工程纤维增强水泥基复合材料PVA-ECC单轴受拉性能研究(PDF X页)

2 0 1 5年第 9期 (总第 3 1 1期 )Nu mb e r 9 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No . 3 1 1 )

混

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THEoRE TI CAL RES EARCH

d o i: 1 0 . 3 9 6 9/ j . i s s n . 1 0 0 2— 3 5 5 0 . 2 0 1 5 . 0 9 . 0 0 9

工程纤维增强水泥基复合材料 P V A—E CC 单轴受拉性能研究李艳，温丛格

(河南理工大学土木工程学院，河南焦作 4 5 4 0 0 3 )摘要：通过对工程纤维增强水泥基复合材料 P V A— E C C的单轴受拉强度和变形特性试验，研究 P V A纤维体积率、水胶比与砂

胶比对 E C C抗拉性能的影响，研究结果表明，随着 P V A纤维体积掺量的增加， E C C的抗拉强度与极限拉应变明显增大，其受拉

应变一硬化特性也越明显；水胶比增大， P V A— E C C的抗拉强度降低，但极限拉应变增大且可明显改善其受拉应变硬化特性；砂胶比为 O . 3 6时， P V A— E C C的极限拉应变最大，继续增大砂胶比，将不利于 P V A—E C C受拉应变一硬化特性的发挥。 关键词：工程纤维增强水泥基复合材料；聚乙烯醇纤维；单轴受拉；抗拉性能；应变硬化中图分类号： T U 5 2 8 . 0 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2— 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 9— 0 0 3 1— 0 5

T e n s i l e p e r f o r ma n c e o f e n gi n e e r i n g f i b e r r e i n f o r c e d c e me n t i t i ou s c o mp o s i t e s PV A—E CC u n d e r u n i a x i a l t e n s i o n

LI Ya n,W EN Co n g g e

( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e i r n g, H e n a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y, J i a o z u o 4 5 4 0 0 3, C h i n a )Abs t r ac t: Ba s e d o n e xp e im e r n t s f o r s r t e n g t h a nd d e f o r ma io t n u n d e r u n i

a x i a l t e ns i o n, t h e i n lu f e n c e s o f P VA ib f e r c o n t e n t b y v o l u me,wa t e r—bi n d e r r a i t o nd a s a n d—bi n d e r r a io t o n t e ns i o n pe fo r r ma n c e o f ECC we r e s t u d i e d. St ud y r e s u l t s i n d i c a t e ha t t a s P VA ibe f r c o n t e n tb y v o l u me i n c r e a s e s, t e n s i l e s re t ng h t a n d u l t i ma t e t e ns i l e s t r a i n o f ECC i n c r e a s e a n d i t s t e ns i l e s t r a i n— h a r d e n i n g c h a r a c t e r i s t i c s a r e mo r e

o b vi o u s . Th e i n c r e a s i n g wa t e r— b i n d e r r a t i o r e d u c e s t e n s i l e s re t n g t h o f PVA—ECC. b u t s i g n i ic f a n t l y i mp r o ve u l t i ma t e t e n s i l e s t r a i n a nd t e n s i l e s t r a i n—h a r d e in n g c h ra a c t e is r t i c s .’ V e n s a n d—bi n d e r r a i t o i s O. 3 6. u l t i ma t e t e n s i l e s t r in a of PVA—ECC i s he t l rg a e s t . I f c o n i t n u— i n g t o i n c r e a s e s n d—bi a n d e r r a t i O. i t i s d i s a d v nt a a g e o u s t o t e ns i l e s t r a i n—ha rd e n i n g c h a r a c t e r i s i t c s o f P VA—ECC.

Ke y w or ds: e ng i n e e r e d b e i f r r e i n f o r c e d c e me n t i t i o u s c o mpo s i t e s; PVA

i f be r; un i a x i a l t e n s i o n; t e ns i l e p e r f o m a r nc e; s t r in—h a a r d e n i n g

0 引言工程纤维增强水泥基复合材料 E C C ( E n g i n e e r e d F i b e rR e i n f o r c e d C e m e n t i t i o u s C o m p o s i t e s,简称 E C C),是以显著

程，是国际上公认的最能体现纤维增强水泥基复合材料抗拉性能的试验方法。目前，国内对 P V A—E C C的单轴受拉性能已开展了部分研究，大连理工大学的徐世娘采用国产基体原材料，利用改进后的直接拉神试验方法研制出极限拉应变稳定达到 3%以上，在拉伸过程中具有明显应变一硬化特性和良好裂缝控制能力的 E C C,并对其进行了基本力学性能的研究。青岛理工大学的田砾主要研究加

