BF-SHCC動態(tài)拉伸性能試驗(yàn)研究

郭龍 徐名鳳 周健 田穩(wěn)苓 張學(xué)杰 崔健

摘要 為探討玄武巖纖維高延性水泥基復(fù)合材料（Basalt Fiber Strain-Hardening Cementitious Composites， BF-SHCC）動態(tài)拉伸性能，自行研發(fā)設(shè)計(jì)了適用于BF-SHCC高速拉伸試驗(yàn)的試件尺寸和連接方式，并采用高速拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高速拉伸試驗(yàn)；采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對BF-SHCC進(jìn)行了低速拉伸試驗(yàn)；研究分析了4種應(yīng)變率下BF-SHCC動態(tài)拉伸性能。結(jié)果表明：BF-SHCC在4種應(yīng)變率下，均表現(xiàn)出應(yīng)變硬化現(xiàn)象，試件在低速拉伸試驗(yàn)條件下均表現(xiàn)出多縫開裂現(xiàn)象，在高速拉伸試驗(yàn)條件下，表現(xiàn)為單縫開裂破環(huán)；BF-SHCC的初裂強(qiáng)度和極限強(qiáng)度均隨應(yīng)變率的增加而增大，初裂強(qiáng)度的應(yīng)變率敏感性高于極限強(qiáng)度的應(yīng)變率敏感性；在低速拉伸試驗(yàn)條件下，BF-SHCC的極限延伸率和峰值韌性，隨應(yīng)變率的增加而降低，在高速拉伸試驗(yàn)條件下，BF-SHCC的極限延伸率和峰值韌性有明顯提高。

關(guān) 鍵 詞 高延性水泥基復(fù)合材料；玄武巖纖維；高速拉伸試驗(yàn)；應(yīng)變率；動態(tài)拉伸性能

中圖分類號 TU528.572? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Study on dynamic tensile properties of BF-SHCC

GUO Long1， XU Mingfeng1， ZHOU Jian1， TIAN Wenling1， ZHANG Xuejie2， CUI Jian2

（1. School of Civil Engineering and Transportation， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China; 2. School of Civil Engineering， Tianjin University， Tianjin 300072， China）

Abstract In order to investigate the dynamic tensile properties of BF-SHCC， the size and connection method of the test pieces suitable for the high-speed tensile test of BF-SHCC were independently developed， and a high-speed tensile tester was used in the high-speed tensile test. BF-SHCC was subjected to the low-speed tensile test; the dynamic tensile properties of BF-SHCC under four strain rates were analyzed. The results show that BF-SHCC exhibits strain hardening at four strain rates， and under low-speed tensile testing conditions， the specimen appears multi-slit cracking， and under high-speed tensile test conditions， it appears as a single-slit cracking ; the initial crack strength and ultimate strength of the material increase with the increase of the strain rate， and the strain rate sensitivity of the initial crack strength is higher than the strain rate sensitivity of the ultimate strength; under low-speed tensile test conditions， the ultimate elongation and peak toughness of the material decrease with the increase of the strain rate. Under high-speed tensile test condition， the ultimate elongation and peak toughness of the material has greatly improved.

Key words strain-hardening cementitious composites; basalt fiber; high speed tensile test; strain rate; dynamic tensile properties

0 引言

高延性水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementious Composites或Strain Harding Cementious Composites，以下簡稱為SHCC）是以微觀力學(xué)模型為理論基礎(chǔ)對短纖維水泥基復(fù)合材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過合理控制材料微觀力學(xué)參數(shù)，使其具有多縫開裂和應(yīng)變硬化特性，在拉伸荷載作用下呈現(xiàn)高延展性的一種纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料[1-2]。研究發(fā)現(xiàn)，SHCC抗沖擊性能明顯優(yōu)于普通混凝土和纖維混凝土[3-4]，是一種很有潛力的抗沖擊材料。材料在沖擊荷載作用下經(jīng)常受拉，而且沖擊荷載作用時間較短，材料變形快，應(yīng)變率高于材料在靜態(tài)荷載作用下的應(yīng)變率，研究不同應(yīng)變率下SHCC的拉伸性能對于材料抗沖擊性能的研究具有重要意義。

