尾矿砂水泥基复合材料的拉压韧性

鲍文博， 付云鹏

(沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870)

目前，国内外大多数研究人员为了解决水泥基复合材料抗拉强度低、整体韧性差、呈脆性破坏的问题，在其基体内掺加适量的纤维，通过纤维与水泥基复合材料的共同作用实现其阻裂和增韧性能[1].美国密歇根大学Li教授率领密歇根大学高等土木工程材料实验室(advanced civil engineering materials research laboratory，ACE-MRL)研究人员，开始了超高韧性水泥基复合材料的研制开发，研制出工程应用的水泥基复合材料(engineered cementitious composite，ECC)[2]，它是一种采用低掺量纤维获得的高韧性性能材料.国内研究人员主要对水泥基复合材料的力学性能和工程应用两方面进行分析，大连理工大学徐世烺教授从超高韧性水泥基复合材料的拉伸、压缩、弯曲和断裂性能进行分析，得出超高韧性水泥基复合材料具有类似金属材料的拉伸强化性能，其极限拉伸应变可达3%以上，是一种可变形的纤维混凝土材料[3].

韧性是表征水泥基复合材料强度和延性的综合指标.薛会青等[4]对PVA(聚乙烯醇纤维)水泥基复合材料进行了弯曲韧性试验研究；王玉清等[5]对聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料的剪切韧性进行分析.然而国内外学者[6-11]对PVA水泥基复合材料的压缩韧性和拉伸韧性研究相对较少.本文通过借鉴ECC技术，采用粉煤灰替代部分水泥、用尾矿砂替代50%天然砂制备PVA增强尾矿砂水泥基复合材料，通过制作三种不同水胶比试件来进行轴心抗压和直接拉伸试验，采用韧性比和韧性指数双特征指标定量表征材料的压缩韧性和拉伸韧性，可为实际土木工程提供参考.

1 试 验

1.1 试验材料

本试验制备PVA增强尾矿砂水泥基复合材料全部采用国内原材料，采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥；粉煤灰为一级粉煤灰；天然砂为晒干以后的普通河砂，其粒径大小为0.3～0.6 mm；尾矿砂为铁矿山开采处理以后晒干的尾矿砂，其粒径大小为0.15～0.30 mm，其组成成分如表1所示；减水剂为高效减水剂，其减水率最高可达40%；增稠剂化学名为羟丙基甲基纤维素，具有良好的增稠能力；纤维为PVA，此纤维具有较好的耐碱性和分散性，其力学性能如表2所示.

表1 尾矿砂组成成分Tab.1 Composition of tailing sand %

表2 PVA力学性能Tab.2 Mechanical properties of PVA

1.2 试件制备

本试验采用三步制备PVA增强尾矿砂水泥基复合材料，首先将水泥、粉煤灰、天然砂和尾矿砂倒入UJZ-15型水泥砂浆搅拌机进行干拌2 min，然后加入总量为三分之二的水、减水剂和增稠剂湿拌4 min，最后加入PVA纤维和剩余的水混合搅拌2.5～4 min，使水泥砂浆搅拌机里的材料搅拌充分、均匀.搅拌后将材料倒入塑料模具中，振捣成型，表面覆盖保鲜膜，24 h后脱模，放入湿度90%以上，温度为20±3 ℃的养护室标准养护28 d后取出，晾干24 h后进行试验.图1为轴心抗压试件，图2为直接拉伸试件.

图1 轴心抗压试件Fig.1 Axial compression specimen

图2 直接拉伸试件Fig.2 Direct tensile specimen

1.3 试验方案

基于文献[12-14]的研究，本试验采用2%的PVA纤维体积掺量和三组水胶比(0.25、0.30、0.35)的配比方案.PVA增强尾矿砂水泥基复合材料的水胶比如表3所示.

