超高韧性水泥基复合材料弯曲韧性研究

高 杰，张 暄，韩乐冰，王 飞，管延华

(1.山东大学齐鲁交通学院，济南 250000;2.山东光实能源有限公司，济南 250000;3.齐鲁交通发展集团有限公司，济南 250000)

0 引 言

近年来，随着连续介质微观力学学科理论的发展以及其在复合材料中应用的深入，超高韧性水泥基复合材料(Ultra-High Toughness Cementitious Composites，简称UHTCC)[1-2]得到了快速的发展。通过对UHTCC纤维与基体参数有目的的调整，其性能发生了根本性的变化，实现了从普通纤维混凝土的应变软化到应变硬化、从半脆性破坏到延性多裂缝破坏的性能转变。当作用于复合材料的拉伸荷载超过其基体开裂强度后，UHTCC中产生裂缝，纤维的桥接作用阻止了裂缝进一步扩展，并且通过微裂缝条数的增加实现UHTCC的应变硬化性能。许多学者对UHTCC的基本力学性能与应变硬化能力进行了研究，牛恒茂等[3]通过基体组分的优化探讨了水灰比、骨料、矿物掺合料等对UHTCC应变硬化能力的影响；刘曙光等[4-9]研究了水胶比、粉煤灰品种与掺量、纤维掺量等因素对UHTCC抗拉强度、抗弯强度和抗压强度的影响。UHTCC优异的应变硬化和多缝开裂性能，有效地提高了UHTCC的弯曲韧性[10-11]，提升了材料在弯拉荷载作用下的耗能能力。李贺东等[12]通过薄板试件与梁试件研究了UHTCC的弯曲性能与韧性评价方法，试验表明UHTCC具有与金属比拟的弯曲变形能力，运用JSCE-SF4方法并结合变形硬化系数法能够从能量和强度两个方面评价UHTCC的弯曲韧性；蔡向荣等[13]通过韧性指标的对比研究了薄板弯曲荷载-变形曲线与单轴拉伸应力-应变曲线的对应关系，结果表明四点弯曲试验可以代替单轴拉伸试验评价UHTCC的特殊力学性能；张黎飞等[14]通过分析弯曲韧性指数，结合薄板纯弯曲段裂缝数目，研究了UHTCC弯曲能力与耐久性的关系。

综上所述，目前对不同因素影响UHTCC弯曲韧性的综合研究相对较少。在前期对UHTCC开展的配合比研究的基础上[15]，以纤维体积掺量、粉煤灰掺量、水胶比为试验变量，对薄板试件开展四点弯曲试验，采用ASTM C1018韧性指数法分析UHTCC的弯曲韧性性能，探究各因素对UHTCC弯曲韧性的影响规律。

1 实 验

1.1 试验材料

试验采用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥、Ⅰ级粉煤灰，骨料为80～120目精细石英砂，外加剂为聚羧酸系高效减水剂，纤维为日本Kuraray公司生产的PVA纤维(有关性能指标见表1)，拌合水为普通自来水。

表1 PVA纤维的性能指标Table 1 Performance index of PVA fiber

1.2 试验设计

试验选取7组配合比，以前期配合比研究中保证强度并具有高延性的最优配合比[15]为基准配合比(第三组)，纤维在UHTCC中有良好的阻裂作用，选取三种纤维体积掺量分别为1.6%、1.8%、2.0%；粉煤灰能够在很大程度上影响UHTCC基体以及基体与纤维间的界面性能，选取粉煤灰掺量(以粉煤灰与水泥的质量比F/C表示)为1.0、1.2、1.5；水胶比对基体强度影响较大，进而影响裂缝的开展，选取水胶比为0.24、0.26、0.28。试验配合比如表2所示。各组试件28 d抗压强度如表3所示。

表2 试验配合比Table 2 Test mix ratio /(kg/m3)

表3 UHTCC抗压强度Table 3 Compressive strength of UHTCC

1.3 试件方法与过程

图1 弯曲试验加载装置Fig.1 Bending test loading device

UHTCC抗弯试验采用350 mm×50 mm×15 mm薄板试件，每组配合比制作3个试件，使用砂浆搅拌机拌合，然后将拌合好的UHTCC浇入钢模成型， 24 h后脱模并放入湿度90%以上，温度(20±3) ℃的标准养护室中养护，达到28 d龄期后取出进行弯拉试验。四点弯曲加载采用WDW-10E微机控制电子式万能试验机，加载方式为位移加载，加载速率为0.5 mm/min，加载过程中在跨中位置通过LVDT测量跨中挠度，以弯拉应力、跨中挠度为指标，结合荷载-挠度曲线，分析不同因素对UHTCC弯曲韧性的影响。测试装置如图1所示。

