2017, Vol. 50文章信息
- 吕林女, 陈垚俊, 肖静, 何永佳, 胡曙光
- LU Linnü, CHEN Yaojun, XIAO Jing, HE Yongjia, HU Shuguang
- PVA纤维增强水泥基复合材料的抗拉性能
- Tensile Performance Of PVA Fiber Reinforced Cementitious Composites
- 武汉大学学报 (工学版), 2017, 50(1): 97-101
- Engineering Journal of Wuhan University, 2017, 50(1): 97-101
- http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8844.2017-01-014
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文章历史
- 收稿日期: 2016-12-25
2. 武汉理工大学理学院，湖北 武汉 430070;
3. 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，湖北 武汉 430070;
4. 武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430070
2. School of Science, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China;
3. State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China;
4. School of Materials Science and Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China
聚乙烯醇 (PVA) 纤维增强水泥基复合材料是通过系统设计、在拉伸和剪切应力下表现出高延展性和优异韧性的纤维增强水泥基复合材料.美国的Victor C.Li等采用微观力学设计方法，掺加体积分数为2%的纤维，就可以得到这种具有超高韧性、高抗拉强度、高抗断裂能力，且最大拉伸应变超过3%等特点的材料[1-3].Victor C.Li教授将其称为工程水泥基复合材料 (Engineered Cementitious Composites, ECC)[4], 国内一般将其称为应变硬化水泥基复合材料 (Strain Hardening Cementitious Composites, SHCC)[5].随着PVA纤维的加入，SHCC在拉伸状态下会呈现出特有的应变-硬化现象.SHCC的应变硬化是一个损伤累积的过程，因此也被成为假应变硬化 (Pseudo Strain Hardening)[6, 7].在单轴拉伸试验下，从开始加载荷到产生第一条裂缝为止，应力-应变曲线保持线性上升，当第一条裂缝出现时，拉伸应力不会下降，而是继续保持上升，只是上升的速率很慢，此阶段就是硬化阶段.在硬化阶段时，SHCC会出现很多条裂缝，靠裂缝处纤维的桥联作用，仍然能保持应力基本不变，裂缝宽度可以保持在60 μm以下[8, 9].
国内外研究表明，粉煤灰的掺入、砂胶比、水胶比和纤维分散条件不同等均能改变SHCC的抗拉性能[10-15].配合比设计是否合理直接影响到SHCC应变硬化和多缝开裂特征的发挥.本实验从配合比设计出发，选用聚乙烯醇纤维作为增强材料，掺入不同等级的粉煤灰材料，采用不同的粉煤灰掺入量、砂胶比和水胶比并控制纤维的分散状况来配制SHCC，研究了上述因素对于其抗拉性能的影响.
1 试验 1.1 试验原材料和配合比纤维采用的是日本KURARAY公司生产的RECS15型PVA纤维，其性能参数如表 1所示；粉煤灰采用的是西塞山火电厂生产的Ⅰ级和Ⅱ级粉煤灰；水泥采用的是华新水泥股份有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥；细砂选用的是湖北双鑫矿粉公司80~120目的石英砂；水为自来水；减水剂为上海三瑞化学有限公司生产的VIVID-500(C型) 聚羧酸高效减水剂，减水率约为40%.配合比如表 2所示.
