徐文磊，宣衛(wèi)紅，陳育志，陳徐東，程熙媛

（1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京 210098；2.金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇南京 211169）

高性能水泥基復(fù)合材料（HPCC）通常由水泥、水、高效減水劑、高強(qiáng)度鋼纖維以及細(xì)骨料組成，并且具有極低的水灰比.鋼纖維在HPCC中通過橋接裂紋面阻止裂紋的發(fā)展，使后裂區(qū)中發(fā)生基體和鋼纖維之間的荷載重分布［1］，進(jìn)而改善高強(qiáng)基體的脆性.已有的研究表明，鋼纖維摻量是影響HPCC力學(xué)行為的重要因素，拉伸強(qiáng)度、拉伸應(yīng)變［2］等性能指標(biāo)對(duì)鋼纖維摻量具有很大依賴性，但是也有研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維摻量對(duì)彈性模量、第一裂紋對(duì)應(yīng)的抗折強(qiáng)度等無明顯影響［3］，鋼纖維摻量對(duì)HPCC的影響需要進(jìn)一步的研究.

另外，憑借突出的抗壓強(qiáng)度［4］和抗拉強(qiáng)度［5］、高韌性［6］以及高耐久性［7］，HPCC已經(jīng)成為了重要工程建設(shè)中最具前景的建筑材料，例如公路橋梁、高層建筑以及防爆和抗震結(jié)構(gòu)等，這些重要工程對(duì)材料抗起裂及裂縫開展后的穩(wěn)定性和安全性提出了更高的要求.而目前關(guān)于HPCC的研究主要集中在機(jī)械性能、耐久性能及抗沖擊性能等方面，涉及HPCC斷裂性能的研究還不多.

Yoo等［8］探究了鋼纖維摻量對(duì)HPCC彎曲行為的影響，結(jié)果表明隨著鋼纖維摻量的增加，HPCC在峰值載荷下的抗彎強(qiáng)度、撓度和裂縫嘴張開位移（CMOD）呈偽線性增加.卿龍邦等［9］基于線性相關(guān)系數(shù)陡降法計(jì)算了HPCC的起裂韌度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.9%時(shí)，定向分布的鋼纖維混凝土起裂韌度趨于穩(wěn)定.鄧宗才［10］采用等效斷裂韌度方法來評(píng)價(jià)混雜纖維增強(qiáng)超高性能混凝土的增韌效果.這些研究重點(diǎn)關(guān)注了HPCC的一項(xiàng)或者幾項(xiàng)斷裂性能指標(biāo).

本文對(duì)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0%、1%和2%的帶預(yù)制裂縫HPCC矩形梁進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲測(cè)試，通過荷載-裂縫嘴張開位移（F-CMOD）曲線分析彎曲強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度、起裂韌度、失穩(wěn)韌度、斷裂能、脆性指數(shù)等隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的變化特征.通過掃描電鏡（SEM）觀察HPCC的斷裂面形態(tài)，從微觀角度進(jìn)一步分析HPCC的斷裂機(jī)理.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料和配合比

水泥采用P·Ⅱ52.5硅酸鹽水泥，性能符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》；河砂的最大直徑為2.45 mm，細(xì)度模數(shù)為2.8；聚羧酸鹽高效減水劑，固含量為50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的SBT-HDC超細(xì)礦物摻和料，其物理性能符合GB/T 18736—2017《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》；微直鋼纖維，長度13 mm，直徑0.2 mm，抗拉強(qiáng)度2 800 MPa，以體積分?jǐn)?shù)（φSF）0%、1%和2%添加到HPCC基體中，對(duì)應(yīng)的試件編號(hào)為HPCC0、HPCC1和HPCC2.

HPCC的配合比見表1.將攪拌均勻的混合料澆筑在400 mm×100 mm×100 mm的模具中，在（20±2）℃且相對(duì)濕度RH＞90%的條件下養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，于室內(nèi)自然環(huán)境下養(yǎng)護(hù)60 d，試驗(yàn)前在試件非成型面中間位置切割深30 mm、寬2 mm的預(yù)制裂縫.另外，HPCC0、HPCC1和HPCC2各澆筑3個(gè)尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，測(cè)得其平均抗壓強(qiáng)度分別為64.8、89.8、108.8 MPa.

