超高韧性纤维增强水泥基复合材料基本力学性能

2009年9月水 利 学 报SH UI LI X UE BAO第40卷　第9期收稿日期:2008212212基金项目:国家自然科学基金重点项目(50438010);南水北调工程建设重大关键技术研究及应用(J G ZX JJ2006213)作者简介:徐世　(1953-),男,湖北人,博士,教授,主要从事混凝土断裂力学基本理论与工程应用、新型材料与结构、超高韧性水泥基复合材料和非金属纤维编织网增强混凝土结构研究。

E 2mail :slxu @文章编号:055929350(2009)0921055209超高韧性纤维增强水泥基复合材料基本力学性能徐世　,蔡向荣(大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室结构分室,辽宁大连　116024)摘要:研制了采用高强高弹模聚乙烯醇纤维作为增强材,以精制水泥砂浆为基体的超高韧性水泥基复合材料。

本文通过单轴拉伸试验、四点弯曲试验、单轴抗压试验、三点弯曲断裂试验研究了这种新型材料的抗拉、抗弯、抗压和抗裂性能。

试验结果表明,该材料在拉伸和弯曲荷载作用下具有假应变硬化和多缝开裂特性,以及高延性、高韧性和高能量吸收能力。

极限荷载时的最大裂缝宽度在50μm 左右。

拉伸和弯曲试验测得的极限拉伸应变在3%以上,平均裂缝间距1mm 左右。

其抗压强度类似于混凝土,抗压弹性模量较低,但受压变形能力比普通混凝土大很多。

通过三点弯曲断裂试验证明,该材料的峰值荷载及其对应变形都较基体有明显的提高。

缺口拉伸试件和缺口梁试件均证明,该材料可以将单一裂缝细化成多条细裂缝,同时该材料具有对小缺口不敏感的特性。

4种试验的结果证明该材料在各种破坏荷载作用下均能保持良好的整体性,不发生碎裂破坏。

关键词:超高韧性水泥基复合材料;假应变硬化;多缝开裂;高延性;高韧性;高能量吸收能力中图分类号:T U5281572文献标识码:A1　研究背景水利工程是我国的一项基础产业工程,目前我国正在大规模、高速度地进行水利开发,2008年第四季度国家新增200亿元中央水利建设投资加快水利基础设施建设。

水利工程建设耗资巨大,如果水利工程结构耐久性不足,将增加建筑物使用过程中的修理与加固费用,影响或限制结构的正常使用功能并缩短结构的使用年限,影响效益和安全,不仅造成经济损失,而且严重浪费资源,引发社会问题。

因此有必要全方位、多渠道地提高水工混凝土的质量和耐久性,延长工程使用寿命,确保国家可持续发展战略在水利建设开发过程中的有效实施。

裂缝是影响水工混凝土质量和耐久性的首要因素,如何有效地控制水工混凝土裂缝的产生和扩展是目前解决水工混凝土结构耐久性问题的关键之一。

从材料的角度来讲,控制裂缝的方法主要是减少水泥用量、使用外加剂和添加纤维。

其中纤维的添加可以更为有效地控制混凝土裂缝的形成和扩展,提高混凝土的延性和韧性,能较好的解决由于荷载作用或其他变形作用引起的混凝土开裂,成为提高水工混凝土结构耐久性的有效方法之一。

目前各种纤维混凝土的研究和应用已经取得了丰硕的成果,尤其是高性能纤维混凝土的研究和应用在较大程度上解决了混凝土的开裂问题[1-4]。

但是普通的高性能纤维混凝土通常采用较大的钢纤维体积掺量,不仅成本增加,重量大,施工困难,而且其裂缝控制宽度一般在几百个微米,尤其当应变超过115%时基本上不能再控制裂缝宽度[5]。

根据国内外设计规范及有关试验资料,混凝土最大裂缝宽度的控制标准大致为:无侵蚀介质无防渗要求时013～014mm ;轻微侵蚀、无防渗要求时012～013mm ;严重侵蚀、有防渗要求时011～012mm 。

