混合纤维增强水泥基复合材料的动力性能*

杨惠贤 黄炎生，2 李静，2†

（1.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510640；2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640）

混合纤维增强水泥基复合材料的动力性能*

杨惠贤1黄炎生1，2李静1，2†

（1.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510640；2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640）

采用变截面霍普金森杆(SHPB)对不同配比的钢/PVA纤维混合增强水泥基复合材料(HFRCC)进行了不同应变率的冲击压缩实验，并对其抗压强度、峰值应变和韧性等动力性能进行对比分析.结果表明：HFRCC材料表现出应变率敏感性；随着PVA纤维的增加，材料的变形性能更好，而钢纤维的加入则提高了其动态抗压强度；PVA纤维含量的增加能降低材料的动态强度增长因子；在低应变率下和峰值应力之前，纤维间的相对含量对HFRCC的韧性影响不大，在高应变率下，钢纤维能有效提高其韧性.

钢纤维；聚乙烯醇纤维；混合纤维增强水泥基复合材料；应变率；冲击实验；动力性能

纤维增强水泥基复合材料的出现很好地解决了水泥基复合材料抗裂性能差、抗拉强度低的缺点，其研究和应用正趋向成熟和广泛.聚乙烯醇（PVA）和聚乙烯（PE）纤维增强水泥基复合材料由于具有韧性好、拉伸应变硬化、极限拉应变大等优点［1-2］，成为了近年来研究的热点.材料承受动力荷载时，不但要求材料拥有高的能量吸收能力，而且还需要有足够的强度以使结构有足够的承载能力.研究表明，不同类型的纤维对水泥基复合材料的增强效果不同，高弹性模量纤维（钢纤维）可以提高水泥基复合材料的抗拉强度，而低弹性模量纤维（聚乙烯纤维和聚乙烯醇纤维）掺入后可以明显提高其韧性.国内外学者对纤维增强水泥基复合材料在冲击荷载作用下的动力性能做了相关的研究，杜修力等［3］对钢纤维和PVA纤维高强混凝土进行了霍普金森杆（SHPB）冲击压缩实验，结果表明钢纤维对混凝土强度的增强效果优于PVA纤维，PVA纤维高强混凝土的峰值应变明显高于钢纤维高强混凝土，在低应变率和纤维掺量较低的情况下，PVA纤维高强混凝土具有更好的韧性；张华等［4］对聚丙烯纤维混凝土的动态性能进行了研究，研究发现，纤维混凝土动态强度及韧性指标随纤维掺量的增加呈抛物线式发展，损伤演化速度随应变率的增加而降低；Chen等［5］为了提高ECC（Engineered Cementitious Composites）材料的抗压强度，采用高炉矿渣微粉代替粉煤灰，并通过SHPB实验对材料的动态力学性能进行了研究，结果表明峰值应变随着应变率的增加而减小，高炉矿渣微粉掺量对复合材料的增韧效果不明显；Mechtcherine等［6］对PVA增强水泥基复合材料在应变率10-2～50 s-1的条件下进行了拉伸实验，结果表明，在应变率10-2s-1条件下，PVA增强水泥基复合材料的拉伸强度增强，而极限应变和韧性则降低；应变率在10～50 s-1应变率范围内时，其强度、极限应变和韧性都增大.上述研究表明，PVA纤维增强水泥基复合材料在高应变率下具有很好的韧性，但由于纤维弹性模量低（约40GPa），导致复合材料的强度增强效果不明显.为了使PVA纤维增强水泥基复合材料具有更好的动力性能，有学者通过掺入钢纤维以提高其强度，Soe等［7］进行了钢/PVA混合纤维增强水泥基复合材料（HFRCC）的子弹侵彻试验，结果表明相比钢纤维混凝土板，HFRCC材料板在子弹侵彻时损坏范围小、碎片少，对结构的其他部分影响大大减少；Maalej等［8］对掺有1.5%（体积分数）聚丙烯纤维和0.5%（体积分数）钢纤维的HFRCC材料进行了低应变率（2×10-6～0.2 s-1）轴向拉伸和高速（300～750m/s）子弹撞击试验，低应变率拉伸试验表明随着速度的增加拉伸极限应力相应提高而且出现应变-硬化现象，子弹撞击试验结果表明这种材料能有效减少破坏时产生的碎片，吸能效果良好.从现阶段的研究现状可以看出，国内对于钢/PVA混合纤维增强水泥基复合材料的研究较少，现有的研究主要集中在单纤维增强水泥基复合材料方面，国外虽然在HFRCC材料的冲击性能方面有一定的研究，但主要是对构件的冲击性能进行研究，缺乏对材料更细致的分析，这在很大程度上限制了对其动力性能的研究与推广应用.

