混杂纤维延性水泥基材料单轴受压力学特性

王振波， 左建平， 张 君， 冯路路， 姜广辉

(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)

混凝土材料的脆性是制约工程结构极端环境服役性和耐久性的重要因素.纤维增强延性水泥基复合材料(engineered cementitious composites，ECC)正是为了克服混凝土脆性、实现其拉伸高延性而发展起来的新型土木工程材料[1-2].ECC材料受拉开裂后形成多条细微裂纹(单条裂纹宽度小于100μm，裂纹间距约10mm)，多裂纹累加的“假应变”使其极限拉应变可达普通混凝土的几百倍.清华大学张君教授课题组先后研发了低干缩ECC(LSECC)[3]和强度与延性匹配的ECC[4]，极大地发展了传统ECC材料.目前，ECC材料已被应用于钢箱梁桥面铺装、路面板伸缩缝、建筑外墙保温板等众多工程领域[5-7].

工程结构的构件设计和非线性分析需要全面掌握结构材料的各项力学性能.目前，ECC材料的力学性能研究主要集中在轴拉、弯曲等特性突出的方面，而最基础、常用的单轴受压性能并未得到广泛关注.徐世烺等[8-9]采用棱柱体试件测试了ECC材料的单轴受压性能，并给出了ECC的单轴受压本构模型；邓明科等[10]研究了不同尺寸ECC试件的立方体抗压强度，发现其抗压强度的尺寸效应较小；Zhou等[11]采用圆柱体试件测得不同强度ECC的单轴受压应力-应变曲线，提出了新的本构模型.根据Zhou等[11]的测试结果，并结合本课题组前期研究[12]发现，ECC的抗压韧性随强度提高而显著降低，韧性与强度的反向发展规律对于ECC抗拉[4]和抗压性能同时存在.鉴于高强ECC材料中聚乙烯醇(PVA)纤维的拔断比例很高[12]，单纯依靠PVA纤维已经难以获得材料的抗压高韧性.因此，本课题组在前期研究中通过添加微细钢纤维实现了高强ECC的拉伸高延性[4]，高强ECC的抗压韧性也有望在添加钢纤维之后得到改善.

本文在高强LSECC体系中添加不同掺量1)的微细钢纤维，制备混杂PVA-钢纤维增强延性水泥基材料.通过圆柱体试件单轴受压试验，获得材料压应力-轴向应变曲线和应力-径向应变曲线，重点分析钢纤维掺量对材料强度、峰值应变、弹性模量、泊松比和抗压韧性等受压力学指标的影响规律，以期实现ECC材料受压高强度与高韧性的相互匹配，为高强度高延性水泥基材料的结构设计和工程应用提供支撑.

1)本文涉及的纤维掺量均为体积分数.

1 材料与试验方法

1.1 原材料与配合比

试验用原材料具体为：低干缩复合水泥；秦皇岛石英砂厂生产的精制石英砂，规格100～200目(150～75μm)；Kuraray公司生产的聚乙烯醇(PVA)纤维和鞍山昌宏科技发展有限公司生产的钢纤维(ST)；江苏苏博特新材料股份有限公司生产的高效聚羧酸减水剂；一水柠檬酸缓凝剂；自来水.其中，PVA纤维与钢纤维的相关性能参数列于表1.

表1 聚乙烯醇纤维与钢纤维的相关性能参数

混杂纤维延性水泥基材料的基体材料采用低干缩基材[3,12]，基材配合比为m(复合水泥)∶m(水)∶m(砂)∶m(减水剂)∶m(缓凝剂)=1.000∶0.250∶0.200∶0.015∶0.005.为便于下文描述，将基材标记为M-0.混杂体系的PVA纤维掺量固定为1.7%，钢纤维掺量设计为0%，0.6%，1.0%和1.5%，各组试件分别标记为M-PVA，M-H1，M-H2和M-H3.此外，制备单掺钢纤维水泥基材料对照组，钢纤维掺量为1.7%，记为M-ST组.

1.2 单轴受压试验

根据ECC材料设计与施工指南[13]，考虑到材料不含粗骨料，单轴受压试件采用φ50×100mm的圆柱体.每组成型3个试件，在标准条件下((20±2) ℃，相对湿度>95%)养护28d后进行抗压试验.试验设备为具有动静闭环数字电液伺服控制功能的GCTS RTR-1000综合测试系统，采用应变控制模式进行加载，加载速率200μm/(m·min).轴向应变通过安装在试件两侧的LVDT传感器进行测量；径向应变通过环绕试件圆周的径向传感器进行测量.径向传感器采用非延展性链条式设计，较点式结构精度更高，可精确测量试件平均周长值的变化.试验装置示意图如图1所示.加载过程中，通过计算机自动采集时间、荷载、轴向应变和径向应变等数据，采集频率30次/min，实时记录试件的加载破坏全过程.

图1 单轴受压试验装置Fig.1 Set-up of uniaxial compression test

2 结果及分析

2.1 单轴受压应力-应变曲线

基材、单掺纤维ECC与混杂纤维ECC的单轴受压应力-应变曲线如图2，3所示.其中，正向为轴向应变，负向为径向应变.每个配合比试件仅展示2个典型的试验结果，以使各条曲线表达清晰.