表3 PVA增强尾矿砂水泥基复合材料的水胶比Tab.3 Water binder ratio of PVA reinforced tailing sand-cement based composite

为了研究PVA增强尾矿砂水泥基复合材料性能，分别进行了轴心抗压试验和直接拉伸试验，并采用韧性比和韧性指数讨论了材料韧性以及不同水胶比对其材料韧性性能的影响.根据《纤维混凝土试验方法标准》(CECS13：2009)规范要求，轴心抗压试件为150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件，直接拉伸试件为400 mm×150 mm×12 mm的薄板试件，采用2%PVA纤维体积掺量试件(PVA reinforced cement-based composites of tailing sand，PRC)和素混凝土试件(TCC)进行对比，同时将试件进行编号，根据0.25、0.30和0.35三种水胶比将试件分成三组，其中每组制作8个试件，保证每组试件的成功率不低于50%.图3为轴心抗压试验装置，图4为直接拉伸试验装置.

图3 轴心抗压试验装置Fig.3 Axial compression testing device

图4 直接拉伸试验装置Fig.4 Direct tensile testing device

2 结果及分析

考虑到试件的韧化程度和韧性质量，本文选用文献[1]得出的完全韧性比(简称韧性比)和最大韧性指数(简称韧性指数)，采用双特征指标定量表征试件压缩韧性和拉伸韧性.

2.1 压缩韧性

图5 轴压荷载变形曲线Fig.5 Axial compression load-deformation curves

图6 轴心抗压能量吸收值Fig.6 Axial compression energy absorption values

图7 轴心抗压韧性比Fig.7 Axial compression toughness ratio

表4 不同压缩变形下的能量吸收值Tab.4 Energy absorption values under different compressive deformation J

2.1.2 压缩变形能

由表4可知，三种水胶比试件的压缩变形能随着压缩变形的增加而不断增大.图6中，当压缩变形从3 mm到4 mm时，0.25、0.30和0.35水胶比试件的压缩变形能增长幅度分别为405.1%、390.29%、377.86%，在弹性变形阶段，水胶比较低的试件初裂荷载值与初裂位移值较大，0.25水胶比试件压缩变形能相对较大；当压缩变形为6 mm时，0.25水胶比试件压缩变形能反而相对较小，可能存在的原因是0.25水胶比试件经过强化阶段后在压缩变形为4.2 mm时达到最大荷载值，进入破坏阶段，当轴心压力不断增大时，大量纤维拉断同时试件表面产生的多条致密裂纹宽度逐渐增大，试件所承受的荷载随着压缩变形增加而快速下降，而0.30和0.35水胶比试件的压缩变形能仍保持较高幅度的增长.

2.1.3 压缩韧性性能分析

图7列举了不同水胶比下各组试件的韧性比.通常水泥基复合材料的压缩韧性比取值范围在0.5～1.0之间，PRC组当水胶比为0.25、0.30、0.35时，相应试件的韧性比为0.70、0.74和0.78，由此可见随着水胶比的不断增大，韧性比也有所增加.韧性比主要反映试件韧性的效果和质量的好坏，在实际工程中，适当提高水胶比有利于改善试件韧性效果和质量，也增加了试件的压缩韧性.TCC组的韧性比为0.5，加入纤维的0.35水胶比试件韧性比是其1.56倍，这也说明掺入适量纤维有助于改善试件的压缩韧性.

图8为不同水胶比下试件的韧性指数.PRC组水胶比为0.25、0.30、0.35，所对应的韧性指数分别为4.33、7.59和11.81，可以看出随着水胶比的增加，试件的韧性指数相应变大，0.35水胶比试件的韧性指数分别是0.25和0.30水胶比试件的2.73倍和1.56倍.韧性指数主要反应水泥基复合材料试件的韧性大小和韧化程度，说明水胶比为0.35时试件的韧化程度要明显优于其余两组配合比下的试件.与未加入纤维的水泥基复合材料TCC组相对比，其韧性指数大小仅为1.5，加入纤维0.35水胶比试件的韧性指数是其7.87倍，说明加入适量纤维可以使试件的压缩韧性相应增大.