研究[5-12]表明，應(yīng)變率在10-6 s-1[～]10-1 s-1之間，隨著應(yīng)變率的增加，SHCC的初裂強(qiáng)度和極限強(qiáng)度均在增加，表現(xiàn)出應(yīng)變率敏感性，而極限延伸率隨應(yīng)變率的增大而減少，但也有研究人員發(fā)現(xiàn)極限延伸率隨應(yīng)變率的增加變化不大。目前僅查閱到Mechtcherine等[7]使用高速拉伸試驗(yàn)機(jī)，研究了PVA-ECC在應(yīng)變率10 s-1、25 s-1和50 s-1下的拉伸性能，研究發(fā)現(xiàn)隨應(yīng)變率的增加，材料的極限強(qiáng)度和極限延伸率均有提高。目前SHCC高速拉伸試驗(yàn)研究較少，試驗(yàn)方法和原理并不成熟，高速拉伸試驗(yàn)條件下SHCC試件是否處于動態(tài)應(yīng)力平衡狀態(tài)鮮有分析。

本文在河北工業(yè)大學(xué)科研人員采用玄武巖纖維和鋁酸鹽水泥配制出具有高延展性的玄武巖纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料BF-SHCC[13]的基礎(chǔ)上，借鑒金屬和聚合物高速拉伸試驗(yàn)，探究使用高速拉伸試驗(yàn)機(jī)研究BF-SHCC在高速拉伸試驗(yàn)條件下的拉伸性能，分析試件是否處于動態(tài)應(yīng)力平衡狀態(tài)，同時采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)研究材料在低速拉伸試驗(yàn)條件下的拉伸性能；分析BF-SHCC在不同應(yīng)變率下的拉伸性能，為BF-SHCC抗沖擊性能的研究打下基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料與BF-SHCC拌合

1.1.1 原材料與配合比

試驗(yàn)采用CA-50-Ⅱ型鋁酸鹽水泥，I級F類粉煤灰和硅灰為基體原材料；減水劑為粉末狀聚羧酸類減水劑；玄武巖纖維（BF）由山西晉投玄武巖開發(fā)有限公司生產(chǎn)，性能參數(shù)如表1所示。BF-SHCC的配合比如表2所示，水固比（w/s）為0.2。

1.1.2 BF-SHCC拌合

按比例稱量原材料，將干粉和減水劑混合均勻；將拌合水和干粉與減水劑的混合物先后加入攪拌鍋中，低速攪拌60 s；之后停拌30 s，將鍋壁和攪拌葉上的膠砂刮入鍋中；繼續(xù)高速攪拌120 s；低速攪拌60 s，將玄武巖纖維均勻加入攪拌鍋中；之后高速攪拌60 s；然后停拌30 s，將鍋壁和攪拌葉上的膠砂刮入鍋中；最后高速攪拌60 s，BF-SHCC制備完成。

1.2 低速軸向拉伸試驗(yàn)

1.2.1 試件制備

低速拉伸試驗(yàn)試件尺寸參照《高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)方法》（JC/T2461-2018）[14]，試件抗拉標(biāo)距長度為80 mm，寬度為30 mm，厚度為13 mm，試件尺寸如圖1所示。將拌合均勻的BF-SHCC到入試模中，試件成型后，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)帶模養(yǎng)護(hù)24 h。脫模后，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)27 d，取出試件靜置一天，準(zhǔn)備試驗(yàn)。

1.2.2 試驗(yàn)方法

BF-SHCC低速軸向拉伸試驗(yàn)參照文獻(xiàn) [14]，在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，如圖2，加載方式為位移加載，加載速度分別為0.2 mm/min、4 mm/min 和80 mm/min（對應(yīng)BF-SHCC的應(yīng)變率分別為4[×]10-5 s-1、8×10-4 s-1 和1×10-2 s-1），載荷數(shù)據(jù)通過試驗(yàn)機(jī)上部的傳感器獲得，試件的變形信息通過試件表面安裝的引伸計(jì)讀取。

1.3 高速軸向拉伸試驗(yàn)

