玄武巖纖維高延性水泥基復合材料的動態力學性能*

張 娜，周 健，徐名鳳，李 輝，馬國偉

（1. 河北工業大學土木與交通學院，天津 300401；2. 陸軍軍事交通學院國防交通系，天津 300161）

20 世紀末，Li 等[1]、Maalej 等[2]利用斷裂力學和微觀力學原理，最早提出以亂向短纖維增強水泥基材料制備出高延性水泥基復合材料，并將其命名為ECC (engineered cementitious composites)。纖維在水泥基復合材料中主要起到阻裂、增強和增韌的作用,使得該材料具有獨特韌性、多縫開裂、應變硬化等特征，成為土木工程材料領域研究的熱點。徐世烺等[3-4]、劉問[5]運用國產膠凝材料制備出拉伸應變達到3% 的超高韌性水泥基復合材料，其極限裂縫間距平均為0.8～2.5 mm。Yang 等[6-7]、Maalej 等[8]、Zhang 等[9]、Mechtcherine 等[10]和Soe 等[11]先后研究發現，ECC 抗沖擊性能明顯優于普通混凝土和纖維混凝土。

而現有的ECC 主要以聚乙烯（PE）纖維[12]、聚乙烯醇（PVA）纖維[13-14]和聚丙烯（PP）纖維[15]等合成纖維為增強增韌組分，上述纖維均為有機纖維。玄武巖纖維作為一種環保無機纖維，以火山巖為原料，通過1 450～1 500 ℃的熔融，經過漏板拉絲工藝而成，具有熱穩定性好、強度高、摩擦因數穩定等特點。目前對玄武巖纖維混凝土研究較多，成濤華等[16]、葛浩軍[17]通過改變玄武巖纖維摻量、纖維長度研究了摻入玄武巖纖維對混凝土的工作性能和力學性能的影響；Sun 等[18]研究了不同纖維含量、纖維長度的玄武巖纖維增強混凝土的力學性能，并通過多尺度數值模擬驗證了該材料的力學性能。李為民等[19]、朱涵等[20]研究了玄武巖纖維混凝土的動態力學性能和沖擊力學性能。Zhang 等[21]等通過分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar, SHPB)試驗研究了6 種體積含量的玄武巖纖維混凝土在不同高應變率下的沖擊行為，分析了體積分數和應變速率對動態抗壓強度和韌性的影響，并探討了其本構模型。綜上試驗結果均表明：玄武巖纖維能夠有效提高混凝土的動靜態力學性能，但將玄武巖纖維添加到水泥基材料中呈現多縫開裂、拉伸應變硬化等特征未見報道。

本文中，將玄武巖纖維摻入水泥基復合材料中，對其進行靜態壓縮、拉伸試驗，通過調整配比得到具有應變硬化、多縫開裂等特征的玄武巖纖維高延性水泥基復合材料（basalt fiber engineered cementitious composites, BF-ECCs）。在靜態力學性能研究的基礎上，利用 ? 50 mm 變截面SHPB 試驗裝置對不同玄武巖纖維摻量的水泥基復合材料進行動態壓縮試驗和動態劈裂試驗，以期獲取BF-ECC 的動態力學性能，為其在抗爆抗沖擊領域的應用奠定理論基礎。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗原材料及配合比

試驗原材料包括鴨牌鋁酸鹽水泥（CAC）、硅灰（SF）、粉煤灰（FA）、山西晉投玄武巖纖維、聚羧酸減水劑和水。水泥、粉煤灰和硅灰化學成分的質量分數如表1 所示，試驗材料配合比如表2 所示，φ 為玄武巖纖維體積分數。玄武巖纖維的長度為9 mm, 直徑為14.1 μm，密度為2.695 g/cm3，抗拉強度為2.23 GPa，彈性模量為85.8 GPa，斷裂伸長率為2.85%。

表 1 主要原材料中不同化學成分的質量分數Table 1 Mass fractions of different chemical ingredients in main raw materials

