閆清峰 張紀剛,2 張 敏 趙 迪 楊 冉

(1青島理工大學土木工程學院, 青島 266520)(2山東省高等學校藍色經(jīng)濟區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心, 青島 266033)

工程水泥基復合材料(ECC)是由Li等[1-2]基于斷裂力學和微觀力學設(shè)計而得,其力學性能可以通過改變其材料成分進行定制,其極限強度明顯大于初裂強度,同時拉伸應變能力高達3%～8%,是普通混凝土的300～800倍[3-5].ECC在拉伸荷載作用下具有多縫開裂和應變硬化行為,同時具有較好的裂縫寬度控制能力,裂縫寬度一般控制在100 μm以下[6-9],使材料具有良好的耐久性,可用于海洋等侵蝕環(huán)境中.許多學者對ECC在不同養(yǎng)護齡期、養(yǎng)護環(huán)境、纖維類型及粉煤灰摻量下的力學性能進行了研究[10-16],分析了不同影響因素對ECC力學性能的影響機理,為ECC的推廣運用提供了一定的理論支持.

目前關(guān)于粉煤灰摻量對ECC彎曲損傷和開裂特征影響的研究較少,本文通過DIC技術(shù)對不同粉煤灰摻量下ECC的彎曲性能和損傷特征進行研究,實現(xiàn)了ECC彎曲加載過程中試樣全場應變的可視化,同時提出利用開裂面積比、分形維數(shù)及裂縫寬度分別表征ECC的損傷程度及開裂參數(shù),為以后ECC用于實際工程提供一定的借鑒.

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

試驗材料包括P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥、Ⅰ級粉煤灰和粒徑小于0.2 mm的石英砂；纖維采用日產(chǎn)PVA纖維,材料性能參數(shù)見表1.纖維按照體積分數(shù)2%摻加到材料中.水為實驗室用水.為了使纖維能夠達到隨機均勻分布,采用聚羧酸高效減水劑(SP)改善材料的流動性.

表1 PVA纖維的材料性能

1.2 配合比

粉煤灰和水泥總用量為1 200 kg/m3,其中粉煤灰質(zhì)量分別為水泥質(zhì)量的1.2、1.5和2.0倍,并將對應的試件分別命名為E1.2、E1.5和E2.0,其配合比見表2.此外，利用高效減水劑改善混合物的流動性,便于纖維均勻分散,不同材料中減水劑具體用量如表2所示.

表2 ECC材料配合比 kg/m3

1.3 試樣制備

首先,將水泥、粉煤灰和石英砂低速干拌2 min;然后加入水和高效減水劑混合液低速拌和4 min,隨即緩慢加入PVA纖維,低速拌和1 min后再高速拌和2 min;為了便于纖維均勻分散在漿體中,最后再低速拌和1 min.拌和結(jié)束后澆筑振搗,試樣成型24 h后拆模,并將試樣放置在標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護至試驗齡期.

1.4 試驗方法

1.4.1 直接拉伸試驗

啞鈴形試樣用于研究ECC試樣的直接拉伸性能[17].利用日本島津生產(chǎn)的萬能試驗機以0.1 mm/min加載速率對試件持續(xù)加載,直到試樣失效才停止加載,加載過程中利用試樣兩側(cè)的LVDT進行位移采集.

1.4.2 壓縮試驗

根據(jù)《水泥膠砂強度檢測方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999),利用棱長為70.7 mm的立方體進行ECC抗壓試驗,在300 kN抗折-抗壓試驗機上進行抗壓試驗,加載過程采用力控制,控制加載率為2.4 kN/s,得到不同粉煤灰摻量下ECC的抗壓性能.

1.4.3 三點彎曲試驗

利用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試樣進行三點彎曲試驗,同樣利用日本島津生產(chǎn)的萬能試驗機進行三點彎曲試驗,加載過程采用位移控制,控制加載速率為0.1 mm/min,直到試樣失效.

