基于單軸拉伸試驗(yàn)的PP纖維-ECC材料受拉本構(gòu)行為研究

摘要：ECC作為一種新型的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能。文章結(jié)合單軸拉伸試驗(yàn)與非接觸式全場(chǎng)微應(yīng)變測(cè)試，系統(tǒng)研究了PP纖維-ECC材料受拉本構(gòu)行為。單軸拉伸荷載-位移試驗(yàn)與應(yīng)變?cè)茍D結(jié)果表明PP-ECC材料出現(xiàn)了多縫開裂特征；由于存在應(yīng)力集中，裂縫主要出現(xiàn)在試件兩邊夾持端和啞鈴型受拉端拐角處；PP纖維-ECC材料的受拉本構(gòu)行為可分為直線上升階段、變形硬化階段和變形軟化階段，其中雙線性模型能夠較好擬合應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。研究結(jié)果可為ECC材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；PP纖維；ECC材料；單軸拉伸試驗(yàn)；受拉本構(gòu)模型

中圖分類號(hào)：U414.1

0 引言

混凝土材料作為人類社會(huì)發(fā)展離不開的主要建筑材料，在近十幾年來為推進(jìn)我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入全新的發(fā)展階段作出了巨大的貢獻(xiàn)。但與此同時(shí)，普通混凝土存在著抗拉強(qiáng)度低、脆性大易開裂以及開裂后裂縫寬度難以控制的缺點(diǎn)，導(dǎo)致許多混凝土結(jié)構(gòu)在其長(zhǎng)期的工程應(yīng)用中存在嚴(yán)重的安全隱患［1］。

隨著復(fù)合材料在工程領(lǐng)域應(yīng)用的日益廣泛，其中ECC（Engineered Cementitious Composites）作為一種新型的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，因此在橋梁、高速公路、隧道等土木工程結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。在ECC材料的力學(xué)性能研究中，受拉本構(gòu)行為是一個(gè)重要的研究方向［2］。PP纖維作為一種具有高強(qiáng)度、高模量、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)的纖維材料，在ECC材料中具有較好的相容性和分散性［3］。在ECC中添加PP纖維可以顯著提高材料的抗拉強(qiáng)度和韌性，因此對(duì)于基于單軸拉伸試驗(yàn)的PP纖維-ECC材料受拉本構(gòu)行為的研究具有重要的實(shí)際意義。

王曉剛與Folker H W等［4］采用脛形和啞鈴形兩種試件，研究改變纖維摻量對(duì)ECC應(yīng)變硬化性能造成的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維摻量lt;2%時(shí)，抗拉強(qiáng)度分別約為3 MPa和3.8 MPa。王文煒等［5］研究不同纖維ECC材料的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)在一定標(biāo)度范圍之內(nèi)，影響纖維臨界體積率的主要因素是纖維直徑且與臨界體積率二者之間近似正相關(guān)。

本文結(jié)合單軸拉伸試驗(yàn)與非接觸式全場(chǎng)微應(yīng)變測(cè)試，對(duì)PP纖維-ECC材料的受拉本構(gòu)行為進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。通過分析試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，建立了PP纖維-ECC材料受拉本構(gòu)模型。本研究結(jié)果可為ECC材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)概況

本文采用表1所示的配合比制備PP纖維-ECC材料單軸拉伸試件，完成28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)。試件尺寸如圖1（a）所示，試驗(yàn)時(shí)將試件夾持于試驗(yàn)機(jī)專用夾具中，啞鈴型模具的優(yōu)勢(shì)之一是便于加持，試件制備如圖1（b），而后將夾具安裝在MTS微機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)上。

