高延性水泥基復合材料彎曲性能的率效應*

劉明輝，余志輝，張 聰,2

(1. 江南大學，環境與土木工程學院，江蘇 無錫 214000 2. 江蘇省土木工程環境災變與結構可靠性重點實驗室，江蘇 徐州 221000)

0 引 言

高延性水泥基復合材料(High Ductility Cementitious Composite, HDCC)是一種具有應變硬化和多縫開裂特征的纖維增強水泥基復合材料，其拉伸應變通常可達3%以上，最大裂縫寬度可控制在100 μm以內[1, 2]。相較于高脆性、低韌性的普通混凝土材料，HDCC材料優良的性能使其有望大規模應用在抗震工程、橋梁工程、大壩和港口等建筑結構中[3]。

HDCC是一種應變率敏感材料[4-5]，加載速率對于其動態力學性能影響很大,但目前國內外學者對于HDCC力學性能的研究多集中在靜態荷載作用下[6-9]，而對于其動態荷載下的力學性能研究相對較少。Ali A. Heravi[10]等利用霍普金森拉桿研究了SHCC (strain hardening cement-based composite)在200s-1應變速率下的拉伸性能，發現隨著應變率的提高，纖維和基體的粘結強度的變化使得材料的峰值應變和斷裂能均有所提高。李艷等研究了不同PVA纖維體積分數(0%、0.5%、1%、1.5%、2%)的PVA-HDCC在3種應變率下的動態壓縮性能,結果表明隨著PVA體積分數的增大，PVA-ECC的動態峰值應力、峰值應變和韌性增大[11]。由此可見，上述研究主要集中在HDCC的動態拉伸和動態壓縮性能，但HDCC更常處于彎-拉復合受力狀態，研究加載速率對于其受彎性能的影響不容忽視。此外，目前的研究多關注于單摻PVA纖維的HDCC材料，而單摻纖維存在一定的局限性：僅采用高彈模高強度的PVA纖維會造成較高的成本，而采用低彈模低強度的PVA纖維在高應變率下容易斷裂達不到高延性效果[12]。為此，不少學者嘗試在PVA-HDCC中使用混雜纖維以提高HDCC的性價比[13]。

本文以前期研究為基礎[14-15]，分析了不同加載速率(0.1、1、10和50 mm/min)，不同PVA纖維摻量(體積分數1.5%、1.75%、2%)以及混雜使用PVA纖維與碳酸鈣晶須對HDCC彎曲性能的影響，并對其初裂強度，極限抗彎強度，動態增強因子φDIF和彎曲韌性進行評價。本文的研究成果可以為HDCC材料的研究與應用提供一定的數據支撐。

1 實 驗

1.1 原材料與配合比

原材料為：P·O 42.5R 型水泥(江蘇無錫)，比表面積7.01 m2/g；I級粉煤灰，比表面積0.37 m2/g；細骨料采用精制石英砂，粒徑為110～210 μm，平均粒徑為150 μm；減水劑采用聚羧酸型高效減水劑，減水率為24.1%；拌合用水為自來水。所用纖維材料包括PVA纖維(日本Kuraray，約150 000元/噸)和碳酸鈣晶須(上海峰竺，約1 500元/噸)。原材料的基本物理和化學參數分別如表1和表2所示。原材料形貌如圖1所示。

表1 纖維和晶須的物理力學性能Table 1 Physical and mechanical properties of fiber and whisker

表2 原材料的化學組成 (%)Table 2 Chemical composition of raw materials (%)

圖1 原材料的形貌Fig.1 Morphology of raw materials

為了研究動態荷載作用下碳酸鈣晶須對PVA-HDCC彎曲性能的影響，共設計了5組配合比，如表3所示。

表3 試驗配合比 (kg/m3)Table 3 Experimental mix proportion (kg/m3)

