李 艷， 張文彬， 劉澤軍

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454003)

建筑物在其使用壽命內(nèi)不僅要承受靜力荷載，也會不可避免地受到動態(tài)荷載，如強震區(qū)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計要考慮地震作用、國防工程中防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計要考慮抵御沖擊與爆炸作用等.混凝土結(jié)構(gòu)在承受動態(tài)荷載作用時，會表現(xiàn)出與靜態(tài)荷載作用下不同的性能，因此混凝土材料的動態(tài)力學(xué)性能已引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注.相關(guān)研究表明，混凝土具有較強的應(yīng)變率敏感性[1-2]，且混凝土材料在動態(tài)荷載作用下?lián)p傷軟化效應(yīng)十分明顯[3-4]，這就限制了其在強震區(qū)與防護(hù)工程中的應(yīng)用.

為改善混凝土材料的脆性，纖維混凝土應(yīng)運而生.Zhang等[5]采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗研究了不同纖維體積分?jǐn)?shù)和水灰比對聚丙烯纖維混凝土(PFRC)動態(tài)力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：PFRC的動態(tài)峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、極限應(yīng)變和韌性等均隨著應(yīng)變率的增大而增大；摻入聚丙烯纖維可有效提高材料的沖擊韌性和抗裂性；當(dāng)材料的水灰比較高時，試件的動態(tài)沖擊韌性較好.Li等[6]基于玄武巖纖維增強混凝土(BFRGC)的SHPB試驗，分析了纖維體積分?jǐn)?shù)對BFRGC動態(tài)力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：玄武巖纖維的摻入對混凝土抗壓強度的提高并不明顯，但可顯著改善其變形和能量吸收能力；當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)為0.3%時，材料的動態(tài)性能最佳.葉中豹等[7]對鋼纖維混凝土進(jìn)行了動態(tài)壓縮性能試驗，發(fā)現(xiàn)隨著纖維體積分?jǐn)?shù)與應(yīng)變率的增加，材料的動態(tài)峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變均明顯提高.由此可見，纖維混凝土比普通混凝土具有更優(yōu)異的動態(tài)力學(xué)性能.

高延性纖維增強水泥基復(fù)合材料(ECC)是基于微觀力學(xué)設(shè)計，以水泥砂漿為基體，以體積分?jǐn)?shù)不超過2%的隨機(jī)分布短纖維為增強材料的一種纖維增強水泥基復(fù)合材料.ECC具有能量耗散能力強、極限拉應(yīng)變大和韌性好等優(yōu)點，成為近些年研究的熱點[8-9].Chen等[10]對高爐礦渣微粉替代水泥后的聚乙烯醇纖維(PVA)增強ECC(PVA-ECC)進(jìn)行了SHPB動態(tài)力學(xué)性能試驗，結(jié)果表明：隨著應(yīng)變率的增加，峰值應(yīng)力顯著增加，峰值應(yīng)變卻有所減??；高爐礦渣微粉的摻量對材料增韌效果并不明顯.Kai等[11]研究了PVA-ECC的沖擊壓縮性能，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變速率的增大，試件的動態(tài)峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變均增大，且動態(tài)強度增長因子(DIF)與應(yīng)變率的對數(shù)近似呈線性增長關(guān)系.為進(jìn)一步提高ECC的動態(tài)力學(xué)性能，Li等[12]在超高韌性水泥基材料(PVA-UHTCC)中摻入高彈模、高抗拉強度的鋼纖維(SF)，并對SF/PVA-UHTCC進(jìn)行了動態(tài)力學(xué)性能研究，發(fā)現(xiàn)鋼纖維的加入可明顯提高UHTCC的動態(tài)抗壓強度和能量吸收能力，且當(dāng)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1.5%時，試件的動態(tài)力學(xué)性能最佳.楊惠賢等[13]的研究也發(fā)現(xiàn)，鋼纖維的摻入可提高纖維增強水泥基復(fù)合材料的動態(tài)抗壓強度，且在高應(yīng)變率下，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增大改善了材料的韌性.目前，國內(nèi)外學(xué)者對PVA-ECC動態(tài)性能的研究相對較少，現(xiàn)有的研究主要集中在應(yīng)變率對材料力學(xué)性能的影響，尚缺乏較為系統(tǒng)的研究，本文基于不同基體強度、不同PVA纖維體積分?jǐn)?shù)PVA-ECC材料的SHPB沖擊試驗，研究了其在3種應(yīng)變率下的動態(tài)壓縮性能，主要分析了基體強度和PVA纖維體積分?jǐn)?shù)對PVA-ECC材料動態(tài)壓縮力學(xué)性能的影響，可以為PVA-ECC材料在抗震結(jié)構(gòu)、抗沖擊結(jié)構(gòu)中的工程應(yīng)用提供基礎(chǔ).

