應變率對高延性水泥基復合材料基本力學性能的影響*

袁 振，夏超凡，張 聰,2，李志華

(1. 江南大學 環境與土木工程學院，江蘇 無錫 214000；2. 綠色建筑材料國家重點實驗室，北京，100024)

0 引 言

高延性水泥基復合材料(HDCC)，相較于普通混凝土具有更強的拉伸韌性、裂縫控制能力，可以有效地改善了水泥基材料固有的高脆低韌特性，受到了土木工程領域越來越廣泛的關注[1-8]。

目前，國內外學者對高延性水泥基復合材料靜態力學性能的研究取得了一定的進展，但對于HDCC在不同應變率下材料力學性能保留的觀點并不統一，并且在不同應變率范圍內，得出的力學性能規律也大不相同。為了更好的研究應變率對材料力學性能的影響，陳強[9]、Douglas、Bollington[10]等學者發現在動態荷載作用下，隨著應變率的增大，HDCC的彎曲強度、軸向壓縮強度均有上升趨勢。Viktoe Mechtcherine、徐世烺、Victor C Li等學者研究了PVA-HDCC的動態性能，Viktoe Mechtcherine[11]試驗結果表明，應變率在10-2s-1及以下時，HDCC的拉伸強度增長不太明顯，隨著應變率的增長，HDCC的應變能力呈下降趨勢；而

在較高應變率(10～50 s-1)時，拉伸強度和拉伸應變均有顯著提高。李賀東、徐世烺[12-13]則認為4×10-6～1×10-1s-1應變率下，極限拉伸應變幾乎不受應變率影響。Yu、Ravi Ranade[14]等學者研究了PE-HSHDCC的動態拉伸性能，Yu試驗表明在10-4～5×10-2s-1應變率下，加載速率對初裂應力影響較大，而對峰值應力和應變能力的影響較小；Ravi Ranade、Vitor C Li試驗表明，應變率從10-4s-1增長到10s-1時，初裂強度和峰值荷載均有較大程度的增長，拉伸應變則呈現下降趨勢。所以為明確HDCC的應變率效應，本研究擬從應變率為10-5s-1到應變率為10-2s-1，系統的分析應變率對HDCC力學性能的影響。

1 實驗概況

1.1 基體材料

本試驗選用的膠凝材料為P·O 42.5 水泥與I級粉煤灰，其基本物理參數如表1所示。選用石英砂作為細骨料(粒徑110 μm～210 μm，平均粒徑150 μm)。為使新拌合物具有較好的工作性，減水劑采用聚羧酸型高效減水劑(減水率為24%)。試驗原材料質量比為水泥∶粉煤灰∶石英砂∶水=1∶3∶0.8∶1.12，水膠比為0.28。

表1 膠凝材料的基本物理參數

1.2 纖維材料

試驗選用日本Kuraray (可樂麗)公司生產的表面經涂油處理的PVA纖維；為了提高HDCC力學性能的穩定性[15-16]，選用上海峰竺有限公司生產的碳酸鈣晶須，各纖維及晶須的基本參數見表2。實驗各組纖維配比如表3所示。

表2 纖維材料和晶須的物理力學性能

表3 纖維摻量

1.3 試件制作

壓縮試驗每組配比采用3個70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試件，單軸拉伸試驗每組配比采用3個如圖1所示的啞鈴型試件。

采用水泥砂漿攪拌機(JJ-5，無錫市建工試驗儀器制造有限公司)將石英砂、粉煤灰、水泥、碳酸鈣晶須依次加入慢速干拌2 min，隨后加入一半水及高效減水劑慢速攪拌1 min后加入余下水及高效減水劑快速攪拌6 min，最后分3次均勻加入PVA纖維，每次加入間隔1 min，攪拌10 min后裝模成型。參照ISO 679[17]成型試件放入標準養護室養護24 h后拆模，拆模結束后移至溫度20±2 ℃，濕度95%的恒溫恒濕標準養護箱，養護28 d后進行拉伸及壓縮測試。

圖1 單軸拉伸試件尺寸

1.4 試驗方案及設備

本文試驗方法參照《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》[18]。壓縮試驗采用WAW-600D微機控制電液伺服萬能試驗機(濟南蘭博時代測試技術有限公司)，加載方式采用位移控制，對2種配合比試件在4種不同應變率下進行壓縮試驗，應變率分別為10-5、10-4、10-3和10-2s-1，分別對應0.04242、0.4242、4.242和42.42 mm/min的壓縮速率。通過WAW-600D微機控制電液伺服萬能試驗機和引伸計測得試件在壓縮過程中的荷載與變形的關系，引伸計測試標距為50 mm，如圖2所示。

圖2 壓縮試驗加載裝置

拉伸試驗采用MTS Exceed 萬能材料試驗機(美特斯工業系統有限公司)，加載方式采用位移控制，對2種配合比試件在4種不同應變率下進行拉伸試驗，應變率分別為10-5、10-4、10-3和10-2s-1，分別對應0.03、0.3、3和30 mm/min的拉伸速率。通過荷載傳感器和引伸計測得試件在拉伸過程中的荷載與變形的關系，引伸計測試標距為50 mm，如圖3所示。

