钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料抗压力学性能及经济性研究

张品乐,曾靖渊,胡 静,朱昊天,陶 忠

(昆明理工大学建筑工程学院,昆明 650500)

0 引 言

普通水泥基材料存在脆性大、易开裂等缺陷,在使用过程中容易产生裂缝,影响其力学性能[1]。掺加纤维可以有效改善水泥基材料力学性能,从而提高建筑材料的性能,延长材料使用寿命,降低成本[2]。聚乙烯醇(polyvinyl acetate, PVA)纤维是一种人工合成纤维,在水泥基材料中可起到增强增韧的作用[3]。在纤维表面经过涂油处理可降低表面摩擦力,但成本较高,在工程应用中受到了很大的限制。国产PVA纤维成本只有日产PVA纤维的1/10,其缺点是表面未经涂油处理,纤维直径偏小。

工程水泥基复合材料(engineered cementitious composite, ECC)是一种具有应变硬化特征和多缝开裂特征的新型高韧性水泥基复合材料[4]。在20世纪90年代,美国密歇根大学Li教授等[5-7]研制了一种中等体积掺量(1%～2%)的短纤维增强水泥基复合材料。随着国内外学者对纤维水泥基材料研究不断深入,王海超等[8]通过棱柱体力学试验研究了进口和国产混掺高韧性聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)的配合比。阚黎黎等[9]通过单轴拉伸、压缩、三点抗弯、单裂缝拉伸和纤维分散性试验研究,发现低成本国产纤维在基体中具有良好的分散性并且能满足能量与强度准则,即使是相对较差的纤维试件,其3、7和28 d极限拉伸应变也可达2.52%、3.34%和3.08%,具备良好的应力硬化行为和饱和多缝开裂特性,满足ECC的使用要求。潘钻锋等[10]对国产与日产PVA混杂水泥基复合材料进行了性能和成本分析,获得了低成本、较低拉伸性能,中等成本、较高拉伸性能,以及高成本、高拉伸性能三种具有代表性的PVA-ECC配合比。王振波等[11]在ECC体系中掺加钢纤维并进行了圆柱体抗压试验,认为钢纤维和PVA纤维有利于提高抗压韧性。赵旭[12]研究结果同样表明,钢纤维和PVA纤维的混合掺入可提升水泥基材料的抗压强度和弯曲韧性,两种纤维混掺对材料性能提升效果较单掺更加显著。现有研究缺乏对PVA-钢纤维增强延性水泥基复合材料性能和经济价值的综合研究。

本文将国产纤维按0%、25%、50%、75%、100%(体积分数,下同)掺量替代日产纤维,并掺加微量钢纤维,制备钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料。通过立方体轴心抗压试验,获得材料应力-应变曲线,分析PVA纤维掺量对材料的破坏形态、抗压强度、峰值应变、抗压韧性、经济成本等指标的影响规律,实现ECC材料经济性与功能性的协同最大化,为高强度、高延性水泥基材料的工程应用提供依据。

1 实 验

1.1 试验材料

原材料为P·O 42.5普通硅酸盐水泥,密度3.1 g/cm3;一级粉煤灰,密度2.5 g/cm3;石英砂,细度模数2.9,密度2.66 g/cm3;聚羧酸高性能减水剂,减水率约30%。基准水泥基材料配合比如表1所示。

表1 基准水泥基材料配合比Table 1 Mix ratio of reference cement-based material

试验中采用的钢纤维、日产PVA纤维、国产PVA纤维宏观形貌如图1所示,各纤维特性如表2所示。钢纤维为河北衡水毛勒金属制品有限公司生产,日产PVA纤维为日本可乐丽公司产品,国产PVA纤维为江苏天怡工程纤维有限公司生产的聚乙烯醇纤维。PVA纤维被广泛应用于工程水泥基复合材料中,具有较好的增韧和抑制裂缝扩展等特性。

