混雜纖維增強應變硬化水泥基復合材料的彎曲性能預測

張 聰，夏超凡,袁 振,李志華

(1.江南大學 環境與土木工程學院，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，湖北 武漢 430000; 3.中國建筑材料科學研究學院 綠色建筑材料國家重點實驗室，北京 100024)

應變硬化水泥基復合材料(SHCC)的極限拉伸應變大、延性好，近年來受到了土木工程領域的廣泛關注[1-6].但是由于成本原因，SHCC的推廣應用依然存在瓶頸.纖維混雜化是提高SHCC性價比的重要手段之一[7-20].近年來，國內外學者對鋼纖維(SF)/聚乙烯醇(PVA)纖維混雜應變硬化水泥基復合材料(SF-PVA/SHCC)的基本力學性能開展了廣泛的試驗研究[8-20].相比于直接拉伸試驗，彎曲試驗更容易開展且其數據離散較小.而且從結構材料的工程應用角度來看，深入了解SF-PVA/SHCC的彎曲性能是其在建筑結構構件中應用的前提.近年來，國內外學者對PVA纖維混雜應變硬化水泥基復合材料(PVA/SHCC)以及SF-PVA/SHCC的彎曲性能開展了一定的研究，但是目前依然欠缺能夠預測SF-PVA/SHCC彎曲性能的理論計算方法.

1 試驗

1.1 基體材料

基體選用水泥砂漿，材料包括無錫天山水泥集團有限公司生產的P·O 42.5水泥、河南四通化建有限公司提供的Ⅰ級粉煤灰和精細石英砂(粒徑100～210μm，平均粒徑150μm)，按照m(水泥)∶m(粉煤灰)∶m(石英砂)=1.0∶4.0∶1.8的比例混合，水膠比mW/mB=0.34.瑞士進口的Sika牌聚羧酸高性能減水劑，減水率(質量分數)28.3%，用于調節新拌漿體的工作性，摻量為膠凝材料質量的0.5%.

1.2 纖維材料

鋼纖維(SF)由上海真強纖維有限公司生產，有端部彎鉤，長度為13mm，直徑為0.2mm，長徑比為65，抗拉強度為2000MPa，彈性模量為200～210GPa，密度為7.8g/cm3；PVA纖維由日本可樂麗公司生產，長度為12mm，直徑為39μm，抗拉強度為 1100MPa，彈性模量為 42.8GPa，密度為1.3g/cm3.試驗中各纖維摻量(均以SHCC的體積分數計)如表1所示.

表1 應變硬化水泥基復合材料中纖維摻量

1.3 試件制作

采用無錫建材試驗儀器廠的JJ-5型行星式水泥膠砂攪拌機，先將水泥、粉煤灰、石英砂干拌2min；隨后加入水和高效減水劑，攪拌2min；最后均勻加入纖維，攪拌5min，獲得新拌水泥基材料.攪拌過程中發現，新拌材料工作性良好，纖維分散比較均勻，未發現明顯的纖維纏繞與結團現象.采用100mm×400mm×15mm試件測試材料的抗彎性能，每組配合比成型試件3個.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》，新拌材料裝模后放入標準養護箱中養護24h后拆模，在(20±2)℃、相對濕度95%的條件下繼續養護至28d，將試件取出進行彎曲性能試驗.

1.4 彎曲性能試驗

采用濟南蘭博時代測試技術有限公司的WAW-100D型萬能試驗機，按照圖1所示加載裝置進行加載.試件跨距為300mm，通過荷載傳感器(量程10kN)和位移計(LVDT)測試試件的彎曲荷載及跨中撓度.加載方式為位移控制，加載速率為0.5mm/min.

圖1 彎曲性能試驗加載裝置Fig.1 Loading instrument for flexural property test(size：mm)

2 結果與討論

2.1 彎曲荷載-撓度曲線

圖2為各組試件的彎曲荷載-撓度曲線.圖3為各組試件的抗彎強度與極限彎曲撓度的平均數據統計.由圖2、3可以看出：(1)鋼纖維劣化了SHCC的彎曲變形能力，說明PVA纖維對SHCC的彎曲撓度硬化行為起控制作用；隨著鋼纖維摻量的提高，SHCC的彎曲變形能力將進一步劣化，當鋼纖維摻量由0%增加到1.00%時，SHCC的極限彎曲撓度降低了63.7%.這是因為相同摻量條件下，鋼纖維的根數和PVA纖維的根數差異太大.因此，實際上纖維的有效橋聯應力是不足的[4]，導致SHCC的硬化過程和多縫開裂過程并不穩定，從而無法使SHCC表現出明顯的高延性.(2)鋼纖維提高了SHCC的彎曲承載能力，其抗彎強度隨著鋼纖維摻量的提高而增大，隨著鋼纖維摻量由0%增加到1.00%，SHCC的抗彎強度提高了57.3%.這是由于本文所采用的超細鋼纖維屬剛性纖維且帶有端部彎鉤，而亂向分布的微細鋼纖維可以很好地阻礙混凝土內部微裂縫的擴展以及宏觀裂縫的發生和發展，對主要由主拉應力控制的抗彎強度有明顯的改善作用.而PVA纖維屬柔性纖維，相比于微細鋼纖維，PVA纖維對SHCC的抗彎強度影響較弱.

