混杂纤维增强高韧性水泥基复合材料的拉伸性能

许子龙， 谢 群

(济南大学土木建筑学院， 山东济南250022)

钢筋混凝土作为现代社会最主要的建筑材料被广泛应用， 但是钢筋的高延性与混凝土的低抗拉能力导致钢筋混凝土的耐久性大幅降低。 为了解决该问题， Li等[1]在20世纪90年代研制出一种具有应变硬化、 延伸率为3%、 多裂缝的高韧性水泥基复合(ECC)材料。 近年来， 国内外学者们对ECC材料进行深入研究， 增韧材料的形式主要分为2类， 即同种纤维不同尺寸混杂[2-5]和不同的纤维种类混杂[6-8]。 这些研究采用的纤维多是聚乙烯醇(PVA)纤维， 制成的ECC材料直接拉伸的延伸率通常为3%～4%， 其中掺入PVA纤维的体积分数多在2%左右。目前国内外的ECC材料中的增韧材料多采用PVA纤维，该类纤维为日本可乐丽公司生产，造价较高。另外，由于PVA纤维具有亲水性，纤维与水泥基体之间有较强的化学黏结力，因此试件破坏形式多表现为纤维拉断而不是纤维拔出[9]。

聚乙烯(PE)纤维是一种憎水纤维，ECC材料中多采用长度为18 mm的长纤维。采用扫描电子显微镜对试件破坏面的观察发现，PE纤维一般发生断裂和拔出2种破坏形式，较大的长径比能够保证纤维有足够的化学黏结力，提升ECC材料的延性[10]。为了解决水泥基材料中单掺PE 纤维初裂拉力较小的问题，本文中通过掺入钢纤维来提升ECC材料的初裂拉力和极限拉力，通过直接拉伸试验来探寻最佳钢纤维掺量。

1 试件制备

1.1 材料与配合比

水泥试件共采用4种配合比。 PE纤维的体积分数固定为1%， 钢纤维体积分数为0、 0.3%、 0.6%、 0.9%，钢纤维具体掺量见表1。水泥为河南永安水泥有限责任公司生产的P.O 42.5级硅酸盐水泥；粉煤灰采用河南省巩义市第二电厂的一级粉煤灰，化学组成见表2；硅灰产自河南铂润有限公司，化学组成见表3；集料用砂为河南龙泽净水材料有限公司生产的平均粒径为0.15 mm的细砂；减水剂为上海臣启有限公司生产的粉末状聚羧酸减水剂；增稠剂为上海臣启有限公司生产的羟丙基甲基纤维素；拌和水为市政自来水；钢纤维和PE纤维的性能指标见表4。

表1 高韧性水泥基复合材料配合比

表2 粉煤灰的化学组成

表3 硅灰的化学组成

表4 纤维的性能参数

1.2 ECC制备与养护

采用JJ-5型水泥砂浆搅拌机进行ECC材料的搅拌。PE纤维加入前应人工拆分至不成缕的初步分散状态，然后将其投入砂浆搅拌机中快速搅拌2 min至均匀，取出备用。制备ECC材料的整体搅拌过程如图1所示。将ECC浆体浇筑在狗骨型拉伸试件[11]的标准模具中，充分压实并覆盖塑料膜保湿。为了防止拆除模具时试件断裂，应在浇筑成型2 d后进行拆模。拆模后的试件送入标准养护室，养护室内温度为20 ℃，相对湿度为95%，养护时间为28 d。由于采用了2种纤维，因此试件命名以纤维种类的首字母和掺量数值组成。P1表示掺入PE纤维体积分数为1%，无钢纤维；P1S0.3表示掺入PE纤维体积分数的1%且钢纤维体积分数为0.3%；以此类推。

1.3 流动度试验

ECC浆体制备完成后进行流动度试验。将搅拌好的ECC浆体分2次倒入跳桌的模具中，第1次倒入2/3，捣棒压实15次，然后浇满模具再次压实10次， 去除模具上部多余浆体。将截圆锥模具提起，跳桌跳动30次之后用钢尺量取直径，求得最大、最小平均值即为ECC的流动度，见表5。

表5 不同试件的流动度

1.4 试验方案

本文中各配合比试件数量均为3个，直接拉伸试件的尺寸见图2。

图2 直接拉伸试件(单位为mm)

试件厚度存在浇筑误差， 以试验前实测为准。 采用CMT5305型万能试验机加载， 加载速率为0.5 mm/min。 试验机配有FXYB105C型液压楔形夹具夹紧。这是一种非高压夹紧的方式，目的是使试件在试验过程中不会被夹碎，并能保证试件在拉伸时不会发生滑移。位移计采用YHD-50型线性位移传感器，通过特制夹具放置在试件两侧(见图3)，测量段的长度以位移计夹具之间实测长度为准，通过两侧位移计取平均数的方式测得试件的变形量。

2 结果与讨论

2.1 试件破坏形式

通过直接拉伸试验，P1试件表现出应力硬化和多裂缝破坏的特征， 如图4(a)所示。 裂缝的开裂模式表现如下： 在被测量段出现垂直于竖直拉力的水平裂缝， 水平裂缝通常伴随着斜裂缝的出现， 小部分斜裂缝出现的主要原因在于纤维乱向分布； 在试件达到极限拉力之后， 可以听到纤维被拔出的声音， 这种声音的出现意味着拉力即将开始快速减小； 在最终破坏裂缝处， 纤维多表现为拔出而不是拉断， 如图4(b)所示， 这种破坏方式有利于拉伸应变的增大。

