基于DIC的工程水泥基复合材料弯曲损伤分析

闫清峰 张纪刚,2 张 敏 赵 迪 杨 冉

(1青岛理工大学土木工程学院, 青岛 266520)(2山东省高等学校蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心, 青岛 266033)

工程水泥基复合材料(ECC)是由Li等[1-2]基于断裂力学和微观力学设计而得,其力学性能可以通过改变其材料成分进行定制,其极限强度明显大于初裂强度,同时拉伸应变能力高达3%～8%,是普通混凝土的300～800倍[3-5].ECC在拉伸荷载作用下具有多缝开裂和应变硬化行为,同时具有较好的裂缝宽度控制能力,裂缝宽度一般控制在100 μm以下[6-9],使材料具有良好的耐久性,可用于海洋等侵蚀环境中.许多学者对ECC在不同养护龄期、养护环境、纤维类型及粉煤灰掺量下的力学性能进行了研究[10-16],分析了不同影响因素对ECC力学性能的影响机理,为ECC的推广运用提供了一定的理论支持.

目前关于粉煤灰掺量对ECC弯曲损伤和开裂特征影响的研究较少,本文通过DIC技术对不同粉煤灰掺量下ECC的弯曲性能和损伤特征进行研究,实现了ECC弯曲加载过程中试样全场应变的可视化,同时提出利用开裂面积比、分形维数及裂缝宽度分别表征ECC的损伤程度及开裂参数,为以后ECC用于实际工程提供一定的借鉴.

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

试验材料包括P·O 42.5级普通硅酸盐水泥、Ⅰ级粉煤灰和粒径小于0.2 mm的石英砂；纤维采用日产PVA纤维,材料性能参数见表1.纤维按照体积分数2%掺加到材料中.水为实验室用水.为了使纤维能够达到随机均匀分布,采用聚羧酸高效减水剂(SP)改善材料的流动性.

表1 PVA纤维的材料性能

1.2 配合比

粉煤灰和水泥总用量为1 200 kg/m3,其中粉煤灰质量分别为水泥质量的1.2、1.5和2.0倍,并将对应的试件分别命名为E1.2、E1.5和E2.0,其配合比见表2.此外，利用高效减水剂改善混合物的流动性,便于纤维均匀分散,不同材料中减水剂具体用量如表2所示.

表2 ECC材料配合比 kg/m3

1.3 试样制备

首先,将水泥、粉煤灰和石英砂低速干拌2 min;然后加入水和高效减水剂混合液低速拌和4 min,随即缓慢加入PVA纤维,低速拌和1 min后再高速拌和2 min;为了便于纤维均匀分散在浆体中,最后再低速拌和1 min.拌和结束后浇筑振捣,试样成型24 h后拆模,并将试样放置在标准养护室中养护至试验龄期.

1.4 试验方法

1.4.1 直接拉伸试验

哑铃形试样用于研究ECC试样的直接拉伸性能[17].利用日本岛津生产的万能试验机以0.1 mm/min加载速率对试件持续加载,直到试样失效才停止加载,加载过程中利用试样两侧的LVDT进行位移采集.

1.4.2 压缩试验

根据《水泥胶砂强度检测方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999),利用棱长为70.7 mm的立方体进行ECC抗压试验,在300 kN抗折-抗压试验机上进行抗压试验,加载过程采用力控制,控制加载率为2.4 kN/s,得到不同粉煤灰掺量下ECC的抗压性能.

1.4.3 三点弯曲试验

利用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体试样进行三点弯曲试验,同样利用日本岛津生产的万能试验机进行三点弯曲试验,加载过程采用位移控制,控制加载速率为0.1 mm/min,直到试样失效.

1.4.4 DIC测量

利用工业相机对试样三点弯曲加载过程进行拍摄记录.利用黑白哑光漆对ECC试样表面喷射随机、均匀分布的散斑[18-19].试验开始前,利用工业相机拍摄一张图片作为分析的参考图片,然后开启试验机进行试验.试验过程中相机采集速率设定为1帧/s,在进行DIC分析前,利用标定软件对图片进行标定,然后利用数字图像相关技术对拍摄照片进行相关分析,得到加载过程中试样表面全场应变演化及裂缝产生和扩展形式.

2 结果与分析

2.1 直接拉伸性能

根据直接拉伸试验获得的荷载-位移曲线,分析得到不同粉煤灰掺量ECC的拉伸性能参数.E1.2、E1.5和E2.0的初裂荷载分别为1.639、1.643、1.499 kN,峰值荷载分别为2.411、2.300、2.001 kN,而3种ECC的弹性模量分别为13.59、13.91、10.77 GPa.可看出,随着粉煤灰掺量的增加,ECC的峰值拉伸荷载逐渐降低,这是由于在本试验所有ECC材料中,粉煤灰和水泥的总量相同,在水胶比不变的情况下,当粉煤灰掺量增加时会导致水泥掺量减少,使得材料中水与水泥的比值增加,进而造成材料强度降低.

