鋼-PVA混雜纖維水泥基復合材料抗壓力學性能及經濟性研究

張品樂,曾靖淵,胡 靜,朱昊天,陶 忠

(昆明理工大學建筑工程學院,昆明 650500)

0 引 言

普通水泥基材料存在脆性大、易開裂等缺陷,在使用過程中容易產生裂縫,影響其力學性能[1]。摻加纖維可以有效改善水泥基材料力學性能,從而提高建筑材料的性能,延長材料使用壽命,降低成本[2]。聚乙烯醇(polyvinyl acetate, PVA)纖維是一種人工合成纖維,在水泥基材料中可起到增強增韌的作用[3]。在纖維表面經過涂油處理可降低表面摩擦力,但成本較高,在工程應用中受到了很大的限制。國產PVA纖維成本只有日產PVA纖維的1/10,其缺點是表面未經涂油處理,纖維直徑偏小。

工程水泥基復合材料(engineered cementitious composite, ECC)是一種具有應變硬化特征和多縫開裂特征的新型高韌性水泥基復合材料[4]。在20世紀90年代,美國密歇根大學Li教授等[5-7]研制了一種中等體積摻量(1%～2%)的短纖維增強水泥基復合材料。隨著國內外學者對纖維水泥基材料研究不斷深入,王海超等[8]通過棱柱體力學試驗研究了進口和國產混摻高韌性聚乙烯醇纖維增強水泥基復合材料(PVA-ECC)的配合比。闞黎黎等[9]通過單軸拉伸、壓縮、三點抗彎、單裂縫拉伸和纖維分散性試驗研究,發現低成本國產纖維在基體中具有良好的分散性并且能滿足能量與強度準則,即使是相對較差的纖維試件,其3、7和28 d極限拉伸應變也可達2.52%、3.34%和3.08%,具備良好的應力硬化行為和飽和多縫開裂特性,滿足ECC的使用要求。潘鉆鋒等[10]對國產與日產PVA混雜水泥基復合材料進行了性能和成本分析,獲得了低成本、較低拉伸性能,中等成本、較高拉伸性能,以及高成本、高拉伸性能三種具有代表性的PVA-ECC配合比。王振波等[11]在ECC體系中摻加鋼纖維并進行了圓柱體抗壓試驗,認為鋼纖維和PVA纖維有利于提高抗壓韌性。趙旭[12]研究結果同樣表明,鋼纖維和PVA纖維的混合摻入可提升水泥基材料的抗壓強度和彎曲韌性,兩種纖維混摻對材料性能提升效果較單摻更加顯著?，F有研究缺乏對PVA-鋼纖維增強延性水泥基復合材料性能和經濟價值的綜合研究。

本文將國產纖維按0%、25%、50%、75%、100%(體積分數,下同)摻量替代日產纖維,并摻加微量鋼纖維,制備鋼-PVA混雜纖維水泥基復合材料。通過立方體軸心抗壓試驗,獲得材料應力-應變曲線,分析PVA纖維摻量對材料的破壞形態、抗壓強度、峰值應變、抗壓韌性、經濟成本等指標的影響規律,實現ECC材料經濟性與功能性的協同最大化,為高強度、高延性水泥基材料的工程應用提供依據。

1 實 驗

1.1 試驗材料

原材料為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,密度3.1 g/cm3;一級粉煤灰,密度2.5 g/cm3;石英砂,細度模數2.9,密度2.66 g/cm3;聚羧酸高性能減水劑,減水率約30%?；鶞仕嗷牧吓浜媳热绫?所示。

表1 基準水泥基材料配合比Table 1 Mix ratio of reference cement-based material

試驗中采用的鋼纖維、日產PVA纖維、國產PVA纖維宏觀形貌如圖1所示,各纖維特性如表2所示。鋼纖維為河北衡水毛勒金屬制品有限公司生產,日產PVA纖維為日本可樂麗公司產品,國產PVA纖維為江蘇天怡工程纖維有限公司生產的聚乙烯醇纖維。PVA纖維被廣泛應用于工程水泥基復合材料中,具有較好的增韌和抑制裂縫擴展等特性。