表 2 不同試樣的材料質量配合比Table 2 Material mix proportions in the different specimens

1.2 試樣制作

圖 1 單軸拉伸試樣尺寸Fig. 1 Dimensions of specimens used in uniaxial tensile tests

試樣制作時，將全部膠凝材料（CAC、SF、FA）混合均勻倒入攪拌鍋中，加入減水劑、水，低速攪拌1 min，高速攪拌2 min，使漿體流動度達到要求。然后均勻加入玄武巖纖維，攪拌2 min，將漿體倒入模具。將模具放到振動臺振動2 min 振實抹平，24 h 后拆模，進行標準養護28 d。靜態壓縮試驗和SHPB 試驗試樣均采用圓柱形試樣，尺寸為 ? 50 mm×25 mm，并磨平處理，兩端面平行度不大于0.05 mm。靜態拉伸試驗試樣采用啞鈴形試樣，試樣抗拉標距[22]為80 mm，寬度為30 mm，厚度為12.7 mm，拉伸試樣尺寸如圖1 所示。

1.3 靜態力學試驗

靜態壓縮試驗采用MATEST 試驗機,如圖2 所示，以3×10?5s?1的應變速率施加單軸壓縮載荷；拉伸試驗采用SANS 萬能試驗機,如圖3 所示，將試樣固定在2 個拉伸夾頭之間，用萬能試驗機拉伸夾頭對帶有引伸計的試樣施加(50±10) N 的力，以4×10?5s?1的應變速率施加單軸拉伸載荷。

圖 3 靜態拉伸試驗Fig. 3 Static tensile test

圖 2 靜態壓縮試驗Fig. 2 Static compression test

1.4 動態壓縮試驗

本試驗采用 ? 50 mm 直錐變截面SHPB 試驗裝置，試驗設備如圖4 所示，試樣安置如圖5 所示。對3 種不同纖維摻量的試樣每種進行4 種應變率（從低到高為第1、2、3、4 應變率）的動態壓縮試驗，通過調節彈速和波形整形器控制入射波來實現不同應變率的加載。

采用經典兩波法得到試樣在特定應變率下的應力-應變曲線，公式如下：

式中：σs(t)為試樣應力，E、A0、c0分別為壓桿彈性模量、橫截面面積和彈性波速，As、ls分別為試樣的初始橫截面面積和初始長度，εi(t)為入射波，εtran(t)為透射波，εs(t)為試樣應變，(t) 為試樣應變率。

圖 4 SHPB 試驗裝置Fig. 4 SHPB experimental device

1.5 動態劈裂試驗

為了減小應力集中的影響，試樣圓周面通過鋼制圓弧墊塊夾在入射桿和透射桿之間接觸，所有接觸面涂抹凡士林減小摩擦。壓桿應變片位置與動態壓縮試驗中的完全相同。劈裂強度計算沿用靜態彈性力學對心圓盤解：

式中：fd,ten為劈裂強度，h 為試樣高度，d 為試樣直徑，σtran為壓桿透射波最大應力。

2 試驗結果與討論

2.1 靜態壓縮和拉伸試驗結果與討論

不同纖維摻量試樣的靜態壓縮和拉伸試驗結果如表3 所示,表中fsta,c為靜態抗壓強度，fsta,ten為靜態抗拉強度，εlim,ten為極限拉伸應變。從表3 可以看出，隨著玄武巖纖維摻量的增加，試樣抗壓強度和抗拉強度均呈現提高的趨勢。與BF0%試樣相比，BF2%、BF3%試樣抗壓強度分別提高6.3%、12.9%，抗拉強度分別提高14.5%、19.4%。同時，拉伸試驗測得BF2%、BF3%試樣極限拉伸應變分別達到0.2%、0.66%，如圖6 所示。根據《JC/T 2461-2018 高延性纖維增強水泥基復合材料力學性能試驗方法》[22]，3%玄武巖纖維摻量的水泥基復合材料具有高延性纖維增強水泥基復合材料的特點，因此BF3%試樣配比材料為BF-ECC。

2.2 動態壓縮試驗結果與討論

2.2.1 動態壓縮試驗結果與破壞形態

圖 5 動態壓縮試驗Fig. 5 Impact compression test

表 3 靜態抗壓和抗拉強度Table 3 Static compression and tensile strength

圖 6 不同玄武巖纖維摻量試樣靜態拉伸應力-應變曲線Fig. 6 Static tensile stress-strain curves of specimens with different volume fractions of basalt fiber

不同纖維摻量試樣在4 種應變率ε0下的動態抗壓強度fd,c和峰值應變εlim,c如表4 所示。表4 顯示：(1)隨著應變率的升高，不同纖維摻量試樣的動態抗壓強度均提高，而破壞應變均先減小后增大；(2)在相近應變率下，隨著纖維摻量的增加，試樣動態抗壓強度提高；(3)在第1 應變率下，隨纖維摻量的增加，試樣破壞應變增大；在第3、4 應變率下，隨纖維摻量的增加，試樣破壞應變減小。

