超低溫作用對(duì)超高韌性水泥基復(fù)合材料斷裂性能的影響

錢(qián)維民, 蘇 駿, 2, *, 趙家玉, 嵇 威

（1.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院, 湖北武漢 430068；2.湖北工業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院, 湖北武漢 430068）

清潔能源的快速發(fā)展, 使得天然氣行業(yè)迎來(lái)了黃金發(fā)展期[1］.同時(shí), 液化天然氣（LNG）的儲(chǔ)蓄對(duì)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)和建造提出了更高的要求[2］.由于LNG儲(chǔ)罐復(fù)雜的建造技術(shù)和高昂的成本, 研究人員提出采用預(yù)應(yīng)力混凝土建造LNG儲(chǔ)罐[3］.混凝土結(jié)構(gòu)逐漸應(yīng)用于超低溫工作環(huán)境, 而超低溫作用會(huì)降低混凝土的性能, 縮短工程結(jié)構(gòu)的使用壽命[4］.超高韌性水泥基復(fù)合材料[5］（UHTCC）具有類似金屬材料的偽應(yīng)變硬化特征, 其宏觀極限拉應(yīng)變可達(dá)到3%以上, 極限 狀 態(tài) 下 其 平 均 裂 縫 寬 度 僅 有60 μm[6］.鑒 于UHTCC優(yōu)良的韌性及裂縫控制能力, 可將其應(yīng)用于對(duì)力學(xué)性能和控裂能力要求嚴(yán)苛的LNG儲(chǔ)罐建設(shè).

斷裂性能是表征含裂紋體在應(yīng)力作用下裂紋擴(kuò)展的重要參數(shù).徐世烺等[7-8］通過(guò)光彈性貼片法對(duì)大型緊湊拉伸試件進(jìn)行斷裂試驗(yàn), 提出了雙K斷裂準(zhǔn)則；趙艷華等[9］結(jié)合虛擬裂縫區(qū)的黏聚力分布, 提出了起裂斷裂韌度和失穩(wěn)斷裂韌度的計(jì)算表達(dá)式；張鵬等[10］和高國(guó)華等[11］研究發(fā)現(xiàn)納米SiO2能夠有效改善材料斷裂性能及抗凍性能.但是, 對(duì)于超低溫作用下的混凝土性能少有文獻(xiàn)報(bào)道.Tognon[12］和Miura[13］研究發(fā)現(xiàn), 0～120℃范圍內(nèi), 混凝土的強(qiáng)度取決于溫度和含水率, 當(dāng)溫度低于-120℃時(shí), 材料強(qiáng)度僅與初始含水率有關(guān), 與溫度無(wú)關(guān)；Browne等[14］進(jìn)行低溫下混凝土的軸拉試驗(yàn), 認(rèn)為溫度降低至-70℃時(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大；Xie等[15］研究了低溫下混凝土的軸心受壓性能, 發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低, 混凝土的強(qiáng)度和彈性模量增加, 但其峰值應(yīng)變降低, 脆性增加.Kim等[16］研究了超低溫下超高性能纖維增強(qiáng)混凝土（UHPFRC）的力學(xué)性能, 認(rèn)為摻加直形纖維可以顯著提升UHPFRC的強(qiáng)度和斷裂能, 而摻加波紋纖維的UHPFRC在低溫下表現(xiàn)出極差的能量吸收能力.盡管現(xiàn)有諸多學(xué)者已提出混凝土在低溫下強(qiáng)度的預(yù)測(cè)模型, 但含水率[17］、濕度[18］、孔隙大小以及分布[19］、孔隙水冰點(diǎn)[20-21］和低溫下冰的形態(tài)[22-23］都將影響材料的性能以及模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性.

本文設(shè)計(jì)了一批100 mm×100 mm×400 mm的預(yù)制裂縫梁式試件, 并對(duì)其進(jìn)行三點(diǎn)彎曲性能試驗(yàn), 研究纖維摻量、溫度等因素對(duì)UHTCC斷裂性能的影響, 可以為UHTCC在超低溫環(huán)境下的推廣應(yīng)用提供一定的理論支撐.