1.3.1 高速拉伸試驗(yàn)機(jī)加載裝置與方法

采用高速拉伸試驗(yàn)機(jī)VHS160/100-20進(jìn)行高速拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)和試件安裝位置示意圖[15]見圖3，底座上的夾頭夾緊試件的一端，試件的另一端穿過跟作動器連接在一起的移動夾頭，移動夾頭可隨作動器一起加速，待加載到設(shè)定速度后，瞬間夾緊試件，進(jìn)行設(shè)定拉伸速度下的拉伸試驗(yàn)。

1.3.2 數(shù)據(jù)采集

載荷數(shù)據(jù)采集：試驗(yàn)載荷數(shù)據(jù)通過與試驗(yàn)機(jī)底部夾頭相連接的載荷傳感器測得，數(shù)據(jù)采樣頻率為16 260 Hz。

變形信息采集：試驗(yàn)采用數(shù)字相關(guān)圖像技術(shù)（DIC）采集試件標(biāo)矩段變形信號，試驗(yàn)前在試件標(biāo)距段噴涂散斑，高速攝像機(jī)實(shí)時采集目標(biāo)區(qū)域變形階段的散斑圖像，使用Gom軟件分析變形信息。高速攝像機(jī)拍攝參數(shù)：采樣幀頻為6×104 Hz，分辨率為192×352。

1.3.3 試件尺寸及連接方式設(shè)計(jì)

為避免尺寸效應(yīng)的影響，高速拉伸試驗(yàn)試件的橫截面尺寸仍為13 mm×30 mm；參考文獻(xiàn)[7，14，16-17]，擬定本試驗(yàn)名義應(yīng)變率[ε ]= 40 s-1，試件標(biāo)距段長度L = 50 mm，試驗(yàn)機(jī)拉伸速度[νl? ]= 2 m/s，圓弧過渡段半徑R = 25 mm。

試件厚度大于高速拉伸試驗(yàn)機(jī)最大夾持厚度，試件與夾頭之間需要通過連接片連接，連接形式會對應(yīng)力波的傳播造成影響[16，18]，借鑒Smerd等[19]的試件連接方法，采用螺栓連接試件和連接片，并將螺桿預(yù)埋在試件非標(biāo)距段里，螺栓孔附近應(yīng)力不均勻，結(jié)合圣維南原理，擬定試件非標(biāo)距段尺寸為80 mm×60 mm×13 mm，試件尺寸如圖4所示。

為提高拉伸波在夾持段的傳播速度，增加夾持段與圓弧過渡段界面的波阻抗比，使試件標(biāo)距段內(nèi)盡快達(dá)到動態(tài)應(yīng)力平衡狀態(tài)[20]，防止試件在夾持段破壞，在夾持段粘結(jié)輕質(zhì)高強(qiáng)鋁合金薄片。

1.3.4 試件制備

將攪拌均勻的BF-SHCC倒入預(yù)埋有螺桿的試模中，試件成型后，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)帶模養(yǎng)護(hù)24 h。脫模后，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)27 d，取出試件靜置1 d，打磨試件表面使其平整，使用粘鋼膠在試件夾持段粘結(jié)輕質(zhì)高強(qiáng)鋁合金薄片，加工好的高速拉伸試件見圖5。

1.3.5 試驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)

將連接片和試件組合起來，具體方法為：調(diào)節(jié)每個連接片左右兩側(cè)的螺母的位置，使中間連接片的縱向軸線和試件縱向軸線重合，同時使試件左右兩側(cè)的連接片關(guān)于試件縱向軸線對稱，且相距較近；試件和連接片的組合件如圖6所示，在試件標(biāo)距段噴涂散斑，將組合件安裝在高速拉伸試驗(yàn)機(jī)上，以2 m/s的拉伸速度拉伸試件，直到試件破壞，如圖7，試驗(yàn)過程中使用高速攝像機(jī)采集試件標(biāo)距段變形信息。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 低速拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 破壞形態(tài)

