纖維特征參數(shù)對HES-HDC 單軸拉伸性能的影響及拉伸韌性評價(jià)方法

楊家盛 ，鄧明科 ?，張晴晴 ，鄧友生 ，張陽璽 ，范洪侃

（1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054；3.西安五和建筑科技研究院有限公司，陜西 西安 710055）

混凝土是當(dāng)今世界用途最廣、用量最大的建筑材料［1］，但混凝土為脆性材料，抗拉強(qiáng)度低、韌性差，低應(yīng)力下即會(huì)發(fā)生開裂.同時(shí)由于混凝土固有的應(yīng)變軟化特性導(dǎo)致裂紋極易發(fā)展成為宏觀裂縫.因此，許多建筑結(jié)構(gòu)性能的衰退及使用壽命的終結(jié)與混凝土的開裂及其脆性特征有關(guān).為克服混凝土脆性與應(yīng)變軟化缺陷，基于微觀力學(xué)設(shè)計(jì)、具有應(yīng)變強(qiáng)化特性的高延性混凝土（high ductile concrete，HDC）應(yīng)運(yùn)而生，其在拉伸荷載作用下展示出高延性與高韌性，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性［2-4］.目前，HDC 主要應(yīng)用于公路路面的修復(fù)［5］、砌體結(jié)構(gòu)的加固［6］以及混凝土橋面板的連接縫［7-8］等.然而，結(jié)構(gòu)的維修與養(yǎng)護(hù)會(huì)導(dǎo)致使用的長時(shí)間中斷，因此，制備高早強(qiáng)高延性混凝土（high-early-strength high ductility concrete，HES-HDC）用于結(jié)構(gòu)的快速修復(fù)具有重要意義.

HES-HDC 指通過加入早強(qiáng)劑或早強(qiáng)型水泥，或兩者復(fù)配到HDC 材料組分中，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)而成的新型水泥基復(fù)合材料，具有早期高強(qiáng)度、高韌性和高抗裂性等優(yōu)點(diǎn)［9-12］.近年來，作者課題組采用早強(qiáng)型硫鋁酸鹽水泥（SAC）設(shè)計(jì)出高早強(qiáng)基體，并在此基礎(chǔ)上加入纖維研制出2 h 即可滿足修復(fù)使用需求的HES-HDC［11］.HDC 優(yōu)異的力學(xué)性能與其內(nèi)部亂向分布的纖維種類及特征參數(shù)有關(guān)；范洪侃［11］和鄧涵文［12］研究了不同國產(chǎn)纖維類型對HES-HDC 應(yīng)變強(qiáng)化行為的影響，結(jié)果表明：相比PVA 纖維，PE 纖維增強(qiáng)HES-HDC受拉具有更明顯的應(yīng)變強(qiáng)化特性、更高的強(qiáng)度與變形能力.Yu 等［13］在Ranade 等研究成果［14-15］的基礎(chǔ)上，采用直徑更小、長徑比更大的PE纖維制備出了具有顯著應(yīng)變強(qiáng)化和多縫開裂特征的UHP-ECC，其抗拉強(qiáng)度與應(yīng)變分別達(dá)到20 MPa 和8.7%.Zhang 等［16］文獻(xiàn)綜述表明PE 纖維直徑在12～38 μm，纖維體積率在1.0%～2.5%，對ECC 拉伸力學(xué)性能的提升有利.Kamal 等［17］研究了不同PE 纖維體積率（0.5%、1.0%和1.5%）對UHP-SHCC拉伸力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：隨纖維體積率增加，試件抗拉強(qiáng)度與拉伸應(yīng)變顯著提高，裂縫數(shù)量增多.綜上所述，1）PE-HDC 的拉伸性能優(yōu)于PVA-HDC，且其顯著的應(yīng)變強(qiáng)化特性有助于獲得高拉伸強(qiáng)度的同時(shí)具備良好的控裂能力；2）纖維特征參數(shù)中直徑（長徑比）和纖維體積率對拉伸性能影響最大.

此外，HDC 應(yīng)變強(qiáng)化和多縫開裂行為主要通過單軸拉伸試驗(yàn)或四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)考察，而單軸拉伸試驗(yàn)可得到拉伸彈性模量、開裂應(yīng)力-應(yīng)變、峰值應(yīng)力-應(yīng)變以及裂縫寬度等參數(shù)的同時(shí)，還能更真實(shí)有效地評定HDC 應(yīng)變強(qiáng)化特性［18-19］、觀測多裂縫開展的過程，因此可認(rèn)為單軸拉伸試驗(yàn)為HDC 基本性能測定的最直接、最有效的方法.然而，目前纖維混凝土韌性的評定主要通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，鮮有對單軸拉伸試驗(yàn)提出合適的韌性評價(jià)方法.基于此，本文在探究2 種PE 纖維直徑（22 μm 和25 μm）及3 種纖維體積率（1.00%、1.25%和1.50%）對HES-HDC 拉伸力學(xué)性能影響的基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了HDC 拉伸韌性評價(jià)新方法，可評價(jià)HDC 薄板受拉全過程的韌性，并基于該方法評估了齡期、纖維直徑及體積率對HES-HDC拉伸韌性的影響.

