夏超凡，李志华，张 聪,2

(1. 江南大学 环境与土木工程学院， 江苏 无锡 214000；2. 武汉理工大学 硅酸盐建筑材料国家重点实验室， 武汉 430000)

0 引 言

高延性水泥基复合材料(High Ductility Cementitious Composites，HDCC)能有效改善水泥基材料固有的高脆低韧特性[1-5]，但是HDCC的成本问题一直是阻碍其大规模工程应用的瓶颈。

纤维混杂化是降低HDCC成本的重要手段之一[6-9]，且基于性价比考虑，目前国内外学者重点关注钢纤维与PVA纤维混杂增强高延性水泥基复合材料(HyFRHDCC)的研究。Khin等学者研究了钢纤维/PVA纤维HyFRHDCC的材料性能和抗冲击性能[10-11]，从研究结果来看，目前Khin等人所设计的HyFRHDCC材料虽然可以表现出应变硬化行为和多缝开裂特征，但与传统PVA-HDCC的性能依然存在一定的差距。Alessandro等学者研究了钢纤维、PVA纤维以及PE纤维在不同混杂方式下HDCC材料的拉伸性能[12]，虽然给出了混杂纤维HDCC的裂缝间距和纤维掺量的理论计算方法，但是拉伸实验结果却不理想，所设计的HyFRHDCC材料虽然表现出拉伸应变硬化行为，但是拉伸应变仅维持在1%左右。Valeria等学者研究了膨胀剂对钢纤维、聚乙烯对苯二甲酸脂纤维、聚丙烯(PP)纤维和PVA纤维在不同混杂方式下HDCC材料的基本力学性能[13]，研究发现膨胀剂和钢纤维的引入可以提高HDCC材料的抗弯强度，但是所设计的HyFRHDCC材料并没有表现出明显的硬化行为。张君等学者研究了钢纤维/PVA纤维HyFRHDCC材料抗弯性能[14]，研究发现当水灰比为0.45时所设计的HyFRHDCC材料表现出较为明显的挠度硬化行为，而且材料的抗弯强度明显高于传统的PVA-HDCC材料，但是从荷载-挠度曲线结果来看，材料的应变硬化能力还有待进一步提升。Qais等学者开展了钢纤维、PVA纤维和尼伦纤维 HyFRHDCC性能的研究[15]，虽然研究者尝试了同时使用3种纤维进行混杂，但是对于各纤维长度和直径的选取并没有充分区分和考量；从研究结果来看，所设计的HyFRHDCC材料的多缝开裂能力较弱，裂缝较宽且间距较大，而材料的应变硬化能力也非常有限。徐世烺研究了纳米二氧化硅/钢纤维/PVA纤维HyFRHDCC材料的基本力学性能[16]，研究发现，虽然纳米二氧化硅并没有强化PVA-HDCC材料的应变硬化能力，但是可以明显提高PVA-HDCC材料的抗弯强度；而钢纤维的引入虽然将PVA-HDCC材料的抗弯强度提高了近一倍且使材料的多缝开裂行为非常明显，但是钢纤维/PVA纤维混杂HDCC材料的应变硬化能力相比于传统PVA-HDCC材料却出现了一定程度的劣化。

本文引入生产成本仅1500元/吨高强度、高弹性模量的碳酸钙晶须，以期通过晶须在微观尺度的增强与增韧作用对HyFRHDCC的力学性能实现改善。研究了碳酸钙晶须对HyFRHDCC拉伸性能和压缩性能的影响，并利用扫描电子显微镜对HyFRHDCC的微观结构进行了表征与分析。

1 实验概况

1.1 基体材料

本试验采用P·O42.5水泥(无锡天山水泥集团有限公司)与I级粉煤灰(河南四通化建有限公司)作为胶凝材料，基本物理参数见表1。细骨料采用石英砂，粒径在110～210 μm，平均粒径为150 μm。采用聚羧酸高效减水剂(瑞士Sika，减水率28.3%)调节新拌浆体的工作性。由于适当增加粉煤灰掺量有利于提高HDCC的拉伸变形能力[17]，本文水泥、粉煤灰、细砂的质量比为1∶4∶1.8∶1.7，拌合水为自来水，水胶比为0.34。