1.4.4 DIC測量

利用工業(yè)相機對試樣三點彎曲加載過程進行拍攝記錄.利用黑白啞光漆對ECC試樣表面噴射隨機、均勻分布的散斑[18-19].試驗開始前,利用工業(yè)相機拍攝一張圖片作為分析的參考圖片,然后開啟試驗機進行試驗.試驗過程中相機采集速率設(shè)定為1幀/s,在進行DIC分析前,利用標定軟件對圖片進行標定,然后利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)對拍攝照片進行相關(guān)分析,得到加載過程中試樣表面全場應變演化及裂縫產(chǎn)生和擴展形式.

2 結(jié)果與分析

2.1 直接拉伸性能

根據(jù)直接拉伸試驗獲得的荷載-位移曲線,分析得到不同粉煤灰摻量ECC的拉伸性能參數(shù).E1.2、E1.5和E2.0的初裂荷載分別為1.639、1.643、1.499 kN,峰值荷載分別為2.411、2.300、2.001 kN,而3種ECC的彈性模量分別為13.59、13.91、10.77 GPa.可看出,隨著粉煤灰摻量的增加,ECC的峰值拉伸荷載逐漸降低,這是由于在本試驗所有ECC材料中,粉煤灰和水泥的總量相同,在水膠比不變的情況下,當粉煤灰摻量增加時會導致水泥摻量減少,使得材料中水與水泥的比值增加,進而造成材料強度降低.

2.2 抗壓性能

表3給出了不同粉煤灰摻量下砂漿和ECC的壓縮試驗結(jié)果.可看出,隨著粉煤灰摻量的增加,材料的抗壓強度逐漸降低,當粉煤灰與水泥質(zhì)量比從1.2增加到1.5和2.0時,抗壓強度分別降低1.48%和20.52%,即隨著粉煤灰摻量的增加,抗壓強度的降低幅度逐漸增大.這是由于僅有小部分粉煤灰在早期發(fā)生水化,大部分粉煤灰在材料內(nèi)部只起填充作用,因此ECC早期抗壓強度主要由水泥的水化產(chǎn)物提供,但隨著粉煤灰摻量的增加,單位體積內(nèi)水泥用量減少,導致材料水灰比增加,進而使材料抗壓強度降低.

表3 不同ECC的抗壓強度

2.3 三點彎曲性能

2.3.1 強度-位移曲線

為了研究粉煤灰摻量對ECC抗折性能的影響,本文利用三點彎曲試驗得到不同粉煤灰摻量下ECC彎曲強度-位移曲線以及斷裂能和彎曲韌性結(jié)果,如圖1和表4所示.其中，斷裂能為峰值彎曲強度曲線下的面積,彎曲韌性為峰值位移與開裂位移的比值.從圖1(a)可以看出,強度-位移曲線均出現(xiàn)應力波動,即所有試樣均表現(xiàn)出應變硬化特點,且隨著粉煤灰摻量的增加,應力波動增多.文獻[14,16]指出,隨著粉煤灰摻量增加,材料強度逐漸降低,同時材料初裂強度主要與水泥基材料基體有關(guān).但在本研究中隨著粉煤灰摻量的增加,ECC初裂和峰值強度先增加后減小,這說明粉煤灰和纖維對材料彎曲性能均存在影響,故材料的初裂強度不僅與基體強度有關(guān),而且與纖維也存在一定關(guān)系.從圖1(b)可以看出,E1.5試樣的初裂彎曲強度分別為E1.2和E2.0試樣的1.07倍和1.22倍,同時初裂強度與撓度變化趨勢相同,但峰值位移隨著粉煤灰摻量的增加而不斷增大,E1.2、E1.5和E2.0試樣的峰值位移分別為0.505、0.849、0.900 mm,表明粉煤灰能夠較好地改善材料的變形性能.