文中通过对钢/PVA混合纤维增强水泥基复合材料进行霍普金森杆冲击实验，对比分析了材料在不同纤维掺量下的动力性能，以确定不同纤维在动力荷载作用下对材料性能的贡献，为今后对该材料的研究提供有价值的参考.

1 实验

1.1 实验装置和原理

霍普金森杆冲击实验由于具有实验装置简单、操作简易、应变率能达到10～103s-1和测试方法简单等优点而被广泛应用.本次实验采用华南理工大学力学实验室的分离式变截面霍普金森压杆装置，该装置主要由加载系统、压杆系统和数据采集系统组成，其尺寸见图1.SHPB装置的基本原理为弹性应力波传播理论，通过测量粘贴在压杆上的应变片的电压从而得出入射、反射和透射应变波随时间变化的过程，根据一维弹性波假定和均匀性假定，采用三波法公式［9］间接计算试件的应力σs（t）、应变εs（t）和应变率εs（t）.

图1 霍普金森杆装置（单位：mm）Fig.1 Setup of split Hopkinson pressure bar（Unit：mm）

研究表明，在对混凝土等脆性材料进行SHPB实验时，影响测试结果可信性的主要原因有两方面：一是由于试件破坏应变非常小，试件在应力没有达到均匀时就发生了破坏；二是恒应变率加载问题.本次实验过程中，通过采用波形整形技术［10］，用不同直径的紫铜整形器来提高入射波的上升沿，使波在试件中传播3—4个来回达到试件应力均匀，并通过在入射杆与试件之间加入万向头来减少非平面接触问题.典型的波形如图2所示，其中上升沿达到了86μs，能在试件内部来回多次，图中的反射波在达到峰值后，有一个较长的平台，这说明材料处于恒应变率的时间较长，很好地改善了恒应变率加载效果.

图2 SHPB实验的典型波形Fig.2 Typical waves of SHPB test

1.2 材料和试件制作

水泥，P.O 42.5R普通硅酸盐水泥；粉煤灰，一级，F类；石英砂，平均粒径0.11mm、最大粒径0.25mm；聚乙烯醇纤维（PVA），日本可乐丽公司生产的可乐纶；钢纤维，Bekaert公司生产的Dramix（佳密克丝），纤维的材料参数见表1；减水剂，聚羧酸类高效减水剂.

本次实验的基体材料采用相同的配合比（水泥∶砂∶粉煤灰∶水∶减水剂质量比为1∶0.8∶1.2∶0.56∶0.012），制作了3种不同纤维含量（以体积分数计）的钢/PVA混合纤维增强水泥基复合材料，为了防止纤维掺入过多而导致结团、难于搅拌，纤维总掺量控制在2%，其中，钢纤维掺量为0.50%、PVA纤维掺量为1.50%的记为P1，钢纤维掺量为0.75%、PVA纤维掺量为1.25%的记为P2，钢纤维掺量为1.00%、PVA纤维掺量为1.00%的记为P3.

实验用试件为直径70mm、高度35mm的圆盘，采用3种不同应变率（50、70、90s-1）进行冲击实验，一个应变率下每个配比的试件数为5个，静载实验采用直径为76mm、高度为152mm的圆柱体，每种配比的试件数为3个.试件按照常规方法进行制作养护.在进行冲击实验前先对试件两端面进行磨平，使两端面的不平行度小于0.05mm.