1 試驗

1.1 試驗設(shè)備和原理

采用直徑為50mm分離式變截面霍普金森壓桿，材質(zhì)為鋼，彈性模量210GPa，試驗裝置如圖1所示.SHPB試驗原理是基于一維彈性波假定和均勻性假定，采用三波法[14]計算試件的應(yīng)變率、應(yīng)力和應(yīng)變.由于混凝土材料是脆性材料，在沖擊作用下，容易在微小的應(yīng)變下發(fā)生碎裂，此時應(yīng)力波在試件中還未傳播均勻，易造成試驗結(jié)果出現(xiàn)明顯誤差，因此試驗過程中采用波形整形技術(shù)[15]，在入射桿的端面加貼邊長為1.5cm、厚度為0.3mm的黃銅片，以提高入射波的上升沿，使應(yīng)力波在試件中傳播 3～ 5個來回，進(jìn)而保證試件應(yīng)力均勻.沖擊試驗前，在試件2個端面涂抹少量凡士林，置于入射桿和透射桿之間壓緊，以減少端面摩擦效應(yīng).

圖1 SHPB裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of SHPB equipment

1.2 試驗原材料與試件制備

P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；Ⅰ級粉煤灰；細(xì)骨料為天然細(xì)河砂，最大粒徑0.6mm；減水劑為聚羧酸高效商用減水劑(減水率(1)文中涉及的減水率、水膠比等除特別說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.為28%)；PVA纖維性能指標(biāo)見表1.采用大摻量粉煤灰替代水泥來制備ECC，m(水泥)∶m(粉煤灰)=1.0∶1.2，砂膠比為0.36，為制備出不同強度的ECC基體，水膠比取0.32、0.36、0.40.PVA-ECC制備流程如圖2所示.

表1 PVA纖維性能Table 1 Properties of PVA fiber

圖2 PVA-ECC制備流程圖Fig.2 Preparation procedure of PVA-ECC

表2 試件參數(shù)與試驗結(jié)果Table 2 Specimen parameters and test results

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)

圖3是PVA-ECC試件的典型破壞照片.由圖3可見：應(yīng)變率對試件破壞形態(tài)影響較大，即隨著應(yīng)變率的增大，試件中所產(chǎn)生的裂縫數(shù)量增多，PVA-ECC試件破壞后的整體性變差;未摻纖維的ECC基體試件在動態(tài)壓縮荷載作用下呈現(xiàn)“碎塊化”的破壞，試件破壞后的整體性很差(圖3(a)～(c))；當(dāng)PVA纖維體積分?jǐn)?shù)超過0.5%后，在不同應(yīng)變率作用下，PVA-ECC試件破壞的整體性均較好，且隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，由于纖維對裂縫的抑制作用增強，在相同應(yīng)變率下，PVA-ECC試件中裂縫的數(shù)量和寬度明顯減少(圖3(d)～ (o))；當(dāng)應(yīng)變率與PVA纖維體積分?jǐn)?shù)均相同時，隨著ECC基體強度的提高，試件裂縫數(shù)量增多，但裂縫寬度減小(圖3(m)～(u)).

圖3 PVA-ECC試件的典型破壞照片F(xiàn)ig.3 Typical failure patterns of PVA-ECC specimens

2.2 動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

不同應(yīng)變率下PVA-ECC試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示.由圖4可見：不同應(yīng)變率下ECC的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線具有一定的相似性；隨著應(yīng)變率的提高，材料線性階段的范圍增大，動態(tài)峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變均有所提高.圖5給出了不同PVA纖維體積分?jǐn)?shù)PVA-ECC試件的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線.由圖5可見：在3種不同應(yīng)變率下，未摻纖維的ECC基體試件動態(tài)峰值應(yīng)變的平均值僅為0.57%，且其應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段較為陡峭，試件的脆性破壞特征較為明顯；摻入纖維后，由于PVA纖維可有效抑制裂縫的擴(kuò)展，很好地發(fā)揮其“橋連”作用，PVA-ECC試件動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段較為平緩，且在相同的應(yīng)變率下，隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增大，試件的動態(tài)峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變均明顯增大.圖6給出了不同ECC基體強度PVA-ECC試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.由圖6可見：在相同應(yīng)變率下，PVA-ECC試件的基體強度越高，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線線性段的范圍越大，試件的動態(tài)峰值應(yīng)力越大，動態(tài)峰值應(yīng)變也有增大趨勢，但其提高幅度并不太明顯；隨著基體強度的增加，PVA-ECC試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段變陡峭，試件延性變差.

