張 娜，周 健，徐名鳳，李 輝，馬國偉

（1. 河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401；2. 陸軍軍事交通學(xué)院國防交通系，天津 300161）

20 世紀(jì)末，Li 等[1]、Maalej 等[2]利用斷裂力學(xué)和微觀力學(xué)原理，最早提出以亂向短纖維增強(qiáng)水泥基材料制備出高延性水泥基復(fù)合材料，并將其命名為ECC (engineered cementitious composites)。纖維在水泥基復(fù)合材料中主要起到阻裂、增強(qiáng)和增韌的作用,使得該材料具有獨(dú)特韌性、多縫開裂、應(yīng)變硬化等特征，成為土木工程材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。徐世烺等[3-4]、劉問[5]運(yùn)用國產(chǎn)膠凝材料制備出拉伸應(yīng)變達(dá)到3% 的超高韌性水泥基復(fù)合材料，其極限裂縫間距平均為0.8～2.5 mm。Yang 等[6-7]、Maalej 等[8]、Zhang 等[9]、Mechtcherine 等[10]和Soe 等[11]先后研究發(fā)現(xiàn)，ECC 抗沖擊性能明顯優(yōu)于普通混凝土和纖維混凝土。

而現(xiàn)有的ECC 主要以聚乙烯（PE）纖維[12]、聚乙烯醇（PVA）纖維[13-14]和聚丙烯（PP）纖維[15]等合成纖維為增強(qiáng)增韌組分，上述纖維均為有機(jī)纖維。玄武巖纖維作為一種環(huán)保無機(jī)纖維，以火山巖為原料，通過1 450～1 500 ℃的熔融，經(jīng)過漏板拉絲工藝而成，具有熱穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、摩擦因數(shù)穩(wěn)定等特點(diǎn)。目前對玄武巖纖維混凝土研究較多，成濤華等[16]、葛浩軍[17]通過改變玄武巖纖維摻量、纖維長度研究了摻入玄武巖纖維對混凝土的工作性能和力學(xué)性能的影響；Sun 等[18]研究了不同纖維含量、纖維長度的玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能，并通過多尺度數(shù)值模擬驗(yàn)證了該材料的力學(xué)性能。李為民等[19]、朱涵等[20]研究了玄武巖纖維混凝土的動態(tài)力學(xué)性能和沖擊力學(xué)性能。Zhang 等[21]等通過分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar, SHPB)試驗(yàn)研究了6 種體積含量的玄武巖纖維混凝土在不同高應(yīng)變率下的沖擊行為，分析了體積分?jǐn)?shù)和應(yīng)變速率對動態(tài)抗壓強(qiáng)度和韌性的影響，并探討了其本構(gòu)模型。綜上試驗(yàn)結(jié)果均表明：玄武巖纖維能夠有效提高混凝土的動靜態(tài)力學(xué)性能，但將玄武巖纖維添加到水泥基材料中呈現(xiàn)多縫開裂、拉伸應(yīng)變硬化等特征未見報(bào)道。

本文中，將玄武巖纖維摻入水泥基復(fù)合材料中，對其進(jìn)行靜態(tài)壓縮、拉伸試驗(yàn)，通過調(diào)整配比得到具有應(yīng)變硬化、多縫開裂等特征的玄武巖纖維高延性水泥基復(fù)合材料（basalt fiber engineered cementitious composites, BF-ECCs）。在靜態(tài)力學(xué)性能研究的基礎(chǔ)上，利用 ? 50 mm 變截面SHPB 試驗(yàn)裝置對不同玄武巖纖維摻量的水泥基復(fù)合材料進(jìn)行動態(tài)壓縮試驗(yàn)和動態(tài)劈裂試驗(yàn)，以期獲取BF-ECC 的動態(tài)力學(xué)性能，為其在抗爆抗沖擊領(lǐng)域的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)原材料及配合比

試驗(yàn)原材料包括鴨牌鋁酸鹽水泥（CAC）、硅灰（SF）、粉煤灰（FA）、山西晉投玄武巖纖維、聚羧酸減水劑和水。水泥、粉煤灰和硅灰化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1 所示，試驗(yàn)材料配合比如表2 所示，φ 為玄武巖纖維體積分?jǐn)?shù)。玄武巖纖維的長度為9 mm, 直徑為14.1 μm，密度為2.695 g/cm3，抗拉強(qiáng)度為2.23 GPa，彈性模量為85.8 GPa，斷裂伸長率為2.85%。

