高韧性纤维增强水泥基复合材料的抗拉性能.pdf

水利学报

年月第卷第期

文章编号

高韧性纤维增强水泥基复合材料的抗拉性能

公成旭张君
清华大学土木工程系北京清华大学结构工程与振动教育部重点实验室北京

摘要本文通过对不同水灰比和粉煤灰掺量的个配比的聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料单轴拉伸试验研究
了各配比试件的应力应变关系及抗拉特征参数试件采用的长方形试块至位移控制的
拉伸试验机上进行拉伸试验测定应力应变完整曲线试验结果表明高韧性纤维增强水泥基复合材料在拉伸
荷载下应力应变关系可分为弹性上升阶段应变硬化阶段和应变软化阶段在所选取的材料及配比范围内在
单轴拉伸荷载下均能实现应变硬化与多重开裂极限拉应变的最大值可达最小和最大临界裂纹宽度分别为
和
关键词纤维增强水泥基复合材料单轴拉伸抗拉应变裂纹宽度
中图分类号文献标识码

研究背景

许多建筑与土木工程结构性能的衰退直到最终退出工作均与混凝土材料的开裂及其脆性特征有
关例如混凝土路面板及桥面板的寿命通常由其使用过程中裂纹的引发及其扩展过程所控制传统的
混凝土材料是脆性材料抗压不抗拉其抗拉强度不到抗压强度的十分之一拉伸极限延伸率很小通常
为因而当传统的水泥基材料在温度与收缩等作用下的变形受到约束时很容易产
生裂纹由于混凝土材料本身的应变软化特性这些裂纹很快发展为毫米级的宏观裂缝
为克服混凝土材料的脆性与应变软化特点人们开始借助微观细观力学手段研究具有应变硬化特
性的水泥基材料其中基于细观力学设计的高韧性纤维增强水泥基复合材料
是当前比较成功的具有应变硬化特性的水泥基材料之一最早由美国密歇根大学的
教授等采用细观力学和断裂力学基本原理提出了该材料的基本设计理念随后该材料在日本获得
了较快发展和应用与传统纤维增强水泥基材料的主要区别之一是材料各组分构成是基于细观力学
设计力学性能设计是材料配比设计的核心另外所谓应变硬化指材料在单轴拉伸时在极限抗拉应
变到达之前应力随应变增加而增大其形成机理为在材料受拉过程中形成许多微细裂纹而承载力不
降低多条微细裂纹的形成将有望使材料的宏观拉应变增大近百倍由于裂纹间纤维的桥接作用材料
整体的传力性能并没有因微细裂纹的形成而被显著削弱近年来作者在先期对该材料研究基础上
开展了材料弯拉性能研究徐世教授课题组也开始了对的研究高淑龄博士报道了
拉应变能力为的聚乙烯醇纤维水泥基复合材料但其抗拉应变能力仍然偏低鉴于高韧性纤
维增强水泥基复合材料与传统水泥基材料无论从材料性能还是材料基本组成上均有很大不同材料在
单轴拉伸荷载下的应力应变特性及其裂纹形态及上述性能的影响因素远没有完全研究清楚本文采
用聚乙烯醇纤维为增强纤维研究高韧性纤维增强水泥基复合材料在单轴拉伸荷载下的应力
应变特性及水胶比粉煤灰掺量的影响为该材料工程应用提供必要的试验数据

收稿日期
作者简介公成旭辽宁人硕士生主要从事纤维增强水泥基复合材料性能研究
试验方法

水泥采用京都水泥密度为砂采用目的普通石英砂表观密度为
聚乙烯醇纤维为日本公司生产其性能见表粉煤灰采用低钙灰减水剂为
缓凝高效减水剂水为普通自来水试验中采用个不同的粉煤灰掺量具体材料配比如表所示编
号的数值依次为砂胶比水灰比粉煤灰掺量比根据已有试验结果砂胶比为纤维掺量为
体积含量时材料抗弯曲性能好弯曲荷载下应变硬化与多点开裂行为明显同时纤维分布较
均匀新拌浆体流动性较好低于此纤维掺量较难实现应变硬化与多点开裂因此本文取砂胶比为
纤维掺量为为基本配比设计参数通过调整水胶比及粉煤灰掺入量研究其对复合材料轴拉
性能的影响
表聚乙烯醇纤维的材料性能

密度抗拉强度弹性模量直径长度

表抗拉试验用配合比单位

编号水泥粉煤灰砂水纤维

单轴拉伸试验采用的长方形试块试件成型过程如下准备基材先将
水泥粉煤灰和石英砂混合低速搅拌然后缓缓加入高效减水剂并持续搅拌以获得均匀流
动的基材加入纤维低速搅拌的同时手工缓慢加入纤维以确保纤维能够均匀分布而不出现结团现
象浇筑养护所有试件分两层浇注首先浇入一半然后振动以确保材料振动密实然后
以同样的方式浇入剩余一半最后将表面抹平并覆盖一张聚乙烯膜以防止水分蒸发在室温下养护
然后拆模放入标准养护室进行水养护温度分别至
抗拉试验采用美国材料试验机加载采用位移控制模式速度为采集数据
包括时间位移承载力和应变其中应变采用标距为引伸计测定引伸计分别加在试件的两
面所有数据采集频率为次为防止试件上下夹紧端因局部受压而破坏加载前在试件的两侧粘
上长宽厚的铝板试件黏接后方可进行抗拉试验试件及变形传感器安装示意
如图所示

图单轴拉伸试验试件及变形传感器安装示意
试验结果及分析

抗拉应力应变曲线特征典型聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料的抗拉应力应
变曲线测试结果如图所示

图典型的抗拉应力应变曲线

由图可见该应力应变曲线可以分为个阶段
弹性上升阶段应变与应力成比例发展