图1 纤维的宏观形貌Fig.1 Macroscopic morphology of fibers

表2 纤维特性Table 2 Properties of fiber

1.2 试验设计

混杂纤维试验配合比设计如表3所示。根据表3的配合比,采用50 L卧式搅拌机进行搅拌。称取适量水泥、粉煤灰、石英砂、减水剂、纤维。先将水泥、粉煤灰和石英砂一起倒入搅拌机中,干拌3 min,使其充分混合,然后再加入水和减水剂,搅拌3 min,使新拌浆体具有适宜的流动性和黏聚性。沿着搅拌的方向在新拌浆体中分批次加入钢纤维、日产PVA纤维、国产PVA纤维。每加入一种纤维后,充分搅拌3 min,再加入下一种纤维,使三种纤维都尽可能与基体混合均匀。将搅拌好的材料倒入模具进行分层浇筑,制成100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件,之后利用水泥胶砂振动台振捣3 min。每组配合比成型3个试件,完成制作后经自然养护24 h,然后将混合物从模具中取出,放置在标准养护室中养护28 d。取出试件晾干后将棱柱体上下顶面打磨平整后测试材料的轴心抗压性能。

表3 混杂纤维试验配合比设计Table 3 Mix proportion design of hybrid fiber test

1.3 轴心抗压试验

采用SHT4106电液伺服电子万能试验机测试材料抗压性能,量程为1 000 kN,加载方式为位移控制,加载速率为0.15 mm/min。试验加载装置通过力传感器和位移计测试荷载与试件压缩变形之间的关系。

根据《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》(JC/T2461—2018)[13],试件立方体抗压强度计算公式如式(1)所示。

(1)

式中:fcc为立方体抗压强度,MPa;Fcc为试件破坏荷载,N;Acc为试件承压面积,mm2,本试验取10 000 mm2。

计算三个试件的平均抗压强度,且每个抗压强度与平均值差值不超过15%,否则重新进行试验,计算结果精确至0.01 MPa。

2 结果与讨论

2.1 混杂纤维对抗压强度的影响

图2为各配合比试件峰值压应力。由图2可知,对比无纤维掺杂水泥基材料对照组(C0),大部分钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料试件的峰值压应力均有不同程度提高,但A2和B2强度降低,此时出现了“负混杂效应”[14],导致抗压强度降低。水泥基材料的抗压强度受到纤维种类和掺量等因素的影响,加入适量的纤维能够提高水泥基材料的抗压强度,纤维掺量过多或过少均会对水泥基材料的抗压强度产生不利影响。在相同国产和日产PVA纤维掺入量下,B系列试验组在抗压强度上整体优于A系列。其中,A5、B1、B4和B5的抗压强度提升最为明显,分别为46.39、45.24、45.77和45.52 MPa,相较于普通水泥材料强度(31.87 MPa),分别提升了45.6%、42.0%、43.6%和42.8%,可以看出混杂纤维的掺入能够显著提高水泥基材料的抗压强度。这是因为钢纤维的掺入抑制了混杂纤维水泥基复合材料受压时向四周扩散,同时,高弹性模量的PVA纤维阻止了裂缝的发展,钢纤维和PVA纤维的协同作用有效提升了水泥基材料的抗压性能和基材的承载力。

图2 各配合比试件峰值压应力Fig.2 Peak compressive stress of each mixture ratio specimens

2.2 试验现象及破坏形态

图3是普通水泥砂浆试件C0与混杂纤维水泥试件A1的破坏形态。图3(a)普通水泥砂浆试件在破坏时呈脆性破坏的特点,试件表面砂浆碎块剥落严重,当试件达到极限荷载时,局部试块掉落,完整形态破坏,试件瞬间丧失承载能力。图3(b)混杂纤维水泥试件在达到抗压极限后,试块表面出现明显裂缝,随着荷载继续增加,裂缝扩展直至纵向裂缝贯通整个试件,此时,试件的承载力缓慢下降直到失去承载能力。

图3 普通水泥砂浆试件与混杂纤维水泥砂浆试件典型受压破坏形态Fig.3 Typical compressive failure modes of ordinary cement mortar specimen and hybrid fiber cement mortar specimen

