碳酸鈣晶須對混雜纖維增強高延性水泥基復合材料力學性能的影響*

夏超凡，李志華，張 聰,2

(1. 江南大學 環(huán)境與土木工程學院， 江蘇 無錫 214000；2. 武漢理工大學 硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室， 武漢 430000)

0 引 言

高延性水泥基復合材料(High Ductility Cementitious Composites，HDCC)能有效改善水泥基材料固有的高脆低韌特性[1-5]，但是HDCC的成本問題一直是阻礙其大規(guī)模工程應用的瓶頸。

纖維混雜化是降低HDCC成本的重要手段之一[6-9]，且基于性價比考慮，目前國內(nèi)外學者重點關(guān)注鋼纖維與PVA纖維混雜增強高延性水泥基復合材料(HyFRHDCC)的研究。Khin等學者研究了鋼纖維/PVA纖維HyFRHDCC的材料性能和抗沖擊性能[10-11]，從研究結(jié)果來看，目前Khin等人所設(shè)計的HyFRHDCC材料雖然可以表現(xiàn)出應變硬化行為和多縫開裂特征，但與傳統(tǒng)PVA-HDCC的性能依然存在一定的差距。Alessandro等學者研究了鋼纖維、PVA纖維以及PE纖維在不同混雜方式下HDCC材料的拉伸性能[12]，雖然給出了混雜纖維HDCC的裂縫間距和纖維摻量的理論計算方法，但是拉伸實驗結(jié)果卻不理想，所設(shè)計的HyFRHDCC材料雖然表現(xiàn)出拉伸應變硬化行為，但是拉伸應變僅維持在1%左右。Valeria等學者研究了膨脹劑對鋼纖維、聚乙烯對苯二甲酸脂纖維、聚丙烯(PP)纖維和PVA纖維在不同混雜方式下HDCC材料的基本力學性能[13]，研究發(fā)現(xiàn)膨脹劑和鋼纖維的引入可以提高HDCC材料的抗彎強度，但是所設(shè)計的HyFRHDCC材料并沒有表現(xiàn)出明顯的硬化行為。張君等學者研究了鋼纖維/PVA纖維HyFRHDCC材料抗彎性能[14]，研究發(fā)現(xiàn)當水灰比為0.45時所設(shè)計的HyFRHDCC材料表現(xiàn)出較為明顯的撓度硬化行為，而且材料的抗彎強度明顯高于傳統(tǒng)的PVA-HDCC材料，但是從荷載-撓度曲線結(jié)果來看，材料的應變硬化能力還有待進一步提升。Qais等學者開展了鋼纖維、PVA纖維和尼倫纖維 HyFRHDCC性能的研究[15]，雖然研究者嘗試了同時使用3種纖維進行混雜，但是對于各纖維長度和直徑的選取并沒有充分區(qū)分和考量；從研究結(jié)果來看，所設(shè)計的HyFRHDCC材料的多縫開裂能力較弱，裂縫較寬且間距較大，而材料的應變硬化能力也非常有限。徐世烺研究了納米二氧化硅/鋼纖維/PVA纖維HyFRHDCC材料的基本力學性能[16]，研究發(fā)現(xiàn)，雖然納米二氧化硅并沒有強化PVA-HDCC材料的應變硬化能力，但是可以明顯提高PVA-HDCC材料的抗彎強度；而鋼纖維的引入雖然將PVA-HDCC材料的抗彎強度提高了近一倍且使材料的多縫開裂行為非常明顯，但是鋼纖維/PVA纖維混雜HDCC材料的應變硬化能力相比于傳統(tǒng)PVA-HDCC材料卻出現(xiàn)了一定程度的劣化。

本文引入生產(chǎn)成本僅1500元/噸高強度、高彈性模量的碳酸鈣晶須，以期通過晶須在微觀尺度的增強與增韌作用對HyFRHDCC的力學性能實現(xiàn)改善。研究了碳酸鈣晶須對HyFRHDCC拉伸性能和壓縮性能的影響，并利用掃描電子顯微鏡對HyFRHDCC的微觀結(jié)構(gòu)進行了表征與分析。

1 實驗概況

1.1 基體材料

本試驗采用P·O42.5水泥(無錫天山水泥集團有限公司)與I級粉煤灰(河南四通化建有限公司)作為膠凝材料，基本物理參數(shù)見表1。細骨料采用石英砂，粒徑在110～210 μm，平均粒徑為150 μm。采用聚羧酸高效減水劑(瑞士Sika，減水率28.3%)調(diào)節(jié)新拌漿體的工作性。由于適當增加粉煤灰摻量有利于提高HDCC的拉伸變形能力[17]，本文水泥、粉煤灰、細砂的質(zhì)量比為1∶4∶1.8∶1.7，拌合水為自來水，水膠比為0.34。