單軸拉伸試驗(yàn)采用MTS微機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)，對(duì)于ECC這類超高韌性水泥基復(fù)合材料，在直接拉伸試驗(yàn)峰值荷載之后的應(yīng)變曲線不太關(guān)心，重點(diǎn)更多地集中在試件多縫開裂的漫長(zhǎng)過程，同時(shí)觀察應(yīng)力-應(yīng)變曲線的硬化段和裂縫寬度的變化。此外，為了便于MatchID非接觸式全場(chǎng)微應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的觀測(cè)，在試驗(yàn)前，除了布置MatchID所需的觀測(cè)機(jī)和場(chǎng)景布置外，還應(yīng)對(duì)試件做散斑預(yù)處理。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示，用試驗(yàn)機(jī)上的夾具固定好經(jīng)過散斑處理的試件，安裝到試驗(yàn)機(jī)上的上下夾頭，放置應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的攝影機(jī)到拉伸現(xiàn)場(chǎng)兩側(cè)并對(duì)準(zhǔn)試件拉伸區(qū)，調(diào)節(jié)好光源和參數(shù)設(shè)置后，即可開始拉伸試驗(yàn)，并同時(shí)開始應(yīng)變采集。試驗(yàn)中控制加載速率為0.2 mm/min。

借助MatchID捕獲的應(yīng)變?cè)茍D可以清晰識(shí)別裂縫出現(xiàn)的區(qū)域，從而分析拉伸試驗(yàn)中PP纖維-ECC材料出現(xiàn)的多縫開裂情況，得到初裂抗拉強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度、極限拉應(yīng)變。數(shù)據(jù)采集操作流程如下：

（1）將相機(jī)和鏡頭組裝，并固定橫梁上，調(diào)節(jié)云臺(tái)水平，通過連接線使相機(jī)與電腦連接；

（2）進(jìn)入采集軟件，對(duì)準(zhǔn)、調(diào)出十字線，校準(zhǔn)鏡頭，調(diào)整相機(jī)的距離，保證試件位于兩相機(jī)中間位置；

（3）對(duì)兩個(gè)相機(jī)分別對(duì)焦使圖像顯示清晰，后排數(shù)字2.8、4、5.6、8等代表光圈大小，將白點(diǎn)定位在2.8，此時(shí)光圈最大，盡量光最多、景深最小，然后調(diào)節(jié)前面的對(duì)焦工具，直至畫面顯示最清晰圖像，并適當(dāng)調(diào)節(jié)光圈大小以便增加景深；

（4）微調(diào)節(jié)兩個(gè)相機(jī)底座，使兩個(gè)相機(jī)十字線中心基本位于同一個(gè)散斑點(diǎn)上，微調(diào)節(jié)底座之后如果畫面有些許模糊，可再調(diào)節(jié)對(duì)焦工具使其達(dá)到最清晰狀態(tài)；

（5）調(diào)整光源，保證圖像清晰，既不過暗，也不過曝；

（6）拍攝校正照片，并按照《校正操作流程》進(jìn)行校正照片分析，采集散斑照片。

2 基于單軸拉伸試驗(yàn)的PP纖維-ECC材料拉伸性能分析

PP纖維-ECC試件的單軸拉伸荷載-位移試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3荷載-位移曲線圖可將PP纖維-ECC的受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系大致劃分為3個(gè)階段：

（1）直線上升階段：荷載幾乎呈直線線性增長(zhǎng)，此階段為水泥基體的線彈性階段；

（2）變形硬化階段：試件出現(xiàn)裂縫進(jìn)入變形硬化階段時(shí)，荷載隨位移增長(zhǎng)在波動(dòng)中緩慢增長(zhǎng)直到極限抗拉強(qiáng)度，隨之出現(xiàn)新的裂縫；