表1 不同纤维的性能参数Table 1 Parameters of different fibers

2 实验结果与分析

通过静力实验得到的不同纤维含量的HFRCC材料的静力抗压强度如表2所示.冲击实验中，每一配比在每种应变率下均有5个实验结果，去掉离散数据，但至少应保留3个有效数据，最后的实验结果取多次实验的平均值，各试件在不同应变率下的峰值应力、峰值应变和动力增长因子DIF（动力压缩强度与静力强度的比值）如表2所示.

表2 HFRCC的静力实验与冲击压缩实验结果Table 2 Experimental results of static and impact-compressive test of HFRCC

试件在50、90 s-1应变率下的破坏形态如图3所示.

图3 HFRCC材料在不同应变率下的破坏形态Fig.3 Fracturemodes of HFRCC at different strain rates

从图中可以看出，随着应变率的增加，试件的破坏程度趋于严重，由低应变率时的几条微裂缝向高应变率时的多条宽裂缝发展；在相近应变率下，P3的破坏程度比P1、P2轻，最后能保持很好的完整性，P1破坏最严重（在应变率达到90 s-1时，其裂缝宽度已经达到了1.5mm左右），由此可知，钢纤维的含量对试件的破坏形态起到了关键的作用.

2.1 应力-应变曲线分析

图4 各试件在不同应变率下的应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves for specimens at different strain rates

P1、P2和P3在不同应变率下的应力-应变关系曲线如图4所示.由图4可知，随着应变率的提高，材料的弹性变形段变长，峰值应力相应提高，同时对应的峰值应变也有一定的增长；过了峰值应力后，3种材料的应力-应变曲线在不同的应变率下表现出不同的变化趋势，P3表现出了不同程度的应变硬化现象，这与应变速率直接相关，应变率越低其应变硬化现象越明显，与文献［11-12］的结果类似，主要是由于在相应的应变率下，材料的微空隙（孔洞和微裂缝）经历了压密过程，致使试件的承载力有了一定程度的提升，应变率越低，材料的压密过程持续时间越长，从而使得应变硬化现象越明显，而在高应变率下，相应的冲击速度快、能量大，使得压缩过程速度快、持续时间短，材料破坏严重，从而表现出应变软化的现象.应变硬化现象还与纤维含量相关，在相近的应变率下，钢纤维含量高的P3的应变硬化现象更明显，这说明钢纤维对于材料的空隙、微裂缝的限制作用较PVA纤维强，使得其压密过程用时更长，需要的冲击能量也更大.P1由于PVA纤维含量较多，其在90 s-1应变率下，出现了应变软化的现象，而P3由于钢纤维含量较多，相比P2的应变硬化现象也更明显.

2.2 动态抗压强度分析

从表2和图4可知，HFRCC材料的动态抗压强度随着应变率的增加而提高，表现出明显的应变率效应，由于裂纹的形成和扩展需要很高的能量，加载速率越高，其加载的时间就越短，材料没有足够的时间通过裂缝的产生和发展或变形来积聚相应的能量，根据能量原理，材料只有通过提高应力来达到能量平衡［13］，因此，材料的动态抗压强度表现出随应变率的增加而增加.在相近应变率下不同纤维含量的HFRCC材料的动态抗压强度不同；在50 s-1应变率下P3的动态抗压强度比P1高23%、比P2提高11%，P2的动态抗压强度比P1提高10.9%；在70 s-1和90 s-1应变率下也有类似的提高；这表明随着钢纤维含量的增加，动态抗压强度相应提高，而且说明在动力荷载作用下钢纤维的阻裂效果比PVA纤维的更突出，PVA纤维由于其抗拉强度较钢纤维低而且直径非常小，在动力荷载作用下，主要是以纤维的拉断破坏为主，而钢纤维由于其强度高，更多的是发生与基体间的粘结破坏，这使得钢纤维对裂缝间的桥接增强作用明显，从而提高了冲击荷载作用下的强度.从表2还可以看出，随着PVA纤维掺量的增加，DIF减小，说明PVA纤维能降低动态抗压强度的应变率敏感性.一方面随着PVA纤维的增加，根据复合材料理论，其强度有所下降；另一方面，基体开裂后由于PVA纤维的弹性模量低，使其受力后有较大的变形，起到对冲击荷载的缓冲作用.