1 試驗(yàn)概況

1.1 方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了17 組HES-HDC 薄板單軸拉伸試件，每組制作3個(gè)相同的試樣.如表1所示，試件命名包括3 部分：養(yǎng)護(hù)齡期、纖維直徑和纖維體積率；其中，D22 和D25 分別表示纖維直徑為22 μm 和25 μm；第二部分的數(shù)字表示纖維的體積率；第三部分的2 h、24 h、7 d、28 d 和56 d 表示試件的養(yǎng)護(hù)齡期分別為2 h、24 h、7 d、28 d 和56 d.其中，纖維直徑為25 μm 及纖維體積率為1.00%的試件為對照組，并研究至56 d 齡期，其余試件為僅研究至28 d 齡期的參照組.

表1 測試試件名稱匯總Tab.1 Summary of specimens’name

單軸拉伸試件選用日本土木工程師學(xué)會(huì)（JSCE）［20］推薦的狗骨構(gòu)造，試件尺寸及加載裝置如圖1 所示.試件兩端部均粘貼30 mm×60 mm 的碳纖維布，防止加載時(shí)夾具與試件接觸部位因應(yīng)力集中而發(fā)生斷裂.試驗(yàn)設(shè)備為WDW-100 kN電子萬能試驗(yàn)機(jī)，試件采用位移控制模式加載，速率為0.2 mm/min.U 形夾式引伸計(jì)安裝在試件中部以記錄試件在單軸拉伸荷載作用下測距段的變形.

圖1 軸拉試驗(yàn)試件尺寸及加載裝置Fig.1 Specimen size and test setup of axial tensile test

1.2 原材料

本試驗(yàn)采用的膠凝材料有R·SAC 42.5硫鋁酸鹽水泥、P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥、Ⅰ級粉煤灰、S95級礦物摻合料；骨料為石英砂，最大粒徑為0.83 mm；外加劑有聚羧酸高效減水劑、消泡劑和羥丙基甲基纖維素（HPMC），黏度為 40 000 mPa·s；拌和水為飲用自來水；HES-HDC 基體配合比為m硫鋁酸鹽水泥∶m普通硅酸鹽水泥∶m粉煤灰∶mS95級礦物摻合料∶m水∶m砂∶m減水劑∶m消泡劑∶mHPMC=4.000∶1.000∶1.500∶0.415∶1.521∶3.324∶0.021∶0.017∶0.001.采用2 種不同直徑的國產(chǎn)PE 纖維，分別為22 μm 和25 μm，體積率為1.00%、1.25%和1.50%.纖維的性能參數(shù)如表2所示.

表2 PE纖維性能參數(shù)Tab.2 Performance indicators of PE fiber

1.3 試件成型與養(yǎng)護(hù)

將普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、粉煤灰、石英砂等粉料混合干拌1 min，加入水和減水劑濕拌1 min，得到均勻流動(dòng)的漿體，再加入纖維攪拌3 min，攪拌時(shí)間的終止以纖維不結(jié)團(tuán)為依據(jù)，保證纖維的充分分散.將攪拌好的拌合物裝入模具中，并用振動(dòng)臺振動(dòng)1 min，保證試件密實(shí).所有試件均帶模具在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)2 h拆模，部分試件立即擦干表面水分并烘干以測定其2 h性能，其余試件放回標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期再進(jìn)行加載試驗(yàn).

1.4 HES-HDC材料特性

依據(jù)JC/T 2461—2018［21］，研究了纖維直徑為22 μm、纖維體積率為1.00%的HES-HDC 基本力學(xué)性能.抗壓強(qiáng)度采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 立方體試件測得，三點(diǎn)抗折強(qiáng)度和四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度均采用40 mm×40 mm×160 mm棱柱體試件測得，等效彎曲韌性根據(jù)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的荷載-撓度曲線獲得［22］，抗拉強(qiáng)度由圖1 中的狗骨形薄板單軸拉伸試件測得.以上結(jié)果列于表3.

表3 高早強(qiáng)高延性混凝土的力學(xué)特性Tab.3 Mechanical properties of HES-HDC

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

單軸拉伸試驗(yàn)得到的17 組HES-HDC 試件拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，其中，拉伸應(yīng)力（σ）為試驗(yàn)機(jī)記錄的拉伸荷載（F）與試件測距段橫截面積（A，A=13×30 mm2）的比值；拉伸應(yīng)變?yōu)橐煊?jì)記錄的軸向拉伸位移（l）與測距段總長（l0，l0=80 mm）的比值，以百分比形式表示.

