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1、年月水利学报第卷第期收稿日期作者简介 公成旭辽宁人 硕士生 主要从事纤维增强水泥基复合材料性能研究文章编号高韧性纤维增强水泥基复合材料的抗拉性能公成旭张君清华大学 土木工程系 北京清华大学 结构工程与振动教育部重点实验室 北京摘要 本文通过对不同水灰比和粉煤灰掺量的个配比的聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料单轴拉伸试验 研究了各配比试件的应力应变关系及抗拉特征参数试件采用的长方形试块至位移控制的拉伸试验机上进行拉伸试验 测定应力应变完整曲线试验结果表明 高韧性纤维增强水泥基复合材料在拉伸荷载下应力应变关系可分为弹性上升阶段 应变硬化阶段和应变软化阶段在所选取的材料及配比范围内 在单轴拉伸荷载下均能
2、实现应变硬化与多重开裂 极限拉应变的最大值可达最小和最大临界裂纹宽度分别为和关键词 纤维增强水泥基复合材料 单轴拉伸 抗拉应变 裂纹宽度中图分类号文献标识码研究背景许多建筑与土木工程结构性能的衰退直到最终退出工作均与混凝土材料的开裂及其脆性特征有关例如混凝土路面板及桥面板的寿命通常由其使用过程中裂纹的引发及其扩展过程所控制传统的混凝土材料是脆性材料 抗压不抗拉 其抗拉强度不到抗压强度的十分之一 拉伸极限延伸率很小 通常为因而 当传统的水泥基材料在温度与收缩等作用下的变形受到约束时 很容易产生裂纹由于混凝土材料本身的应变软化特性 这些裂纹很快发展为毫米级的宏观裂缝为克服混凝土材料的脆性与应变软化
3、特点 人们开始借助微观 细观力学手段研究具有应变硬化特性的水泥基材料 其中基于细观力学设计的高韧性纤维增强水泥基复合材料是当前比较成功的具有应变硬化特性的水泥基材料之一最早由美国密歇根大学的教授等采用细观力学和断裂力学基本原理提出了该材料的基本设计理念随后该材料在日本获得了较快发展和应用与传统纤维增强水泥基材料的主要区别之一是材料各组分构成是基于细观力学设计 力学性能设计是材料配比设计的核心另外 所谓应变硬化指材料在单轴拉伸时 在极限抗拉应变到达之前 应力随应变增加而增大其形成机理为在材料受拉过程中形成许多微细裂纹而承载力不降低 多条微细裂纹的形成将有望使材料的宏观拉应变增大近百倍由于裂纹间纤
4、维的桥接作用 材料整体的传力性能并没有因微细裂纹的形成而被显著削弱近年来 作者在先期对该材料研究基础上开展了材料弯拉性能研究徐世教授课题组也开始了对的研究高淑龄博士报道了拉应变能力为的聚乙烯醇纤维水泥基复合材料但其抗拉应变能力仍然偏低鉴于高韧性纤维增强水泥基复合材料与传统水泥基材料无论从材料性能还是材料基本组成上均有很大不同 材料在单轴拉伸荷载下的应力应变特性及其裂纹形态及上述性能的影响因素远没有完全研究清楚 本文采用聚乙烯醇纤维为增强纤维 研究高韧性纤维增强水泥基复合材料在单轴拉伸荷载下的应力应变特性及水胶比 粉煤灰掺量的影响 为该材料工程应用提供必要的试验数据试验方法水泥采用京都水泥 密度
