纤维对高性能水泥基复合材料断裂性能的影响★

李大运，孙诗兵，吕 锋，田英良，金晓冬

(北京工业大学，北京 100124)

1 概述

水泥基复合材料是一种易开裂、韧性低的脆性材料。近年来，众多学者研究表明，水泥基材料中掺入纤维可阻止自身缺陷的扩展，提高基体强度以及变形能力[1]。这是因为纤维掺入到水泥基材料后，可以有效的抑制水泥基材料内部裂纹扩展至联通[2]，分散应力分布，从而提高水泥基材料的断裂性能[3]。

目前研究较多的纤维分两种:一种是高弹性模量纤维，主要代表为钢纤维，Zhang Peng等[4]研究发现钢纤维掺量为0.5%～2%时，试件的断裂韧性和断裂能逐渐增加；另外一种是低弹性模量纤维，例如玻璃纤维，聚丙烯纤维，聚乙烯醇纤维等。邓宗才等[5]研究了玻璃纤维对混凝土断裂性能的影响，发现玻璃纤维抑制裂缝扩展的能力较强。漆贵海等[6]研究了PP纤维的长度对超高强混凝土断裂性能的影响。郭丽萍等[7]研究了PVA纤维对混凝土抗裂和韧性的影响。但目前关于不同种类纤维对HPCC断裂性能的影响，没有完整的概述[8-11]，由于不同研究者之间的试验配比不同，故不同纤维间、同种纤维不同体积分数间可比性不好。因此本文基于断裂力学，探讨不同体积分数的玻璃纤维、PP纤维、PVA纤维和钢纤维对HPCC断裂性能的影响。

2 实验

2.1 原材料及配合比

水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，为中国建筑材料科学研究总院提供；砂子为中级砂，为中国建筑材料科学研究总院提供；减水剂为PCA-I聚羧酸型高效减水剂，固含量为20%，为江苏苏博特提供，其性能参数见表1；水为自来水；硅灰为铂润公司提供，性能参数见表2；可再分线性乳胶粉为皖维8020；玻璃纤维、PP纤维、PVA纤维、钢纤维的力学性能与物理参数见表3；HPCC配合比见表4。

表1 聚羧酸高效减水剂性能参数

表2 硅灰性能参数

表3 纤维的几何物理参数

表4 HPCC配合比 kg/m3

2.2 试件制备

参考DL/T 5332—2005水工混凝土断裂试验规程、GB/T 15231—2008玻璃纤维增强水泥性能试验方法和国 际材料及结构试验室联合会(RILEM)试验标准，试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。一组6个试样，共27组。各类纤维掺量见表5。试件采用预混方式制作，将纤维加到水泥、硅灰、可再分散性乳胶粉中，搅拌30 s，随后加入高效减水剂和水的混合液，搅拌60 s，最后加入中级砂，搅拌60 s，浇筑到模具中振实。放入养护箱养护28 d，养护28 d后在试件中间位置切出13 mm深的预制缝。

表5 试件编号及纤维掺量

2.3 三点弯曲断裂试验

三点弯曲断裂试验跨距为130 mm，利用美特斯CDT1305 电子压力实验机进行加载，加载示意图如图1所示，压力机加载速度为2 mm/min，加载方式为上支架向下移动。在试样跨中切口段放置YYJ-4/10电子引伸计，用橡皮筋固定，测量试件裂缝口的张开位移CMOD。由于纤维增强水泥具有较好的韧性，试样断裂后加载载荷很难变为0，所以加载荷载降至峰值荷载的10%时停止加载。试验中主要测量了HPCC的P-CMOD曲线、起裂荷载、峰值荷载，并计算出断裂能以及起裂韧度。

3 试验结果及分析

3.1 试验现象

纤维增强水泥基复合材料的断裂分为5个阶段：1)水泥基材料发生弹性变形，并未断裂；2)细观裂缝产生，但没有连接贯通；3)细观裂缝扩展至贯通，形成宏观裂缝；4)水泥基体断裂，纤维拉断或开始拔出；5)纤维均被拔出或断裂，形成断裂区。

图2为掺杂不同种类纤维的HPCC试件的破坏特征，由图2(a)可见：掺杂玻璃纤维的试件出现明显的脆性断裂，在出现砰的一声后，裂纹迅速向上扩展至试件的顶部，断截面无明显的纤维绒毛，说明在试样断裂时纤维也随之断裂，没有拔出。即玻璃纤维并没有明显增强水泥基材料的韧性，水泥基材料与纤维的握裹力大于纤维的拉拔强度。由图2(b)可见在断裂处有PP纤维在不断的拔出，并可以听到滋滋的声音。在断截面有大量的纤维绒毛，产生原因为试件断裂时，大量纤维拔出。图2(c)为含PVA试件的破坏特征，试件在断裂时有一定的延展性，观察断截面可以发现有少量纤维绒毛，即断裂过程纤维拔拉断的数量远大于纤维拔出的数量。图2(d)为含钢纤维试件的破坏特征，掺杂钢纤维的试件在断裂过程中表现出良好的韧性，裂纹缓慢向上扩展。在断截面发现有大量的钢纤维拔出。