图3 拉伸试样加载装置

(a)试件破坏形式

掺入钢纤维的直接拉伸试件的破坏形式如图5所示。由图可以看出，钢纤维的加入导致试件开裂不再均匀，而是集中于第1条裂缝附近。钢纤维的直径较大且采用的是平直光滑的钢纤维，因此在钢纤维分布薄弱处易产生第1条裂缝。第1条裂缝产生之后，拉力在附近会导致细密裂缝的产生。经过集中开裂区的耗能，距离集中裂缝区较远的被测段则表现出较少的裂纹。最后，集中裂缝区多条细裂缝汇聚成为较大的主裂缝，纤维经过拔出过程后，应力开始减小。随着纤维掺量的增加，这种集中开裂的情况明显改善，与钢纤维掺量较大的情况相比仍表现出多裂缝开裂的破坏形式。

2.2 应力-应变曲线

掺入PE纤维和钢纤维的水泥基复合材料试件的直接拉伸应力-应变曲线如图6所示。由图可以看出，所有曲线都表现为应变硬化的特征，应力快速减小前所对应的应变为极限应变。曲线的波动意味着试件开裂，通过对比可知，曲线波动的幅度与钢纤维掺入量大致成反比关系。

试件直接拉伸应力-应变曲线特征数值如表6所示。 由表可以看出， P1试件初裂应力较小， 约为2 MPa， 应变大多集中在6.5%左右，钢纤维的掺入可以有效地增大初裂拉力，且初裂拉力与掺量呈正相关，钢纤维体积分数为0.3%、 0.6%、 0.9%时，与P1试件相比，初裂拉力分别增大45.19%、 80.28%、 96.15%， 同时， 极限应力分别增大33.97%、 27.99%、 8.85%，说明钢纤维数量的增加不利于保证纤维与基体之间的黏结力。极限应变随着钢纤维掺量的增加呈负相关关系，钢纤维体积分数为0.3%、 0.6%、 0.9%时，与P1试件相比，极限应变分别减小50.81%、 23.47%、 32.39%。P1S0.3试件极限应变显著减小的原因在于试件开裂后，掺量较少的钢纤维容易造成应力集中，裂缝集中出现于最初裂缝附近，造成试件在主裂缝破坏。

表6 掺入聚乙烯(PE)纤维和钢纤维的水泥基复合材料试件的应力-应变曲线特征数值

通过不同试件的应力-应变曲线的对比可知， 钢纤维的加入使拉应力发展过程更稳定。 如图6(d)所示， 应力-应变曲线不仅表现出应力硬化特征， 而且可以大致分为3个阶段： 第1个阶段为弹性阶段， 即第1条裂缝出现之前， 应力呈线性快速增长， 斜率即为弹性模量； 第2个阶段为裂缝发展阶段， 即裂缝发展使得应力-应变曲线在某个应力值上下波动， 试件通过开裂耗能， 应力随着应变小幅增大； 第3个阶段为纤维拔出阶段， 即多条细小裂缝汇集成一条主裂缝， 纤维开始被直接拔出， 应力快速减小。 由此可见， 钢纤维的掺入有利于水泥基材料抗拉应力的稳定发展。 通过对比可以看出， 虽然掺加钢纤维有极限拉应力更大和拉力发展过程更稳定的优势， 但是试件的极限拉伸应变减小。 与P1相比， P1S0.3、 P1S0.6、 P1S0.9的拉伸应变分别减小50.81%、 23.47%、 32.39%。应变减小的原因是钢纤维与PE纤维直径相差较大，并且钢纤维表面光滑与水泥基体黏结力较小，使得钢纤维更易被拔出。钢纤维的掺量与拉伸应变减小之间呈非线性关系，试验结果表明，钢纤维体积分数为0.6%时试件的综合性能较好。

3 结论

为了解决水泥基材料中单掺PE纤维初裂拉力较小的问题，本文中通过掺入钢纤维来增大试件的初裂拉力和极限拉力，通过直接拉伸试验来探寻最佳的钢纤维掺量，得到如下结论：

1)4组试件的直接拉伸应力-应变曲线均表现出应力硬化特征。随着钢纤维掺量增加，曲线波动的幅度减小，说明钢纤维的加入有利于试件的稳定开裂。当钢纤维体积分数为0.9%时，试件表现出类似于钢筋混凝土的三阶段式应力-应变曲线，说明掺加钢纤维的试件具备稳定承载开裂能力。

2)在钢纤维体积分数为0.3%～0.9%时，初裂应力与钢纤维的掺量呈正相关，初裂应力分别增大45.19%、 80.28%、 96.15%。钢纤维的掺入利于试件的极限应力提升，与单掺PE纤维情况相比，分别增大33.97%、 27.99%、 8.85%。

3)钢纤维的掺入不利于试件应变发展。 当钢纤维体积分数为0.3%～0.9%时， 试件的极限应变与掺量呈负相关， 拉伸应变分别减小50.81%、 23.47%、 32.39%；钢纤维的掺量与拉伸应变减小之间呈非线性关系，试验结果表明，钢纤维体积分数为0.6%时试件的综合性能较好。