拉伸应变能力著称的水泥基复合材料，常以高弹模且无毒、无害的聚乙烯醇 ( P o l y v i n y l A l c o h o l,简称 P V A)纤维作为其增强材。 P V A— E C C具有较高的延性和裂缝控制能力，在单轴拉伸过程中会表现出应变硬化和多微缝开裂特

载速率对 E C C抗拉性能影响，试验研究表明，加载速率的降低有助于实现材料应变硬化性能和多微开裂模式。大连理工大学的张英华主要研究了增稠剂等对 E C C材料抗拉性能的影响。大连理工大学的高淑玲主要对投料顺序

征，其单轴极限拉应变可稳定超过 3% - 4 J。 P V A— E C C克服了传统混凝土材料易开裂、脆性大等缺点，提高了结构的耐久性与延性， F o r b e s杂志于 2 0 0 9年对聚乙烯醇纤维

工程水泥基复合材料 P V A—E C C进行了专题报道，称其是引起产业化革命的新型建筑材料。

和搅拌工艺进行了研究。清华大学的张君、北京工业大学的薛会青主要对 P V A纤维直径及掺量等方面进行了研究。要实现 E C C材料在实际工程中的推广应用，必须

P V A— E C C的高延性主要体现在其超强的拉伸应变能力，直接拉伸应力一应变全曲线的量测可以更全面、 深入地揭示 P V A— E C C的受拉应变硬化特性和破坏全过收稿日期： 2 0 1 4— 1 1— 0 9

降低

造价，实现材料的本地化。同济大学的王晓刚、河南理工大学的胡春红在 E C C的制备中就用当地普通河

基金项目：国家自然科学基金资助项目( 5 1 2 0 8 1 8 3 );河南省科技攻关项目( 1 3 2 1 0 2 3 1 0 3 1 2 );河南省自然科学研究计划项目( 1 2 B 5 6 0 0 0 6 );河南理工大学博士基金资助项目( B 2 0 1 2— 0 3 2 )

31

图 3为 E 5组试件 2 8 d直接拉伸试验的裂缝开展图。从

微缝开裂的特征。

图3中可以看出， P V A—E C C试件的开裂不是单裂缝开裂，而是呈多重细密裂缝的开裂状态。这主要是由于纤维

2 . 3试验结果表 3为 P V A— E C C的单轴受拉试验结果。由表 3可以看出，利用我国地方资源(普通河砂 )和工业废料 (粉煤灰)可以制备出极限拉应变达到 3%以上的水泥基复合材料(配合比 E 5、 E 8、 E 9 )。表 3显示出， P V A— E C C试件 7 d的初裂强度为 2 . 8 0—4 . 7 7 MP a、初裂应变为 0 . 0 2 4%~ 0 . 0 4 2%、极限抗拉强度为 3 . 3 6 - 7 . 0 1 MP a、极限拉应变为 0 . 0 8%~ 3 . 5 6%; 2 8 d的初裂强度为 3 . 3 4~ 5 . 4 6 MP a、初裂应变为 0 . 0 2 2%~ 0 . 0 4 0%、极限抗拉强度为 4 . o 0~ 7 . 3 4 MP a、极限拉应变为 0 . 0 7%~ 3 . 3 4%。可见， P V A— E C C的抗拉性能

的桥接作用，基体开裂后，乱向分布的 P V A纤维继续承载，应力在基体和纤维之间进行相互传递，应力应变继续增加，微细裂缝随着荷载的增加而逐渐加密，从而出现多

远远优于普通混凝土，可改善结构构件的延性与耐久性能。相同配合比的 P V A— E C C试件，其7 d的极限拉应变大于 2 8 d的，而受拉强度则相反。由于 P V A—E C C中不含粗骨料，其受拉弹性模量比普通混凝土的弹性模量要图a P V A—E G C多微缝开裂的特征

低，其值大约在 8 . 8 - 1 7 . 1 G P a之问( 2 8 d )。

表3 P V A— E G G单轴受拉试验结果

5

4

≈ 3

魑 2

1

0

3

P V A—E C C单轴受拉强度影响因素分析P V A纤维掺量、水胶比与砂胶比是影响 E C C单轴受拉力学性能的主要因素。图 4显示出 P V A纤维体积掺量对E C C强度的影响，从表 3与图 4中可以看出，随着 P V A 纤维掺量的增加， P V A— E C C 7 d、 2 8 d的初裂强度、极限