表1 HPCC的配合比Table 1 Mix proportion of HPCC kg/m3

1.2 三點(diǎn)彎曲測(cè)試

采用MTS 322閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)對(duì)試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測(cè)試.加載方式及試件幾何尺寸如圖1所示.在預(yù)制裂縫兩側(cè)各粘貼1個(gè)帶坡口的鐵片安裝夾式引伸計(jì)，用來測(cè)量裂縫嘴張開位移CMOD.試驗(yàn)在CMOD控制方式下進(jìn)行加載，加載速率為0.001 mm/s，能夠穩(wěn)定獲得包括下降段的F-CMOD曲線.每組測(cè)試3個(gè)試件，編號(hào)分別為S1、S2、S3.

圖1 加載方式及試件幾何尺寸Fig.1 Loading mode and geometry of specimen（size：mm）

1.3 斷裂面微觀形態(tài)分析

通過Hitachi SU 8100型掃描電鏡來觀察試件斷裂面形態(tài)，以進(jìn)一步揭示HPCC的破壞機(jī)理.試件彎曲破壞后從斷裂面取樣，并用無水乙醇浸泡以消除基體水化存在的影響，在進(jìn)行SEM測(cè)試前，將樣品置于真空烘箱中干燥24 h.

2 結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)

HPCC試件的破壞形態(tài)如圖2所示.由圖2可見：對(duì)于不含鋼纖維的試件HPCC0，裂紋一旦萌生很快就會(huì)擴(kuò)展形成宏觀裂縫，裂縫從缺口尖端近乎沿直線擴(kuò)展直達(dá)梁頂部，試件完全斷裂，斷口表面光滑，表現(xiàn)出明顯的脆性；在含鋼纖維試件的斷裂面上可以觀察到鋼纖維的拔出現(xiàn)象，當(dāng)裂紋萌生后，裂紋兩側(cè)不僅存在基體間的黏聚力，還存在鋼纖維的橋接作用，即使達(dá)到峰值荷載，試件依舊保持變形和承載能力，裂縫的擴(kuò)展過程較為緩慢，表現(xiàn)出明顯的塑性；相比鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1%的試件HPCC1，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)2%的試件HPCC2裂紋表面粗糙度更大，這是因?yàn)樵阡摾w維體積分?jǐn)?shù)更高的情況下，裂紋表面附近隨機(jī)分布的鋼纖維更多，這些傾斜的鋼纖維形成的橋接作用更強(qiáng)，導(dǎo)致基體開裂路徑變得更加復(fù)雜.

圖2 HPCC試件的破壞形態(tài)Fig.2 Failure modes of HPCC specimens

2.2 F-CMOD曲線

HPCC試件的F-CMOD曲線見圖3.從圖3可以看出：加載初期不同鋼纖維體積分?jǐn)?shù)下試件的F-CMOD曲線基本重合；但是在峰值荷載前后曲線形態(tài)大有不同，不摻鋼纖維試件HPCC0的加載曲線峰前部分幾乎呈線性，峰后段荷載隨著CMOD的增大迅速減小，表現(xiàn)出典型的脆性特征；而摻鋼纖維試件的峰前存在明顯的撓曲硬化行為，峰后段荷載隨CMOD增大逐漸減小，展現(xiàn)了突出的韌性.

圖3 HPCC試件的F-CMOD曲線Fig.3 F-CMOD curves of HPCC specimens

由圖3還可以看出，隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，峰值荷載相應(yīng)增大.帶預(yù)制裂縫HPCC梁的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度f由下式得出［11］：

式中：Fmax為峰值荷載；S為跨度；D、L分別為試件的高度和寬度；a0為預(yù)制裂縫深度.