1 試驗(yàn)概況

1.1 材料和試件制備

膠凝材料采用華新牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥、武漢陽(yáng)邏電廠I級(jí)粉煤灰；細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)2.5的精細(xì)河砂；減水劑采用三聚氰胺F10聚羥酸高效減水劑, 黏合劑采用日本CC-33A型膠水；聚乙烯醇（PVA）纖維采用日本Kuraray公司生產(chǎn)的可樂(lè)綸K-Ⅱ型纖維, 其性能如表1所示.試驗(yàn)采用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm, 預(yù)制裂縫高度（a0）為40 mm的梁式UHTCC試件, 纖維摻量φ（體積分?jǐn)?shù), 下同）分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%, 處理溫度（t）分別為20、0、-40、-80、-120、-160℃.三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的考察因素及試件配合比如表2所示.

表1 PVA纖維的性能Table 1 Performance of PVA fiber

表2 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的考察因素及試件配合比Table 2 Three-point bending test factors and mix proportions of specimens

1.2 試驗(yàn)流程

將預(yù)制裂縫的梁式UHTCC試件放入湖北工業(yè)大學(xué)研發(fā)的超低溫深冷試驗(yàn)箱中進(jìn)行降溫.預(yù)先將熱電偶埋入試件內(nèi)部以監(jiān)測(cè)試件溫度.采用通入液氮的方式進(jìn)行降溫, 降溫速率為2℃/min, 試件達(dá)到設(shè)定溫度后恒溫100 min, 以確保UHTCC試件整體達(dá)到目標(biāo)溫度.降溫完成后, 將UHTCC試件取出放入保溫箱中, 等待下一步試驗(yàn).試驗(yàn)流程見(jiàn)圖1.

圖1 試驗(yàn)流程Fig.1 Test process

參考CECS13：2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 50152—2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》, 加載裝置采用MTS微機(jī)控制抗折試驗(yàn)機(jī), 通過(guò)位移控制方式進(jìn)行加載, 加載速率為0.5 mm/min；將應(yīng)變片連接電阻箱, 通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄裂縫尖端應(yīng)變（見(jiàn)圖2）.

圖2 加載示意圖Fig.2 Shematic diagram of loading

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 荷載-撓度曲線

經(jīng)過(guò)超低溫作用后, UHTCC試件表面出現(xiàn)較少的細(xì)微裂縫, 其寬度不超過(guò)0.1 mm, 未出現(xiàn)鼓起、掉角等明顯缺陷, 形態(tài)與常溫狀態(tài)下并無(wú)較大區(qū)別.隨后, 試件表面出現(xiàn)1層“白霜”.圖3為不同溫度下UHTCC試件的荷載-撓度曲線.由圖3可見(jiàn)：

圖3 不同溫度下UHTCC試件的荷載-撓度曲線Fig.3 Load-deflection curves of UHTCC specimens at different temperatures

（1）隨著荷載的增大, 試件0%PVA/C30/40在預(yù)制切口尖端部位迅速出現(xiàn)明顯裂縫并延伸直至破壞, 整個(gè)破壞過(guò)程時(shí)間極短, 同時(shí)伴隨斷裂聲.

（2）摻加PVA纖維的UHTCC試件與普通混凝土試件的破壞形態(tài)有明顯差異, 其破壞過(guò)程表現(xiàn)出明顯的3個(gè)階段：正常工作階段、裂縫擴(kuò)展階段和破壞階段.在正常工作階段中, UHTCC試件承受的荷載較小, 處于彈性階段, 此時(shí)應(yīng)力、應(yīng)變呈線性關(guān)系；隨著荷載的增大, 在預(yù)制切口尖端處出現(xiàn)裂縫, 此時(shí)試件處于裂縫擴(kuò)展階段, 基體退出工作, 纖維開(kāi)始發(fā)揮其橋聯(lián)作用, 在裂縫擴(kuò)展延伸過(guò)程中可以聽(tīng)到纖維拉斷的聲音；繼續(xù)加大荷載, 裂縫沿著主裂縫的方向繼續(xù)擴(kuò)展, 試件變形增大, 此時(shí)試件處于破壞階段, 當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值荷載時(shí), 裂縫延伸至頂部, 試件破壞, 退出工作.