（3）變形軟化階段：此階段拉應(yīng)變持續(xù)增長(zhǎng)，試件逐漸失效，荷載在波動(dòng)中逐漸下降。

通過MatchID捕獲的應(yīng)變?cè)茍D可以清晰識(shí)別裂縫出現(xiàn)的區(qū)域，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)PP-ECC材料在拉伸的過程中出現(xiàn)了多縫開裂的特征，云圖中偏暗色的區(qū)域?yàn)榫植繎?yīng)變較大的地方，暗色越深的區(qū)域，裂縫開口越大。在單軸拉伸試驗(yàn)中，初始裂縫主要出現(xiàn)在試件夾持兩端和中間區(qū)域，試件的兩端為試件啞鈴段和拉伸段的轉(zhuǎn)折處裂縫開口更大；出現(xiàn)裂縫開口處的纖維起著傳遞和分散荷載的作用，使已有的大裂縫隨變形兩側(cè)出現(xiàn)新的細(xì)小微裂縫，這使得試件能夠承受更大的拉伸變形。

單軸拉伸試驗(yàn)的荷載數(shù)據(jù)和應(yīng)變采集結(jié)果匯總于表2。根據(jù)表2試驗(yàn)結(jié)果可知，PP纖維-ECC試件的初裂抗拉強(qiáng)度為3.34 MPa，極限抗拉強(qiáng)度為3.81 MPa。

3 PP纖維-ECC材料受拉本構(gòu)行為

為便于分析材料的本構(gòu)關(guān)系，將PP纖維-ECC試件的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行無(wú)量綱處理。通常，受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可大致劃分成3個(gè)階段：（1）直線上升階段；（2）變形硬化階段；（3）變形軟化階段。其中第3階段對(duì)應(yīng)材料裂縫過大、逐漸喪失承載能力的階段，沒有足夠的工程實(shí)際意義，因此本文在抗拉本構(gòu)關(guān)系研究中不作考慮。

針對(duì)ECC材料的受拉本構(gòu)關(guān)系，Li根據(jù)ECC的受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線首次提出了“三線性模型”，該模型將ECC變形硬化階段的應(yīng)力波動(dòng)簡(jiǎn)化為直線，具體如式（1）所示。

利用麥夸特-全局優(yōu)化方法對(duì)3組ECC試件的受拉應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其結(jié)果如表3所示。結(jié)合表3擬合結(jié)果，考慮到3組經(jīng)濟(jì)型ECC試件互為平行組試件，因此可將模型各系數(shù)的擬合結(jié)果取平均值，作為式（3）中最終的模型參數(shù)p1～p3，具體計(jì)算結(jié)果和應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)繪制于圖5中。從圖5可以看出，本文提出的PP纖維-ECC受拉本構(gòu)模型基本概括了材料應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)，證明了該模型的適用性。同時(shí)也應(yīng)指出，本文測(cè)試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，更通用的參數(shù)取值還需進(jìn)行更多試驗(yàn)驗(yàn)證和模型檢驗(yàn)等相關(guān)工作來確定。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)PP纖維-ECC材料進(jìn)行單軸拉伸性能試驗(yàn)和非接觸式全場(chǎng)微應(yīng)變測(cè)試研究，得出以下結(jié)論：

（1）結(jié)合單軸拉伸試驗(yàn)與非接觸式全場(chǎng)微應(yīng)變測(cè)試，發(fā)現(xiàn)裂縫主要出現(xiàn)在試件兩邊夾持端和啞鈴型受拉端拐角處，由于存在應(yīng)力集中，出現(xiàn)較大裂縫，且較大裂縫周圍存在細(xì)小裂縫。這是由于ECC材料中纖維分散和傳遞荷載，使得受拉試件能夠承受更大的拉應(yīng)力和變形。

（2）PP纖維-ECC材料在受拉時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系主要分三個(gè)階段，即直線上升階段、變形硬化階段和變形軟化階段。可以對(duì)ECC材料的應(yīng)力-應(yīng)變擬合為雙線性模型，能夠有效地反映ECC材料的應(yīng)力-應(yīng)變變化趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2023-11-30

作者簡(jiǎn)介：傅紹育（1989—），工程師，主要從事高速公路運(yùn)營(yíng)管理工作。