圖7 所示為不同纖維摻量試樣在第2 應變率下的破壞形態，得到纖維摻量從0% 增加到2%、3%，試樣破壞從碎成小塊、碎成大塊到粘連未碎成大塊，說明纖維起到橋接作用，阻礙水泥基材料試樣破碎。

圖 7 第2 應變率下試樣的破壞形態Fig. 7 Failure modes of specimens at their corresponding second strain rates

2.2.2 動態壓縮應力-應變曲線

不同纖維摻量試樣在不同應變率下的應力-應變曲線如圖8 所示，試樣在受力變形過程中：首先是線彈性階段，而后應力繼續升高，達到峰值應力；在達到峰值應力后，進入卸載段，進一步壓縮，玄武巖纖維與水泥基材料基體同時受力，纖維起到明顯的橋接作用，因此，出現較長的應力平臺，并隨著玄武巖纖維摻量的增大，應力-應變曲線的卸載段應力平臺增長，應力下降減慢。

圖 8 不同玄武巖纖維摻量試樣應力-應變曲線Fig. 8 Stress-strain curves of specimens with different basalt fiber contents

從應力-應變曲線形態看到，BF3%試樣在第1、2 應變率峰值區域出現曲率顯著較小的圓弧頂，在第3、4 應變率時消失，說明中應變率下試樣變形小于或相當于裂紋擴展速度，纖維對基體有增韌效果；在較高應變率下，強度隨應變率升高而提高，到達峰值時，已遠遠超過纖維和基體間的結合力，纖維加入試樣產生的缺陷導致基體迅速坍塌，一直到缺陷壓密后部分纖維恢復增韌，即出現較長的卸載平臺。在較高應變率時BF2%和BF3%試樣變化趨勢相同。

2.2.3 動態抗壓強度與應變率的關系

將各組試樣在4 組應變率下的有效動態抗壓強度匯總求得平均值，如圖9 所示。從圖9 可以發現，隨著應變率的變化，不同纖維摻量試樣的動態抗壓強度上升趨勢有所不同：（1）隨著應變率的上升，3 種纖維摻量的試樣動態抗壓強度均呈現上升的趨勢。（2）在第1 應變率下，3 種纖維摻量試樣的動態抗壓強度相差不大；在第2、3、4 應變率下，3 種纖維摻量試樣的動態抗壓強度相差較大。（3）隨應變率的升高，BF0%、B F 2% 試樣動態抗壓強度增幅逐漸減小，BF3%試樣動態抗壓強度增幅在前3 種應變率時逐漸增大，到第4 應變率時增幅變小。

圖 9 不同應變率下試樣的動態抗壓強度Fig. 9 Dynamic compressive strengths of specimens at different strain rates

2.2.4 動態強度增長因子與應變率的關系

動態抗壓強度增長因子θc（dynamic increase factor of compressive strength, DIFCS）是指材料的動態抗壓強度和準靜態抗壓強度的比值，反映了材料動態抗壓強度的增幅，其計算公式為：

對普通水泥混凝土，根據CEB-FIP（2010）[23]計算公式得到其動態抗壓強度增長因子：

通過不同纖維摻量試樣動態抗壓強度與靜態抗壓強度比值計算，根據該公式計算得到的DIFCS 與應變率關系曲線并進行擬合如圖10 所示。對于普通水泥混凝土，由CEB-FIP(2010)[23]計算得到，隨應變率的升高其動態抗壓強度提高顯著。而對于BF0%、BF2%、BF3%的試樣，隨著應變率的升高，試樣動態抗壓強度也呈現提高趨勢，但提高速度與普通水泥混凝土相比較小。隨著纖維摻量增加到3%，試樣動態抗壓強度提高速度變化趨勢不明顯，說明BFECC 試樣動態抗壓強度對應變率的敏感性較低。

2.3 動態劈裂試驗結果與討論

圖 10 動態抗壓強度增長因子與應變率的關系Fig. 10 Relation of dynamic increase factor of compressive strength to strain rate

2.3.1 動態劈裂試驗結果

不同玄武巖纖維摻量試樣動態劈裂試驗的應變率ε0和劈裂強度fd,ten如表5 所示，部分試樣破壞狀況照片如圖11 所示。

表 5 動態劈裂試驗結果Table 5 Dynamic splitting test results

圖 11 不同纖維摻量試樣在其第1 動態劈裂應變率下的破壞形態Fig. 11 Failure modes of BF-ECC specimens with different fiber volume fractions at their corresponding first dynamic crack strain rates

