龄期对定向钢纤维增强水泥基复合材料断裂性能的影响*

2021-05-07卿龙邦杨卓凡

工业建筑 2021年1期

卿龙邦杨卓凡慕儒

(河北工业大学土木与交通学院, 天津 300401)

水泥基材料是目前使用最为广泛的建筑材料，其多孔、多相、不均匀，可以通过掺入纤维的方式改善其抗拉强度低、抗裂性差等缺点。钢纤维增强水泥基复合材料具有良好的延性，可以显著提高水泥基体的抗拉性能，延缓宏观裂缝的出现及发展。

普通钢纤维增强水泥基复合材料中的钢纤维是随机分布的，只有部分纤维能有效地发挥作用。通过将钢纤维定向，使其与主拉应力方向一致，即定向钢纤维增强水泥基复合材料，不仅可以增加钢纤维的利用率，而且极大提高了结构的承载力。当前定向钢纤维增强水泥基复合材料相关力学性能的研究已得到国内外众多学者的重视。Abrishambaf等通过单轴拉伸试验，定量地分析了纤维方向对超高性能纤维增强水泥基复合材料拉伸性能的影响[1]。Wijffels等进行三点弯曲梁试验来探究纤维方向对自密实混凝土失稳破坏的影响[2]。Kang等通过三点弯曲梁试验研究了超高性能水泥基复合材料在不同纤维分布方向下的抗弯性能[3]。

由于钢纤维有效地提高了水泥基体的延性，钢纤维增强水泥基复合材料具有良好的阻裂性能，其中断裂性能是钢纤维增强水泥基材料的重要力学性能之一。国内外学者已对钢纤维增强水泥基复合材料经28 d标准养护后的力学性能及断裂性能做了大量的研究[4-12]，但目前关于钢纤维增强水泥基复合材料断裂性能的研究主要集中于随机乱向钢纤维增强水泥基复合材料，而对定向钢纤维增强水泥基复合材料断裂性能的研究尚且不足。

在浇筑及养护过程中，常存在操作不规范、水泥硬化收缩等因素，致使水泥基材料中带有大量微裂缝。受早期水化反应等作用，微裂缝会加剧扩展[13]，其中水化过程明显受龄期的影响。由于材料性能和微观结构是影响结构耐久性的直接原因，龄期对材料微观结构的变化、水泥基材料的性质以及结构的耐久性有着关键的影响，研究龄期对建筑物的施工以及混凝土性能的全面研究有着极其重要的作用。

当前国内外学者对不同龄期混凝土断裂性能的研究已取得了很多成果[14-19]，但关于不同龄期钢纤维增强水泥基复合材料断裂性能的研究相对较少且多集中于随机乱向钢纤维增强水泥基复合材料。孙启林等通过三点弯曲梁和楔入劈裂试验，测定早龄期阶段钢纤维混凝土的抗裂能力，研究钢纤维混凝土在不同养护龄期下承载能力以及抗裂性能的变化规律[20]。Bordelon等通过楔入劈拉试验，探究纤维形式及纤维体积掺量在不同龄期下对纤维增强混凝土的抗弯性能以及断裂性能的影响[21]。Fu等通过对不同龄期、不同纤维掺量的钢纤维混凝土进行三点弯曲梁断裂试验，分析养护龄期及纤维掺量对钢纤维混凝土断裂性能的影响[22]。上述研究仅针对随机乱向钢纤维增强水泥基复合材料，由于龄期定向钢纤维增强水泥基复合材料断裂性能的研究对于分析结构在不同养护阶段的稳定性具有重要作用，而相关研究内容相对缺乏，研究龄期对定向钢纤维增强水泥基复合材料断裂性能的影响有重要的研究价值和实际意义。

本研究通过对不同龄期的定向及随机乱向钢纤维增强水泥基复合材料试件的三点弯曲断裂试验，根据试验获得的荷载-裂缝口张开位移曲线，分析了裂缝扩展全过程，并计算出断裂能，进而研究了龄期对定向钢纤维增强水泥基复合材料断裂性能的影响。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验采用P·O 42.5级水泥，天然河沙，密度为2 500 kg/m3；聚羧酸型减水剂；钢纤维长为30 mm；水灰比为0.36。具体试验配合比见表1，钢纤维参数见表2。试件养护28 d后，测得的水泥砂浆立方体抗压强度为45.4 MPa。

表1 试验配合比设计Table 1 Design of the mix proportion kg/m3

表2 钢纤维材料参数Table 2 Material parameters of steel fiber

1.2 试验设计及试件制备

试验采用带预制缺口的有机玻璃试模，分别制备钢纤维体积掺量为1.2%、2.0%的定向及随机乱向钢纤维水泥砂浆三点弯曲梁试件。为了研究龄期对钢纤维增强水泥基复合材料断裂性能的影响，试件拆模后在标准养护条件下分别养护1,3,7,14,28 d，之后各进行三点弯曲梁断裂试验。试件尺寸均为100 mm×100 mm×400 mm，初始缝高比为0.4，试验简图见图1。试件信息及断裂能见表3。