圖2 各齡期HES-HDC試件拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Tensile stress-strain curve of HES-HDC specimens at different curing ages

由圖2 可見，與普通混凝土的脆性斷裂模式不同，所有HES-HDC 試件均顯示出延性破壞，呈明顯的多裂縫開展（這可由拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線中應(yīng)力向下波動(dòng)的次數(shù)近似反映出來），試件最終典型的多縫開裂失效模式如圖3 所示.在相同纖維體積率（1.00%）下，與大直徑纖維相比，小直徑纖維試件拉伸強(qiáng)度略有降低，但各齡期的試驗(yàn)曲線均較為飽滿，拉伸應(yīng)變保持能力較強(qiáng)；在相同纖維直徑（25 μm）下，與纖維體積率為1.00%和1.50%相比，纖維體積率為1.25%的HES-HDC 試件具有更強(qiáng)的拉伸變形能力，各齡期試件均具有顯著的應(yīng)變-硬化響應(yīng)，表現(xiàn)出明顯的高延性與高韌性.

圖3 典型的多縫開裂失效模式：不同齡期D25-1.00試件Fig.3 Typical multiple cracking failure mode：D25-1.00 specimens at different curing ages

由圖2 還可見，各組HES-HDC 試件的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線包括了三階段：未開裂的彈性階段、多縫開裂的強(qiáng)化階段和承載力下降的破壞階段（也稱為應(yīng)變軟化階段）.各階段特點(diǎn)如下：1）在彈性階段，HES-HDC 試件所受的拉伸荷載較小，其拉伸應(yīng)力與應(yīng)變?yōu)榫€性增加，此階段沒有裂縫產(chǎn)生.隨著荷載的增加，試件出現(xiàn)第一條裂縫后進(jìn)入強(qiáng)化階段.2）在強(qiáng)化階段，拉伸應(yīng)力表現(xiàn)為隨著應(yīng)變的增大呈現(xiàn)鋸齒形狀的提高，這是由試件的多縫開裂以及開裂后纖維的橋聯(lián)作用引起的.為便于計(jì)算與應(yīng)用，將此階段的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系簡化為線性關(guān)系（見圖4），可知，與彈性階段相比，簡化后曲線斜率明顯降低.隨著荷載的繼續(xù)增加，當(dāng)拉伸應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，進(jìn)入破壞階段.3）在破壞階段，試件的拉伸應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加快速降低，表現(xiàn)出軟化行為.

圖4 HES-HDC拉伸本構(gòu)的簡化模型Fig.4 Simplified tensile constitutive model of HES-HDC

綜上，HES-HDC 簡化的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線可采用三折線型本構(gòu)方程表示，如圖4及式（1）所示：

式中：E1、E2和E3分別為HES-HDC 在彈性階段、強(qiáng)化階段和破壞階段的拉伸彈性模量；σcr、σp分別為HES-HDC 初裂應(yīng)力和峰值拉伸應(yīng)力；εcr、εp分別為HES-HDC初裂應(yīng)變和峰值拉伸應(yīng)變.

2.2 拉伸破壞機(jī)理

在加載初期，HES-HDC 試件處于彈性階段，未觀察到任何裂縫的出現(xiàn)；當(dāng)荷載達(dá)到試件的極限開裂荷載時(shí)，試件在最薄弱部位出現(xiàn)第一條裂縫，此時(shí)試件進(jìn)入強(qiáng)化階段，隨著軸向拉伸荷載的增加，橋接在裂縫中的PE 纖維承受的拉伸應(yīng)力增大，應(yīng)力通過纖維/基體界面的橋聯(lián)作用傳遞給附近的水泥基體.當(dāng)PE 纖維傳遞的應(yīng)力大于周圍水泥基體的開裂應(yīng)力時(shí)，試件產(chǎn)生新的裂縫.此時(shí)，新裂縫處應(yīng)力傳遞也遵循相同的力學(xué)行為，因此，試件受拉呈現(xiàn)多裂縫開展現(xiàn)象［2］，如圖3 所示.隨著軸向拉伸荷載的進(jìn)一步增加，直至達(dá)到試件的極限抗拉承載力時(shí)，試件進(jìn)入破壞階段，在此階段，水泥基體幾乎喪失了承載能力，橋接在裂縫中的纖維承擔(dān)了全部荷載，越來越多的纖維從水泥基體中被拔出和拔斷，導(dǎo)致纖維/基體黏結(jié)面積逐漸減小，從而降低了抗拉強(qiáng)度.最后，試件的抗拉承載力進(jìn)入衰減階段，裂縫寬度增大，直至在某一條裂縫處發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，試件斷裂.

2.3 拉伸力學(xué)性能指標(biāo)

通過薄板單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算得到的各組HES-HDC 試件基本拉伸力學(xué)性能指標(biāo)的平均值如表4 所示，其中，將初始彈性階段的斜率定義為HES-HDC 材料的拉伸彈性模量（E1）；將曲線上斜率首次為零［23］的點(diǎn)定義為HES-HDC 材料的可視開裂點(diǎn)，其對應(yīng)的拉伸應(yīng)力與應(yīng)變定義為初裂強(qiáng)度（σcr）與初裂應(yīng)變（εcr）；將最大拉伸應(yīng)力及其所對應(yīng)的應(yīng)變分別定義為HES-HDC 材料的峰值拉伸強(qiáng)度（σp）與峰值拉伸應(yīng)變（εp）.