2.3.2 動態劈裂強度與應變率的關系

將各組試樣在3 組應變率下的有效動態劈裂強度匯總求得平均值，如圖12 所示。從圖12 可以看出，隨著應變率的變化，不同纖維摻量試樣的動態劈裂強度上升趨勢有所不同：（1）隨著應變率的上升，3 種纖維摻量的試樣動態劈裂強度均呈現上升的趨勢。（2）在相近應變率時，BF3% 試樣的動態劈裂強度明顯大于BF2%試樣，且大于BF0%試樣；在不同應變率時，BF3%試樣的動態劈裂強度明顯大于BF2%試樣，且大于BF0%試樣。說明在拉伸狀態下纖維增強作用顯著。

2.3.3 動態強度增長因子與應變率的關系

不同纖維摻量試樣動態劈裂強度呈現出應變率敏感性的特點。為分析不同玄武巖纖維摻量試樣的動態劈裂強度在不同應變率下的變化趨勢，將各組試樣在3 組應變率下的有效劈裂拉伸強度進行了匯總，如圖11 所示。與動態壓縮類似，定義動態劈裂強度增強因子θten(dynamic increase factor of tensile strength, DIFTS):

圖 12 不同應變率下試樣的動態劈裂強度Fig. 12 Dynamic tensile strengths of specimens at different strain rates

對于普通水泥混凝土，按照CEB-FIP(2010)[23]方程計算劈裂強度動態增長因子，得到DIFTS 與應變率的關系：通過計算并進行線性擬合，得到DIFTS 與應變率的試驗與擬合關系如圖13 所示。對于普通水泥混凝土，根據CEB-FIP（2010）[23]，得到隨應變率的升高其劈裂拉伸強度提高不太顯著。而對于BF0%、BF2%、BF3%試樣，隨應變率的升高，其劈裂拉伸強度均呈現提高趨勢，但提高速度隨著纖維摻量的增加，先減小后增大，BF3%試樣提高速度上升明顯。這說明BF-ECC 中纖維起到很好的橋接作用。

2.4 靜態試驗與動態試驗結果討論

圖 13 動態劈裂強度增強因子與應變率的關系Fig. 13 Relation of dynamic increase factor of tensile strength to strain rate

基于靜態壓縮試驗、靜態拉伸試驗，通過動態壓縮試驗、動態劈裂試驗，并與靜態試驗結果比較，BF3% 試樣從準靜態到中等應變率范圍內，其壓縮強度、拉伸強度均隨應變率的升高而提高，且在準靜態拉伸試驗中3%纖維摻量試樣的極限拉伸應變達到0.66%，屬于高延性纖維增強水泥基復合材料。

對比分析動態壓縮試驗結果與動態劈裂試驗結果，得到：（1）隨纖維摻量的增加，試樣的動態抗壓強度、動態劈裂強度均隨應變率的升高而提高。（2）隨纖維摻量的增加，試樣的動態劈裂強度提高幅度大于動態抗壓強度的提高幅度，說明在動態拉應力作用下纖維的橋接作用明顯。（3）隨纖維摻量的增加，試樣的動態抗壓強度增長因子隨應變率變化不大，且擬合曲線斜率較接近；而試樣的動態劈裂強度增長因子隨應變率的變化明顯，且擬合曲線斜率呈現先減小后增大的趨勢，說明纖維摻量對劈裂強度有顯著的增強效果。

3 結 語

（1）通過一定配比得到BF3%試樣在靜態拉伸試驗中呈現出應變硬化、多縫開裂、極限拉伸應變大于0.5%等特點，說明其是一種玄武巖纖維高延性水泥基復合材料（BF-ECC）。

（2）BF0%、BF2%、BF3%試樣的靜態抗壓強度、靜態拉伸強度、動態抗壓強度和動態劈裂強度均隨著應變率的增大而增大。

（3）隨玄武巖纖維體積摻量的增加，BF2%、BF3%試樣的抗拉強度較抗壓強度增強效果顯著,說明玄武巖纖維起到增強水泥基材料延性的作用。

（4）用于估算普通水泥混凝土速率敏感性的CEB-FIP 方程（2010）不適用于BF-ECC，不能直接應用于BF-ECC 材料的應變率敏感性分析。根據試驗結果擬合得到曲線，對于研究BF-ECC 的應變率敏感性有借鑒意義。