图1 试件几何尺寸 mmFig.1 Specimen sizes

表3 试件信息及断裂能Table 3 Specimen information and fracture energy

1)试件编号的含义，例如OSFRC-1.2-1表示龄期为1 d、纤维体积掺量为1.2%的定向钢纤维增强水泥基材料，以此类推。2)断裂能增益比 = 纤维掺量为2.0%的钢纤维增强水泥基材料的断裂能 / 相同龄期下纤维掺量为1.2%的钢纤维增强水泥基材料的断裂能。

定向钢纤维水泥砂浆试件(OSFRC)的制备方法可参见文献[23]。

1.3 加载方案

三点弯曲梁试验在SUNS 20 kN万能试验机上进行。试验中，分别通过荷载传感器和夹式引伸仪来测量荷载和裂缝口张开位移，其中荷载传感器、夹式引伸仪的最大量程分别为20 kN、10 mm。在试件预制缝的前、后两侧分别安装夹式引伸仪，将其所测得的裂缝口张开位移取平均值作为最终的裂缝口张开位移。试验采用位移加载，加载速率为0.15 mm/min。

2 试验结果及分析

2.1 荷载-裂缝口张开位移曲线

图2为不同龄期下定向与随机乱向钢纤维水泥砂浆试件(SFRC)的荷载-裂缝口张开位移曲线，可以看出：在不同龄期下，相同类型试件的荷载-裂缝口张开位移曲线趋势均相同，而OSFRC与SFRC的曲线有所不同。在加载初期，主要由水泥基体来承担荷载，其峰值荷载与裂缝口张开位移近似呈现线性增长关系；在峰值应力后，曲线呈现出非线性，桥接在裂缝处的钢纤维承担荷载，OSFRC的曲线斜率变得缓和并稳定地下降，延性得到一定的改善，而SFRC在峰值荷载之后有明显且较陡的下降段，之后再趋于平缓稳定。这是由于OSFRC试件在裂缝处桥接的钢纤维数量高于SFRC试件，其延性得到一定的改善。值得注意的是，在平缓卸载的过程中，SFRC的曲线较OSFRC的更为平稳，曲线斜率较小。

a—1 d; b—3 d; c—7 d; d—14 d; e—28 d。试件编号后的百分数为钢纤维体积掺量。图2 各龄期下试件的荷载-裂缝口张开位移曲线Fig.2 Curves of loading and crack opening development of specimens at different ages

当SFRC试件的荷载-裂缝口张开位移曲线达到峰值荷载时，OSFRC试件的荷载-裂缝口张开位移曲线仍处于上升趋势，峰值荷载明显大于随机乱向试件，这是由于定向试件中的大部分钢纤维方向与拉应力方向一致并均匀分布，其在承载过程中有效承担荷载的钢纤维数量明显多于随机乱向试件，显著提高了水泥基体的阻裂能力。随着龄期的增加，两种材料试件的峰值荷载也随之增加，OSFRC试件相较同纤维掺量的SFRC试件的峰值荷载相差较大，以经7 d养护的试件而言，纤维掺量为1.2%的OSFRC试件较SFRC试件的峰值荷载提高了1.4倍。可以得出，定向钢纤维在提高水泥基材料断裂性能方面充分发挥了钢纤维的增强增韧作用。

对于不同纤维掺量的OSFRC，随着纤维掺量的提高，其承载力也随之相应增加。这是由于在裂缝处，纤维掺量较高的水泥基材料中能有效分担外荷载的钢纤维数量相应多于纤维掺量低的水泥基材料，进而大大提高了水泥基体的承载力。以经14 d养护的试件而言，在纤维掺量由1.2%增加到2.0%时，OSFRC的峰值荷载增加了55.8%。

2.2 弯曲强度

弯曲强度是指材料在弯曲负荷作用下破裂或达到规定弯矩时能承受的最大应力，它反映了材料抵抗弯曲的能力，用来衡量材料的弯曲性能。带预制缺口的三点弯曲梁名义弯曲强度可由式(1)计算：

(1)

式中：S为试件净跨；Pu为试件的峰值荷载；B为试件的宽度；D为试件的高度。

图3给出了相同纤维掺量下的OSFRC和SFRC试件的弯曲强度。可得：OSFRC在7 d龄期内弯曲强度的增长速度较快，在7 d龄期后速度放缓并趋于稳定，而SFRC的弯曲强度随着龄期的增加而不断增长。在7 d养护龄期内，纤维掺量为2.0%、1.2%的OSFRC和SFRC试件第7天较第1天的弯曲强度分别增加了68%、49.7%；40.2%、30.1%，由此可以看出，OSFRC弯曲强度的增长速度明显快于SFRC材料的。

a—2.0%; b—1.2%。图3 相同纤维掺量下不同复合材料试件的弯曲强度Fig.3 The flexural strength of OSFRC and SFRC with the same volume contents of steel fiber