表4 各組試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of each group

由表4可知，各組HES-HDC試件在2 h齡期時(shí)峰值拉伸強(qiáng)度均達(dá)到3.29 MPa以上，最高可達(dá)4.26 MPa；其2 h 峰值拉伸應(yīng)變?yōu)?.88%～3.19%，約為普通混凝土拉伸應(yīng)變（0.01%）的88～319 倍，表明了HES-HDC材料具有高早強(qiáng)、高延性特性.HPMC 摻入后有助于纖維在水泥漿體中均勻分散，同時(shí)降低了基體的斷裂韌性［24］，利于HES-HDC材料的多縫開裂.

由表4 還可知，齡期的增長對各組HES-HDC 試件的拉伸彈性模量沒有明顯影響，在24 h 后試件的彈性模量即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；在28 d 時(shí)，各組HESHDC 試件的彈性模量為19.9～25.4 GPa，低于普通混凝土的彈性模量（30.0 GPa），有利于降低HES-HDC材料因收縮所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而降低其早期開裂的可能性［25-26］.

2.4 因素分析

為便于分析，根據(jù)表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出如圖5～圖7所示拉伸性能分析圖，探討試驗(yàn)變量（包括養(yǎng)護(hù)齡期、纖維直徑和纖維體積率）對HES-HDC 拉伸強(qiáng)度與拉伸應(yīng)變的影響，內(nèi)容分析如下：

圖5 養(yǎng)護(hù)齡期對HES-HDC試件拉伸性能影響Fig.5 Effect of curing age on tensile properties of HES-HDC specimens

2.4.1 養(yǎng)護(hù)齡期

由表4和圖5可知，D22-1.00、D25-1.00、D25-1.25和D25-1.50 試件初裂強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度隨齡期的增長均不斷提高，且強(qiáng)度的增長主要發(fā)生在24 h之內(nèi)，其2 h 峰值強(qiáng)度分別達(dá)到3.40 MPa、4.26 MPa、3.35 MPa和3.29 MPa，滿足快速修復(fù)使用需求［11］；24 h 峰值強(qiáng)度分別為5.77 MPa、5.66 MPa、5.41 MPa 和4.55 MPa，分別是其28 d 峰值強(qiáng)度的95.7%、82.3%、82.3%和75.6%.試件24 h 之后抗拉強(qiáng)度增長速率變緩；7 d 之后抗拉強(qiáng)度增長進(jìn)入穩(wěn)定期；28 d時(shí)，各類型試件峰值強(qiáng)度分別達(dá)到6.03 MPa、6.88 MPa、6.57 MPa 和6.02 MPa，為規(guī)范（GB 50010—2010）［27］中C60混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（2.85 MPa）的2.11～2.41倍.

由圖5 仍可知，各類型試件初裂應(yīng)變、峰值應(yīng)變隨齡期的增長均呈先提高后降低的趨勢，總體在24 h 時(shí)達(dá)到最大值，其峰值應(yīng)變分別為3.10%、3.55%、4.43%和2.88%.隨后隨齡期的增長拉伸應(yīng)變降低，但降低幅度逐漸減小，并在28 d 時(shí)趨于穩(wěn)定，D22-1.00、D25-1.00、D25-1.25 和D25-1.50 試件在28 d 時(shí)峰值拉伸應(yīng)變依然可以分別保持在2.63%、1.28%、1.82%和1.45%以上.HES-HDC 具有較高的拉伸應(yīng)變能力，將其作為加固修補(bǔ)材料，能與既有結(jié)構(gòu)有著足夠好的變形協(xié)同性，可避免新舊材料界面的破壞.

齡期的增長對HES-HDC 拉伸強(qiáng)度與應(yīng)變的影響，究其原因，SAC 水泥的快速水化使得HES-HDC材料在24 h 內(nèi)強(qiáng)度和延性快速提高，且隨著齡期的不斷增長，HES-HDC 材料內(nèi)未水化的水泥顆粒依然在繼續(xù)水化，使得基體更加密實(shí)，斷裂韌性Km增大；同時(shí)更多的水化產(chǎn)物使得纖維/基體界面間的摩擦力τ0增大，從而提高了纖維橋聯(lián)應(yīng)力水平，因此強(qiáng)度得到進(jìn)一步提高.24 h 之后拉伸應(yīng)變降低，這是因?yàn)椋阂环矫妫龃蟮幕w斷裂韌性Km使得裂紋尖端斷裂韌性Jtip增大；另一方面，纖維/基體界面特性變化導(dǎo)致纖維橋接處最大剩余能Jb'降低［9］，從而降低了偽應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)值（PSH，PSH=Jb'/Jtip），對HES-HDC的延性與韌性不利.但細(xì)觀力學(xué)模型分析表明［9，12］，基體斷裂韌性Km、纖維/基體界面間摩擦力τ0和纖維滑移硬化系數(shù)β均隨齡期的增長而增長并趨于穩(wěn)定，故PSH 存在理論界限值，即多裂縫開展的裕度后期將保持不變，因此拉伸應(yīng)變存在下限值.綜合上述分析，28 d時(shí)的拉伸應(yīng)變?yōu)镠ES-HDC應(yīng)變能力的下限值，故可將該齡期時(shí)的拉伸應(yīng)變值作為工程應(yīng)用參考值.

