基于DIC的工程水泥基復(fù)合材料彎曲損傷分析

閆清峰 張紀(jì)剛,2 張 敏 趙 迪 楊 冉

(1青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院, 青島 266520)(2山東省高等學(xué)校藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心, 青島 266033)

工程水泥基復(fù)合材料(ECC)是由Li等[1-2]基于斷裂力學(xué)和微觀力學(xué)設(shè)計(jì)而得,其力學(xué)性能可以通過改變其材料成分進(jìn)行定制,其極限強(qiáng)度明顯大于初裂強(qiáng)度,同時拉伸應(yīng)變能力高達(dá)3%～8%,是普通混凝土的300～800倍[3-5].ECC在拉伸荷載作用下具有多縫開裂和應(yīng)變硬化行為,同時具有較好的裂縫寬度控制能力,裂縫寬度一般控制在100 μm以下[6-9],使材料具有良好的耐久性,可用于海洋等侵蝕環(huán)境中.許多學(xué)者對ECC在不同養(yǎng)護(hù)齡期、養(yǎng)護(hù)環(huán)境、纖維類型及粉煤灰摻量下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究[10-16],分析了不同影響因素對ECC力學(xué)性能的影響機(jī)理,為ECC的推廣運(yùn)用提供了一定的理論支持.

目前關(guān)于粉煤灰摻量對ECC彎曲損傷和開裂特征影響的研究較少,本文通過DIC技術(shù)對不同粉煤灰摻量下ECC的彎曲性能和損傷特征進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn)了ECC彎曲加載過程中試樣全場應(yīng)變的可視化,同時提出利用開裂面積比、分形維數(shù)及裂縫寬度分別表征ECC的損傷程度及開裂參數(shù),為以后ECC用于實(shí)際工程提供一定的借鑒.

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)材料包括P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥、Ⅰ級粉煤灰和粒徑小于0.2 mm的石英砂；纖維采用日產(chǎn)PVA纖維,材料性能參數(shù)見表1.纖維按照體積分?jǐn)?shù)2%摻加到材料中.水為實(shí)驗(yàn)室用水.為了使纖維能夠達(dá)到隨機(jī)均勻分布,采用聚羧酸高效減水劑(SP)改善材料的流動性.

表1 PVA纖維的材料性能

1.2 配合比

粉煤灰和水泥總用量為1 200 kg/m3,其中粉煤灰質(zhì)量分別為水泥質(zhì)量的1.2、1.5和2.0倍,并將對應(yīng)的試件分別命名為E1.2、E1.5和E2.0,其配合比見表2.此外，利用高效減水劑改善混合物的流動性,便于纖維均勻分散,不同材料中減水劑具體用量如表2所示.

表2 ECC材料配合比 kg/m3

1.3 試樣制備

首先,將水泥、粉煤灰和石英砂低速干拌2 min;然后加入水和高效減水劑混合液低速拌和4 min,隨即緩慢加入PVA纖維,低速拌和1 min后再高速拌和2 min;為了便于纖維均勻分散在漿體中,最后再低速拌和1 min.拌和結(jié)束后澆筑振搗,試樣成型24 h后拆模,并將試樣放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期.

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 直接拉伸試驗(yàn)

啞鈴形試樣用于研究ECC試樣的直接拉伸性能[17].利用日本島津生產(chǎn)的萬能試驗(yàn)機(jī)以0.1 mm/min加載速率對試件持續(xù)加載,直到試樣失效才停止加載,加載過程中利用試樣兩側(cè)的LVDT進(jìn)行位移采集.

1.4.2 壓縮試驗(yàn)

根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢測方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999),利用棱長為70.7 mm的立方體進(jìn)行ECC抗壓試驗(yàn),在300 kN抗折-抗壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗壓試驗(yàn),加載過程采用力控制,控制加載率為2.4 kN/s,得到不同粉煤灰摻量下ECC的抗壓性能.

1.4.3 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

利用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試樣進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),同樣利用日本島津生產(chǎn)的萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),加載過程采用位移控制,控制加載速率為0.1 mm/min,直到試樣失效.

