王振波， 张 君， 王 庆

(1.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院， 北京100083； 2.清华大学 土木工程系， 北京100084；3.清华大学 结构安全与耐久教育部重点实验室， 北京 100084)

高延性低干缩纤维增强水泥基复合材料(LSECC)是为克服水泥基材料的脆性、解决传统高延性纤维增强复合材料(ECC)收缩开裂问题而发展起来的新型土木工程材料[1-3].LSECC的极限拉应变可达30000×10-6以上，28d干缩低至200×10-6～400× 10-6[3]，与普通混凝土相当.目前，LSECC已被应用于钢箱梁桥面铺装、高速公路桥路面板伸缩缝、建筑外墙保温等众多工程领域[4-6]，然而其抗压强度只相当于C20～C40普通混凝土，强度偏低，且耐磨性、抗渗性也较差，在应用中易开裂，难以确保耐久性.因此，LSECC并不适用于高强度、高延性要求的工程结构.

不同强度等级LSECC的拉伸试验[3]表明，LSECC的高强度与高延性不匹配问题比较突出.在LSECC中掺入体积分数为2.0%左右的聚乙烯醇(PVA)纤维后，受力破坏时，高强基材中的纤维断裂比例高，难以有效发挥桥接作用.如果同时混杂掺入钢纤维，将有望改善LSECC的力学性能.Lawler等[7]采用微细钢纤维与PVA纤维混杂，控制纤维总体积分数为2.5%，结果显示，混杂纤维体系的抗弯强度随钢纤维掺量的增加逐渐提高，即钢纤维主要提高了材料的强度，而PVA纤维主要提高了材料的变形能力.Wang等[8]将钢纤维与PVA纤维在水泥基材中等比例混杂，纤维总体积分数为1.0%，结果表明，混杂纤维体系可实现拉伸应变硬化和多点开裂，在强度和延性方面均优于单掺纤维体系，其裂纹宽度小于100μm，抗渗性较单掺体系显著提升.然而，混杂纤维增强延性水泥基复合材料的研究往往忽略基材强度因素，并且多采用抗弯、抗剪等简单试验方法，能够直接获得材料拉伸力学参数和开裂形态的轴拉试验较少被采用.另外，混杂纤维中各种纤维的贡献程度也不够明确.

本文选取细短钢纤维，将其掺入LSECC体系(PVA纤维体积分数φ(PVA)为1.7%)中，试验研究不同强度混杂PVA/钢纤维增强延性水泥基复合材料的轴拉、抗压性能，分析基材强度和钢纤维掺量对其力学性能及裂纹宽度的影响，以期获得高强度、高延性、低裂纹宽度的水泥基复合材料.

1 试验

1.1 原材料与配合比

水泥为自行研发的复合水泥；砂为秦皇岛石英砂厂生产的精制石英砂，粒径75～150μm(200～100目)；纤维分别为日本Kuraray公司生产的PVA纤维和鞍山昌宏公司生产的钢纤维(ST)，2种纤维的相关性能见表1；减水剂为江苏博特新材料公司生产的高效聚羧酸减水剂；缓凝剂为一水柠檬酸；水为自来水.

基材采用自行研发的低干缩材料，其配合比及28d抗压强度如表2所示.试验中通过调整外加剂掺量来控制新拌浆体的和易性.混杂体系中PVA纤维掺量固定为1.7%，钢纤维掺量(φ(ST)，体积分数)为0%，0.3%，0.6%和1.0%.

表1 PVA纤维和钢纤维的相关性能

表2 基材配合比及28d抗压强度

1.2 试验方法

轴拉试件为200mm×100mm×20mm薄板，每组6个试件，在标准条件((20±2) ℃，相对湿度>95%)下养护至27d取出，再在室温环境下放置2h， 使表面水分散失.然后在试件表面粘贴铝片，以加固试件端头，防止其在引伸计标距之外产生裂纹.铝片粘贴完成后将试件放置6h，以确保粘胶完全硬化.抗压试件为70.7mm×70.7mm×70.7mm立方体，每组3个试件，在标准条件下养护至28d取出，再在室温环境下放置2h后进行力学性能试验.

轴拉及抗压试验均在MTS 810材料试验机上进行，采用位移控制模式加载，加载速率为0.15mm/min. 试件应变通过夹持在两侧的引伸计测量，引伸计标距为50mm，试验装置分别如图1，2所示.加载过程中，计算机自动采集时间、荷载和应变，采集频率为2次/s.