圖1 纖維的宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of fibers

表2 纖維特性Table 2 Properties of fiber

1.2 試驗設計

混雜纖維試驗配合比設計如表3所示。根據表3的配合比,采用50 L臥式攪拌機進行攪拌。稱取適量水泥、粉煤灰、石英砂、減水劑、纖維。先將水泥、粉煤灰和石英砂一起倒入攪拌機中,干拌3 min,使其充分混合,然后再加入水和減水劑,攪拌3 min,使新拌漿體具有適宜的流動性和黏聚性。沿著攪拌的方向在新拌漿體中分批次加入鋼纖維、日產PVA纖維、國產PVA纖維。每加入一種纖維后,充分攪拌3 min,再加入下一種纖維,使三種纖維都盡可能與基體混合均勻。將攪拌好的材料倒入模具進行分層澆筑,制成100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件,之后利用水泥膠砂振動臺振搗3 min。每組配合比成型3個試件,完成制作后經自然養護24 h,然后將混合物從模具中取出,放置在標準養護室中養護28 d。取出試件晾干后將棱柱體上下頂面打磨平整后測試材料的軸心抗壓性能。

表3 混雜纖維試驗配合比設計Table 3 Mix proportion design of hybrid fiber test

1.3 軸心抗壓試驗

采用SHT4106電液伺服電子萬能試驗機測試材料抗壓性能,量程為1 000 kN,加載方式為位移控制,加載速率為0.15 mm/min。試驗加載裝置通過力傳感器和位移計測試荷載與試件壓縮變形之間的關系。

根據《高延性纖維增強水泥基復合材料力學性能試驗方法》(JC/T2461—2018)[13],試件立方體抗壓強度計算公式如式(1)所示。

(1)

式中:fcc為立方體抗壓強度,MPa;Fcc為試件破壞荷載,N;Acc為試件承壓面積,mm2,本試驗取10 000 mm2。

計算三個試件的平均抗壓強度,且每個抗壓強度與平均值差值不超過15%,否則重新進行試驗,計算結果精確至0.01 MPa。

2 結果與討論

2.1 混雜纖維對抗壓強度的影響

圖2為各配合比試件峰值壓應力。由圖2可知,對比無纖維摻雜水泥基材料對照組(C0),大部分鋼-PVA混雜纖維水泥基復合材料試件的峰值壓應力均有不同程度提高,但A2和B2強度降低,此時出現了“負混雜效應”[14],導致抗壓強度降低。水泥基材料的抗壓強度受到纖維種類和摻量等因素的影響,加入適量的纖維能夠提高水泥基材料的抗壓強度,纖維摻量過多或過少均會對水泥基材料的抗壓強度產生不利影響。在相同國產和日產PVA纖維摻入量下,B系列試驗組在抗壓強度上整體優于A系列。其中,A5、B1、B4和B5的抗壓強度提升最為明顯,分別為46.39、45.24、45.77和45.52 MPa,相較于普通水泥材料強度(31.87 MPa),分別提升了45.6%、42.0%、43.6%和42.8%,可以看出混雜纖維的摻入能夠顯著提高水泥基材料的抗壓強度。這是因為鋼纖維的摻入抑制了混雜纖維水泥基復合材料受壓時向四周擴散,同時,高彈性模量的PVA纖維阻止了裂縫的發展,鋼纖維和PVA纖維的協同作用有效提升了水泥基材料的抗壓性能和基材的承載力。

圖2 各配合比試件峰值壓應力Fig.2 Peak compressive stress of each mixture ratio specimens

2.2 試驗現象及破壞形態

圖3是普通水泥砂漿試件C0與混雜纖維水泥試件A1的破壞形態。圖3(a)普通水泥砂漿試件在破壞時呈脆性破壞的特點,試件表面砂漿碎塊剝落嚴重,當試件達到極限荷載時,局部試塊掉落,完整形態破壞,試件瞬間喪失承載能力。圖3(b)混雜纖維水泥試件在達到抗壓極限后,試塊表面出現明顯裂縫,隨著荷載繼續增加,裂縫擴展直至縱向裂縫貫通整個試件,此時,試件的承載力緩慢下降直到失去承載能力。

圖3 普通水泥砂漿試件與混雜纖維水泥砂漿試件典型受壓破壞形態Fig.3 Typical compressive failure modes of ordinary cement mortar specimen and hybrid fiber cement mortar specimen