不同應(yīng)變率下，BF-SHCC試件的典型破壞形式如圖8所示，從圖中可以看出，在低速拉伸試驗(yàn)條件下，BF-SHCC試件均表現(xiàn)出多縫開裂的現(xiàn)象，結(jié)合表3可知，應(yīng)變率在4×10-5 s-1、 8×10-4 s-1 和1×10-2 s-1 時，平均裂縫數(shù)目依次為78、79和74，平均裂縫寬度依次為6.67 μm、6.18 μm和5.95 μm，隨著應(yīng)變率的增加，裂縫數(shù)目變化不大，有減少的趨勢，裂縫寬度減?。谎芯縖11-12]發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)變率的增加，材料的微觀力學(xué)參數(shù)表現(xiàn)出應(yīng)變率敏感性。隨著應(yīng)變率的增加，玄武巖纖維與基體的粘結(jié)強(qiáng)度可能增加，造成裂縫寬度的減少。

2.1.2 低速拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

BF-SHCC在不同應(yīng)變率下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖9所示，從圖中可以看出，不同應(yīng)變率下BF-SHCC拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有一定的相似性，均表現(xiàn)出應(yīng)變硬化現(xiàn)象；隨著應(yīng)變率的提高，拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線線性段越來越陡峭，初裂抗拉強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度均增加，極限延伸率稍有降低。

表3中應(yīng)變率均為名義應(yīng)變率，其值為試驗(yàn)機(jī)拉伸速度與試件標(biāo)距段長度的比值；初裂抗拉強(qiáng)度[σfc]為拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線上拐點(diǎn)處的應(yīng)力值；極限抗拉強(qiáng)度[σult]為拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線上最大應(yīng)力值；極限延伸率為與極限抗拉強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變值；裂縫數(shù)目為標(biāo)距段裂縫數(shù)目；平均裂縫寬度為極限延伸率和試件標(biāo)距段長度的乘積與裂縫數(shù)目的比值。

2.2 高速拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 破壞形態(tài)

BF-SHCC試件高速拉伸破壞后，采用顯微鏡觀察試件的表面，僅發(fā)現(xiàn)一條破壞裂縫，沒有出現(xiàn)多縫開裂現(xiàn)象，試件破壞形式如圖10所示，與Mechtcherine[7]關(guān)于PVA-SHCC高速拉伸試驗(yàn)試件破壞形式相似。BF-SHCC試件在高速拉伸試驗(yàn)條件下單縫開裂的原因可能是隨著應(yīng)變率的提高，裂縫延伸的速度增加，留給試件多縫開裂的時間減少，試件單縫開裂破壞的可能性增加；另一方面，在高速拉伸試驗(yàn)條件下，試件內(nèi)存在拉伸應(yīng)力波，當(dāng)試件出現(xiàn)裂縫后，裂縫處截面的波阻抗比降低，拉伸波會在該截面處反射成壓縮波，也不利于試件多縫開裂。

2.2.2 高速拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

BF-SHCC在高速拉伸試驗(yàn)條件下，應(yīng)變率為40 s-1時的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖11所示，從圖中可以看出，材料在高速拉伸試驗(yàn)條件下也表現(xiàn)出應(yīng)變硬化現(xiàn)象；相較于低速拉伸試驗(yàn)，BF-SHCC的初裂抗拉強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度和極限延伸率均有所增加。

表4中材料初裂抗拉強(qiáng)度[σfc]為拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線上第一次開始下降時的應(yīng)力值，其他數(shù)據(jù)代表的意義與表3相同。

2.2.3 高速拉伸試驗(yàn)條件下試件應(yīng)力狀態(tài)分析

高速拉伸試驗(yàn)機(jī)在加緊試件的過程中，加載鏈內(nèi)會產(chǎn)生應(yīng)力脈沖，由應(yīng)力波理論可知應(yīng)力波會在加載鏈內(nèi)傳播，在不同的波阻抗界面進(jìn)行反射和透射，應(yīng)力波的傳播會帶動試件質(zhì)點(diǎn)的振動；借鑒文獻(xiàn)[16，21-24]研究高速拉伸試驗(yàn)條件下試件是否處于動態(tài)應(yīng)力平衡狀態(tài)的方法，分析本試驗(yàn)試件動態(tài)應(yīng)力狀態(tài)。

