近年来, 我国的大型基础工程建设不断增多, 建筑结构体系也向高层、大跨度和巨型结构转变, 另一方面上世纪许多基础设施开始进入老化阶段, 修复十分困难, 这些现状都对建筑材料的性能提出很高的要求.水泥混凝土等建筑材料, 抗拉强度低、延性韧性差、裂缝控制能力差等缺点在历次地震灾难中造成巨大的人员财产损失.

在混凝土中添加适量纤维配置纤维混凝土是目前提高混凝土材料韧性以及耐久性的最有效的方法, 钢纤维、聚丙烯纤维(PP)和聚乙烯醇(PVA)纤维作为增韧纤维材料已经获得大量的研究, 并取得了很好的成果^[1-6].聚乙烯(PE)纤维是一种高强高弹模的纤维, 国内外对作为纤维增韧材料的研究较少, Fischer等^[7]将PE纤维加入水泥基体配制成聚乙烯纤维水泥基复合材料(polyethylene-engineered cementitious composite, PE-ECC)材料, 直接拉伸极限应变可达到3%, 但成本过高^[8], 不利于推广应用.国内, 李操旺等^[9]利用PE纤维配制成超高性能混凝土, 抗压强度可以达到150 MPa, 但并没有展现出应变硬化的韧性效果.

为了配制出高强等级且具有优异直接拉伸及弯曲韧性指标的PE纤维水泥基复合材料, 本文选取一种特力夫PE纤维, 以水泥砂浆为基体, 以纤维掺量为参数, 通过直接压缩试验、抗折试验、四点弯曲试验、直接拉伸试验来评估这种新型PE纤维水泥基复合材料的抗压、弯曲性能、直接拉伸特性等基本力学性能以及裂缝控制能力.

试验原材料主要有52.5普通硅酸盐水泥、精细砂、二级粉煤灰、硅灰、PE纤维(如表 1所示)、聚羧酸盐类高效减水剂、拌和水为自来水.表 1中, l为纤维长度, r为纤维直径, f_t为纤维抗拉强度, δ为纤维伸长率, E为纤维弹性模量, ρ为纤维密度.

表 1

表 1 PE纤维性能参数 Table 1 The properties of PE fiber l/mm r/μm ft/MPa δ/% E/GPa ρ/(g·cm-3) 12 51 2 900 4 116 0.97

表 1 PE纤维性能参数 Table 1 The properties of PE fiber

本文设计的配合比见表 2, 表中，PE-0、PE-1、PE-1.5、PE-1.8、PE-2分别表示掺量为0%、1%、1.5%、1.8%、2%PE纤维试件，ρ_B为质量浓度.

表 2

表 2 PE纤维水泥基材料配比方案 Table 2 Mix of PE fiber cementitious composite 试件编号 ρB/(kg·m-3) 水泥 水 砂 粉煤灰 硅灰 减水剂 PE纤维 PE-0 450 433 450 1 120 32 3.2 0 PE-1 450 433 450 1 120 32 3.8 9.7 PE-1.5 450 433 450 1 120 32 4.0 14.55 PE-1.8 450 433 450 1 120 32 4.3 17.46 PE-2 450 433 450 1 120 32 4.5 19.4

表 2 PE纤维水泥基材料配比方案 Table 2 Mix of PE fiber cementitious composite

PE纤维水泥基复合材料在Hobart搅拌机中完成搅拌, 首先将胶凝材料和精细砂放入搅拌机中, 慢档搅拌1~2 min, 再将拌和水和减水剂分2次加入搅拌机, 搅拌3~5 min, 待砂浆具有良好的流动性和黏聚力时, 将纤维人工分次加入搅拌机中, 全部加入后搅拌5~8 min, 搅拌完成, 搅拌好的试件具有良好的流动性, 用手触摸未发现明显的结团现象.将搅拌好的拌和体放入相应的铁模具中, 振捣磨平好, 盖上保鲜膜, 待24 h后拆模移至标准养护室中养护, 到相应龄期进行力学性能试验.