2.3 動態(tài)峰值應(yīng)力分析

由表2可見，當(dāng)應(yīng)變率從70s-1提高到110s-1時，試件E40-0.5、E40-1.0和E40-2.0動態(tài)峰值應(yīng)力fcd分別提高了34.0%、31.2%和27.9%，即隨著應(yīng)變率的增大，PVA-ECC材料的動態(tài)峰值應(yīng)力增大，表現(xiàn)出較強的應(yīng)變率敏感性.這是由于：(1)在沖擊荷載作用下，材料的慣性作用使試件側(cè)向變形受到限制而近似處于圍壓狀態(tài)，且應(yīng)變率越高，這個限制作用越大[16-17]；(2)PVA-ECC材料在動態(tài)加載時，不再是沿單條或多條裂縫的擴(kuò)展而破壞，而是同時產(chǎn)生大量微裂縫，尤其當(dāng)應(yīng)變率越大時，其所需能量就越多，再加上沖擊荷載作用速度極快，材料沒有充足時間用于能量累積，試件只能通過提高自身應(yīng)力的方法來抵消外部能量[17].

圖4 不同應(yīng)變率下PVA-ECC試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-train curves of PVA-ECC specimens under three different strain rates

圖5 不同PVA纖維體積分?jǐn)?shù)PVA-ECC試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-train curves of PVA-ECC specimens with different PVA fiber volumn fraction

圖6 不同基體強度PVA-ECC試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-train curves of PVA-ECC specimens with different matrix strength

表2還可見：在70s-1應(yīng)變率下，當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)從0%依次增加到0.5%、1.0%、1.5%、2.0%時，試件的fcd分別提高了9.3%，25.8%，40.5%，54.5%；在90s-1應(yīng)變率下，試件的fcd分別提高了4.9%，21.2%，37.5%，49.3%；在110s-1應(yīng)變率下，試件的fcd分別提高了7.3%，20.9%，32.8%，44.8%.由此可見，隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，其增強效果更明顯，PVA-ECC的動態(tài)峰值應(yīng)力顯著增大.由表2可見：隨著ECC基體設(shè)計強度的增加，材料的fcd增大，在70、90、110s-1應(yīng)變率下，試件E50比E30的fcd分別提高了14.9%、16.6%和17.6%，這說明材料的動態(tài)峰值應(yīng)力和基體強度也有較為明顯的關(guān)系.

2.4 動態(tài)峰值應(yīng)變分析

PVA纖維的加入提高了材料的變形能力，在靜態(tài)受壓時PVA-ECC材料的峰值應(yīng)變ε0可穩(wěn)定達(dá)到0.5%[18-19]；在動態(tài)受壓時，PVA-ECC峰值應(yīng)變εP的平均值約為1.05%(應(yīng)變率分別為70、90、110s-1)，比靜態(tài)平均峰值應(yīng)變提高了110%.由表2和圖4可見，當(dāng)應(yīng)變率從70s-1提高到110s-1時，試件E40-0.5、E40-1.0和E40-2.0峰值應(yīng)變εP的平均值分別提高了34.2%、43.3%和31.3%.這表明隨著應(yīng)變率的增大，PVA-ECC材料的動態(tài)峰值應(yīng)變也明顯提高，表現(xiàn)出較強的應(yīng)變率敏感性.其原因是PVA-ECC材料在動態(tài)加載時會出現(xiàn)大量微裂縫，而此時試件變形速度極快，裂縫并未貫通試件最薄弱界面，僅能在各自區(qū)域發(fā)展，故可提高PVA-ECC材料的變形能力[20-22]，因此峰值應(yīng)變增大.由表2和圖5可見：在70s-1應(yīng)變率下，當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)從0%依次增加到0.5%、1.0%、1.5%、2.0%時，試件的εP分別提高了32.6%，47.8%，110.0%、123.9%；在90s-1應(yīng)變率下，試件的εP分別提高了44.6%，54.5%，94.4%、140.7%；在110s-1應(yīng)變率下，試件的εP分別提高了42.7%，69.8%，94.7%、135.8%.這表明隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增大，PVA-ECC試件的動態(tài)峰值應(yīng)變明顯提高，即PVA纖維對PVA-ECC材料的動態(tài)增韌效果十分顯著.由表2和圖6可見，在70、90、110s-1應(yīng)變率下，E50比E30的εP分別提高了10.6%、7.7%和3.5%，基體強度對PVA-ECC動態(tài)峰值應(yīng)變的影響不太明顯.