1.4.4 DIC測量

利用工業(yè)相機(jī)對試樣三點(diǎn)彎曲加載過程進(jìn)行拍攝記錄.利用黑白啞光漆對ECC試樣表面噴射隨機(jī)、均勻分布的散斑[18-19].試驗(yàn)開始前,利用工業(yè)相機(jī)拍攝一張圖片作為分析的參考圖片,然后開啟試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)過程中相機(jī)采集速率設(shè)定為1幀/s,在進(jìn)行DIC分析前,利用標(biāo)定軟件對圖片進(jìn)行標(biāo)定,然后利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)對拍攝照片進(jìn)行相關(guān)分析,得到加載過程中試樣表面全場應(yīng)變演化及裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)展形式.

2 結(jié)果與分析

2.1 直接拉伸性能

根據(jù)直接拉伸試驗(yàn)獲得的荷載-位移曲線,分析得到不同粉煤灰摻量ECC的拉伸性能參數(shù).E1.2、E1.5和E2.0的初裂荷載分別為1.639、1.643、1.499 kN,峰值荷載分別為2.411、2.300、2.001 kN,而3種ECC的彈性模量分別為13.59、13.91、10.77 GPa.可看出,隨著粉煤灰摻量的增加,ECC的峰值拉伸荷載逐漸降低,這是由于在本試驗(yàn)所有ECC材料中,粉煤灰和水泥的總量相同,在水膠比不變的情況下,當(dāng)粉煤灰摻量增加時會導(dǎo)致水泥摻量減少,使得材料中水與水泥的比值增加,進(jìn)而造成材料強(qiáng)度降低.

2.2 抗壓性能

表3給出了不同粉煤灰摻量下砂漿和ECC的壓縮試驗(yàn)結(jié)果.可看出,隨著粉煤灰摻量的增加,材料的抗壓強(qiáng)度逐漸降低,當(dāng)粉煤灰與水泥質(zhì)量比從1.2增加到1.5和2.0時,抗壓強(qiáng)度分別降低1.48%和20.52%,即隨著粉煤灰摻量的增加,抗壓強(qiáng)度的降低幅度逐漸增大.這是由于僅有小部分粉煤灰在早期發(fā)生水化,大部分粉煤灰在材料內(nèi)部只起填充作用,因此ECC早期抗壓強(qiáng)度主要由水泥的水化產(chǎn)物提供,但隨著粉煤灰摻量的增加,單位體積內(nèi)水泥用量減少,導(dǎo)致材料水灰比增加,進(jìn)而使材料抗壓強(qiáng)度降低.

表3 不同ECC的抗壓強(qiáng)度

2.3 三點(diǎn)彎曲性能

2.3.1 強(qiáng)度-位移曲線

為了研究粉煤灰摻量對ECC抗折性能的影響,本文利用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)得到不同粉煤灰摻量下ECC彎曲強(qiáng)度-位移曲線以及斷裂能和彎曲韌性結(jié)果,如圖1和表4所示.其中，斷裂能為峰值彎曲強(qiáng)度曲線下的面積,彎曲韌性為峰值位移與開裂位移的比值.從圖1(a)可以看出,強(qiáng)度-位移曲線均出現(xiàn)應(yīng)力波動,即所有試樣均表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特點(diǎn),且隨著粉煤灰摻量的增加,應(yīng)力波動增多.文獻(xiàn)[14,16]指出,隨著粉煤灰摻量增加,材料強(qiáng)度逐漸降低,同時材料初裂強(qiáng)度主要與水泥基材料基體有關(guān).但在本研究中隨著粉煤灰摻量的增加,ECC初裂和峰值強(qiáng)度先增加后減小,這說明粉煤灰和纖維對材料彎曲性能均存在影響,故材料的初裂強(qiáng)度不僅與基體強(qiáng)度有關(guān),而且與纖維也存在一定關(guān)系.從圖1(b)可以看出,E1.5試樣的初裂彎曲強(qiáng)度分別為E1.2和E2.0試樣的1.07倍和1.22倍,同時初裂強(qiáng)度與撓度變化趨勢相同,但峰值位移隨著粉煤灰摻量的增加而不斷增大,E1.2、E1.5和E2.0試樣的峰值位移分別為0.505、0.849、0.900 mm,表明粉煤灰能夠較好地改善材料的變形性能.

