超高性能钢纤维水泥基复合材料-高延性水泥基材料复合梁的制备及弯曲性能

马 瑞 郭丽萍,2,3 谌正凯 李天宇 孙 伟,2,3

(1东南大学材料科学与工程学院, 南京 211189)(2东南大学江苏省土木工程材料重点实验室, 南京 211189)(3东南大学江苏省先进土木工程材料协同创新中心, 南京 211189)

超高性能钢纤维水泥基复合材料-高延性水泥基材料复合梁的制备及弯曲性能

马 瑞1郭丽萍1,2,3谌正凯1李天宇1孙 伟1,2,3

(1东南大学材料科学与工程学院, 南京 211189)(2东南大学江苏省土木工程材料重点实验室, 南京 211189)(3东南大学江苏省先进土木工程材料协同创新中心, 南京 211189)

研究了无配筋条件下超高性能钢纤维水泥基复合材料(UHPFRCC)与高延性水泥基复合材料(HDCC)复合梁试件的弯曲变形性能．通过纯剪切强度测试,比较了界面处理工艺对界面粘结性能的影响．通过弯拉实验测试了复合梁试件在弯曲载荷下的变形性能,并与纯UHPFRCC梁的变形能力进行对比．结果表明,不同的界面处理工艺决定了界面粘结性能．最佳的界面处理方法能使界面粘结强度高于HDCC基体本身强度,界面过渡区基体致密,没有明显的微观缺陷．UHPFRCC-HDCC复合梁在弯拉荷载下,极限抗弯强度达到13.4 MPa,跨中最大挠度为2.8 mm．HDCC能通过自身的多缝开裂增加裂缝数目来改善变形能力．与UHPFRCC梁相比,UHPFRCC-HDCC复合梁弯曲时,塑形变形明显,并具有更大的弯曲挠度．

高延性水泥基材料;超高性能钢纤维水泥基复合材料;复合梁;弯曲挠度;界面剪切强度

超高性能混凝土(ultra high performance concrete, UHPC)具有极高的强度(抗压大于150 MPa,抗折大于25 MPa),以及很高的基体密实程度,能够有效抑制腐蚀性离子的侵蚀[1],可以应用于超高层结构、海洋平台、大跨径薄壁结构、军事防御设施等严酷环境或者特殊要求的工程[2-3]．但混凝土作为脆性材料,随着强度等级的提高,脆性表现更加明显．为了改善UHPC的脆性断裂,常通过掺加纤维制得超高性能钢纤维水泥基复合材料(ultra-high performance fiber reinforced cementitious composites, UHPFRCC)[4]．研究人员针对不同纤维掺量、纤维种类对UHPFRCC的弯曲挠度的影响已经进行了大量研究[5-8]．从这些研究结果中可以归纳出,UHPFRCC在弯曲载荷下的典型载荷-挠度曲线分为弹性变形段、塑性变形段和下降段3个阶段[9]．纤维虽然提高了UHPFRCC的极限载荷和整体韧度,但试件在承载力上升过程中的变形量仍然较小,塑性变形尤为不明显．大挠度变形主要集中在极限弯曲强度以后,即钢纤维被大量拔出的过程中,此时试件被破坏．同时从初裂点至极限载荷条件下,变形产生的裂纹数量少,裂纹宽度大．因此在实际工程应用中,通常需要配筋来保证UHPFRCC在极限承载强度下的弯曲变形能力[10-12]．但钢筋和水泥基材料之间存在明显的界面区域,在弯拉荷载作用下,界面区更容易产生缺陷,进而成为腐蚀性离子和水分传输的通道,破坏水泥基材料的性能[13]．同时,由于钢筋易于遭到腐蚀破坏,使其不能用于海水、盐湖等严酷环境中,制约了水泥基结构的使用环境和使用寿命．