圖4為不同影響因素下UHTCC試件的破壞形態(tài).由圖4可見(jiàn)：對(duì)于普通混凝土試件, 其裂縫形態(tài)表現(xiàn)出沿著垂直于試件頂面方向擴(kuò)展, 基本為整體貫穿的垂直裂縫；對(duì)于UHTCC試件, 其裂縫傾斜角度值在16°～62°之間, 裂縫延伸的長(zhǎng)度在37.1～49.8 mm之間；隨著溫度的降低, 各試件的裂縫擴(kuò)展高度均有所降低.

圖4 不同影響因素下UHTCC試件的破壞形態(tài)Fig.4 Failure modes of UHTCC specimens under different influencing factors

2.2 起裂荷載與失穩(wěn)荷載

通過(guò)三點(diǎn)抗折加載試驗(yàn), 得到不同纖維摻量下UHTCC試件的抗折強(qiáng)度以及荷載-位移曲線.本文采用史占崇等[24］提出的δ0.02%偏移優(yōu)化法來(lái)確定起裂荷載, 其中由于普通混凝土試件破壞形態(tài)為“一裂即壞”, 破壞為突然的脆性破壞, 認(rèn)為初裂荷載即為失穩(wěn)荷載.

圖5為不同影響因素下UHTCC試件的臨界張開(kāi)口位移（CMODc）與荷載.由圖5可見(jiàn)：隨著纖維摻量的增加, UHTCC試件的抗折強(qiáng)度顯著提升, 常溫狀態(tài)下當(dāng)纖維摻量達(dá)到1.5%時(shí), UHTCC試件的強(qiáng)度達(dá)到最大, 相比于0.5%纖維摻量的UHTCC試件, 其起裂荷載提升了80.54%, 失穩(wěn)荷載提升了66.92%；當(dāng)纖維摻量繼續(xù)增加至2.0%時(shí), UHTCC試件的抗折強(qiáng)度略微下降, 相對(duì)于1.5%纖維摻量的UHTCC試件, 其起裂荷載與失穩(wěn)荷載分別降低34.66%、27.60%.這主要是由于纖維的摻入有效減少了材料內(nèi)部的細(xì)微缺陷和有害孔隙, 提升了基體強(qiáng)度, 改善了UHTCC內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu), 從而顯著提升了材料的基體性能.隨著過(guò)量纖維的摻入, 纖維在材料非漿體相的比表面積下降, 降低了纖維外部漿體包裹層的均勻程度, 導(dǎo)致纖維發(fā)生結(jié)團(tuán), 削弱了纖維-基體界面效應(yīng).

圖5 不同影響因素下UHTCC試件的臨界張開(kāi)口位移與荷載Fig.5 Critical opening displacement and load of UHTCC specimens under different influencing factors

隨著溫度的降低, 普通混凝土的起裂荷載以及失穩(wěn)荷載增大, 這與Lee等[25］以及Yamana等[26］的研究結(jié)論一致.一方面是由于降溫過(guò)程中UHTCC中的物理吸附水和孔隙水變成冰, 填充了材料中的有害孔隙, 一定程度上提升了材料的密實(shí)性；另一方面由于溫度降低, 基質(zhì)分子間的化學(xué)鍵收縮, 使基體強(qiáng)度明顯提升.但纖維的摻入改變了材料內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu), 導(dǎo)致UHTCC在超低溫作用下的性能更為復(fù)雜.隨著溫度的降低, UHTCC的起裂荷載與失穩(wěn)荷載存在一定的波動(dòng), 在部分區(qū)段內(nèi)強(qiáng)度略有降低, 但整體表現(xiàn)為上升趨勢(shì).