2.2 抗压性能

表3给出了不同粉煤灰掺量下砂浆和ECC的压缩试验结果.可看出,随着粉煤灰掺量的增加,材料的抗压强度逐渐降低,当粉煤灰与水泥质量比从1.2增加到1.5和2.0时,抗压强度分别降低1.48%和20.52%,即随着粉煤灰掺量的增加,抗压强度的降低幅度逐渐增大.这是由于仅有小部分粉煤灰在早期发生水化,大部分粉煤灰在材料内部只起填充作用,因此ECC早期抗压强度主要由水泥的水化产物提供,但随着粉煤灰掺量的增加,单位体积内水泥用量减少,导致材料水灰比增加,进而使材料抗压强度降低.

表3 不同ECC的抗压强度

2.3 三点弯曲性能

2.3.1 强度-位移曲线

为了研究粉煤灰掺量对ECC抗折性能的影响,本文利用三点弯曲试验得到不同粉煤灰掺量下ECC弯曲强度-位移曲线以及断裂能和弯曲韧性结果,如图1和表4所示.其中，断裂能为峰值弯曲强度曲线下的面积,弯曲韧性为峰值位移与开裂位移的比值.从图1(a)可以看出,强度-位移曲线均出现应力波动,即所有试样均表现出应变硬化特点,且随着粉煤灰掺量的增加,应力波动增多.文献[14,16]指出,随着粉煤灰掺量增加,材料强度逐渐降低,同时材料初裂强度主要与水泥基材料基体有关.但在本研究中随着粉煤灰掺量的增加,ECC初裂和峰值强度先增加后减小,这说明粉煤灰和纤维对材料弯曲性能均存在影响,故材料的初裂强度不仅与基体强度有关,而且与纤维也存在一定关系.从图1(b)可以看出,E1.5试样的初裂弯曲强度分别为E1.2和E2.0试样的1.07倍和1.22倍,同时初裂强度与挠度变化趋势相同,但峰值位移随着粉煤灰掺量的增加而不断增大,E1.2、E1.5和E2.0试样的峰值位移分别为0.505、0.849、0.900 mm,表明粉煤灰能够较好地改善材料的变形性能.

(a) 弯曲强度-位移曲线

从表4可以看出,随着粉煤灰掺量的增加,ECC的断裂能和弯曲韧性增加,E1.2试样的断裂能为2.54 kJ,E1.5和E2.0试样的断裂能为E1.2试样的2.17倍和2.44倍,说明随着粉煤灰掺量的增加,试样的耗能能力增加.E1.2试样的弯曲韧性为1.146,

表4 断裂能和弯曲韧性

而E1.5和E2.0试样的弯曲韧性分别为1.68和2.394,与E1.2相比增幅分别为43.11%和108.9%,且随着粉煤灰掺量的增加,增幅明显增大,表明试样抵抗变形的能力随着粉煤灰掺量的增加而增强.

2.3.2 水平应变云图

为了直观地表征试样在弯曲荷载作用过程中水平应变εx的变化情况,本文利用DIC技术对试样整个弯曲加载过程的应变变化情况进行分析,结果如图2所示.图中σ为试样所受应力,红色区域表示正向应变,紫色区域表示负向应变.从图2可以看出,对于相同粉煤灰掺量的试样,其正应变随着强度的增加而增大,同时在强度较小时,试样表面橙色和紫色区域面积较小；随着强度的增加,试样表面黄绿色区域逐渐扩展,同时橙色区域的应变值增加.分析认为,由于试样内部存在一些微缺陷(微裂纹、微孔隙等),在弯曲荷载作用下,微缺陷区域出现应力集中,进而导致微缺陷位置处应变较大,随着荷载的继续增加,微缺陷逐渐演化为微裂纹.在强度为8.2 MPa时,试样表面出现明显的应变集中,而在其他区域应变变化较小,当试样失效时,裂纹位置处的散斑出现破坏,同时其周边的云图颜色较为单一,这是由于荷载主要用于裂缝的形成和扩展,使得试样表面应力得到释放,进而使其他位置的应变较小.

(a) σ=(3.28±0.2) MPa

比较弯曲荷载作用下不同粉煤灰掺量ECC的应变演化,可知在弯曲荷载作用下试样弯曲水平应变云图发展规律大体相近,均表现为如下过程：不同颜色区域相间分布→紫、橙色区域逐渐扩展→应变集中形成竖向裂纹区域→裂缝区域逐渐明显→峰值应变区域→散斑破坏形成宏观裂缝.

