高延性水泥基复合材料弯曲性能的率效应*

刘明辉，余志辉，张 聪,2

(1. 江南大学，环境与土木工程学院，江苏 无锡 214000 2. 江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室，江苏 徐州 221000)

0 引 言

高延性水泥基复合材料(High Ductility Cementitious Composite, HDCC)是一种具有应变硬化和多缝开裂特征的纤维增强水泥基复合材料，其拉伸应变通常可达3%以上，最大裂缝宽度可控制在100 μm以内[1, 2]。相较于高脆性、低韧性的普通混凝土材料，HDCC材料优良的性能使其有望大规模应用在抗震工程、桥梁工程、大坝和港口等建筑结构中[3]。

HDCC是一种应变率敏感材料[4-5]，加载速率对于其动态力学性能影响很大,但目前国内外学者对于HDCC力学性能的研究多集中在静态荷载作用下[6-9]，而对于其动态荷载下的力学性能研究相对较少。Ali A. Heravi[10]等利用霍普金森拉杆研究了SHCC (strain hardening cement-based composite)在200s-1应变速率下的拉伸性能，发现随着应变率的提高，纤维和基体的粘结强度的变化使得材料的峰值应变和断裂能均有所提高。李艳等研究了不同PVA纤维体积分数(0%、0.5%、1%、1.5%、2%)的PVA-HDCC在3种应变率下的动态压缩性能,结果表明随着PVA体积分数的增大，PVA-ECC的动态峰值应力、峰值应变和韧性增大[11]。由此可见，上述研究主要集中在HDCC的动态拉伸和动态压缩性能，但HDCC更常处于弯-拉复合受力状态，研究加载速率对于其受弯性能的影响不容忽视。此外，目前的研究多关注于单掺PVA纤维的HDCC材料，而单掺纤维存在一定的局限性：仅采用高弹模高强度的PVA纤维会造成较高的成本，而采用低弹模低强度的PVA纤维在高应变率下容易断裂达不到高延性效果[12]。为此，不少学者尝试在PVA-HDCC中使用混杂纤维以提高HDCC的性价比[13]。

本文以前期研究为基础[14-15]，分析了不同加载速率(0.1、1、10和50 mm/min)，不同PVA纤维掺量(体积分数1.5%、1.75%、2%)以及混杂使用PVA纤维与碳酸钙晶须对HDCC弯曲性能的影响，并对其初裂强度，极限抗弯强度，动态增强因子φDIF和弯曲韧性进行评价。本文的研究成果可以为HDCC材料的研究与应用提供一定的数据支撑。

1 实 验

1.1 原材料与配合比

原材料为：P·O 42.5R 型水泥(江苏无锡)，比表面积7.01 m2/g；I级粉煤灰，比表面积0.37 m2/g；细骨料采用精制石英砂，粒径为110～210 μm，平均粒径为150 μm；减水剂采用聚羧酸型高效减水剂，减水率为24.1%；拌合用水为自来水。所用纤维材料包括PVA纤维(日本Kuraray，约150 000元/吨)和碳酸钙晶须(上海峰竺，约1 500元/吨)。原材料的基本物理和化学参数分别如表1和表2所示。原材料形貌如图1所示。

表1 纤维和晶须的物理力学性能Table 1 Physical and mechanical properties of fiber and whisker

表2 原材料的化学组成 (%)Table 2 Chemical composition of raw materials (%)

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

为了研究动态荷载作用下碳酸钙晶须对PVA-HDCC弯曲性能的影响，共设计了5组配合比，如表3所示。

表3 试验配合比 (kg/m3)Table 3 Experimental mix proportion (kg/m3)

1.2 试验方法

先将水泥砂浆搅拌机清理干净后内部湿润，把称好的石英砂、水泥、粉煤灰和碳酸钙晶须倒入水泥砂浆搅拌机中，慢速干拌2 min。随后倒入一半的水搅拌1 min，再将高效减水剂和剩余的水倒入，快速搅拌5 min。最后将PVA纤维均匀加入(添加纤维前应注意纤维的分散性，保证纤维不成团不成束)，搅拌10 min后装入尺寸为400 mm×100 mm×13 mm钢模具，在振动台上振动2 min，以减少内部气泡。将成型好的试件覆盖保鲜膜，静置于温度为(20±5)℃的环境中24 h后拆模，将拆好的试件编号放入恒温恒湿养护箱中(温度20 ℃±2 ℃,相对湿度不低于95%)养护28 d后取出测试其弯曲性能。

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》，采用量程为30 kN的MTS万能试验机(美特斯工业系统有限公司)对薄板试件进行四点弯曲试验，加载方式为位移控制，试验的加载装置如图2所示。每组配比3个试件，试验结果取平均值。加载速度分别为：0.1、1、10和50 mm/min，当荷载下降至极限荷载的80%时，停止加载。

