混雜纖維延性水泥基材料單軸受壓力學特性

王振波， 左建平， 張 君， 馮路路， 姜廣輝

(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)

混凝土材料的脆性是制約工程結構極端環境服役性和耐久性的重要因素.纖維增強延性水泥基復合材料(engineered cementitious composites，ECC)正是為了克服混凝土脆性、實現其拉伸高延性而發展起來的新型土木工程材料[1-2].ECC材料受拉開裂后形成多條細微裂紋(單條裂紋寬度小于100μm，裂紋間距約10mm)，多裂紋累加的“假應變”使其極限拉應變可達普通混凝土的幾百倍.清華大學張君教授課題組先后研發了低干縮ECC(LSECC)[3]和強度與延性匹配的ECC[4]，極大地發展了傳統ECC材料.目前，ECC材料已被應用于鋼箱梁橋面鋪裝、路面板伸縮縫、建筑外墻保溫板等眾多工程領域[5-7].

工程結構的構件設計和非線性分析需要全面掌握結構材料的各項力學性能.目前，ECC材料的力學性能研究主要集中在軸拉、彎曲等特性突出的方面，而最基礎、常用的單軸受壓性能并未得到廣泛關注.徐世烺等[8-9]采用棱柱體試件測試了ECC材料的單軸受壓性能，并給出了ECC的單軸受壓本構模型；鄧明科等[10]研究了不同尺寸ECC試件的立方體抗壓強度，發現其抗壓強度的尺寸效應較小；Zhou等[11]采用圓柱體試件測得不同強度ECC的單軸受壓應力-應變曲線，提出了新的本構模型.根據Zhou等[11]的測試結果，并結合本課題組前期研究[12]發現，ECC的抗壓韌性隨強度提高而顯著降低，韌性與強度的反向發展規律對于ECC抗拉[4]和抗壓性能同時存在.鑒于高強ECC材料中聚乙烯醇(PVA)纖維的拔斷比例很高[12]，單純依靠PVA纖維已經難以獲得材料的抗壓高韌性.因此，本課題組在前期研究中通過添加微細鋼纖維實現了高強ECC的拉伸高延性[4]，高強ECC的抗壓韌性也有望在添加鋼纖維之后得到改善.

本文在高強LSECC體系中添加不同摻量1)的微細鋼纖維，制備混雜PVA-鋼纖維增強延性水泥基材料.通過圓柱體試件單軸受壓試驗，獲得材料壓應力-軸向應變曲線和應力-徑向應變曲線，重點分析鋼纖維摻量對材料強度、峰值應變、彈性模量、泊松比和抗壓韌性等受壓力學指標的影響規律，以期實現ECC材料受壓高強度與高韌性的相互匹配，為高強度高延性水泥基材料的結構設計和工程應用提供支撐.

1)本文涉及的纖維摻量均為體積分數.

1 材料與試驗方法

1.1 原材料與配合比

試驗用原材料具體為：低干縮復合水泥；秦皇島石英砂廠生產的精制石英砂，規格100～200目(150～75μm)；Kuraray公司生產的聚乙烯醇(PVA)纖維和鞍山昌宏科技發展有限公司生產的鋼纖維(ST)；江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的高效聚羧酸減水劑；一水檸檬酸緩凝劑；自來水.其中，PVA纖維與鋼纖維的相關性能參數列于表1.

表1 聚乙烯醇纖維與鋼纖維的相關性能參數

混雜纖維延性水泥基材料的基體材料采用低干縮基材[3,12]，基材配合比為m(復合水泥)∶m(水)∶m(砂)∶m(減水劑)∶m(緩凝劑)=1.000∶0.250∶0.200∶0.015∶0.005.為便于下文描述，將基材標記為M-0.混雜體系的PVA纖維摻量固定為1.7%，鋼纖維摻量設計為0%，0.6%，1.0%和1.5%，各組試件分別標記為M-PVA，M-H1，M-H2和M-H3.此外，制備單摻鋼纖維水泥基材料對照組，鋼纖維摻量為1.7%，記為M-ST組.