2.4.2 纖維直徑

由圖6 可知，當(dāng)HES-HDC 纖維體積率相同（1.00%）時(shí)，大直徑纖維試件的拉伸強(qiáng)度總體高于小直徑纖維試件，而小直徑纖維試件的拉伸應(yīng)變總體高于大直徑纖維試件.然而，在24 h 齡期時(shí)，試件的拉伸強(qiáng)度與應(yīng)變呈相反趨勢，D25-1.00 類型試件的峰值強(qiáng)度低于D22-1.00 類型試件（降低了1.9%），而D25-1.00 類型試件峰值應(yīng)變則高于D22-1.00 類型試件（提高了52.4%）.這可能是因?yàn)椋?4 h 時(shí)，HES-HDC 材料內(nèi)纖維/基體的界面黏結(jié)特性與其他齡期存在明顯差異［9，26］，導(dǎo)致大直徑纖維更容易從基體中拔出，因此試件拉伸應(yīng)變較大，而抗拉強(qiáng)度較低.在2 h、7 d 和28 d 時(shí)，D25-1.00 類型試件峰值強(qiáng)度比D22-1.00類型試件分別提高了25.3%、13.1%和14.1%；D22-1.00 類型試件峰值應(yīng)變比D25-1.00 類型試件分別提高了121.3%、105.1%和105.9%.

圖6 纖維直徑對HES-HDC試件拉伸性能的影響Fig.6 Effect of fiber diameter on tensile properties of HES-HDC specimens

纖維直徑對HES-HDC 拉伸性能的影響是通過影響纖維的橋聯(lián)作用來實(shí)現(xiàn)的.當(dāng)纖維長度及纖維體積率相同時(shí)，纖維直徑越小，纖維的比表面積越大，其與基體的黏結(jié)強(qiáng)度越高，纖維橋聯(lián)作用越顯著，有利于提高試件的抗拉強(qiáng)度與拉伸應(yīng)變.但從試驗(yàn)結(jié)果分析可知，當(dāng)纖維體積率為1.00%時(shí)，直徑較小的PE 纖維容易降低拌合物的和易性，使得基體產(chǎn)生更多的自然缺陷，基體韌性降低，對試件的抗拉強(qiáng)度不利，但有利于拉伸應(yīng)變［2，9］.

2.4.3 纖維體積率

圖7 給出了HES-HDC 試件在不同纖維體積率下的抗拉強(qiáng)度與拉伸應(yīng)變.由圖7 可知，當(dāng)纖維直徑相同時(shí)，試件的拉伸強(qiáng)度隨纖維體積率的增加而降低，纖維體積率從1.00%增加至1.50%，試件2 h、24 h、7 d 和28 d 峰值強(qiáng)度分別降低了22.8%、19.6%、11.9%和12.5%.而試件的拉伸應(yīng)變對纖維體積率具有敏感性.隨纖維體積率的增加，試件拉伸應(yīng)變呈先提高后降低的趨勢，在纖維體積率為1.25%時(shí)達(dá)到最大值，其2 h、24 h、7 d 和28 d 峰值應(yīng)變分別為3.19%、4.43%、1.57%和1.82%.由此可見：1）HESHDC 材料適用的纖維體積率在1.00%～1.25%，低于傳統(tǒng)HDC 材料纖維體積率（2.0%～2.5%）［19，28］.2）綜合試件的拉伸強(qiáng)度與應(yīng)變，最佳纖維體積率為1.25%.

纖維體積率對HES-HDC 材料拉伸性能的影響主要有以下3個(gè)因素：1）SAC水泥的早強(qiáng)快凝特性導(dǎo)致了拌合物凝結(jié)較快，因此需要控制纖維的用量及拌合物的攪拌時(shí)間；2）隨纖維體積率的增加，拌合物的流動(dòng)性逐漸降低，纖維的分散受到阻礙，削弱了纖維的橋聯(lián)作用；3）當(dāng)纖維體積率超過一定值時(shí)，由于PE 纖維的疏水性且呈棉絮狀，在攪拌過程中會(huì)發(fā)生部分黏合，PE 纖維不能完全被基體包裹，對基體沒有增強(qiáng)作用，反而降低了試件的抗拉強(qiáng)度與拉伸應(yīng)變.