(a) 彎曲強(qiáng)度-位移曲線

從表4可以看出,隨著粉煤灰摻量的增加,ECC的斷裂能和彎曲韌性增加,E1.2試樣的斷裂能為2.54 kJ,E1.5和E2.0試樣的斷裂能為E1.2試樣的2.17倍和2.44倍,說明隨著粉煤灰摻量的增加,試樣的耗能能力增加.E1.2試樣的彎曲韌性為1.146,

表4 斷裂能和彎曲韌性

而E1.5和E2.0試樣的彎曲韌性分別為1.68和2.394,與E1.2相比增幅分別為43.11%和108.9%,且隨著粉煤灰摻量的增加,增幅明顯增大,表明試樣抵抗變形的能力隨著粉煤灰摻量的增加而增強(qiáng).

2.3.2 水平應(yīng)變云圖

為了直觀地表征試樣在彎曲荷載作用過程中水平應(yīng)變εx的變化情況,本文利用DIC技術(shù)對試樣整個彎曲加載過程的應(yīng)變變化情況進(jìn)行分析,結(jié)果如圖2所示.圖中σ為試樣所受應(yīng)力,紅色區(qū)域表示正向應(yīng)變,紫色區(qū)域表示負(fù)向應(yīng)變.從圖2可以看出,對于相同粉煤灰摻量的試樣,其正應(yīng)變隨著強(qiáng)度的增加而增大,同時在強(qiáng)度較小時,試樣表面橙色和紫色區(qū)域面積較?。浑S著強(qiáng)度的增加,試樣表面黃綠色區(qū)域逐漸擴(kuò)展,同時橙色區(qū)域的應(yīng)變值增加.分析認(rèn)為,由于試樣內(nèi)部存在一些微缺陷(微裂紋、微孔隙等),在彎曲荷載作用下,微缺陷區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中,進(jìn)而導(dǎo)致微缺陷位置處應(yīng)變較大,隨著荷載的繼續(xù)增加,微缺陷逐漸演化為微裂紋.在強(qiáng)度為8.2 MPa時,試樣表面出現(xiàn)明顯的應(yīng)變集中,而在其他區(qū)域應(yīng)變變化較小,當(dāng)試樣失效時,裂紋位置處的散斑出現(xiàn)破壞,同時其周邊的云圖顏色較為單一,這是由于荷載主要用于裂縫的形成和擴(kuò)展,使得試樣表面應(yīng)力得到釋放,進(jìn)而使其他位置的應(yīng)變較小.

(a) σ=(3.28±0.2) MPa

比較彎曲荷載作用下不同粉煤灰摻量ECC的應(yīng)變演化,可知在彎曲荷載作用下試樣彎曲水平應(yīng)變云圖發(fā)展規(guī)律大體相近,均表現(xiàn)為如下過程：不同顏色區(qū)域相間分布→紫、橙色區(qū)域逐漸擴(kuò)展→應(yīng)變集中形成豎向裂紋區(qū)域→裂縫區(qū)域逐漸明顯→峰值應(yīng)變區(qū)域→散斑破壞形成宏觀裂縫.

2.3.3 豎向應(yīng)變云圖

圖3給出了不同粉煤灰摻量下ECC在彎曲荷載作用下試樣豎向應(yīng)變εy的云圖演化過程.由圖可見,3種試件在加載初期應(yīng)變云圖形式相近,試樣中部應(yīng)變云圖為黃綠相間,應(yīng)變較小,而試樣上下兩端面應(yīng)變云圖為紫、橙相間,應(yīng)變相對較大；隨著強(qiáng)度的增加,試樣中間位置黃綠色區(qū)域顏色不斷加深,同時上下端面的紫橙色區(qū)域逐漸擴(kuò)展,表明隨著強(qiáng)度的增加,試樣端面應(yīng)變不斷增加；而在試樣上端面的紫色區(qū)域要明顯大于下端面的紫色區(qū)域,這主要是由于試樣上端面處于受壓狀態(tài),此時試樣下端面處于受拉狀態(tài),故兩端面紫色和橙色區(qū)域面積明顯不同.

(a) σ=(3.28±0.2) MPa

2.3.4 開裂形式

從試樣開裂至失效過程選擇15張圖片,利用標(biāo)記軟件測量裂縫開口位置處的裂縫寬度,得到試樣在不同荷載作用下裂縫寬度變化情況，如圖4(a)所示.從圖中可以看出,隨著荷載的增加,裂縫寬度逐漸增加,但不同試樣裂縫寬度增加速率不同,其中E1.5試樣的裂縫寬度增加最快,這主要是由于其峰值荷載高于其他試樣,進(jìn)而導(dǎo)致試樣開裂速度較快.