根据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》, PE纤维水泥基复合材料立方体抗压试验均采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm尺寸试块, 加载速率为0.4 MPa/s, 如图 1所示；抗折试验采用40 mm×40 mm×160 mm试件尺寸, 试验跨距为120 mm, 跨中点按位移加载, 加载速率为0.5 mm / min, 如图 2所示；四点弯曲薄板试验试件尺寸为400 mm×100 mm×15 mm, 跨度为300 mm, 加载点为跨度三等分点位置, 按位移控制加载, 试验全过程保持加载速率恒定为0.5 mm/min, 试验使用2个位移传感器(LVDT)测量板跨中挠度, 加载如图 3所示；薄板直接拉伸试验采用文献[4]中的方法, 试件尺寸为350 mm×50 mm×15mm, 在试验前24 h用碳纤维布和铝片包裹试件两端100 mm范围, 加固防止端部被挤坏, 加载速率为0.1 mm / min, 实验过程中使用2个位移传感器(LVDT)测量150 mm范围内的变形, 加载如图 4所示.上述实验每组3个试块, 立方体抗压试验在100 T的Instron万能试验机上进行, 其他试验均在25 T的Instron万能试验机上进行, 数据的采集均使用IMC动态采集系统.

图 1

图 1 抗压实验装置图 Fig. 1 Device for compression test

图 2

图 2 抗折试验装置图 Fig. 2 Device for bending test

图 3

图 3 四点弯曲试验装置图 Fig. 3 Device for four-point bending test

图 4

图 4 直接拉伸试验装置图 Fig. 4 Device for uniaxial tension test

PE纤维水泥基复合材料的立方体抗压强度、棱柱体抗折强度结果见图 5, 图中f为抗压或抗折强度, 由图 5可知, 在水泥砂浆基体中添加PE纤维使得得到的PE纤维水泥基复合材料的抗压强度略低于纯砂浆基体的强度, 但其基本上保持在相同或者相近的抗压强度等级, 其原因是在砂浆基体中加入大量纤维, 使得基体的孔隙率增大, 从而使得试件的整体性降低, 所以抗压强度有所降低.而在水泥基材料中添加PE纤维对于材料的抗折强度有着巨幅提升, 当纤维掺量在1%~2%时, 其抗折强度提升超过215%, 当纤维掺量在2%时, 抗折强度提升达到298%, 极大的提升了水泥基材料的抗折性能.其原因是在砂浆机体中掺入PE纤维, 当裂缝产生之后, 由于PE纤维本身的高强高弹模特性以及纤维与基体之间较强的黏结力, 使得试件的承载力会立即恢复到断裂前, 并且上升到一个更高的水平, 因而其抗折强度远高于砂浆的抗折强度.

图 5

图 5 抗压抗折强度与纤维掺量之间的关系 Fig. 5 Relationship between compressive strength, flexural strength and volume ratio of PE fiber

PE纤维水泥基复合材料四点弯曲薄板试验的薄板纯弯段截面最大应力(式1)-跨中位移曲线如图 6所示, σ为弯曲应力, D为跨种位移, 试验结果见表 3.表中，σ_c为弯曲初裂应力，δ_c为初裂应力对应的跨中挠度，σ_u为最大弯曲应力，δ_u为最大弯曲强度对应的跨中挠度.在水泥砂浆基体中添加PE纤维提升了材料的初裂应力, 同时提升水泥基复合材料的弯曲应力, 更加明显地改善了材料的变形能力, PE-0的极限荷载对应的跨中挠度为0.17 mm, 而PE-1、PE-1.5、PE-1.8、PE-2的极限荷载对应的挠度值分别达到20.5、26、27.4、36.2 mm, 达到跨距的6.8 %~12 %, 这说明PE纤维水泥基复合材料具有类似于金属的弯曲变形能力.

图 6

图 6 PE纤维水泥基复合材料弯曲应力-跨中位移图 Fig. 6 Flexural stress-midpoint deflection curve of PE fiber cementitious composite

表 3

表 3 四点弯曲试验应力-挠度关系 Table 3 Stress-deflection relationship of four-point bending tests 试件编号 λc/MPa δc/mm σu/MPa δu/mm PE-0 3.5 0.17 3.50 0.17 PE-1 4.32 0.24 13.59 20.50 PE-1.5 4.50 0.27 15.31 26.00 PE-1.8 5.35 0.27 17.70 27.40 PE-2 5.31 0.26 20.69 36.20

表 3 四点弯曲试验应力-挠度关系 Table 3 Stress-deflection relationship of four-point bending tests

式中：P为Instron试验机采集的荷载数据, L为四点弯曲试验加载跨距, 本次试验为300 mm, b为试件宽度, b=100 mm；h为试件高度, h=15 mm.