根據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果分析可知，當(dāng)纖維體積率未超過界限值（導(dǎo)致強(qiáng)度與延性均下降的纖維體積率）時(shí)，隨著纖維體積率的增加，纖維數(shù)量在一定程度增加會(huì)使得基體內(nèi)部產(chǎn)生微小缺陷，降低了基體韌性，使得試件強(qiáng)度降低，但延性得到了提高.當(dāng)纖維體積率超過界限值時(shí)，PE 纖維容易聚集成團(tuán)，形成宏觀缺陷，導(dǎo)致了試件的強(qiáng)度與延性均降低.由于大直徑纖維試件需要更高的體積率才能達(dá)到小直徑纖維試件的拉伸性能［29］，因此在相同纖維體積率（1.00%）下，小直徑纖維拉伸試件的拉伸應(yīng)變高于大直徑纖維試件，而當(dāng)大纖維直徑試件的體積率增加至1.25%時(shí)，其拉伸應(yīng)變增大，達(dá)到甚至高于小直徑纖維試件的拉伸應(yīng)變.

3 HDC拉伸韌性評價(jià)方法及影響因素

材料韌性指標(biāo)是用來定量描述材料強(qiáng)度與變形能力的綜合性指標(biāo)，綜合表征材料的耗能能力和耐損傷能力.日本標(biāo)準(zhǔn)（JSCE-SF4）［30］、美國標(biāo)準(zhǔn)（ASTM C1609/C1609M-12）［23］和中國標(biāo)準(zhǔn)（CECS 13：2009）［31］均提出了纖維混凝土彎曲韌性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及評價(jià)方法，并從能量和強(qiáng)度的角度給出了材料韌性評價(jià)指標(biāo).然而，目前纖維混凝土韌性的考察主要通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，鮮有對單軸拉伸試驗(yàn)提出合適的韌性評價(jià)方法.由于HDC 區(qū)別于傳統(tǒng)纖維混凝土的是其顯著的拉伸應(yīng)變強(qiáng)化特性，而四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)得到的試驗(yàn)曲線難以真實(shí)反映材料拉伸強(qiáng)化特點(diǎn)［18-19］，因此，針對力學(xué)性能更優(yōu)的HDC，應(yīng)根據(jù)其拉伸變形特點(diǎn)來選用合適的韌性評價(jià)方法.

PE 纖維對HDC 拉伸性能的改善與HDC 所處的受力階段有關(guān).PE纖維對HDC峰值荷載前的改善主要表現(xiàn)在提高峰值拉伸強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和韌性；對峰值荷載后的改善主要表現(xiàn)在提高殘余拉伸強(qiáng)度與持荷能力.針對現(xiàn)有纖維混凝土韌性評價(jià)方法適用性的不足，本文提出了HDC拉伸韌性評價(jià)新方法.

建議的新方法分別從能量比和強(qiáng)度比兩個(gè)角度對HDC 薄板各受力階段的拉伸韌性進(jìn)行評價(jià)，能量比形式的拉伸韌性指數(shù)I和強(qiáng)度比形式的拉伸強(qiáng)度系數(shù)R分別見式（2）、式（3）.

拉伸韌性指數(shù)I由強(qiáng)化指數(shù)Ip和殘余指數(shù)Ip，k組成，用于評價(jià)HDC 從初裂到應(yīng)變強(qiáng)化段至峰值點(diǎn)、應(yīng)變軟化段至承載力不顯著降低點(diǎn)時(shí)全過程的拉伸韌性.式（2）中，εcr為依據(jù)ASTM C1609/C1609M-12標(biāo)準(zhǔn)確定的初裂應(yīng)變，見圖8；εp為峰值應(yīng)變；εk為加載全過程階段的拉伸應(yīng)變，其值為應(yīng)力下降至峰值應(yīng)力k倍（k可取0.85、0.50、0.20）時(shí)對應(yīng)的拉伸應(yīng)變，具體可根據(jù)工程計(jì)算需求確定；Tcr、Tp和Tk分別表示從原點(diǎn)O至εcr、εp和εk范圍內(nèi)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積；Tp，k表示從εp至εk范圍內(nèi)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積，表達(dá)式見式（4）：

圖8 HDC拉伸韌性評價(jià)新方法Fig.8 New method for HDC tensile toughness evaluation

拉伸強(qiáng)度系數(shù)R由強(qiáng)化強(qiáng)度系數(shù)Rp和殘余強(qiáng)度系數(shù)Rp，k組成，分別以等效強(qiáng)化強(qiáng)度和等效殘余強(qiáng)度來評價(jià)HDC 薄板加載全過程的拉伸韌性.式（3）中，σe，p和σe，p，k分別為等效強(qiáng)化強(qiáng)度和等效殘余強(qiáng)度，表達(dá)式見式（5）、式（6）；σcr、σp分別為初裂強(qiáng)度（依據(jù)ASTM C1609/C1609M-12標(biāo)準(zhǔn)確定的可視初裂點(diǎn)，見圖8）和峰值強(qiáng)度.