3 超低溫對(duì)UHTCC斷裂性能的影響

3.1 斷裂能

僅通過(guò)強(qiáng)度分析并不能完全描述UHTCC的帶裂縫工作能力以及吸收能量能力.斷裂性能對(duì)評(píng)價(jià)材料的安全性具有重大意義, 能有效描述材料對(duì)于裂縫的控制能力大小.基于雙K斷裂模型, 通過(guò)三點(diǎn)彎曲切口梁斷裂試驗(yàn)測(cè)定UHTCC的斷裂韌度K以及斷裂能GF.

斷裂能表征材料在外界荷載作用下其裂縫擴(kuò)散所消耗的能量.通過(guò)對(duì)預(yù)制切口梁式構(gòu)件三點(diǎn)彎曲測(cè)試中采集數(shù)據(jù)的荷載-撓度曲線進(jìn)行計(jì)算（見(jiàn)式（1））.

式中：b為試件截面高度, m；h為試件寬度, m；δmax為跨中最大撓度值, m；g為重力加速度, 取值9.8 m/s2；S為加載試件跨度, m；m為試件跨度范圍內(nèi)的質(zhì)量, kg.

同時(shí)可采用特征長(zhǎng)度Lch來(lái)評(píng)價(jià)材料經(jīng)超低溫作用后的脆性程度, 特征長(zhǎng)度的值越小, 材料的脆性越明顯.其計(jì)算式為：

式中：E為彈性模量, GPa；ft為抗拉強(qiáng)度, MPa.

3.2 等效裂縫長(zhǎng)度

混凝土材料為一種準(zhǔn)脆性材料, 在斷裂過(guò)程中存在斷裂過(guò)程區(qū)以及一定大小的亞臨界擴(kuò)展長(zhǎng)度.當(dāng)荷載達(dá)到失穩(wěn)荷載Pmax時(shí), 結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)破壞, 此時(shí)裂縫長(zhǎng)度達(dá)到混凝土不可恢復(fù)變形后的臨界有效裂縫長(zhǎng)度ac.依據(jù)彈性等效原理, 失穩(wěn)破壞時(shí)對(duì)應(yīng)臨界等效裂縫長(zhǎng)度ac可以看作初始裂縫長(zhǎng)度a0與非線性斷裂過(guò)程區(qū)等效裂縫長(zhǎng)度Δa之和, 則有：

Guinea等[27］提出一般三點(diǎn)彎曲梁的應(yīng)力強(qiáng)度因子、柔度以及裂縫張開(kāi)口的規(guī)律并提供計(jì)算方法, 等效裂縫長(zhǎng)度α計(jì)算公式如下：

式中γ通過(guò)下式計(jì)算：

同時(shí)有：

其 中α=ac/b；β=S/b, 根 據(jù) 試 驗(yàn) 測(cè) 試Pmax以 及CMODc值, 可求得各試件的Δa或ac值.

3.3 UHTCC斷裂參數(shù)

參考雙K斷裂模型, 采用起裂斷裂韌度KIicni和失穩(wěn)斷裂韌度KIucn來(lái)描述UHTCC在超低溫作用下的裂縫擴(kuò)展過(guò)程, 認(rèn)為：當(dāng)K=KIicni時(shí), 裂縫開(kāi)始擴(kuò)展；當(dāng)KIicni＜K＜KIucn時(shí), 裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展；當(dāng)K＞KIucn時(shí), 裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展.

對(duì)于任意的α和β≥2.5的一般三點(diǎn)彎曲梁, 參考雙K斷裂模型, 將起裂荷載Pini以及破壞荷載Pmax代入公式計(jì)算起裂斷裂韌度以及失穩(wěn)斷裂韌度, 其計(jì)算參考Guinea推薦的裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算表達(dá)式（7）, 由此可得到超低溫作用下的UHTCC斷裂韌度, 以此來(lái)評(píng)價(jià)材料的阻裂能力.