表 1 主要原材料中不同化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Mass fractions of different chemical ingredients in main raw materials

表 2 不同試樣的材料質(zhì)量配合比Table 2 Material mix proportions in the different specimens

1.2 試樣制作

圖 1 單軸拉伸試樣尺寸Fig. 1 Dimensions of specimens used in uniaxial tensile tests

試樣制作時(shí)，將全部膠凝材料（CAC、SF、FA）混合均勻倒入攪拌鍋中，加入減水劑、水，低速攪拌1 min，高速攪拌2 min，使?jié){體流動度達(dá)到要求。然后均勻加入玄武巖纖維，攪拌2 min，將漿體倒入模具。將模具放到振動臺振動2 min 振實(shí)抹平，24 h 后拆模，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和SHPB 試驗(yàn)試樣均采用圓柱形試樣，尺寸為 ? 50 mm×25 mm，并磨平處理，兩端面平行度不大于0.05 mm。靜態(tài)拉伸試驗(yàn)試樣采用啞鈴形試樣，試樣抗拉標(biāo)距[22]為80 mm，寬度為30 mm，厚度為12.7 mm，拉伸試樣尺寸如圖1 所示。

1.3 靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)

靜態(tài)壓縮試驗(yàn)采用MATEST 試驗(yàn)機(jī),如圖2 所示，以3×10?5s?1的應(yīng)變速率施加單軸壓縮載荷；拉伸試驗(yàn)采用SANS 萬能試驗(yàn)機(jī),如圖3 所示，將試樣固定在2 個(gè)拉伸夾頭之間，用萬能試驗(yàn)機(jī)拉伸夾頭對帶有引伸計(jì)的試樣施加(50±10) N 的力，以4×10?5s?1的應(yīng)變速率施加單軸拉伸載荷。

圖 3 靜態(tài)拉伸試驗(yàn)Fig. 3 Static tensile test

圖 2 靜態(tài)壓縮試驗(yàn)Fig. 2 Static compression test

1.4 動態(tài)壓縮試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用 ? 50 mm 直錐變截面SHPB 試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)設(shè)備如圖4 所示，試樣安置如圖5 所示。對3 種不同纖維摻量的試樣每種進(jìn)行4 種應(yīng)變率（從低到高為第1、2、3、4 應(yīng)變率）的動態(tài)壓縮試驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)彈速和波形整形器控制入射波來實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)變率的加載。

采用經(jīng)典兩波法得到試樣在特定應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，公式如下：

式中：σs(t)為試樣應(yīng)力，E、A0、c0分別為壓桿彈性模量、橫截面面積和彈性波速，As、ls分別為試樣的初始橫截面面積和初始長度，εi(t)為入射波，εtran(t)為透射波，εs(t)為試樣應(yīng)變，(t) 為試樣應(yīng)變率。

圖 4 SHPB 試驗(yàn)裝置Fig. 4 SHPB experimental device

1.5 動態(tài)劈裂試驗(yàn)

為了減小應(yīng)力集中的影響，試樣圓周面通過鋼制圓弧墊塊夾在入射桿和透射桿之間接觸，所有接觸面涂抹凡士林減小摩擦。壓桿應(yīng)變片位置與動態(tài)壓縮試驗(yàn)中的完全相同。劈裂強(qiáng)度計(jì)算沿用靜態(tài)彈性力學(xué)對心圓盤解：

式中：fd,ten為劈裂強(qiáng)度，h 為試樣高度，d 為試樣直徑，σtran為壓桿透射波最大應(yīng)力。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)壓縮和拉伸試驗(yàn)結(jié)果與討論

不同纖維摻量試樣的靜態(tài)壓縮和拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示,表中fsta,c為靜態(tài)抗壓強(qiáng)度，fsta,ten為靜態(tài)抗拉強(qiáng)度，εlim,ten為極限拉伸應(yīng)變。從表3 可以看出，隨著玄武巖纖維摻量的增加，試樣抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)提高的趨勢。與BF0%試樣相比，BF2%、BF3%試樣抗壓強(qiáng)度分別提高6.3%、12.9%，抗拉強(qiáng)度分別提高14.5%、19.4%。同時(shí)，拉伸試驗(yàn)測得BF2%、BF3%試樣極限拉伸應(yīng)變分別達(dá)到0.2%、0.66%，如圖6 所示。根據(jù)《JC/T 2461-2018 高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)方法》[22]，3%玄武巖纖維摻量的水泥基復(fù)合材料具有高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的特點(diǎn)，因此BF3%試樣配比材料為BF-ECC。