1.2 單軸受壓試驗

根據ECC材料設計與施工指南[13]，考慮到材料不含粗骨料，單軸受壓試件采用φ50×100mm的圓柱體.每組成型3個試件，在標準條件下((20±2) ℃，相對濕度>95%)養護28d后進行抗壓試驗.試驗設備為具有動靜閉環數字電液伺服控制功能的GCTS RTR-1000綜合測試系統，采用應變控制模式進行加載，加載速率200μm/(m·min).軸向應變通過安裝在試件兩側的LVDT傳感器進行測量；徑向應變通過環繞試件圓周的徑向傳感器進行測量.徑向傳感器采用非延展性鏈條式設計，較點式結構精度更高，可精確測量試件平均周長值的變化.試驗裝置示意圖如圖1所示.加載過程中，通過計算機自動采集時間、荷載、軸向應變和徑向應變等數據，采集頻率30次/min，實時記錄試件的加載破壞全過程.

圖1 單軸受壓試驗裝置Fig.1 Set-up of uniaxial compression test

2 結果及分析

2.1 單軸受壓應力-應變曲線

基材、單摻纖維ECC與混雜纖維ECC的單軸受壓應力-應變曲線如圖2，3所示.其中，正向為軸向應變，負向為徑向應變.每個配合比試件僅展示2個典型的試驗結果，以使各條曲線表達清晰.

圖2 基材與單摻纖維ECC的單軸受壓應力-應變曲線Fig.2 Uniaxial compressive stress-strain curves of matrix and mono-fiber reinforced ECC

圖3 混雜纖維ECC單軸受壓應力-應變曲線Fig.3 Uniaxial compressive stress-strain curves of hybrid fiber reinforced ECC

由圖2，3可見，在加載初期，各組ECC試件的應力-軸向應變曲線和應力-徑向應變曲線均表現為明顯的線彈性特征，二者基本同時達到比例極限點.基材比例極限的平均值僅為0.212fc(其中fc為材料的軸心抗壓強度)，而纖維增強ECC試件的比例極限為0.326fc～0.346fc，說明纖維的摻入顯著提升了ECC材料的線彈性特征.未摻入纖維時，基材內部缺陷起裂較早；而纖維增強ECC材料中的微細纖維可有效限制裂紋擴展，從而延長應力-應變曲線的線性段，這在本質上是因為引入的增強纖維提高了基材的開裂強度[12].在本文研究范圍內，所有摻纖維ECC材料的比例極限均落在0.300fc～0.400fc區間，該規律與普通混凝土類似[14].Zhou等[11]測得的單摻纖維ECC材料的比例極限也在0.400fc附近.

應力-應變曲線在到達比例極限點以后開始偏離線性，應力升至峰值后進入下降段.基材的應力-應變曲線在峰值后突降，應力迅速衰減為零，表現為脆性破壞.摻入纖維以后，ECC應力-應變曲線下降段得到顯著改善.對于單摻PVA纖維體系M-PVA，盡管其應力-應變曲線下降段存在一定的應力陡降，但隨后的殘余應力發展可為ECC材料提供一定韌性.在相同摻量下，單摻鋼纖維體系M-ST的殘余應力水平顯著高于單摻PVA纖維體系(傳統ECC)，說明鋼纖維在提高ECC材料抗壓韌性方面更具優勢，這也是本文選取鋼纖維與PVA纖維進行混雜的出發點.

混雜纖維ECC試件的應力-應變特征顯著區別于單摻纖維ECC試件.對比圖2，3可見：添加鋼纖維顯著改善了ECC材料的單軸受壓力學性能，并且隨著鋼纖維摻量的增加，應力-應變曲線的上升段斜率呈增大趨勢，曲線下降段隨鋼纖維摻量增加而逐漸趨于平緩，殘余應力水平逐步提高；在軸向應變達到20000μm/m時，鋼纖維摻量為0.6%，1.0%和1.5%的混雜纖維ECC試件壓應力分別可達單軸抗壓強度的20%，30%和40%.說明混雜纖維ECC材料在受壓大變形情況下仍然能夠保持較高的承載能力，可在結構抗震方面發揮獨特優勢.