5、为砂采用目的普通石英砂 表观密度为聚乙烯醇纤维为日本公司生产 其性能见表粉煤灰采用低钙灰 减水剂为缓凝高效减水剂 水为普通自来水试验中采用个不同的粉煤灰掺量 具体材料配比如表所示 编号的数值依次为砂胶比水灰比粉煤灰掺量比根据已有试验结果砂胶比为纤维掺量为体积含量 时 材料抗弯曲性能好 弯曲荷载下应变硬化与多点开裂行为明显同时纤维分布较均匀 新拌浆体流动性较好低于此纤维掺量较难实现应变硬化与多点开裂 因此本文取砂胶比为纤维掺量为为基本配比设计参数 通过调整水胶比及粉煤灰掺入量研究其对复合材料轴拉性能的影响表聚乙烯醇纤维的材料性能密度抗拉强度弹性模量直径长度表抗拉试验用配合比 单位编号水泥粉煤灰砂
6、水纤维单轴拉伸试验采用的长方形试块 试件成型过程如下准备基材先将水泥 粉煤灰和石英砂混合 低速搅拌然后缓缓加入高效减水剂 并持续搅拌以获得均匀流动的基材加入纤维低速搅拌的同时手工缓慢加入纤维以确保纤维能够均匀分布而不出现结团现象浇筑 养护所有试件分两层浇注 首先浇入一半 然后振动以确保材料振动密实 然后以同样的方式浇入剩余一半 最后将表面抹平并覆盖一张聚乙烯膜以防止水分蒸发在室温下养护然后拆模放入标准养护室进行水养护 温度分别至抗拉试验采用美国材料试验机加载采用位移控制模式 速度为采集数据包括时间 位移 承载力和应变其中应变采用标距为引伸计测定引伸计分别加在试件的两面所有数据采集频率为次为防止
7、试件上下夹紧端因局部受压而破坏 加载前在试件的两侧粘上长宽厚的铝板 试件黏接后方可进行抗拉试验试件及变形传感器安装示意如图所示图单轴拉伸试验试件及变形传感器安装示意试验结果及分析抗拉应力应变曲线特征典型聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料的抗拉应力应变曲线测试结果如图所示图典型的抗拉应力应变曲线图单轴拉伸荷载下不同配比应力应变曲线由图可见 该应力应变曲线可以分为个阶段弹性上升阶段应变与应力成比例发展 其模量为水泥基材弹性模量在此阶段 主要是基材承受外部荷载应变硬化与多点开裂阶段应变逐渐加大 通常可达到应力略有上升 表现出应变硬化特性但应力增量与应变增量的比值远比阶段低得多此阶段是裂纹稳定形成阶段 当
8、第一条裂纹出现后 该处的增强纤维随即发挥作用 由于裂纹间纤维的桥接最大应力远高于开裂基材的开裂强度 裂纹进入稳态扩展阶段受拉区出现垂直于加载方向的多条裂纹应变软化阶段在此阶段 试块中的最薄弱处的裂纹开始张开 宽度明显增大 应力逐渐减小出现应变集中现象这种随着变形增加应力降低的现象称为应变软化现象随着裂纹进一步扩展 最终导致试件断裂由上述应力应变曲线可获得开裂强度 第阶段结束抗拉强度及极限抗拉应变 与抗拉强度相对应的应变值不同配比抗拉应力应变曲线及特征参数图图为不同配比的单轴拉伸应力应变曲线 图中编号的数值依次为砂胶比水灰比粉煤灰掺量比龄期图单轴拉伸荷载下不同配比应力应变曲线由图示结果首先可以看
9、出 大多数配比均有应变硬化与多重开裂特征 与普通混凝土或砂浆相比极限拉应变有明显提高但试件个或个 之间性能差异较大 表明材料均匀性有待改进同时也说明该材料对拌合 成型要求较高 新拌混合料的流变性能还有待进一步改进其次 水灰比 粉煤灰掺入量对材料单轴抗拉性能均有一定影响为比较各配比之间的抗拉性能差异 根据试件拉伸应变测量传感器标距内裂纹数量及与极限拉应力相对应的应变 即极限应变数值 计算达到极限应力时平均裂纹宽度与间距其具体定义为由于有些裂纹在卸载后完全闭合 因此实际的裂纹数应大于目测观测得到的裂纹数此外在计算平均裂纹宽度时忽略了基材对应变的贡献 因而实际的平均裂纹宽度与间距要较式计算得到的相应
