三點彎曲下PVA-尾礦砂水泥基復合材料斷裂特性*

黃志強， 劉　鑫， 皮新萌

(沈陽工業大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

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三點彎曲下PVA-尾礦砂水泥基復合材料斷裂特性*

黃志強， 劉鑫， 皮新萌

(沈陽工業大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

針對混凝土的早期開裂問題，設計了PVA-尾礦砂水泥基復合材料三點彎曲梁試驗，研究了尾礦砂摻量、縫高比、纖維摻量以及使用條件對斷裂韌度和斷裂能的影響規律.通過試驗得出P-δ曲線和P-COMD曲線，并計算斷裂韌度和斷裂能.結果表明：斷裂韌度與縫高比成反比，且隨著纖維摻量的增加而增加，但尾礦砂對斷裂韌度的影響卻很小；斷裂能隨纖維摻量的增加而增加，隨尾礦砂摻量的增加而降低；正常使用條件下的斷裂能、斷裂韌度計算值比腐蝕使用條件下的斷裂能、斷裂韌度計算值均增大約10%.

三點彎曲； 水泥基復合材料； 纖維摻量； 尾礦砂摻量； 縫高比； 起裂斷裂韌度； 失穩斷裂韌度； 斷裂能

自從1961年Kaplan進行了斷裂韌度試驗，首次將斷裂力學的概念應用于混凝土中，隨后有關學者針對混凝土的斷裂性能進行了大量的試驗研究工作，斷裂力學被逐漸應用于研究混凝土的斷裂特性，成為繼彈性力學和塑性力學之后第三個指導混凝土結構設計的力學依據.1980年潘家錚提出斷裂力學可能是水工設計中的一種有用的工具，利用斷裂力學分析了水工結構裂縫，同年，于驍忠和居襄發表了混凝土斷裂韌度的試驗研究成果.繼此，國內學者[1-7]對混凝土斷裂特性的研究也陸續展開，并取得了重要研究成果，大連理工大學教授徐世烺[8-10]等人在大量試驗的基礎上，于2005年制定了《水工混凝土斷裂試驗規程》[11]，統一了混凝土斷裂韌度的測試方法，為混凝土壩的斷裂試驗提供了統一的標準.但是，目前關于將斷裂力學用于PVA-尾礦砂水泥基復合材料的研究仍比較少，因此，本文基于三點彎曲梁試驗，利用斷裂力學的研究方法，分析了采用不同骨料、纖維摻量、縫高比和使用條件等因素對材料力學性能的影響，找到力學性能的最優化配合比.

1　試驗材料

試驗中采用42.5硅酸鹽水泥、Ⅰ級粉煤灰、西卡減水劑，細骨料采用粒徑為0.15 mm尾礦砂和粒徑為0.3 mm天然砂，其中尾礦砂為本溪紅透山鐵礦尾礦砂，PVA纖維為泰安同伴PVA纖維.PVA纖維特性如表1所示.部分試驗材料如圖1所示.

表1　PVA纖維特性Tab.1　Features of PVA fiber

圖1　部分試驗材料Fig.1　Sectional experimental materials

2　試驗方法

水泥基復合材料的投料與攪拌工藝如圖2所示，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的三點彎曲梁.試件分為兩部分：常態養護條件下三點彎曲；鹽化腐蝕使用條件下三點彎曲，此條件下試件需正常養護28 d后，再放入5%氯化鈣溶液進行浸泡鹽化腐蝕28 d.尾礦砂的摻量為0%、50%和100%，纖維的摻量為1.5%和2%，預制裂縫的制作方法采用鋸切裂縫，縫寬控制在(3±1) mm，縫高為2、3和4 cm，即縫高比分別為0.2、0.3和0.4，水灰比為0.32，粉煤灰的替代率為54.5%，減水劑為高效減水劑，摻量為0.75%.

圖2　投料與攪拌工藝Fig.2　Material feeding and stirring process

試件編號可描述為：W代表尾礦砂百分比；X代表纖維摻量；F代表縫高比；Z代表正常使用條件；Y代表鹽化使用條件.如WXFZ-0-1.5-2代表正常使用條件下，尾礦砂摻量為0%，纖維摻量為1.5%，預制裂縫高度為2 cm.

