玄武岩纤维高延性水泥基复合材料的动态力学性能*

2020-06-30徐名凤马国伟

爆炸与冲击 2020年5期

张娜，周健，徐名凤，李辉，马国伟

（1. 河北工业大学土木与交通学院，天津 300401；2. 陆军军事交通学院国防交通系，天津 300161）

20 世纪末，Li 等[1]、Maalej 等[2]利用断裂力学和微观力学原理，最早提出以乱向短纤维增强水泥基材料制备出高延性水泥基复合材料，并将其命名为ECC (engineered cementitious composites)。纤维在水泥基复合材料中主要起到阻裂、增强和增韧的作用,使得该材料具有独特韧性、多缝开裂、应变硬化等特征，成为土木工程材料领域研究的热点。徐世烺等[3-4]、刘问[5]运用国产胶凝材料制备出拉伸应变达到3% 的超高韧性水泥基复合材料，其极限裂缝间距平均为0.8～2.5 mm。Yang 等[6-7]、Maalej 等[8]、Zhang 等[9]、Mechtcherine 等[10]和Soe 等[11]先后研究发现，ECC 抗冲击性能明显优于普通混凝土和纤维混凝土。

而现有的ECC 主要以聚乙烯（PE）纤维[12]、聚乙烯醇（PVA）纤维[13-14]和聚丙烯（PP）纤维[15]等合成纤维为增强增韧组分，上述纤维均为有机纤维。玄武岩纤维作为一种环保无机纤维，以火山岩为原料，通过1 450～1 500 ℃的熔融，经过漏板拉丝工艺而成，具有热稳定性好、强度高、摩擦因数稳定等特点。目前对玄武岩纤维混凝土研究较多，成涛华等[16]、葛浩军[17]通过改变玄武岩纤维掺量、纤维长度研究了掺入玄武岩纤维对混凝土的工作性能和力学性能的影响；Sun 等[18]研究了不同纤维含量、纤维长度的玄武岩纤维增强混凝土的力学性能，并通过多尺度数值模拟验证了该材料的力学性能。李为民等[19]、朱涵等[20]研究了玄武岩纤维混凝土的动态力学性能和冲击力学性能。Zhang 等[21]等通过分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)试验研究了6 种体积含量的玄武岩纤维混凝土在不同高应变率下的冲击行为，分析了体积分数和应变速率对动态抗压强度和韧性的影响，并探讨了其本构模型。综上试验结果均表明：玄武岩纤维能够有效提高混凝土的动静态力学性能，但将玄武岩纤维添加到水泥基材料中呈现多缝开裂、拉伸应变硬化等特征未见报道。

本文中，将玄武岩纤维掺入水泥基复合材料中，对其进行静态压缩、拉伸试验，通过调整配比得到具有应变硬化、多缝开裂等特征的玄武岩纤维高延性水泥基复合材料（basalt fiber engineered cementitious composites, BF-ECCs）。在静态力学性能研究的基础上，利用 ∅ 50 mm 变截面SHPB 试验装置对不同玄武岩纤维掺量的水泥基复合材料进行动态压缩试验和动态劈裂试验，以期获取BF-ECC 的动态力学性能，为其在抗爆抗冲击领域的应用奠定理论基础。

1 试验材料及方法

1.1 试验原材料及配合比

试验原材料包括鸭牌铝酸盐水泥（CAC）、硅灰（SF）、粉煤灰（FA）、山西晋投玄武岩纤维、聚羧酸减水剂和水。水泥、粉煤灰和硅灰化学成分的质量分数如表1 所示，试验材料配合比如表2 所示，φ 为玄武岩纤维体积分数。玄武岩纤维的长度为9 mm, 直径为14.1 µm，密度为2.695 g/cm3，抗拉强度为2.23 GPa，弹性模量为85.8 GPa，断裂伸长率为2.85%。

表 1 主要原材料中不同化学成分的质量分数Table 1 Mass fractions of different chemical ingredients in main raw materials

