凍融環境下PVA纖維水泥基復合材料斷裂性能*

黃志強， 徐光炯， 劉 鑫

(沈陽工業大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

混凝土存在脆性大、易開裂、韌性差、抗拉強度低、開裂后裂縫寬度難以控制等缺點，直接影響著結構的耐久性和使用壽命.為了克服這些缺點， 各類纖維在混凝土工程中的使用應運而生[1].基于斷裂力學和微觀力學的原理，美國密歇根大學的Victor教授和麻省理工大學的Christopher教授于1992年提出了一種拉伸變形性能優異的聚乙烯醇纖維增韌水泥基復合材料.通過系統地 設計、調整及優化，該復合材料在纖維體積摻量約為2%的情況下便可獲得3%以上的拉應變性能[2-3].

在寒冷地區，凍融循環是導致混凝土結構劣化的主要因素之一.混凝土在受凍后孔隙的溶液結冰膨脹，作用于孔隙壁，產生微裂紋損傷，最終導致混凝土內部開裂[4]，繼而降低結構或構件的使用壽命，因此，研究混凝土的抗凍性能具有重要的意義.自從PVA纖維水泥基復合材料出現以后，眾多學者對該復合材料的抗凍性能進行了研究，并取得一系列的研究成果[5-8].

本文對凍融循環后的試件進行三點彎曲試驗，研究PVA水泥基復合材料的起裂韌度、失穩韌度及斷裂能在不同凍融循環次數下的衰減規律.

1 試驗概況

1.1 試驗材料

水泥采用普通P·O 42.5水泥；粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰；細骨料采用50%的粒徑為0.15 mm尾礦砂和50%的粒徑為0.3 mm天然砂；減水劑為西卡減水劑；纖維采用國產ECC用改性聚乙烯醇(PVA)纖維，纖維性能參數如表1所示；試驗用水采用本地飲用自來水.

表1 PVA纖維性能參數Tab.1 Performance parameters for PVA fiber

1.2 試驗設計

PVA纖維水泥基復合材料制備時，先將水泥、粉煤灰、尾礦砂和天然砂按比例加入攪拌機中干拌2 min，使各種材料能夠均勻分散；加入增稠劑，攪拌1 min；加入水，并通過加入減水劑來調節水泥砂漿的流動性，攪拌3 min；最后加入PVA纖維，攪拌5～8 min，攪拌結束時應確保纖維在漿體中不成團、不結塊.如果纖維未能在水泥基材中均勻分散，不僅影響PVA纖維水泥基復合材料的工作性能，而且會形成應力集中點，成為腐蝕介質侵入的薄弱點和突破口，危害結構安全，降低其使用壽命[9].將拌合物澆入模具后，應先放置在振動臺上振動2 min，減少氣泡數量同時將表面抹平，之后蓋上塑料薄膜，并置于室內養護24 h，拆模后放入標準養護室中進行養護.預制裂縫的縫高為2 cm，即縫高比為0.2.試件的纖維摻量為2%，水灰比為0.5，粉煤灰代替率為54.5%，尾礦砂代替率為50%，增稠劑摻量為0.13%，減水劑摻量為0.5%.

1.3 試驗方法

凍融循環試驗根據《水工混凝土試驗規程》(SL352—2006)中抗凍性能試驗的快凍法，采用天津市港源試驗儀器廠的混凝土快速凍融試驗機進行凍融循環試驗.當凍融循環達到指定設計凍融次數時，從試驗機中拿出其中1組試件，進行三點彎曲試驗.而其余各組試件繼續進行后續的凍融循環，直至達到所設計的循環次數.

試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，采用三點彎曲加載方式，圖1為三點彎曲試驗示意圖.用電液伺服試驗系統對試件進行加載，采用位移控制加載，加載速度為0.05 mm/min.計算機自動采集數據，利用荷載傳感器測定荷載P，同時利用非接觸式視頻測量儀采集裂縫開口位移和撓度等變化情況.

圖1 試件加載方式示意圖Fig.1 Schematic loading mode for specimen

2 試驗結果及分析

試件分為8組，每組3個試件，共24個試件，編號分別為D-0、D-25、D-50、D-75、D-100、D-150、D-200、D-250，數字即為凍融次數.當試件達到凍融次數后，進行三點彎曲斷裂試驗.

2.1 破壞形態分析

圖2為凍融循環250次后的試件表面照片.進行凍融循環試驗之前，所有試件表面均較光滑，且無明顯孔洞，纖維在基體內部的分散性較好.經過250次凍融循環后的試件表面出現龜裂現象，表面的水泥砂漿出現剝落，但現象并不嚴重，且纖維與部分剝落的水泥砂漿仍然連結在一起.試件棱角處水泥砂漿也出現輕微的脫落現象.整個試件表面與棱角處均有少量纖維露出，且未見明顯的裂紋，這主要是由于PVA纖維的加入改善了試件內部結構，提高了試件抵抗由于凍融作用產生的膨脹應力的能力，對試件的凍脹開裂起到了有效的抑制作用.

