ECC三轴压缩特性试验研究

管延华，吴佳杰，朱登元，张宏庆，孙仁娟，王怡凯

(1.山东大学齐鲁交通学院，济南 250000；2.临沂大学土木工程与建筑学院，临沂 276000； 3.齐鲁交通发展集团有限公司，济南 250000)

0 引 言

纤维增强水泥基复合材料(Engineered cementitious composites,简称ECC)最早由美国密歇根大学的Li教授提出[1]，通过在水泥砂浆基体中添加纤维材料，能起到阻止、延缓、分散材料裂缝发展的作用，使ECC的拉应变稳定达到3%以上，极大地提高了材料的变形能力、抗裂能力和耐久度[2-3]。Song[4]、刘从亮[5]等研究了粉煤灰掺量对ECC力学性能的影响，试验结果表明，粉煤灰的掺入有利于改善ECC中的纤维-基体界面性能，提高材料的延性和韧性。徐世烺[6]、胡春红[7]等对ECC进行了单轴受压试验，指出纤维的掺入能够提高基体的韧性，其破坏模式由脆性破坏转变为延性破坏，且ECC在峰值荷载后的轴压应力-应变曲线较普通混凝土缓和，极限压应变明显大于普通混凝土。然而，目前对ECC受力性能的研究以单轴拉压和四点弯曲试验居多，而对于ECC多轴受压下的力学性能响应研究则较少[8]。潘金龙[9]、李艳[10]等通过常规三轴压缩试验指出，围压的存在能够提高ECC的极限抗压强度和峰值应变，且ECC在多轴压下的破坏准则与普通混凝土不完全一致。因此，当ECC应用于桥梁墩柱中时，其墩身内的钢筋骨架将起到约束变形作用，这相当于给ECC施加一个围压，此时若仍用单轴受力模型去评价ECC的力学性能是不合适的，因而有必要研究ECC在复杂应力条件下的受力特性和多轴破坏准则。

本文通过常规三轴压缩试验，得到了不同围压下的ECC压缩应力-应变曲线，并就其强度、变形特性以及破坏模式进行了分析，为今后构建ECC材料本构模型提供理论依据。

1 实 验

1.1 原材料及配合比

ECC三轴压缩试件由水、水泥、粉煤灰、石英砂、增稠剂、减水剂和纤维拌和浇筑而成，其中水泥标号P·O 42.5，粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰，石英砂规格为120目，增稠剂为15万粘度羟丙基甲基纤维素，减水剂为聚羧酸系高效减水剂，纤维采用日本可乐丽公司生产的PVA纤维。试验配合比详见表1，其中水胶比为0.26，粉煤灰与水泥质量比1.2，纤维体积掺量2%。PVA纤维性能见表2。

表1 试验配合比Table 1 Mix proportions of experiments

表2 PVA纤维性能Table 2 Properties of PVA fibers

1.2 试验设计

ECC三轴压缩试件为φ50 mm×100 mm圆柱体，试验中采用了0 MPa、1.5 MPa、3 MPa、4.5 MPa四组不同围压，同时为了加强对比，还浇筑了一组配比相同但不掺PVA纤维的砂浆试件。各试件具体参数如表3所示。

表3 试验设计Table 3 Design of experiments

图1 三轴试验装置Fig.1 Triaxial test setup

采用济南海威尔HSW-1000B微机控制电液伺服岩石三轴仪进行三轴压缩试验，如图1所示。试验中的加载制度为：(1)对试件进行预加载，目标值3 kN，加载速率0.5 kN/s；(2)施加围压，加载速率0.05 MPa/s，直至目标值并保持恒载；(3)轴向加载，加载速率0.05 MPa/s，直至试件破坏。试验过程中通过轴向变形传感器和径向变形传感器测量试件的实时变形，试验结束后观测试件的破坏位置及形态。

2 结果与讨论

2.1 试件破坏形态

图2显示了各试件的典型破坏模式，对比图(a)、(b)可以看出，在无围压条件下，不掺PVA纤维的砂浆试件其破坏模式为脆性破坏，试件发生块状碎裂。而对于掺入PVA纤维的ECC试件，其基体受力开裂后，裂缝处的纤维继续承受拉应力并传递给周围未开裂的基体进而产生新的裂缝，试件由脆性破坏转为延性破坏[11]，试件的韧性提高，裂缝开展得到有效限制。由图(c)～(e)可以看出，在施加围压后，试件的韧性进一步增大，径向变形得到有效约束，裂缝宽度相对减小，最终各试件均发生剪切破坏，且破坏后仍具有较好的整体性。