表 2 不同试样的材料质量配合比Table 2 Material mix proportions in the different specimens

1.2 试样制作

图 1 单轴拉伸试样尺寸Fig. 1 Dimensions of specimens used in uniaxial tensile tests

试样制作时，将全部胶凝材料（CAC、SF、FA）混合均匀倒入搅拌锅中，加入减水剂、水，低速搅拌1 min，高速搅拌2 min，使浆体流动度达到要求。然后均匀加入玄武岩纤维，搅拌2 min，将浆体倒入模具。将模具放到振动台振动2 min 振实抹平，24 h 后拆模，进行标准养护28 d。静态压缩试验和SHPB 试验试样均采用圆柱形试样，尺寸为 ∅ 50 mm×25 mm，并磨平处理，两端面平行度不大于0.05 mm。静态拉伸试验试样采用哑铃形试样，试样抗拉标距[22]为80 mm，宽度为30 mm，厚度为12.7 mm，拉伸试样尺寸如图1 所示。

1.3 静态力学试验

静态压缩试验采用MATEST 试验机,如图2 所示，以3×10−5s−1的应变速率施加单轴压缩载荷；拉伸试验采用SANS 万能试验机,如图3 所示，将试样固定在2 个拉伸夹头之间，用万能试验机拉伸夹头对带有引伸计的试样施加(50±10) N 的力，以4×10−5s−1的应变速率施加单轴拉伸载荷。

图 3 静态拉伸试验Fig. 3 Static tensile test

图 2 静态压缩试验Fig. 2 Static compression test

1.4 动态压缩试验

本试验采用 ∅ 50 mm 直锥变截面SHPB 试验装置，试验设备如图4 所示，试样安置如图5 所示。对3 种不同纤维掺量的试样每种进行4 种应变率（从低到高为第1、2、3、4 应变率）的动态压缩试验，通过调节弹速和波形整形器控制入射波来实现不同应变率的加载。

采用经典两波法得到试样在特定应变率下的应力-应变曲线，公式如下：

式中：σs(t)为试样应力，E、A0、c0分别为压杆弹性模量、横截面面积和弹性波速，As、ls分别为试样的初始横截面面积和初始长度，εi(t)为入射波，εtran(t)为透射波，εs(t)为试样应变，(t) 为试样应变率。

图 4 SHPB 试验装置Fig. 4 SHPB experimental device

1.5 动态劈裂试验

为了减小应力集中的影响，试样圆周面通过钢制圆弧垫块夹在入射杆和透射杆之间接触，所有接触面涂抹凡士林减小摩擦。压杆应变片位置与动态压缩试验中的完全相同。劈裂强度计算沿用静态弹性力学对心圆盘解：

式中：fd,ten为劈裂强度，h 为试样高度，d 为试样直径，σtran为压杆透射波最大应力。

2 试验结果与讨论

2.1 静态压缩和拉伸试验结果与讨论

不同纤维掺量试样的静态压缩和拉伸试验结果如表3 所示,表中fsta,c为静态抗压强度，fsta,ten为静态抗拉强度，εlim,ten为极限拉伸应变。从表3 可以看出，随着玄武岩纤维掺量的增加，试样抗压强度和抗拉强度均呈现提高的趋势。与BF0%试样相比，BF2%、BF3%试样抗压强度分别提高6.3%、12.9%，抗拉强度分别提高14.5%、19.4%。同时，拉伸试验测得BF2%、BF3%试样极限拉伸应变分别达到0.2%、0.66%，如图6 所示。根据《JC/T 2461-2018 高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》[22]，3%玄武岩纤维掺量的水泥基复合材料具有高延性纤维增强水泥基复合材料的特点，因此BF3%试样配比材料为BF-ECC。

2.2 动态压缩试验结果与讨论

2.2.1 动态压缩试验结果与破坏形态

图 5 动态压缩试验Fig. 5 Impact compression test

表 3 静态抗压和抗拉强度Table 3 Static compression and tensile strength

图 6 不同玄武岩纤维掺量试样静态拉伸应力-应变曲线Fig. 6 Static tensile stress-strain curves of specimens with different volume fractions of basalt fiber