2.2 質量損失率

試件在不同凍融循環次數后的質量損失率如圖3所示.從圖3可以看出，隨著凍融循環次數的增加，試件的質量呈現上升趨勢.在凍融循環次數達到250次后，試件的質量增加了1.92%，摻入PVA纖維對試件的質量損失率有明顯的影響，主要原因是由于PVA纖維在基體中彼此相連，阻礙表面砂漿的脫落，且試件表面脫落的部分水泥砂漿仍然被纖維連結著，同時隨著凍融循環次數的增加，試件內部的孔隙率也隨之增大，導致試件外部的水不斷進入內部孔隙中，彌補了試件本身的質量損失，使質量表現為增長的趨勢.

圖3 質量損失率變化曲線Fig.3 Change curve of mass loss rate

2.3 雙K斷裂韌度計算及分析

裂縫擴展過程可分為三個階段：起裂階段，裂縫穩定擴展階段，失穩破壞階段.其中，起裂時所對應的斷裂韌度稱為起裂韌度，失穩時所對應的斷裂韌度稱為失穩韌度，二者稱為雙K斷裂韌度.雙K斷裂韌度及斷裂能的計算公式借鑒《混凝土斷裂試驗與斷裂韌度測定標準方法》[10].

2.3.1 起裂斷裂韌度計算及分析

起裂斷裂韌度的計算公式為

(1)

(2)

(3)

圖4為試件的P-CMOD(crack mouth opening displacement)曲線前半部分，通過該段曲線的拐點來確定起裂荷載，從而得到對應的起裂韌度.

圖4 荷載開口位移曲線Fig.4 Load-crack mouth opening displacement (CMOD) curve

經過不同的凍融循環次數后試件的起裂斷裂韌度曲線如圖5所示.從圖5可以看出，PVA纖維水泥基復合材料的起裂斷裂韌度隨凍融循環次數的增加呈現下降趨勢，且下降趨勢隨著凍融循環次數的增加有一定的放緩.250次凍融循環后試件起裂斷裂韌度下降37.2%，從原先的0.369 MPa·m1/2下降到0.232 MPa·m1/2.在凍融循環過程中，由于凍融產生的膨脹應力作用使試件內部原有的微裂縫發生不斷延伸的情況，導致其內部結構受到損傷，因此，起裂荷載也隨之改變從而導致起裂斷裂韌度的下降.

圖5 起裂韌度變化曲線Fig.5 Change curve of initial fracture toughness

2.3.2 失穩斷裂韌度計算及分析

失穩斷裂韌度的計算公式為

(4)

(5)

(6)

其中，h0為裝置夾式引伸計刀口薄鋼板的厚度.在此試驗中，開口位移采集方式為非接觸式視頻測量儀采集方式，所測點在裂縫最下方，故h0取0，Vc為裂縫張開口臨界位移值，即峰值所對應的開口位移值，E為計算彈性模量，其表達式為

(7)

其中，ci為試件的初始值，可由試件P-CMOD曲線上升段的直線部分上任意一點計算得到.

圖6、7分別為峰值荷載和裂縫臨界開口位移變化曲線.從圖6、7可以看出，荷載最大值Fmax和臨界開口位移Vc隨著凍融循環次數的增加而逐漸降低，但Vc的降低幅度要明顯大于Fmax的降低幅度.在達到250次凍融循環時，臨界開口位移Vc下降45.8%，而荷載最大值Fmax只下降18.9%.從圖8可以看出，隨著凍融循環次數的增加，試件的失穩斷裂韌度呈現出下降的趨勢，而且下降的幅度較大.凍融循環250次后，試件的失穩斷裂韌度下降了51.1%，從原先的8.614 MPa·m1/2下降到了4.214 MPa·m1/2.

圖6 峰值荷載變化曲線Fig.6 Change curve of peak load

圖7 裂縫臨界開口位移變化曲線Fig.7 Change curve of critical CMOD of crack

圖8 失穩韌度變化曲線Fig.8 Change curve of unstable toughness

2.4 斷裂能計算及分析

斷裂能的計算公式為

GF=(W0+mgδ0)/Atig

(8)

式中：GF為斷裂能；W0為荷載撓度曲線與x坐標軸所圍成的面積；δ0為最大撓度值；Atig為韌帶斷裂面積.在計算試件斷裂能的過程中，試件的質量對斷裂能的影響不大，但仍然不可忽略.

圖9為斷裂能與凍融循環次數的關系曲線.由圖9可知，隨著凍融循環次數的增加，試件的斷裂能隨之下降.當凍融循環次數達到250次時，試件的斷裂能下降48.4%，從原先的6 837.8 N/m下降到3 526.0 N/m.主要原因是在凍融循環中，由于凍融產生的體積膨脹應力的作用，試件內部產生較多的微裂縫，且微裂縫不斷擴展，使其內部結構受到損傷，從而導致斷裂能下降.

圖9 斷裂能變化曲線Fig.9 Change curve of fracture energy

3 結 論

隨著凍融循環次數的增加，試件表面的破壞程度逐漸加深.當凍融循環次數達到250次時，試件表面有少量纖維露出并出現少量的浮渣.隨著凍融循環次數的增加，試件的質量并未發生減少的情況，反而隨著凍融循環次數的增加而逐漸增加.

試件的起裂斷裂韌度和失穩斷裂韌度隨著凍融循環次數的增加而逐漸減低，失穩斷裂韌度的下降幅度要大于起裂斷裂韌度.而在計算失穩斷裂韌度中，峰值荷載的下降幅度要遠小于臨界開口位移值的下降幅度.試件的斷裂能隨著凍融循環次數的增加而逐漸降低.

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