粉煤灰摻量對應變硬化水泥基復合材料力學性能及損傷特征的影響

郭偉娜， 張 鵬，2，*， 鮑玖文， 孫燕群， 趙鐵軍，2

（1.青島理工大學 土木工程學院，山東青島 266033；2.青島理工大學山東省藍色經濟區工程建設與安全協同創新中心，山東青島 266033）

為了克服混凝土的脆性問題，相關學者將纖維摻 加到混 凝土或 水泥砂漿中［1?3］，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［4］.Li等［5］基于微觀力學和斷裂力學理論提出，利用隨機亂向分布的纖維增強水泥基材料后，其在拉伸荷載作用下，具有應變硬化特征及多重開裂行為，故被稱為應 變硬化水泥基復 合材料（SHCC）［6?7］.Heravi等［8?9］利用數字圖像相關（DIC）技術研究了SHCC在 拉 伸 荷 載 作 用 下 的 斷 裂 過 程；Wang 等［10?15］研 究了粉煤灰摻量對SHCC 力學性能的影響，結果表明粉煤灰能夠減少纖維-基體間的黏結，從而改善材料的延性.

為研究粉煤灰摻量對SHCC 力學性能及損傷特征的影響，本文基于DIC 技術，采用單軸拉伸、三點彎曲和抗壓強度試驗，對摻加粉煤灰的SHCC（FA?SHCC）的力學性能進行研究，實現了加載過程中應變演化的可視化，同時提出利用開裂面積比（裂縫面積與試件面積的比值）及分形維數來表征SHCC的損傷程度，為日后表征和量化材料損傷提供一定的方法支持.

1 試驗

1.1 原材料及配合比

水泥（C）為P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥；粉煤灰（FA）為平均粒徑6~7 μm 的一級粉煤灰，燒失量為0.96%（質量分數，文中涉及的組成、摻量、比值等除特殊說明外均為質量分數或質量比），其化學組成見表1；石英砂（S）的粒徑小于0.2 mm；水（W）為自來水；減水劑（SP）為聚羧酸高效減水劑；纖維為日本Kuraray公司生產的PVA纖維，直徑為40 μm，長度為12 mm，彈性模量為41 GPa.FA?SHCC 的水膠比為0.25，SP 的摻量wSP以膠凝材料的質量計，PVA 纖維的體積分數φPVA=2%.根據粉煤灰與水泥的質量比mFA/mC，將FA?SHCC 試件記為FA1.2、FA1.5、FA2.0，FA?SHCC 的配合比見表2.為進行比較，制備了PVA 纖維體積分數為0%，其他配合比與FA?SHCC 相同的純漿體試件（mortar）.

表1 粉煤灰的化學組成Table 1 Chemical composition of fly ash w/%

表2 FA-SHCC 的配合比Table 2 Mix proportion of FA‐SHCC

1.2 試件制備

試件的制備過程見圖1，拆模后的試件放置于溫度為（20±2）℃、相對濕度為（95±5）%的標準養護室內養護28 d 后進行相關力學試驗.

圖1 試件的制備過程Fig.1 Preparation process of specimens

1.3 試驗方法

用日本島津生產的萬能試驗機進行力學性能測試.對邊長為70.7 mm 的立方體試件進行抗壓試驗，加載方式為荷載控制，得到純漿體和FA?SHCC的抗壓荷載及抗壓強度.三點彎曲試驗的試件為40 mm×40 mm×160 mm 的棱柱體，加載過程采用位移控制，以0.1 mm/min 的加載速率對試件進行緩慢加載，直至試件失效.拉伸性能測試試件為啞鈴型，其具體尺寸參照文獻［16］，加載速率為0.1 mm/min，直至試件失效，停止加載.加載過程中利用試件兩側的位移傳感器LVDT 進行位移采集.用DIC 技 術［17］對 拉 伸試驗過程進行記錄，啟動試驗機前先啟動工業相機，拍攝未加載試件照片，所拍照片作為試件變形分析的參考圖片.萬能試驗機記錄加載過程中試件所變的荷載和位移數據，數字圖像相關設備記錄加載過程中試件的變形數據.

