尾礦砂水泥基復合材料的拉壓韌性

鮑文博， 付云鵬

(沈陽工業大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

目前，國內外大多數研究人員為了解決水泥基復合材料抗拉強度低、整體韌性差、呈脆性破壞的問題，在其基體內摻加適量的纖維，通過纖維與水泥基復合材料的共同作用實現其阻裂和增韌性能[1].美國密歇根大學Li教授率領密歇根大學高等土木工程材料實驗室(advanced civil engineering materials research laboratory，ACE-MRL)研究人員，開始了超高韌性水泥基復合材料的研制開發，研制出工程應用的水泥基復合材料(engineered cementitious composite，ECC)[2]，它是一種采用低摻量纖維獲得的高韌性性能材料.國內研究人員主要對水泥基復合材料的力學性能和工程應用兩方面進行分析，大連理工大學徐世烺教授從超高韌性水泥基復合材料的拉伸、壓縮、彎曲和斷裂性能進行分析，得出超高韌性水泥基復合材料具有類似金屬材料的拉伸強化性能，其極限拉伸應變可達3%以上，是一種可變形的纖維混凝土材料[3].

韌性是表征水泥基復合材料強度和延性的綜合指標.薛會青等[4]對PVA(聚乙烯醇纖維)水泥基復合材料進行了彎曲韌性試驗研究；王玉清等[5]對聚乙烯醇纖維增強水泥基復合材料的剪切韌性進行分析.然而國內外學者[6-11]對PVA水泥基復合材料的壓縮韌性和拉伸韌性研究相對較少.本文通過借鑒ECC技術，采用粉煤灰替代部分水泥、用尾礦砂替代50%天然砂制備PVA增強尾礦砂水泥基復合材料，通過制作三種不同水膠比試件來進行軸心抗壓和直接拉伸試驗，采用韌性比和韌性指數雙特征指標定量表征材料的壓縮韌性和拉伸韌性，可為實際土木工程提供參考.

1 試 驗

1.1 試驗材料

本試驗制備PVA增強尾礦砂水泥基復合材料全部采用國內原材料，采用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為一級粉煤灰；天然砂為曬干以后的普通河砂，其粒徑大小為0.3～0.6 mm；尾礦砂為鐵礦山開采處理以后曬干的尾礦砂，其粒徑大小為0.15～0.30 mm，其組成成分如表1所示；減水劑為高效減水劑，其減水率最高可達40%；增稠劑化學名為羥丙基甲基纖維素，具有良好的增稠能力；纖維為PVA，此纖維具有較好的耐堿性和分散性，其力學性能如表2所示.

表1 尾礦砂組成成分Tab.1 Composition of tailing sand %

表2 PVA力學性能Tab.2 Mechanical properties of PVA

1.2 試件制備

本試驗采用三步制備PVA增強尾礦砂水泥基復合材料，首先將水泥、粉煤灰、天然砂和尾礦砂倒入UJZ-15型水泥砂漿攪拌機進行干拌2 min，然后加入總量為三分之二的水、減水劑和增稠劑濕拌4 min，最后加入PVA纖維和剩余的水混合攪拌2.5～4 min，使水泥砂漿攪拌機里的材料攪拌充分、均勻.攪拌后將材料倒入塑料模具中，振搗成型，表面覆蓋保鮮膜，24 h后脫模，放入濕度90%以上，溫度為20±3 ℃的養護室標準養護28 d后取出，晾干24 h后進行試驗.圖1為軸心抗壓試件，圖2為直接拉伸試件.

圖1 軸心抗壓試件Fig.1 Axial compression specimen

圖2 直接拉伸試件Fig.2 Direct tensile specimen

1.3 試驗方案

基于文獻[12-14]的研究，本試驗采用2%的PVA纖維體積摻量和三組水膠比(0.25、0.30、0.35)的配比方案.PVA增強尾礦砂水泥基復合材料的水膠比如表3所示.