2.2 動態(tài)壓縮試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.2.1 動態(tài)壓縮試驗(yàn)結(jié)果與破壞形態(tài)

圖 5 動態(tài)壓縮試驗(yàn)Fig. 5 Impact compression test

表 3 靜態(tài)抗壓和抗拉強(qiáng)度Table 3 Static compression and tensile strength

圖 6 不同玄武巖纖維摻量試樣靜態(tài)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 6 Static tensile stress-strain curves of specimens with different volume fractions of basalt fiber

不同纖維摻量試樣在4 種應(yīng)變率ε0下的動態(tài)抗壓強(qiáng)度fd,c和峰值應(yīng)變εlim,c如表4 所示。表4 顯示：(1)隨著應(yīng)變率的升高，不同纖維摻量試樣的動態(tài)抗壓強(qiáng)度均提高，而破壞應(yīng)變均先減小后增大；(2)在相近應(yīng)變率下，隨著纖維摻量的增加，試樣動態(tài)抗壓強(qiáng)度提高；(3)在第1 應(yīng)變率下，隨纖維摻量的增加，試樣破壞應(yīng)變增大；在第3、4 應(yīng)變率下，隨纖維摻量的增加，試樣破壞應(yīng)變減小。

圖7 所示為不同纖維摻量試樣在第2 應(yīng)變率下的破壞形態(tài)，得到纖維摻量從0% 增加到2%、3%，試樣破壞從碎成小塊、碎成大塊到粘連未碎成大塊，說明纖維起到橋接作用，阻礙水泥基材料試樣破碎。

圖 7 第2 應(yīng)變率下試樣的破壞形態(tài)Fig. 7 Failure modes of specimens at their corresponding second strain rates

2.2.2 動態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

不同纖維摻量試樣在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8 所示，試樣在受力變形過程中：首先是線彈性階段，而后應(yīng)力繼續(xù)升高，達(dá)到峰值應(yīng)力；在達(dá)到峰值應(yīng)力后，進(jìn)入卸載段，進(jìn)一步壓縮，玄武巖纖維與水泥基材料基體同時(shí)受力，纖維起到明顯的橋接作用，因此，出現(xiàn)較長的應(yīng)力平臺，并隨著玄武巖纖維摻量的增大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的卸載段應(yīng)力平臺增長，應(yīng)力下降減慢。

圖 8 不同玄武巖纖維摻量試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 8 Stress-strain curves of specimens with different basalt fiber contents

從應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)看到，BF3%試樣在第1、2 應(yīng)變率峰值區(qū)域出現(xiàn)曲率顯著較小的圓弧頂，在第3、4 應(yīng)變率時(shí)消失，說明中應(yīng)變率下試樣變形小于或相當(dāng)于裂紋擴(kuò)展速度，纖維對基體有增韌效果；在較高應(yīng)變率下，強(qiáng)度隨應(yīng)變率升高而提高，到達(dá)峰值時(shí)，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過纖維和基體間的結(jié)合力，纖維加入試樣產(chǎn)生的缺陷導(dǎo)致基體迅速坍塌，一直到缺陷壓密后部分纖維恢復(fù)增韌，即出現(xiàn)較長的卸載平臺。在較高應(yīng)變率時(shí)BF2%和BF3%試樣變化趨勢相同。

2.2.3 動態(tài)抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變率的關(guān)系

將各組試樣在4 組應(yīng)變率下的有效動態(tài)抗壓強(qiáng)度匯總求得平均值，如圖9 所示。從圖9 可以發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)變率的變化，不同纖維摻量試樣的動態(tài)抗壓強(qiáng)度上升趨勢有所不同：（1）隨著應(yīng)變率的上升，3 種纖維摻量的試樣動態(tài)抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)上升的趨勢。（2）在第1 應(yīng)變率下，3 種纖維摻量試樣的動態(tài)抗壓強(qiáng)度相差不大；在第2、3、4 應(yīng)變率下，3 種纖維摻量試樣的動態(tài)抗壓強(qiáng)度相差較大。（3）隨應(yīng)變率的升高，BF0%、B F 2% 試樣動態(tài)抗壓強(qiáng)度增幅逐漸減小，BF3%試樣動態(tài)抗壓強(qiáng)度增幅在前3 種應(yīng)變率時(shí)逐漸增大，到第4 應(yīng)變率時(shí)增幅變小。