2.5 動態(tài)韌性分析

韌性是材料在荷載作用下具有的變形能力，是材料強度和變形的綜合性能指標(biāo)[23]，可采用應(yīng)力-應(yīng)變曲線所包圍面積S的大小作為評價指標(biāo)[24-25].圖8為不同應(yīng)變率下PVA-ECC試件韌性指標(biāo)的對比圖,其中SUP為上升段曲線所包圍的面積，SD為下降段曲線所包圍的面積，ST為全部曲線所包圍的面積.由圖8可見：PVA-ECC試件的韌度指標(biāo)SUP、SD、ST均隨著應(yīng)變率的增大而增大；相同應(yīng)變率下，隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，由于裂縫處有更多的纖維參與“橋連”，PVA-ECC試件的SUP、SD、ST也明顯增大；應(yīng)變率為70、90、110s-1時，試件E40-2.0比E40-0的SUP分別提高了259.7%，244.9%、234.2%，SD分別提高了533.1%，332.0%、277.9%，ST分別提高了392.9%，291.8%、257.7%.由此可見，同準(zhǔn)靜態(tài)壓縮類似，PVA纖維對PVA-ECC材料峰后韌性的提高最為明顯，但隨著應(yīng)變率的增大，纖維對PVA-ECC韌性的提高幅度均有所下降，其原因可能是由于較高應(yīng)變率時，裂縫數(shù)量較多，試件在很短時間內(nèi)損傷十分嚴(yán)重，使較多纖維更容易被拉斷，因而纖維的增韌效果有所降低[12].相同應(yīng)變率下，由于強度高的試件其內(nèi)部更加密實，產(chǎn)生裂縫所需的能量就越多，由圖8還可見：在70、90、110s-1應(yīng)變率下，當(dāng)基體設(shè)計強度由E30提高到E50，PVA-ECC試件的韌度指標(biāo)SUP分別提高了23.5%，27.1%，25.4%；SD卻分別降低了4.7%，19.0%，36.3%，這是由于低強度PVA-ECC的基體斷裂韌度低[8]，更有利于PVA纖維的拔出而不是拉斷，對提高試件的峰后延性是非常有利的，尤其在高應(yīng)變率下，低強度基體對試件峰后韌性的改善更加明顯.

圖8 不同應(yīng)變率下PVA-ECC試件韌性指標(biāo)的對比Fig.8 Comparison of toughness index of PVA-ECC specimens under different strain rate

3 結(jié)論

(1)PVA纖維的增韌、阻裂作用可有效改善PVA-ECC試件的沖擊破壞程度，當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)超過0.5%后，在3種應(yīng)變率下，試件均未出現(xiàn)“碎塊化”的破壞模式，且纖維體積分?jǐn)?shù)越大，試件沖擊破壞時的整體性越好.

(2)PVA-ECC具有較強的應(yīng)變率效應(yīng)，隨著應(yīng)變率的增大，PVA-ECC材料的動態(tài)峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和韌性均明顯提高.動態(tài)強度增長因子DIF與應(yīng)變率的對數(shù)呈線性增長關(guān)系.

(3)隨著PVA纖維體積分?jǐn)?shù)的增大，PVA-ECC的動態(tài)峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和韌性增大，且PVA纖維對PVA-ECC峰后韌性的提高最為明顯，但對PVA-ECC抗壓強度應(yīng)變率敏感性的影響較小.

(4)提高ECC基體設(shè)計強度，PVA-ECC動態(tài)峰值應(yīng)力增大，但動態(tài)峰值應(yīng)變提高不明顯，且基體強度高的PVA-ECC峰后韌性明顯降低，而基體強度對PVA-ECC抗壓強度應(yīng)變率敏感性的影響不太明顯.