圖4展示了HPCC試件彎曲強(qiáng)度與鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系.由圖4可見：HPCC試件彎曲強(qiáng)度隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)增加呈近似線性增長，這是因?yàn)楫?dāng)微裂紋形成后，鋼纖維對(duì)裂紋兩側(cè)基體起到了橋接作用，并且隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，鋼纖維與基體之間的應(yīng)力減小，從而延緩了裂紋的形成與擴(kuò)展，彎曲強(qiáng)度隨之提高.與不摻鋼纖維試件相比，試件HPCC1和HPCC2的彎曲強(qiáng)度增幅分別為62%、145%.

圖4 HPCC試件彎曲強(qiáng)度與鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between bending strength and steel fiber content of HPCC specimens

除了更高的彎曲強(qiáng)度，摻鋼纖維試件較不摻鋼纖維試件還具有出色的延性，這在F-CMOD曲線上表現(xiàn)為多峰和寬峰.由圖3可見，HPCC試件雖然寬峰現(xiàn)象很顯著，但是多峰現(xiàn)象并不顯著，僅在HPCC2-S1中表現(xiàn)明顯.對(duì)此，文獻(xiàn)［12］指出，當(dāng)纖維摻量低于臨界纖維摻量時(shí)，復(fù)合材料不存在應(yīng)變硬化和多重裂紋.

2.3 殘余強(qiáng)度

為進(jìn)一步了解鋼纖維對(duì)試件F-CMOD曲線峰后行為的貢獻(xiàn)，采用EN 14651（2007）《Test method for metallic fibre concrete-measuring the flexural tensile strength（limit of proportionality（LOP），residual）》和Fib Model Code 2010《Principles，models and test validation》推薦的方法對(duì)試件殘余強(qiáng)度fR，i進(jìn)行了評(píng)價(jià).當(dāng)CMOD值為0.5、1.5、2.5、3.5 mm時(shí)，分別計(jì)算殘余強(qiáng)度fR，1、fR，2、fR，3和fR，4，fR，i計(jì)算公式為：

式中：FR，i為CMOD值為0.5、1.5、2.5、3.5 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載.

不含鋼纖維試件由于峰后軟化迅速，無法根據(jù)推薦方法對(duì)殘余強(qiáng)度進(jìn)行分析.

表2列出了試件HPCC1、HPCC2的殘余強(qiáng)度.由表2可見：與試件HPCC1相比，試件HPCC2的殘余強(qiáng)度fR，1、fR，2、fR，3和fR，4均有所提高，增幅都在27%以上，說明較高的鋼纖維體積分?jǐn)?shù)會(huì)顯著提高HPCC殘余強(qiáng)度；但值得注意的是，隨著fR，1變化到fR，4，殘余強(qiáng)度的增幅從56.5%逐漸衰減到27.3%.殘余強(qiáng)度增幅的逐漸減小說明鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為2%的試件峰后荷載衰減更快，其峰后延展性更差，通過對(duì)比圖3中峰后軟化段的斜率也能直觀看出這點(diǎn).文獻(xiàn)［13］對(duì)4種鋼纖維體積分?jǐn)?shù)（1%、2%、3%、4%）下超高性能鋼纖維增強(qiáng)混凝土的彎曲行為進(jìn)行了研究，同樣發(fā)現(xiàn)微直鋼纖維體積分?jǐn)?shù)越高，軟化區(qū)峰值載荷越大，峰后延展性越低.需要指出的是該現(xiàn)象并不適用于所有類型的鋼纖維，文獻(xiàn)［14］中采用端勾型鋼纖維混凝土進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，其峰后延展性的表現(xiàn)就截然相反.

