超高韧性纤维增强水泥基复合材料基本力学性能

水　　利　　学　　报

　2009年9月

文章编号:055929350(2009) 0921055209

SH UI LI 　　X UE BAO

第40卷　第9期

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, 、高韧性μ和高能量吸收能力。极限荷载时的最大裂缝宽度在50m 左右。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, 。通过三点弯曲断裂试验证明, 件均证明, 该材料可以将单一裂缝细化成多条细裂缝, 。4种试验的结果证, 。

关键词:超高韧性水泥基复合材料; ; ; ; 高能量吸收能力中图分类号:TU5281572

1　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。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

[5]

115%时基本上不能再控制裂缝宽度。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

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 :[email protected]. cn

[1-4]

—1055—

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

[6-8]

短纤维增强高性能水泥基复合材料(Engineered cementitious com posites , 简称ECC ) 。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

[8]

方面具有显著的效果

, 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 ) 。、四点弯曲试验、单轴抗压试验、、抗弯、抗压和断裂性能。

2　试验原材料和搅拌工艺

211　原材料　. , 骨料为特制沙, 外加剂为商用高效减水

剂, , , 1, 纤维体积掺量为2%。

表1　PVA 纤维参数

纤维名称

PVA

名义强度/MPa

1620

纤维直径/μm

纤维长度/mm

弹性模量/G Pa

4218

延伸率Π%

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

μ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50m 左右。由于—1056

—

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, 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

μ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～50m ) 时, 随

着变形的增加, 裂缝宽度不再增加, 条数高达200条之多

。

[5]

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。

—1057

—

图3　荷载-挠度曲线

表2　主要力学性能指标

编号

开裂挠度

δmm c Π

[***********][1**********]128

开裂荷载

P c ΠN

[***********]15224极限挠度

δmm u Π

[***********]9831133极限荷载

P u ΠN

[***********]018

比例极限强度

σMPa c Π

[***********]1327144

拉伸应变

预测值%

[***********]126

抗弯强度σMPa u Π

[***********][***********]2124

薄板试件

平均值

123

梁试件

平均值

　　c ) σc =

　　抗弯强度σu (MPa ) :

σu =

　　极限拉伸应变预测值εu :

εu =2f

s l 0P u l 0

2bh P c l 2bh

(1)

(2)

(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 ) 。

由计算结果可见, 无论是薄板试件还是梁试件, 拉伸应变预测值均在3%以上, 远大于混凝土的极限拉伸应变, 充分体现了UHT CC 的高延性性能。预测拉伸应变与实测拉伸应变的误差约为318%。弯曲韧性是评价材料弯曲性能的重要指标之一, 根据试验测量结果, 参考AST M 标准, 对韧性指

δ标定义如下:(1) 对于薄板试件, 以开裂挠度δc 对应的荷载-挠度曲线下面积A 0为基准, 分别取5c 、10δ30δ50δ峰值荷载时的挠度δc 、c 、c 、u 对应荷载-挠度曲线下的面积与A 0的比值为韧性指标, 并依次

[12]

记为I 9、I 19、I 59、I 99和I 2u -1; (2) 对于梁试件, 以开裂挠度δc 对应的荷载-挠度曲线下面积A 0为基准, 分别取3δ5δ10δ15δ20δ峰值荷载时的挠度δc 、c 、c 、c 、c 、u 对应荷载-挠度曲线下的面积与A 0的比值为韧性指标, 并依次记为I 5、I 9、I 19、I 29、I 39和I 2u -1。

同时参考文献[13]中的定义, 规定当I x >x 时, 材料为韧性材料。根据上述定义计算得到的UHT CC 的韧性指标见表3。由计算结果可知, 无论是薄板试件还是梁试件, 均满足I x >x , 且随着x 的增加, I x

—1058

—

与x 之间的差值增大, 说明随着变形的增加, 材料韧性增加。

表3　韧性指标

编号

I 9

I 19

I 59

I 99

I 2u -1

I 5

I 9

I 19

I 29

I 39

I 2u -1

薄板韧性指标梁韧性指标

123

[**************]

[**************]3

[**************]4

[***********]16

[1**********]4

[**************]8

[**************]5

[**************]1

[**************]0

平均值　　

　　UHT CC 的弯曲残余强度指标计算结果如表4所示。对理想弹塑性材料来说, R =100。从表4中可以看出除了梁试件中1号试件的R 29,39低于100以外,UHT CC 的弯曲残余强度指标都在100以上, 说明UHT CC 具有相对较高的塑性性能。