2 结 果

2.1 荷载-挠度曲线

试验得到的荷载-挠度曲线如图2所示。从图中可以看出，不同配比的UHTCC极限跨中挠度最大值达到24 mm，表现出良好的弯曲变形能力；其破坏形态表现为延性破坏，根据荷载-挠度曲线，破坏过程可大致分为三个阶段：弹性阶段、多缝开裂阶段、破坏阶段。在弹性阶段，荷载主要由基体承担，当应力达到基体抗拉强度时，试件底部开始出现裂缝；多缝开裂阶段，试件呈现不同程度的应变强化特征，在初裂后，裂缝宽度保持不变，随着变形的增加，裂缝数目增多，荷载上下波动且缓慢增加，荷载的下降对应于新裂缝的产生；破坏阶段，达到UHTCC的峰值荷载，在最薄弱处裂缝局部化扩展，试件破坏。

图2 各试验变量变化时荷载-挠度曲线Fig.2 Load-deflection curves when each test variable changes

从图2(a)中可以看出，随着纤维掺量的增加，UHTCC的极限跨中挠度与极限弯拉荷载均增加，其中纤维掺量为1.6%时，极限跨中挠度为12.36 mm，极限弯拉荷载为0.5 kN，纤维掺量为1.8%与2.0%时极限跨中挠度分别增加了17%、62%，分别为14.46 mm、20.05 mm，且纤维掺量越高，UHTCC的应变硬化段越长，试件上裂缝的饱和程度更高。这是因为纤维掺量增大，裂缝截面处纤维密度增加，提高了纤维桥接能力，使得裂缝宽度得到控制；随着荷载的增加，试件通过裂缝数量的增加实现应变硬化性能，跨中挠度与弯拉荷载增加。从图2(b)中可以看出，粉煤灰掺量的增加对极限弯拉荷载的影响较小，F/C从1.0增加到1.2和1.5时，极限跨中挠度提高幅度分别为42%、78%，表明粉煤灰掺量增加能够显著提高试件的弯曲变形能力，裂缝的开展也得到明显的改善，分布更加均匀，但粉煤灰掺量过大不能保证较低的裂缝宽度。这是因为粉煤灰具有微集料效应，粉煤灰掺量增加使得基体更加均匀密实，且粉煤灰掺量增加降低基体强度，其“滚珠”作用弱化了纤维与基体间的化学粘结作用，使得纤维更易滑动拔出，增大了裂缝宽度。从图2(c)中可以看出，水胶比增加，极限弯拉荷载会略有降低，但是极限跨中挠度增加较大，当水胶比从0.24增加到0.26和0.28时，极限跨中挠度分别增加40%、60%，表明水胶比的增大也能够提高UHTCC的弯曲变形能力，裂缝数量增加，挠度增大，这主要是因为水胶比增大后降低了基体开裂强度，裂缝尖端断裂韧度降低，更容易产生新的裂缝，同时改善了纤维/基体的界面性质，随着荷载的增大，未开裂基体产生新裂缝，开裂截面处纤维滑动拔出，使得UHTCC挠度增大。

2.2 抗折强度

UHTCC抗折强度如图3所示。从图中可以看出，纤维掺量增加，UHTCC的抗折强度增大；但是粉煤灰掺量增加，UHTCC抗折强度略有降低，水胶比增大时，UHTCC抗折强度降低幅度较大。这是由于随着纤维掺量增加，纤维桥接能力增强，抗折强度增大；粉煤灰掺量增加使得基体强度降低，但是改善了纤维与基体的界面性能，跨中挠度显著增大，抗折强度略有降低；水胶比增大降低了基体强度，同时裂缝尖端断裂韧度降低，更容易产生新的裂缝，同时，较大的水胶比降低了纤维与基体间的摩阻力，纤维更容易滑动拔出，降低了UHTCC的抗折强度。