混杂纤维水泥试件由于添加了钢纤维和PVA纤维,在试件受到外荷载时纤维发挥作用,纤维与基体形成桥联结构,其内部的纤维和基质之间相互作用,可阻止微小裂纹的扩展,呈现出一定的延性破坏,从而使试件在达到极限荷载之前,发生的变形具有可逆性,试件的形状能够保持完整。混杂纤维水泥试件达到极限荷载后承载力下降速度较空白组水泥基体更为缓慢,掺入钢纤维和PVA纤维可以提高基体的延性,延缓试件的破坏。混杂纤维水泥试件的破坏过程相对缓慢,给予了人们一定的反应时间,因此混杂纤维水泥试件具有较高的安全可靠性。综上所述,相比传统的水泥基材料,钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料具有更好的完整性、延性和安全可靠性。

2.3 混杂纤维对轴心抗压应力-应变曲线的影响

单轴受压状态下的应力-应变曲线反映了各个受力阶段的变形特点和破坏过程,包含了重要的力学性能指标。试验得到的抗压应力-应变曲线如图4和图5所示,图中样品编号后的数字-1、-2、-3代表平行试件。

图5 钢纤维掺量0.4%组抗压应力-应变曲线Fig.5 Compressive stress-strain curves of 0.4% steel fiber content group

虽然钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料的应力-应变曲线形状与普通水泥基材料类似,属于偏态的单峰曲线,但钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料的塑性变形能力和峰值应变明显优于普通水泥基材料。钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料的峰值应变在0.010～0.015,明显大于普通水泥基材料(0.002),这是因为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,提高了基体的开裂强度。此外,当应变达到很大时材料仍有一定的残余强度,这充分体现了纤维高韧性水泥基复合材料曲线的特性。从图4和图5中可以看出,部分试验组加入纤维后抗压强度提升并不显著,但高韧性水泥基复合材料的延性和韧性明显大于普通水泥基材料。一方面是因为高掺量的粉煤灰使基体有较高的韧性,另一方面是因为纤维的混掺效应使试件在破坏时受到纤维桥联作用,材料的韧性得到提升。综上所述,钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料比普通水泥基材料在延性、韧性上更具有优势。

2.4 抗压韧性评价

抗压韧性指数是评价混杂纤维水泥基复合材料压缩韧性的一个重要参数。Nataraja等[15]将韧性指数定义为应力-平均应变曲线下的总面积,限制应变最大值为0.015。Mansur[16]将韧性指数定义为应变为0.3ε0时应力-平均应变曲线下的面积与应变为ε0时的面积之比,其中ε0为峰值应力的应变,Zhou等[17]和王振波等[18]均采用此方法对复合材料进行抗压韧性评价。韧性指数代表了材料的能量吸收能力,通常用于表征材料在失效前的延展性。

故本文将压应力-应变曲线峰值应力fc所对应的应变记为ε0,峰后应力下降至0.3fc时所对应的应变记为ε0.3,定义韧性指数为峰后曲线0.3fc所围成的面积与峰值应力fc所围成的面积之比,以其来表征钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料的抗压韧性。

不同纤维掺量复合材料韧性指数如图6所示。由图6(a)可见,掺入钢纤维的PVA-ECC体系韧性指数略高于不掺钢纤维的PVA-ECC体系。其中掺入0.2%钢纤维A3组和掺入0.4%钢纤维A4组的韧性指数分别为2.4和2.6,较未加入钢纤维C3组分别提高了4.30%和13.03%,说明钢纤维能够提升复合材料峰后的耗能能力,但由于掺入钢纤维量较少,提升不明显。由图6(b)和(c)可知,钢纤维掺量的提高对PVA-ECC整体韧性指数均有提升,但A5组韧性指数为1.5,明显低于其他组,这是由于PVA纤维的拔断机制[18]导致钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料未完全发挥出纤维的耗能能力。A2和B2在所有试验组里韧性指数最高,分别为2.86和3.07,相较于单掺国产PVA纤维+钢纤维的A5、B5组,以及单掺日产PVA纤维+钢纤维的A1组、B1组分别提升了90.0%、26.8%、31.8%和24.8%。说明钢纤维、日产PVA纤维和国产PVA纤维三种纤维混杂在提高ECC材料抗压韧性方面效果显著。