混雜纖維水泥試件由于添加了鋼纖維和PVA纖維,在試件受到外荷載時纖維發揮作用,纖維與基體形成橋聯結構,其內部的纖維和基質之間相互作用,可阻止微小裂紋的擴展,呈現出一定的延性破壞,從而使試件在達到極限荷載之前,發生的變形具有可逆性,試件的形狀能夠保持完整?；祀s纖維水泥試件達到極限荷載后承載力下降速度較空白組水泥基體更為緩慢,摻入鋼纖維和PVA纖維可以提高基體的延性,延緩試件的破壞?；祀s纖維水泥試件的破壞過程相對緩慢,給予了人們一定的反應時間,因此混雜纖維水泥試件具有較高的安全可靠性。綜上所述,相比傳統的水泥基材料,鋼-PVA混雜纖維水泥基復合材料具有更好的完整性、延性和安全可靠性。

2.3 混雜纖維對軸心抗壓應力-應變曲線的影響

單軸受壓狀態下的應力-應變曲線反映了各個受力階段的變形特點和破壞過程,包含了重要的力學性能指標。試驗得到的抗壓應力-應變曲線如圖4和圖5所示,圖中樣品編號后的數字-1、-2、-3代表平行試件。

圖5 鋼纖維摻量0.4%組抗壓應力-應變曲線Fig.5 Compressive stress-strain curves of 0.4% steel fiber content group

雖然鋼-PVA混雜纖維水泥基復合材料的應力-應變曲線形狀與普通水泥基材料類似,屬于偏態的單峰曲線,但鋼-PVA混雜纖維水泥基復合材料的塑性變形能力和峰值應變明顯優于普通水泥基材料。鋼-PVA混雜纖維水泥基復合材料的峰值應變在0.010～0.015,明顯大于普通水泥基材料(0.002),這是因為微細纖維可有效限制裂紋擴展,從而延長應力-應變曲線的線性段,提高了基體的開裂強度。此外,當應變達到很大時材料仍有一定的殘余強度,這充分體現了纖維高韌性水泥基復合材料曲線的特性。從圖4和圖5中可以看出,部分試驗組加入纖維后抗壓強度提升并不顯著,但高韌性水泥基復合材料的延性和韌性明顯大于普通水泥基材料。一方面是因為高摻量的粉煤灰使基體有較高的韌性,另一方面是因為纖維的混摻效應使試件在破壞時受到纖維橋聯作用,材料的韌性得到提升。綜上所述,鋼-PVA混雜纖維水泥基復合材料比普通水泥基材料在延性、韌性上更具有優勢。

2.4 抗壓韌性評價

抗壓韌性指數是評價混雜纖維水泥基復合材料壓縮韌性的一個重要參數。Nataraja等[15]將韌性指數定義為應力-平均應變曲線下的總面積,限制應變最大值為0.015。Mansur[16]將韌性指數定義為應變為0.3ε0時應力-平均應變曲線下的面積與應變為ε0時的面積之比,其中ε0為峰值應力的應變,Zhou等[17]和王振波等[18]均采用此方法對復合材料進行抗壓韌性評價。韌性指數代表了材料的能量吸收能力,通常用于表征材料在失效前的延展性。

故本文將壓應力-應變曲線峰值應力fc所對應的應變記為ε0,峰后應力下降至0.3fc時所對應的應變記為ε0.3,定義韌性指數為峰后曲線0.3fc所圍成的面積與峰值應力fc所圍成的面積之比,以其來表征鋼-PVA混雜纖維水泥基復合材料的抗壓韌性。

不同纖維摻量復合材料韌性指數如圖6所示。由圖6(a)可見,摻入鋼纖維的PVA-ECC體系韌性指數略高于不摻鋼纖維的PVA-ECC體系。其中摻入0.2%鋼纖維A3組和摻入0.4%鋼纖維A4組的韌性指數分別為2.4和2.6,較未加入鋼纖維C3組分別提高了4.30%和13.03%,說明鋼纖維能夠提升復合材料峰后的耗能能力,但由于摻入鋼纖維量較少,提升不明顯。由圖6(b)和(c)可知,鋼纖維摻量的提高對PVA-ECC整體韌性指數均有提升,但A5組韌性指數為1.5,明顯低于其他組,這是由于PVA纖維的拔斷機制[18]導致鋼-PVA混雜纖維水泥基復合材料未完全發揮出纖維的耗能能力。A2和B2在所有試驗組里韌性指數最高,分別為2.86和3.07,相較于單摻國產PVA纖維+鋼纖維的A5、B5組,以及單摻日產PVA纖維+鋼纖維的A1組、B1組分別提升了90.0%、26.8%、31.8%和24.8%。說明鋼纖維、日產PVA纖維和國產PVA纖維三種纖維混雜在提高ECC材料抗壓韌性方面效果顯著。