| 直径/μm | 长度/m | 弹性模量/GPa | 极限延伸率/% | 抗拉强度/MPa | 密度/(g·cm-3) |
| 40 | 12 | 42.8 | 7 | 1 620 | 1.3 |
| 试样编号 | 粉煤灰等级 | 粉煤灰掺量/% | 水泥掺量/% | PVA纤维体积掺量/% | 水胶比 | 砂胶比 |
| SHCC-1 | Ⅱ级 | 40 | 60 | 2 | 0.40 | 0.65 |
| SHCC-2 | Ⅱ级 | 60 | 40 | 2 | 0.40 | 0.65 |
| SHCC-3 | Ⅱ级 | 60 | 40 | 2 | 0.35 | 0.40 |
| SHCC-4 | Ⅱ级 | 60 | 40 | 2 | 0.30 | 0.50 |
| SHCC-5 | Ⅱ级 | 60 | 40 | 2 | 0.30 | 0.45 |
| SHCC-6 | Ⅰ级 | 60 | 40 | 2 | 0.30 | 0.40 |
| SHCC-7 | Ⅰ级 | 60 | 40 | 2 | 0.35 | 0.40 |
| SHCC-8 | Ⅰ级 | 60 | 40 | 2 | 0.40 | 0.40 |
| SHCC-9 | Ⅰ级 | 60 | 40 | 2 | 0.40 | 0.35 |
1) 称料：采用量程为2 kg的电子秤称量所需的各类材料，将称量好的部分水与减水剂混合，并用玻璃棒搅拌均匀；将成团的PVA纤维手工分散从而保证试验过程中纤维的均匀分散.2) 搅拌：采用搅拌筒容量为3 L的行星式砂浆搅拌机，先将称好的粉煤灰、水泥、砂子放入搅拌锅中低速搅拌1 min, 均匀后加入混合好的水和减水剂快速搅拌2 min, 然后沿着搅拌筒旋转方向匀速加入PVA纤维确保均匀分散，高速搅拌4~6 min后，进行试件成型.3) 成型：先将一半的浆体放入模具中，振捣1 min后将剩余一半浆体放入模具中，继续振捣2 min，将表面抹平后，以塑料薄膜覆盖于试样表面.4) 拆模：在成型24 h后拆模.5) 养护：拆模后放入恒温恒湿养护室内养护，温度 (20±2)℃，湿度 (95±2)%.单轴拉伸试验试样采用的是哑铃型试样，模具采用树脂材料制成的模具，试样尺寸如图 1所示.
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| 图 1 试样尺寸 Figure 1 Size of specimens |
单轴拉伸试验使用的设备为Instron5882电子万能材料试验机，试验环境为温度25 ℃，湿度75%.采用位移控制模式，加载速率为0.4 mm/min.拉伸装置包括钢制试样夹具、试样、LVDT、LVDT铝制夹具.LVDT位于试样的两侧，用于测量试样的拉伸应变.采用Keithley2700多通道数据采集仪采集力和位移，数据采集频率为1次/s.
2 结果与讨论 2.1 粉煤灰掺量对SHCC抗拉性能的影响图 2所示的是2种不同粉煤灰掺量 (40%、60%) 且其余参数完全一致的试样SHCC-1和SHCC-2养护28 d时的单轴拉伸应力-应变曲线图.结果显示，随着粉煤灰掺量的增加，SHCC的极限拉伸应变也随之增加，初裂强度和极限拉伸强度则出现降低的情况.由于粒径小、良好的颗粒级配使得粉煤灰具有很好的填充效果，随着粉煤灰掺量的增加，使得SHCC内部结构更加均匀，同时粉煤灰中含有的玻璃球体会依附在PVA纤维表层，改善了纤维与基体界面，减小了界面间的剪切粘结力，提高了SHCC的极限拉伸应变，对SHCC应变硬化性能的提高效果也尤为显著[16].同时，随着粉煤灰掺量的增加，SHCC中水泥含量相应地减少，降低了水泥的水化作用，虽然粉煤灰中的活性成分会与水泥水化所生成的成分发生二次火山灰反应，使得SHCC的内部结构得到很大的改善，提高了SHCC结构的致密性，但是无法弥补由于水泥含量降低所造成的SHCC强度的减小，所以SHCC的极限拉伸强度会随着粉煤灰掺量的增加而降低.