高延性水泥基复合材料(high ductility cementitious composites, HDCC)具有单轴拉伸延性高、裂缝宽度控制能力优异、渗透性低和耐久性良好等性能[14]．Li等[15]设计了在拉伸作用下具有应变硬化和多缝开裂特性的高延性、高耐久水泥基复合材料ECC(engineered cementitious composites),在日本、美国和欧洲等国家和地区有了一些工程应用实例,但国内由于成本等问题鲜有应用．张丽辉等[14,16]通过HDCC的国产化研究,选用普通河砂代替磨细石英砂、国产PVA纤维代替日本进口纤维并采用大掺量粉煤灰作为主要凝胶材料,制备了生态高延性水泥基复合材料(ECO-UDCC)．ECO-UDCC具有良好的力学性能和延性,折压比为0.3～0.6,极限延伸率超过2%,并且在变形过程中伴随着明显的多缝开裂,通常裂缝宽度小于100 μm．相对于UHPFRCC,HDCC的抗压强度偏低,通常保持在30～80 MPa,工程中常用作桥面的连接板、水坝及路面修复等．

本文研究了UHPFRCC和HDCC两种水泥基材料复合对UHPFRCC弯曲性能的影响,制备了UHPFRCC和HDCC的复合型水泥基无配筋复合梁．复合梁以UHPFRCC作为结构的主要承载单元,HDCC作为保护层,利用HDCC的高延性以及在变形过程中的多缝开裂现象,增强复合梁的弯曲变形能力．通过三点弯拉实验测试,对比了UHPFRC梁在复合前后的弯曲-挠度变形能力．本文还针对2种水泥基材料的界面结合能力,研究了不同的处理工艺对复合界面粘结性能的影响．

1 设计制备与测试方法

1.1 材料

实验中所用的胶凝材料分别为江南-小野田公司的标号为P·Ⅱ52.5级硅酸盐水泥和海螺牌标号为P·Ⅱ42.5R级硅酸盐水泥,南京热电厂F级粉煤灰,埃肯公司的920U型硅灰．胶凝材料的化学成分见表1．UHPFRCC中使用的细集料是最大粒径为2.36 mm的普通河砂;所用超细钢纤维的长度为13 mm, 长径比为65, 抗拉强度为2 850 MPa．HDCC中的细集料为最大粒径为1.18 mm 的普通河砂;所用纤维为表面经过特殊处理的高强高模聚乙烯醇纤维(PVAF)．PVAF性能如表2所示．

表1 胶凝材料的化学组分分析 %

表2 PVA纤维的性能

实验中通过使用聚羧酸系减水剂和功能组分来调节2种水泥基材料的工作性能,达到最佳的浇筑效果．实验中拌合水为自来水．

1.2 配合比与搅拌工艺

经过前期大量配合比实验[14,16-17],本文选用抗压强度为150 MPa的UHPFRCC以及抗压强度为40 MPa的HDCC，2种水泥基材料的配合比见表3.

表3 配合比设计

试件成型时,使用JJ-5型水泥胶砂搅拌机,低速时叶片公转为(62±5)r/min,自转为(140±5)r/min,高速时叶片公转为(125±10)r/min,自转为(285±10)r/min．搅拌过程采用手动控制,2种不同材料的拌合工艺如下:

1) 制备UHPFRCC时,将所需粉料按表3称量后依次加入搅拌锅中,低速搅拌2 min，混合均匀；然后将减水剂和拌合水缓慢加入,同时低速搅拌3 min,至形成浆体；最后加入钢纤维,同时低速搅拌2 min,再高速搅拌1.5 min．

2)制备HDCC时,先将胶凝材料、细集料和功能组分依次加入搅拌锅中,低速搅拌2～3 min；然后加入减水剂和拌合水,同时低速搅拌2 min；最后加入PVA纤维,同时低速搅拌4～5 min,再高速搅拌1 min．

1.3 试件成型

复合梁试件为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件,UHPFRCC和HDCC材料在该试件截面的高度比约为3∶1(见图3)．成型时,先浇筑UHPFRCC材料,再浇筑HDCC材料,3种不同的浇筑工艺如下:

1) 初凝时复合工艺．先浇筑UHPFRCC材料,然后静置到其达到初凝时间(约2 h)后,再浇筑HDCC材料进行复合．

2) 终凝时复合工艺．先浇筑UHPFRCC材料,然后静置到其达到终凝时间(约20 h)后,再浇筑HDCC材料进行复合．

3) 养护后凿毛复合工艺．先浇筑UHPFRCC材料,待其在85 ℃下蒸养72 h,再将复合表面采用人工深凿的方法,用铁锤和钻凿去表面的浮浆和部分水泥石,使表面粗糙度达到2～3 mm,然后浇筑HDCC材料进行复合．