其中p3（α）、p4（α）計(jì)算公式如下：

當(dāng)裂縫達(dá)到臨界等效裂縫長(zhǎng)度ac時(shí), 材料處于彈塑性受力狀態(tài), 此時(shí)失穩(wěn)斷裂韌度計(jì)算公式如下：

4 參數(shù)分析

4.1 不同影響因素對(duì)特征長(zhǎng)度的影響

由于材料斷裂能不能完全體現(xiàn)材料抵抗變形的能力, 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)采用延性指數(shù)（Du）來(lái)衡量材料抵抗變形的能力,Du越大, 表示材料抵抗變形的能力越強(qiáng), 韌性越優(yōu).其計(jì)算式如下：

圖6為不同溫度下UHTCC試件的延性指數(shù)與特征長(zhǎng)度.由圖6可見(jiàn)：

（1）在一定范圍內(nèi)增加纖維摻量, UHTCC的延性指數(shù)有顯著提升, 常溫狀態(tài)下, 當(dāng)纖維摻量為1.5%時(shí), UHTCC延性指數(shù)達(dá)到最大, 其延性指數(shù)相對(duì)0.5%纖維摻量UHTCC提升182.45%, 繼續(xù)增大纖維摻量至2.0%, 其延性指數(shù)降低20.14%；當(dāng)纖維摻量低于2.0%, 溫度由常溫降低至0℃時(shí), UHTCC的延性指數(shù)顯著降低, 主要是由于低溫作用下, 材料內(nèi)部水發(fā)生變化, 同時(shí)材料內(nèi)部孔隙水的冰點(diǎn)與孔隙大小及孔隙中鹽溶液濃度密切相關(guān), 現(xiàn)有研究成果表明：隨著孔隙尺寸的減小, 孔隙內(nèi)水的冰點(diǎn)降低, 當(dāng)溫度降低至-2℃左右時(shí), 直徑50 nm的孔隙水將凍結(jié), 當(dāng)溫度降低至-7℃左右時(shí), 直徑10 nm的孔隙水將凍結(jié), 孔徑小于3 nm內(nèi)的孔隙水在-160℃下不會(huì)凍結(jié)；當(dāng)溫度降低至0℃左右時(shí), UHTCC內(nèi)大部分大孔徑孔隙已被冰體填充, UHTCC的延性顯著下降, 繼續(xù)降低溫度, UHTCC較小孔隙內(nèi)的孔隙水開(kāi)始凍結(jié), 但并未對(duì)其延性指數(shù)產(chǎn)生較大的影響.

（2）除了纖維摻量為2.0%的UHTCC試件, 其余試件的延性指數(shù)整體趨勢(shì)都表現(xiàn)出隨溫度的降低而降低.這主要是由于隨溫度降低, 毛細(xì)孔以及膠凝孔內(nèi)水向冰的狀態(tài)過(guò)渡, 一方面提升了UHTCC的密實(shí)性, 材料的強(qiáng)度有顯著提升, 另一方面, 水變成冰后的體積膨脹會(huì)引起一定的膨脹力, 材料內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力重分布, 在一些細(xì)微裂縫的尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象, 加速細(xì)微裂縫形成系列缺陷, 導(dǎo)致材料脆性增大.同時(shí), 隨著溫度的降低, 孔隙中冰的填充造成的膨脹力以及低溫引起的基體收縮在材料內(nèi)引起一定的內(nèi)應(yīng)力, 對(duì)于纖維摻量為2.0%的UHTCC試件, 由于基體內(nèi)摻入過(guò)多纖維, 纖維的抱團(tuán)現(xiàn)象使UHTCC基體內(nèi)部的初始缺陷明顯增多, 纖維-基體界面效應(yīng)削弱, 導(dǎo)致部分溫度下延性系數(shù)、特征長(zhǎng)度離散性增大.