圖3 單軸拉伸試驗加載裝置

2 結果與討論

2.1 拉伸性能

圖4為各組試件在不同應變率下的拉伸應力-應變曲線圖，每組配比測試3個試件，取拉伸應力-應變曲線的中間值作為代表性曲線。各組試件的拉伸力學性能如圖5所示。其中采用極限拉伸應變處(80%峰值應力處對應的拉伸應變作為極限拉伸應變)應力-應變曲線所包圍下的面積作為試件拉伸韌性的評價指標。由圖5可知，隨著應變率的提高，試件的拉伸韌性出現明顯的下降。對于A組試件，當應變率由10-5s-1提升至10-2s-1時，試件的拉伸韌性分別降低了9.22%、5.22%、9.84%，B組試件的拉伸韌性隨應變率提高分別降低了18.52%、5.62%、2.22%；而B組試件在4種應變率下的拉伸韌性相比A組分別提高了348.7%、313.48%、311.94%、342.62%。由此可見應變率與HDCC材料的拉伸韌性的關系是負相關的，但在不同應變率下碳酸鈣晶須的引入對HDCC的拉伸韌性均有顯著的提高。

由圖4和圖5可知，對于A組試件，當應變率由10-5s-1提升至10-2s-1時，其拉伸初裂應力分別提高了9.96%、11.96%、18.45%，峰值應力分別提高20.68%、28.97%、6.04%，極限拉伸應變分別降低了37.5%、37.14%、16.67%。對于B組試件，隨著應變率的提高其拉伸初裂應力分別提高了59.62%、20.88%、17.52%，峰值應力分別提高19.25%、24.48%、14.64%，極限拉伸應變分別降低了36%、29.63%、25%，可知隨著應變率的提高試件的峰值應力及初裂應力均有較大的提高且在應變率由10-4s-1提升至10-3s-1時提升幅度最大，而極限拉伸應變隨著應變率的提高而降低，呈現負相關的關系。

圖4 各組試件的拉伸應力-應變曲線

圖5 各組試件的拉伸力學性能參數與拉伸韌性平均值

由圖5可知，在4種應變率下，當加入碳酸鈣晶須后試件的峰值應力分別提高了21.05%、19.63%、15.46%、24.83%；試件的極限拉伸應變分別提高了260.61%、264.58%、285.71%、260%，而試件在應變率為10-5s-1時初裂應力降低，其它應變率下初裂應力均提高，這可能是拉伸試驗過程中試件與拉伸模具中存在空隙導致，整體規律是碳酸鈣晶須的加入提高了材料的初裂應力。由此可以看出，在不同應變率下，碳酸鈣晶須對HDCC拉伸峰值應力的提高有著顯著的作用，特別對HDCC的拉伸應變的提高具有明顯作用。因此碳酸鈣晶須對改善HDCC材料的拉伸力學性能可起明顯的作用。

2.2 壓縮性能

圖6為各組試件在不同應變率下的壓縮應力-應變曲線圖，每組配比測試3個試件，取壓縮應力-應變曲線的中間值作為代表性曲線。各組試件的抗壓強度如圖7所示。由圖6可知，隨著應變率由10-5s-1提升至10-2s-1，A組試件的抗壓強度分別提高了10.46%、9.38%、5.56%，B組試件的抗壓強度分別提高了8.13%、10.81%和6.79%。由此可見隨著應變率的提高試件的抗壓強度也隨之提高。

由圖7a可知，在4種應變率下，當加入碳酸鈣晶須后試件抗壓強度提升至25.58、27.66、30.65和32.73 MPa，峰值應力分別提高了24.42%、21.8%、23.39%、24.83%，試件的抗壓強度得到明顯提高。由圖7b可知，當應變率在10-5～10-2s-1范圍內變化時，峰值應力處的應變值沒有明顯的變化規律，而在摻入碳酸鈣晶須后從整體上看，應變值略有增加的趨勢。由此可見峰值應力處的應變值不隨應變率的增大而發生變化，在加入碳酸鈣晶須后應變值略有增大。

圖6 各組試件的壓縮應力-應變曲線

圖7 各組試件的壓縮力學性能參數平均值

3 結 論

研究了在應變率為10-5、10-4、10-3和10-2s-1下HDCC的拉伸性能和壓縮性能以及在引入碳酸鈣晶須后HDCC的力學性能，分析了應變率對HDCC拉伸強度、拉伸應變、拉伸韌性以及壓縮強度的影響，可以得到以下結論：

(1)隨著應變率的提高，HDCC材料的拉伸韌性與極限拉伸應變的關系是負相關的，而HDCC材料的初裂應力及峰值應力均有較大幅度的提高，呈正相關關系。

(2)在不同應變率下，碳酸鈣晶須的摻入對改善HDCC材料的拉伸力學性能起明顯的作用,對HDCC材料的拉伸峰值應力、拉伸韌性及拉伸應變的提高有著較為顯著的作用。

(3)隨著應變率的提高，HDCC材料的抗壓強度也隨之提高，呈正相關關系，且碳酸鈣晶須的引入對提高HDCC材料的抗壓強度，起著十分明顯的作用。

(4)當應變率在10-5～10-2s-1范圍內變化時，壓縮峰值應力處的應變值不隨應變率的增大而發生變化，在加入碳酸鈣晶須后應變值略有增大。