不同龄期下SHCC拉伸性能试验测定与分析.pdf

不同龄期下ＳＨＣＣ拉伸性能试验测定与分析２０１３年１０月不同龄期下ＳＨＣＣ拉伸性能试验测定与分析胡春红，高艳娥，王小成（１．河南理工大学土木工程学院，河南焦作４５４００３；２．河南鹏程路桥建设有限公司，河南焦作４５４００３）摘要：直接拉伸试验是最能反映ＳＨＣＣ材料应变硬化与多微开裂特性的可行性试验，也是获得材料单轴拉伸应力一应变曲线的唯一可行方法。本文拟通过对不同龄期下每组三个试件进行直接拉伸试验，获得ＳＨＣＣ应力．应变全曲线，并在试验过程中观察不同龄期试件的裂缝发展情况。研究结果表明：任何龄期下的试件均表现出明显的应变硬化特性，且其极限拉应变均能达到甚至超过３％；不同龄期下试件的裂缝间距不同，即开裂特性有所差别；随着龄期的增加，试件强度提高而韧性有所下降。本文所得结果可为该材料在实际工程中的推广应用提供理论指导。关键词：ＳＨＣＣ；应变硬化；应力．应变曲线；多微开裂；龄期中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ———文章编号：１００３０９９９（２０１３）０７００２４０４１前言在混凝土或水泥基体中加入纤维，是提高其韧性、抗冲击能力及耐收缩断裂性能的常用方法。纤维增强水泥基复合材料发展至今已近一个世纪，纤维的加入大大改善了水泥基材料的性能，在一定程度上克服了基体早期抗拉强度低、易开裂等缺点，在世界范围内的应用越来越广泛Ｊ。但这些纤维增强水泥基复合材料在荷载作用下仍然无法有效控制裂缝宽度，尤其在直接拉伸荷载作用下仍表现出应变软化的特性，在展示高于普通混凝土韧性的同时通常以较宽的有害裂缝为代价Ｊ。为改变水泥基材料的抗拉能力，提高其抗拉韧性，近些年来对高性能纤维增强水泥基复合材料的研究迅速发展，人们开始借助微观、细观力学手段来研究具有应变硬化特性的水泥基材料Ｊ，其中基于细观力学设计的应变硬化水泥基复合材料（Ｓｔｒａｉｎｈａｒｄｅｎｉｎｇｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，简称ＳＨＣＣ）是当前比较成功的典型代表。所谓应变硬化是指材料在拉伸或压缩过程中，材料经过屈服阶段之后，又增强了抵抗变形的能力。这时要使材料继续变形需要增大应力。经过屈服滑移之后，材料重新呈现抵抗继续变形的能力。ＳＨＣＣ具有显著的拉伸应变硬化特性，其形成机理为：在材料受拉过程中，当第一条裂缝出现后，材料整体的传力性能并未显著削弱，承载力亦无明显降低，由于开裂处纤维的桥接作用，屈服条件向外延伸，试件中其它薄弱部位相继开裂，呈现多微开裂的情形，多条微细裂缝的形成使材料的宏观拉应变增大Ｊ。其中ＰＶＡ纤维是使该材料具有应变硬化特性的核心，纤维与水泥基材的粘结特性随龄期的变化对材料的宏观抗拉性能有显著的影响。基于以上认识，本文拟通过单轴拉伸试验对比研究不同龄期下ＳＨＣＣ的抗拉性能。分别对７ｄ、１４ｄ和２８ｄ龄期的ＳＨＣＣ试件进行试验，获得单轴拉伸的应力一应变关系，同时对不同龄期试件的裂缝发展与分布情况进行初步观察与分析。２试验方案２．１试验材料Ｐ．０４２．５水泥、Ｉ级粉煤灰、４０～７０目的普通河砂、高效聚羧酸型减水剂；ＰＶＡ纤维，Ｋｕｒａｒａｙ公司，其性能见表１。表１ＰＶＡ纤维参数Ｔａｂｌｅ１ＴｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＰＶＡｆｉｂｅｒ２．２试件制作过程称料：将所需的胶凝材料和河砂在电子称上称量好，倒入搅拌锅；用量杯称量所需要的水及减水剂，在称好的减水剂中加入适量称量好的水，用玻璃棒搅拌均匀，以降低减水剂的稠度，利于倾倒；将所需的ＰＶＡ纤维称好，放在干净的纸上备用。搅拌：采用ＪＪ．５型水泥胶砂搅拌机，搅拌筒容量收稿日期：２０１２－１１－２０基金项目：河南理工大学青年基金（Ｑ２０１０－１３）；河南理工大学创新基金（Ｑ２０１１４６）作者简介：胡春红（１９７６），女，博士，副教授，主要从事结构加固与修复。ＦＰ／幔２０１３２ｏＩ１２０１３年第７期玻璃钢／复合材料２７试验过程中观察拉伸试件的裂缝开展情况，可以发现试件处于任何龄期时都表现出明显的多微开裂现象。