1.2 試驗方法

先將水泥砂漿攪拌機清理干凈后內部濕潤，把稱好的石英砂、水泥、粉煤灰和碳酸鈣晶須倒入水泥砂漿攪拌機中，慢速干拌2 min。隨后倒入一半的水攪拌1 min，再將高效減水劑和剩余的水倒入，快速攪拌5 min。最后將PVA纖維均勻加入(添加纖維前應注意纖維的分散性，保證纖維不成團不成束)，攪拌10 min后裝入尺寸為400 mm×100 mm×13 mm鋼模具，在振動臺上振動2 min，以減少內部氣泡。將成型好的試件覆蓋保鮮膜，靜置于溫度為(20±5)℃的環境中24 h后拆模，將拆好的試件編號放入恒溫恒濕養護箱中(溫度20 ℃±2 ℃,相對濕度不低于95%)養護28 d后取出測試其彎曲性能。

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》，采用量程為30 kN的MTS萬能試驗機(美特斯工業系統有限公司)對薄板試件進行四點彎曲試驗，加載方式為位移控制，試驗的加載裝置如圖2所示。每組配比3個試件，試驗結果取平均值。加載速度分別為：0.1、1、10和50 mm/min，當荷載下降至極限荷載的80%時，停止加載。

圖2 彎曲試驗加載裝置Fig.2 Loading instrument for flexural test

2 結果與討論

2.1 初裂強度與抗彎強度

圖3 (a)是各組HDCC試件在不同加載速率下的初裂強度。可以發現，在單摻PVA纖維的3組試件中，隨著PVA纖維摻量的降低，其初裂強度在4個加載速率下均呈現下降趨勢；而摻入碳酸鈣晶須后，材料的初裂強度明顯提升，PVA/CW-HDCC-1組在0.1和1 mm/min的加載速率下其初裂強度甚至超過了PVA-HDCC-1組的初裂強度。這是因為在微觀層面上，碳酸鈣晶須通過對裂紋的偏轉，對缺陷和微觀裂縫的橋聯作用，以及晶須從基體中拔出等機制實現了對基體的增強增韌作用[9,14]，從而提高了在動態荷載作用下試件的初裂強度。

圖3 (b)為不同加載速率下各組HDCC薄板試件的抗彎強度。可以發現當不摻碳酸鈣晶須時，PVA-HDCC-1, PVA-HDCC-2, PVA-HDCC-3 3組試件在加載速率為1 mm/min時的抗彎強度相比于加載速率為0.1 mm/min時均有小幅度的下降，分別下降了0.55%、3.71%、9.95%。而摻入1%和3%碳酸鈣晶須后的HDCC薄板試件在1 mm/min加載速率下其抗彎強度分別提升了27.98%和27.32%。在4種加載速率下，摻入碳酸鈣晶須試件的抗彎強度均高于相同PVA纖維摻量的試件。這說明碳酸鈣晶須對于HDCC在動態荷載作用下的抗彎強度有很好的提升效果。此外，從圖2 (b)可以看到單摻PVA纖維的3組試件的抗彎強度隨著PVA纖維摻量降低而下降，說明PVA纖維摻量對于HDCC的抗彎強度起控制作用。

從圖3 (a)、(b)可以發現，當加載速度>1 mm/min時，5組HDCC的初裂強度和抗彎強度隨著加載速率的增大均呈現上升趨勢。以準靜態荷載(0.1 mm/min)時的抗彎強度為參照，5組試件在加載速率為10 mm/min時初裂強度和抗彎強度的增長幅度都超過了8%；在加載速率為50 mm/min時增幅均超過了25%。這是因為隨著加載速率的提高，試件內部的裂縫并無法充分擴展和融合，因此能量累積和變形緩沖作用變小(在本試驗中反映為材料的開裂撓度變小)。根據沖量定理和功能原理, 材料只有通過增加應力的方式來平衡外部能量[11]，所以表現為強度的增加。