浇筑完成的复合试件表面覆盖塑料膜,在室内条件下养护48 h后拆模,再移至蒸养箱中85 ℃下养护72 h．

剪切实验中的试件采用Z形模成型(见图1),成型过程及养护制度与复合梁相同．

1—钢模; 2—挡块(a) 试件形状及夹持方式(单位:cm)

(b) 示意图

1.4 测试方法

1.4.1 基本力学性能测试

UHPFRCC和HDCC的抗压、抗折强度按照标准《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》[18]测试,试件为40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体．

HDCC的单轴拉伸实验参照文献[19],试件形状为“狗骨头”状，厚度为13 mm.实验中采用位移控制的加载方式,加载速率为0.3 mm/min,在单轴拉伸状态下测试HDCC材料的初裂强度、极限抗拉强度和极限拉伸应变．

HDCC的弯曲性能实验参照标准 [20],试件为15 mm×75 mm×300 mm的薄板,实验中采用位移控制的加载方式,加载速率为0.5 mm/min,测试弯曲强度及挠度值．

1.4.2 复合界面剪切测试

2种材料接触界面的纯剪切性能测试,选用Z形模成型剪切试件,见图1(a)．UHPFRCC和HDCC的复合接触区域是面积为50 mm×50 mm的正方形．测试所用设备为电子万能实验机,试件夹持方式如图1(b)所示．实验中,试块上、下2面正中位置与压头之间分别垫一根刚性短棍,使压力沿中心竖直作用在试件上,从而在2种材料的接触界面只存在纯剪切力．实验采用位移控制的加载方式,加载速率为0.5 mm/min．实验中以3个试件为一组,分别测试了3种不同界面处理方式下复合试件的界面剪切强度．

1.4.3 弯曲性能测试

实验试件为100 mm×100 mm×400 mm 的长方体,测试所用设备为MTS 810液压伺服疲劳试验机．采用三点弯的测试方式,跨中距离为150 mm,三点加载装置如图2所示．实验采用位移控制的加载方式,加载速率为0.5 mm/min．实验中以3个试件为一组,分别测试了UHPFRCC梁、UHPFRCC与HDCC复合梁的弯曲性能．

图2 三点弯拉测试的试件及实验方式

1.4.4 微观形貌

界面结合部位的微观形貌使用SEM进行观测,设备为FEI 3D场发射环境扫描电子显微镜．

1.企业员工。受访企业员工中男性占比为48.1%，女性占比为51.9%；年龄介于19-30岁占比为60%，年龄介于31-40岁占比为30%，超过40岁的占比为10%；月工资收入低于5000元的约占80%，月工资超过5000元的约占20%；专科学历、本科学历的占比均为43.6%，高中及以下、研究生学历占比均为7.4%。经走访相关部门确认，调查样本所体现的性别、年龄、收入、学历情况与企业实际基本相符，样本的代表性充足以确保研究的可信度。

2 结果与讨论

2.1 基本力学性能

UHPFRCC和HDCC的抗折、抗压强度如表4所示．HDCC的单轴拉伸实验和弯曲性能实验的结果如表5所示．弯曲测试后的试样如图3所示．

表4 UHPFRCC和HDCC的抗折、抗压强度

表5 HDCC试件的单轴拉伸和弯曲性能测试结果

图3 HDCC试件弯曲测试后的多缝开裂

从表3和表4结果可以看出,UHPFRCC具有非常高的抗折和抗压强度,但折压比仅为HDCC折压比的1/2．HDCC在单轴拉伸下的极限延伸率达到0.7%,弯曲载荷下的跨中挠度达10.0 mm,具有非常好的拉伸及弯曲变形能力,同时在弯曲过程中会出现明显的多缝开裂(见图3)．

2.2 纯剪切性能

不同界面处理方式对应复合试件的界面剪切力测试结果见表6．明显看出,采用初凝复合的界面处理方式,即UHPFRCC在达到初凝时再浇筑HDCC,得到的界面粘结力最强．UHPFRCC达到终凝以后再与HDCC复合浇筑,即使通过人工深凿来增加复合界面的粗糙度,界面的粘结力仍然很弱,导致复合材料在外力作用下很容易发生剥离．