表4　残余强度指标

编号

R 9,19

R 19,59

R 59,99

R 99,2u -1

R 5,9

R ,19

R 29R 39,2u -1

薄板韧性指标梁韧性指标

123

[1**********]2

[1**********]5

[1**********]3

[1**********]4

148160158

167

150175135

[1**********]4

平均值　　

　　:薄板试件在峰值荷载时产生较大的弯曲变

μ形, , , 裂缝宽度50m 左右, 1mm ; 梁试件在荷载开始下降后, 仍然保持完整状态, 并且随着荷载的进一步下降, , 而试件的侧面却可以看到大量细密裂缝, 由于受梁试件横截面上的弯拉应力分布的影响, 侧面裂缝间距从下往上逐渐增大。

综上所述, 超高韧性水泥基复合材料在弯曲荷载作用下的变形能力远大于混凝土和普通纤维增强水泥基复合材料, 而且它的开裂形式与混凝土和普通纤维增强水泥基复合材料的开裂形式也明显不同。由于超高韧性水泥基复合材料选择了更为合理的材料参数, 使纤维的增强增韧效果得到了更好的发挥。在弯曲荷载作用下, 超高韧性水泥基复合材料中的纤维依靠其连接作用控制了裂缝的进一步扩展, 并承担了基体释放的应力, 同时依靠界面黏结将应力传递给周围未开裂的基体, 诱发新裂缝的产生, 使试件的纯弯曲段逐渐出现了大量近似平行的细密裂缝。试验中观测到的试件上众多的细密裂缝充分体现了纤维对基体裂缝的产生和扩展的有效控制作用。

313　抗压性能　试验采用棱柱体试件和立方体试件测定超高韧性水泥基复合材料的抗压性能。试件

尺寸分别为40mm ×40mm ×160mm 和7017mm ×7017mm ×7017mm 。试验龄期90d 。在300t 的闭环液压伺服材料试验机上进行单轴抗压试验, 采用位移控制, 加载速率015mm/min 。用2个LVDT 分别在试件两侧的对称位置测量压缩变形。对于棱柱体试件, 在两个对应的侧面上分别粘贴相互垂直的应变片, 测量试件受压过程中的压缩应变和横向应变。采用德国进口的I MC 全自动数据采集处理系统进行荷载、变形和应变的数据采集和处理。

试验测得的抗压全曲线如图4所示, 右侧纵坐标是计算得到的抗压强度。从图4可以看出, 无论是棱柱体试件还是立方体试件, 峰值点以后的下降段与普通混凝土明显不同, 没有出现荷载的陡然降低, 而是表现出了较为缓慢的下降过程, 体现了纤维的增韧效果, 表明超高韧性水泥基复合材料较混凝土有非常明显的峰值后延性。

根据抗压全曲线得到的力学性能指标如表5所示。由于立方体抗压强度仅是混凝土划分强度等级的依据, 实际工程中很少有结构形式是立方体的, 大部分是棱柱体或圆柱体, 所以本文对棱柱体试件在测得抗压强度的同时, 还根据电测法测量得到的应变计算了UHT CC 材料的弹性模量和泊松比。由计算

—1059

—

图4　试件荷载-变形曲线

结果可以得到棱柱体试件的抗压强度是41192MPa , 立方体试件的抗压强度是49174MPa 。UHT CC 材料

的泊松比是01229, 弹性模量1913G Pa 。与普通混凝土相比,UHT CC 的弹性模量偏低, 但受压变形能力比普通混凝土大很多。这主要是由于纤维的连接作用和UHT CC 材料为了获得高延性和高韧性而限制了基体中骨料粒径的尺寸。

表5　抗压试验结果

编号

比例极限应变

×10-2

[***********]301023

比例极限强度Π

MPa [***********][1**********]

