混雜纖維增強延性水泥基復合材料力學性能與裂寬控制

王振波， 張 君， 王 慶

(1.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院， 北京100083； 2.清華大學 土木工程系， 北京100084；3.清華大學 結構安全與耐久教育部重點實驗室， 北京 100084)

高延性低干縮纖維增強水泥基復合材料(LSECC)是為克服水泥基材料的脆性、解決傳統高延性纖維增強復合材料(ECC)收縮開裂問題而發展起來的新型土木工程材料[1-3].LSECC的極限拉應變可達30000×10-6以上，28d干縮低至200×10-6～400× 10-6[3]，與普通混凝土相當.目前，LSECC已被應用于鋼箱梁橋面鋪裝、高速公路橋路面板伸縮縫、建筑外墻保溫等眾多工程領域[4-6]，然而其抗壓強度只相當于C20～C40普通混凝土，強度偏低，且耐磨性、抗滲性也較差，在應用中易開裂，難以確保耐久性.因此，LSECC并不適用于高強度、高延性要求的工程結構.

不同強度等級LSECC的拉伸試驗[3]表明，LSECC的高強度與高延性不匹配問題比較突出.在LSECC中摻入體積分數為2.0%左右的聚乙烯醇(PVA)纖維后，受力破壞時，高強基材中的纖維斷裂比例高，難以有效發揮橋接作用.如果同時混雜摻入鋼纖維，將有望改善LSECC的力學性能.Lawler等[7]采用微細鋼纖維與PVA纖維混雜，控制纖維總體積分數為2.5%，結果顯示，混雜纖維體系的抗彎強度隨鋼纖維摻量的增加逐漸提高，即鋼纖維主要提高了材料的強度，而PVA纖維主要提高了材料的變形能力.Wang等[8]將鋼纖維與PVA纖維在水泥基材中等比例混雜，纖維總體積分數為1.0%，結果表明，混雜纖維體系可實現拉伸應變硬化和多點開裂，在強度和延性方面均優于單摻纖維體系，其裂紋寬度小于100μm，抗滲性較單摻體系顯著提升.然而，混雜纖維增強延性水泥基復合材料的研究往往忽略基材強度因素，并且多采用抗彎、抗剪等簡單試驗方法，能夠直接獲得材料拉伸力學參數和開裂形態的軸拉試驗較少被采用.另外，混雜纖維中各種纖維的貢獻程度也不夠明確.

本文選取細短鋼纖維，將其摻入LSECC體系(PVA纖維體積分數φ(PVA)為1.7%)中，試驗研究不同強度混雜PVA/鋼纖維增強延性水泥基復合材料的軸拉、抗壓性能，分析基材強度和鋼纖維摻量對其力學性能及裂紋寬度的影響，以期獲得高強度、高延性、低裂紋寬度的水泥基復合材料.

1 試驗

1.1 原材料與配合比

水泥為自行研發的復合水泥；砂為秦皇島石英砂廠生產的精制石英砂，粒徑75～150μm(200～100目)；纖維分別為日本Kuraray公司生產的PVA纖維和鞍山昌宏公司生產的鋼纖維(ST)，2種纖維的相關性能見表1；減水劑為江蘇博特新材料公司生產的高效聚羧酸減水劑；緩凝劑為一水檸檬酸；水為自來水.

基材采用自行研發的低干縮材料，其配合比及28d抗壓強度如表2所示.試驗中通過調整外加劑摻量來控制新拌漿體的和易性.混雜體系中PVA纖維摻量固定為1.7%，鋼纖維摻量(φ(ST)，體積分數)為0%，0.3%，0.6%和1.0%.

表1 PVA纖維和鋼纖維的相關性能

表2 基材配合比及28d抗壓強度

1.2 試驗方法

軸拉試件為200mm×100mm×20mm薄板，每組6個試件，在標準條件((20±2) ℃，相對濕度>95%)下養護至27d取出，再在室溫環境下放置2h， 使表面水分散失.然后在試件表面粘貼鋁片，以加固試件端頭，防止其在引伸計標距之外產生裂紋.鋁片粘貼完成后將試件放置6h，以確保粘膠完全硬化.抗壓試件為70.7mm×70.7mm×70.7mm立方體，每組3個試件，在標準條件下養護至28d取出，再在室溫環境下放置2h后進行力學性能試驗.

軸拉及抗壓試驗均在MTS 810材料試驗機上進行，采用位移控制模式加載，加載速率為0.15mm/min. 試件應變通過夾持在兩側的引伸計測量，引伸計標距為50mm，試驗裝置分別如圖1，2所示.加載過程中，計算機自動采集時間、荷載和應變，采集頻率為2次/s.