图2 各试件典型破坏面
Fig.2 Typical failure surfaces of specimens

2.2 围压对抗压强度的影响

图3 不同围压下ECC的轴向峰值抗压强度Fig.3 Axial peak strength of ECC under different confining pressures

各围压(σ3)下ECC的峰值抗压强度(即偏应力Δσ，Δσ=σ1-σ3)如图3所示，由图可知，随着围压的增加，ECC的极限抗压强度显著提高，两者大致呈线性关系。试验结果汇总于表4中，根据各试件的实测第一主应力σ1与围压σ3可绘制不同围压下ECC的摩尔圆如图4所示，由相应的抗剪强度包络线可确定出ECC的c值为8.9 MPa，φ值为51°。此外，根据摩尔-库伦破坏准则[12]，应有：

(1)

(2)

(3)

式中：c为ECC粘聚力，φ为ECC摩擦角，fc为ECC单轴抗压强度，k为侧向压力系数。

表4 各试件的强度参数Table 4 Strength parameters of specimens

将φ=51°代入式(3)中，可得k=7.974。同时，根据实测数据可绘制不同围压下ECC试件σ1/fc与σ3/fc关系曲线如图5所示，拟合直线方程的斜率即kECC为7.995，与理论计算k值基本吻合，但大于普通混凝土k=4.1～5.3[13-14]，表明ECC轴压强度受围压影响的程度大于普通混凝土，即随着围压的增大，ECC的主压应力显著提高。

图4 不同应力状态下的ECC摩尔圆
Fig.4 Mohr’s circles of ECC under different stress conditions

图5 不同围压下ECC的σ1/fc与σ3/fc关系曲线
Fig.5 Relationship betweenσ1/fcandσ3/fcof ECC under different confining pressures

2.3 应力-应变特性分析

砂浆试件和不同围压下ECC试件的轴压应力-应变曲线如图6所示。无围压条件下，ECC的单轴压缩峰值应变一般在0.005左右[6]。从图6中可以看出，当围压为0 MPa时，ECC试件的峰值压应变已达到0.004，且存在有一个明显的水平屈服段。随着应变的进一步增大，试件的承载力才呈现出快速下降趋势，与李艳等学者的试验结果较为一致[10]，表明PVA纤维的掺入能够提高试件的韧性，减缓应力-应变曲线的下降段，使试件由脆性破坏转变为延性破坏。ECC的受压过程可以分为三个阶段，即弹性阶段、应变硬化阶段和软化阶段。围压的存在会约束ECC的径向变形，延缓裂缝的产生，因此围压越高，ECC的弹性阶段越长，相应的弹模也越大，反应在应力-应变图中为曲线斜率增大。在应变硬化阶段，由于围压约束的存在，使得试件在达到单轴抗压强度后仍然能继续受力，且围压越大，极限抗压强度越高。围压对试件的软化阶段同样有显著影响，围压越大，曲线下降得越平缓，ECC韧性得到提高。

图6 不同围压下各试件的轴向应力-应变曲线
Fig.6 Axial stress-strain curves of speciments under different confining pressures

图7 ECC 的ε1/εc与σ3/fc关系图
Fig.7 Relationship betweenε1/εcandσ3/fcof ECC

不同围压下ECC试件的轴向峰值应变如表5所示，当围压分别为1.5 MPa、3 MPa、4.5 MPa时，相应ECC的轴向峰值应变ε1分别为单轴受压条件下峰值应变εc的1.48倍、1.65倍、1.79倍。由此可构建ECC在三轴受压状态下相对峰值应变与相对围压的关系如图7所示，相应表达式为：

(4)

式(4)表明ECC轴向峰值应变与围压间有较好的线性关系。

表5 ECC轴向峰值应变Table 5 Axial peak strain of ECC

3 结 论

(1)ECC中PVA纤维的掺入能起到桥联作用，有利于限制试件的裂缝发展，提高韧性，试件由脆性破坏转为延性破坏。

(2)三轴压缩试验中，随着围压的增大，ECC的轴向极限抗压强度和峰值应变均有所提高。这是因为围压能够约束ECC的径向变形，进而限制裂缝的发展，使ECC在达到单轴抗压强度后仍然能够继续受力。

(3)ECC三轴受压下的变形特性可表现为弹性变形-应变硬化-应变软化三阶段，且与围压大小有关。随着围压提高，ECC应力-应变曲线弹性段斜率增大，同时应变硬化段提高，相应峰值强度和应变增大，软化下降段减缓。

(4)三轴受压状态下，各试件均为剪切破坏，且ECC的主压应力以及轴向峰值应变与围压间有较好的线性相关性。计算结果显示，ECC的侧向压力系数大于普通混凝土的侧向压力系数，表明ECC轴向峰值强度受围压影响较大。