粉煤灰摻量對(duì)應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料力學(xué)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(xué) 土木工程學(xué)院，山東青島 266033；2.青島理工大學(xué)山東省藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，山東青島 266033）

為了克服混凝土的脆性問題，相關(guān)學(xué)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(fù)合材料中主要起到阻裂、增強(qiáng)和增韌的作用［4］.Li等［5］基于微觀力學(xué)和斷裂力學(xué)理論提出，利用隨機(jī)亂向分布的纖維增強(qiáng)水泥基材料后，其在拉伸荷載作用下，具有應(yīng)變硬化特征及多重開裂行為，故被稱為應(yīng) 變硬化水泥基復(fù) 合材料（SHCC）［6?7］.Heravi等［8?9］利用數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)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(duì)SHCC 力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明粉煤灰能夠減少纖維-基體間的黏結(jié)，從而改善材料的延性.

為研究粉煤灰摻量對(duì)SHCC 力學(xué)性能及損傷特征的影響，本文基于DIC 技術(shù)，采用單軸拉伸、三點(diǎn)彎曲和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)摻加粉煤灰的SHCC（FA?SHCC）的力學(xué)性能進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了加載過程中應(yīng)變演化的可視化，同時(shí)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(shù)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(yàn)

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(jí)粉煤灰，燒失量為0.96%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的組成、摻量、比值等除特殊說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比），其化學(xué)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(chǎn)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(zhì)量計(jì)，PVA 纖維的體積分?jǐn)?shù)φPVA=2%.根據(jù)粉煤灰與水泥的質(zhì)量比mFA/mC，將FA?SHCC 試件記為FA1.2、FA1.5、FA2.0，F(xiàn)A?SHCC 的配合比見表2.為進(jìn)行比較，制備了PVA 纖維體積分?jǐn)?shù)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(xué)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(duì)濕度為（95±5）%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d 后進(jìn)行相關(guān)力學(xué)試驗(yàn).

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

1.3 試驗(yàn)方法

用日本島津生產(chǎn)的萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試.對(duì)邊長為70.7 mm 的立方體試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，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(qiáng)度.三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)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(duì)試件進(jìn)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(xiàn)［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(cè)的位移傳感器LVDT 進(jìn)行位移采集.用DIC 技 術(shù)［17］對(duì) 拉 伸試驗(yàn)過程進(jìn)行記錄，啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)前先啟動(dòng)工業(yè)相機(jī)，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(yàn)機(jī)記錄加載過程中試件所變的荷載和位移數(shù)據(jù)，數(shù)字圖像相關(guān)設(shè)備記錄加載過程中試件的變形數(shù)據(jù).

2 結(jié)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(qiáng)度，與純漿體相比，F(xiàn)A1.2、FA1.5、FA2.0 的抗壓強(qiáng)度分別增加了19.59%，38.25%、41.59%；隨著粉煤灰摻量的增加，F(xiàn)A?SHCC 的抗壓荷載和抗壓強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)mFA/mC從1.2 增加到1.5、2.0 時(shí)，純漿體的抗壓強(qiáng)度分別降低了14.91%、32.97%，而FA?SHCC 的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度降低的幅度；當(dāng)mFA/mC從1.2 增加到1.5 時(shí)，粉煤灰摻量的增加對(duì)FA?SHCC 抗壓強(qiáng)度的降低幅度較小.在保證SHCC 構(gòu)件具有較好抗壓性能的基礎(chǔ)上，可以適當(dāng)利用粉煤灰替代水泥，進(jìn)而降低材料造價(jià)，提高材料的環(huán)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(yīng)變硬化階段和失效階段［18］3 個(gè)階段；隨著粉煤灰摻量的增加，試件的應(yīng)變硬化階段逐漸延長，并且荷載波動(dòng)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(jìn)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(duì)FA?SHCC 彎曲荷載-位移曲線進(jìn)行分析和計(jì)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(duì)應(yīng)的位移）等彎曲性能參數(shù)，結(jié)果見表3.由表3 可見：隨著粉煤灰摻量的增加，F(xiàn)A?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(dāng)mFA/mC=2.0 時(shí)，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(shù)Table 3 Bending performance parameters of FA‐SHCC

2.3 直接拉伸性能

FA?SHCC 的直接拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4，圖中相同顏色線型為4 個(gè)同組FA?SHCC 試件的測試結(jié)果.由圖4 可見：FA1.2 的峰值強(qiáng)度最大，F(xiàn)A2.0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，F(xiàn)A1.2 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(guān)［19?20］，粉煤灰摻量的增加使得纖維與基質(zhì)之間的黏結(jié)力降低，進(jìn)而增加了纖維拔出的可能，同時(shí)使基體的斷裂韌性降低，使材料能夠達(dá)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(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Direct tensile stress?strain curves of FA?SHCC