表1 水泥与粉煤灰的基本物理参数Table 1 Basic physical properties of cement and fly ash

1.2 纤维与碳酸钙晶须

实验采用的纤维为日本Kuraray (可乐丽)公司生产的表面经涂油处理的PVA纤维和上海真强公司生产的端部弯钩型短切钢纤维，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Table 2 The physical and mechanical properties of each fiber and whisker

表3 纤维掺量Table 3 Dosage of each fiber

1.3 试件制备

单轴拉伸试验选用哑铃型试件，每组成型3个试件，为减少夹具处的应力集中导致拉断，试件夹具固定处设计成弧形，具体尺寸如图1所示。压缩试验每组成型3个尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试块。

先将胶凝材料及石英砂和碳酸钙晶须加入搅拌机干拌2 min，然后加入水与减水剂搅拌至具有良好的工作性，随后加入钢纤维与PVA纤维，继续搅拌2 min直至纤维均匀分散，搅拌结束后装入钢模。24 h后拆模，移入恒温恒湿养护箱，养护温度为(20±2)℃，95%相对湿度，养护28 d后取出进行力学性能实验。

1.4 实验方法

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]，采用MTS万能材料试验机(美特斯工业系统有限公司)测试试件的拉伸性能，加载方式为位移控制加载，加载速率为0.1 mm/min。采用荷载传感器和引伸计测试试件拉伸过程中的荷载与变形，引伸计测试标距为50 mm，试验装置如图1所示。

图1 单轴拉伸试件尺寸与试验装置Fig 1 Dimension and device of uniaxial tensile test

采用WAW-600D万能材料试验机(济南兰博时代测试技术有限公司)测试试件的压缩性能，加载方式为位移控制加载，加载速率为0.2 mm/min。采用荷载传感器和位移计(LVDT)测试试件压缩过程中的荷载与变形，LVDT测试标距为50 mm，试验装置如图2与3所示。

图2 压缩试验加载示意图Fig 2 Schematic plot of compression loading

图3 压缩试验装置Fig 3 Compression testing up

2 结果与分析

2.1 拉伸性能

各组试件拉伸应力-应变曲线如图4所示，其拉伸力学性能参数与拉伸韧性如表4所示。其中，采用拉伸应力-应变曲线下包裹的面积作为试件拉伸韧性评价指标。由图4和表4可知，采用2%碳酸钙晶须替代0.25%钢纤维时，M1的拉伸峰值应变提高了21.9%，并且表现出更明显的应变硬化行为；此外，引入碳酸钙晶须提高了试件的初裂应变。采用2%碳酸钙晶须替代0.25%PVA纤维时，M2的初裂应力提高了20.6%，而峰值应力和峰值应变出现了一定程度的劣化，但仍能保持较好的拉伸性能；而当PVA纤维掺量减少至1%时，M3出现了明显的应变软化现象。

由表4可知，M1的拉伸韧性为13.89 N·mm /mm3，相比于M0提高了54.0%；M2的拉伸应变能相比于M0出现了略微的下降，但是仍然具有较好的能量吸收能力，这说明在合适的PVA纤维和钢纤维掺量下加入一定量的碳酸钙晶须可以维持甚至改善试件的拉伸韧性。对比M1、M2、M3可以发现，随着PVA纤维掺量的降低和钢纤维掺量的提高，试件的拉伸韧性呈现不同程度的下降，说明在开裂后PVA纤维对抑制裂缝的扩展起控制作用。

图4 各组的拉伸应力-应变曲线Fig 4 Tensile stress-strain curves of each groups

表4 各组试件的拉伸力学性能参数与拉伸韧性平均值Table 4 Average value of basic tensile mechanical properties and tensile toughness for each groups