2 轴拉性能

试件的开裂强度σfc,t，开裂应变εfc，弹性模量Et，抗拉强度σt和极限拉应变εt的确定方法详见文献[3].试件的典型轴拉应力-应变曲线如图3所示.试件的力学性能见表3.

图1 轴拉试验装置Fig.1 Experimental setup of uniaxial tensile test(size:mm)

图2 抗压试验装置Fig.2 Experimental setup of compressive test

图3 试件的典型轴拉应力-应变曲线Fig.3 Typical uniaxial tensile stress-strain curves of specimens

Matrixφ(PVA)/%φ(ST)/%σfc,t/MPaεfc/%σt/MPaεt/%Et/GPaM0.251.70 2.540.0103.881.2525.761.70.33.350.0124.311.8427.581.70.63.160.0114.411.6728.651.71.03.580.0134.581.0428.53M0.551.70 0.960.0072.313.0613.231.70.31.170.0092.303.4113.541.70.61.160.0092.752.5314.271.71.01.510.0102.761.6314.47

在混杂体系中，钢纤维掺量相对较小(0%～1.0%)，因此试件的轴拉应力-应变曲线形状受PVA纤维控制.随着钢纤维掺量的增加，试件的开裂强度逐渐提高，同时，其轴拉应力-应变曲线中的应变硬化段趋于光滑，这主要是钢纤维协同PVA纤维在裂纹间更好地发挥了桥接作用所致[9].试件的抗拉强度随钢纤维掺量的变化规律与开裂强度类似.此外，钢纤维对试件的增强程度明显受水胶比影响.由图3可见，钢纤维对高强系列(M0.25)试件轴拉应力-应变曲线的影响较大，而对低强系列(M0.55)试件轴拉应力-应变曲线的影响较小.

图4为钢纤维掺量对试件抗拉强度和极限拉应变的影响.由图4(a)可见，试件的抗拉强度随钢纤维掺量的增加逐渐提高.钢纤维掺量为0.3%，0.6%和1.0%时，M0.25系列试件的抗拉强度较单掺纤维体系分别提高了0.43，0.53和0.70MPa，M0.55系列试件的抗拉强度较单掺体系分别变化了-0.01，0.44和0.45MPa，即钢纤维对高强基材的增强程度明显大于低强基材.由图4(b)可见，当钢纤维掺量不超过0.6%时，试件的极限拉应变随钢纤维掺量的增加呈上升趋势，但是，当其掺量较大时，会对试件的极限拉应变造成负面影响.在PVA纤维掺量为1.7%时，提高试件极限拉应变的最优钢纤维掺量为0.3%～0.6%.

3 裂纹宽度控制

纤维增强水泥基复合材料在拉伸极限状态下的裂纹间距和裂纹宽度是评价其延性和耐久性的重要指标.本文采用式(1)来计算轴拉试件达到极限抗拉强度时的平均裂纹间距Sa(mm).

Sa=L0/N

(1)

式中：L0为试件开裂区域在平行于加载方向上的长度(mm)，在本试验中，试件的开裂区域为引伸计的标距范围，即L0=50mm；N为L0范围内试件表面的裂纹数量.

图4 钢纤维掺量对试件抗拉强度和极限拉应变的影响Fig.4 Effect of steel fiber content on tensile strength and ultimat tensile strain of composites

在轴拉试件中，平均裂纹宽度wa(mm)可通过剔除极限拉应变中的基材弹性应变获得，即wa可通过式(2)进行估算.

wa=(εt-σt/Et)L0/N

(2)

根据式(2)计算得到2个强度系列试件的平均裂纹间距和平均裂纹宽度，如图5所示.

由图5可见，当水胶比由0.55降至0.25时，试件的平均裂纹间距显著增大，平均裂纹宽度减小.这说明基材强度仍是控制材料开裂形态的重要因素.M0.25系列试件的平均裂纹间距受钢纤维掺量的影响较为显著，当其掺量为0.3%时，试件的平均裂纹间距由6.8mm降至4.0mm，降幅约41%，当其掺量超过0.6%后，试件的平均裂纹间距有“反弹”增加趋势.降低试件裂纹间距、提高其延性的最优钢纤维掺量为0.3%～0.6%.M0.55系列试件的平均裂纹间距受钢纤维掺量影响并不明显.平均裂纹间距随钢纤维掺量的变化规律与极限拉应变的变化规律密切相关，因为材料延性在本质上是多条裂纹累加的结果，裂纹间距越小(裂纹数量越多)材料延性越大.由此可见，裂纹间距(裂纹数量)是衡量延性的间接指标.