峰值点应变

×10-2

[***********]11061138

[***********]5219449174

[***********]8601770182

[***********]29

弹性模量Π

G Pa [**************]3

棱柱体

均值

123

立方体

均值

　　试验结束后观察试件的破坏形式可以发现, 棱柱体试件产生类似于混凝土和钢纤维混凝土的斜向剪切破坏, 而立方体试件并没有观测到明显的棱锥体破坏, 仅在试件表面能观测到一些破坏裂缝。所有试件在峰值荷载时均能保持良好的整体完整性, 不会出现脆性坍塌碎裂破坏。314　断裂性能　采用三点弯曲梁试件研究超高韧性水泥基复合材料及其基体的断裂性能, 试件尺寸40mm ×40mm ×200mm 。试验龄期90d 。试验前采用约2mm 宽的碳化钙锯在净跨的中部锯出缺口。缺口深度分别为10mm 和16mm 。在30t 的闭环液压伺服材料试验机上进行试验, 基体的加载速率0102mm/min , UHT CC 的加载速率013mm/min 。采用夹式引伸计测量裂缝口张开位移, 采用荷载传感器测量荷载。通过在试件表面粘贴全桥电阻应变计的方法测量起裂荷载。31411　P 2CMOD 曲线　三点弯曲梁试验得到的荷载-裂缝口张开位移曲线(P 2CMOD 曲线) 如图5和图6所示。从图中可以看出, 纤维的加入使UHT CC 的极限荷载较基体明显提高。由于纤维的阻裂作用, 与基体相比,UHT CC 峰值前的非线性段更为明显, 峰值后的下降段更为缓慢平稳。因此, 纤维的加入使UHT CC 的粘聚韧度明显增大, 峰值前裂缝的稳定扩展阶段延长, 峰值后的延性和韧性增大。

31412　起裂荷载的确定　通过在试件表面粘贴全桥应变计的方法来确定材料的起裂荷载。试验得到

的荷载-应变曲线如图7所示。通过对基体和UHT CC 的曲线对比可以看出, 二者的荷载-应变曲线明显不同。

基体的荷载-应变曲线可以分为3个阶段:第一阶段, 荷载随着应变的增加近似呈线性增加, 直至应变达到最大值。第二阶段, 随着荷载的继续增加, 应变开始减小, 直至荷载达到峰值荷载。这主要是由基体开裂引起的。由于裂缝的产生, 两侧的基体卸载回缩, 导致应变减小。由此可以得到基体的应变最大值点就是起裂荷载点; 第三阶段, 峰值荷载后, 随着应变的继续减小, 荷载开始降低。此过程对应于裂缝的失稳扩展过程。

UHT CC 的荷载-应变曲线具有明显的假应变硬化特征。在荷载的上升过程中, 可以观测到应变有—1060

—

图5　P 2CMOD 曲线(缺口深度10mm )

6P 2(16mm )

。但随后由于纤维的连接作用, 应变很快又恢复了增加

UHT CC 的起裂荷载点。

图7　荷载-应变曲线(缺口深度10mm )

31413　试验结果　通过计算得到的基体的试验结果见表6。UHT CC 的计算结果见表7。由于纤维的加

入, 缺口深度10mm 的UHT CC 的起裂荷载较基体提高了3105倍, 峰值荷载较基体提高了3181倍, 峰值

荷载对应的C MOD 提高了46173倍; 缺口深度16mm 的UHT CC 的起裂荷载较基体提高了2187倍, 峰值

表6　基体试验结果

编号

起裂荷载

P in ΠkN

[***********][1**********]130

名义起裂强度Π

MPa [***********][1**********]118

峰值荷载对应

CMOD max Πmm

[***********][***********]1015

峰值荷载

P max ΠkN

[***********][1**********]132

名义峰值强度Π

MPa [***********][1**********]174

P P max

[***********][1**********]194

基体210

均值

123

基体216

均值

—1061—

荷载较基体提高了3163倍, 峰值荷载对应的C MOD 提高了49167倍。通过比较起裂荷载与峰值荷载的比值, 可以看出纤维的加入使材料开裂后具有更大的荷载增值度。

表7　UHT CC 试验结果

编号

UHTCC 210

起裂荷载

P in ΠkN

[***********][1**********]116

名义起裂强度Π

MPa [***********][***********]4124

峰值荷载对应

CMOD max Πmm

[***********][1**********]176

峰值荷载

P max ΠkN

[***********][1**********]148

名义峰值强度Π

MPa [***********][***********]0183

P P max

[***********][1**********]179

均值

UHTCC 216

均值

　　试验结束后观察试件破坏情况发现, 基体在两种切口下均为单一裂缝破坏, 而CC 则表现出多缝开裂破坏, 并且切口小时UHT CC 的多缝开裂波及范围较大, 裂缝条数较多, 试件的试验结果是一致的。对小切口具有不敏感性。