2.3 动态峰值应变分析

学生口语交际的涉及面广，如口语交际的能力、思维能力、临场应变能力、社交礼仪等，都属于学生口语交际的范畴。小学语文教师应当将口语交际训练融入日常的教学实践活动中，在潜移默化中训练学生的口语交际能力，提升学生口语交际水平。

钢纤维和PVA纤维对基体材料的变形能力都有增强作用，而且PVA纤维的效果更加明显，静力加载时，PVA纤维增强水泥基复合材料的峰值压应变可以达到0.5%左右［14］.不同应变率下的峰值应变如图5所示.

图5 不同应变率下的峰值应变Fig.5 Peak strains at different strain rates

从表2和图5可知，随着应变率的增加，3种HFRCC材料的峰值应变随着应变率的增加而提高，表现出应变率敏感性.随着PVA纤维含量的增加，HFRCC材料的峰值应变相应增加，这也证明了PVA纤维增强效果优于钢纤维.在50 s-1应变率下，PVA纤维含量较多的P1的峰值应变相比P3提高了9%，相比P2提高4%；在70 s-1应变率下P1相比P2、P3的峰值应变分别提高5%和6%；P2在50 s-1和70 s-1应变率下，相比P3的峰值应变提高了5%和1%，这说明PVA纤维含量的增加对峰值应变的提高有限，这与文献［3］中PVA纤维混凝土材料的冲击实验结果相似.PVA纤维对基体材料的峰值应变的提高作用主要由其性质决定，其弹性模量相比钢纤维低一个数量级，其受力时具有很高的变形能力，从而提高了复合材料的峰值应变.但随着应变率的提高，PVA纤维的化学粘结能力越强，因此纤维更多发生断裂破坏，从而限制了其对峰值应变的提高作用.在90 s-1应变率下，P1的峰值应变相比P2和P3有较大的提高，从图3的破坏形态可知，P1出现的裂缝较P2和P3多且宽大，相应的峰值应变比后两者大，对于冲击能量的消耗是以变形和裂缝发展为主，相对于P1，P2和P3的钢纤维含量多，使得其破坏形态保持较好的完整性，因此，P2和P3主要靠提高应力的方法与冲击能量取得平衡.

2.4 冲击荷载下的韧性分析

韧性是材料变形和强度的综合性能指标，应力-应变曲线下的面积代表了作用力在材料破坏变形上所做的功，能反映出材料的韧性性能［15］.文中以应变为峰值应变、0.01、0.015、0.02的应力-应变曲线下的面积作为评价材料的韧性指标（分别记为SP、S0.01、S0.015、S0.02），由于P3在50 s-1和70 s-1应变率下的应力-应变曲线没有软化段，因此，在这两个应变率下，P3只用应力-峰值应变曲线下的面积来评价其韧性（峰值韧性指标），表3为3种HFRCC材料在不同应变率下的韧性指标值，并给出了在90s-1应变率下类似材料［4-5］的韧性指标值以进行对比分析.

表3 各试件在不同应变率下的韧性指标Table 3 Tenacity index values of specimens at different strain rates MJ/m3

P1、P2和P3在不同应变率下的峰值韧性指标如图6所示.

图6 不同应变率下的峰值韧性指标Fig.6 Tenacity index values of peak strain at different strain rates