設(shè)試件夾持段之間距離為L，應(yīng)力波在試件內(nèi)部的傳播速度為v，試驗(yàn)機(jī)拉伸速度為[vl]，材料從開始受拉到屈服，應(yīng)力波在試件內(nèi)來回傳播的次數(shù)為n；材料從開始受拉到彈性段結(jié)束，應(yīng)力波在試件內(nèi)來回傳遞的次數(shù)為[n1]；材料從進(jìn)入彈塑性階段到屈服，應(yīng)力波在試件內(nèi)來回傳遞的次數(shù)為[n2]，[n=n1+n2]；研究[24]表明n ≥ 3，試件才能達(dá)到動態(tài)應(yīng)力平衡狀態(tài)。

彈性應(yīng)力波在試件內(nèi)部的傳播速度

應(yīng)力波在試件內(nèi)部來回傳遞一次需要的時間

材料在彈性階段，應(yīng)力波在試件內(nèi)部來回傳遞[n1]次所用的時間約等于材料從開始受拉到彈性段結(jié)束的時間，即

[n1·t≈（ε·L）/vl 。]

整理得

將公式（1）帶入公式（3）可得

式中，ρ、E和ε分別是BF-SHCC的密度和對應(yīng)拉伸速度下，BF-SHCC彈性階段的彈性模量和最大應(yīng)變。

由[vl]= 2 m/s時BF-SHCC的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可得，E = 65.46 GPa ， ε = 0.01%；使用體積為V = 40 mm×40 mm×160 mm = 56 000 mm3的試模成型試件并稱其質(zhì)量，試件平均質(zhì)量m = 523.41 g，密度ρ =[mV]= 2.04 g/cm3。

將數(shù)據(jù)帶入公式（4）得到，[n1≈0.14]；材料在彈性階段的彈性模量最大，根據(jù)公式（1）可知應(yīng)力波在材料彈性段的傳播速度最大，結(jié)合從試驗(yàn)機(jī)載荷數(shù)據(jù)中提取的試件拉伸應(yīng)力時程圖，如圖12，可知材料在彈性段（對應(yīng)于拉伸應(yīng)力時程曲線初始上升段）的時間（[te≈1 400]μs）占試件從開始受拉到屈服的時間[（ty≈2 700 μs）]的一半以上，故[n=n1+n2<2n1≈][0.28<3]，試件沒有達(dá)到動態(tài)應(yīng)力平衡狀態(tài)。

高速拉伸試驗(yàn)條件下，試件沒有像在霍普金森拉桿試驗(yàn)當(dāng)中一樣達(dá)到動態(tài)應(yīng)力平衡狀態(tài)，原因可能是在高速拉伸試驗(yàn)過程中，一方面試件內(nèi)有應(yīng)力波傳播，另一方面試驗(yàn)機(jī)夾頭施加給試件不斷增大的拉力，導(dǎo)致BF-SHCC從開始受拉到屈服的時間的減少，應(yīng)力波在試件內(nèi)來回傳遞的次數(shù)減少，試件達(dá)不到動態(tài)應(yīng)力平衡狀態(tài)。

3 討論

3.1 應(yīng)變速率對BF-SHCC強(qiáng)度的影響

3.1.1 初裂抗拉強(qiáng)度

從圖13中可以看出，隨著應(yīng)變率的增加，BF-SHCC的初裂抗拉強(qiáng)度[σfc]在增加，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率效應(yīng)；以應(yīng)變率為4×10-5 s-1時BF-SHCC的初裂抗拉強(qiáng)度為靜態(tài)初裂抗拉強(qiáng)度，由表3和表4可得，當(dāng)應(yīng)變率為8×10-4 s-1 、1×10-2 s-1 和40 s-1時，BF-SHCC的初裂抗拉強(qiáng)度分別增加了5.57%、13.92%和125.06%。

