纖維對高性能水泥基復合材料斷裂性能的影響★

李大運，孫詩兵，呂 鋒，田英良，金曉冬

(北京工業大學，北京 100124)

1 概述

水泥基復合材料是一種易開裂、韌性低的脆性材料。近年來，眾多學者研究表明，水泥基材料中摻入纖維可阻止自身缺陷的擴展，提高基體強度以及變形能力[1]。這是因為纖維摻入到水泥基材料后，可以有效的抑制水泥基材料內部裂紋擴展至聯通[2]，分散應力分布，從而提高水泥基材料的斷裂性能[3]。

目前研究較多的纖維分兩種:一種是高彈性模量纖維，主要代表為鋼纖維，Zhang Peng等[4]研究發現鋼纖維摻量為0.5%～2%時，試件的斷裂韌性和斷裂能逐漸增加；另外一種是低彈性模量纖維，例如玻璃纖維，聚丙烯纖維，聚乙烯醇纖維等。鄧宗才等[5]研究了玻璃纖維對混凝土斷裂性能的影響，發現玻璃纖維抑制裂縫擴展的能力較強。漆貴海等[6]研究了PP纖維的長度對超高強混凝土斷裂性能的影響。郭麗萍等[7]研究了PVA纖維對混凝土抗裂和韌性的影響。但目前關于不同種類纖維對HPCC斷裂性能的影響，沒有完整的概述[8-11]，由于不同研究者之間的試驗配比不同，故不同纖維間、同種纖維不同體積分數間可比性不好。因此本文基于斷裂力學，探討不同體積分數的玻璃纖維、PP纖維、PVA纖維和鋼纖維對HPCC斷裂性能的影響。

2 實驗

2.1 原材料及配合比

水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，為中國建筑材料科學研究總院提供；砂子為中級砂，為中國建筑材料科學研究總院提供；減水劑為PCA-I聚羧酸型高效減水劑，固含量為20%，為江蘇蘇博特提供，其性能參數見表1；水為自來水；硅灰為鉑潤公司提供，性能參數見表2；可再分線性乳膠粉為皖維8020；玻璃纖維、PP纖維、PVA纖維、鋼纖維的力學性能與物理參數見表3；HPCC配合比見表4。

表1 聚羧酸高效減水劑性能參數

表2 硅灰性能參數

表3 纖維的幾何物理參數

表4 HPCC配合比 kg/m3

2.2 試件制備

參考DL/T 5332—2005水工混凝土斷裂試驗規程、GB/T 15231—2008玻璃纖維增強水泥性能試驗方法和國 際材料及結構試驗室聯合會(RILEM)試驗標準，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。一組6個試樣，共27組。各類纖維摻量見表5。試件采用預混方式制作，將纖維加到水泥、硅灰、可再分散性乳膠粉中，攪拌30 s，隨后加入高效減水劑和水的混合液，攪拌60 s，最后加入中級砂，攪拌60 s，澆筑到模具中振實。放入養護箱養護28 d，養護28 d后在試件中間位置切出13 mm深的預制縫。

表5 試件編號及纖維摻量

2.3 三點彎曲斷裂試驗

三點彎曲斷裂試驗跨距為130 mm，利用美特斯CDT1305 電子壓力實驗機進行加載，加載示意圖如圖1所示，壓力機加載速度為2 mm/min，加載方式為上支架向下移動。在試樣跨中切口段放置YYJ-4/10電子引伸計，用橡皮筋固定，測量試件裂縫口的張開位移CMOD。由于纖維增強水泥具有較好的韌性，試樣斷裂后加載載荷很難變為0，所以加載荷載降至峰值荷載的10%時停止加載。試驗中主要測量了HPCC的P-CMOD曲線、起裂荷載、峰值荷載，并計算出斷裂能以及起裂韌度。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗現象

纖維增強水泥基復合材料的斷裂分為5個階段：1)水泥基材料發生彈性變形，并未斷裂；2)細觀裂縫產生，但沒有連接貫通；3)細觀裂縫擴展至貫通，形成宏觀裂縫；4)水泥基體斷裂，纖維拉斷或開始拔出；5)纖維均被拔出或斷裂，形成斷裂區。

圖2為摻雜不同種類纖維的HPCC試件的破壞特征，由圖2(a)可見：摻雜玻璃纖維的試件出現明顯的脆性斷裂，在出現砰的一聲后，裂紋迅速向上擴展至試件的頂部，斷截面無明顯的纖維絨毛，說明在試樣斷裂時纖維也隨之斷裂，沒有拔出。即玻璃纖維并沒有明顯增強水泥基材料的韌性，水泥基材料與纖維的握裹力大于纖維的拉拔強度。由圖2(b)可見在斷裂處有PP纖維在不斷的拔出，并可以聽到滋滋的聲音。在斷截面有大量的纖維絨毛，產生原因為試件斷裂時，大量纖維拔出。圖2(c)為含PVA試件的破壞特征，試件在斷裂時有一定的延展性，觀察斷截面可以發現有少量纖維絨毛，即斷裂過程纖維拔拉斷的數量遠大于纖維拔出的數量。圖2(d)為含鋼纖維試件的破壞特征，摻雜鋼纖維的試件在斷裂過程中表現出良好的韌性，裂紋緩慢向上擴展。在斷截面發現有大量的鋼纖維拔出。