圖6 不同纖維摻量復合材料的韌性指數Fig.6 Toughness index of composite materials with different fiber content

2.5 材料性能成本分析

價值工程分析法是經濟分析上用于平均產品或項目價值的方法,可通過計算產品的功能和成本之比,獲得產品的價值系數。其中,功能值指產品或項目所提供的功能或效益的價值,成本則指實現該功能或效益所需要的成本。通過計算價值系數,可以評估產品或項目的經濟價值性[20]。價值工程法的計算公式即為產品功能值與產品成本的比值,如式(2)所示。

V=F/C

(2)

式中:V為價值系數,F為產品的功能值,C為產品的成本。

通過收集各項原材料的市場價格,分析獲得鋼-PVA混雜纖維水泥基復合材料的經濟成本,其中水泥0.5元/kg、粉煤灰0.3元/kg、石英砂0.3元/kg、水0.004 5元/kg、減水劑45元/kg、日產PVA 450元/kg、國產PVA 45元/kg、鋼纖維7.8元/kg(以上參考云南本地市場價格);原材料成本計算單位為1 m3;不同配比ECC所用原材料的成本如表4所示。

表4 原材料成本Table 4 Raw material costs

結合表4總價格C、表5功能值F1、F2所總結數據,運用公式(2)計算出不同試驗配比的價值系數V1、V2,結果如表5所示。其中,F1表示28 d齡期的抗壓強度、F2表示韌性指數。利用表5價值系數V,繪制出不同纖維摻量的價值系數圖,如圖7所示。雖然鋼-PVA混雜纖維水泥基復合材料成本相對較高,但在合適的摻量下可以有效提高水泥基材料的力學性能,從而降低維護成本和綜合成本,使得復合材料在工程中具有良好的經濟價值性。

圖7 不同纖維摻量復合材料的價值系數Fig.7 Value coefficient of composite materials with different fiber content

表5 功能價值系數Table 5 Functional value coefficient

由圖7可以看出,隨著國產PVA纖維按0%、25%、50%、75%、100%的比例逐漸替換日產PVA纖維,鋼-PVA混雜纖維水泥基復合材料整體的價值系數逐漸提高。其中,當日產纖維被國產纖維完全替換時,A5和B5的價值系數最高為24.38‰和23.11‰,遠高于其他組。價值系數越高,產品性價比越高。由于日產PVA纖維造價昂貴,純日產纖維占整體材料造價的90%以上,導致價值系數偏低,不利于大規模生產運用。由2.1節和2.4節可知,A5、B1、B4和B5組的抗壓強度達到最佳,A2和B2組的韌性指數達到最佳。綜上所述,雖然A4、B4和A5、B5組的韌性指數并不是最佳,但其綜合功能價值和經濟性均優于其他組,故國產PVA纖維替代日產PVA纖維配制鋼-PVA混雜纖維水泥基復合材料可以達到功能價值和經濟價值的協同最大化。

3 結 論

1)混雜纖維的摻入能夠不同程度地提高普通水泥基材料的抗壓強度。其中,A5、B1、B4和B5這四組試件抗壓強提升最為明顯,相較于普通水泥材料分別提升了45.6%、42.0%、43.6%和42.8%。

2)單軸受壓過程中大部分試件均表現出多縫開裂的特性,峰值應力對應的28 d應變為0.010～0.015,明顯高于普通水泥基材料的0.002。相較于普通水泥基材料,鋼-PVA混雜纖維水泥基復合材料具有更好的完整性和延性。

3)添加0.2%和0.4%的鋼纖維的PVA-ECC韌性指數較未摻鋼纖維組分別提高了4.30%和13.03%,說明鋼纖維在提升復合材料抗壓韌性方面具有一定的優勢。此外,A2和B2這兩組在所有試驗組里韌性指數最高,分別為2.86和3.07,說明鋼纖維、日產PVA纖維和國產PVA纖維三種纖維混雜在提高ECC材料韌性方面效果顯著。

4)通過計算不同配合比下鋼-PVA混雜纖維水泥基復合材料的功能、成本及價值系數得出:A4、B4(替換率均為75%)和A5、B5(替換率均為100%)組在鋼-PVA混雜纖維水泥基復合材料功能價值和經濟價值中可以最大化。