从表3和图6可以看出，HFRCC材料的韧性指标随着应变率的增加而增加，表现出应变率敏感性，对比分析可知，在50 s-1应变率下HFRCC材料的各项韧性指标相近，在50、70和90 s-1应变率下HFRCC材料的峰值韧性指标相差较小，说明纤维含量总量不变的情况下，不同纤维的含量对材料峰值应力前和在低应变率下的韧性影响不大；而应变率为70s-1时，应变在0.01～0.02之间，P2相比P1的韧性指标分别提高了22%、23%和20%，应变率为90 s-1时，P2相比P1提高了13%、5%和3%，P3相比P2提高了2%、6%和12%，比P1分别提高了16%、12%和16%，这表明应变率为70 s-1时，钢纤维的增加对韧性指标提高明显，随着应变率到达90 s-1，钢纤维的增韧效果有所降低，掺入更多的钢纤维才能提高材料的韧性.从上述分析可知，材料的韧性大小，主要体现在应力-应变曲线的下降段，随着应变范围的增大，纤维的作用越加明显，钢纤维相比PVA纤维更能使下降段变得平缓，以增强材料的韧性，这主要是由于两种纤维的增韧机理不同，钢纤维可以用摩擦块模型来分析，主要以纤维拔出过程中基体与纤维之间的摩擦来消耗能量，而PVA纤维为弹簧摩擦块模型，纤维伸长变形所积聚的变形能量相比摩擦耗能大得多.

图7给出了文献［4］的聚丙烯纤维混凝土、文献［5］的PVA纤维混凝土和文中材料P3在相近应变率下的各项韧性指标.

图7 90s-1应变率下的各项韧性指标Fig.7 Tenacity index values at strain rate of 90 s-1

3 结论

通过对3种不同的钢/PVA纤维混合增强水泥基复合材料进行SHPB动力冲击实验研究，得出了以下结论：

（1）在动荷载作用下，钢/PVA纤维混合增强水泥基复合材料表现出应变率增强效应，其动态抗压强度、峰值应变和韧性随着应变率的增加而提高；随着钢纤维含量的增多，应力-应变曲线的应变硬化现象更为明显.

（2）在应变率相近的情况下，随着钢纤维含量的增加，材料的动态抗压强度相应提高；随着应变率的提高，PVA纤维的增加能降低材料的动力增长因子.

（3）PVA纤维能使材料的动态峰值应变提高，在50、70 s-1应变率的情况下，提高程度有限，而在90 s-1时能有较大的提高.

（4）钢/PVA纤维混合增强水泥基复合材料是一种很好的韧性材料，在低应变率下，钢与PVA纤维的相对含量对韧性影响不明显，在高应变率下，钢纤维含量的增大增强了材料的韧性.

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Dynam ic M echanical Properties of Hybrid Fiber-Reinforced Cement-Based Composites

Yang Hui-xian1Huang Yan-sheng1，2Li Jing1，2
（1.School of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China；2.State Key Laboratory of Subtropical Building Science，South China University of Tehnology，Guangzhou 510640，Guangdong，China）

The impact compression tests of hybrid fiber（steel and polyvinyl alcohol（PVA）fiber）-reinforced cement-based composites（HFRCC）of different ratioswere conducted at different strain rates by using a split Hopkinson pressure bar（SHPB）.Then，their dynamic compressive strength，peak strain and tenacity are compared.The results show that（1）HFRCC is sensitive to strain rates；（2）the peak strain increaseswith the PVA fiber content and the addition of steel fiber can increase the dynamic compressive strength；（3）to increase the PVA fiber content can decrease the dynamic strength increase factor；and（4）ata low strain rate and before the stress reaches up to a peak，the relative contents of two kinds of fibers have little influence on the tenacity of HFRCC.At a high strain rate，however，the steel fiber can effectively improve the tenacity of HFRCC.

steel fiber；polyvinyl alcohol fiber；hybrid fiber-reinforced cement-based composites；strain rate；impact test；dynamic mechanical property

TU528.572

10.3969/j.issn.1000-565X.2015.07.008

1000-565X（2015）07-0050-07

2014-12-29

亚热带建筑科学国家重点实验室开放性课题（2012KB28）

Foundation item：Supported by the Opening Fundation of the State Key Lab of Subtropical Building Science of China（2012KB28）

杨惠贤（1984-），男，博士生，主要从事新型建筑材料研究.E-mail：winerxian@163.com

†通信作者：李静（1971-），女，博士，副教授，主要从事新型结构、新型建筑材料研究.E-mail：cvjingli@scut.edu.cn