2 結果與討論

2.1 抗壓性能

純漿體和FA?SHCC 的抗壓性能見圖2.由圖2可見：PVA 纖維的摻入，明顯提高了SHCC 的抗壓荷載和抗壓強度，與純漿體相比，FA1.2、FA1.5、FA2.0 的抗壓強度分別增加了19.59%，38.25%、41.59%；隨著粉煤灰摻量的增加，FA?SHCC 的抗壓荷載和抗壓強度逐漸降低，當mFA/mC從1.2 增加到1.5、2.0 時，純漿體的抗壓強度分別降低了14.91%、32.97%，而FA?SHCC 的抗壓強度分別降低了1.63%、20.64%，這表明PVA 纖維的摻入降低了由粉煤灰摻量增加而帶來的材料抗壓強度降低的幅度；當mFA/mC從1.2 增加到1.5 時，粉煤灰摻量的增加對FA?SHCC 抗壓強度的降低幅度較小.在保證SHCC 構件具有較好抗壓性能的基礎上，可以適當利用粉煤灰替代水泥，進而降低材料造價，提高材料的環保性.

圖2 純漿體和FA?SHCC 的抗壓性能Fig.2 Compressive properties of mortar and FA?SHCC

2.2 彎曲性能

FA?SHCC 的彎曲荷載-位移曲線見圖3.由圖3可見：所有FA?SHCC 試件的荷載-位移曲線均可以劃分為彈性階段、應變硬化階段和失效階段［18］3 個階段；隨著粉煤灰摻量的增加，試件的應變硬化階段逐漸延長，并且荷載波動逐漸增多，但峰值荷載逐漸降低；從失效階段曲線的下降形式可以看出，在試件失效階段，隨著位移的增加，荷載并未直線下降，這主要是由于開裂后，纖維橋接裂縫，使得荷載能夠通過纖維傳遞到基體，進而使材料依舊具有一定的承載能力.

圖3 FA?SHCC 的彎曲荷載-位移曲線Fig.3 Bending load?displacement curves of FA?SHCC

對FA?SHCC 彎曲荷載-位移曲線進行分析和計算，得到初裂荷載F0、峰值荷載Fmax、吸能能力Ea、初裂位移d0和峰值位移dmax（峰值荷載對應的位移）等彎曲性能參數，結果見表3.由表3 可見：隨著粉煤灰摻量的增加，FA?SHCC 的彎曲峰值荷載和初裂荷載逐漸降低，而耗能能力先降低后增大，當mFA/mC=2.0 時，試件彎曲失效需要消耗大量能量；隨著粉煤灰摻量的增加，試件的初裂位移增大，峰值位移先降低后增大，這表明摻加粉煤灰能夠在一定程度上改善材料的變形能力，提高材料的延性.

表3 FA‐SHCC 的彎曲性能參數Table 3 Bending performance parameters of FA‐SHCC

2.3 直接拉伸性能

FA?SHCC 的直接拉伸應力-應變曲線見圖4，圖中相同顏色線型為4 個同組FA?SHCC 試件的測試結果.由圖4 可見：FA1.2 的峰值強度最大，FA2.0的變形能力最佳；FA1.2 的失效下降段為直線下降，而FA2.0 的失效段為曲線下降.由此可見，FA1.2 中纖維的斷裂形式大多為拔斷破壞，而在FA2.0 中纖維的失效形式大多為拔出破壞，這主要與PVA 纖維自身的親水性有關［19?20］，粉煤灰摻量的增加使得纖維與基質之間的黏結力降低，進而增加了纖維拔出的可能，同時使基體的斷裂韌性降低，使材料能夠達到多縫開裂，提高了材料延性和變形性能.

圖4 FA?SHCC 的直接拉伸應力-應變曲線Fig.4 Direct tensile stress?strain curves of FA?SHCC

根據FA?SHCC 的直接拉伸應力-應變曲線，得到其拉伸性能參數：初裂強度σ0、峰值應力σmax、應變能Es（峰值應力-應變曲線下的面積）、初裂應變ε0和峰值應變εmax，結果見表4.由表4 可見，隨著粉煤灰摻量的增加，FA?SHCC 的初裂強度和峰值應力逐漸降低，且峰值應力降低幅度較大，而應變能呈線性增大.這主要是由于試件的初裂強度主要與基體強度有關，粉煤灰摻量增加，使得水泥摻量降低，導致水與水泥的質量比增加，水泥水化產物減少，進而使FA?SHCC 的基體強度降低.隨著粉煤灰摻量的增加，FA?SHCC 的拉伸應力-應變曲線應力波動較多，這表明在試件表面出現多條裂縫，裂縫的形成需要消耗大量能量，故應變能逐漸增大.從應變結果可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，FA?SHCC 的初裂應變先降低后增大，而峰值應變逐漸增大，表明材料的延性逐漸提高.