PE纤维水泥基复合材料具有如此强的变形能力的原因是PE纤维与基体之间有着很好的桥联作用, 如图 7所示, 当基体开裂时, 裂缝处的PE纤维很好地承担了基体开裂产生的应力, 通过与基体之间的黏结作用传递到周围未开裂的基体, 随着加载的进行纤维传递的应力不断增大, 直至周围基体达到开裂荷载, 新裂缝出现, 重复此过程试件呈现多缝开裂, 当PE纤维与基体间的黏结力低于基体的开裂应力时, 主裂缝开始扩张, 承载能力逐渐下降, 试件达到破坏状态.

图 7

图 7 PE纤维增韧机理 Fig. 7 Toughening mechanism of PE fiber

弯曲韧性是衡量材料弯曲性能的重要参数, 根据试验结果, 参考ASTM标准^[10], 以开裂挠度δ_c对应的弯曲应力-挠度曲线下面积A₀为基准, 分别取5.5δ_c、15.5 δ_c、25.5 δ_c、55.5 δ_c、75.5 δ_c以及峰值弯曲应力时对应的挠度δ_u对应荷载-挠度曲线下的面积与A₀的比值为韧性指标, 并依次记为I₁₀、I₃₀、I₅₀、I₁₀₀、I₁₅₀和I_{(2δu/δc^-1)}, 结果见表 4及图 8.

表 4

表 4 四点弯曲试验的韧性指标 Table 4 Toughness indexes of four-point bending tests 试件编号 I10 I30 I50 I100 I150 I(2δu/δc-1) PE-0 - - - - - - PE-1 10.4 38.7 73.1 209 314 475 PE-1.5 16.3 63.8 119.8 324 490 682 PE-1.8 14.6 54.8 106.4 305 444 636 PE-2 10.30 40.7 79.5 217 327 685

表 4 四点弯曲试验的韧性指标 Table 4 Toughness indexes of four-point bending tests

图 8

图 8 四点弯曲韧性指标图 Fig. 8 Toughness indexes of four-point bending test

式中：I_x为在韧指标，X为对应挠度.

Msdmsn等^[11]根据式(2)来判断材料是否是韧性材料, 当式(2)成立时, 规范判定材料为韧性材料, 由表 4及图 8中可以看出, 当PE纤维掺量大于1%时, PE纤维水泥基复合材料均为韧性材料, 且随着X增加, I_x与X的差值越来越大, 说明当PE纤维掺量在1%~2%时, PE纤维水泥基复合材料均有很好的韧性, 且随着变形的增加, 材料的韧性能力越强.

PE纤维水泥基复合材料的直接拉伸试验结果见图 9, σ_t为截面正应力, ε为应变.从图中可以看出, PE纤维水泥基复合材料能够很好地改善水泥基体的直接拉伸性能, 当纤维掺量在1.5%时, PE纤维水泥基复合材料的直接拉伸有明显的应变硬化效果, 直接拉伸应力比素水泥基复合材料也提高了20%, 当纤维掺量在2%时, 直接拉伸极限应变达到3%, 直接拉伸强度比素混凝土提高了75%.

图 9

图 9 直接拉伸应力-应变曲线 Fig. 9 Uniaxial tension stress-strain curve

此机理大致和弯曲韧性机理相同, PE纤维与基体之前的黏结力产生了很好的“桥联”作用当基体开裂时, 黏结力很好的将力传递到周围基体, 周而复始产生多缝开裂的效果.而直接拉伸应力应变“抖动”厉害是因为PE纤维属于憎水性纤维, 其与基体之间的黏结力不存在化学黏结, 只有机械咬合力, 这导致PE纤维在被拉断或者拔出时所释放的能量相对更大, 因而其曲线应力突降-恢复的幅度会很明显.需要指出的是, 在直接拉伸实验过程中, 由于荷载产生偏心以及两端夹紧力大小难以量化控制, LVDT测量范围外靠近试件端部裂出现大量裂缝, 无法再测量数据上体现, 这也是直接拉伸的曲线应变硬化效果比四点弯曲试验差很多的原因.