图5 钢纤维掺量对试件平均裂纹间距和平均裂纹宽度的影响Fig.5 Effect of steel fiber volume fraction on average crack spacing and crack width of specimens

研究[10-12]表明，ECC的最大裂纹宽度为60～100μm. 而由式(2)计算得到的M0.25，M0.55系列单掺PVA纤维的试件平均裂纹宽度分别为81，117μm. 可见，采用本文中的试验方法确定的裂纹宽度合理可信.由图5(b)可见，钢纤维可显著降低试件的平均裂纹宽度，并且随着其掺量的增加，M0.25，M0.55系列试件的裂纹宽度均逐渐降低.当钢纤维掺量提高至1.0%时，试件的平均裂纹宽度分别减小至27，60μm，说明钢纤维对控制裂纹宽度非常有效.在工程应用中，裂缝宽度控制往往比提高极限拉应变(延性)更为关键，即使材料的极限拉应变仅有1%，也远大于一般构件所要求的变形量，而且，构件中形成的裂纹数量也远低于轴拉试验中观察到的结果，因此片面追求材料的高延性并没有太大的实际意义.在保证LSECC具有一定延性变形能力的前提下，大幅提升其自身的裂纹宽度控制能力，将有望改善、甚至根除其带裂纹工作时的耐久性问题.

4 抗压性能

试件28d的抗压强度σc，峰值压应变εc和抗压弹性模量Ec如表4所示.不同钢纤维掺量试件28d的压应力-应变曲线如图6所示.图7为钢纤维掺量对试件抗压强度和峰值压应变的影响.

由表4，图6可见，M0.25，M0.55系列试件具有明显不同的抗压性能.降低基材的水胶比，试件的弹性模量和抗压强度均显著提高.M0.25，M0.55系列试件28d的抗压强度分别为62.0，18.4MPa，与相应的基材抗压强度相差不大.另外，基材强度对试件的峰值压应变影响较小，M0.25系列试件的峰值压应变为0.33%～0.42%，M0.55系列试件的峰值压应变为0.40%～0.46%，即M0.55系列试件的峰值压应变略大于M0.25系列试件.但二者的峰值压应变均显著优于普通混凝土的峰值压应变(约0.20%).由图6还可发现，在峰值应力后，M0.25，M0.55系列试件的应力下降幅度较为平缓，其后期抗压韧性突出，表现出优良的抗压变形能力.

表4 试件的抗压性能

与轴拉试验结果不同，钢纤维掺量对试件抗压强度和峰值应变的影响并不显著.在高强基材中，钢纤维掺量0%，0.3%，0.6%和1.0%的试件28d抗压强度分别为62.8，61.7，58.4和67.1MPa，变化幅度不大.在本文的配合比范围内，钢纤维并未显著提高试件的抗压强度.

图6 不同钢纤维掺量试件28d的压应力-应变曲线Fig.6 Compressive stress-strain curves of specimens with different volume fraction of steel fiber

图7 钢纤维掺量对试件抗压强度和极限压应变的影响Fig.7 Effect of steel fiber volume fraction on compressive strength and compressive strain of composites

5 结论

(1)基材强度显著影响混杂纤维增强延性水泥基复合材料的抗拉性能.降低基材水胶比，混杂纤维增强延性水泥基复合材料的开裂强度和抗拉强度明显提高，而极限拉应变有所降低.随着钢纤维掺量的增加，混杂纤维增强延性水泥基复合材料的开裂强度和抗拉强度逐渐提高，且钢纤维对高强基材的增强效果尤为明显.钢纤维掺量适量(不大于0.6%)时，混杂纤维增强延性水泥基复合材料的极限拉应变与钢纤维掺量正相关.

(2)掺入钢纤维显著提升了混杂纤维增强延性水泥基材料的裂纹宽度控制能力，随着钢纤维掺量的增加，其平均裂纹宽度减小.在裂纹宽度控制方面，钢纤维与PVA纤维混杂优势明显.

(3)混杂纤维增强延性水泥基复合材料的抗压强度由水胶比控制，M0.25，M0.55系列水泥基复合材料28d的抗压强度分别为62.0，18.4MPa.M0.55系列水泥基复合材料的峰值压应变略大于M0.25系列水泥基复合材料，二者在抗压变形能力方面均明显优于普通混凝土.钢纤维掺量对混杂纤维增强延性水泥基复合材料弹性模量、抗压强度和峰值压应变的影响不显著.

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