2 軸拉性能

試件的開裂強度σfc,t，開裂應變εfc，彈性模量Et，抗拉強度σt和極限拉應變εt的確定方法詳見文獻[3].試件的典型軸拉應力-應變曲線如圖3所示.試件的力學性能見表3.

圖1 軸拉試驗裝置Fig.1 Experimental setup of uniaxial tensile test(size:mm)

圖2 抗壓試驗裝置Fig.2 Experimental setup of compressive test

圖3 試件的典型軸拉應力-應變曲線Fig.3 Typical uniaxial tensile stress-strain curves of specimens

Matrixφ(PVA)/%φ(ST)/%σfc,t/MPaεfc/%σt/MPaεt/%Et/GPaM0.251.70 2.540.0103.881.2525.761.70.33.350.0124.311.8427.581.70.63.160.0114.411.6728.651.71.03.580.0134.581.0428.53M0.551.70 0.960.0072.313.0613.231.70.31.170.0092.303.4113.541.70.61.160.0092.752.5314.271.71.01.510.0102.761.6314.47

在混雜體系中，鋼纖維摻量相對較小(0%～1.0%)，因此試件的軸拉應力-應變曲線形狀受PVA纖維控制.隨著鋼纖維摻量的增加，試件的開裂強度逐漸提高，同時，其軸拉應力-應變曲線中的應變硬化段趨于光滑，這主要是鋼纖維協同PVA纖維在裂紋間更好地發揮了橋接作用所致[9].試件的抗拉強度隨鋼纖維摻量的變化規律與開裂強度類似.此外，鋼纖維對試件的增強程度明顯受水膠比影響.由圖3可見，鋼纖維對高強系列(M0.25)試件軸拉應力-應變曲線的影響較大，而對低強系列(M0.55)試件軸拉應力-應變曲線的影響較小.

圖4為鋼纖維摻量對試件抗拉強度和極限拉應變的影響.由圖4(a)可見，試件的抗拉強度隨鋼纖維摻量的增加逐漸提高.鋼纖維摻量為0.3%，0.6%和1.0%時，M0.25系列試件的抗拉強度較單摻纖維體系分別提高了0.43，0.53和0.70MPa，M0.55系列試件的抗拉強度較單摻體系分別變化了-0.01，0.44和0.45MPa，即鋼纖維對高強基材的增強程度明顯大于低強基材.由圖4(b)可見，當鋼纖維摻量不超過0.6%時，試件的極限拉應變隨鋼纖維摻量的增加呈上升趨勢，但是，當其摻量較大時，會對試件的極限拉應變造成負面影響.在PVA纖維摻量為1.7%時，提高試件極限拉應變的最優鋼纖維摻量為0.3%～0.6%.

3 裂紋寬度控制

纖維增強水泥基復合材料在拉伸極限狀態下的裂紋間距和裂紋寬度是評價其延性和耐久性的重要指標.本文采用式(1)來計算軸拉試件達到極限抗拉強度時的平均裂紋間距Sa(mm).

Sa=L0/N

(1)

式中：L0為試件開裂區域在平行于加載方向上的長度(mm)，在本試驗中，試件的開裂區域為引伸計的標距范圍，即L0=50mm；N為L0范圍內試件表面的裂紋數量.

圖4 鋼纖維摻量對試件抗拉強度和極限拉應變的影響Fig.4 Effect of steel fiber content on tensile strength and ultimat tensile strain of composites

在軸拉試件中，平均裂紋寬度wa(mm)可通過剔除極限拉應變中的基材彈性應變獲得，即wa可通過式(2)進行估算.

wa=(εt-σt/Et)L0/N

(2)

根據式(2)計算得到2個強度系列試件的平均裂紋間距和平均裂紋寬度，如圖5所示.

由圖5可見，當水膠比由0.55降至0.25時，試件的平均裂紋間距顯著增大，平均裂紋寬度減小.這說明基材強度仍是控制材料開裂形態的重要因素.M0.25系列試件的平均裂紋間距受鋼纖維摻量的影響較為顯著，當其摻量為0.3%時，試件的平均裂紋間距由6.8mm降至4.0mm，降幅約41%，當其摻量超過0.6%后，試件的平均裂紋間距有“反彈”增加趨勢.降低試件裂紋間距、提高其延性的最優鋼纖維摻量為0.3%～0.6%.M0.55系列試件的平均裂紋間距受鋼纖維摻量影響并不明顯.平均裂紋間距隨鋼纖維摻量的變化規律與極限拉應變的變化規律密切相關，因為材料延性在本質上是多條裂紋累加的結果，裂紋間距越小(裂紋數量越多)材料延性越大.由此可見，裂紋間距(裂紋數量)是衡量延性的間接指標.