上述建議的HDC 拉伸韌性評價(jià)新方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）可全面評價(jià)HDC 峰值應(yīng)力前應(yīng)變強(qiáng)化段及峰值應(yīng)力后應(yīng)變軟化段全過程的拉伸韌性；2）εk的取值借鑒了延性的定義［32］，即HDC 拉伸屈服至達(dá)到峰值應(yīng)力或達(dá)到以后而應(yīng)力未顯著下降期間（通常為峰值應(yīng)力的85%）的變形能力，能有效反映HDC在高應(yīng)力水平下的拉伸韌性；3）Ip，k、Rp，k可設(shè)定不同應(yīng)力水平下的應(yīng)變值εk，其結(jié)果所反映的HDC 拉伸韌性更能滿足工程計(jì)算需要；4）采用無量綱的形式，不受不同試件尺寸及拉伸測試方法的限制.從物理意義上講，Ip、Ip，k值越大，表明強(qiáng)化韌性水平、殘余韌性水平越高，PE 纖維對各受力階段的拉伸韌性貢獻(xiàn)越大；Rp、Rp，k值越大，表明等效強(qiáng)化強(qiáng)度、等效殘余強(qiáng)度越高，PE纖維對持荷能力的增強(qiáng)貢獻(xiàn)越大.

基于本文試驗(yàn)結(jié)果，利用式（2）～式（6）計(jì)算出17組HES-HDC薄板單軸拉伸試件的拉伸韌性指數(shù)I和拉伸強(qiáng)度系數(shù)R（見表5）.其中，k取0.85.新方法評價(jià)17組HES-HDC試件的拉伸韌性內(nèi)容如下.

表5 各組HDC試件的拉伸韌性指數(shù)I與拉伸強(qiáng)度系數(shù)RTab.5 The tensile toughness index I and tensile strength coefficient R of HDC specimens in each group

1） 養(yǎng)護(hù)齡期的影響.

由表5 可知，各組HES-HDC 試件的強(qiáng)化指數(shù)Ip隨齡期的增長呈先提高后降低的趨勢，均在24 h 齡期時(shí)取得最大值，這與2.4.1 節(jié)描述試件拉伸應(yīng)變隨齡期增長的變化規(guī)律相似，表明強(qiáng)化段的韌性水平與拉伸應(yīng)變密切相關(guān).試件拉伸變形越大，其拉伸破壞過程中所吸收的能量越多，韌性越高.而試件的殘余指數(shù)Ip，0.85隨齡期的增長呈降低的趨勢，隨齡期從2 h 增長至28 d，各類型D22-1.00、D25-1.00、D25-1.25 和D25-1.50試件的殘余指數(shù)Ip，0.85分別降低了59.6%、49.2%、20.9%和21.0%.在水化初期，基體強(qiáng)度和基體/纖維的黏結(jié)強(qiáng)度較低，在拉伸過程中纖維容易從基體中拔出.隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，基體強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度不斷增大，使得破壞模式由纖維拔出向拔斷轉(zhuǎn)變［9］，導(dǎo)致拉伸應(yīng)變能力下降，從而降低了拉伸韌性指數(shù)I（Ip和Ip，0.85）.

由表5 還可知，試件的強(qiáng)化強(qiáng)度系數(shù)Rp和殘余強(qiáng)度系數(shù)Rp，0.85均隨齡期的增長有增大趨勢.然而，Rp、Rp，0.85在24 h 和7 d 齡期時(shí)略有降低，這是由于HES-HDC 材料在7 d 內(nèi)水化反應(yīng)速率較快，試件強(qiáng)度的增長明顯快于變形能力的提高，從而導(dǎo)致Rp和Rp，0.85在24 h 和7 d 時(shí)略有降低.但從2 h 增長至28 d，D22-1.00、D25-1.00、D25-1.25 和D25-1.50 試件的Rp分別提高了11.6%、32.4%、49.2%和25.4%，Rp，0.85分別提高了0.8%，0.1%、2.2%和2.9%.試件的Rp和Rp，0.85增大，說明試件的持荷能力增強(qiáng).

2） 纖維直徑的影響.

由表5 可知，當(dāng)纖維體積率相同時(shí)，各齡期HES-HDC 試件的強(qiáng)化指數(shù)Ip在小直徑纖維（22 μm）下取得較大值，D22-1.00類型試件在2 h、24 h、7 d和28 d 時(shí)的強(qiáng)化指數(shù)Ip比D25-1.00 類型試件分別提高了33.8%、30.9%、38.0%和30.8%.這是由于小直徑纖維比大直徑纖維根數(shù)多，纖維橋聯(lián)作用更顯著，試件拉伸開裂后基體受到纖維的約束作用更大，破壞過程所吸收的能量更多，因此，D22-1.00類型試件的強(qiáng)化指數(shù)Ip高于D25-1.00類型試件.但受齡期的影響，峰值前應(yīng)變能TP和峰值后應(yīng)變能Tp，0.85同時(shí)增大，導(dǎo)致了不同直徑纖維試件的殘余指數(shù)Ip，0.85變化不明顯.