為了更有效的分析BF-SHCC初裂抗拉強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)，采用動態(tài)初裂抗拉強(qiáng)度增長因子[DIFfc]（Dynamic frist crack strength increase factor）來反映BF-SHCC材料動態(tài)初裂抗拉強(qiáng)度的增幅程度，定義[DIFfc]為各應(yīng)變率下初裂抗拉強(qiáng)度與靜態(tài)拉伸應(yīng)變率（4×10-5 s-1）下初裂抗拉強(qiáng)度的比值，圖14給出了DIFfc與應(yīng)變率常用對數(shù)的變化規(guī)律。從圖中可以看出[DIFfc]隨著應(yīng)變率的常用對數(shù)的增加而增大，應(yīng)變率敏感性明顯。

隨著應(yīng)變率的增加，BF-SHCC在初裂時內(nèi)部微裂縫來不及充分?jǐn)U展，導(dǎo)致試件并不是在最薄弱處開裂，應(yīng)變率越高，試件不在最薄弱處開裂就越明顯，試件在高速拉伸試驗(yàn)條件下一直處于非動態(tài)應(yīng)力平衡狀態(tài)，更會加劇試件不在最薄弱處開裂，此外，隨著應(yīng)變率的增強(qiáng)，BF-SHCC基體的斷裂韌性以及纖維和基體的界面粘結(jié)強(qiáng)度可能在增加，這都將導(dǎo)致材料初裂抗拉強(qiáng)度的提高。

3.1.2 極限抗拉強(qiáng)度

從圖13中可以看出，隨著應(yīng)變率的增加，BF-SHCC的極限抗拉強(qiáng)度[σult]增加，應(yīng)變率效應(yīng)明顯；結(jié)合表3和表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)，相對于BF-SHCC的靜態(tài)極限抗拉強(qiáng)度，當(dāng)應(yīng)變率為8×10-4 s-1 、1×10-2 s-1 和40 s-1時，BF-SHCC的極限抗拉強(qiáng)度分別增加了1.82%、5.95%和85.95%。

采用動態(tài)極限抗拉強(qiáng)度增長因子[DIFult]（Dynamic Ultimate strength increase factor）來反映BF-SHCC材料動態(tài)極限抗拉強(qiáng)度的增幅程度，[DIFult]為各應(yīng)變率下極限抗拉強(qiáng)度與靜態(tài)拉伸應(yīng)變率下極限抗拉強(qiáng)度的比值，從圖14中可以看出[DIFult]隨著應(yīng)變率的常用對數(shù)的增加而增大，應(yīng)變率敏感性明顯。

從圖13和圖14中可以發(fā)現(xiàn)BF-SHCC的極限抗拉強(qiáng)度一直大于初裂抗拉強(qiáng)度但BF-SHCC初裂抗拉強(qiáng)度的應(yīng)變率敏感性高于極限抗拉強(qiáng)度的應(yīng)變率敏感性，這使得BF-SHCC極限抗拉強(qiáng)度和初裂抗拉強(qiáng)度的比值隨應(yīng)變率的增長不斷減小。

研究[25]表明，隨著應(yīng)變率的提高，試件在更高強(qiáng)度區(qū)域內(nèi)破壞的可能性變大。隨著應(yīng)變率的提高，裂縫延伸的速度也會提高，試件不在最薄弱面破壞的可能性變大，在高速拉伸試驗(yàn)條件下，試件一直處于非動態(tài)應(yīng)力平衡狀態(tài)，試件不在最薄弱處破壞的幾率更大，此外，隨著應(yīng)變率的提高，玄武巖纖維和基體的粘結(jié)強(qiáng)度以及玄武巖纖維的強(qiáng)度可能增強(qiáng)，這些都將造成BF-SHCC極限抗拉強(qiáng)度的增加。

3.2 應(yīng)變速率對BF-SHCC變形特性的影響

3.2.1 極限延伸率

從圖15中可以看出，BF-SHCC在低應(yīng)變率下，隨應(yīng)變率的增加，極限延伸率降低，但當(dāng)應(yīng)變率為40 s-1時，極限延伸率有明顯增加，應(yīng)變率效應(yīng)明顯；由表3和表4可得，在靜態(tài)拉伸時BF-SHCC的極限延伸率為0.65%，應(yīng)變率為8×10-4 s-1和1×10-2 s-1時，極限延伸率分別降低了6.15%和15.38%；而應(yīng)變率為40 s-1時BF-SHCC的極限延伸率增加了16.92%，這與Mechtcherine等[7]研究PVA-ECC的高速拉伸試驗(yàn)結(jié)果和Silva等[18]研究劍麻纖維（sisal fiber）增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的高速拉伸試驗(yàn)結(jié)果相似。