3.2 P-CMOD曲線分析

圖3為摻雜玻璃纖維、PP纖維、PVA纖維、鋼纖維的HPCC試件的P-CMOD曲線。

由圖3(a)可以看出，玻璃纖維對峰值載荷影響較大，當玻璃纖維體積分數從0.4%增加到1.6%時，試件的峰值荷載逐漸增大；當玻璃纖維體積分數超過2.0%時，試件的峰值荷載降低，表明適當摻雜玻璃纖維可以提高HPCC的峰值載荷；當玻璃纖維體積分數從0%變化到2.0%時，P-CMOD曲線的飽滿度也基本呈現出先增大后減小的趨勢，當玻璃纖維體積分數達到1.6%時，P-CMOD曲線最為飽滿。表明隨著玻璃纖維體積分數的增加，對HPCC抵抗裂縫擴展的能力呈現先增強后降低的趨勢。

由圖3(b)可以看出，PP纖維對峰值載荷無顯著影響，當PP纖維摻量在0%～2.0%之間，峰值載荷在1.2 kN～1.4 kN之間；摻雜PP纖維HPCC試件的P-CMOD曲線在初裂階段與素PC類似，即初裂前曲線呈線性發展，在達到峰值荷載后曲線呈下降趨勢。但與素PC不同的是，摻雜PP纖維系列試件初裂后仍可以繼續承受荷載，P-CMOD曲線的飽滿度隨PP纖維體積分數增加而增加。甚至當PP纖維體積分數大于1.2%時，表現出荷載下降后又繼續上升的二次強化現象。表明隨著PP纖維體積分數的增加，對HPCC抵抗裂縫擴展的能力呈現增強的趨勢。

圖3(c)為單摻PVA纖維HPCC試件的P-CMOD曲線，PVA纖維對峰值載荷無顯著影響，當PVA纖維摻量在0%～2.0%之間，峰值載荷在1.2 kN～1.4 kN之間；PVA纖維體積分數為0%，0.4%，0.8%，1.2%的試樣在CMOD為0.06 mm時發生斷裂；PVA纖維體積分數為1.6%,2.0%的試樣在CMOD為0.09 mm時發生斷裂，在PVA纖維含量(體積分數)小于1.2%時不能有效提升HPCC的韌性；當PVA纖維體積分數從0%變化到2.0%時，P-CMOD曲線的飽滿度也呈現出增大的趨勢，當PVA纖維體積分數達到2.0%時，出現二次強化現象。表明隨著PVA纖維體積分數的增加，對HPCC抵抗裂縫擴展的能力呈現先增強的趨勢。

圖3(d)為不同鋼纖維含量(體積分數)的P-CMOD曲線，鋼纖維摻量在0.4%，0.8%，1.6%，2.0%，3.0%時，峰值載荷在1.25 kN左右，摻量為1.2%時，最大載荷為0.75 kN，摻量為4.0%時，最大載荷為2.0 kN；當鋼纖維摻量為3.0%時，二次強化的載荷約等于峰值載荷，P-CMOD曲線變得扁平，即HPCC斷裂的力等于鋼纖維拔出的力，處于“適筋”狀態。因此鋼纖維摻量應不小于3.0%最為適宜。表明隨著鋼纖維體積分數的增加，對HPCC抵抗裂縫擴展的能力呈現增強的趨勢。

綜上所述，對于4種纖維來說，摻雜玻璃纖維時，峰值載荷最大；4種纖維都能夠有效延緩裂紋的擴展，且隨著纖維摻量的增多，增韌效果越好；4種纖維摻量相同時，對HPCC斷裂性能效果由大到小排序為PP纖維>鋼纖維>PVA纖維>玻璃纖維。

3.3 斷裂能和起裂韌度分析

3.3.1 斷裂能

斷裂能GF是裂紋擴展單位面積所需的能量，本文采用Hillerborg等[12]提出的RILEM 50-FMC(WFM)進行計算，GF單位為N/m，按式(1)進行計算：

(1)

其中,W0為斷裂功，J；m為支架間試件的質量，kg；Alig為韌帶面積,m2；g為9.81 m/s2；b為試件厚度，m；d為試件高度，m；a0為初始開口長度，m。

3.3.2 起裂韌度

(2)

其中:

(3)

其中ac應按照式(4)計算:

(4)

其中，h0為裝置夾式引伸計刀口薄鋼板的厚度，m；Vc為裂縫口張開位移值，μm；E為計算彈性模量，GPa。

其中，E按式(5)計算；

(5)