4　结论

, 其极限拉伸应变可达3%以上, 几乎。在拉伸和弯曲荷载作

μ, 最大裂缝宽度在50m 左右, 可以有效的阻止外界有害物质的侵入。同时UHT CC 是一种具有高韧性的延性混凝土, 它具有很强的能量吸收能力, 因此可以显著改善混凝土结构的抗震性能和变形能力, 可用于抗震结构、大变形结构、抗冲击结构、结构裂缝控制和耐损伤工程结构。由于UHT CC 具有相当于钢材的变形

能力, 因此可用于混凝土结构中一些塑性变形较大的构件和部位, 比如在塑性铰区使用UHT CC , 可在很大的塑性变形阶段保持塑性铰的完整性。此外,UHT CC 的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, 而且在极限荷载时材料能保持良好的整体性, 不会发生坍塌破碎。通过三点弯曲缺口梁试验证明,UHT CC 的峰值荷载和峰值荷载对应变形都较基体有非常明显的提高。缺口拉伸试件和缺口梁试件均证明,UHT CC 可以将单一裂缝细化成多条细密裂缝, 同时UHT CC 具有对小缺口不敏感的特性。由于超高韧性水泥基复合材料具有多方面的优越性, 因此在很多建设项目中有着潜在的应用前景。参　考　文　献:

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(sity Technology , Dalian 　116024, China )

of 2toughness cementitious com posite rein forced by polyvinyl alcohol fibers was developed. tensile strength , flexural strength and breaking resistance of this type of material were studied by uniaxial tensile tests , uniaxial com pressive tests , four 2point flexural tests and three 2point flexural fracture tests. The results show that this type of ultra 2high toughnesscementitious com posite exhibits the characteristics of pseudo strain 2hardening , multiple cracking and high ductility as well as

μhigh energy abs orption. The crack width at ultimate load is about 50m. The ultimate strain excesses 3%and the average crack space is about 1mm. The com pressive strength is similar to that of concrete but the elastic m odulus is lower and the com pressive deformation capacity is much higher than that of concrete. The three 2point flexural fracture test results dem onstrate that the ultimate load and corresponding deformation of this type of com posite are much higher than those of its matrix. The test results of notched specimens show that the single cracking in this com posite can be split into multiple small cracking and the com posite is insensitive to small notch. All test results dem onstrate that this type of com posite can keep integrality very well at its failure rather than the happening of fragmentation.

K ey w ords :ultra2high toughness cementitious com posite ; experimental study ; strain hardening ; multiple cracking ; high ductility ; high toughness ; high energy abs orption

(责任编辑:王冰伟)

—1063—

水　　利　　学　　报

　2009年9月

文章编号:055929350(2009) 0921055209

SH UI LI 　　X UE BAO

第40卷　第9期

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)

关键词:超高韧性水泥基复合材料; ; ; ; 高能量吸收能力中图分类号:TU5281572

1　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

[5]

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 :[email protected]. cn

[1-4]

—1055—

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

[6-8]

[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

[8]

方面具有显著的效果

, 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。

2　试验原材料和搅拌工艺

211　原材料　. , 骨料为特制沙, 外加剂为商用高效减水

剂, , , 1, 纤维体积掺量为2%。

表1　PVA 纤维参数

纤维名称

PVA

名义强度/MPa

1620

纤维直径/μm

纤维长度/mm

弹性模量/G Pa

4218

延伸率Π%

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

3　基本力学性能

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。

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

μ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50m 左右。由于—1056

—

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, 所以如此小的裂缝宽度可以有效地阻止侵蚀性物质的侵

μ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～50m ) 时, 随

着变形的增加, 裂缝宽度不再增加, 条数高达200条之多

。

[5]

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

—1057

—

图3　荷载-挠度曲线

表2　主要力学性能指标

编号

开裂挠度

δmm c Π

[***********][1**********]128

开裂荷载

P c ΠN

[***********]15224极限挠度

δmm u Π

[***********]9831133极限荷载

P u ΠN

[***********]018

比例极限强度

σMPa c Π

[***********]1327144

拉伸应变

预测值%

[***********]126

抗弯强度σMPa u Π

[***********][***********]2124

薄板试件

平均值

123

梁试件

平均值

　　c ) σc =

　　抗弯强度σu (MPa ) :