此外，在相同纤维掺量下，OSFRC的弯曲强度显著大于SFRC的。如纤维掺量为2.0%的定向试件，在第14天龄期时，其弯曲强度较同掺量的SFRC试件增加了2.1倍；在第7天龄期时，纤维掺量为1.2%的OSFRC试件的弯曲强度相较SFRC试件的弯曲强度增加了1.4倍，这是由于在水泥基体中掺入钢纤维，可以使纤维与水泥基体有良好的界面黏结能力，有效提高了基体的抗拉性能，延缓宏观裂缝的出现及发展，并且将钢纤维定向，使其与主拉应力方向一致，可以充分发挥钢纤维增强增韧的作用，从而进一步提高材料的弯曲性能。

图4为两种复合材料试件在不同纤维掺量下的弯曲强度，可以看出：在相同龄期内，两种复合材料试件的弯曲强度均呈现出随着纤维掺量的增加而增大的趋势，由于在相同截面处，纤维掺量高的试件相较纤维掺量低的试件纤维的数量更多，在裂缝两侧有较多的纤维桥接来提高材料的弯曲性能。可知，在28 d龄期内，纤维掺量为2.0%、1.2%的OSFRC试件的弯曲强度分别增加了74.6%、60.1%，纤维掺量为2.0%、1.2%的SFRC试件的弯曲强度分别增加了103.7%、63%，由此可得，SFRC试件弯曲强度增长率比同纤维掺量的OSFRC的大。

a—OSFRC; b—SFRC。图4 不同纤维掺量下试件的弯曲强度Fig.4 The flexural strength of specimens with different volume contents of steel fiber

从图4还可以看出：当纤维掺量由1.2%增加到2.0%，在龄期分别为第1,3,7,14,28天时，OSFRC试件的弯曲强度分别提高了43.4%、49.9%、61.0%、55.8%、56.5%，而SFRC试件的弯曲强度分别提高了6.0%、5.3%、14.2%、21.2%、32.3%，可见，纤维掺量由1.2%增加到2.0%时，OSFRC试件的弯曲强度相较同龄期的SFRC试件有更为明显地增加，其增强效果有所提高。对于SFRC试件，随着纤维掺量的增加，弯曲强度虽有增加但增长幅度相对较小。

2.3 断裂能

断裂能GF是指裂缝扩展单位面积所需要的能量，它是表征水泥基材料断裂性能的一个重要参数。根据国际结构与材料研究协会混凝土断裂力学技术委员会标准(RILEM TC50-FMC)的建议[24]，采用断裂功法测定断裂能GF，其简单方便，易于操作，公式如下：

(2)

式中：W0为梁跨中位置上的外荷载所做的功，即荷载-挠度曲线所包围的面积；m为试件质量；g为重力加速度；δmax为梁跨中的最大位移值；Alig为梁的断裂韧带净面积。

根据所得的试验数据，通过式(2)可计算得到不同龄期的OSFRC和SFRC试件的断裂能，如图5所示，各龄期下OSFRC、SFRC试件的断裂能规律与相对应的弯曲强度规律有相似之处。钢纤维增强水泥基材料的断裂能均随着龄期的增加而增加，龄期越长，水泥基材料的抗阻裂能力越高，这是由于随着龄期的增加，水泥基体的强度也逐渐增大，钢纤维从基体中的拔出将消耗更多的能量，钢纤维水泥基材料的断裂能也随之增加。在相同钢纤维掺量下，OSFRC试件的断裂能明显大于SFRC试件。当纤维掺量为2.0%时，在各龄期下OSFRC试件的断裂能相较SFRC试件分别增加了1.83、2.31、2.43、2.51、1.84倍；当纤维掺量为1.2%时，OSFRC试件的断裂能分别增加了1.57、1.82、1.55、1.58、1.09倍，由此可得，相对于较低纤维掺量，较高纤维掺量下的OSFRC试件比SFRC试件的断裂能有更为显著的增加，合理地增加纤维掺量可有效提高水泥基体的抗裂性能。

a—2.0%; b—1.2%。图5 相同纤维掺量下OSFRC、SFRC的断裂能Fig.5 The fracture energy of OSFRC and SFRC with the same volume contents of steel fiber

从图6中可以看出：对于不同纤维掺量的OSFRC、SFRC试件，断裂能随着纤维掺量的增加而增加。当龄期从1 d增加到7 d时，纤维掺量为2.0%、1.2%的OSFRC试件的断裂能分别增加了61%、39%，其断裂能的增长速度较快，这是由于在早期水泥基材料的水化过程较剧烈，水化产物不断填充材料的内部，钢纤维与水泥基体间的界面作用已较为明显，水泥基材料的抗阻裂能力在早龄期内增长迅速。在7～28 d龄期内，OSFRC试件的断裂能增长速度较为缓慢且趋于稳定。对于SFRC试件，其断裂能随龄期的增长而不断增加，呈现逐渐上升趋势，龄期从1 d增加到28 d时，纤维掺量为2.0%、1.2%的试件断裂能分别增长了76%、81%。