微胶囊-纤维水泥基复合材料动态劈裂拉伸性能研究

王险峰， 盛 敏， 赵玉龙， 邢 锋， 李大望

(深圳大学 土木与交通工程学院， 广东 深圳 518060)

0 引 言

1 试验概况

1.1 试件制备

主要原材料:胶凝材料为PⅡ42.5R硅酸盐水泥、粉煤灰和矿渣; 细集料为标准石英砂;水为自来水；两种纤维类型，一种为PVA纤维,另一种为PE纤维;UF/E微胶囊，自制[1]；MC120D 固化剂。

纤维-微胶囊水泥基复合材料的配合比设计见表1。

表1 配合比设计

本研究采用圆柱形试件[8-9]，为了与动态劈裂试验对比，静态劈裂试验采用与动态劈裂试验相同的尺寸，故设计的试件直径为100 mm,厚度为50 mm。共有75个试件，其中静态试验试件15个，动态试验试件60个。

1.2 静态试验方法

国际岩石力学学会(ISRM)[6]和美国材料试验学会(ASTM)标准[7]提出巴西劈裂试验作为替代拉伸试验方法，以弥补直接拉伸试验的缺陷。准静态抗拉强度为

(1)

式中：Pt----试件破坏时所受的力;

D----试件直径;

H----试件高度。

1.3 动态试验方法

直径为120 mm的SHPB试验装置由三部分组成，分别是冲击系统、信号采集系统、图像采集系统。试件置于入射杆和透射杆之间，其基本原理为一维弹性应力波传播理论，如图1所示。

Murashita等[22]用重组瘦素处理虹鳟后，发现可显著抑制其摄食行为，刺激抑制食欲因子——阿片促黑色素原A1/A2(proopiomelanocorein-A1/A2，POMC-A1/A2)基因表达，并降低促食欲因子神经肽Y(neuropeptide Y，NPY)基因的表达水平。重组鲑瘦素也可显著抑制大西洋鲑的生长[38]。

图1 SHPB试验基本原理

(2)

(3)

(4)

式中：t----开始到最大应力的滞后时间;

Es----试件的弹性模量。

2 结果和讨论

2.1 强度分析

总结了试件类型和静动态劈裂拉伸试验结果,其中A,B,C,D依次代表不同纤维体积掺量，M0和M8分别代表微胶囊的质量分数。所有试件都进行了3次平均试验，表中列出的均为平均值，见表2。

表2 试件类型和静动态劈裂拉伸试验结果

在静态荷载下，试样A-M0和A-M8的静态劈裂抗拉强度分别为3.71 MPa和4.33 MPa，说明微胶囊可以提高基体的劈裂抗拉强度。通过添加2%PVA纤维、2%PE纤维和2%PVA-PE混杂纤维，试样A-M8的静态劈裂抗拉强度分别提高到4.81、6.06、6.51 MPa。在动态荷载下，应变率在0.96～30.30 s-1，所有试件的动态劈裂抗拉强度都随着应变率的增加而提高，表现出明显的应变率敏感性。以A-M0为例，随着应变率从0.96 s-1增加到8.34 s-1，试件的劈裂强度依次为3.91、4.42、6.57、10.21 MPa，相应的DIF[10- 11]值为1.05、1.19、1.77、2.75，其他试件也反映了相似的规律，随着纤维含量从PVA到PVA-PE混杂纤维变化，试件的动态强度均有所增加，且PVA-PE混杂纤维的增强效果最好。

2.2 破坏状态分析

D-M8试件在0.2 MPa冲击气压下的劈裂抗拉强度-时间曲线如图2所示。

图2 D-M8试件在0.2 MPa冲击气压下的劈裂抗拉强度-时间曲线

基于型号为Fastcam SA-X2高速摄像机(FPS为5 000)，同步拍摄试件裂纹扩展过程。在AO阶段,没有产生裂纹;在OB阶段，裂纹在试件中心萌生并且不断沿纵向轴线方向发展;在BC阶段，纵向裂纹进一步扩展并贯穿试件表面;在CD阶段，试件被纵向轴线方向的主裂纹分为两部分,在垂直或倾斜于主裂纹的方向上，会产生由压缩剪切破坏引起的二次裂纹;在DE阶段，试件在平行于主裂纹的方向上产生拉伸裂纹,并最终被这些裂纹分成两部分。结合整个裂纹扩展过程，该试件的裂纹扩展规律是以拉伸破坏引起的主裂纹为主，以压缩剪切破坏的二次裂纹为辅，这是由于PVA-PE混杂纤维能有效抑制主裂纹的产生，并产生多条分支裂纹，延缓试件沿着主裂纹破坏。

裂纹扩展和破坏程度取决于纤维类型和纤维体积分数。给出了在0.1 MPa的冲击气压下，A-M8，B-M8，C-M8和D-M8这四种试件的裂纹扩展过程，如图3所示。

图3 在0.1 MPa冲击气压下，四种试件的裂纹扩展过程

试件的裂纹都是从中心萌生，裂纹扩展过程根据时间顺序分为三个时间点：在400 μs时，试件从中心产生纵向裂纹，其中，A-M8试件的纵向裂纹宽度最大，C-M8试件产生了多条纵向裂纹，而B-M8试件和D-M8试件纵向裂纹并不明显；到600 μs时，A-M8试件的分支裂纹长度最长，而D-M8试件裂纹长度最短，裂纹的扩展得到有效限制；800 μs后，A-M8和B-M8这两种试件即将被主裂纹分成两部分，而C-M8和D-M8这两种试件由于并没有被主裂纹贯穿，且存在多条分支裂纹，试样还没有失效。此外，我们研究了所有试件在0.15 MPa冲击气压下的破坏状态，如图4所示。

图4 所有试件类型在0.15 MPa冲击气压下的最终破坏状态

与其他试件相比，试件D-M8中产生多条分支裂纹，破坏后的碎片明显较大，碎片的分散程度较小,并且附着在试件上，试件仍能保持较好的整体性。这体现出该试样的破坏主要是来自于纤维受拉延性破坏而产生的裂纹，而非混凝土受压脆性破坏而产生的裂纹。也就是说，在高应变率作用下，纤维对试件的增韧效果和能量耗散能力的提升。

总体而言，纤维消耗自身能量改善混凝土在承受冲击荷载时的脆性破坏。纤维消耗能量一方面能减缓裂纹扩展并降低裂纹萌生速度;另一方面能提升混凝土的韧性和能量吸收能力。纤维与水泥基体之间有效的载荷传递机制有助于混凝土在高应变率下抵抗较高的载荷。三种纤维对试件的增韧效果由高至低依次为PVA-PE混杂纤维、PE纤维和PVA纤维。

3 结 语

1)在冲击载荷下，微胶囊-纤维水泥基复合材料具有显著的应变率效应，且随着应变率增加，劈裂抗拉强度提高。微胶囊和纤维都能增强混凝土的静动态抗拉强度，增强效果从高至低依次为PVA-PE混杂纤维、PE纤维、PVA纤维和微胶囊。

2)纤维的掺入能有效地改善微胶囊自修复混凝土在动力荷载作用下的脆性破坏。在破坏过程中，纤维能有效抑制主裂纹的产生，并产生多条分支裂纹，延缓试件沿着主裂纹破坏，进而提高水泥基材料的断裂韧性。增韧效果从高至低依次为PVA-PE混杂纤维、PE纤维和PVA纤维。