出了HPCC試件的脆性指數(shù)。脆性指數(shù)越高，材料脆性越高.由表3可見：摻鋼纖維能有效降低HPCC的脆性；但進一步比較鋼纖維體積分數(shù)為1%和2%的HPCC試件，發(fā)現(xiàn)較高鋼纖維體積分數(shù)對HPCC脆性的降幅很微小.

表3 HPCC試件的脆性指數(shù)Table 3 Brittleness of HPCC specimens

2.5 斷裂面微觀形態(tài)

圖7給出了HPCC試件斷裂面微觀形態(tài).圖7（a）為HPCC基體SEM圖，可以清楚地觀察到區(qū)域A是充分水化后形成的致密層，而區(qū)域B結(jié)構(gòu)較疏松，屬于典型的尚未完全水化的基質(zhì).1條微裂紋在區(qū)域A、B的交界面形成，并由此誘發(fā)了周邊多條細小的裂紋.圖7（b）是基質(zhì)致密層與疏松層交界面SEM圖，可以看到裂紋沿著薄弱面擴展的跡象.加載初期微裂紋的形成與擴展主要由基體本身的性能決定，因此HPCC起裂韌度不受鋼纖維體積分數(shù)的影響.圖7（c）顯示了鋼纖維與基體的脫黏過程，這個過程中鋼纖維的橋接作用被激活，鋼纖維與基體間發(fā)生的相對滑移不僅迫使部分附著在鋼纖維表面的薄弱基質(zhì)被攜帶出來，而且鋼纖維周圍包裹的基質(zhì)也會產(chǎn)生大量裂紋，從而引起F-CMOD曲線表現(xiàn)出典型的撓曲硬化特征.圖7（d）顯示了鋼纖維與基體的剝離，此時鋼纖維由于橋接應(yīng)力的增大被明顯拉長，大量的能量被消耗，HPCC斷裂能因此大幅提升.同時泊松效應(yīng)引起鋼纖維橫向收縮導(dǎo)致其與基體進一步脫黏，直至發(fā)生剝離，此時鋼纖維與基體間依靠滑動摩擦來抵抗外荷載，黏聚力消失，對應(yīng)F-CMOD曲線的軟化區(qū).圖7（e）顯示了鋼纖維剝離后留下的滑動軌跡，可以看到殘留的薄弱基質(zhì).值得一提的是，在SEM圖中并沒有觀察到鋼纖維斷裂的現(xiàn)象，鋼纖維失效的形式都是從基體中被拔出.

圖7 HPCC試件斷裂面微觀形態(tài)Fig.7 Micro morphology of HPCC specimen fracture surface

3 結(jié)論

（1）HPCC彎曲強度隨鋼纖維體積分數(shù)增加呈近似線性增長，更高的鋼纖維體積分數(shù)會明顯提高HPCC的殘余強度，F(xiàn)-CMOD曲線峰后延展性會隨鋼纖維體積分數(shù)增加而有所降低.

（2）HPCC起裂韌度幾乎不受鋼纖維體積分數(shù)的影響.摻鋼纖維后其失穩(wěn)韌度增幅可達8倍以上.鋼纖維體積分數(shù)對失穩(wěn)韌度的提升存在限值，約為1%.

（3）HPCC斷裂能隨著鋼纖維體積分數(shù)的增加而增加，摻鋼纖維能顯著降低HPCC材料的脆性，但鋼纖維體積分數(shù)進一步增加時，脆性的降幅很微小.

（4）HPCC加載初期微裂紋的形成與擴展主要由基體自身性能決定，鋼纖維失效經(jīng)歷了纖維與基體脫黏和剝離的過程，失效模式為鋼纖維拔出，鋼纖維并未發(fā)生斷裂.