强度均增大，当 P V A纤维掺量从 0分别增加到 0 . 5%、 1 . 0%、 1 . 5%、 2%时， 7 d的初裂强度分别提高了 6 . 7 9%、1 7 . 5 0%、 2 2 . 1 4%和 2 5 . 3 6%; 2 8 d初裂强度分别提高了O o . 5 1 . o 1 . 5 2 0

P V A .￣维掺量， -% ( a )

3 . 4 5%、 9 . 8 1%、 1 7 . 2 4%、 1 8 . 0 4%; 7 d的极限强度分别提高了1 4 . 5 8%、 2 2 . 0 2%、 4 9 . 4 0%、 5 6 . 5 5%; 2 8 d的极限强度分别提高了 6 . 5 0%、 1 9 . 7 5%、 3 7 . 0 0%、 5 7 . 2 5%。 利用线性回归分析得到了 P V A— E C C 2 8 d的极限抗

拉强度与 P V A纤维体积率的关系(如图5所示 ),其表达式为：=.

0+1 . 0 3 v f

( 1 )

0

0 . 5

1 . 0

1 5

2. 0

P V A纤维掺量/%( b )

式中： 。—.

—

纤维掺量为 0时， E C C基体的抗拉强度。

图6为不同水胶比 P V A—E C C初裂强度与抗拉强度的比较。从表 3与图 6中可以看出，随着水胶比的增加， P V A—E C C的强度降低，当水胶比从 0 . 2 4分别增加到

图4 P V A纤维掺量对初裂强度和极限抗拉强度影响

0 . 2 8、 O . 3 2、 0 . 3 6、 0 . 4 0时， P VA—E C C 7 d、 2 8 d的初裂强度

分别降低了 1 3 . 8 4%、 2 6 . 4 2%、 3 1 . 6 6%、 3 2 . 7 0%、 1 5 . 0 2%、

33

6

5

4

《R目 3 2

皂1

8 7 6 5 4 3 2

1

E6

0

0 . 5 1 0 1 . 5 2 . 0 2. 5 3 . 0 3 . 5 4 . 0

0

O . 5

1 . 0

1 . 5 2 . 0 2 .

5 3 . 0

3 . 5

0

0. 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 2. 5 3 . 0 3 . 5 4 . 0

应变/% ( a )不同P V A纤维掺量( 7 d )6 善7 6 5 4 3 2 1

应变/% ( b )不同P V A纤维掺量( 2 8 d )

应变，% ( c )不同水胶比( 7 d )

5

4

要，2l

O

0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 2. 5 3 0 3 . 5 4 . 0

0

0 . 5

1 . 0

1 . 5

2 . 0 2 . 5

1 . 0

1 . 5

2 . 0 2 . 5

3 . 0 3 . 5

应变，% ( d )不同水胶￣ L ( 2 8 d )

应变，% ( e )不同砂胶比( 7 d )

应变/% ( D不同砂胶比( 2 8 d )

图8 P V A—E G O试件单轴受拉应力一应变全曲线

5 结论( 1 )利用我国地方普通河砂和工业废料 (粉煤灰 )可 B d日 dI苣4

[ 5]A N N A V B . S e l f—h e a l i n g c o n c r e t e[ J] . F o r b e s, 2 0 0 9 ( 2 ): 4 6—47.

[ 6]L I V C, Wa n g S . O n h i g n p e r f o r ma n c e i f b e r r e i n f o r c e d c e me n i t—

以制备出极限拉应变达到 3%且具有受拉应变硬化和多微7 6 5 4 3 2 1

7

6

5

3

2

1

t i o u s c o mp o s i t e s[ C]// P r o c e e d i n g s o f t h e J C I I n t e r n a t i o n a l Wo r k—s h o p o n d u c i t l e f ib e r Re i n f o r c e d Ce me n t i t i o u s Co mp os i t e s

裂缝开裂的 P VA—E C C材料。

( 2 )随着 P V A纤维体积掺量的增加， P V A—E C C的

( D F R C C ) . T o K y o, 2 0 0 3: 1 3— 2 3 .