表1 水泥與粉煤灰的基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical properties of cement and fly ash

1.2 纖維與碳酸鈣晶須

實驗采用的纖維為日本Kuraray (可樂麗)公司生產(chǎn)的表面經(jīng)涂油處理的PVA纖維和上海真強公司生產(chǎn)的端部彎鉤型短切鋼纖維，選用上海峰竺有限公司生產(chǎn)的碳酸鈣晶須，各纖維及晶須的基本參數(shù)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Table 2 The physical and mechanical properties of each fiber and whisker

表3 纖維摻量Table 3 Dosage of each fiber

1.3 試件制備

單軸拉伸試驗選用啞鈴型試件，每組成型3個試件，為減少夾具處的應力集中導致拉斷，試件夾具固定處設(shè)計成弧形，具體尺寸如圖1所示。壓縮試驗每組成型3個尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試塊。

先將膠凝材料及石英砂和碳酸鈣晶須加入攪拌機干拌2 min，然后加入水與減水劑攪拌至具有良好的工作性，隨后加入鋼纖維與PVA纖維，繼續(xù)攪拌2 min直至纖維均勻分散，攪拌結(jié)束后裝入鋼模。24 h后拆模，移入恒溫恒濕養(yǎng)護箱，養(yǎng)護溫度為(20±2)℃，95%相對濕度，養(yǎng)護28 d后取出進行力學性能實驗。

1.4 實驗方法

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]，采用MTS萬能材料試驗機(美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司)測試試件的拉伸性能，加載方式為位移控制加載，加載速率為0.1 mm/min。采用荷載傳感器和引伸計測試試件拉伸過程中的荷載與變形，引伸計測試標距為50 mm，試驗裝置如圖1所示。

圖1 單軸拉伸試件尺寸與試驗裝置Fig 1 Dimension and device of uniaxial tensile test

采用WAW-600D萬能材料試驗機(濟南蘭博時代測試技術(shù)有限公司)測試試件的壓縮性能，加載方式為位移控制加載，加載速率為0.2 mm/min。采用荷載傳感器和位移計(LVDT)測試試件壓縮過程中的荷載與變形，LVDT測試標距為50 mm，試驗裝置如圖2與3所示。

圖2 壓縮試驗加載示意圖Fig 2 Schematic plot of compression loading

圖3 壓縮試驗裝置Fig 3 Compression testing up

2 結(jié)果與分析

2.1 拉伸性能

各組試件拉伸應力-應變曲線如圖4所示，其拉伸力學性能參數(shù)與拉伸韌性如表4所示。其中，采用拉伸應力-應變曲線下包裹的面積作為試件拉伸韌性評價指標。由圖4和表4可知，采用2%碳酸鈣晶須替代0.25%鋼纖維時，M1的拉伸峰值應變提高了21.9%，并且表現(xiàn)出更明顯的應變硬化行為；此外，引入碳酸鈣晶須提高了試件的初裂應變。采用2%碳酸鈣晶須替代0.25%PVA纖維時，M2的初裂應力提高了20.6%，而峰值應力和峰值應變出現(xiàn)了一定程度的劣化，但仍能保持較好的拉伸性能；而當PVA纖維摻量減少至1%時，M3出現(xiàn)了明顯的應變軟化現(xiàn)象。

由表4可知，M1的拉伸韌性為13.89 N·mm /mm3，相比于M0提高了54.0%；M2的拉伸應變能相比于M0出現(xiàn)了略微的下降，但是仍然具有較好的能量吸收能力，這說明在合適的PVA纖維和鋼纖維摻量下加入一定量的碳酸鈣晶須可以維持甚至改善試件的拉伸韌性。對比M1、M2、M3可以發(fā)現(xiàn)，隨著PVA纖維摻量的降低和鋼纖維摻量的提高，試件的拉伸韌性呈現(xiàn)不同程度的下降，說明在開裂后PVA纖維對抑制裂縫的擴展起控制作用。

圖4 各組的拉伸應力-應變曲線Fig 4 Tensile stress-strain curves of each groups

表4 各組試件的拉伸力學性能參數(shù)與拉伸韌性平均值Table 4 Average value of basic tensile mechanical properties and tensile toughness for each groups

