应变率对高延性水泥基复合材料基本力学性能的影响*

袁 振，夏超凡，张 聪,2，李志华

(1. 江南大学 环境与土木工程学院，江苏 无锡 214000；2. 绿色建筑材料国家重点实验室，北京，100024)

0 引 言

高延性水泥基复合材料(HDCC)，相较于普通混凝土具有更强的拉伸韧性、裂缝控制能力，可以有效地改善了水泥基材料固有的高脆低韧特性，受到了土木工程领域越来越广泛的关注[1-8]。

目前，国内外学者对高延性水泥基复合材料静态力学性能的研究取得了一定的进展，但对于HDCC在不同应变率下材料力学性能保留的观点并不统一，并且在不同应变率范围内，得出的力学性能规律也大不相同。为了更好的研究应变率对材料力学性能的影响，陈强[9]、Douglas、Bollington[10]等学者发现在动态荷载作用下，随着应变率的增大，HDCC的弯曲强度、轴向压缩强度均有上升趋势。Viktoe Mechtcherine、徐世烺、Victor C Li等学者研究了PVA-HDCC的动态性能，Viktoe Mechtcherine[11]试验结果表明，应变率在10-2s-1及以下时，HDCC的拉伸强度增长不太明显，随着应变率的增长，HDCC的应变能力呈下降趋势；而

在较高应变率(10～50 s-1)时，拉伸强度和拉伸应变均有显著提高。李贺东、徐世烺[12-13]则认为4×10-6～1×10-1s-1应变率下，极限拉伸应变几乎不受应变率影响。Yu、Ravi Ranade[14]等学者研究了PE-HSHDCC的动态拉伸性能，Yu试验表明在10-4～5×10-2s-1应变率下，加载速率对初裂应力影响较大，而对峰值应力和应变能力的影响较小；Ravi Ranade、Vitor C Li试验表明，应变率从10-4s-1增长到10s-1时，初裂强度和峰值荷载均有较大程度的增长，拉伸应变则呈现下降趋势。所以为明确HDCC的应变率效应，本研究拟从应变率为10-5s-1到应变率为10-2s-1，系统的分析应变率对HDCC力学性能的影响。

1 实验概况

1.1 基体材料

本试验选用的胶凝材料为P·O 42.5 水泥与I级粉煤灰，其基本物理参数如表1所示。选用石英砂作为细骨料(粒径110 μm～210 μm，平均粒径150 μm)。为使新拌合物具有较好的工作性，减水剂采用聚羧酸型高效减水剂(减水率为24%)。试验原材料质量比为水泥∶粉煤灰∶石英砂∶水=1∶3∶0.8∶1.12，水胶比为0.28。

表1 胶凝材料的基本物理参数

1.2 纤维材料

试验选用日本Kuraray (可乐丽)公司生产的表面经涂油处理的PVA纤维；为了提高HDCC力学性能的稳定性[15-16]，选用上海峰竺有限公司生产的碳酸钙晶须，各纤维及晶须的基本参数见表2。实验各组纤维配比如表3所示。

表2 纤维材料和晶须的物理力学性能

表3 纤维掺量

1.3 试件制作

压缩试验每组配比采用3个70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试件，单轴拉伸试验每组配比采用3个如图1所示的哑铃型试件。

采用水泥砂浆搅拌机(JJ-5，无锡市建工试验仪器制造有限公司)将石英砂、粉煤灰、水泥、碳酸钙晶须依次加入慢速干拌2 min，随后加入一半水及高效减水剂慢速搅拌1 min后加入余下水及高效减水剂快速搅拌6 min，最后分3次均匀加入PVA纤维，每次加入间隔1 min，搅拌10 min后装模成型。参照ISO 679[17]成型试件放入标准养护室养护24 h后拆模，拆模结束后移至温度20±2 ℃，湿度95%的恒温恒湿标准养护箱，养护28 d后进行拉伸及压缩测试。

图1 单轴拉伸试件尺寸

1.4 试验方案及设备

本文试验方法参照《JC/T 2461-2018 高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》[18]。压缩试验采用WAW-600D微机控制电液伺服万能试验机(济南兰博时代测试技术有限公司)，加载方式采用位移控制，对2种配合比试件在4种不同应变率下进行压缩试验，应变率分别为10-5、10-4、10-3和10-2s-1，分别对应0.04242、0.4242、4.242和42.42 mm/min的压缩速率。通过WAW-600D微机控制电液伺服万能试验机和引伸计测得试件在压缩过程中的荷载与变形的关系，引伸计测试标距为50 mm，如图2所示。

图2 压缩试验加载装置

拉伸试验采用MTS Exceed 万能材料试验机(美特斯工业系统有限公司)，加载方式采用位移控制，对2种配合比试件在4种不同应变率下进行拉伸试验，应变率分别为10-5、10-4、10-3和10-2s-1，分别对应0.03、0.3、3和30 mm/min的拉伸速率。通过荷载传感器和引伸计测得试件在拉伸过程中的荷载与变形的关系，引伸计测试标距为50 mm，如图3所示。