不同纤维掺量试样在4 种应变率ε0下的动态抗压强度fd,c和峰值应变εlim,c如表4 所示。表4 显示：(1)随着应变率的升高，不同纤维掺量试样的动态抗压强度均提高，而破坏应变均先减小后增大；(2)在相近应变率下，随着纤维掺量的增加，试样动态抗压强度提高；(3)在第1 应变率下，随纤维掺量的增加，试样破坏应变增大；在第3、4 应变率下，随纤维掺量的增加，试样破坏应变减小。

图7 所示为不同纤维掺量试样在第2 应变率下的破坏形态，得到纤维掺量从0% 增加到2%、3%，试样破坏从碎成小块、碎成大块到粘连未碎成大块，说明纤维起到桥接作用，阻碍水泥基材料试样破碎。

图 7 第2 应变率下试样的破坏形态Fig. 7 Failure modes of specimens at their corresponding second strain rates

2.2.2 动态压缩应力-应变曲线

不同纤维掺量试样在不同应变率下的应力-应变曲线如图8 所示，试样在受力变形过程中：首先是线弹性阶段，而后应力继续升高，达到峰值应力；在达到峰值应力后，进入卸载段，进一步压缩，玄武岩纤维与水泥基材料基体同时受力，纤维起到明显的桥接作用，因此，出现较长的应力平台，并随着玄武岩纤维掺量的增大，应力-应变曲线的卸载段应力平台增长，应力下降减慢。

图 8 不同玄武岩纤维掺量试样应力-应变曲线Fig. 8 Stress-strain curves of specimens with different basalt fiber contents

从应力-应变曲线形态看到，BF3%试样在第1、2 应变率峰值区域出现曲率显著较小的圆弧顶，在第3、4 应变率时消失，说明中应变率下试样变形小于或相当于裂纹扩展速度，纤维对基体有增韧效果；在较高应变率下，强度随应变率升高而提高，到达峰值时，已远远超过纤维和基体间的结合力，纤维加入试样产生的缺陷导致基体迅速坍塌，一直到缺陷压密后部分纤维恢复增韧，即出现较长的卸载平台。在较高应变率时BF2%和BF3%试样变化趋势相同。

2.2.3 动态抗压强度与应变率的关系

将各组试样在4 组应变率下的有效动态抗压强度汇总求得平均值，如图9 所示。从图9 可以发现，随着应变率的变化，不同纤维掺量试样的动态抗压强度上升趋势有所不同：（1）随着应变率的上升，3 种纤维掺量的试样动态抗压强度均呈现上升的趋势。（2）在第1 应变率下，3 种纤维掺量试样的动态抗压强度相差不大；在第2、3、4 应变率下，3 种纤维掺量试样的动态抗压强度相差较大。（3）随应变率的升高，BF0%、B F 2% 试样动态抗压强度增幅逐渐减小，BF3%试样动态抗压强度增幅在前3 种应变率时逐渐增大，到第4 应变率时增幅变小。

图 9 不同应变率下试样的动态抗压强度Fig. 9 Dynamic compressive strengths of specimens at different strain rates

2.2.4 动态强度增长因子与应变率的关系

动态抗压强度增长因子θc（dynamic increase factor of compressive strength, DIFCS）是指材料的动态抗压强度和准静态抗压强度的比值，反映了材料动态抗压强度的增幅，其计算公式为：

对普通水泥混凝土，根据CEB-FIP（2010）[23]计算公式得到其动态抗压强度增长因子：

通过不同纤维掺量试样动态抗压强度与静态抗压强度比值计算，根据该公式计算得到的DIFCS 与应变率关系曲线并进行拟合如图10 所示。对于普通水泥混凝土，由CEB-FIP(2010)[23]计算得到，随应变率的升高其动态抗压强度提高显著。而对于BF0%、BF2%、BF3%的试样，随着应变率的升高，试样动态抗压强度也呈现提高趋势，但提高速度与普通水泥混凝土相比较小。随着纤维掺量增加到3%，试样动态抗压强度提高速度变化趋势不明显，说明BFECC 试样动态抗压强度对应变率的敏感性较低。

