高韧性纤维增强水泥基复合材料的抗拉性能

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
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
图 单轴拉伸荷载下不同配比 应力 应变曲线
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
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
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
试验方法
水泥采用京都
水泥 密度为
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
的抗拉应力 应
图 典型
的抗拉应力 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 当第一条
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
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 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
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
年月 文章编号
水利学报
第 卷第期
高韧性纤维增强水泥基复合材料的抗拉性能
清华大学 土木工程系 北京
公成旭 张 君
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
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 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
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
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 变曲线测试结果如图 所示
减少 从而粉煤灰的作用也被减弱 粉煤灰的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 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
由图示结果首先可以看出 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
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
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
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
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