10、数值略小各配比不同龄期达到极限应力时试件的平均裂纹宽度与间距的抗拉参数如表表所示表各配比的开裂性能编号极限应变开裂强度?抗拉强度?平均裂纹数平均裂纹宽度?平均裂纹间距?表各配比的开裂性能编号极限应变开裂强度?抗拉强度?平均裂纹数平均裂纹宽度?平均裂纹间距?由表表计算结果首先可以看出 在所研究的材料配比之间达到极限应力时的开裂特征有明显差异在所选取的材料及配比区间内龄期时极限拉应变的最大值可达不同配比间相差较大在本文进行的配比内 最小和最大临界裂纹宽度 与极限应力相对应 分别为和临界裂纹宽度与极限应变有关 粉煤灰的掺入有助于裂纹宽度的减小 有些配比极限应力到达时裂纹宽度仅为左右 与已有试验结果左
11、右相差较大这一结果表明 通过合理的材料设计 采用纤维为增强材料 在满足一定量变性性能要求的同时 可以使结构内裂纹控制在一定范围内在追求高抗拉应变的同时 控制单个裂纹宽度将更具有工程意义其次 随着粉煤灰掺入量增加 极限应变减小这可能与拌合物流动性不好 成型的试块不均匀有关所有配比极限拉应变值均在以内 与文献报道的结果相差较大 有待进一步深入研究 改进水胶比对开裂性能的影响理论上来说 水灰比的增加降低了基材的强度 从而降低了的开裂强度虽然抗拉强度也随之降低 但开裂强度与极限抗拉强度的比值降低而开裂强度与极限抗拉强度的比值降低 可以供给多点开裂的能量随之增加 从而有利于更好地实现多点开裂的性能同时
12、水灰比的增加 改善了的工作性能 从而有利于纤维更好地发挥搭接作用也就是说 随着水灰比的增加 一方面的开裂强度和开裂强度与抗拉强度的比值降低 另一方面增强了纤维的搭接作用 从而有利于开裂性能的改善在实际试验中 选用的水灰比都较大 且两种水灰比的差别不大 所以它对开裂性能的影响不大另外 由于试验条件的限制和数据离散性的缘故 其差别很难被发现粉煤灰掺量对开裂性能的影响图为粉煤灰掺量对平均裂纹宽度的影响由图可以看出当水灰比为时 平均裂纹宽度随粉煤灰掺量增大而减小的趋势明显当水灰比为时 粉煤灰掺量对平均裂纹宽度的影响不大可以理解为 当水灰比增大时 胶凝材料的相对含量减少 从而粉煤灰的作用也被减弱粉煤灰的
13、掺入将对基材的断裂韧性产生一定的影响 但如果胶结材料水胶比本身比较低 其影响效果将被弱化 因此产生上述试验结果此外 粉煤灰的掺入还可能对纤维与基材界面性能产生影响 可能弱化纤维与水泥基材的化学黏结强度粉煤灰可作为主要矿物掺合料 在高韧性纤维增强水泥基复合材料研发中展开更深入的机理研究是必要的图粉煤灰掺量对平均裂纹宽度的影响结论以聚乙烯醇短纤维为增强材料的水泥基复合材料通过适当的配比设计可以实现拉伸荷载下的应变硬化与多点开裂 材料极限抗拉应变与普通水泥基材料相比大幅度提高本文通过单轴拉伸试验 研究了不同水胶比 不同粉煤灰掺量下复合材料的应力应变特性及相关参数试验结果表明 高韧性纤维增强水泥基复合材料拉伸荷载下应力应变曲线可分为 弹性上升阶段 应变硬化阶段和应变软化阶段在所选取的材料及配比区间内龄期时极限拉应变的最大值可达临界裂纹宽度 与极限应力相对应 与极限应变有关 一般规律为极限应变增加 临界裂纹宽度增大在本文进行的配比内 最小和最大临界裂纹宽度分别为和在水灰比分别为和时 复合材料抗拉强度在之间参考文献冷冰 高韧性纤维增强水泥基复合材料设计与性能研究北京 清华大学高淑玲 徐世纤维增强水泥基复合材料拉伸特性试验研究大连理工大学学报高淑玲纤维增强水泥基复合材料假应变硬化及断裂特性研究大连 大连理工大学责任编辑 王冰伟