2.2 壓縮性能

各組試件的壓縮應力-應變曲線如圖5所示，其壓縮力學性能參數(shù)與壓縮韌性如表5所示。其中，采用壓縮應力-應變曲線下包裹的面積作為試件壓縮韌性評價指標。由圖5和表5可知，采用2%碳酸鈣晶須替代0.25%的鋼纖維時，雖然M1的峰值應力呈現(xiàn)一定程度的下降，但是相比于M0，峰值應變提高了25.2%。采用2%碳酸鈣晶須替代0.25%PVA纖維時，M2的峰值應力有所提升，但是提升程度不大；同時，M2相比于M0，峰值應變提高了9.6%。對比M1、M2可以發(fā)現(xiàn)，鋼纖維對壓縮性能的影響優(yōu)于PVA纖維。對比M1、M2、M3與M4可以發(fā)現(xiàn)，鋼纖維的摻量會影響峰值應力，但是效果不明顯；此外，加入碳酸鈣晶須的各組峰值應變均得到了不同程度的提高。

由表5可知，在引入碳酸鈣晶須后，各組試件的峰前壓縮韌性呈現(xiàn)明顯提高，這說明碳酸鈣晶須在裂縫擴展前期對基體起到了較好的增強增韌作用。M1的峰后壓縮韌性相比于M0降低了15.4%，鋼纖維摻量相對較高的M2、M3組試件，其峰后壓縮韌性分別提高了1.2%、15.4%，可以發(fā)現(xiàn)在壓縮應力超過峰值應力后，碳酸鈣晶須的增韌作用減弱，鋼纖維對材料的峰后壓縮韌性起控制作用；且隨鋼纖維摻量的提高，試件的峰后壓縮韌性和總壓縮韌性呈現(xiàn)增長趨勢。這是由于鋼纖維的彈性模量高、剛度大，對提高試件的抗壓強度有利；而碳酸鈣晶須彌補了基體微觀層面的不足，改善了基體的密實性，提高了對鋼纖維的握裹能力，從而提高了試件的韌性。

2.3 微觀形貌表征

試件破壞斷面口在不同放大倍數(shù)下的掃描電子顯微鏡照片如圖6所示。由圖6(a)可知，PVA纖維表面粗糙且未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，說明纖維的拔出效果理想，在粘結(jié)滑移過程中可以吸收較多的能量。值得注意的是，在圖6(b)中鋼纖維附近的裂紋出現(xiàn)了偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，裂紋沒有集中出現(xiàn)在缺陷較多的地方，而是向PVA纖維分布較為集中的區(qū)域延伸，通過這種對裂紋的偏轉(zhuǎn)可以限制基體中應力集中的進一步發(fā)展，從而提高試件的韌性。

圖5 各組試件的壓縮應力-應變曲線Fig 5 Compressive stress-strain curves of each groups

表5 各組試件的壓縮力學性能和壓縮韌性Table 5 Basic compressive mechanical properties and compressive toughness of each groups

由圖6(c)可以看到，碳酸鈣晶須與基體粘接緊密，在微觀層面實現(xiàn)了對裂紋的偏轉(zhuǎn)以及對缺陷和微觀裂縫的橋聯(lián)，并通過晶須拔出機制實現(xiàn)了對基體的增強增韌作用。由圖6(d)可以發(fā)現(xiàn)，碳酸鈣晶須分布均勻，提高了水泥基體的密實性；此外，在碳酸鈣晶須周圍還分布著許多微裂紋，說明碳酸鈣晶須能有效延緩微裂紋的擴展過程，并通過對裂紋的偏轉(zhuǎn)等作用產(chǎn)生更多的微裂源，改善試件的多縫開裂能力。

圖6 HyFRHDCC的微觀結(jié)構(gòu)Fig 6 Microstructures of HyFRHDCC

3 結(jié) 論

(1)引入碳酸鈣晶須提高了試件的初裂拉伸應變，在1.5%PVA+0.25%鋼纖維HyFRHDCC中摻入2%碳酸鈣晶須可以改善材料的拉伸性能；當PVA纖維減少至1%時，HyFRHDCC出現(xiàn)了明顯的應變軟化行為；隨著PVA纖維摻量的降低和鋼纖維摻量的提高，試件的拉伸韌性呈現(xiàn)不同程度的下降， PVA纖維對抑制試件拉伸過程中裂縫的擴展起控制作用

(2)引入碳酸鈣晶須提高了HyFRHDCC的峰值壓縮應變和峰前壓縮韌性，當壓縮應力超過峰值應力后，碳酸鈣晶須作用減弱，鋼纖維起控制作用。

(3)碳酸鈣晶須通過裂紋偏轉(zhuǎn)、晶須拔出和裂縫橋聯(lián)等微觀作用機制實現(xiàn)了對HyFRHDCC壓縮性能和拉伸性能的改善。