2.2 鋼纖維摻量對受壓力學參數的影響

2.2.1單軸抗壓強度和峰值應變

圖4給出了各組ECC試件的受壓力學參數.由圖4(a)可見，所有摻纖維ECC試件的單軸抗壓強度均低于基材.增強纖維屬于微細尺度，在ECC試件攪拌成型過程中，大量存在的纖維容易引入較多缺陷，導致試件單軸抗壓強度降低.單摻PVA纖維體系單軸抗壓強度較基材降低近20%，這與徐世烺等[8-9]和Zhou等[11]的試驗結果接近.應當說明的是，PVA纖維的主要功能在于提供材料延性，因而犧牲部分抗壓強度的事實在所難免.單摻鋼纖維對照組的單軸抗壓強度較基材降低約10%，鋼纖維對基材單軸抗壓強度的削弱程度低于PVA纖維，這可能是由于鋼纖維尺寸較PVA纖維大，相同摻量下鋼纖維引入的缺陷較少所致.混雜纖維ECC試件的單軸抗壓強度隨鋼纖維摻量增加整體上呈增大趨勢，但增長幅度不大.摻入鋼纖維一方面提高了裂紋間的橋接作用，另一方面也引入了更多的缺陷，在二者綜合作用下鋼纖維的增強效果有所削弱.在本文研究范圍內，混雜纖維ECC試件的單軸抗壓強度始終沒有超過單摻鋼纖維體系.

圖4 各組ECC試件的受壓力學參數Fig.4 Mechanical parameters of ECC specimens under uniaxial compression

各組ECC試件單軸抗壓強度對應的軸向峰值應變和徑向峰值應變如圖4(b)所示.由圖4(b)可見，各組ECC試件軸向峰值應變均在4400～5500μm/m 范圍內，遠高于普通混凝土的軸向峰值應變2000μm/m[14]，說明ECC材料具有更強的塑性變形能力.混雜纖維ECC試件的軸向峰值應變均顯著大于單摻纖維體系，并且隨著鋼纖維摻量的增加而逐漸提高，當鋼纖維摻量為1.5%時其軸向峰值應變可提高22%.結合徑向峰值應變的發展規律，可發現軸向峰值應變與徑向峰值應變呈現明顯的正向相關關系.徑向應變為試件垂直于加載方向的拉伸應變，根據筆者前期研究結果[12]，混雜纖維ECC材料的抗拉變形能力隨鋼纖維摻量增加逐漸提高.因此，混雜纖維ECC材料在單軸受壓狀態下的橫向變形將受到更加持久的約束作用，軸向變形能力隨鋼纖維摻量增加而提高.

2.2.2彈性模量和泊松比

彈性模量為材料單軸受壓應力-軸向應變的線性段斜率，表征材料抵抗彈性變形的能力.由圖4(c) 可見，所有摻纖維ECC試件的彈性模量均低于基材.這是因為摻入纖維在ECC材料內部引入了更多缺陷，增大了材料孔隙率，導致材料抵抗彈性變形的能力降低.單摻鋼纖維體系的彈性模量高于單摻PVA纖維體系，這說明鋼纖維在ECC材料中引入的缺陷較少.在單摻PVA纖維體系中添加鋼纖維，在引入缺陷的同時提高了基體材料的剛度，ECC材料彈性模量有所提高但幅度不大.上述規律與ECC材料單軸抗壓強度的發展趨勢類似.

