探讨水泥基复合材料单轴受力特性研究

摘要：对13组共273个试件进行抗压试验，研究超高韧性水泥基复合材料的抗压性能，测得材料的抗压强度、弹性模量、泊松比以及棱柱体单轴抗压应力-应变全曲线，并与相应基体的抗压性能进行对比分析。根据实测棱柱体抗压应力-应变全曲线，针对构件的正截面承载力计算和结构的非线性分析，分别提出相应的计算模型。研究成果可为超高韧性水泥基复合材料在实际工程中的应用提供材性依据和理论模型。

关键词：超高韧性水泥基复合材料；抗压性能；应力-应变全曲线

1引言

利用纤维来改善水泥基材料的脆性由来已久。超高韧性水泥基复合材料通过在水泥砂浆中添加体积分数不超过2%的聚乙烯醇短纤维实现了材料的高延性化和高韧性化，在拉伸荷载、弯曲荷载和剪切荷载作用下均表现出卓越的力学性能。已有研究成果证明，超高韧性水泥基复合材料在提高结构耐久性、安全性和可持续性方面具有很大的优势，具有未来混凝土必须解决的关键性能。例如它在拉伸荷载作用下的最大应变可以超3%，极限荷载时的裂缝宽度可以控制在100μm以内；在完全倒转的循环荷载情况下表现出良好的抗震性；在剪切荷载作用下表现出高延性性能、高能量吸收能力以及大侧向位移下有稳定的滞后环及结构整体性等。

为了实现超高韧性水泥基复合材料在实际工程中的大规模应用，必须详细研究它的各项力学性能指标。其中轴心抗压性能指标作为材料最基本、最重要的力学性能指标，是进行超高韧性水泥基复合材料结构和构件设计的关键参数。本文通过制作不同尺寸和不同形状的试件，详细研究不同强度时超高韧性水泥基复合材料在单轴压应力作用下的力学性能，并与相应砂浆基体的单轴抗压力学性能进行了对比。试验得到了超高韧性水泥基复合材料的单轴抗压应力-应变全曲线，提出了与试验结果吻合的本构关系模型，为超高韧性水泥基复合材料的结构设计和非线性数值分析提供了材性依据和理论基础。

2 试验概况

试验共制作13组试件研究超高韧性水泥基复合材料的抗压性能。每组试件制作40mm×40mm×160mm的砂浆基体试件和超高韧性水泥基复合材料试件各9个，其中6个用于测定棱柱体轴心抗压性能，剩余3个先测定抗折强度，然后采用抗折强度试验折断后的一半试件进行抗压试验，测定受压面积为40mm×40mm的立方体抗压强度；同时制作70.7mm的立方体超高韧性水泥基复合材料试件3个，与40mm立方体试件抗压强度进行对比。试验总共制作试件273个。试件成型1天后拆模，标准养护28天后取出，室内放置至试验。

加载时试件龄期4～6个月。立方体试件在60t的材料试验机上进行抗压试验。对抗折试验后的一半试件进行抗压试验时，采用标准抗压夹具进行，试验以试件成型时的侧面作为受压面，并使夹具对准试验机压板中心，加荷前清除试件受压面与加压板间的砂粒和杂物。立方体试件加载速率0.3～0.5MPa，记录抗压峰值荷载。棱柱体试件在300t的液压伺服材料试验机上进行单轴抗压试验，加载速率0.5mm/min。试验时，首先测定3个试件的峰值荷载，以确定弹性模量测量时的控制荷载。然后利用剩余3个试件测量弹性模量、泊松比和单轴抗压应力-应变曲线。弹性模量和泊松比的测量采用电测法，即在试件的相对两面的中线中点上分别粘贴相互垂直的应变片，测量试件受压过程中的压缩应变和横向应变。开动试验机后，当上压板与试件接近时调整球座，使其接触均衡。然后连续均匀地对试件加载至轴心抗压强度值的40%，即弹性模量试验的控制荷载值。然后以同样的速度卸载，如此反复预压三次后，用同样速度进行第四次加载直至破坏。试验时，所有试件都采用几何对中。单轴抗压试验的试验简图如图1所示。

3 试验结果分析

试验得到的40mm立方体抗压强度fc40、70.7mm立方体抗压强度fc70、棱柱体抗压强度fp40、弹性模量E、泊松比υ如表1所示，其中下标u表示超高韧性水泥基复合材料，m表示砂浆基体。

3.1 抗压强度

3.1.1 抗压强度对比分析

在砂浆基体中添加纤维主要用来改善单轴压应力作用下的压缩韧性。由于大量纤维的存在使基体的孔隙率增大，不能再作为一个结构紧密的整体进行工作，导致抗压强度会有所降低。试验得到的超高韧性水泥基复合材料的抗压强度与基体抗压强度的比值如表1所示。从表中可以看出，纤维的添加使棱柱体抗压强度降低，而40mm立方体的抗压强度却基本不变或有所增加。这主要是由于40mm立方体抗压强度采用的是抗折试验后的一半试件，其受压面的尺寸大于受压面积，伸出标准夹具以外的部分由于纤维的连接作用在受压过程中不能发生脆性断裂，导致试件的横向变形受到约束，使试验测得的抗压强度明显高于基体。试验结束时可以观察到试件除了受压面中间的受压部分产生较大的压缩变形外，试件整体性完好，没有发现基体剥落和破碎。