圖3為三點彎曲試驗示意圖.用電液伺服結構試驗系統對試件進行加載，采用等速位移控制，加載速度為0.08 mm/min.利用計算機采集系統記錄試件破壞全程的數據，同時利用非接觸式視頻測量儀進行全程錄像，采集位移、應變、撓度和縫寬的變化情況.

圖3　三點彎曲試驗示意圖Fig.3　Schematic three point bending test

3　試驗結果計算與分析

尾礦砂水泥基復合材料屬于韌性材料，試件在彎曲過程中會出現許多裂縫現象，應變會發生硬化，本文分別采用了斷裂韌度和斷裂能的概念來進行韌性評價.

3.1三點彎曲試驗現象與試驗曲線分析

3.2斷裂韌度計算及分析

(2)

(3)

式中：FQ為起裂荷載；m為試件支座間的質量；g為重力加速度；S為試件兩支座間的跨度；ac為有效裂縫長度；t為試件厚度；h為試件高度；a0為初始裂縫長度.

(5)

式中，Fmax為最大荷載.斷裂韌度的計算結果如表2所示.

Fig.4Load-deflection and load-CMOD curves for WXF-0-1.5-3 under different working conditions

表2　斷裂韌度計算結果Tab.2　Calculated results of fracture toughness　MPa·m1/2

韌度增大幅度較小，一般為0.9%～5%.由表2可知，在腐蝕使用條件下，起裂斷裂韌度變化規律同正常使用條件下相似，尾礦砂含量多少對失穩斷裂韌度影響并不十分明顯，約為2%.

圖5　斷裂韌度尾礦砂摻量的關系Fig.5　Relationship between fracture toughness and tailing sand content

圖6　斷裂韌度縫高比的關系Fig.6　Relationship between fracture toughness and crack-depth ratio

圖7　斷裂韌度纖維摻量的關系Fig.7　Relationship between fracture toughness and fiber content

圖8為WXF-0-1.5-2的斷裂韌度與使用條件的關系圖.由圖8可知，在尾礦砂摻量相同、纖維摻量相同、縫高比相同、正常使用條件下，斷裂韌度與腐蝕使用條件下相比，起裂斷裂韌度大40%，失穩斷裂韌度大20%.

圖8　斷裂韌度與使用條件的關系Fig.8　Relationship between fracture toughness and working conditions

3.3斷裂能計算及分析

通過測量P-δ曲線，計算斷裂能，其表達式為

(6)

式中：δ0為荷載P下降到接近零時對應的位移；a為裂縫高度.表3為斷裂能計算結果.

表3　斷裂能計算結果Tab.3　Calculated results of fracture energy

圖9為纖維摻量為1.5%、縫高比為0.3時斷裂能與尾礦砂摻量變化關系.由圖9可知，在同一縫高比、同一種纖維摻量、正常使用條件下，隨著尾礦砂含量的增加，斷裂能基本呈現逐漸減少的趨勢，減小量約為25%以上；在腐蝕使用條件下，斷裂能減小量約為10%以上.其中有幾組的變化趨勢不是很明顯，主要原因是一方面為裂縫的預制過程中人工控制可能會出現一些偏差，但偏差并不是很大，另一方面為纖維的分布方式也會影響斷裂能的大小.

圖9　斷裂能與尾礦砂摻量變化關系Fig.9　Relationship between fracture energy and tailing sand content

圖10為尾礦砂摻量為0%、纖維摻量為2%時斷裂能與縫高比變化關系.由圖10可知，在同一配合比、同一種纖維摻量、正常使用條件下，隨著縫高比的增加，斷裂能逐漸降低，降低大小為3%～20%；在腐蝕養護條件下，斷裂能降低為5%～30%.因此，縫高比越大，斷裂能越小.