为了能更好的控制混凝土在各种荷载和变形下的裂缝宽度,提高混凝—5501—土结构的抗裂防渗性能,20世纪90年代初美国密歇根大学成功研制了一种中等纤维体积掺量的随机短纤维增强高性能水泥基复合材料(Engineered cementitious com posites,简称ECC)[6-8]。

它采用聚乙烯纤维或聚乙烯醇纤维作为增强材,以水泥净浆或特制水泥砂浆为基体,通过细观力学、断裂力学和数理统计方法选择合理的纤维、基体和界面性能参数。

这种新型材料在拉伸、弯曲等荷载作用下具有假应变硬化和多缝开裂的特性,最大裂缝宽度可以控制在011mm以内,可以有效的防止外界有害物质的侵入,提高水工结构的耐久性。

由于荷载作用下大量细密裂缝的产生使它同时具有高延性、高韧性和高能量吸收能力,解决了混凝土本身固有的脆性。

目前这种材料已经在日本、美国、韩国、瑞士和澳大利亚投入使用[9-11]。

由于它在提高结构的裂缝控制能力、增加结构的延性、耗能能力、抗侵蚀性、抗冲击性和耐磨性方面具有显著的效果[8],所以除了应用于水利工程提高水工结构的抗裂、抗侵蚀、抗冻融等耐久性能以外,它还可以用于桥梁工程、道路路面工程、地下工程、抗震结构、大变形结构、抗冲击结构和修复结构等。

本文采用高强高弹模聚乙烯醇纤维作为增强材,以精制水泥砂浆为基体,通过大量试验研究成功配制了具有类似于ECC材料性能的超高韧性水泥基复合材料(简称UHT CC)。

本文将通过单轴拉伸试验、四点弯曲试验、单轴抗压试验、三点弯曲缺口梁断裂试验研究这种超高韧性水泥基复合材料的抗拉、抗弯、抗压和断裂性能。

2　试验原材料和搅拌工艺211　原材料　胶凝材料包括P.Ⅱ.5215R水泥和矿物掺合料,骨料为特制沙,外加剂为商用高效减水剂,拌和水为饮用自来水,采用PVA纤维,有关性能参数见表1,纤维体积掺量为2%。

表1　PVA纤维参数纤维名称名义强度/MPa纤维直径/μm纤维长度/mm弹性模量/G Pa延伸率Π% PVA1620391242186%212　搅拌工艺　首先将胶凝材料和精细沙投入搅拌机中,先干拌而后加水搅拌以使砂浆基体具有良好的流动性和适宜的黏聚性,最后加入PVA纤维搅拌。