图3 单轴拉伸试验加载装置

2 结果与讨论

2.1 拉伸性能

图4为各组试件在不同应变率下的拉伸应力-应变曲线图，每组配比测试3个试件，取拉伸应力-应变曲线的中间值作为代表性曲线。各组试件的拉伸力学性能如图5所示。其中采用极限拉伸应变处(80%峰值应力处对应的拉伸应变作为极限拉伸应变)应力-应变曲线所包围下的面积作为试件拉伸韧性的评价指标。由图5可知，随着应变率的提高，试件的拉伸韧性出现明显的下降。对于A组试件，当应变率由10-5s-1提升至10-2s-1时，试件的拉伸韧性分别降低了9.22%、5.22%、9.84%，B组试件的拉伸韧性随应变率提高分别降低了18.52%、5.62%、2.22%；而B组试件在4种应变率下的拉伸韧性相比A组分别提高了348.7%、313.48%、311.94%、342.62%。由此可见应变率与HDCC材料的拉伸韧性的关系是负相关的，但在不同应变率下碳酸钙晶须的引入对HDCC的拉伸韧性均有显著的提高。

由图4和图5可知，对于A组试件，当应变率由10-5s-1提升至10-2s-1时，其拉伸初裂应力分别提高了9.96%、11.96%、18.45%，峰值应力分别提高20.68%、28.97%、6.04%，极限拉伸应变分别降低了37.5%、37.14%、16.67%。对于B组试件，随着应变率的提高其拉伸初裂应力分别提高了59.62%、20.88%、17.52%，峰值应力分别提高19.25%、24.48%、14.64%，极限拉伸应变分别降低了36%、29.63%、25%，可知随着应变率的提高试件的峰值应力及初裂应力均有较大的提高且在应变率由10-4s-1提升至10-3s-1时提升幅度最大，而极限拉伸应变随着应变率的提高而降低，呈现负相关的关系。

图4 各组试件的拉伸应力-应变曲线

图5 各组试件的拉伸力学性能参数与拉伸韧性平均值

由图5可知，在4种应变率下，当加入碳酸钙晶须后试件的峰值应力分别提高了21.05%、19.63%、15.46%、24.83%；试件的极限拉伸应变分别提高了260.61%、264.58%、285.71%、260%，而试件在应变率为10-5s-1时初裂应力降低，其它应变率下初裂应力均提高，这可能是拉伸试验过程中试件与拉伸模具中存在空隙导致，整体规律是碳酸钙晶须的加入提高了材料的初裂应力。由此可以看出，在不同应变率下，碳酸钙晶须对HDCC拉伸峰值应力的提高有着显著的作用，特别对HDCC的拉伸应变的提高具有明显作用。因此碳酸钙晶须对改善HDCC材料的拉伸力学性能可起明显的作用。

2.2 压缩性能

图6为各组试件在不同应变率下的压缩应力-应变曲线图，每组配比测试3个试件，取压缩应力-应变曲线的中间值作为代表性曲线。各组试件的抗压强度如图7所示。由图6可知，随着应变率由10-5s-1提升至10-2s-1，A组试件的抗压强度分别提高了10.46%、9.38%、5.56%，B组试件的抗压强度分别提高了8.13%、10.81%和6.79%。由此可见随着应变率的提高试件的抗压强度也随之提高。

由图7a可知，在4种应变率下，当加入碳酸钙晶须后试件抗压强度提升至25.58、27.66、30.65和32.73 MPa，峰值应力分别提高了24.42%、21.8%、23.39%、24.83%，试件的抗压强度得到明显提高。由图7b可知，当应变率在10-5～10-2s-1范围内变化时，峰值应力处的应变值没有明显的变化规律，而在掺入碳酸钙晶须后从整体上看，应变值略有增加的趋势。由此可见峰值应力处的应变值不随应变率的增大而发生变化，在加入碳酸钙晶须后应变值略有增大。

图6 各组试件的压缩应力-应变曲线

图7 各组试件的压缩力学性能参数平均值

3 结 论

研究了在应变率为10-5、10-4、10-3和10-2s-1下HDCC的拉伸性能和压缩性能以及在引入碳酸钙晶须后HDCC的力学性能，分析了应变率对HDCC拉伸强度、拉伸应变、拉伸韧性以及压缩强度的影响，可以得到以下结论：

(1)随着应变率的提高，HDCC材料的拉伸韧性与极限拉伸应变的关系是负相关的，而HDCC材料的初裂应力及峰值应力均有较大幅度的提高，呈正相关关系。

(2)在不同应变率下，碳酸钙晶须的掺入对改善HDCC材料的拉伸力学性能起明显的作用,对HDCC材料的拉伸峰值应力、拉伸韧性及拉伸应变的提高有着较为显著的作用。

(3)随着应变率的提高，HDCC材料的抗压强度也随之提高，呈正相关关系，且碳酸钙晶须的引入对提高HDCC材料的抗压强度，起着十分明显的作用。

(4)当应变率在10-5～10-2s-1范围内变化时，压缩峰值应力处的应变值不随应变率的增大而发生变化，在加入碳酸钙晶须后应变值略有增大。