初裂强度与初裂应变、极限抗拉强度与极限拉应变均有所增大； P V A纤维掺量越大， E C C的受拉应变硬化特性就越

[ 7]田砾，朱桂红，郭平功，

等. P V A纤维增强应变硬化水泥基材料

韧性性能研究[ J] .建筑科学， 2 0 0 6, 2 2 ( 5 A ): 4 7— 4 9 . [ 8]张帅，张英华，等.增稠剂对超高韧性纤维增强水泥基复合材料性能的影响[ J] .混凝土与水泥制品， 2 0 0 8, 3 5 ( 1 ): 3 4— 3 7 . [ 9]高淑玲，徐世煨 . P V A纤维增强水泥基复合材料拉伸特性试

明显，当纤维体积掺量为 2%时， E C C 2 8 d的极限拉应变是基体的 4 3 . 5 7倍。( 3 )随着水胶比的增加，虽然 P V A— E C C的初裂强度

验研究[ J] .大连理工大学学报， 2 0 0 7, 4 2 ( 3 ): 2 3 3— 2 3 9 . [ 1 0 3张君，居贤春，等. P V A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， 2 0 0 9, 1 2 ( 6 ): 7 0 6— 7 1 0 . [ 1 1]薛会青，邓宗才，李建辉 . P V A纤维水泥基复合材料的抗拉性能及韧 f生研究[ J] .郑州大学学报， 2 0 0 9, 3 0 ( 1 ): 9 2— 9 5 . [ 1 2]王晓刚， W1 T MA N N F H,等.优化设计水泥基复合材料应变硬化性能研究[ J] .混凝土与水泥制品， 2 0 0 6, 3 3 ( 3 ): 4 6— 4 9 .

与极限强度降低，但明显改善了其受拉应变硬化特性和延性，水胶比为 0 . 4 0的 P V A— E C C,其2 8 d的极限拉应变是

水胶比为 0 . 2 4的极限拉应变的 5 . 9 6倍。( 4 )当砂胶比较小时，随着砂胶比增大， P V A—E C C

的初裂强度及极限抗拉强度有所提高，但当砂胶比大于0 . 3 6后， P V A— E C C的初裂强度及极限抗拉强度随着砂胶

比的增大反而降低；当E C C基体中的细砂含量较多时，不但影响 E C C抗拉强度的发挥，还会抑制 E C C材料的受拉应变硬化特性和延性的发挥。参考文献：

[ 1 3]李贺东.超高韧性水泥基复合材料试验研究[ D] .大连：大连理工大学， 2 0 0 8: 1 1 .

[ 1 4] J S C E . R e c o m m e n d a i t o n s f o r d e s i g n a n d c o n s t r u c i t o n o f h i g h p e r—f o r

ma n c e ib f e r r e i n f o r c e d c e me n t c o mp os i t e s wi h t mu l i t p l e in f e

c r a c k s ( H P F R C C )[ s] . 2 0 0 7 . [ 1 5]李艳，刘泽军，等.高性能 P V A纤维增强水泥基复合材料单轴受拉特性[ J] .工程力学， 2 0 1 3, 3 0 ( 1 ): 3 2 2— 3 3 0 .[ 1]L I V i c t o r C, WA N G S, wu H C . T e n s i l e s r a i n— h a r d e n i n g b e—

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[ 1 6]寇佳亮，邓明科，梁兴文.延性纤维增强混凝土单轴拉伸性能试验研究[ J] .建筑结构， 2 0 1 3, 4 3 ( 1 ): 6 0— 6 4 .第一作者李艳 ( 1 9 7 7一 ),女，副教授，博士，主要从事高性能混

[ 2]L I V C .高延性纤维增强水泥基复合材料的研究进展及应用[ J] . 硅酸盐学报， 2 0 0 7, 3 5 ( 4 ): 5 3 1— 5 3 6 . [ 3]徐世煽，李贺东.超高韧 l 蕊合材料直接拉伸试验研究[ J] . 土木工程学报， 2 0 0 9, 4 2 ( 9 ): 3 2— 4 1 . [ 4]胡春红，赵铁军，戎涛 .应变硬化水泥基复合材料 ( S H C C )抗拉性能试验研究[ J] .工业建筑， 2 0 1 2, 4 3 ( 3 ): 1 0 2—1 0 6 .

凝土的研究工作。联系地址： 河南焦作高新区世纪大道 2 0 0 1号河南理工大学土木

工程学院 ( 4 5 4 0 0 3 )联系电话1 3 5 2 3 3 6 8 0 68

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