表2 試件HPCC1、HPCC2的殘余強(qiáng)度Table 2 Residual strength of specimen HPCC1 and HPCC2

2.4 斷裂特征參數(shù)

2.4.1 起裂韌度和失穩(wěn)韌度

大量試驗(yàn)結(jié)果表明混凝土材料的斷裂破壞特征呈準(zhǔn)脆性，即混凝土裂縫的發(fā)展經(jīng)歷起裂、穩(wěn)定擴(kuò)展和失穩(wěn)擴(kuò)展3個(gè)過程.在混凝土裂縫擴(kuò)展過程中，裂縫前端會(huì)萌生微裂紋并形成斷裂過程區(qū)，且斷裂過程區(qū)的發(fā)展造成混凝土F-CMOD曲線呈現(xiàn)非線性特征.考慮斷裂過程區(qū)對(duì)鋼纖維混凝土斷裂韌性的影響，基于Xu等［15］提出的雙K斷裂準(zhǔn)則，采用DL/T 5332—2005《水工混凝土斷裂試驗(yàn)規(guī)程》推薦的計(jì)算公式，計(jì)算HPCC試件的起裂韌度KQΙC和失穩(wěn)韌度KΙSC，結(jié)果見圖5.由圖5可見：HPCC起裂韌度KΙQC幾乎不受鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的影響，變化范圍在0.62～0.68 MPa·m1/2之間，這是因?yàn)樵诨w開裂之前的線彈性承載階段，基體間的黏聚力發(fā)揮主要作用，而鋼纖維的錨固和黏結(jié)作用尚未被激活；與不摻鋼纖維試件相比，摻鋼纖維試件的失穩(wěn)韌度KSΙC有很大提高，增幅達(dá)8倍以上，失穩(wěn)韌度的提高可能是由于鋼纖維發(fā)生了脫黏，相對(duì)于基體產(chǎn)生滑動(dòng)，并通過在裂紋表面施加閉合牽引力而使基體裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展；試件HPCC1、HPCC2的失穩(wěn)韌度大致處于同一水平.Ren等［16］對(duì)6種微直鋼纖維體積分?jǐn)?shù)（0%～2.5%）下的混凝土梁進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，得到的失穩(wěn)韌度一同列于圖5中.結(jié)合Ren等［16］的試驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)HPCC失穩(wěn)韌度提升具有一定的限值，在1%左右，當(dāng)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加時(shí)，其對(duì)失穩(wěn)韌度的提升效果不明顯.

圖5 HPCC試件的起裂韌度和失穩(wěn)韌度Fig.5 Initial fracture toughness and unstable fracture toughness of HPCC specimens

2.4.2 斷裂能

斷裂能定義為產(chǎn)生單位斷裂表面積所需的能量，通常被認(rèn)為是一種材料特性.本文基于F-CMOD曲線來計(jì)算斷裂能GF，采用的公式由JCI-S-001—2003《Method of test for fracture energy of concrete by use of notched beam》提供：

式中：W0為F-CMOD曲線下的面積；W1為試件自重和加載夾具所做的功；Alig為試件斷裂面的面積；m1為試件的質(zhì)量；m2為未附著在液壓夾具上的彎曲壓頭質(zhì)量；g為重力加速度；CMODc為試件破壞時(shí)的裂縫嘴張開位移.

需要說明的是，試驗(yàn)過程中含鋼纖維的試件不會(huì)出現(xiàn)貫穿至梁頂?shù)耐耆珨嗔熏F(xiàn)象，并且夾式引伸計(jì)量程有限，因此取CMODc＝4 mm用于斷裂能的計(jì)算.HPCC試件斷裂能與鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系如圖6所示.由圖6可見，HPCC試件斷裂能隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，試件HPCC2的斷裂能較試件HPCC1提高40%，而不摻鋼纖維試件的斷裂能（0.08 N/mm）和Fib Model Code 2010提出的C100普通混凝土斷裂能（0.17 N/mm）都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于摻鋼纖維試件.需要指出的是，若試驗(yàn)條件允許負(fù)荷持續(xù)降為0，則鋼纖維混凝土梁的斷裂能會(huì)進(jìn)一步增加.