图8 轴心抗压韧性指数Fig.8 Axial compression toughness index

2.2 拉伸韧性

图9 轴拉荷载变形曲线Fig.9 Axial tension load-deformation curves

表5 不同拉伸变形下的能量吸收值Tab.5 Energy absorption values under different tensile deformation J

图10 轴心抗拉能量吸收值Fig.10 Axial tension energy absorption values

图11 轴心抗拉韧性比Fig.11 Axial tension toughness ratio

2.2.2 拉伸变形能

比较不同拉伸变形下水胶比为0.25、0.30和0.35试件的拉伸变形能，由表5可知，三种水胶比试件的拉伸变形能随着拉伸变形的增大而略有增加，在起初试验阶段，水胶比越低的试件初裂荷载值与初裂位移值反而越大，因此其拉伸变形能更大.由图10可知，水胶比为0.25、0.30、0.35试件在拉伸变形从2 mm到5 mm的增长幅度分别为76.12%、83.13%、93.47%，通过能量增长幅度可以看出，三种水胶比试件都具有一定的拉伸韧性，其中0.35水胶比试件的能量增长幅度最高，说明0.35水胶比试件吸收能量较多，其拉伸变形能相对较好.

2.2.3 拉伸韧性性能分析

图11为不同水胶比下各组试件的韧性比.通常水泥基复合材料的拉伸韧性比取值范围在0.5～1.0之间，PRC组当水胶比为0.25、0.30、0.35时，相应的韧性比为0.80、0.86和0.93，因此，随着水胶比的不断增大，韧性比也略有增长.本试验中水胶比为0.35试件的拉伸韧性效果和质量要比水胶比为0.25和0.30试件的相对较好.与未加入纤维的TCC组相对比，其韧性比只为0.5，加入纤维0.35水胶比试件的韧性比是其1.86倍，这说明适量加入纤维有利于改善试件的拉伸韧性.

图12为不同水胶比下的韧性指数.0.25、0.30和0.35水胶比试件对应的韧性指数分别为5.80、9.26和18.68，可以看出随着水胶比的增大，试件的韧性指数不断变大，0.35水胶比试件下的韧性指数分别是0.25和0.30水胶比试件的3.22倍和2.02倍，由此可知，水胶比为0.35时试件的韧化程度要明显优于其他两组水胶比试件的韧化程度.与未加入纤维的水泥基复合材料TCC组相对比，其韧性指数为1.5，加入纤维的0.35水胶比试件韧性指数是其12.45倍.

图12 轴心抗拉韧性指数Fig.12 Axial tension toughness index

3 结 论

本文通过分析得出以下结论：

1) 通过比较PRC和TCC组试件的韧性比，PRC组试件的韧性效果和质量更好.当水胶比为0.35时，PRC的压缩韧性比是TCC的1.5倍，PRC的拉伸韧性比是TCC的1.86倍，三种水胶比试件的压缩韧性比和拉伸韧性比均超过0.5.

2) 相比TCC组试件，PRC组试件的韧性指数更大，其韧化程度较明显.当水胶比为0.35时，PRC的压缩韧性指数是TCC的7.87倍；PRC的拉伸韧性指数是TCC的12.45倍，PRC韧性指数指标显著优化.

3) 不同水胶比对PRC的压缩韧性和拉伸韧性有显著影响.随着水胶比的不断增加，PRC的韧性质量和韧化程度不断提高，0.35水胶比试件的压缩韧性比为0.78，0.35水胶比试件的压缩韧性指数分别是0.25和0.30水胶比试件压缩韧性指数的2.73倍和1.56倍；0.35水胶比试件的拉伸韧性比为0.93，0.35水胶比试件的拉伸韧性指数分别是0.25和0.30水胶比试件拉伸韧性指数的3.22倍和2.02倍，此外加入纤维的试件其拉伸韧性比均达到0.8及以上.