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| 图 2 不同粉煤灰掺量SHCC单轴拉伸应力-应变曲线 Figure 2 Tensile stress-strain curves of SHCC with different fly ash contents |
图 3所示的是配合比完全相同、分别用Ⅰ级和Ⅱ级粉煤灰成型的试样SHCC-3和SHCC-7养护28 d时的单轴拉伸应力-应变曲线图.结果显示，使用Ⅰ级粉煤灰成型的SHCC-7相对于使用Ⅱ级粉煤灰成型的SHCC-3，前者的极限拉伸强度和极限拉伸应变都要优于后者.粉煤灰中的SiO2、Al2O3等活性成分与水泥水化析出的成分发生二次火山灰反应，生成具有胶凝性的水化硅酸钙与水化铝酸钙，增加了SHCC结构的致密性，提高了基体的强度.而Ⅰ级粉煤灰中SiO2、Al2O3的含量大约为77%，明显高于Ⅱ级粉煤灰中55%的SiO2、Al2O3含量[16].其次Ⅱ级粉煤灰含碳量高，粉煤灰胶凝活性会随未燃碳含量的增多而减小，从而弱化与二次火山灰反应.最后，Ⅰ级粉煤灰的粒径相对于Ⅱ级粉煤灰来说较小，密度高分布广，良好的颗粒级配对浆体的填充效果好，对填充水的需求量也减小.通过X射线衍射分析也得到，Ⅰ级粉煤灰中的玻璃球体状颗粒含量比Ⅱ级粉煤灰高[17]，玻璃球体具有较好的分散与润滑性能，能够改善纤维与基体界面，玻璃球体的含量越多，其起到的改善纤维与基体界面的效果就越好，从而提高SHCC的极限拉伸应变.
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| 图 3 Ⅰ级、Ⅱ级粉煤灰SHCC单轴拉伸应力-应变曲线 Figure 3 Tensile stress-strain curves of SHCC with fly ash grades Ⅰ and Ⅱ |
图 4所示的是水胶比为0.3、0.35、0.4，其余参数完全一致的3种试样SHCC-6、SHCC-7和SHCC-8养护28 d时的单轴拉伸应力-应变曲线图.结果显示，随着水胶比的增大，SHCC的极限拉伸强度逐渐减小，极限拉伸应变逐渐增大，当SHCC的水胶比从0.3增加到0.35和0.4时，极限拉伸应变分别提高了100%和160%左右.水胶比对SHCC强度的影响较大，较高的水胶比会增加基体的孔隙率，从而降低纤维和基体界面处的粘结力和基体的弹性模量，进而降低SHCC的初裂强度和极限拉伸强度.但是较低的水胶比会增加基体的断裂韧度，不利于SHCC应变硬化特性的发挥[18].所以相对而言，水胶比较低的SHCC的拉伸应变会相对较低.同时，较低的水胶比还会降低SHCC的流动性，不利于成型.综合而言，应该控制水胶比在一个合理的范围内.
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| 图 4 不同水胶比SHCC单轴拉伸应力-应变曲线 Figure 4 Tensile stress-strain curves of SHCC with different water to binder ratios |
图 5所示的是砂胶比为0.45和0.5、水胶比为0.3、粉煤灰采用的是Ⅱ级粉煤灰且其余参数完全一致的2种试样SHCC-4和SHCC-5养护28 d时的单轴拉伸应力-应变曲线图.图 6所示的是砂胶比为0.35、0.4，水胶比为0.4，粉煤灰采用的是Ⅰ级粉煤灰且其余参数完全一致的2种试样SHCC-8和SHCC-9养护28 d时的单轴拉伸应力-应变曲线图.从图 5、图 6中都可以明显观察到随着砂胶比的增大，SHCC试样的初裂强度逐渐增大，这是因为随着SHCC中砂量的增加，基体的抗拉强度和弹性模量也会相应地提高；同时，具有较为明显应变硬化和多缝开裂特征的试样的极限拉伸强度较高，这也解释了当砂胶比减小时也会出现试样拉伸强度增大的情况.相对而言，砂胶比对SHCC试样应变能力的影响更为明显：使用Ⅱ级粉煤灰的SHCC，当砂胶比从0.45降低到0.4时，极限拉伸应变提高了70%左右；使用Ⅰ级粉煤灰的SHCC，当砂胶比从0.4降低到0.35时，极限拉伸应变有大幅提高，提高了160%左右.随着砂胶比的减小，SHCC试样的极限拉伸应变逐渐变化，且变化幅度较大.这是因为细砂会改变纤维和基体的界面特性，当细砂含量减少，纤维与基体的界面特性更利于SHCC应变硬化和多缝开裂特性的发挥.