搅拌结束后,纤维分散均匀,没有结团现象。

所有试件均钢模成型,36h后拆模,放入标准养护室养护28d后取出,然后室内放置直至试验。

3　基本力学性能311　拉伸性能　通过直接拉伸试验测定超高韧性水泥基复合材料的拉伸性能。

试件尺寸350mm×50mm×15mm,试件测量标距200mm。

试件形式分为不带切口试件和双边切口试件,所有试件均先制成不带切口试件。

试验前采用约2mm宽的碳化钙锯对部分试件进行双边切口,切口尺寸分别为5mm和10mm。

不带切口试件的试验龄期分别为28d和90d,切口试件的试验龄期为90d。

试验时加载速率011mm/min,采用荷载传感器和夹式引伸计测量荷载和拉伸变形,德国产I MC全自动数据采集处理系统进行荷载和变形的数据采集和处理。

试验测得的荷载-变形曲线如图1所示。

从图1(a)中可以看出,龄期从28d增长到90d,试件的拉伸应变基本没变,而抗拉强度明显增大。

由拉伸变形与测量标距的比值计算平均拉伸应变,由抗拉荷载与试件横截面面积的比值计算抗拉强度。

计算得到的28d极限应变为3137%,抗拉强度为4171MPa;90d极限应变为3140%,抗拉强度为5168MPa。

由于矿物掺合料的二次水化反应,UHT CC后期强度增加较大,90d龄期时抗拉强度较28d增加了2016%。

试验中观察拉伸试件的开裂情况,可以看到接近极限抗拉强度时,试件的受拉区内产生了大量近似平行的细密裂缝。

采用D JCK裂缝观测仪观测到的峰值荷载附近的裂缝张开宽度在50μm左右。

由于——615图1　试验测得的荷载-变形曲线开裂混凝土的抗渗性是裂缝宽度的三次方[5],所以如此小的裂缝宽度可以有效地阻止侵蚀性物质的侵入。

如果利用这种材料作为钢筋的混凝土保护层,则可以有效地减慢钢筋的腐蚀速率,提高钢筋混凝土结构的耐久性。

由D JCK 裂缝观测仪观测到的裂缝宽度和裂缝条数随拉伸应变的增长关系如图2所示。

从图2可以看出,随着变形的增加,裂缝宽度先增长,当增加到一定值(本试验为40～50μm )时,随着变形的增加,裂缝宽度不再增加,而裂缝条数随变形的增加近似成线性关系增长,峰值荷载附近裂缝条数高达200条之多。

图2　裂缝宽度和裂缝条数随应变的增长关系从图1(b )和图1(c )中可以看出,双边切口5mm 的拉伸试件,测量标距内的总变形量明显大于切口的张开变形量;双边切口10mm 的拉伸试件,测量标距内的总变形量与切口的张开变形量大体相当。

由于试件的变形主要来源于试件上产生的裂缝条数和裂缝宽度,测量结果证明纤维具有非常良好的连接作用,可以控制小切口处裂缝的扩展,使小切口试件的多缝开裂形式优于大切口试件。

对试件多缝开裂形式的实际观察也证明了这一点。

对比观察两种切口试件的多缝开裂形式,可以看出当双边切口尺寸较小时,试件在整个测量标距范围内产生均匀分布的多条细裂缝;当双边切口尺寸较大时,多缝开裂仅限于切口附近,并且裂缝不再近似平行,而是围绕切口呈弧形曲线。

由抗拉荷载与试件切口处横截面面积的比值计算切口试件的名义抗拉强度,双边切口5mm 试件的名义抗拉强度5132MPa ,双边切口10mm 试件的名义抗拉强度5190MPa ,与无切口试件的抗拉强度对比可以发现试件的抗拉强度基本不变。

312　弯曲性能　采用薄板试件和梁试件研究超高韧性水泥基复合材料的弯曲性能,试件尺寸分别为400mm ×100mm ×15mm 和400mm ×100mm ×100mm 。

试验龄期90d 。

分别在30t 的闭环液压伺服材料试验机和100t 的闭环液压伺服材料试验机上进行试验。

加载速率分别为015mm/min 和011mm/min 。

加载方式为三分点加载。

采用荷载传感器和LVDT 测量抗弯荷载和跨中挠度,德国进口的I MC 全自动数据采集处理系统进行荷载和变形的数据采集和处理。

试验得到的荷载-挠度曲线如图3所示。

右侧纵坐标是根据材料力学公式计算得到的抗弯应力。

由荷载-挠度曲线可得开裂荷载和开裂挠度、极限荷载和极限挠度,然后分别采用如下公式计算开裂强度、抗弯强度和极限拉伸应变预测值,计算结果见表2。

—7501—图3　荷载-挠度曲线表2　主要力学性能指标编号开裂挠度δc Πmm 开裂荷载P c ΠN极限挠度δu Πmm 极限荷载P u ΠN比例极限强度σc ΠMPa 拉伸应变预测值Π%抗弯强度σu ΠMPa 101383673113956104189313412175薄板试件2013837230121018164196312213158301454263015996105168312513128平均值014038830179901251173127131201013624153198391567135311811187梁试件2012325152319242150716631141217530125241414133401307132314612109平均值012824181410840187144312612124 开裂强度σc (MPa ):σc =P c l 0bh2(1) 抗弯强度σu (MPa ):σu =P u l 0bh 2(2) 极限拉伸应变预测值εu :εu =1s khl 20f(3)式中:P c 为开裂荷载(N );P u 为极限荷载(N );l 0为梁的计算跨度(mm );b 、h 为试件的宽度和高度(mm );s 为与荷载形式、支承条件等有关的系数,对于大变形情况下的四点弯曲构件,系数s =1/8;k =h t /h 为受拉区高度h t 与构件截面高度h 的比值,根据试验得到的裂缝沿构件高度方向的扩展深度进行估算;f 为跨中挠度(mm )。