（3）隨著纖維摻量的增大, UHTCC的特征長(zhǎng)度有顯著提升.在常溫狀態(tài)下, 當(dāng)纖維摻量達(dá)到1.5%時(shí), 其特征長(zhǎng)度達(dá)到普通混凝土的50倍左右, 而繼續(xù)增大纖維摻量到2.0%, UHTCC的特征長(zhǎng)度并沒(méi)有進(jìn)一步的提升, 相對(duì)于1.5%摻量UHTCC反而降低了約8.33%；隨著溫度的降低, 除了纖維摻量為2.0%的UHTCC試件, 其余試件的特征長(zhǎng)度整體出現(xiàn)降低趨勢(shì), 原因是纖維的摻入會(huì)引入纖維-基體界面過(guò)渡區(qū), 而界面區(qū)相對(duì)于基體具有高水灰比、高孔隙率、氫氧化鈣（CH）定向排列等特點(diǎn), 纖維-基體界面區(qū)作為復(fù)合材料的薄弱層, 過(guò)多的纖維摻入對(duì)于UHTCC的纖維-基體界面具有明顯削弱效果, 隨著溫度的降低, 內(nèi)部膨脹力以及基體、纖維收縮導(dǎo)致材料內(nèi)應(yīng)力分布不均勻, 其特征長(zhǎng)度表現(xiàn)出一定的離散性.

4.2 不同影響因素對(duì)等效裂縫長(zhǎng)度的影響

圖7為不同因素下UHTCC試件的等效裂縫長(zhǎng)度.由圖7可見(jiàn), 經(jīng)超低溫作用后, 各試件的等效裂縫長(zhǎng)度均表現(xiàn)出同一趨勢(shì), 隨著溫度的降低, 各試件的等效裂縫長(zhǎng)度均變小, 其中纖維摻量0%試件的等效裂縫長(zhǎng)度受溫度影響最為明顯, 當(dāng)溫度由常溫降低至-160℃時(shí), 其等效裂縫長(zhǎng)度降低了31.63%.

圖7 不同影響因素下UHTCC試件的等效裂縫長(zhǎng)度Fig.7 Equivalent crack length of UHTCC specimens under different influencing factors

4.3 不同影響因素對(duì)斷裂韌度的影響

圖8為UHTCC試件起裂斷裂韌度、失穩(wěn)斷裂韌度與溫度的關(guān)系.由圖8可見(jiàn)：

圖8 UHTCC試件的起裂斷裂韌度、失穩(wěn)斷裂韌度與溫度的關(guān)系Fig.8 Relationship between cracking fracture toughness, destabilization fracture toughness of UHTCC specimens and temperature

（1）由于普通混凝土試件加載過(guò)程中表現(xiàn)出明顯脆性, 因此僅計(jì)算其失穩(wěn)斷裂韌度；試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示隨著溫度的降低, 各試驗(yàn)組起裂斷裂韌度均隨著溫度的降低而提升, 由于經(jīng)超低溫作用后, UHTCC試件的抗折強(qiáng)度明顯提升, 此時(shí)裂縫并未開(kāi)始擴(kuò)展, 對(duì)于起裂斷裂韌度計(jì)算只將初始裂縫代入計(jì)算, 因此超低溫作用下UHTCC試件的起裂斷裂韌度主要由起裂荷載控制, 隨著溫度的降低, UHTCC試件的起裂荷載顯著增加, UHTCC試件的起裂斷裂韌度隨著溫度的降低有顯著提升, 當(dāng)溫度由常溫降低至-160℃時(shí), 起裂斷裂韌度最大可提升136.82%.