表6 不同界面处理方法对应的界面剪切力

采用初凝复合方式制备的复合试件,其界面纯剪切测试的载荷-位移曲线如图4所示．由图中可以看出,当载荷达到8.3 kN时,界面处出现裂纹,当载荷增加到21.9 kN时,试件完全破坏,此时试件两部分剥离,曲线即陡然下降．接触面剪切强度计算公为

(1)

式中,P为极限破坏载荷;A为接触面面积,本实验中为50 mm×50 mm．通过计算得到剪切强度δ为 8.6 MPa．

破坏分离后的试件界面如图5所示．可见破坏后的UHPFRCC表面上,仍黏附有一层HDCC, 说

图4 复合材料的剪切强度测试的载荷-位移曲线

图5 试件测试破坏后的界面情况

明剪切破坏主要发生在界面偏向HDCC材料基体的一侧．计算得到的界面处剪切强度也与前期实验中纯HDCC材料的剪切强度相近,进一步证明剪切时破坏集中发生在HDCC材料的基体中．

剪切实验的结果证明,采用初凝复合的界面处理方式,2种水泥基材料的界面粘结效果最佳,剪切强度达到8.6 MPa．此时除HDCC保护层发生破坏外,不存在两者剥离的风险．

2.3 复合梁设计与弯拉性能测试

复合梁设计中UHPFRCC作为主要的承重载体,是主体结构,HDCC主要作为保护层提高整个叠合梁的弯曲变形能力．由2.1节中的测试结果可知,HDCC的弯曲变形能力明显优于UHPFRCC材料,并且HDCC没有明显的尺寸效应．在设计复合梁2种水泥基材料的复合比例时，需要满足在外力作用下复合梁发生弯曲变形时，HDCC弯曲载荷在没有达到UHPFRCC极限承载力就已经发生多缝开裂的情况．本实验中,选取UHPFRCC和HDCC体积比为3∶1的最佳比例．界面剪切强度的测试结果表明,复合梁在制备过程中选择初凝时复合制备方式为最佳．UHPFRCC梁和复合梁在弯拉实验中的载荷-挠度曲线如图6所示．

图6 UHPFRCC梁和复合梁的三点弯拉应力-挠度曲线

从图6中可知,UHPFRCC梁在三点弯拉加载过程中,承载力的上升速率很快,曲线近似一条直线,对应的塑性变形较小．当达到极限弯曲应力约19.1 MPa时,对应的弯曲挠度为1.7 mm左右．载荷-挠度曲线在上升过程中没有明显的抖动,说明在加载中没有多余的裂缝出现．极限弯曲载荷以后,曲线的下降较为平缓．

UHPFRCC-HDCC复合梁在三点弯拉加载过程中,承载力的上升速率较为平缓,曲线在10.4 MPa应力位置出现第1次抖动,出现初裂点．随后,承载力的上升速率逐渐降低,出现明显的塑性变形,并伴随着多条裂缝的产生．当达到极限弯曲应力约13.4 MPa时,弯曲挠度为2.8 mm 左右．

复合梁的实验过程中,当应力达到10.4 MPa时,初裂纹出现在试件的HDCC保护层的跨中附近．随着载荷持续增加,HDCC逐渐进入多缝开裂阶段,直至主裂缝穿透HDCC层,并进一步在UHPFRCC 上延伸．试件破坏后,UHPFRCC和HDCC两种材料仍没有分离．测试后的试件如图7所示,可见跨中附近,HDCC层明显存在很多微小裂缝,直至UHPFRCC中汇聚成一条主裂缝．

图7 三点弯拉实验后试件的裂缝存在状态

通过对比可以明显看出,UHPFRCC-HDCC复合梁与普通的UHPFRCC梁相比,在弯拉载荷作用下虽然极限弯曲载荷有所下降,但仍然保持在13.4 MPa．同时,复合梁试件具有更明显的塑性变形曲线,在极限弯曲载荷下跨中挠度更大．由于HDCC材料的极限延伸率是UHPFRCC的2～3倍,复合试件在弯曲载荷下产生裂缝后,HDCC材料会形成多条微裂纹来分散变形产生的应力,避免主裂缝的快速汇集形成．在多缝开裂的过程中如果载荷消失,那么这些细小的微裂缝可以通过基体本身未水化水泥颗粒的水化得到修补．