图6 不同纤维掺量复合材料的韧性指数Fig.6 Toughness index of composite materials with different fiber content

2.5 材料性能成本分析

价值工程分析法是经济分析上用于平均产品或项目价值的方法,可通过计算产品的功能和成本之比,获得产品的价值系数。其中,功能值指产品或项目所提供的功能或效益的价值,成本则指实现该功能或效益所需要的成本。通过计算价值系数,可以评估产品或项目的经济价值性[20]。价值工程法的计算公式即为产品功能值与产品成本的比值,如式(2)所示。

V=F/C

(2)

式中:V为价值系数,F为产品的功能值,C为产品的成本。

通过收集各项原材料的市场价格,分析获得钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料的经济成本,其中水泥0.5元/kg、粉煤灰0.3元/kg、石英砂0.3元/kg、水0.004 5元/kg、减水剂45元/kg、日产PVA 450元/kg、国产PVA 45元/kg、钢纤维7.8元/kg(以上参考云南本地市场价格);原材料成本计算单位为1 m3;不同配比ECC所用原材料的成本如表4所示。

表4 原材料成本Table 4 Raw material costs

结合表4总价格C、表5功能值F1、F2所总结数据,运用公式(2)计算出不同试验配比的价值系数V1、V2,结果如表5所示。其中,F1表示28 d龄期的抗压强度、F2表示韧性指数。利用表5价值系数V,绘制出不同纤维掺量的价值系数图,如图7所示。虽然钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料成本相对较高,但在合适的掺量下可以有效提高水泥基材料的力学性能,从而降低维护成本和综合成本,使得复合材料在工程中具有良好的经济价值性。

图7 不同纤维掺量复合材料的价值系数Fig.7 Value coefficient of composite materials with different fiber content

表5 功能价值系数Table 5 Functional value coefficient

由图7可以看出,随着国产PVA纤维按0%、25%、50%、75%、100%的比例逐渐替换日产PVA纤维,钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料整体的价值系数逐渐提高。其中,当日产纤维被国产纤维完全替换时,A5和B5的价值系数最高为24.38‰和23.11‰,远高于其他组。价值系数越高,产品性价比越高。由于日产PVA纤维造价昂贵,纯日产纤维占整体材料造价的90%以上,导致价值系数偏低,不利于大规模生产运用。由2.1节和2.4节可知,A5、B1、B4和B5组的抗压强度达到最佳,A2和B2组的韧性指数达到最佳。综上所述,虽然A4、B4和A5、B5组的韧性指数并不是最佳,但其综合功能价值和经济性均优于其他组,故国产PVA纤维替代日产PVA纤维配制钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料可以达到功能价值和经济价值的协同最大化。

3 结 论

1)混杂纤维的掺入能够不同程度地提高普通水泥基材料的抗压强度。其中,A5、B1、B4和B5这四组试件抗压强提升最为明显,相较于普通水泥材料分别提升了45.6%、42.0%、43.6%和42.8%。

2)单轴受压过程中大部分试件均表现出多缝开裂的特性,峰值应力对应的28 d应变为0.010～0.015,明显高于普通水泥基材料的0.002。相较于普通水泥基材料,钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料具有更好的完整性和延性。

3)添加0.2%和0.4%的钢纤维的PVA-ECC韧性指数较未掺钢纤维组分别提高了4.30%和13.03%,说明钢纤维在提升复合材料抗压韧性方面具有一定的优势。此外,A2和B2这两组在所有试验组里韧性指数最高,分别为2.86和3.07,说明钢纤维、日产PVA纤维和国产PVA纤维三种纤维混杂在提高ECC材料韧性方面效果显著。

4)通过计算不同配合比下钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料的功能、成本及价值系数得出:A4、B4(替换率均为75%)和A5、B5(替换率均为100%)组在钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料功能价值和经济价值中可以最大化。