(a) 彎曲強度-位移曲線

從表4可以看出,隨著粉煤灰摻量的增加,ECC的斷裂能和彎曲韌性增加,E1.2試樣的斷裂能為2.54 kJ,E1.5和E2.0試樣的斷裂能為E1.2試樣的2.17倍和2.44倍,說明隨著粉煤灰摻量的增加,試樣的耗能能力增加.E1.2試樣的彎曲韌性為1.146,

表4 斷裂能和彎曲韌性

而E1.5和E2.0試樣的彎曲韌性分別為1.68和2.394,與E1.2相比增幅分別為43.11%和108.9%,且隨著粉煤灰摻量的增加,增幅明顯增大,表明試樣抵抗變形的能力隨著粉煤灰摻量的增加而增強.

2.3.2 水平應變云圖

為了直觀地表征試樣在彎曲荷載作用過程中水平應變εx的變化情況,本文利用DIC技術(shù)對試樣整個彎曲加載過程的應變變化情況進行分析,結(jié)果如圖2所示.圖中σ為試樣所受應力,紅色區(qū)域表示正向應變,紫色區(qū)域表示負向應變.從圖2可以看出,對于相同粉煤灰摻量的試樣,其正應變隨著強度的增加而增大,同時在強度較小時,試樣表面橙色和紫色區(qū)域面積較??；隨著強度的增加,試樣表面黃綠色區(qū)域逐漸擴展,同時橙色區(qū)域的應變值增加.分析認為,由于試樣內(nèi)部存在一些微缺陷(微裂紋、微孔隙等),在彎曲荷載作用下,微缺陷區(qū)域出現(xiàn)應力集中,進而導致微缺陷位置處應變較大,隨著荷載的繼續(xù)增加,微缺陷逐漸演化為微裂紋.在強度為8.2 MPa時,試樣表面出現(xiàn)明顯的應變集中,而在其他區(qū)域應變變化較小,當試樣失效時,裂紋位置處的散斑出現(xiàn)破壞,同時其周邊的云圖顏色較為單一,這是由于荷載主要用于裂縫的形成和擴展,使得試樣表面應力得到釋放,進而使其他位置的應變較小.

(a) σ=(3.28±0.2) MPa

比較彎曲荷載作用下不同粉煤灰摻量ECC的應變演化,可知在彎曲荷載作用下試樣彎曲水平應變云圖發(fā)展規(guī)律大體相近,均表現(xiàn)為如下過程：不同顏色區(qū)域相間分布→紫、橙色區(qū)域逐漸擴展→應變集中形成豎向裂紋區(qū)域→裂縫區(qū)域逐漸明顯→峰值應變區(qū)域→散斑破壞形成宏觀裂縫.

2.3.3 豎向應變云圖

圖3給出了不同粉煤灰摻量下ECC在彎曲荷載作用下試樣豎向應變εy的云圖演化過程.由圖可見,3種試件在加載初期應變云圖形式相近,試樣中部應變云圖為黃綠相間,應變較小,而試樣上下兩端面應變云圖為紫、橙相間,應變相對較大；隨著強度的增加,試樣中間位置黃綠色區(qū)域顏色不斷加深,同時上下端面的紫橙色區(qū)域逐漸擴展,表明隨著強度的增加,試樣端面應變不斷增加；而在試樣上端面的紫色區(qū)域要明顯大于下端面的紫色區(qū)域,這主要是由于試樣上端面處于受壓狀態(tài),此時試樣下端面處于受拉狀態(tài),故兩端面紫色和橙色區(qū)域面積明顯不同.

(a) σ=(3.28±0.2) MPa

2.3.4 開裂形式

從試樣開裂至失效過程選擇15張圖片,利用標記軟件測量裂縫開口位置處的裂縫寬度,得到試樣在不同荷載作用下裂縫寬度變化情況，如圖4(a)所示.從圖中可以看出,隨著荷載的增加,裂縫寬度逐漸增加,但不同試樣裂縫寬度增加速率不同,其中E1.5試樣的裂縫寬度增加最快,這主要是由于其峰值荷載高于其他試樣,進而導致試樣開裂速度較快.