圖10　斷裂能與縫高比變化關系Fig.10　Relationship between fracture energy and crack-depth ratio

在同一縫高比、正常使用條件下，對于尾礦砂摻量為0%、50%、100%的三組試件，隨著纖維摻量的增大，其斷裂能增大量分別約為100%、25%、100%；在同一縫高比、腐蝕使用條件下，對于尾礦砂摻量為0%、50%、100%的三組試件，隨著纖維摻量的增大，其斷裂能增大量分別約為80%、30%、80%.圖11為尾礦砂摻量為50%、縫高比為0.2的斷裂能與纖維摻量變化關系.

圖11　斷裂能與纖維摻量變化關系Fig.11　Relationship between fracture energy and fiber content

圖12為尾礦砂摻量為0%、纖維摻量為1.5%、縫高比為0.2的斷裂能與使用條件變化關系.由圖12可知，同一種配合比、正常使用條件下比腐蝕使用條件下的斷裂能高約30%，但配合比不同，使用條件對斷裂能的影響量略有差別，根據表3的數據可知，尾礦砂摻量越高，養護條件對斷裂能的影響越小.

圖12　斷裂能與使用條件變化關系Fig.12　Relationship between fracture energy and working conditions

4　結　論

通過對PVA-尾礦砂水泥基復合材料三點彎曲試驗斷裂問題進行研究，可以得出如下結論：

1) 斷裂能在正常使用條件下，隨纖維摻量的增加而增大，纖維摻量為2%的斷裂能較摻量為1.5%大20%以上，隨尾礦砂摻量的增大而減小，減小量約為3%～20%.在腐蝕使用條件下，斷裂能隨著縫高比的增大而減小，減小量約為5%～30%，隨纖維摻量的增大而增大，纖維摻量為2%的斷裂能較摻量為1.5%大30%以上，隨尾礦砂摻量的增大而減小，減小量約為15%.正常使用條件下的斷裂能計算值比腐蝕使用條件下的斷裂能計算值大約10%.

2) 斷裂韌度在正常使用條件下，隨縫高比的增大而減小，且其減小量為5%以上，隨纖維摻量的增大而增大，纖維摻量為2%的斷裂韌度較摻量為1.5%大10%以上，而尾礦砂摻量對其影響很微小.在腐蝕使用條件下，斷裂韌度隨著縫高比的增大而減小，減小量約為10%以上，隨纖維摻量的增大而增大，纖維摻量為2%的斷裂韌度較摻量為1.5%大20%以上，而尾礦砂摻量對其影響很微小.正常使用條件下的斷裂韌度計算值比腐蝕使用條件下的斷裂韌度計算值大約10%.

3) 根據斷裂能及斷裂韌度的數據分析，可以選擇配合比WX-50-2作為最優配合比.

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(責任編輯：鐘媛英文審校：尹淑英)

Fracture characteristics of PVA reinforced tailing sand cementitious composite under three-point bending

HUANG Zhi-qiang, LIU Xin, PI Xin-meng

(School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to solve the early-stage cracking problem of concrete, the three point bending beam test of PVA reinforced tailing sand cementitious composite was designed. The influence of tailing sand content, crack depth ratio, fiber content and working conditions on the fracture toughness and fracture energy was studied. The fracture toughness and fracture energy were calculated through theP-δcurves andP-COMD curves obtained from the test. The results show that the fracture toughness is inversely proportional to the crack-depth ratio, and increases with increasing the fiber content, but the tailing sand content has little effect on the fracture toughness. The fracture energy increases with increasing the fiber content, while decreases with increasing the tailing sand content. Under the normal working condition, the calculated values of both fracture energy and fracture toughness are 10% larger than those obtained under the corrosion working condition.

three-point bending; cementitious composite; fiber content; tailing sand content; crack-depth ratio; initial fracture toughness; unstable fracture toughness; fracture energy

2015-10-15.

國家自然科學基金資助項目(51474050)； 遼寧省教育廳基金資助項目(201344089).

黃志強(1971-)，男，黑龍江伊春人，副教授，博士，主要從事巖石和混凝土損傷斷裂力學問題等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.04.16

TU 528

A

1000-1646(2016)04-0450-07

*本文已于2016-03-02 16∶45在中國知網優先數字出版. 網絡出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1645.040.html