2.2 压缩性能

各组试件的压缩应力-应变曲线如图5所示，其压缩力学性能参数与压缩韧性如表5所示。其中，采用压缩应力-应变曲线下包裹的面积作为试件压缩韧性评价指标。由图5和表5可知，采用2%碳酸钙晶须替代0.25%的钢纤维时，虽然M1的峰值应力呈现一定程度的下降，但是相比于M0，峰值应变提高了25.2%。采用2%碳酸钙晶须替代0.25%PVA纤维时，M2的峰值应力有所提升，但是提升程度不大；同时，M2相比于M0，峰值应变提高了9.6%。对比M1、M2可以发现，钢纤维对压缩性能的影响优于PVA纤维。对比M1、M2、M3与M4可以发现，钢纤维的掺量会影响峰值应力，但是效果不明显；此外，加入碳酸钙晶须的各组峰值应变均得到了不同程度的提高。

由表5可知，在引入碳酸钙晶须后，各组试件的峰前压缩韧性呈现明显提高，这说明碳酸钙晶须在裂缝扩展前期对基体起到了较好的增强增韧作用。M1的峰后压缩韧性相比于M0降低了15.4%，钢纤维掺量相对较高的M2、M3组试件，其峰后压缩韧性分别提高了1.2%、15.4%，可以发现在压缩应力超过峰值应力后，碳酸钙晶须的增韧作用减弱，钢纤维对材料的峰后压缩韧性起控制作用；且随钢纤维掺量的提高，试件的峰后压缩韧性和总压缩韧性呈现增长趋势。这是由于钢纤维的弹性模量高、刚度大，对提高试件的抗压强度有利；而碳酸钙晶须弥补了基体微观层面的不足，改善了基体的密实性，提高了对钢纤维的握裹能力，从而提高了试件的韧性。

2.3 微观形貌表征

试件破坏断面口在不同放大倍数下的扫描电子显微镜照片如图6所示。由图6(a)可知，PVA纤维表面粗糙且未出现断裂现象，说明纤维的拔出效果理想，在粘结滑移过程中可以吸收较多的能量。值得注意的是，在图6(b)中钢纤维附近的裂纹出现了偏转现象，裂纹没有集中出现在缺陷较多的地方，而是向PVA纤维分布较为集中的区域延伸，通过这种对裂纹的偏转可以限制基体中应力集中的进一步发展，从而提高试件的韧性。

图5 各组试件的压缩应力-应变曲线Fig 5 Compressive stress-strain curves of each groups

表5 各组试件的压缩力学性能和压缩韧性Table 5 Basic compressive mechanical properties and compressive toughness of each groups

由图6(c)可以看到，碳酸钙晶须与基体粘接紧密，在微观层面实现了对裂纹的偏转以及对缺陷和微观裂缝的桥联，并通过晶须拔出机制实现了对基体的增强增韧作用。由图6(d)可以发现，碳酸钙晶须分布均匀，提高了水泥基体的密实性；此外，在碳酸钙晶须周围还分布着许多微裂纹，说明碳酸钙晶须能有效延缓微裂纹的扩展过程，并通过对裂纹的偏转等作用产生更多的微裂源，改善试件的多缝开裂能力。

图6 HyFRHDCC的微观结构Fig 6 Microstructures of HyFRHDCC

3 结 论

(1)引入碳酸钙晶须提高了试件的初裂拉伸应变，在1.5%PVA+0.25%钢纤维HyFRHDCC中掺入2%碳酸钙晶须可以改善材料的拉伸性能；当PVA纤维减少至1%时，HyFRHDCC出现了明显的应变软化行为；随着PVA纤维掺量的降低和钢纤维掺量的提高，试件的拉伸韧性呈现不同程度的下降， PVA纤维对抑制试件拉伸过程中裂缝的扩展起控制作用

(2)引入碳酸钙晶须提高了HyFRHDCC的峰值压缩应变和峰前压缩韧性，当压缩应力超过峰值应力后，碳酸钙晶须作用减弱，钢纤维起控制作用。

(3)碳酸钙晶须通过裂纹偏转、晶须拔出和裂缝桥联等微观作用机制实现了对HyFRHDCC压缩性能和拉伸性能的改善。