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| 图 5 不同砂胶比SHCC单轴拉伸应力-应变曲线 Figure 5 Tensile stress-strain curves of SHCC with different sand to binder ratios |
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| 图 6 不同砂胶比SHCC单轴拉伸应力-应变曲线 Figure 6 Tensile stress-strain curves of SHCC with different sand to binder ratios |
试样中部80 mm等截面区为变形与裂缝观测区，图 7为经过单轴拉伸试验的试样SHCC-8与SHCC-9的裂缝图片和局部放大的裂缝图片.从图中可以明显观察到，SHCC-9的裂缝均匀分布整个区域，而SHCC-8的裂缝只是均匀分布在局部区域，SHCC-9的多缝开裂特征更为明显，与SHCC-9具有更高的拉伸应变相符.
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| 图 7 SHCC-8与SHCC-9裂缝图 Figure 7 Cracks of SHCC-8 and SHCC-9 |
PVA纤维在SHCC中能够均匀分散是SHCC具有良好的性能的一个重要前提.在选择配比时，可以通过选择合适的水胶比使PVA纤维能够更好地分散；在成型过程中，可以通过确定合理的投料顺序、增加物料的搅拌时间等来控制纤维的良好分散.但这些方法都要控制在合理的范围内，否则会起到相反的作用.在降低水胶比的同时，拌合物的流动性能势必会下降.经过试验证明，需要将拌合物的流动度保持在170以上.在此，我们选择2种不同流动度的SHCC-8试样，并对其经过单轴拉伸试验后的断截面进行分析，宏观地了解PVA纤维在SHCC中的分散情况.图 8为试样SHCC-8-1和试样SHCC-8-2的断截面图.图 9为2个试样的单轴拉伸应力-应变曲线图.由图 8可见，SHCC-8-1断截面处有明显团簇的纤维且呈拉出状的纤维很少；SHCC-8-2断截面处的纤维分散明显且大部分呈拉出状，表明纤维在拉伸试验中更多的是被拉出而不是拔断，这有利于应变硬化和多缝开裂特征的发挥.由图 9可见，SHCC-8-2的拉伸性能远优于SHCC-8-1.这说明对于同样配比的SHCC试样，纤维的分散对于其抗拉性能的影响明显，纤维的均匀分散是SHCC具有良好拉伸性能的一个重要前提.
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| 图 8 SHCC-8-1与SHCC-8-2断截面图 Figure 8 Cross-sections of SHCC-8-1 and SHCC-8-2 |
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| 图 9 SHCC-8-1和SHCC-8-2的单轴拉伸应力-应变曲线 Figure 9 Tensile stress-strain curves of SHCC-8-1 and SHCC-8-2 |
1) 粉煤灰替代部分水泥会降低SHCC的抗拉强度.随着粉煤灰掺量的增加，SHCC应变硬化和多缝开裂特性可以更好地发挥.
2) 在相同掺量下，Ⅰ级粉煤灰相较于Ⅱ级粉煤灰而言，能使SHCC具有更好的拉伸性能.
3) 随着水胶比的增加，SHCC的初裂强度和极限拉伸强度会降低，但其极限拉伸应变会大幅提升.当SHCC的水胶比从0.3增加到0.35和0.4时，极限拉伸应变分别提高了100%和160%左右.较低的水胶比不利于SHCC应变硬化和多缝开裂特性的发挥.
4) 随着砂胶比的减小，SHCC的初裂强度和极限拉伸强度会降低但幅度不大，极限拉伸应变将会增大.使用Ⅱ级粉煤灰的SHCC，当砂胶比从0.45降低到0.4时，极限拉伸应变提高了70%左右；使用Ⅰ级粉煤灰的SHCC，当砂胶比从0.4降低到0.35时，极限拉伸应变有大幅提高，提高了160%左右.较小的砂胶比更利于SHCC应变硬化和多缝开裂特性的发挥.
5) 纤维均匀分散是SHCC具有良好拉伸性能的一个重要前提.
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