图2 弯曲试验加载装置Fig.2 Loading instrument for flexural test

2 结果与讨论

2.1 初裂强度与抗弯强度

图3 (a)是各组HDCC试件在不同加载速率下的初裂强度。可以发现，在单掺PVA纤维的3组试件中，随着PVA纤维掺量的降低，其初裂强度在4个加载速率下均呈现下降趋势；而掺入碳酸钙晶须后，材料的初裂强度明显提升，PVA/CW-HDCC-1组在0.1和1 mm/min的加载速率下其初裂强度甚至超过了PVA-HDCC-1组的初裂强度。这是因为在微观层面上，碳酸钙晶须通过对裂纹的偏转，对缺陷和微观裂缝的桥联作用，以及晶须从基体中拔出等机制实现了对基体的增强增韧作用[9,14]，从而提高了在动态荷载作用下试件的初裂强度。

图3 (b)为不同加载速率下各组HDCC薄板试件的抗弯强度。可以发现当不掺碳酸钙晶须时，PVA-HDCC-1, PVA-HDCC-2, PVA-HDCC-3 3组试件在加载速率为1 mm/min时的抗弯强度相比于加载速率为0.1 mm/min时均有小幅度的下降，分别下降了0.55%、3.71%、9.95%。而掺入1%和3%碳酸钙晶须后的HDCC薄板试件在1 mm/min加载速率下其抗弯强度分别提升了27.98%和27.32%。在4种加载速率下，掺入碳酸钙晶须试件的抗弯强度均高于相同PVA纤维掺量的试件。这说明碳酸钙晶须对于HDCC在动态荷载作用下的抗弯强度有很好的提升效果。此外，从图2 (b)可以看到单掺PVA纤维的3组试件的抗弯强度随着PVA纤维掺量降低而下降，说明PVA纤维掺量对于HDCC的抗弯强度起控制作用。

从图3 (a)、(b)可以发现，当加载速度>1 mm/min时，5组HDCC的初裂强度和抗弯强度随着加载速率的增大均呈现上升趋势。以准静态荷载(0.1 mm/min)时的抗弯强度为参照，5组试件在加载速率为10 mm/min时初裂强度和抗弯强度的增长幅度都超过了8%；在加载速率为50 mm/min时增幅均超过了25%。这是因为随着加载速率的提高，试件内部的裂缝并无法充分扩展和融合，因此能量累积和变形缓冲作用变小(在本试验中反映为材料的开裂挠度变小)。根据冲量定理和功能原理, 材料只有通过增加应力的方式来平衡外部能量[11]，所以表现为强度的增加。

由上述分析可知，HDCC材料的抗弯强度具有明显的加载速率增强效应，即随着加载速率的提高，材料的抗弯强度随之增大。因此采用动态增强因子φDIF(Dynamic Increase Factor，DIF)，来描述HDCC材料的加载速率硬化效应,如公式(1)所示。

(1)

式中：σds为准静态强度(加载速率为0.1 mm/min的抗弯强度)；φDIF为弯曲动态强化因子，是其他加载速率下的抗弯强度σd与σds的比值。

图4为各组试件的动态增强因子与加载速率对数(ln(1+υ))的关系。由图3可以看到：各组HDCC试件的φDIF与加载速率的对数均呈现线性增长关系；对于不同纤维体积分数和不同碳酸钙晶须掺量的HDCC试件，各拟合曲线的斜率大致相同，即φDIF与加载速率对数的线性增长关系基本相同，这说明纤维体积分数和碳酸钙晶须掺量对HDCC抗弯强度敏感性的影响较小。

图4 φDIF与ln(1+υ)的关系Fig.4 The relationship between φDIF and ln(1+υ)

2.2 弯曲韧性

为了研究加载速率对HDCC材料弯曲韧性的影响，根据试验得到的荷载-挠度曲线(图5)计算各组试件的能量吸收能力指标TI，如公式(2)所示。

(2)

式中：TI为峰值点对应荷载-挠度曲线下的面积与试件有效体积的比值；δMOR为峰值荷载处对应的跨中挠度；P(δ)为试件所受的弯曲荷载；b为试件的宽度，即100 mm；h为试件的高度，即15 mm；L为支座的距离，即300 mm。各组HDCC在不同加载速率下的能量吸收能力指标见表4。