表3 PVA增強尾礦砂水泥基復合材料的水膠比Tab.3 Water binder ratio of PVA reinforced tailing sand-cement based composite

為了研究PVA增強尾礦砂水泥基復合材料性能，分別進行了軸心抗壓試驗和直接拉伸試驗，并采用韌性比和韌性指數討論了材料韌性以及不同水膠比對其材料韌性性能的影響.根據《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS13：2009)規范要求，軸心抗壓試件為150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件，直接拉伸試件為400 mm×150 mm×12 mm的薄板試件，采用2%PVA纖維體積摻量試件(PVA reinforced cement-based composites of tailing sand，PRC)和素混凝土試件(TCC)進行對比，同時將試件進行編號，根據0.25、0.30和0.35三種水膠比將試件分成三組，其中每組制作8個試件，保證每組試件的成功率不低于50%.圖3為軸心抗壓試驗裝置，圖4為直接拉伸試驗裝置.

圖3 軸心抗壓試驗裝置Fig.3 Axial compression testing device

圖4 直接拉伸試驗裝置Fig.4 Direct tensile testing device

2 結果及分析

考慮到試件的韌化程度和韌性質量，本文選用文獻[1]得出的完全韌性比(簡稱韌性比)和最大韌性指數(簡稱韌性指數)，采用雙特征指標定量表征試件壓縮韌性和拉伸韌性.

2.1 壓縮韌性

圖5 軸壓荷載變形曲線Fig.5 Axial compression load-deformation curves

圖6 軸心抗壓能量吸收值Fig.6 Axial compression energy absorption values

圖7 軸心抗壓韌性比Fig.7 Axial compression toughness ratio

表4 不同壓縮變形下的能量吸收值Tab.4 Energy absorption values under different compressive deformation J

2.1.2 壓縮變形能

由表4可知，三種水膠比試件的壓縮變形能隨著壓縮變形的增加而不斷增大.圖6中，當壓縮變形從3 mm到4 mm時，0.25、0.30和0.35水膠比試件的壓縮變形能增長幅度分別為405.1%、390.29%、377.86%，在彈性變形階段，水膠比較低的試件初裂荷載值與初裂位移值較大，0.25水膠比試件壓縮變形能相對較大；當壓縮變形為6 mm時，0.25水膠比試件壓縮變形能反而相對較小，可能存在的原因是0.25水膠比試件經過強化階段后在壓縮變形為4.2 mm時達到最大荷載值，進入破壞階段，當軸心壓力不斷增大時，大量纖維拉斷同時試件表面產生的多條致密裂紋寬度逐漸增大，試件所承受的荷載隨著壓縮變形增加而快速下降，而0.30和0.35水膠比試件的壓縮變形能仍保持較高幅度的增長.

2.1.3 壓縮韌性性能分析

圖7列舉了不同水膠比下各組試件的韌性比.通常水泥基復合材料的壓縮韌性比取值范圍在0.5～1.0之間，PRC組當水膠比為0.25、0.30、0.35時，相應試件的韌性比為0.70、0.74和0.78，由此可見隨著水膠比的不斷增大，韌性比也有所增加.韌性比主要反映試件韌性的效果和質量的好壞，在實際工程中，適當提高水膠比有利于改善試件韌性效果和質量，也增加了試件的壓縮韌性.TCC組的韌性比為0.5，加入纖維的0.35水膠比試件韌性比是其1.56倍，這也說明摻入適量纖維有助于改善試件的壓縮韌性.

圖8為不同水膠比下試件的韌性指數.PRC組水膠比為0.25、0.30、0.35，所對應的韌性指數分別為4.33、7.59和11.81，可以看出隨著水膠比的增加，試件的韌性指數相應變大，0.35水膠比試件的韌性指數分別是0.25和0.30水膠比試件的2.73倍和1.56倍.韌性指數主要反應水泥基復合材料試件的韌性大小和韌化程度，說明水膠比為0.35時試件的韌化程度要明顯優于其余兩組配合比下的試件.與未加入纖維的水泥基復合材料TCC組相對比，其韌性指數大小僅為1.5，加入纖維0.35水膠比試件的韌性指數是其7.87倍，說明加入適量纖維可以使試件的壓縮韌性相應增大.