圖3 各組試件的平均抗彎強度和極限彎曲撓度Fig.3 Average flexural strength and ultimate flexural deflection of each group sample

2.2 彎曲裂縫形態

圖4為各組試件跨中區域的彎曲裂縫形態.由圖4可以看出：PVA-SHCC在彎曲荷載作用下表現出了明顯的多縫開裂特征，裂縫寬度和裂縫間距均較?。浑S著鋼纖維摻量的提高，試件的彎曲裂縫寬度和裂縫間距逐漸變大，裂縫數量逐漸減少，多縫開裂現象逐漸變得不明顯，且出現裂縫局部化的現象.上述發現與各組試件荷載-撓度曲線所表現出來的規律一致：隨著鋼纖維摻量的提高，荷載-撓度曲線變得更加平滑(多縫開裂行為減弱)，極限撓度值逐漸減小(裂縫減少且出現局部化現象).

2.3 彎曲性能預測

2.3.1抗彎強度計算

Maalej等[21]研究發現，SHCC的抗彎強度(極限彎曲應力，σbu)與其抗拉強度(極限拉伸應力，σtu)的比值在1～4之間.在此基礎上，本文通過引入纖維增強因子(RIv)[22]，用于考慮混雜纖維體積和纖維幾何特征的影響，將PVA-SHCC以及SF-PVA/SHCC的σbu與σtu的關系表達為式(1).

(1)

每當母親用一些類似“牙膏沒有從最尾端擠出”“冰箱門沒關緊”“看電視超過半個小時”等等小事向我興師問罪，并且總是將矛頭轉向我的成績上面去時，我便知道，夜里，父親又會來到我的房間。

根據Li等[24]的研究，σtu=gσ0.其中：σ0為纖維橋聯應力，按式(2)計算；g為纖維效應系數，按式(3)計算.

(2)

(3)

式中：τPVA、τSF分別為PVA、SF纖維與基體的界面粘結強度，其取值可參考文獻[25]；φPVA、lPVA、dPVA分別為PVA摻量、長度和直徑；φSF、lSF、dSF分別為SF的摻量、長度和直徑；Fbe端部彎鉤鋼纖維的形狀特征系數[23]，取值范圍1.2～2，本文取為1.8；f為界面參數，取值范圍0～1，本文根據Ahmed等[20]的建議，取為0.55.

2.3.2極限彎曲撓度計算

(4)

(5)

根據Lin等[28]的研究，εtu可按式(6)計算.

(6)

式中：δcu為裂縫極限開口位移；xd為裂縫極限間距.為簡化計算，假設極限狀態時裂縫間距相等.

圖4 各組試件跨中區域的彎曲裂縫形態Fig.4 Flexural cracking pattern of each group sample in mid-span area

圖5 板隔離體的應變分布和曲率Fig.5 Strain distribution and curvature of slab free body

Kanda等[28]以及Li等[29]研究發現，PVA纖維會出現滑移-硬化行為，而剛性纖維如鋼纖維會出現滑移-軟化行為.Lin等[27]研究發現，如果忽略PVA纖維的滑移-硬化行為，會使δtu明顯偏低.對于有滑移-軟化現象的鋼纖維，δtu取值參考Li等[30]的研究.根據Lin等[27]的建議，考慮PVA纖維滑移-硬化行為，δtu可按式(7)計算.

(7)

(8)

(9)

表2為各組試件抗彎強度σbu和極限彎曲撓度(D)的理論計算結果與試驗結果的對比,其中σbu-theory/σbu-test均值為0.98，標準差為0.061，變異系數為0.062，Dtheory/Dtest均值為1.06，標準差為0.037，變異系數為0.035.

表2 各組試件的平均抗彎強度和極限彎曲撓度的理論值與試驗值對比

從表2可以看出，計算模型可以較好地預測SF-PVA/SHCC的彎曲性能.其中，極限彎曲撓度的理論計算結果均高于試驗結果，是因為理論計算中假定裂縫是均勻等間距分布的，是一種理想狀態，而實際試驗中SHCC的裂縫分布不均勻，裂縫開展是不充分的，因此實際情況下SHCC極限撓度的試驗值低于理論計算值.

3 結論

(1)鋼纖維劣化了SHCC的彎曲變形能力和多縫開裂能力；隨著鋼纖維摻量由0%增加到1.00%，SHCC的極限彎曲撓度降低了63.7%；隨著鋼纖維摻量的提高，SHCC的彎曲多縫開裂能力進一步劣化；鋼纖維對提高SHCC的彎曲承載能力有利，材料的抗彎強度隨鋼纖維摻量的提高而增大，隨著鋼纖維摻量由0%增加到1.00%，SHCC的抗彎強度提高了57.3%.

(2)本文提出的彎曲性能計算方法可以較好地預測SF-PVA/SHCC的抗彎強度和極限彎曲撓度.