3.2 P-CMOD曲线分析

图3为掺杂玻璃纤维、PP纤维、PVA纤维、钢纤维的HPCC试件的P-CMOD曲线。

由图3(a)可以看出，玻璃纤维对峰值载荷影响较大，当玻璃纤维体积分数从0.4%增加到1.6%时，试件的峰值荷载逐渐增大；当玻璃纤维体积分数超过2.0%时，试件的峰值荷载降低，表明适当掺杂玻璃纤维可以提高HPCC的峰值载荷；当玻璃纤维体积分数从0%变化到2.0%时，P-CMOD曲线的饱满度也基本呈现出先增大后减小的趋势，当玻璃纤维体积分数达到1.6%时，P-CMOD曲线最为饱满。表明随着玻璃纤维体积分数的增加，对HPCC抵抗裂缝扩展的能力呈现先增强后降低的趋势。

由图3(b)可以看出，PP纤维对峰值载荷无显著影响，当PP纤维掺量在0%～2.0%之间，峰值载荷在1.2 kN～1.4 kN之间；掺杂PP纤维HPCC试件的P-CMOD曲线在初裂阶段与素PC类似，即初裂前曲线呈线性发展，在达到峰值荷载后曲线呈下降趋势。但与素PC不同的是，掺杂PP纤维系列试件初裂后仍可以继续承受荷载，P-CMOD曲线的饱满度随PP纤维体积分数增加而增加。甚至当PP纤维体积分数大于1.2%时，表现出荷载下降后又继续上升的二次强化现象。表明随着PP纤维体积分数的增加，对HPCC抵抗裂缝扩展的能力呈现增强的趋势。

图3(c)为单掺PVA纤维HPCC试件的P-CMOD曲线，PVA纤维对峰值载荷无显著影响，当PVA纤维掺量在0%～2.0%之间，峰值载荷在1.2 kN～1.4 kN之间；PVA纤维体积分数为0%，0.4%，0.8%，1.2%的试样在CMOD为0.06 mm时发生断裂；PVA纤维体积分数为1.6%,2.0%的试样在CMOD为0.09 mm时发生断裂，在PVA纤维含量(体积分数)小于1.2%时不能有效提升HPCC的韧性；当PVA纤维体积分数从0%变化到2.0%时，P-CMOD曲线的饱满度也呈现出增大的趋势，当PVA纤维体积分数达到2.0%时，出现二次强化现象。表明随着PVA纤维体积分数的增加，对HPCC抵抗裂缝扩展的能力呈现先增强的趋势。

图3(d)为不同钢纤维含量(体积分数)的P-CMOD曲线，钢纤维掺量在0.4%，0.8%，1.6%，2.0%，3.0%时，峰值载荷在1.25 kN左右，掺量为1.2%时，最大载荷为0.75 kN，掺量为4.0%时，最大载荷为2.0 kN；当钢纤维掺量为3.0%时，二次强化的载荷约等于峰值载荷，P-CMOD曲线变得扁平，即HPCC断裂的力等于钢纤维拔出的力，处于“适筋”状态。因此钢纤维掺量应不小于3.0%最为适宜。表明随着钢纤维体积分数的增加，对HPCC抵抗裂缝扩展的能力呈现增强的趋势。

综上所述，对于4种纤维来说，掺杂玻璃纤维时，峰值载荷最大；4种纤维都能够有效延缓裂纹的扩展，且随着纤维掺量的增多，增韧效果越好；4种纤维掺量相同时，对HPCC断裂性能效果由大到小排序为PP纤维>钢纤维>PVA纤维>玻璃纤维。

3.3 断裂能和起裂韧度分析

3.3.1 断裂能

断裂能GF是裂纹扩展单位面积所需的能量，本文采用Hillerborg等[12]提出的RILEM 50-FMC(WFM)进行计算，GF单位为N/m，按式(1)进行计算：

(1)

其中,W0为断裂功，J；m为支架间试件的质量，kg；Alig为韧带面积,m2；g为9.81 m/s2；b为试件厚度，m；d为试件高度，m；a0为初始开口长度，m。

3.3.2 起裂韧度

(2)

其中:

(3)

其中ac应按照式(4)计算:

(4)

其中，h0为装置夹式引伸计刀口薄钢板的厚度，m；Vc为裂缝口张开位移值，μm；E为计算弹性模量，GPa。

其中，E按式(5)计算；

(5)