由上述分析可知，HDCC材料的抗彎強度具有明顯的加載速率增強效應，即隨著加載速率的提高，材料的抗彎強度隨之增大。因此采用動態增強因子φDIF(Dynamic Increase Factor，DIF)，來描述HDCC材料的加載速率硬化效應,如公式(1)所示。

(1)

式中：σds為準靜態強度(加載速率為0.1 mm/min的抗彎強度)；φDIF為彎曲動態強化因子，是其他加載速率下的抗彎強度σd與σds的比值。

圖4為各組試件的動態增強因子與加載速率對數(ln(1+υ))的關系。由圖3可以看到：各組HDCC試件的φDIF與加載速率的對數均呈現線性增長關系；對于不同纖維體積分數和不同碳酸鈣晶須摻量的HDCC試件，各擬合曲線的斜率大致相同，即φDIF與加載速率對數的線性增長關系基本相同，這說明纖維體積分數和碳酸鈣晶須摻量對HDCC抗彎強度敏感性的影響較小。

圖4 φDIF與ln(1+υ)的關系Fig.4 The relationship between φDIF and ln(1+υ)

2.2 彎曲韌性

為了研究加載速率對HDCC材料彎曲韌性的影響，根據試驗得到的荷載-撓度曲線(圖5)計算各組試件的能量吸收能力指標TI，如公式(2)所示。

(2)

式中：TI為峰值點對應荷載-撓度曲線下的面積與試件有效體積的比值；δMOR為峰值荷載處對應的跨中撓度；P(δ)為試件所受的彎曲荷載；b為試件的寬度，即100 mm；h為試件的高度，即15 mm；L為支座的距離，即300 mm。各組HDCC在不同加載速率下的能量吸收能力指標見表4。

表4 不同加載速率下的能量吸收能力指標TITable 4 Index of energy absorption capacity under different loading rates

由表4可以看到，隨著加載速率的提高，各組HDCC試件的能量吸收能力呈現降低的趨勢，這是由于在較高的加載速率下HDCC中的PVA纖維的黏結-滑移過程并不充分，甚至纖維易被拉斷，導致無法充分發揮PVA纖維的“拔出”和“橋聯”能力，因此導致HDCC試件的彎曲韌性呈降低趨勢[16]。此外，從圖5中的荷載-撓度曲線可以看出，當加載速率超過1 mm/min，各組試件的撓度隨加載速率的提高而逐漸減小，且峰值荷載后曲線下降段的斜率增大。說明HDCC的彎曲韌性和延性受加載速率的影響明顯，隨加載速率的提高而劣化。圖5 (a)、(b)、(c)為不同加載速率下HDCC的荷載撓度曲線。可以看出，隨著PVA纖維摻量的降低，試件的極限荷載、極限撓度都有所下降并且出現了撓度硬化行為的退化。與PVA-HDCC-1相比，PVA-HDCC-2的極限荷載在4個加載速率下均下降了20%左右，PVA-HDCC-3的極限荷載均下降了50%左右。除此之外，PVA-HDCC-2和PVA-HDCC-3試件的極限撓度在0.1 mm/min的加載速率分別下降了26%和40%，而在10 mm/min的加載速率下分別下降了52%和61%。可以發現，PVA纖維對于HDCC的動態彎曲性能起到控制性作用。圖5 (d)、(e)為PVA/CW-HDCC-1和 PVA/CW-HDCC-2組試件在不同加載速率下的荷載-撓度曲線。可以看到，PVA/CW-HDCC-1和 PVA/CW-HDCC-2與PVA-HDCC-2和PVA-HDCC-3相比，試件的極限荷載和極限撓度均有所增加，撓度硬化行為更為明顯。在50 mm/min的加載速率下，碳酸鈣晶須對兩組試件的極限撓度提升最為明顯，對比靜荷載下分別提高了47.52%和44.65%。另外，在1 mm/min的加載速率下，晶須對兩組試件的極限荷載提升最明顯，分別提升了21.86%和21.45%；而在10和50 mm/min的加載速率下，兩組試件的極限荷載提升相近，均分別提升了7%和15%左右。這說明碳酸鈣晶須的摻入可以提升HDCC的動態抗彎性能。