图3 UHTCC抗折强度Fig.3 Flexural strength of UHTCC

2.3 韧性指数

图4 荷载-挠度曲线Fig.4 Load-deflection curve

弯曲韧性能够较好地反映材料在静载作用下抵抗变形性能与能量吸收能力。美国ASTM C1018法为能量比值法，其物理意义明确，应用较为广泛。由于UHTCC显著的应变硬化特性，弯曲变形能力远远超过普通纤维混凝土，为了较好地描述UHTCC的耗能能力与弯曲韧性的发展过程，本文参考ASTM C1018标准，取初裂挠度δc对应的荷载-挠度曲线下的面积A0为基准，并取3δc、5.5δc、10.5δc、15.5δc、20.5δc、25.5δc和峰值荷载时的变形δU对应荷载-挠度曲线下的面积与A0的比值为韧性指数Im，且依次记为I5、I10、I20、I30、I40、I50、IU[12]。各韧性指数如图4所示。其中，为取值简便，初裂点定义为荷载-挠度曲线出现明显非线性的点，初裂点与峰值点的选取如图4标示。

计算得到的弯曲韧性指数如表4所示。参考Naaman对应变硬化材料的规定[16]，当Im>m且IU>2δU/δc-1时，材料为高韧性应变硬化材料。从表4中可以看出，不同配比UHTCC的弯曲韧性指数均满足上述要求，而且Im与m的差值随m的增加逐渐增大，说明UHTCC的韧性逐渐增加，耗能能力逐渐增强。

表4 UHTCC弯曲韧性指数Table 4 Bending toughness index of UHTCC

续表4

Note: "-" in the table indicates that the ratio has not reached the corresponding toughness index,δcis the initial crack deflection, andδUis the deflection corresponding to the ultimate load.

3 各因素对弯曲韧性的影响分析

3.1 纤维体积掺量对弯曲韧性的影响

图5为不同纤维体积掺量对UHTCC韧性指数的影响。从图中可以看出，随着纤维体积掺量的增加，弯曲韧性指数均有不同程度的增大，且掺量越大，增加幅度越高。在峰值荷载处不同的纤维掺量对韧性指数的影响最为明显，纤维体积掺量为1.8%与2.0%的韧性指数分别是1.6%的1.18倍、1.62倍，即纤维掺量的增加能够提高UHTCC的韧性；且IU所对应的δU处于UHTCC应变硬化阶段末期，基本包含了荷载-挠度曲线的全部，能较好地反映纤维体积掺量对弯曲韧性的影响。通过以上分析可以看出，由于基体开裂后纤维能够贯穿裂缝，当纤维掺量增加后，基体中纤维密度增大，裂缝截面处单位面积纤维量也随之增加，纤维所发挥的桥联作用增强，通过将荷载传递到周围未开裂基体以及纤维脱粘与滑动拔出继续耗能的能力增强。

不同阶段的韧性指数表明了UHTCC韧性的发展过程，纤维体积掺量为1.6%时，跨中挠度较小，韧性指数未达到I40、I50，掺量为1.8%时，韧性指数未达到I50，表明纤维掺量越低，UHTCC韧性发展的越差，对应于荷载-挠度曲线所包络的面积减小，吸收能量的能力降低；对比不同的韧性指数可以看出，由于UHTCC具有较好的弯曲变形能力，三种纤维掺量UHTCC的韧性指标Im均超过I30，表现出较好的韧性性能，且当m为5、10、20、30时Im值相差不大，m为40、50时，Im值不能完整地描述不同纤维掺量的韧性性能。

图5 不同纤维体积掺量的韧性指数Fig.5 Toughness index of different fiber volume content

图6 不同粉煤灰掺量的韧性指数Fig.6 Toughness index of different fly ash content

3.2 粉煤灰掺量对弯曲韧性的影响

图6为不同粉煤灰掺量对UHTCC韧性指数的影响。对比不同的粉煤灰掺量，可以看出韧性指数均随粉煤灰掺量的增加先增大后减小，F/C为1.2时各阶段韧性指数最大，表明粉煤灰掺量存在一个最佳值使得UHTCC弯曲韧性最好。从增韧角度分析，由于纤维被水化凝胶体包围结合，形成粘结强度较高的纤维-基体界面，过大的粘结强度使得纤维破坏形式为拔断破坏，不能充分发挥其增韧作用；粉煤灰为球状结构，掺入适量粉煤灰，不仅可以弱化纤维-基体界面的粘结强度，其滚珠作用可以使纤维更容易从基体中滑动拔出，UHTCC极限挠度增加，增大了耗能能力；但是当粉煤灰掺量过大时，由于粉煤灰的火山灰效应需要碱性水化产物的激发，过大的粉煤灰掺量使得材料强度损伤超过跨中挠度增强效果，荷载-挠度曲线包络面积减小，韧性指数减小。