PE纤维水泥基复合材料在四点弯荷载作用下的最终破坏模式如图 10所示, 在直接拉伸荷载作用下的最终破坏模式如图 11所示.由图 10可知, 当纤维掺量达到1%以上时, 薄板试件在四点弯曲作用下均是多缝开裂的破坏模式, 从图中可以明显看出随着纤维体积掺量的增加, 裂缝的宽度和裂缝间距均减少, 在试验过程中利用裂缝观测仪观测, 当纤维掺量为2%时, 在弯曲荷载达到最大时最大裂缝宽度在0.15~0.20 mm之间, 纯弯段裂缝开展区域平均间距在1 mm左右.而由图 11可以看出, 拉伸过程中, 试件出现大量近似平行的细微裂缝, 且利用裂缝观测仪对纤维2%体积掺量的试件进行观测, 发现其最大裂缝在0.15 mm左右, 平均裂缝宽度在几十微米的数量级, 达到很好的裂缝控制效果, 且其多缝开裂的性质表明材料有很强的延性.

图 10

图 10 弯曲荷载下最终裂缝形式 Fig. 10 Final cracking model under flexural load

图 11

图 11 直接拉伸荷载下最终裂缝形式 Fig. 11 Final cracking model under uniaxial tension load

为了直观的了解PE纤维的增韧机理, 利用FEI Quanta FEG650场发射环境扫描电镜观测PE纤维在水泥基复合材料中的形貌.如图 12(a)、(b)为PE纤维未受破坏的原始图, 从图中可以看到PE纤维的处理方式为纤维端部采用增大直径的处理方法, 起到“锚固”作用, 纤维体做多节处理, 这样处理可以更好地增强纤维与基体之间的机械咬合黏结力.

图 12

图 12 四点弯曲前后PE纤维微观图 Fig. 12 Micrograms of PE fiber before and after four-point bending test

PE纤维是憎水材料, 其在基体中的破坏形式主要是在受力过程中发生的, 拉拔破坏, 将四点弯曲薄板试件破坏后的试件切割取样, 通过环境扫描电镜进行观测, 发现以下几种典型的破坏类型：PE纤维端部在拉拔过程中发生严重破坏, 如图 12(c)所示, PE纤维在拔出过程中受到严重破坏, 破坏形貌呈“丝”状, 如图 12(d)所示, PE纤维在受力过程中大量被拔出, 留下多道孔道, 如图 12(d)、(e)、(f)所示, PE纤维在受力过程中被拉断, 其断面直接发生明显紧缩, 断面较光滑, 如图 12(f)所示.由此可以判断PE纤维水泥基复合材料获得高强度高弯曲韧性的主要原因是PE纤维在受力过程中发生的明显的拉拔破坏.

本文通过抗压试验、抗折试验、直接拉伸试验、四点弯曲试验研究了PE纤维水泥基复合材料的基本力学性能, 得到如下结论.

(1) 添加PE纤维会降低水泥基复合材料的抗压强度, 但均保持在相同或相邻抗压强度等级, 却可以大幅提升该材料的抗折能力, 当PE纤维体积掺量在1%~2%时, PE纤维水泥基复合材料抗折强度可以提升至素水泥基复合材料的3~4倍.

(2) 由四点弯曲薄板试验可知, 当PE纤维掺量高于1%时, PE纤维水泥基复合材料具有很好的抗裂能力, 薄板试件纯弯段截面最大弯曲应力在13 MPa以上, 极限挠度可达到36.2 mm, 表现出极好的变形能力和弯曲韧性特征.

(3) PE纤维水泥基复合材料具有优越的直接拉伸能力, 当纤维体积掺量超过1.5%时, 不仅PE纤维水泥基复合材料的抗拉能力得到提升, 而且变形表现出明显的应变硬化效果, 其在直接拉伸荷载作用下也有很好的延性和韧性特征.

(4) PE纤维水泥基复合材料在弯曲荷载和直接拉伸荷载作用下的破坏状态都呈现出多缝开裂的效果, 纤维体积掺量在1.8%~2%之间时效果最为显著, 且其在应力达到极限处最大裂缝宽度均不超过0.2 mm, 满足了目前国内相关规范的控裂要求.

(5) 通过环境扫描电镜观察发现, 在四点弯试验过程中, PE纤维的破坏属于拔出型破坏, 进一步分析发现, 拔出过程中断面处的PE纤维破坏既有形貌完好也有被严重拉断, 这也是弯曲试验既有较高弯曲应力又有较好韧性的原因.