圖5 各組試件在4個加載速率下的荷載-撓度曲線圖，(a) PVA-HDCC-1; (b) PVA-HDCC-2; (c) PVA-HDCC-3; (d) PVA/CW-HDCC-2; (e) PVA/CW-HDCC-1Fig.5 Load-deflection curves of each group of specimens at four different loading rates: (a) PVA-HDCC-1; (b) PVA-HDCC-2; (c) PVA-HDCC-3; (d) PVA/CW-HDCC-2; (e) PVA/CW-HDCC-1

圖6(a)為不同加載速率下PVA-HDCC-2和PVA/CW-HDCC-1的能量吸收能力指標TI的變化趨勢，可以發現在1.75%PVA纖維增強的HDCC中摻入1%碳酸鈣晶須后，試件的能量吸收指標TI在4個加載速率下分別提高了54.4%、88.1%、75.1%和13.7%，說明摻入1%碳酸鈣晶須對于動態荷載下PVA-HDCC-2的能量吸收能力提升顯著。圖6 (b)為不同加載速率下PVA-HDCC-3和PVA/CW-HDCC-2的能量吸收能力指標TI的變化趨勢。在1.5%PVA纖維增強的HDCC中摻入3%碳酸鈣晶須后，試件的能量吸收指標TI在4個加載速率下分別提高了4.5%、14.8%、2.9%和22.8%，說明摻入3%碳酸鈣晶須能改善PVA-HDCC-3的抗彎韌性。對比圖6 (a)和(b)可以發現，添加1%碳酸鈣晶須對PVA-HDCC-2抗彎韌性的提高幅度遠大于添加3%碳酸鈣晶須對PVA-HDCC-3抗彎韌性提高幅度，這主要是因為PVA-HDCC-2的PVA摻量高于PVA-HDCC-3，這進一步說明對于HDCC的抗彎性能PVA纖維摻量是決定因素，碳酸鈣晶須有一定的提高作用。

圖6 不同加載速率下能量吸收能力指標TI，(a) PVA-HDCC-2組和PVA/CW-HDCC-1組試件；(b) PVA-HDCC-3組和PVA/CW-HDCC-2組試件Fig.6 Index of energy absorption capacity under different loading rates: (a) specimens of PVA-HDCC-2 group and PVA/CW-HDCC-1 group; (b) specimens of PVA-HDCC-3 group and PVA/CW-HDCC-2 group

3 結 論

研究了不同加載速率下，PVA纖維摻量以及混雜使用PVA纖維與碳酸鈣晶須對高延性水泥基復合材料彎曲性能的影響，可以得到以下結論：

(1)隨著加載速率的提高，HDCC材料的初裂強度和抗彎強度呈上升趨勢，當加載速率>1 mm/min時，增幅較為明顯。彎曲動態強度增長因子與加載速率的對數呈線性增長關系。PVA纖維和碳酸鈣晶須摻量對HDCC抗彎強度率敏感性的影響并不明顯。隨著加載速率的提高，HDCC的彎曲極限撓度和彎曲韌性均有不同程度的降低。

(2)不同加載速率下HDCC薄板試件的彎曲性能受PVA纖維摻量控制，隨著PVA纖維摻量的降低，HDCC的彎曲強度和彎曲韌性均明顯下降。

(3)相比于單摻1.75%或1.5%PVA纖維，混雜使用碳酸鈣晶須提高了HDCC在不同加載速率下的抗彎強度、彎曲韌性和能量吸收能力；而相比于單摻2%PVA纖維，在不同加載速率下混雜使用1.75%PVA纖維和1%碳酸鈣晶須并沒有引起HDCC彎曲性能明顯的劣化，但降低了HDCC成本，提高了性價比。