3.3.3 断裂参数的计算结果与分析

据上述公式计算出的各试件断裂能和起裂韧度如表6所示。

表6 试件编号及纤维参量

由表6可知：1)单掺玻璃纤维的HPCC试件，其断裂能在纤维体积分数为1.6%时最大为450.66 N/m，为素PC试件断裂能的2.03倍，起裂韧度在纤维体积分数为2.0%时最大，为素PC试件断裂能的2.45倍。2)对于PP纤维来说，试件的断裂能随纤维增多而提升，在纤维体积为2.0%时，断裂能最大为5 342.30 N/m，是素PC断裂能的24.00倍，掺杂PP纤维后，起裂韧度会有所提升，PP纤维掺量的改变对起裂韧度影响不大。3)单掺PVA纤维的HPCC试件，其断裂能随纤维掺量增多而提升，在纤维体积为2.0%时，断裂能最大为850.45 N/m，是素PC断裂能的3.82倍。PVA纤维体积分数为0.4%～2.0%时，起裂韧度为0.64 MPa·m1/2～0.74 MPa·m1/2，相比于素PC的0.55 MPa·m1/2有所提升，但PVA纤维掺量的改变对起裂韧度影响不大。4)随着钢纤维含量的增加，断裂能不断增大，钢纤维的体积分数为4.0%时，断裂能最大为5 133.88 N/m，为素PC断裂能的22倍。在钢纤维体积分数为1.2%时，起裂韧度降低，是因为在P-CMOD曲线中没有出现传统的峰值载荷，载荷不断增加没有出现明显的下降，在高位震荡，高性能水泥基材料断裂的力要小于钢纤维拔出的力。在水泥基材料断裂后，只有钢纤维阻止裂缝扩展，从而产生了这种P-CMOD曲线。

3.4 纤维增强增韧机理分析

对于玻璃纤维来说，在HPCC试件断裂时属于脆性破坏，玻璃纤维可以提高水泥基材料的断裂性能，但纤维含量过多就会降低断裂性能，纤维分散不均导致误差增大。由图2(a)可以看出在试样断截面没有明显的玻璃纤维，说明在断裂过程中发生的是玻璃纤维的断裂而不是拔出，水泥基材料与玻璃纤维的握裹力大于玻璃纤维的抗拉强度；又因为玻璃纤维提升了水泥基材料的断裂性能，可以推断出纤维断裂的力大于水泥基材料裂开的力。所以可以通过添加抗拉强度更大的玻璃纤维进一步提升水泥基材料的断裂性能；PP纤维可以有效的提高水泥基材料的断裂性能，PP纤维增强水泥要比玻璃纤维增强水泥有优秀的断裂性能，但断裂韧度略低于玻璃纤维增强水泥。从图2(b)可以看出在试样断截面有许多PP纤维，说明在断裂过程中发生的是PP纤维的拔出而不是断裂，水泥基材料与PP纤维的握裹力小于PP纤维的抗拉强度；所以PP纤维增强水泥的断裂性能随PP纤维含量增加而提升，且断裂破坏形式属于韧性破坏；PVA纤维可以提高水泥基材料的断裂性能，在体积分数为2.0%以下，随着纤维含量的增多，对HPCC试件的断裂性能提升越大，但纤维分散不均导致误差也在不断增大。由图2(c)可以看出在试样断截面没有太多明显的PVA纤维，说明在断裂过程中发生的是PVA纤维断裂，少量PVA纤维由于与水泥基材料的握裹力较小造成了纤维拔出。综合来看，相同体积分数的PVA纤维增强水泥的断裂性能介于玻璃纤维和钢纤维之间；掺杂钢纤维HPCC试件的断裂截面如图2(d)所示，断截面有大量钢纤维，钢纤维对试件的断裂性能有明显的提升，且随着纤维含量的增加，断裂性能直线上升。由于钢纤维的抗拉强度较大，表面较为光滑，在断裂过程中对后期裂缝的阻滞效果较好，属于韧性破坏。

4 结语

1)对于玻璃纤维来说，体积分数为1.2%时，断裂性能最好，断裂能为401.8 N/m，相比素混凝土提升了84.6%，断裂韧度为1.37 MPa·m1/2,提升了66.7%；PP纤维体积分数为2.0%时断裂性能最好，断裂能为5 342.3 N/m，相比素水泥提升了2 300.0%，断裂韧度为0.96 MPa·m1/2,提升了31.8%；PVA纤维体积分数为2.0%时断裂性能最好，断裂能为850.45 N/m，提升了282.1%，断裂韧度为0.86 MPa·m1/2，提升了17.9%；钢纤维体积分数为4.0%时 断裂性能最好，断裂能为5 133.88 N/m，提升了2 206.5%，断裂韧度为1.12 MPa·m1/2,提升了54.0%。

2)这4种不同种类的纤维，对高性能水泥基复合材料的断裂性能的提升效果由大到小排序为：PP纤维>钢纤维>PVA纤维>玻璃纤维。