图2 基材与单掺纤维ECC的单轴受压应力-应变曲线Fig.2 Uniaxial compressive stress-strain curves of matrix and mono-fiber reinforced ECC

图3 混杂纤维ECC单轴受压应力-应变曲线Fig.3 Uniaxial compressive stress-strain curves of hybrid fiber reinforced ECC

由图2，3可见，在加载初期，各组ECC试件的应力-轴向应变曲线和应力-径向应变曲线均表现为明显的线弹性特征，二者基本同时达到比例极限点.基材比例极限的平均值仅为0.212fc(其中fc为材料的轴心抗压强度)，而纤维增强ECC试件的比例极限为0.326fc～0.346fc，说明纤维的掺入显著提升了ECC材料的线弹性特征.未掺入纤维时，基材内部缺陷起裂较早；而纤维增强ECC材料中的微细纤维可有效限制裂纹扩展，从而延长应力-应变曲线的线性段，这在本质上是因为引入的增强纤维提高了基材的开裂强度[12].在本文研究范围内，所有掺纤维ECC材料的比例极限均落在0.300fc～0.400fc区间，该规律与普通混凝土类似[14].Zhou等[11]测得的单掺纤维ECC材料的比例极限也在0.400fc附近.

应力-应变曲线在到达比例极限点以后开始偏离线性，应力升至峰值后进入下降段.基材的应力-应变曲线在峰值后突降，应力迅速衰减为零，表现为脆性破坏.掺入纤维以后，ECC应力-应变曲线下降段得到显著改善.对于单掺PVA纤维体系M-PVA，尽管其应力-应变曲线下降段存在一定的应力陡降，但随后的残余应力发展可为ECC材料提供一定韧性.在相同掺量下，单掺钢纤维体系M-ST的残余应力水平显著高于单掺PVA纤维体系(传统ECC)，说明钢纤维在提高ECC材料抗压韧性方面更具优势，这也是本文选取钢纤维与PVA纤维进行混杂的出发点.

混杂纤维ECC试件的应力-应变特征显著区别于单掺纤维ECC试件.对比图2，3可见：添加钢纤维显著改善了ECC材料的单轴受压力学性能，并且随着钢纤维掺量的增加，应力-应变曲线的上升段斜率呈增大趋势，曲线下降段随钢纤维掺量增加而逐渐趋于平缓，残余应力水平逐步提高；在轴向应变达到20000μm/m时，钢纤维掺量为0.6%，1.0%和1.5%的混杂纤维ECC试件压应力分别可达单轴抗压强度的20%，30%和40%.说明混杂纤维ECC材料在受压大变形情况下仍然能够保持较高的承载能力，可在结构抗震方面发挥独特优势.

2.2 钢纤维掺量对受压力学参数的影响

2.2.1单轴抗压强度和峰值应变

图4给出了各组ECC试件的受压力学参数.由图4(a)可见，所有掺纤维ECC试件的单轴抗压强度均低于基材.增强纤维属于微细尺度，在ECC试件搅拌成型过程中，大量存在的纤维容易引入较多缺陷，导致试件单轴抗压强度降低.单掺PVA纤维体系单轴抗压强度较基材降低近20%，这与徐世烺等[8-9]和Zhou等[11]的试验结果接近.应当说明的是，PVA纤维的主要功能在于提供材料延性，因而牺牲部分抗压强度的事实在所难免.单掺钢纤维对照组的单轴抗压强度较基材降低约10%，钢纤维对基材单轴抗压强度的削弱程度低于PVA纤维，这可能是由于钢纤维尺寸较PVA纤维大，相同掺量下钢纤维引入的缺陷较少所致.混杂纤维ECC试件的单轴抗压强度随钢纤维掺量增加整体上呈增大趋势，但增长幅度不大.掺入钢纤维一方面提高了裂纹间的桥接作用，另一方面也引入了更多的缺陷，在二者综合作用下钢纤维的增强效果有所削弱.在本文研究范围内，混杂纤维ECC试件的单轴抗压强度始终没有超过单掺钢纤维体系.

图4 各组ECC试件的受压力学参数Fig.4 Mechanical parameters of ECC specimens under uniaxial compression

各组ECC试件单轴抗压强度对应的轴向峰值应变和径向峰值应变如图4(b)所示.由图4(b)可见，各组ECC试件轴向峰值应变均在4400～5500μm/m 范围内，远高于普通混凝土的轴向峰值应变2000μm/m[14]，说明ECC材料具有更强的塑性变形能力.混杂纤维ECC试件的轴向峰值应变均显著大于单掺纤维体系，并且随着钢纤维掺量的增加而逐渐提高，当钢纤维掺量为1.5%时其轴向峰值应变可提高22%.结合径向峰值应变的发展规律，可发现轴向峰值应变与径向峰值应变呈现明显的正向相关关系.径向应变为试件垂直于加载方向的拉伸应变，根据笔者前期研究结果[12]，混杂纤维ECC材料的抗拉变形能力随钢纤维掺量增加逐渐提高.因此，混杂纤维ECC材料在单轴受压状态下的横向变形将受到更加持久的约束作用，轴向变形能力随钢纤维掺量增加而提高.