（2）隨著纖維摻量的增加, UHTCC試件的失穩(wěn)斷裂韌度明顯提升, 常溫狀態(tài)下1.5%纖維摻量試驗(yàn)組其失穩(wěn)斷裂韌度相對(duì)普通混凝土提升了62.78%, 增大纖維摻量至2.0%, 其失穩(wěn)斷裂韌度并未進(jìn)一步提升, 反而有所下降, 其失穩(wěn)斷裂韌度相對(duì)于1.5%纖維摻量降低了20.34%.經(jīng)超低溫作用, 纖維摻量低于2.0%的UHTCC試件失穩(wěn)斷裂韌度均表現(xiàn)出隨著溫度的降低而略微降低, 其中1.5%纖維摻量UHTCC試件的失穩(wěn)斷裂韌度下降最為顯著, 當(dāng)溫度由常溫降低至-160℃時(shí), 其失穩(wěn)斷裂韌度降低13.21%, 而2.0%纖維摻量UHTCC試件的失穩(wěn)斷裂韌度在溫度降低至-120℃時(shí)略微增加.當(dāng)荷載作用于UHTCC試件時(shí), 荷載首先作用于彈性模量較低的基體材料, 再通過(guò)纖維-基體界面將應(yīng)力傳遞給彈性模量較高的纖維, 通過(guò)纖維橋聯(lián)效應(yīng)對(duì)基體變形進(jìn)行約束.對(duì)于短纖維復(fù)合材料, 由于短纖維的不連續(xù)性, 在短纖維端部處的應(yīng)力分布對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能起到至關(guān)重要的影響；纖維的摻入對(duì)基體具有正負(fù)效應(yīng), 一方面可以改善基體性能, 另一方面也會(huì)在基體中引入部分缺陷, 尤其是在纖維端部, 當(dāng)纖維摻量超出最優(yōu)摻量后纖維外部漿體包裹層的均勻程度降低, 同時(shí)PVA纖維表面親水性降低, 導(dǎo)致UHTCC拌和時(shí)的稠度降低, 材料內(nèi)部初始缺陷增大, 加劇材料內(nèi)應(yīng)力分布不均勻.經(jīng)超低溫作用后, UHTCC試件的起裂斷裂韌度提升顯著, 而失穩(wěn)斷裂韌度雖表現(xiàn)出一定下降趨勢(shì), 但變化較小, 導(dǎo)致UHTCC試件的裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)間（KiniIc＜K＜KunIc）減小, 裂縫擴(kuò)展穩(wěn)定性減弱, 加速進(jìn)入裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展階段.

UHTCC在低溫環(huán)境下強(qiáng)度顯著增加, 主要由于毛細(xì)孔隙中的水轉(zhuǎn)化成冰, 對(duì)外部荷載作用產(chǎn)生一定的額外阻力；然而, 材料性能同時(shí)會(huì)發(fā)生一定的劣化, 當(dāng)孔隙水凍結(jié)時(shí), 會(huì)在材料中引起臨界應(yīng)力、裂紋和殘余應(yīng)變, 導(dǎo)致材料表現(xiàn)出明顯的脆性；而復(fù)合材料在低溫下的性能不同于常溫下的性能, 包括其力學(xué)性能以及失效行為, 隨著環(huán)境溫度的降低, 聚合物基體將變得更加致密且易碎, UHTCC的整體剛度和強(qiáng)度會(huì)發(fā)生顯著變化；同時(shí)在常溫環(huán)境下, 纖維起到連接基體和傳遞應(yīng)力作用, 材料失效一般發(fā)生在纖維、纖維-基體界面上, 纖維斷裂、纖維拔出以及界面脫粘是材料主要失效模式；在超低溫作用下, 由于材料韌性降低及基體脆化, 此時(shí)復(fù)合材料的主要失效模式轉(zhuǎn)變?yōu)榛w斷裂.