(a) 裂縫寬度

為了更加直觀地表征不同粉煤灰摻量下ECC彎曲失效時試樣的開裂形態(tài),本文利用Image-J和MATLAB軟件對試樣裂縫形式進(jìn)行提取和處理,得到試樣的失效開裂形式如圖4(b)所示.從圖中可以看出,試樣主要為單裂縫破壞形式,表現(xiàn)出明顯的剪切破壞；并且在E2.0試樣中,裂縫貫穿整個試樣,且在上端面出現(xiàn)多條微裂紋.

2.3.5 損傷表征

相關(guān)研究表明分形維數(shù)能夠評價幾何圖形的分形特征,可用于表征幾何圖形局部與整體的相似程度[20-21].分形維數(shù)是由Mandelhrot等[22]在研究鐵的斷裂表面時提出的一種表征幾何不規(guī)則圖形的量化參數(shù),同時其也逐漸運(yùn)用于混凝土領(lǐng)域,主要用于表征混凝土斷裂面和微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征、鋼筋混凝土抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)等[23-25].因此本文利用分形維數(shù)表征試樣失效后裂縫開展形式.利用Image J軟件對試樣失效時的圖片進(jìn)行處理,得到試樣失效時的裂縫形式(見圖4(b)),并將圖片導(dǎo)入MATLAB軟件中計(jì)算開裂面積比和分形維數(shù),結(jié)果如表5所示.

表5 開裂面積比和分形維數(shù)

從表5可以看出,隨著粉煤灰的增加,試樣的開裂面積比和分形維數(shù)逐漸增加,表明失效試樣表面損傷面積和試樣裂紋面的粗糙度逐漸越大,說明分形維數(shù)可以定量描述裂紋的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)；同時,ECC試樣在彎曲荷載下產(chǎn)生的裂縫具有統(tǒng)計(jì)意義上的自相似特性,試樣表面裂縫具有明顯的分形特征,因此ECC表面裂縫的分布特征可以利用分形維數(shù)進(jìn)行定量描述.

2.4 微觀觀測

為了得到破壞試樣中纖維的失效模式和表觀形貌,彎曲試驗(yàn)后在試件的斷裂面取塊狀試樣,然后利用SEM表征.圖5給出了E2.0試樣失效時其內(nèi)部纖維失效模式和表觀形態(tài).從圖中可以看出,纖維失效模式大多為拔出破壞,且纖維端部較為平整,在纖維表面存在部分纖維屑.這主要是由于纖維在拔出過程中,與基質(zhì)之間的摩擦力較大造成的,同時纖維表面附著部分水泥基質(zhì),增加了纖維拔出過程中纖維與基質(zhì)的摩擦力和材料的強(qiáng)度,從而增加了纖維發(fā)生斷裂的可能.

(a) 纖維拔出形式

3 結(jié)論

1) 隨著粉煤灰摻量的增加,ECC的拉伸峰值荷載、抗壓強(qiáng)度逐漸降低,而彎曲初裂強(qiáng)度和峰值強(qiáng)度先增加后降低,但整體呈下降趨勢,表明粉煤灰摻量對ECC材料強(qiáng)度發(fā)展不利.

2) 在彎曲荷載作用下,隨著粉煤灰摻量的增加,材料的峰值位移、斷裂能和彎曲韌性逐漸增加,表明粉煤灰摻量的增加能夠有效地改善材料的變形性能.

3) 利用DIC技術(shù)可得到ECC彎曲加載過程中水平和豎向應(yīng)變演化過程,結(jié)果表明應(yīng)變云圖能夠直觀反應(yīng)ECC試樣在彎曲加載過程中其表面不同位置的應(yīng)變變化以及裂縫產(chǎn)生、擴(kuò)展和貫通過程.

4) 通過比較不同粉煤灰摻量下ECC的裂縫寬度、開裂面積比和分形維數(shù)得到,隨著粉煤灰摻量的增加,材料最大裂縫寬度先增加后減小,而開裂面積比逐漸增加.這表明粉煤灰摻量不僅對材料的承載能力存在影響,且對材料的破壞形態(tài)也存在一定的影響.