低速拉伸試驗(yàn)條件下，隨應(yīng)變率的增加，試件裂縫數(shù)目變化不大而裂縫寬度減少使得BF-SHCC極限延伸率降低。

應(yīng)變率為40 s-1時BF-SHCC極限延伸率的增加，可能跟高速拉伸試驗(yàn)條件下，試件內(nèi)應(yīng)力波的傳播有關(guān)，試件開裂后，開裂處截面的波阻抗比降低，試件內(nèi)的拉伸應(yīng)力波在開裂截面處反射為壓縮波，試件開裂處上下截面的相對位移變大，而高速拉伸試驗(yàn)測得的極限延伸率和低速拉伸試驗(yàn)一樣，是試件標(biāo)距段的平均極限延伸率，開裂處局部極限延伸率的增大，導(dǎo)致試件標(biāo)距段平均極限延伸率增加，BF-SHCC極限延伸率增加。

3.2.2 峰值韌性

韌性是材料在荷載作用下具有的變形能力，是材料強(qiáng)度和變形的綜合性能指標(biāo)[26]，定義應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段所包圍的面積為峰值韌性，并用它的大小作為評價指標(biāo)[12]，反映材料的吸能能力；從圖16可以看出，BF-SHCC在低應(yīng)變率下，隨應(yīng)變率的增加，峰值韌性在降低，但當(dāng)應(yīng)變率為40 s-1時，峰值韌性有明顯增加，BF-SHCC峰值韌性隨應(yīng)變率的變化規(guī)律與極限延伸率的變化規(guī)律相似，應(yīng)變率效應(yīng)明顯；結(jié)合表3和表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在低速拉伸試驗(yàn)條件下，相比靜態(tài)拉伸條件下BF-SHCC的峰值韌性32.88 kJ/m3，應(yīng)變率為8×10-4 s-1和1×10-2 s-1 時，BF-SHCC的峰值韌性分別下降了6.57%和9.95%，這種現(xiàn)象和試件在低速拉伸試驗(yàn)條件下，應(yīng)力增加，而應(yīng)變減少有關(guān)；在高速拉伸試驗(yàn)條件下，BF-SHCC的峰值韌性相比靜態(tài)峰值韌性提高了134.55%，與Mechtcherine等[7]和Silva等[18]的試驗(yàn)結(jié)果相似，這與BF-SHCC在應(yīng)變率為40 s-1時，應(yīng)力和應(yīng)變都增大有關(guān)，也和試件在高速拉伸試驗(yàn)條件下更容易在強(qiáng)度更高處破壞有關(guān)，試件在強(qiáng)度更高處開裂破壞意味著試件吸收的能量更多，BF-SHCC峰值韌性增加。

4 結(jié)論

1）BF-SHCC在低速拉伸試驗(yàn)條件下（應(yīng)變率為4×10-5 s-1、8×10-4 s-1 和1×10-2 s-1 時）均表現(xiàn)出應(yīng)變硬化和多縫開裂現(xiàn)象，在高速拉伸試驗(yàn)條件下（應(yīng)變率為40 s-1時），表現(xiàn)為單縫開裂現(xiàn)象。

2）BF-SHCC在動態(tài)拉伸試驗(yàn)條件下表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率效應(yīng)；隨著應(yīng)變率的增大，BF-SHCC的初裂抗拉強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度均增大，初裂抗拉強(qiáng)度的應(yīng)變率敏感性高于極限抗拉強(qiáng)度的應(yīng)變率敏感性。

3）在低速拉伸試驗(yàn)條件下（應(yīng)變率為4×10-5 s-1、8×10-4 s-1 和1×10-2 s-1 時），BF-SHCC的極限延伸率和峰值韌性隨著應(yīng)變率的增大而減小，在高速拉伸試驗(yàn)條件下（應(yīng)變率為40 s-1時），BF-SHCC的極限延伸率和峰值韌性均有明顯提高。

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