4.4 超低溫與斷裂韌度損失率的關(guān)系

經(jīng)超低溫作用后, UHTCC的抗拉強(qiáng)度雖有一定的提升, 但材料的脆性明顯, 失穩(wěn)斷裂韌度顯著降低.現(xiàn)有研究成果表明：隨著溫度的降低, 材料內(nèi)部的水向冰過(guò)渡, 填補(bǔ)了材料內(nèi)部的一些較大孔隙, 提升了材料的密實(shí)性；但隨著溫度的繼續(xù)降低, 材料內(nèi)的毛細(xì)孔隙水開(kāi)始向冰的狀態(tài)過(guò)渡, 因體積膨脹引起一定的內(nèi)應(yīng)力, 導(dǎo)致材料內(nèi)的缺陷加速演變?yōu)橄盗屑?xì)微有害孔洞.說(shuō)明隨著環(huán)境溫度的降低, UHTCC受到的損傷逐漸嚴(yán)重.因此隨著溫度的降低, 材料內(nèi)部出現(xiàn)較多的細(xì)微缺陷, 降低了基體與纖維間的黏結(jié)效應(yīng), 導(dǎo)致UHTCC更易開(kāi)裂且脆性增大, 表現(xiàn)為宏觀數(shù)值如延性指數(shù)、特征長(zhǎng)度以及失穩(wěn)斷裂韌度的顯著降低.

為分析UHTCC內(nèi)部的劣化程度, 采用材料的基本力學(xué)性能來(lái)表征其損傷劣化規(guī)律.定義超低溫作用下UHTCC的損傷因子（R（t））為：

式中：f（t）是溫度t下UHTCC的力學(xué)性能 參 數(shù)；f0是20℃下UHTCC的力學(xué)性能參數(shù).本次計(jì)算采用UHTCC的失穩(wěn)斷裂韌度作為其力學(xué)性能參數(shù).

通過(guò)式（11）計(jì)算了UHTCC的損傷因子.經(jīng)過(guò)超低溫作用, 2.0%纖維摻量UHTCC的試驗(yàn)結(jié)果有一定的離散性, 計(jì)算損傷因子中舍去結(jié)果小于0的數(shù)據(jù)點(diǎn).圖9為UHTCC損傷因子與溫度的關(guān)系.由圖9可見(jiàn), UHTCC試件的損傷因子均隨著溫度的降低而增大.采用失穩(wěn)斷裂韌度來(lái)近似預(yù)測(cè)UHTCC斷裂韌度的損失程度與溫度的關(guān)系, 結(jié)果具有良好的相關(guān)性.

圖9 UHTCC損傷因子與溫度的關(guān)系Fig.9 Relationship between damage factor of UHTCC and temperature

5 結(jié)論

（1）隨著纖維的摻入, 常溫下超高韌性水泥基復(fù)合材料（UHTCC）的抗折強(qiáng)度顯著提升, 在纖維摻量為1.5%時(shí)達(dá)到最大, 當(dāng)纖維摻量超過(guò)1.5%后略有降低.隨著溫度的降低, UHTCC的抗折強(qiáng)度均表現(xiàn)出升高趨勢(shì), 其中1.5%纖維摻量UHTCC抗折強(qiáng)度的提升最為顯著；當(dāng)溫度由常溫降低至-160℃時(shí), UHTCC的起裂荷載提升了125.15%, 失穩(wěn)荷載提升了64.46%.

（2）隨著溫度的降低, 不同纖維摻量UHTCC的裂縫張開(kāi)口位移以及等效裂縫長(zhǎng)度均有不同程度的降低.

（3）隨著纖維摻量的增加, UHTCC的延性指數(shù)具有顯著提升, 在常溫狀態(tài)下1.5%纖維摻量UHTCC的延性指數(shù)最大, 相對(duì)于普通混凝土提升了約20倍；隨著溫度的降低, UHTCC的延性指數(shù)和特征長(zhǎng)度均降低.

（4）UHTCC的起裂斷裂韌度隨著纖維摻量的增加而增大.當(dāng)纖維摻量達(dá)到1.5%時(shí), UHTCC的起裂斷裂韌度最大；隨著溫度的降低, UHTCC的起裂斷裂韌度有增大趨勢(shì), 失穩(wěn)斷裂韌度表現(xiàn)出相反的趨勢(shì).當(dāng)纖維摻量為1.5%時(shí), UHTCC的斷裂性能達(dá)到最佳.

（5）隨著溫度的降低, UHTCC的損傷因子均隨著溫度的降低而增大, 隨著纖維摻量的增加而減小, 其中普通混凝土的性能劣化現(xiàn)象最為明顯.