圖 9 不同應(yīng)變率下試樣的動態(tài)抗壓強(qiáng)度Fig. 9 Dynamic compressive strengths of specimens at different strain rates

2.2.4 動態(tài)強(qiáng)度增長因子與應(yīng)變率的關(guān)系

動態(tài)抗壓強(qiáng)度增長因子θc（dynamic increase factor of compressive strength, DIFCS）是指材料的動態(tài)抗壓強(qiáng)度和準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的比值，反映了材料動態(tài)抗壓強(qiáng)度的增幅，其計(jì)算公式為：

對普通水泥混凝土，根據(jù)CEB-FIP（2010）[23]計(jì)算公式得到其動態(tài)抗壓強(qiáng)度增長因子：

通過不同纖維摻量試樣動態(tài)抗壓強(qiáng)度與靜態(tài)抗壓強(qiáng)度比值計(jì)算，根據(jù)該公式計(jì)算得到的DIFCS 與應(yīng)變率關(guān)系曲線并進(jìn)行擬合如圖10 所示。對于普通水泥混凝土，由CEB-FIP(2010)[23]計(jì)算得到，隨應(yīng)變率的升高其動態(tài)抗壓強(qiáng)度提高顯著。而對于BF0%、BF2%、BF3%的試樣，隨著應(yīng)變率的升高，試樣動態(tài)抗壓強(qiáng)度也呈現(xiàn)提高趨勢，但提高速度與普通水泥混凝土相比較小。隨著纖維摻量增加到3%，試樣動態(tài)抗壓強(qiáng)度提高速度變化趨勢不明顯，說明BFECC 試樣動態(tài)抗壓強(qiáng)度對應(yīng)變率的敏感性較低。

2.3 動態(tài)劈裂試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖 10 動態(tài)抗壓強(qiáng)度增長因子與應(yīng)變率的關(guān)系Fig. 10 Relation of dynamic increase factor of compressive strength to strain rate

2.3.1 動態(tài)劈裂試驗(yàn)結(jié)果

不同玄武巖纖維摻量試樣動態(tài)劈裂試驗(yàn)的應(yīng)變率ε0和劈裂強(qiáng)度fd,ten如表5 所示，部分試樣破壞狀況照片如圖11 所示。

表 5 動態(tài)劈裂試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Dynamic splitting test results

圖 11 不同纖維摻量試樣在其第1 動態(tài)劈裂應(yīng)變率下的破壞形態(tài)Fig. 11 Failure modes of BF-ECC specimens with different fiber volume fractions at their corresponding first dynamic crack strain rates

2.3.2 動態(tài)劈裂強(qiáng)度與應(yīng)變率的關(guān)系

將各組試樣在3 組應(yīng)變率下的有效動態(tài)劈裂強(qiáng)度匯總求得平均值，如圖12 所示。從圖12 可以看出，隨著應(yīng)變率的變化，不同纖維摻量試樣的動態(tài)劈裂強(qiáng)度上升趨勢有所不同：（1）隨著應(yīng)變率的上升，3 種纖維摻量的試樣動態(tài)劈裂強(qiáng)度均呈現(xiàn)上升的趨勢。（2）在相近應(yīng)變率時(shí)，BF3% 試樣的動態(tài)劈裂強(qiáng)度明顯大于BF2%試樣，且大于BF0%試樣；在不同應(yīng)變率時(shí)，BF3%試樣的動態(tài)劈裂強(qiáng)度明顯大于BF2%試樣，且大于BF0%試樣。說明在拉伸狀態(tài)下纖維增強(qiáng)作用顯著。

2.3.3 動態(tài)強(qiáng)度增長因子與應(yīng)變率的關(guān)系

不同纖維摻量試樣動態(tài)劈裂強(qiáng)度呈現(xiàn)出應(yīng)變率敏感性的特點(diǎn)。為分析不同玄武巖纖維摻量試樣的動態(tài)劈裂強(qiáng)度在不同應(yīng)變率下的變化趨勢，將各組試樣在3 組應(yīng)變率下的有效劈裂拉伸強(qiáng)度進(jìn)行了匯總，如圖11 所示。與動態(tài)壓縮類似，定義動態(tài)劈裂強(qiáng)度增強(qiáng)因子θten(dynamic increase factor of tensile strength, DIFTS):