圖5 鋼纖維摻量對試件平均裂紋間距和平均裂紋寬度的影響Fig.5 Effect of steel fiber volume fraction on average crack spacing and crack width of specimens

研究[10-12]表明，ECC的最大裂紋寬度為60～100μm. 而由式(2)計算得到的M0.25，M0.55系列單摻PVA纖維的試件平均裂紋寬度分別為81，117μm. 可見，采用本文中的試驗方法確定的裂紋寬度合理可信.由圖5(b)可見，鋼纖維可顯著降低試件的平均裂紋寬度，并且隨著其摻量的增加，M0.25，M0.55系列試件的裂紋寬度均逐漸降低.當鋼纖維摻量提高至1.0%時，試件的平均裂紋寬度分別減小至27，60μm，說明鋼纖維對控制裂紋寬度非常有效.在工程應用中，裂縫寬度控制往往比提高極限拉應變(延性)更為關鍵，即使材料的極限拉應變僅有1%，也遠大于一般構件所要求的變形量，而且，構件中形成的裂紋數量也遠低于軸拉試驗中觀察到的結果，因此片面追求材料的高延性并沒有太大的實際意義.在保證LSECC具有一定延性變形能力的前提下，大幅提升其自身的裂紋寬度控制能力，將有望改善、甚至根除其帶裂紋工作時的耐久性問題.

4 抗壓性能

試件28d的抗壓強度σc，峰值壓應變εc和抗壓彈性模量Ec如表4所示.不同鋼纖維摻量試件28d的壓應力-應變曲線如圖6所示.圖7為鋼纖維摻量對試件抗壓強度和峰值壓應變的影響.

由表4，圖6可見，M0.25，M0.55系列試件具有明顯不同的抗壓性能.降低基材的水膠比，試件的彈性模量和抗壓強度均顯著提高.M0.25，M0.55系列試件28d的抗壓強度分別為62.0，18.4MPa，與相應的基材抗壓強度相差不大.另外，基材強度對試件的峰值壓應變影響較小，M0.25系列試件的峰值壓應變為0.33%～0.42%，M0.55系列試件的峰值壓應變為0.40%～0.46%，即M0.55系列試件的峰值壓應變略大于M0.25系列試件.但二者的峰值壓應變均顯著優于普通混凝土的峰值壓應變(約0.20%).由圖6還可發現，在峰值應力后，M0.25，M0.55系列試件的應力下降幅度較為平緩，其后期抗壓韌性突出，表現出優良的抗壓變形能力.

表4 試件的抗壓性能

與軸拉試驗結果不同，鋼纖維摻量對試件抗壓強度和峰值應變的影響并不顯著.在高強基材中，鋼纖維摻量0%，0.3%，0.6%和1.0%的試件28d抗壓強度分別為62.8，61.7，58.4和67.1MPa，變化幅度不大.在本文的配合比范圍內，鋼纖維并未顯著提高試件的抗壓強度.

圖6 不同鋼纖維摻量試件28d的壓應力-應變曲線Fig.6 Compressive stress-strain curves of specimens with different volume fraction of steel fiber

圖7 鋼纖維摻量對試件抗壓強度和極限壓應變的影響Fig.7 Effect of steel fiber volume fraction on compressive strength and compressive strain of composites

5 結論

(1)基材強度顯著影響混雜纖維增強延性水泥基復合材料的抗拉性能.降低基材水膠比，混雜纖維增強延性水泥基復合材料的開裂強度和抗拉強度明顯提高，而極限拉應變有所降低.隨著鋼纖維摻量的增加，混雜纖維增強延性水泥基復合材料的開裂強度和抗拉強度逐漸提高，且鋼纖維對高強基材的增強效果尤為明顯.鋼纖維摻量適量(不大于0.6%)時，混雜纖維增強延性水泥基復合材料的極限拉應變與鋼纖維摻量正相關.

(2)摻入鋼纖維顯著提升了混雜纖維增強延性水泥基材料的裂紋寬度控制能力，隨著鋼纖維摻量的增加，其平均裂紋寬度減小.在裂紋寬度控制方面，鋼纖維與PVA纖維混雜優勢明顯.

(3)混雜纖維增強延性水泥基復合材料的抗壓強度由水膠比控制，M0.25，M0.55系列水泥基復合材料28d的抗壓強度分別為62.0，18.4MPa.M0.55系列水泥基復合材料的峰值壓應變略大于M0.25系列水泥基復合材料，二者在抗壓變形能力方面均明顯優于普通混凝土.鋼纖維摻量對混雜纖維增強延性水泥基復合材料彈性模量、抗壓強度和峰值壓應變的影響不顯著.

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