3.3.3 斷裂參數的計算結果與分析

據上述公式計算出的各試件斷裂能和起裂韌度如表6所示。

表6 試件編號及纖維參量

由表6可知：1)單摻玻璃纖維的HPCC試件，其斷裂能在纖維體積分數為1.6%時最大為450.66 N/m，為素PC試件斷裂能的2.03倍，起裂韌度在纖維體積分數為2.0%時最大，為素PC試件斷裂能的2.45倍。2)對于PP纖維來說，試件的斷裂能隨纖維增多而提升，在纖維體積為2.0%時，斷裂能最大為5 342.30 N/m，是素PC斷裂能的24.00倍，摻雜PP纖維后，起裂韌度會有所提升，PP纖維摻量的改變對起裂韌度影響不大。3)單摻PVA纖維的HPCC試件，其斷裂能隨纖維摻量增多而提升，在纖維體積為2.0%時，斷裂能最大為850.45 N/m，是素PC斷裂能的3.82倍。PVA纖維體積分數為0.4%～2.0%時，起裂韌度為0.64 MPa·m1/2～0.74 MPa·m1/2，相比于素PC的0.55 MPa·m1/2有所提升，但PVA纖維摻量的改變對起裂韌度影響不大。4)隨著鋼纖維含量的增加，斷裂能不斷增大，鋼纖維的體積分數為4.0%時，斷裂能最大為5 133.88 N/m，為素PC斷裂能的22倍。在鋼纖維體積分數為1.2%時，起裂韌度降低，是因為在P-CMOD曲線中沒有出現傳統的峰值載荷，載荷不斷增加沒有出現明顯的下降，在高位震蕩，高性能水泥基材料斷裂的力要小于鋼纖維拔出的力。在水泥基材料斷裂后，只有鋼纖維阻止裂縫擴展，從而產生了這種P-CMOD曲線。

3.4 纖維增強增韌機理分析

對于玻璃纖維來說，在HPCC試件斷裂時屬于脆性破壞，玻璃纖維可以提高水泥基材料的斷裂性能，但纖維含量過多就會降低斷裂性能，纖維分散不均導致誤差增大。由圖2(a)可以看出在試樣斷截面沒有明顯的玻璃纖維，說明在斷裂過程中發生的是玻璃纖維的斷裂而不是拔出，水泥基材料與玻璃纖維的握裹力大于玻璃纖維的抗拉強度；又因為玻璃纖維提升了水泥基材料的斷裂性能，可以推斷出纖維斷裂的力大于水泥基材料裂開的力。所以可以通過添加抗拉強度更大的玻璃纖維進一步提升水泥基材料的斷裂性能；PP纖維可以有效的提高水泥基材料的斷裂性能，PP纖維增強水泥要比玻璃纖維增強水泥有優秀的斷裂性能，但斷裂韌度略低于玻璃纖維增強水泥。從圖2(b)可以看出在試樣斷截面有許多PP纖維，說明在斷裂過程中發生的是PP纖維的拔出而不是斷裂，水泥基材料與PP纖維的握裹力小于PP纖維的抗拉強度；所以PP纖維增強水泥的斷裂性能隨PP纖維含量增加而提升，且斷裂破壞形式屬于韌性破壞；PVA纖維可以提高水泥基材料的斷裂性能，在體積分數為2.0%以下，隨著纖維含量的增多，對HPCC試件的斷裂性能提升越大，但纖維分散不均導致誤差也在不斷增大。由圖2(c)可以看出在試樣斷截面沒有太多明顯的PVA纖維，說明在斷裂過程中發生的是PVA纖維斷裂，少量PVA纖維由于與水泥基材料的握裹力較小造成了纖維拔出。綜合來看，相同體積分數的PVA纖維增強水泥的斷裂性能介于玻璃纖維和鋼纖維之間；摻雜鋼纖維HPCC試件的斷裂截面如圖2(d)所示，斷截面有大量鋼纖維，鋼纖維對試件的斷裂性能有明顯的提升，且隨著纖維含量的增加，斷裂性能直線上升。由于鋼纖維的抗拉強度較大，表面較為光滑，在斷裂過程中對后期裂縫的阻滯效果較好，屬于韌性破壞。

4 結語

1)對于玻璃纖維來說，體積分數為1.2%時，斷裂性能最好，斷裂能為401.8 N/m，相比素混凝土提升了84.6%，斷裂韌度為1.37 MPa·m1/2,提升了66.7%；PP纖維體積分數為2.0%時斷裂性能最好，斷裂能為5 342.3 N/m，相比素水泥提升了2 300.0%，斷裂韌度為0.96 MPa·m1/2,提升了31.8%；PVA纖維體積分數為2.0%時斷裂性能最好，斷裂能為850.45 N/m，提升了282.1%，斷裂韌度為0.86 MPa·m1/2，提升了17.9%；鋼纖維體積分數為4.0%時 斷裂性能最好，斷裂能為5 133.88 N/m，提升了2 206.5%，斷裂韌度為1.12 MPa·m1/2,提升了54.0%。

2)這4種不同種類的纖維，對高性能水泥基復合材料的斷裂性能的提升效果由大到小排序為：PP纖維>鋼纖維>PVA纖維>玻璃纖維。