在拉伸荷载作用下，当第一条裂缝出现后，并没有像混凝土试件那样裂缝继续发展直至破坏，而是随着荷载的增加，在平行于此裂缝的一定间距内陆续出现多条细微裂缝，当荷载达到其抗拉强度极限值时，最弱截面处的裂缝宽度持续增大，直至试件最终被拉断。观察破坏后试件断面发现，大部分试件的破坏都是因为纤维从基体中被拔出而破坏，这显示了纤维高强的抗拉性能。由图７可以看出，７ｄ龄期试件的裂缝间距很小，裂缝分布较密；随着龄期的增长，１４ｄ、２８ｄ试件的裂缝间距逐渐变大，裂缝数量相应减少，故其极限拉应变相应降低。也就是说，材料的韧性随着龄期的增加逐渐减小。但从整体性能看，任何龄期下试件破坏前裂缝几乎可以布满整个等截面区域，且分布均匀，显示了ＳＨＣＣ多微开裂的特性。４结论通过对不同龄期ＳＨＣＣ试件的直接拉伸试验，可以得出以下结论：（１）任何龄期下试件开裂后，应力并未下降，而是继续增加；第一条裂缝出现后，并没有形成主裂缝，而是随着荷载的增加，在平行于此裂缝的一定间距内陆续出现多条细微裂缝。表明不同龄期ＳＨＣＣ试件均能出现明显的应变硬化与多微开裂特性；（２）随着龄期的增加，ＳＨＣＣ试件的强度逐渐提高，早期强度增长较快，所以实际工程中，早期养护ＥＸＰＥＩＵＭＥＮＴＡＬ极其重要；（３）随着龄期的增长，ＳＨＣＣ试件的开裂情况略有不同，裂缝间距逐渐变大，裂缝数量有所减少，说明韧性有降低趋势。从所测应力一应变曲线看，各龄期试件均可达到３％，说明本文所配制的ＳＨＣＣ具有优越的韧性；（４）从整体性能看，ＳＨＣＣ的抗拉性能及韧性均远大于混凝土等脆性材料，可将其应用于工程结构中的关键部位、对裂缝宽度有严格控制的结构以及处于腐蚀环境中的结构等。参考文献［１］王晓刚．ＰＶＡ纤维ＥＣＣ的实验方法研究及数值模拟［Ｄ］．青岛：青岛理工大学，２００５．［２］潘利剑，靳交通等．玻璃钢复合材料拉一拉疲劳性能试验方法及其改进［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００９，（９）：４６４９．［３］田国芝，王旭荣等．芳纶纤维加固钢筋混凝土梁锚固长度的简化—计算方法［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００９，（８）：１４１７．［４］胡春红，高艳娥等．砂的颗粒级配对ＳＨＣＣ抗拉性能的影响［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１２，（３）：５９－６２．［５］陈升平，李素华．ＰＶＡ纤维增强水泥基复合材料的性能试验研—究［Ｊ］．湖北工业大学学报，２０１１，（０４）：１０９１１２．［６］徐世娘，李贺东．超高韧性水泥基复合材料直接拉伸试验研究［Ｊ］．土木工程学报，２００９，（９）：３２－４０．——［７］ＩｉＶＣ，Ｗａｎｇｓ，ｗｕＣ．ＴｅｎｓｉｌｅｓｔｒａｉｎｈａｒｄｅｎｉｎｇｂｅｈａｖｉｏｒｏｆＰＶＡＥＣＣ［Ｊ］．ＡＣＩＭａｔｅｒｉａｌｓＪｏｕｒｎａｌ，２００１，９８（６）：４８３－４９２．［８］张君，居贤春，郭自力．ＰＶＡ纤维直径对水泥基复合材料抗拉性能的影响［Ｊ］．建筑材料学报，２００９，（１２）：７０６－７１０．［９］张林俊，宋玉普，吴智敏．混凝土轴拉试验轴拉保证措施的研—究［Ｊ］．实验技术与管理，２００３，２０（２）：９９１２４．［１Ｏ］顾惠琳，彭勃．混凝土单轴直接拉伸应力．应变全曲线试验方法［Ｊ］．建筑材料学报，２００３，６（１）：６６－７１．ＡＮＤＡＮＡＬＹＳＩＳ０ＦＴＥＮＳｌＬＥＰＥＲＦｏＲＭＡＮＣＥ’’’’’ＵＳＨＣＣｌＤＩＥＲＥｌＡＧＥＳ—ＨＵＣｈｕｎ．ｈｏｎｇ，ＧＡＯＹａｎ．ｅ，ＷＡＮＧＸｉａｏｃｈｅｎｇ（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｎａｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ４５４００３，Ｃｈｉｎａ；２．ＨｅｎａｎＰｅｎｇｃｈｅｎｇＲｏａｄ＆ＢｒｉｄｇｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｊｉａｏｚｕｏ４５４００３，Ｃｈｉｎａ）—Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｒｅｃｔｔｅｎｓｉｌｅｔｅｓｔｉｓｆｅａｓｉｂｌｅｔｏｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅｓｔｒａｉｎ．ｈａｒｄｅｎｉｎｇａｎｄｍｕｌｔｉｐｌｅｍｉｃｒｏｃｒａｃｋｉｎｇｅｈａｒａｃｔｅｒｉｓ—ｔｉｃｓｏｆＳＨＣＣ，ｉｔｉｓａｌｓｏｔｈｅｏｎｌｙｆｅａｓｉｂｌｅｍｅｔｈｏｄｔｏｇｅｔｓｔｒｅｓｓｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｏｆｍａｔｅｒｉａｌｏｎｕｎｉａｘｉａｌｔｅｎｓｉｌｅｌｏａｄ．Ｔｈｅ—ｓｔｒｅｓｓｓｔｒａｉｎｆｕｌｌｃｕｒｖｅｓｏｆＳＨＣＣａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｇｅｓｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｄｉｒｅｃｔｔｅｎｓｉｌｅｔｅｓｔｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｎｄｃｒａｃｋｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｐｅｃｉｍｅｎｓｗａｓｏｂｓｅｒｖｅｄｉｎｔｈｅｃｏｕｒｓｅｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｗｉｔｈｔｈｒｅｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓｅａｃｈ—ｇｒｏｕｐ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｏｂｖｉｏｕｓｓｔｒａｉｎｈａｒｄｅｎｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｐｐｅａｒｓｉｎａｌｌｓｐｅｃｉｍｅｎｓ，ａｎｄｔｈｅｕｌｔｉｍａｔｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒａｉｎｃａｎａｌｌｒｅａｃｈｏｒｅｖｅｎｅｘｃｅｅｄ３％，ｔｈｅｃｒａｃｋｓｐａｃｉｎｇｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｓａｒｅｖａｒ—ｉｏｕｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｇｅｓ．ｔｈｅｃｒａｃｋ—ｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｈａｖｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ．Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆａｇｅ，ｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｉｎｃｒｅａｓｅｓａｎｄｔｈｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓｄｅｃｒｅａｓｅｓ．ＴｈｅｒｅｓｕｈｓｏｂｔａｉｎｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｇｕｉｄａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｐｏｐｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＳＨＣＣｉｎｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．—Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＨＣＣ；ｓｔｒａｉｎｈａｒｄｅｎｉｎｇ；ｓｔｒｅｓｓｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅ；ｍｕｌｔｉｐｌｅｍｉｃｒｏｃｒａｃｋｉｎｇ；ａｇｅｌ／ｃ＿蕊ｉ１｜