2.2.2弹性模量和泊松比

弹性模量为材料单轴受压应力-轴向应变的线性段斜率，表征材料抵抗弹性变形的能力.由图4(c) 可见，所有掺纤维ECC试件的弹性模量均低于基材.这是因为掺入纤维在ECC材料内部引入了更多缺陷，增大了材料孔隙率，导致材料抵抗弹性变形的能力降低.单掺钢纤维体系的弹性模量高于单掺PVA纤维体系，这说明钢纤维在ECC材料中引入的缺陷较少.在单掺PVA纤维体系中添加钢纤维，在引入缺陷的同时提高了基体材料的刚度，ECC材料弹性模量有所提高但幅度不大.上述规律与ECC材料单轴抗压强度的发展趋势类似.

泊松比为材料在单轴受压弹性变形阶段的径向应变与轴向应变之比，本文通过应力-应变曲线线性段末端的应变值进行计算.由图4(d)可见，基材的泊松比为0.199，与普通混凝土相当，而掺纤维体系的泊松比均低于基材.这说明单位轴向应变产生的径向应变更小，导致掺纤维体系在单轴受压状态下的径向变形对轴向变形不敏感，这在一定程度上体现了纤维对材料径向变形的约束作用.在本文研究范围内，所有掺纤维体系的泊松比均在0.157～0.181之间小范围变化，均值为0.168，这与Zhou等[11]的测试结果一致.为方便计算，在结构分析中可将纤维增强ECC材料的泊松比统一取为0.168.

2.2.3抗压韧性指标

抗压韧性指标是定量评价材料耗能能力的重要力学参数.目前，水泥基材料抗压韧性指标的确定方法尚无统一标准可循，常用的方法有能量法、能量比值法、特征值法等[15].Nataraja等[16]将韧性指标定义为压应力-应变曲线在0～15000μm/m应变范围内的下覆面积.Cai等[9]采用压应力-应变曲线在0～5ε0(ε0为轴向峰值应变)范围内的下覆面积与峰前下覆面积的比值来评价延性材料的抗压韧性指标.Zhou等[11]确定峰后应力降至0.300fc时对应的应变为ε0.3，定义韧性指标为峰后曲线至ε0.3范围内的下覆面积与峰前下覆面积之比.借鉴Zhou等[11]的方法，本文以压应力-应变曲线在ε0.3之前的下覆面积与峰前下覆面积之比来表征ECC材料的抗压韧性.

不同纤维掺量复合材料韧性指标的变化规律如图4(e)所示.由图4(e)可见，掺纤维ECC体系的抗压韧性指标均显著大于基材.基材的抗压韧性指标仅为1.37，说明其在峰后的耗能能力较弱.单掺PVA纤维体系与单掺钢纤维体系的抗压韧性指标分别为1.83和3.14，较基材分别提升了34%和129%.尽管混杂纤维ECC材料在抗拉延性方面可达基材的百倍以上[4]，但单轴抗压韧性较基材的提高幅度并不大，这可能与PVA纤维的拔断机制有关[12].相比之下，钢纤维在提高ECC材料抗压韧性方面有突出优势.对于在单掺PVA纤维体系中添加0.6%，1.0%和1.5%钢纤维形成的混杂纤维体系，其单轴抗压韧性指标分别较基材提高了82%，135%和164%，钢纤维与PVA纤维混杂在提高ECC材料抗压韧性方面效果显著.结合笔者前期针对混杂纤维ECC材料单轴受拉性能的研究结果[12]得出，掺加钢纤维可以同时提升ECC材料的抗拉延性和抗压韧性，在ECC材料中混杂钢纤维的优势明显.

3 结论

(1)在PVA纤维增强ECC材料中掺加微细钢纤维可显著改善材料的单轴受压力学性能.随钢纤维掺量增加，材料受压应力-应变曲线的上升段斜率呈增大趋势，且曲线下降段逐渐趋于平缓，残余应力水平显著提高.混杂纤维ECC材料的比例极限为0.300fc～0.400fc，与普通混凝土相当.

(2)混杂纤维ECC材料的单轴抗压强度随钢纤维掺量增加呈增大趋势，但增长幅度不大，其受压弹性模量也具有类似的发展规律；材料轴向峰值应变和径向峰值应变均随着钢纤维掺量的增加而逐渐增大，混杂纤维ECC材料的塑性变形能力显著增强；ECC材料的泊松比对钢纤维掺量的变化不敏感，可统一取为0.168.

(3)PVA纤维ECC材料的单轴抗压韧性较基材仅提升了34%.混杂纤维ECC材料的抗压韧性则随钢纤维掺量增加而显著提高，钢纤维掺量为0.6%，1.0%和1.5%时，混杂纤维ECC材料抗压韧性较基材分别提高了82%，135%，164%.钢纤维与PVA纤维混杂在改善ECC材料抗压韧性方面效果突出.