3.1.2 试件的尺寸效应和形状效应

试件的尺寸效应和形状效应是客观存在的。试件的尺寸越大，高宽比越大，测得的材料强度就越低。经过上述试验证明试件的尺寸效应系数或形状效应系数不仅仅与试件的尺寸大小或者形状有关，还与材料的强度有关（如表1所示）。试验结果证明随着抗压强度的增加，试件对尺寸和形状的敏感度有所降低。尽管如此，为了能较为方便地计算不同尺寸和不同形状试件的强度，根据上述试验结果得到了超高韧性水泥基复合材料40mm立方体和70.7mm立方体试件抗压强度之间的关系如图2所示。

由于棱柱体试件的尺寸较小，对中困难，造成试验数据离散性较大，如图3所示。对试验所得的有限数据进行线性回归得到了超高韧性水泥基复合材料40mm立方体和40mm×40mm×160mm棱柱体试件抗压强度之间的关系如下：

3.2 弹性模量和泊松比

弹性模量是混凝土的重要力学性能，它反映了混凝土所受应力与所产生应变之间的关系，是计算混凝土结构变形、裂缝开展和温度应力所必需的参数之一。试验测得的弹性模量和泊松比如表1所示。对比超高韧性水泥基复合材料的弹性模量和基体的弹性模量（见表1），可以看出纤维的添加导致材料的弹性模量降低。原因是纤维使基体的孔隙率增大，连续性降低。当复合材料受压时，由于基体孔隙率及内部微裂缝的影响使应变增大，导致弹性模量降低。根据表1绘制的超高韧性水泥基复合材料弹性模量与棱柱体抗压强度以及与70.7mm立方体抗压强度之间的关系。由此可知，随着抗压强度的增加，弹性模量呈指数增长。二者的拟合关系式如下：

弹性模量与棱柱体强度的关系：

根据表1绘制的泊松比随70.7mm立方体抗压强度的变化关系。由于纤维的连接作用改善了材料的压缩韧性，使超高韧性水泥基复合材料的泊松比比一般混凝土略高。如图所示，由于试验数据有限，数据点的离散性较大。本文根据现有试验所得数据取其平均值0.255作为泊松比的一个建议性的数值，以供参考。

3.3 抗压全曲线

单轴受压状态下的应力-应变关系全面地反映了各个受力阶段的变形特点和破坏全过程，包含了重要的力学性能指标，是结构和构件设计和非线性分析所必需的材料物理条件。试验得到的棱柱体抗压应力-应变全曲线（由荷载-变形曲线经计算得到）。尽管超高韧性水泥基复合材料的全曲线形状和混凝土的棱柱体抗压全曲线类似，属于偏态的单峰曲线，但是它的塑性变形能力和峰值后延性明显优于混凝土。它的峰值应变在0.005左右，明显大于普通混凝土的值0.002。而且随着应变的增加，峰值后的应力降低缓慢，并且当应变达到很大时仍有一定的残余强度。这充分体现了纤维在改善压缩韧性方面的作用。

三组试件的基体和超高韧性水泥基复合材料的对比曲线，尽管添加纤维后抗压强度降低，但是超高韧性水泥基复合材料的延性和韧性明显大于基体。峰值荷载后，基体发生突然破坏，表现出明显的脆性破坏。而超高韧性水泥基复合材料在纤维的限制作用下，表现出良好的延性性能和韧性性能。

3.4 抗压全曲线模型

抗压全曲线作为图像化的本构关系，是研究和分析结构和构件受力性能的主要材性依据，为此需要建立相应的数学模型。本文针对构件的正截面承载力设计和结构的非线性分析，提出了参考。

4 结论

（1）在砂浆基体中添加纤维主要用来改善单轴压应力作用下的压缩韧性。超高韧性水泥基复合材料峰值应变在0.005左右，显著大于普通混凝土的峰值应变值0.002。试验结果证明PVA纤维轴心抗压强度没有提高。

（2）对比不同尺寸的立方体试件和立方体试件与棱柱体试件的抗压试验结果，分析了试件的尺寸效应和形状效应，并通过线性拟合得到了相应的关系式。

（3）纤维的添加导致材料的弹性模量降低。根据试验结果得到的弹性模量与抗压强度的关系式表明，随着抗压强度的增加，弹性模量呈指数增长。

（4）由于纤维的限裂作用改善了材料的压缩韧性，使超高韧性水泥基复合材料的泊松比比一般混凝土略高。本文根据现有试验所得数据取其平均值0.255作为泊松比的一个建议性的数值，以供参考。

（5）根据实测应力-应变全曲线，提出了分别针对正截面承载力设计和结构非线性分析的理论模型，为超高韧性水泥基复合材料在工程中的广泛应用提供了必要的试验和理论基础。

参考文献：

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