圖6 HPCC試件斷裂能與鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between fracture energy and steel fiber content of HPCC specimens

2.4.3 脆性指數(shù)

通常認(rèn)為脆性是材料在發(fā)生重大不可逆變形之前突然斷裂的傾向，Hillerborg等［17］綜合考慮材料和結(jié)構(gòu)尺寸的影響，提出了脆性指數(shù)B的計(jì)算公式：

式中：lch為特征長度；E為彈性模量；ft為極限拉伸強(qiáng)度，由狗骨頭形狀的試件經(jīng)軸拉試驗(yàn)測(cè)得.

表3給出了HPCC試件的脆性指數(shù)。脆性指數(shù)越高，材料脆性越高.由表3可見：摻鋼纖維能有效降低HPCC的脆性；但進(jìn)一步比較鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1%和2%的HPCC試件，發(fā)現(xiàn)較高鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)HPCC脆性的降幅很微小.

表3 HPCC試件的脆性指數(shù)Table 3 Brittleness of HPCC specimens

2.5 斷裂面微觀形態(tài)

圖7給出了HPCC試件斷裂面微觀形態(tài).圖7（a）為HPCC基體SEM圖，可以清楚地觀察到區(qū)域A是充分水化后形成的致密層，而區(qū)域B結(jié)構(gòu)較疏松，屬于典型的尚未完全水化的基質(zhì).1條微裂紋在區(qū)域A、B的交界面形成，并由此誘發(fā)了周邊多條細(xì)小的裂紋.圖7（b）是基質(zhì)致密層與疏松層交界面SEM圖，可以看到裂紋沿著薄弱面擴(kuò)展的跡象.加載初期微裂紋的形成與擴(kuò)展主要由基體本身的性能決定，因此HPCC起裂韌度不受鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的影響.圖7（c）顯示了鋼纖維與基體的脫黏過程，這個(gè)過程中鋼纖維的橋接作用被激活，鋼纖維與基體間發(fā)生的相對(duì)滑移不僅迫使部分附著在鋼纖維表面的薄弱基質(zhì)被攜帶出來，而且鋼纖維周圍包裹的基質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生大量裂紋，從而引起F-CMOD曲線表現(xiàn)出典型的撓曲硬化特征.圖7（d）顯示了鋼纖維與基體的剝離，此時(shí)鋼纖維由于橋接應(yīng)力的增大被明顯拉長，大量的能量被消耗，HPCC斷裂能因此大幅提升.同時(shí)泊松效應(yīng)引起鋼纖維橫向收縮導(dǎo)致其與基體進(jìn)一步脫黏，直至發(fā)生剝離，此時(shí)鋼纖維與基體間依靠滑動(dòng)摩擦來抵抗外荷載，黏聚力消失，對(duì)應(yīng)F-CMOD曲線的軟化區(qū).圖7（e）顯示了鋼纖維剝離后留下的滑動(dòng)軌跡，可以看到殘留的薄弱基質(zhì).值得一提的是，在SEM圖中并沒有觀察到鋼纖維斷裂的現(xiàn)象，鋼纖維失效的形式都是從基體中被拔出.

圖7 HPCC試件斷裂面微觀形態(tài)Fig.7 Micro morphology of HPCC specimen fracture surface

3 結(jié)論

（1）HPCC彎曲強(qiáng)度隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)增加呈近似線性增長，更高的鋼纖維體積分?jǐn)?shù)會(huì)明顯提高HPCC的殘余強(qiáng)度，F(xiàn)-CMOD曲線峰后延展性會(huì)隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)增加而有所降低.

（2）HPCC起裂韌度幾乎不受鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的影響.摻鋼纖維后其失穩(wěn)韌度增幅可達(dá)8倍以上.鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)失穩(wěn)韌度的提升存在限值，約為1%.

（3）HPCC斷裂能隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，摻鋼纖維能顯著降低HPCC材料的脆性，但鋼纖維體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加時(shí)，脆性的降幅很微小.

（4）HPCC加載初期微裂紋的形成與擴(kuò)展主要由基體自身性能決定，鋼纖維失效經(jīng)歷了纖維與基體脫黏和剝離的過程，失效模式為鋼纖維拔出，鋼纖維并未發(fā)生斷裂.