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

由表4可以看到，随着加载速率的提高，各组HDCC试件的能量吸收能力呈现降低的趋势，这是由于在较高的加载速率下HDCC中的PVA纤维的黏结-滑移过程并不充分，甚至纤维易被拉断，导致无法充分发挥PVA纤维的“拔出”和“桥联”能力，因此导致HDCC试件的弯曲韧性呈降低趋势[16]。此外，从图5中的荷载-挠度曲线可以看出，当加载速率超过1 mm/min，各组试件的挠度随加载速率的提高而逐渐减小，且峰值荷载后曲线下降段的斜率增大。说明HDCC的弯曲韧性和延性受加载速率的影响明显，随加载速率的提高而劣化。图5 (a)、(b)、(c)为不同加载速率下HDCC的荷载挠度曲线。可以看出，随着PVA纤维掺量的降低，试件的极限荷载、极限挠度都有所下降并且出现了挠度硬化行为的退化。与PVA-HDCC-1相比，PVA-HDCC-2的极限荷载在4个加载速率下均下降了20%左右，PVA-HDCC-3的极限荷载均下降了50%左右。除此之外，PVA-HDCC-2和PVA-HDCC-3试件的极限挠度在0.1 mm/min的加载速率分别下降了26%和40%，而在10 mm/min的加载速率下分别下降了52%和61%。可以发现，PVA纤维对于HDCC的动态弯曲性能起到控制性作用。图5 (d)、(e)为PVA/CW-HDCC-1和 PVA/CW-HDCC-2组试件在不同加载速率下的荷载-挠度曲线。可以看到，PVA/CW-HDCC-1和 PVA/CW-HDCC-2与PVA-HDCC-2和PVA-HDCC-3相比，试件的极限荷载和极限挠度均有所增加，挠度硬化行为更为明显。在50 mm/min的加载速率下，碳酸钙晶须对两组试件的极限挠度提升最为明显，对比静荷载下分别提高了47.52%和44.65%。另外，在1 mm/min的加载速率下，晶须对两组试件的极限荷载提升最明显，分别提升了21.86%和21.45%；而在10和50 mm/min的加载速率下，两组试件的极限荷载提升相近，均分别提升了7%和15%左右。这说明碳酸钙晶须的掺入可以提升HDCC的动态抗弯性能。

图5 各组试件在4个加载速率下的荷载-挠度曲线图，(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

图6(a)为不同加载速率下PVA-HDCC-2和PVA/CW-HDCC-1的能量吸收能力指标TI的变化趋势，可以发现在1.75%PVA纤维增强的HDCC中掺入1%碳酸钙晶须后，试件的能量吸收指标TI在4个加载速率下分别提高了54.4%、88.1%、75.1%和13.7%，说明掺入1%碳酸钙晶须对于动态荷载下PVA-HDCC-2的能量吸收能力提升显著。图6 (b)为不同加载速率下PVA-HDCC-3和PVA/CW-HDCC-2的能量吸收能力指标TI的变化趋势。在1.5%PVA纤维增强的HDCC中掺入3%碳酸钙晶须后，试件的能量吸收指标TI在4个加载速率下分别提高了4.5%、14.8%、2.9%和22.8%，说明掺入3%碳酸钙晶须能改善PVA-HDCC-3的抗弯韧性。对比图6 (a)和(b)可以发现，添加1%碳酸钙晶须对PVA-HDCC-2抗弯韧性的提高幅度远大于添加3%碳酸钙晶须对PVA-HDCC-3抗弯韧性提高幅度，这主要是因为PVA-HDCC-2的PVA掺量高于PVA-HDCC-3，这进一步说明对于HDCC的抗弯性能PVA纤维掺量是决定因素，碳酸钙晶须有一定的提高作用。

图6 不同加载速率下能量吸收能力指标TI，(a) PVA-HDCC-2组和PVA/CW-HDCC-1组试件；(b) PVA-HDCC-3组和PVA/CW-HDCC-2组试件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 结 论

研究了不同加载速率下，PVA纤维掺量以及混杂使用PVA纤维与碳酸钙晶须对高延性水泥基复合材料弯曲性能的影响，可以得到以下结论：

(1)随着加载速率的提高，HDCC材料的初裂强度和抗弯强度呈上升趋势，当加载速率>1 mm/min时，增幅较为明显。弯曲动态强度增长因子与加载速率的对数呈线性增长关系。PVA纤维和碳酸钙晶须掺量对HDCC抗弯强度率敏感性的影响并不明显。随着加载速率的提高，HDCC的弯曲极限挠度和弯曲韧性均有不同程度的降低。

(2)不同加载速率下HDCC薄板试件的弯曲性能受PVA纤维掺量控制，随着PVA纤维掺量的降低，HDCC的弯曲强度和弯曲韧性均明显下降。

(3)相比于单掺1.75%或1.5%PVA纤维，混杂使用碳酸钙晶须提高了HDCC在不同加载速率下的抗弯强度、弯曲韧性和能量吸收能力；而相比于单掺2%PVA纤维，在不同加载速率下混杂使用1.75%PVA纤维和1%碳酸钙晶须并没有引起HDCC弯曲性能明显的劣化，但降低了HDCC成本，提高了性价比。