2.4 微观分析

为了进一步表征界面处的微观形貌,通过SEM对界面两侧不同基体以及界面过渡区进行观测,结果如图8所示．图中虚线为界面可能位置,左侧为UHPFRCC材料,右侧为HDCC材料．由于HDCC中粉煤灰掺量达60%,基体中存在较多球形的未反应粉煤灰颗粒．由图8可以看出,UHPFRCC和HDCC两种水泥基复合材料的基体都较为密实,没有大量的孔隙和裂纹存在．同时2种材料在界面处没有明显的形貌和结构变化,不存在明显的缺陷．

图8 粘结界面处的SEM照片

3 结论

1) 将高延性水泥基材料HDCC与超高性能混凝土UHPFRCC复合,制备出复合梁构件．实验结果证明,与普通UHPFRCC梁相比,复合梁试件能够保持较高的抗折强度,同时明显改善了其在弯曲载荷下的变形能力．复合梁试件在三点弯拉测试下的跨中挠度,在极限载荷下可达到2.8 mm．

2) HDCC在弯拉作用下,由于其自身超高的延性,以及多缝开裂的特性,能够有效分散跨中部位在弯曲时的应力集中,延缓主裂纹的形成及贯穿,提高了复合梁的抗弯曲能力．

3) 比较了不同复合方式下2种材料界面处粘结力的强弱,结果表明当采用初凝复合方法时,2种水泥基材料之间的界面粘结性能非常好．界面粘结强度取决于HDCC材料本身的基体强度,因此在实际应用中不会发生界面剥离的危险．通过微观分析可知,2种水泥基材料在基体和界面处都形成比较致密的水化产物,界面过渡区没有明显形貌和结构变化,以及缺陷的存在．

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Preparation and bending properties of coupled beam made by UHPFRCC and high ductility cementitious composites

Ma Rui1Guo Liping1,2,3Chen Zhengkai1Li Tianyu1Sun Wei1,2,3

(1School of Materials Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)(2Jiangsu Key Laboratory of Construction Materials, Southeast University, Nanjing 211189, China)(3Collaborative Innovation Center of Advanced Civil Engineering Materials, Southeast University, Nanjing 211189, China)

The deformation property under bend-loading of a coupled beam specimen prepared by ultra-high performance fiber reinforced cementitious composite (UHPFRCC) with high ductility cementitious composite (HDCC) and without steel rebar was investigated. The effects of different interfacial treatments on the bond property between UHPFRCC and HDCC were evaluated by the pure sheer strength test, the deformation properties of specimens under tensile-bending loading were tested and compared with the pure UHPFRCC beam. The results show that the interfacial treatment dominates the bond. The bonding strength is stronger than that of HDCC matrix followed the optimal method, the interface transition zone is compacted without obvious micro-defects. The ultimate flexure strength of the coupled beam is 13.4 MPa under tensile-bending loading, with the maximum deflection of 2.8 mm. The numbers of cracks are increased by the multiple cracking happened on HDCC to improve the plastic deforming properties.Compared with the pure UHPFRCC beam, the UHPFRCC-HDCC coupled beam has more obvious plastic deforming and larger deflection under tensile-bending loading.

high ductility cementitious composites;ultra-high performance fiber reinforced cementitious composites; composite beam;bending deflection;interface sheer strength

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.029

2016-04-03. 作者简介:马瑞(1987—),男,博士生;郭丽萍(联系人),女,博士,副教授,博士生导师,guoliping691@163.com．

国家自然科学基金资助项目(51378113,51438003)、东南大学大学生课外学术科技作品竞赛资助项目．

马瑞,郭丽萍,谌正凯，等.超高性能钢纤维水泥基复合材料-高延性水泥基材料复合梁的制备及弯曲性能[J].东南大学学报(自然科学版),2017,47(2):377-383.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.029.

TU528.31

A

1001-0505(2017)02-0377-07