圖8 軸心抗壓韌性指數Fig.8 Axial compression toughness index

2.2 拉伸韌性

圖9 軸拉荷載變形曲線Fig.9 Axial tension load-deformation curves

表5 不同拉伸變形下的能量吸收值Tab.5 Energy absorption values under different tensile deformation J

圖10 軸心抗拉能量吸收值Fig.10 Axial tension energy absorption values

圖11 軸心抗拉韌性比Fig.11 Axial tension toughness ratio

2.2.2 拉伸變形能

比較不同拉伸變形下水膠比為0.25、0.30和0.35試件的拉伸變形能，由表5可知，三種水膠比試件的拉伸變形能隨著拉伸變形的增大而略有增加，在起初試驗階段，水膠比越低的試件初裂荷載值與初裂位移值反而越大，因此其拉伸變形能更大.由圖10可知，水膠比為0.25、0.30、0.35試件在拉伸變形從2 mm到5 mm的增長幅度分別為76.12%、83.13%、93.47%，通過能量增長幅度可以看出，三種水膠比試件都具有一定的拉伸韌性，其中0.35水膠比試件的能量增長幅度最高，說明0.35水膠比試件吸收能量較多，其拉伸變形能相對較好.

2.2.3 拉伸韌性性能分析

圖11為不同水膠比下各組試件的韌性比.通常水泥基復合材料的拉伸韌性比取值范圍在0.5～1.0之間，PRC組當水膠比為0.25、0.30、0.35時，相應的韌性比為0.80、0.86和0.93，因此，隨著水膠比的不斷增大，韌性比也略有增長.本試驗中水膠比為0.35試件的拉伸韌性效果和質量要比水膠比為0.25和0.30試件的相對較好.與未加入纖維的TCC組相對比，其韌性比只為0.5，加入纖維0.35水膠比試件的韌性比是其1.86倍，這說明適量加入纖維有利于改善試件的拉伸韌性.

圖12為不同水膠比下的韌性指數.0.25、0.30和0.35水膠比試件對應的韌性指數分別為5.80、9.26和18.68，可以看出隨著水膠比的增大，試件的韌性指數不斷變大，0.35水膠比試件下的韌性指數分別是0.25和0.30水膠比試件的3.22倍和2.02倍，由此可知，水膠比為0.35時試件的韌化程度要明顯優于其他兩組水膠比試件的韌化程度.與未加入纖維的水泥基復合材料TCC組相對比，其韌性指數為1.5，加入纖維的0.35水膠比試件韌性指數是其12.45倍.

圖12 軸心抗拉韌性指數Fig.12 Axial tension toughness index

3 結 論

本文通過分析得出以下結論：

1) 通過比較PRC和TCC組試件的韌性比，PRC組試件的韌性效果和質量更好.當水膠比為0.35時，PRC的壓縮韌性比是TCC的1.5倍，PRC的拉伸韌性比是TCC的1.86倍，三種水膠比試件的壓縮韌性比和拉伸韌性比均超過0.5.

2) 相比TCC組試件，PRC組試件的韌性指數更大，其韌化程度較明顯.當水膠比為0.35時，PRC的壓縮韌性指數是TCC的7.87倍；PRC的拉伸韌性指數是TCC的12.45倍，PRC韌性指數指標顯著優化.

3) 不同水膠比對PRC的壓縮韌性和拉伸韌性有顯著影響.隨著水膠比的不斷增加，PRC的韌性質量和韌化程度不斷提高，0.35水膠比試件的壓縮韌性比為0.78，0.35水膠比試件的壓縮韌性指數分別是0.25和0.30水膠比試件壓縮韌性指數的2.73倍和1.56倍；0.35水膠比試件的拉伸韌性比為0.93，0.35水膠比試件的拉伸韌性指數分別是0.25和0.30水膠比試件拉伸韌性指數的3.22倍和2.02倍，此外加入纖維的試件其拉伸韌性比均達到0.8及以上.