σu =

　　极限拉伸应变预测值εu :

εu =2f

s l 0P u l 0

2bh P c l 2bh

(1)

(2)

(3)

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 ) 。

[12]

—1058

—

与x 之间的差值增大, 说明随着变形的增加, 材料韧性增加。

表3　韧性指标

编号

I 9

I 19

I 59

I 99

I 2u -1

I 5

I 9

I 19

I 29

I 39

I 2u -1

薄板韧性指标梁韧性指标

123

[**************]

[**************]3

[**************]4

[***********]16

[1**********]4

[**************]8

[**************]5

[**************]1

[**************]0

平均值　　

表4　残余强度指标

编号

R 9,19

R 19,59

R 59,99

R 99,2u -1

R 5,9

R ,19

R 29R 39,2u -1

薄板韧性指标梁韧性指标

123

[1**********]2

[1**********]5

[1**********]3

[1**********]4

148160158

167

150175135

[1**********]4

平均值　　

　　:薄板试件在峰值荷载时产生较大的弯曲变

313　抗压性能　试验采用棱柱体试件和立方体试件测定超高韧性水泥基复合材料的抗压性能。试件

—1059

—

图4　试件荷载-变形曲线

结果可以得到棱柱体试件的抗压强度是41192MPa , 立方体试件的抗压强度是49174MPa 。UHT CC 材料

表5　抗压试验结果

编号

比例极限应变

×10-2

[***********]301023

比例极限强度Π

MPa [***********][1**********]

峰值点应变

×10-2

[***********]11061138

[***********]5219449174

[***********]8601770182

[***********]29

弹性模量Π

G Pa [**************]3

棱柱体

均值

123

立方体

均值

31412　起裂荷载的确定　通过在试件表面粘贴全桥应变计的方法来确定材料的起裂荷载。试验得到

的荷载-应变曲线如图7所示。通过对基体和UHT CC 的曲线对比可以看出, 二者的荷载-应变曲线明显不同。

UHT CC 的荷载-应变曲线具有明显的假应变硬化特征。在荷载的上升过程中, 可以观测到应变有—1060

—

图5　P 2CMOD 曲线(缺口深度10mm )

6P 2(16mm )

。但随后由于纤维的连接作用, 应变很快又恢复了增加

UHT CC 的起裂荷载点。

图7　荷载-应变曲线(缺口深度10mm )

31413　试验结果　通过计算得到的基体的试验结果见表6。UHT CC 的计算结果见表7。由于纤维的加

入, 缺口深度10mm 的UHT CC 的起裂荷载较基体提高了3105倍, 峰值荷载较基体提高了3181倍, 峰值

荷载对应的C MOD 提高了46173倍; 缺口深度16mm 的UHT CC 的起裂荷载较基体提高了2187倍, 峰值

表6　基体试验结果

编号

起裂荷载

P in ΠkN

[***********][1**********]130

名义起裂强度Π

MPa [***********][1**********]118

峰值荷载对应

CMOD max Πmm

[***********][***********]1015

峰值荷载

P max ΠkN

[***********][1**********]132

名义峰值强度Π

MPa [***********][1**********]174

P P max

[***********][1**********]194

基体210

均值

123

基体216

均值

—1061—

表7　UHT CC 试验结果

编号

UHTCC 210

起裂荷载

P in ΠkN

[***********][1**********]116

名义起裂强度Π

MPa [***********][***********]4124

峰值荷载对应

CMOD max Πmm

[***********][1**********]176

峰值荷载

P max ΠkN

[***********][1**********]148

名义峰值强度Π

MPa [***********][***********]0183

P P max

[***********][1**********]179

均值

UHTCC 216

均值

4　结论

, 其极限拉伸应变可达3%以上, 几乎。在拉伸和弯曲荷载作

[1]　田稳苓, 黄承逵, 李世春. 新型抗裂防渗水工混凝土基本性能及其配筋压力管研究[J].水利学报,2002(1) :40

-46.

38-40.

SP 206-23:373-400.

—1062—

Per formances[C]∥Proceedings ofInt ’l w orkshop on HPFRCC in structural applications , H onolulu , Hawaii , US A ,2005:1-8.

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(责任编辑:王冰伟)

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超高韧性纤维增强水泥基复合材料基本力学性能

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