根據(jù)FA?SHCC 的直接拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到其拉伸性能參數(shù)：初裂強(qiáng)度σ0、峰值應(yīng)力σmax、應(yīng)變能Es（峰值應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積）、初裂應(yīng)變?chǔ)?和峰值應(yīng)變?chǔ)舖ax，結(jié)果見表4.由表4 可見，隨著粉煤灰摻量的增加，F(xiàn)A?SHCC 的初裂強(qiáng)度和峰值應(yīng)力逐漸降低，且峰值應(yīng)力降低幅度較大，而應(yīng)變能呈線性增大.這主要是由于試件的初裂強(qiáng)度主要與基體強(qiáng)度有關(guān)，粉煤灰摻量增加，使得水泥摻量降低，導(dǎo)致水與水泥的質(zhì)量比增加，水泥水化產(chǎn)物減少，進(jìn)而使FA?SHCC 的基體強(qiáng)度降低.隨著粉煤灰摻量的增加，F(xiàn)A?SHCC 的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)力波動(dòng)較多，這表明在試件表面出現(xiàn)多條裂縫，裂縫的形成需要消耗大量能量，故應(yīng)變能逐漸增大.從應(yīng)變結(jié)果可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，F(xiàn)A?SHCC 的初裂應(yīng)變先降低后增大，而峰值應(yīng)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(shù)Table 4 Tensile property parameters of FA-SHCC

2.4 基于DIC 的拉伸應(yīng)變?cè)茍D演化

利用DIC，對(duì)工業(yè)相機(jī)記錄的試驗(yàn)過程圖片進(jìn)行全場應(yīng)變計(jì)算，結(jié)果見圖5，圖中：紅色區(qū)域代表正向應(yīng)變，紫色區(qū)域代表負(fù)向應(yīng)變；εx、εy分別為試件的橫向、縱向應(yīng)變.由圖5 可見：在彈性階段，F(xiàn)A1.2 的橫向應(yīng)變較小，觀測范圍內(nèi)試件大部分應(yīng)變?cè)?.001%左右，而在其縱向應(yīng)變上，出現(xiàn)少許橙色區(qū)域，表明此區(qū)域應(yīng)變較大；隨著荷載的增加，F(xiàn)A1.2 進(jìn)入開裂階段，與彈性階段的應(yīng)變相比，試件縱向應(yīng)變出現(xiàn)淺黃色和橙色區(qū)域，表明隨著荷載的增加試件縱向應(yīng)變?cè)龃螅以谠嚰虏砍霈F(xiàn)較多的橙色區(qū)域，應(yīng)變較大，故后期裂縫會(huì)在此處產(chǎn)生；FA1.5 和FA2.0 顯現(xiàn)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(xiàn)出紅色“火焰”的應(yīng)力集中區(qū)域，與彈性階段相比，試件正向應(yīng)變區(qū)域擴(kuò)大，這表明試件表面縱向應(yīng)變區(qū)域逐漸擴(kuò)展；其橙色集中區(qū)域較少，而大部分區(qū)域呈黃色區(qū)域，表明試樣應(yīng)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(nèi)部纖維出現(xiàn)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(duì)均勻.

圖5 FA?SHCC 全場應(yīng)變?cè)茍DFig.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(duì)FA?SHCC 直接拉伸失效圖片進(jìn)行處理，從試件表面提取裂縫，結(jié)果見圖6.由圖6 可見，隨著粉煤灰摻量的增加，F(xiàn)A?SHCC 的裂縫數(shù)量逐漸增多，且裂縫變得更加細(xì)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(duì)圖6 進(jìn)行計(jì)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(shí)將圖6 導(dǎo)入相關(guān)軟件計(jì)算試件失效時(shí)的分形維數(shù)Df［21］，結(jié)果見表5.由表5 可見，隨著粉煤灰摻量的增加，F(xiàn)A?SHCC 的開裂面積比及分形維數(shù)逐漸增大，這說明FA?SHCC 表面損傷加大，裂縫變得更加曲折復(fù)雜，即其損傷復(fù)雜程度也逐漸增大.由此可見，開裂面積比及分形維數(shù)這2 個(gè)參數(shù)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(biāo).

表5 FA‐SHCC 開裂面積比與分形維數(shù)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(jié)構(gòu)分析

從拉伸試件開裂位置處切取塊狀試樣進(jìn)行SEM觀測，F(xiàn)A1.2 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(jié)較強(qiáng)，進(jìn)而在纖維拔出過程中，出現(xiàn)較大的摩擦力，導(dǎo)致纖維表面出現(xiàn)明顯的劃痕（見圖7（a）、（c））；摩擦力進(jìn)一步加大時(shí)，纖維表面會(huì)出現(xiàn)纖維表面剝落的現(xiàn)象，并產(chǎn)生纖維屑，同時(shí)纖維的失效形式大多為斷裂失效（見圖7（b））.從微觀結(jié)構(gòu)分析FA1.2 延性相對(duì)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(jié)增大，當(dāng)其大于纖維的拉伸強(qiáng)度時(shí)，纖維出現(xiàn)斷裂失效，不利于試件多縫開裂的開展；同時(shí)FA1.2 水泥摻量較大，使得基體與親水性PVA 纖維之間的化學(xué)黏結(jié)增大，進(jìn)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(fā)揮其橋聯(lián)作用，從而使得材料的力學(xué)性能退化.

圖7 FA1.2 的SEM 照片F(xiàn)ig.7 SEM images of FA1.2

3 結(jié)論

（1）隨著粉煤灰摻量的增加，應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料（SHCC）的拉伸強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及抗彎強(qiáng)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(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)對(duì)SHCC 直接拉伸加載過程進(jìn)行拍攝分析，得到不同粉煤灰摻量下SHCC 的水平、豎向應(yīng)變?cè)茍D，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(yīng)變演化.

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