圖 12 不同應(yīng)變率下試樣的動態(tài)劈裂強(qiáng)度Fig. 12 Dynamic tensile strengths of specimens at different strain rates

對于普通水泥混凝土，按照CEB-FIP(2010)[23]方程計(jì)算劈裂強(qiáng)度動態(tài)增長因子，得到DIFTS 與應(yīng)變率的關(guān)系：通過計(jì)算并進(jìn)行線性擬合，得到DIFTS 與應(yīng)變率的試驗(yàn)與擬合關(guān)系如圖13 所示。對于普通水泥混凝土，根據(jù)CEB-FIP（2010）[23]，得到隨應(yīng)變率的升高其劈裂拉伸強(qiáng)度提高不太顯著。而對于BF0%、BF2%、BF3%試樣，隨應(yīng)變率的升高，其劈裂拉伸強(qiáng)度均呈現(xiàn)提高趨勢，但提高速度隨著纖維摻量的增加，先減小后增大，BF3%試樣提高速度上升明顯。這說明BF-ECC 中纖維起到很好的橋接作用。

2.4 靜態(tài)試驗(yàn)與動態(tài)試驗(yàn)結(jié)果討論

圖 13 動態(tài)劈裂強(qiáng)度增強(qiáng)因子與應(yīng)變率的關(guān)系Fig. 13 Relation of dynamic increase factor of tensile strength to strain rate

基于靜態(tài)壓縮試驗(yàn)、靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，通過動態(tài)壓縮試驗(yàn)、動態(tài)劈裂試驗(yàn)，并與靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果比較，BF3% 試樣從準(zhǔn)靜態(tài)到中等應(yīng)變率范圍內(nèi)，其壓縮強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度均隨應(yīng)變率的升高而提高，且在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)中3%纖維摻量試樣的極限拉伸應(yīng)變達(dá)到0.66%，屬于高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。

對比分析動態(tài)壓縮試驗(yàn)結(jié)果與動態(tài)劈裂試驗(yàn)結(jié)果，得到：（1）隨纖維摻量的增加，試樣的動態(tài)抗壓強(qiáng)度、動態(tài)劈裂強(qiáng)度均隨應(yīng)變率的升高而提高。（2）隨纖維摻量的增加，試樣的動態(tài)劈裂強(qiáng)度提高幅度大于動態(tài)抗壓強(qiáng)度的提高幅度，說明在動態(tài)拉應(yīng)力作用下纖維的橋接作用明顯。（3）隨纖維摻量的增加，試樣的動態(tài)抗壓強(qiáng)度增長因子隨應(yīng)變率變化不大，且擬合曲線斜率較接近；而試樣的動態(tài)劈裂強(qiáng)度增長因子隨應(yīng)變率的變化明顯，且擬合曲線斜率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，說明纖維摻量對劈裂強(qiáng)度有顯著的增強(qiáng)效果。

3 結(jié) 語

（1）通過一定配比得到BF3%試樣在靜態(tài)拉伸試驗(yàn)中呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化、多縫開裂、極限拉伸應(yīng)變大于0.5%等特點(diǎn)，說明其是一種玄武巖纖維高延性水泥基復(fù)合材料（BF-ECC）。

（2）BF0%、BF2%、BF3%試樣的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度、靜態(tài)拉伸強(qiáng)度、動態(tài)抗壓強(qiáng)度和動態(tài)劈裂強(qiáng)度均隨著應(yīng)變率的增大而增大。

（3）隨玄武巖纖維體積摻量的增加，BF2%、BF3%試樣的抗拉強(qiáng)度較抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果顯著,說明玄武巖纖維起到增強(qiáng)水泥基材料延性的作用。

（4）用于估算普通水泥混凝土速率敏感性的CEB-FIP 方程（2010）不適用于BF-ECC，不能直接應(yīng)用于BF-ECC 材料的應(yīng)變率敏感性分析。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合得到曲線，對于研究BF-ECC 的應(yīng)變率敏感性有借鑒意義。