泊松比為材料在單軸受壓彈性變形階段的徑向應變與軸向應變之比，本文通過應力-應變曲線線性段末端的應變值進行計算.由圖4(d)可見，基材的泊松比為0.199，與普通混凝土相當，而摻纖維體系的泊松比均低于基材.這說明單位軸向應變產生的徑向應變更小，導致摻纖維體系在單軸受壓狀態下的徑向變形對軸向變形不敏感，這在一定程度上體現了纖維對材料徑向變形的約束作用.在本文研究范圍內，所有摻纖維體系的泊松比均在0.157～0.181之間小范圍變化，均值為0.168，這與Zhou等[11]的測試結果一致.為方便計算，在結構分析中可將纖維增強ECC材料的泊松比統一取為0.168.

2.2.3抗壓韌性指標

抗壓韌性指標是定量評價材料耗能能力的重要力學參數.目前，水泥基材料抗壓韌性指標的確定方法尚無統一標準可循，常用的方法有能量法、能量比值法、特征值法等[15].Nataraja等[16]將韌性指標定義為壓應力-應變曲線在0～15000μm/m應變范圍內的下覆面積.Cai等[9]采用壓應力-應變曲線在0～5ε0(ε0為軸向峰值應變)范圍內的下覆面積與峰前下覆面積的比值來評價延性材料的抗壓韌性指標.Zhou等[11]確定峰后應力降至0.300fc時對應的應變為ε0.3，定義韌性指標為峰后曲線至ε0.3范圍內的下覆面積與峰前下覆面積之比.借鑒Zhou等[11]的方法，本文以壓應力-應變曲線在ε0.3之前的下覆面積與峰前下覆面積之比來表征ECC材料的抗壓韌性.

不同纖維摻量復合材料韌性指標的變化規律如圖4(e)所示.由圖4(e)可見，摻纖維ECC體系的抗壓韌性指標均顯著大于基材.基材的抗壓韌性指標僅為1.37，說明其在峰后的耗能能力較弱.單摻PVA纖維體系與單摻鋼纖維體系的抗壓韌性指標分別為1.83和3.14，較基材分別提升了34%和129%.盡管混雜纖維ECC材料在抗拉延性方面可達基材的百倍以上[4]，但單軸抗壓韌性較基材的提高幅度并不大，這可能與PVA纖維的拔斷機制有關[12].相比之下，鋼纖維在提高ECC材料抗壓韌性方面有突出優勢.對于在單摻PVA纖維體系中添加0.6%，1.0%和1.5%鋼纖維形成的混雜纖維體系，其單軸抗壓韌性指標分別較基材提高了82%，135%和164%，鋼纖維與PVA纖維混雜在提高ECC材料抗壓韌性方面效果顯著.結合筆者前期針對混雜纖維ECC材料單軸受拉性能的研究結果[12]得出，摻加鋼纖維可以同時提升ECC材料的抗拉延性和抗壓韌性，在ECC材料中混雜鋼纖維的優勢明顯.

3 結論

(1)在PVA纖維增強ECC材料中摻加微細鋼纖維可顯著改善材料的單軸受壓力學性能.隨鋼纖維摻量增加，材料受壓應力-應變曲線的上升段斜率呈增大趨勢，且曲線下降段逐漸趨于平緩，殘余應力水平顯著提高.混雜纖維ECC材料的比例極限為0.300fc～0.400fc，與普通混凝土相當.

(2)混雜纖維ECC材料的單軸抗壓強度隨鋼纖維摻量增加呈增大趨勢，但增長幅度不大，其受壓彈性模量也具有類似的發展規律；材料軸向峰值應變和徑向峰值應變均隨著鋼纖維摻量的增加而逐漸增大，混雜纖維ECC材料的塑性變形能力顯著增強；ECC材料的泊松比對鋼纖維摻量的變化不敏感，可統一取為0.168.

(3)PVA纖維ECC材料的單軸抗壓韌性較基材僅提升了34%.混雜纖維ECC材料的抗壓韌性則隨鋼纖維摻量增加而顯著提高，鋼纖維摻量為0.6%，1.0%和1.5%時，混雜纖維ECC材料抗壓韌性較基材分別提高了82%，135%，164%.鋼纖維與PVA纖維混雜在改善ECC材料抗壓韌性方面效果突出.