(a) 裂縫寬度

為了更加直觀地表征不同粉煤灰摻量下ECC彎曲失效時試樣的開裂形態(tài),本文利用Image-J和MATLAB軟件對試樣裂縫形式進行提取和處理,得到試樣的失效開裂形式如圖4(b)所示.從圖中可以看出,試樣主要為單裂縫破壞形式,表現(xiàn)出明顯的剪切破壞；并且在E2.0試樣中,裂縫貫穿整個試樣,且在上端面出現(xiàn)多條微裂紋.

2.3.5 損傷表征

相關(guān)研究表明分形維數(shù)能夠評價幾何圖形的分形特征,可用于表征幾何圖形局部與整體的相似程度[20-21].分形維數(shù)是由Mandelhrot等[22]在研究鐵的斷裂表面時提出的一種表征幾何不規(guī)則圖形的量化參數(shù),同時其也逐漸運用于混凝土領(lǐng)域,主要用于表征混凝土斷裂面和微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征、鋼筋混凝土抗壓強度的尺寸效應等[23-25].因此本文利用分形維數(shù)表征試樣失效后裂縫開展形式.利用Image J軟件對試樣失效時的圖片進行處理,得到試樣失效時的裂縫形式(見圖4(b)),并將圖片導入MATLAB軟件中計算開裂面積比和分形維數(shù),結(jié)果如表5所示.

表5 開裂面積比和分形維數(shù)

從表5可以看出,隨著粉煤灰的增加,試樣的開裂面積比和分形維數(shù)逐漸增加,表明失效試樣表面損傷面積和試樣裂紋面的粗糙度逐漸越大,說明分形維數(shù)可以定量描述裂紋的擴展狀態(tài)；同時,ECC試樣在彎曲荷載下產(chǎn)生的裂縫具有統(tǒng)計意義上的自相似特性,試樣表面裂縫具有明顯的分形特征,因此ECC表面裂縫的分布特征可以利用分形維數(shù)進行定量描述.

2.4 微觀觀測

為了得到破壞試樣中纖維的失效模式和表觀形貌,彎曲試驗后在試件的斷裂面取塊狀試樣,然后利用SEM表征.圖5給出了E2.0試樣失效時其內(nèi)部纖維失效模式和表觀形態(tài).從圖中可以看出,纖維失效模式大多為拔出破壞,且纖維端部較為平整,在纖維表面存在部分纖維屑.這主要是由于纖維在拔出過程中,與基質(zhì)之間的摩擦力較大造成的,同時纖維表面附著部分水泥基質(zhì),增加了纖維拔出過程中纖維與基質(zhì)的摩擦力和材料的強度,從而增加了纖維發(fā)生斷裂的可能.

(a) 纖維拔出形式

3 結(jié)論

1) 隨著粉煤灰摻量的增加,ECC的拉伸峰值荷載、抗壓強度逐漸降低,而彎曲初裂強度和峰值強度先增加后降低,但整體呈下降趨勢,表明粉煤灰摻量對ECC材料強度發(fā)展不利.

2) 在彎曲荷載作用下,隨著粉煤灰摻量的增加,材料的峰值位移、斷裂能和彎曲韌性逐漸增加,表明粉煤灰摻量的增加能夠有效地改善材料的變形性能.

3) 利用DIC技術(shù)可得到ECC彎曲加載過程中水平和豎向應變演化過程,結(jié)果表明應變云圖能夠直觀反應ECC試樣在彎曲加載過程中其表面不同位置的應變變化以及裂縫產(chǎn)生、擴展和貫通過程.

4) 通過比較不同粉煤灰摻量下ECC的裂縫寬度、開裂面積比和分形維數(shù)得到,隨著粉煤灰摻量的增加,材料最大裂縫寬度先增加后減小,而開裂面積比逐漸增加.這表明粉煤灰摻量不僅對材料的承載能力存在影響,且對材料的破壞形態(tài)也存在一定的影響.