从不同阶段的韧性指数来看，不同粉煤灰掺量的韧性指数值均逐渐增大，峰值荷载时韧性指数分别达到59.45、103.03、90.42，表明随跨中挠度的增加UHTCC吸收的能量逐渐增加，且峰值荷载时荷载-挠度曲线所包络的面积较大，UHTCC具有较好的弯曲变形能力；F/C为1.0时，未能测出I50的值，表明粉煤灰掺量低时，会一定程度地降低UHTCC持续吸收能量的能力。

3.3 水胶比对弯曲韧性的影响

图7为不同水胶比对UHTCC韧性指数的影响。从图7中可以看出，不同水胶比的韧性指数有明显的区别。随水胶比的增大，I5值减小，表明在加载初期，纤维未能充分发挥作用，施加于试件上的能量基本由基体吸收，水胶比较大时，承受的弯拉荷载降低，造成荷载-挠度曲线所包络的面积减小，韧性指数减小。随荷载的增大，能量吸收方式逐渐转为基体开裂耗能与纤维耗能，此时随着水胶比增大，韧性指数逐渐增大，且m越大增加幅度越大；这是由于水胶比增大后，降低了纤维-基体界面的化学粘结力，纤维依靠界面间摩擦粘结力滑动拔出，继续耗能[17]。峰值荷载时，随水胶比的增大，IU先增大后减小，表明过大的水胶比使得UHTCC极限强度降低，韧性指数减小。

不同阶段的韧性指数逐渐增大且均大于m，Im与m的差值也逐渐增大，表明UHTCC优异的应变硬化与多缝开裂能力，使得其能够持续耗能，保证了UHTCC在长期使用过程中的性能。水胶比为0.24和0.28时，未能测得I50，说明水胶比较低时，亲水性PVA纤维与基体的界面性质较差，未能充分发挥桥联作用，跨中挠度较小，同时过高的水胶比降低了UHTCC的极限强度，荷载-挠度曲线包络面积减小，相应韧性指数减小；结合IU先增大后减小的变化规律，可以看出水胶比过大或过小都会降低UHTCC持续耗能的能力。

图7 不同水胶比的韧性指数Fig.7 Toughness index of different water-binder ratios

图8 UHTCC韧性指数与极限跨中挠度Fig.8 UHTCC toughness index and ultimate mid-span deflection

3.4 极限跨中挠度与IU的关系

极限跨中挠度与韧性指数的关系如图8所示。通过对极限跨中挠度与IU的相关性分析，得到两者的二次曲线模型。曲线二次项系数为负值，表明并不是极限跨中挠度越大UHTCC的弯曲韧性越好，当粉煤灰掺量增多或水胶比增大引起的强度损伤超过对跨中挠度的增强效果时，会对UHTCC的弯曲韧性造成负面影响。极限跨中挠度能够直观反映UHTCC与金属相比拟的最大弯曲变形能力，从极限跨中挠度与IU的回归分析中可以看出，对于不同的纤维体积掺量、水胶比、粉煤灰掺量，IU与极限跨中挠度具有良好的相关性；且峰值荷载时的挠度所对应的IU几乎包括荷载-挠度曲线的全部，能够较为全面的表现出UHTCC的能量吸收能力，因此，IU能够较好地反映UHTCC的弯曲变形能力，使用IU作为量化UHTCC韧性性能的指标，能够较为准确地描述UHTCC在服役过程中吸收能量的能力。

4 结 论

(1)纤维的掺入能够明显提高UHTCC的极限弯拉荷载与极限跨中挠度，提高能量吸收能力，增大韧性指数，且m值越大韧性增加效果越明显。

(2)粉煤灰掺量增加能够使得纤维更容易滑动拔出，提高UHTCC的极限跨中挠度，从而提高其韧性性能；但由于其对极限弯拉荷载的影响较小，粉煤灰掺量过大则会使得荷载-挠度曲线包络面积减小，从而降低弯曲韧性；存在最佳粉煤灰掺量使得UHTCC韧性性能最好。

(3)水胶比增大降低了基体强度，使得开裂前期韧性指数减小，随荷载的增加，由于水胶比增大降低了纤维-基体界面化学粘结强度，跨中挠度增大，提高了UHTCC的韧性性能，在峰值荷载时，较大水胶比降低了UHTCC极限强度，韧性性能相应降低。

(4)IU与极限跨中挠度具有良好的相关性，使用IU能较好地描述UHTCC的弯曲变形能力，可以使用IU量化UHTCC在服役过程中的能量吸收能力与弯曲韧性性能。