表4 FA‐SHCC 拉伸性能參數Table 4 Tensile property parameters of FA-SHCC

2.4 基于DIC 的拉伸應變云圖演化

利用DIC，對工業相機記錄的試驗過程圖片進行全場應變計算，結果見圖5，圖中：紅色區域代表正向應變，紫色區域代表負向應變；εx、εy分別為試件的橫向、縱向應變.由圖5 可見：在彈性階段，FA1.2 的橫向應變較小，觀測范圍內試件大部分應變在0.001%左右，而在其縱向應變上，出現少許橙色區域，表明此區域應變較大；隨著荷載的增加，FA1.2 進入開裂階段，與彈性階段的應變相比，試件縱向應變出現淺黃色和橙色區域，表明隨著荷載的增加試件縱向應變增大，且在試件下部出現較多的橙色區域，應變較大，故后期裂縫會在此處產生；FA1.5 和FA2.0 顯現出與FA1.2 相同的變化趨勢.但在FA2.0的開裂階段可以看出，其縱向呈現出紅色“火焰”的應力集中區域，與彈性階段相比，試件正向應變區域擴大，這表明試件表面縱向應變區域逐漸擴展；其橙色集中區域較少，而大部分區域呈黃色區域，表明試樣應變分布較為均勻，這主要是由于粉煤灰摻量的增加，使得試樣內部纖維出現滑移，從而使纖維盡可能地參與受力并使試件整體受力相對均勻.

圖5 FA?SHCC 全場應變云圖Fig.5 Full?filed strain cloud diagram of FA?SHCC

2.5 SHCC 的損傷特征

利用圖像處理軟件對FA?SHCC 直接拉伸失效圖片進行處理，從試件表面提取裂縫，結果見圖6.由圖6 可見，隨著粉煤灰摻量的增加，FA?SHCC 的裂縫數量逐漸增多，且裂縫變得更加細密，這表明粉煤灰能夠有效改善SHCC 材料的變形能力和延性，并提高材料有效控制裂縫寬度的能力.

利用圖形分析軟件對圖6 進行計算分析，得到開裂面積比R（裂縫面積與試件失效面積的比值），同時將圖6 導入相關軟件計算試件失效時的分形維數Df［21］，結果見表5.由表5 可見，隨著粉煤灰摻量的增加，FA?SHCC 的開裂面積比及分形維數逐漸增大，這說明FA?SHCC 表面損傷加大，裂縫變得更加曲折復雜，即其損傷復雜程度也逐漸增大.由此可見，開裂面積比及分形維數這2 個參數均能很好地反映加載過程中SHCC 試件的損傷特征，可作為描述材料損傷的度量指標.

表5 FA‐SHCC 開裂面積比與分形維數Table 5 R and Df of FA‐SHCC

圖6 提取的FA?SHCC 裂縫Fig.6 Extracted cracks of FA?SHCC

2.6 微觀結構分析

從拉伸試件開裂位置處切取塊狀試樣進行SEM觀測，FA1.2 的SEM 照片見圖7.由圖7 可見：由于基體水膠比較小，使得纖維與基體之間的摩擦黏結較強，進而在纖維拔出過程中，出現較大的摩擦力，導致纖維表面出現明顯的劃痕（見圖7（a）、（c））；摩擦力進一步加大時，纖維表面會出現纖維表面剝落的現象，并產生纖維屑，同時纖維的失效形式大多為斷裂失效（見圖7（b））.從微觀結構分析FA1.2 延性相對較差的原因：FA1.2 水灰比較低，使得基體斷裂韌性提高及與纖維之間的摩擦黏結增大，當其大于纖維的拉伸強度時，纖維出現斷裂失效，不利于試件多縫開裂的開展；同時FA1.2 水泥摻量較大，使得基體與親水性PVA 纖維之間的化學黏結增大，進而使得纖維在基體中的斷裂行為為斷裂失效形式，纖維不能充分發揮其橋聯作用，從而使得材料的力學性能退化.

圖7 FA1.2 的SEM 照片Fig.7 SEM images of FA1.2

3 結論

（1）隨著粉煤灰摻量的增加，應變硬化水泥基復合材料（SHCC）的拉伸強度、抗壓強度及抗彎強度逐漸降低，耗能能力逐漸提高，且其變形性能得到改善，但損傷程度增加.

（2）通過數字圖像相關技術對SHCC 直接拉伸加載過程進行拍攝分析，得到不同粉煤灰摻量下SHCC 的水平、豎向應變云圖，能夠較為直觀地觀測SHCC 抗拉過程中彈性階段和開裂階段的應變演化.

（3）本文提出的開裂面積比及分形維數能夠很好地反映材料的損傷程度及開裂復雜性，可作為描述材料損傷的度量指標.