2.3.3 竖向应变云图

图3给出了不同粉煤灰掺量下ECC在弯曲荷载作用下试样竖向应变εy的云图演化过程.由图可见,3种试件在加载初期应变云图形式相近,试样中部应变云图为黄绿相间,应变较小,而试样上下两端面应变云图为紫、橙相间,应变相对较大；随着强度的增加,试样中间位置黄绿色区域颜色不断加深,同时上下端面的紫橙色区域逐渐扩展,表明随着强度的增加,试样端面应变不断增加；而在试样上端面的紫色区域要明显大于下端面的紫色区域,这主要是由于试样上端面处于受压状态,此时试样下端面处于受拉状态,故两端面紫色和橙色区域面积明显不同.

(a) σ=(3.28±0.2) MPa

2.3.4 开裂形式

从试样开裂至失效过程选择15张图片,利用标记软件测量裂缝开口位置处的裂缝宽度,得到试样在不同荷载作用下裂缝宽度变化情况，如图4(a)所示.从图中可以看出,随着荷载的增加,裂缝宽度逐渐增加,但不同试样裂缝宽度增加速率不同,其中E1.5试样的裂缝宽度增加最快,这主要是由于其峰值荷载高于其他试样,进而导致试样开裂速度较快.

(a) 裂缝宽度

为了更加直观地表征不同粉煤灰掺量下ECC弯曲失效时试样的开裂形态,本文利用Image-J和MATLAB软件对试样裂缝形式进行提取和处理,得到试样的失效开裂形式如图4(b)所示.从图中可以看出,试样主要为单裂缝破坏形式,表现出明显的剪切破坏；并且在E2.0试样中,裂缝贯穿整个试样,且在上端面出现多条微裂纹.

2.3.5 损伤表征

相关研究表明分形维数能够评价几何图形的分形特征,可用于表征几何图形局部与整体的相似程度[20-21].分形维数是由Mandelhrot等[22]在研究铁的断裂表面时提出的一种表征几何不规则图形的量化参数,同时其也逐渐运用于混凝土领域,主要用于表征混凝土断裂面和微观孔隙结构特征、钢筋混凝土抗压强度的尺寸效应等[23-25].因此本文利用分形维数表征试样失效后裂缝开展形式.利用Image J软件对试样失效时的图片进行处理,得到试样失效时的裂缝形式(见图4(b)),并将图片导入MATLAB软件中计算开裂面积比和分形维数,结果如表5所示.

表5 开裂面积比和分形维数

从表5可以看出,随着粉煤灰的增加,试样的开裂面积比和分形维数逐渐增加,表明失效试样表面损伤面积和试样裂纹面的粗糙度逐渐越大,说明分形维数可以定量描述裂纹的扩展状态；同时,ECC试样在弯曲荷载下产生的裂缝具有统计意义上的自相似特性,试样表面裂缝具有明显的分形特征,因此ECC表面裂缝的分布特征可以利用分形维数进行定量描述.

2.4 微观观测

为了得到破坏试样中纤维的失效模式和表观形貌,弯曲试验后在试件的断裂面取块状试样,然后利用SEM表征.图5给出了E2.0试样失效时其内部纤维失效模式和表观形态.从图中可以看出,纤维失效模式大多为拔出破坏,且纤维端部较为平整,在纤维表面存在部分纤维屑.这主要是由于纤维在拔出过程中,与基质之间的摩擦力较大造成的,同时纤维表面附着部分水泥基质,增加了纤维拔出过程中纤维与基质的摩擦力和材料的强度,从而增加了纤维发生断裂的可能.

(a) 纤维拔出形式

3 结论

1) 随着粉煤灰掺量的增加,ECC的拉伸峰值荷载、抗压强度逐渐降低,而弯曲初裂强度和峰值强度先增加后降低,但整体呈下降趋势,表明粉煤灰掺量对ECC材料强度发展不利.

2) 在弯曲荷载作用下,随着粉煤灰掺量的增加,材料的峰值位移、断裂能和弯曲韧性逐渐增加,表明粉煤灰掺量的增加能够有效地改善材料的变形性能.

3) 利用DIC技术可得到ECC弯曲加载过程中水平和竖向应变演化过程,结果表明应变云图能够直观反应ECC试样在弯曲加载过程中其表面不同位置的应变变化以及裂缝产生、扩展和贯通过程.

4) 通过比较不同粉煤灰掺量下ECC的裂缝宽度、开裂面积比和分形维数得到,随着粉煤灰掺量的增加,材料最大裂缝宽度先增加后减小,而开裂面积比逐渐增加.这表明粉煤灰掺量不仅对材料的承载能力存在影响,且对材料的破坏形态也存在一定的影响.