2.3 动态劈裂试验结果与讨论

图 10 动态抗压强度增长因子与应变率的关系Fig. 10 Relation of dynamic increase factor of compressive strength to strain rate

2.3.1 动态劈裂试验结果

不同玄武岩纤维掺量试样动态劈裂试验的应变率ε0和劈裂强度fd,ten如表5 所示，部分试样破坏状况照片如图11 所示。

表 5 动态劈裂试验结果Table 5 Dynamic splitting test results

图 11 不同纤维掺量试样在其第1 动态劈裂应变率下的破坏形态Fig. 11 Failure modes of BF-ECC specimens with different fiber volume fractions at their corresponding first dynamic crack strain rates

2.3.2 动态劈裂强度与应变率的关系

将各组试样在3 组应变率下的有效动态劈裂强度汇总求得平均值，如图12 所示。从图12 可以看出，随着应变率的变化，不同纤维掺量试样的动态劈裂强度上升趋势有所不同：（1）随着应变率的上升，3 种纤维掺量的试样动态劈裂强度均呈现上升的趋势。（2）在相近应变率时，BF3% 试样的动态劈裂强度明显大于BF2%试样，且大于BF0%试样；在不同应变率时，BF3%试样的动态劈裂强度明显大于BF2%试样，且大于BF0%试样。说明在拉伸状态下纤维增强作用显著。

2.3.3 动态强度增长因子与应变率的关系

不同纤维掺量试样动态劈裂强度呈现出应变率敏感性的特点。为分析不同玄武岩纤维掺量试样的动态劈裂强度在不同应变率下的变化趋势，将各组试样在3 组应变率下的有效劈裂拉伸强度进行了汇总，如图11 所示。与动态压缩类似，定义动态劈裂强度增强因子θten(dynamic increase factor of tensile strength, DIFTS):

图 12 不同应变率下试样的动态劈裂强度Fig. 12 Dynamic tensile strengths of specimens at different strain rates

对于普通水泥混凝土，按照CEB-FIP(2010)[23]方程计算劈裂强度动态增长因子，得到DIFTS 与应变率的关系：通过计算并进行线性拟合，得到DIFTS 与应变率的试验与拟合关系如图13 所示。对于普通水泥混凝土，根据CEB-FIP（2010）[23]，得到随应变率的升高其劈裂拉伸强度提高不太显著。而对于BF0%、BF2%、BF3%试样，随应变率的升高，其劈裂拉伸强度均呈现提高趋势，但提高速度随着纤维掺量的增加，先减小后增大，BF3%试样提高速度上升明显。这说明BF-ECC 中纤维起到很好的桥接作用。

2.4 静态试验与动态试验结果讨论

图 13 动态劈裂强度增强因子与应变率的关系Fig. 13 Relation of dynamic increase factor of tensile strength to strain rate

基于静态压缩试验、静态拉伸试验，通过动态压缩试验、动态劈裂试验，并与静态试验结果比较，BF3% 试样从准静态到中等应变率范围内，其压缩强度、拉伸强度均随应变率的升高而提高，且在准静态拉伸试验中3%纤维掺量试样的极限拉伸应变达到0.66%，属于高延性纤维增强水泥基复合材料。

对比分析动态压缩试验结果与动态劈裂试验结果，得到：（1）随纤维掺量的增加，试样的动态抗压强度、动态劈裂强度均随应变率的升高而提高。（2）随纤维掺量的增加，试样的动态劈裂强度提高幅度大于动态抗压强度的提高幅度，说明在动态拉应力作用下纤维的桥接作用明显。（3）随纤维掺量的增加，试样的动态抗压强度增长因子随应变率变化不大，且拟合曲线斜率较接近；而试样的动态劈裂强度增长因子随应变率的变化明显，且拟合曲线斜率呈现先减小后增大的趋势，说明纤维掺量对劈裂强度有显著的增强效果。