由表5 還可知，小直徑纖維試件的強(qiáng)化強(qiáng)度系數(shù)Rp、殘余強(qiáng)度系數(shù)Rp，0.85高于大直徑纖維試件.這是因?yàn)樾≈睆嚼w維的根數(shù)較多，纖維提供的橋接力越大，試件拉伸強(qiáng)度系數(shù)R（Rp和Rp，0.85）越高.

3） 纖維體積率的影響.

由表5 可知，HES-HDC 試件的強(qiáng)化指數(shù)Ip對纖維體積率具有敏感性，當(dāng)纖維直徑相同時(shí)，試件的強(qiáng)化指數(shù)Ip隨纖維體積率的增加呈先提高后降低的趨勢，在纖維體積率為1.25%取得最大值，其2 h、24 h、7 d和28 d的Ip值較纖維體積率為1.00%時(shí)分別提高了46.4%、47.4%、46.9 和39.2，較纖維體積率 為1.50%時(shí)分別提高了18.4%、14.8%、11.1%和30.8%.而試件的殘余指數(shù)Ip，0.85隨纖維體積率的增加呈先降低后提高的趨勢，在纖維體積率為1.25%時(shí)取得最小值，這并不能說明纖維體積率為1.25%時(shí)殘余拉伸韌性最低，這是因?yàn)镈25-1.25 類型試件的峰前應(yīng)變能TP明顯高于D25-1.00、D25-1.50 類型試件（從圖2 可以看出D25-1.25 類型試件拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線更為飽滿，相較于D25-1.00、D25-1.50類型試件峰值應(yīng)力前包圍的面積更大）.

由表5 還可知，試件的強(qiáng)化強(qiáng)度系數(shù)Rp、殘余強(qiáng)度系數(shù)Rp，0.85對纖維體積率具有敏感性，當(dāng)纖維直徑相同時(shí)，試件的強(qiáng)化強(qiáng)度系數(shù)Rp、殘余強(qiáng)度系數(shù)Rp，0.85隨纖維體積率的增加總體表現(xiàn)出先提高后降低的趨勢，在纖維體積率為1.25%時(shí)取得最大值.究其原因，當(dāng)纖維體積率未超過最優(yōu)體積率時(shí)，纖維所形成的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)能夠有效約束基體，提高了HESHDC強(qiáng)度與變形能力；隨著纖維體積率的增加，三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)逐步得到填充，對HES-HDC 的增強(qiáng)效果更明顯.當(dāng)體積率超過最優(yōu)體積率時(shí)，PE 纖維的根數(shù)越多，越容易在澆筑過程中聚集成團(tuán)，形成宏觀缺陷，從而降低試件的拉伸韌性.

4 結(jié)論

本文通過單軸拉伸試驗(yàn)研究不同PE 纖維直徑與體積率對各齡期HES-HDC 薄板拉伸力學(xué)性能的影響；對17 組HES-HDC 薄板試件的拉伸韌性進(jìn)行了評價(jià)，得出以下結(jié)論：

1）單軸拉伸試驗(yàn)充分展示了HES-HDC 應(yīng)變強(qiáng)化特性，其破壞過程呈多裂縫開展；拉伸變形全過程分為3 個(gè)階段：線彈性階段、應(yīng)變強(qiáng)化階段和應(yīng)變軟化階段.

2）2 h 齡期時(shí)，各組HES-HDC 拉伸強(qiáng)度與應(yīng)變達(dá)到3.29 MPa 和0.88%以上，滿足結(jié)構(gòu)快速修復(fù)需求.24 h 之后，HES-HDC 拉伸應(yīng)變逐漸降低并在28 d 時(shí)趨于穩(wěn)定.在28 d 時(shí)，各組HES-HDC 試件拉伸應(yīng)變依然保持在1.28%～2.63%，約為普通混凝土的128～263倍.

3）PE 纖維直徑與體積率對HES-HDC 拉伸性能有明顯影響.在纖維體積率為1.00%時(shí)，小直徑纖維對試件拉伸應(yīng)變有利，而大直徑纖維對試件拉伸強(qiáng)度有利；綜合大直徑纖維試件拉伸強(qiáng)度與應(yīng)變，纖維最佳體積率為1.25%.

4）基于單軸拉伸試驗(yàn)，提出了一種采用能量比形式的拉伸韌性指數(shù)I和強(qiáng)度比形式的拉伸強(qiáng)度系數(shù)R來評價(jià)HDC 的拉伸韌性.隨著齡期的增長，HES-HDC 拉伸韌性指數(shù)I降低，而拉伸強(qiáng)度系數(shù)R提高；小直徑纖維試件拉伸韌性高于大直徑纖維試件；纖維體積率為1.25%時(shí)試件拉伸韌性最大.

本文研究成果可為HES-HDC 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和非線性模擬分析提供試驗(yàn)依據(jù).