第５２卷第１期 西南交通大学学报 Ｖｏ１．５２ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１７ ２０１７年２月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＵＴＨＷＥＳＴ ＪＩＡＯＴＯＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ 文章编号：０２５８－２７２４（２０１７）０１－００６１－０８ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５８—２７２４．２０１７．叭．００９ 掺合料对纤维增强水泥基材料 拉伸性能的影响 王海龙 ， 罗月静 ， 彭光宇 ， 孙晓燕 ， 应齐明 （１．浙江大学建筑工程学院，浙江杭州３１００５８；２．广西交通科学研究院，广西南宁５３０００７；３．浙江省交通规 划设计研究院，浙江杭州３１０００６） 摘一要：为降低材料成本并探明掺合料对聚乙烯醇（ＰＶＡ）纤维增强水泥基复合材料抗拉能力的改性效果，采用 定量的粉煤灰、硅灰和偏高龄土代替水泥，试验研究了改性前后水泥基复合材料的拉伸应变、开裂强度、极限 强度以及裂缝发展规律，分析了各种掺合料对水泥基复合材料抗拉性能的影响机理．试验研究结果表明：用粉煤 灰代替６５．０％的水泥，材料的初始开裂强度和极限强度随着粉煤灰的掺入分别降低了２５．５％和２６．０％，但复合 材料的变形能力提高了２倍；粉煤灰改善了复合材料的裂缝宽度和间距，使得多重开裂现象更易发生；用粉煤灰 和硅灰分别代替５０．０％和１５．０％水泥，使得复合材料裂缝宽度略有减小，变形能力比单掺粉煤灰提高了７．６％； 偏高岭土的掺入，使得材料具有更好的变形能力；在纤维体积掺量为２．０％的情况下，粉煤灰、硅灰、偏高岭土的 复掺使得纤维增强水泥基复合材料的极限拉应变达到２．０％，极限强度达到３．９９ ＭＰａ，材料在拉伸荷载作用下 呈现出高延性和多裂缝开裂特性，材料自身对裂缝具有很强的可控性，其饱和状态最大裂缝宽度为１７５ ｔｘｍ，平 均裂缝宽度不超过１ １５ ｍ． 关键词：水泥基材料；裂缝；韧性；掺合料；拉伸性能 中图分类号：ＴＵ５２８．５８ 文献标志码：Ａ Ｅｆｆｅｃｔ ０ｆ Ａｄｍｉｘｔｕｒｅｓ ｏｎ Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ＷＡＮＧ Ｈａｉｌｏｎｇ ，ＬＵＯ Ｙｕｅｊｉ ，ＰＥＮＧ Ｇｕａｎｇｙｕ ，ＳＵＮ Ｘｉａｏｙａｎ ，ＹＩＮＧ Ｑｉｍｉｎｇ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００５８，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｕａｎｇｘｉ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｎｉｎｇ ５３０００７，Ｃｈｉｎａ；３．Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｐｌａｎｎｉｎｇ，Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３ １０００６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ａｄｍｉｘｔｕｒｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ ｆｉｂｅｒ—ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ（ＰＶＡ— ＥＣＣｓ），ＰＶＡ—ＥＣＣｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍａｓｓ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｉｌｉｃａ ｆｕｍｅ（ＳＦ），ｆｌｙ ａｓｈ（ＦＡ） ａｎｄ ｍｅｔａｋａｏｌｉｎ（ＭＫ）ｆｏｒ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅｎ，ｔｅｎｓｉｌｅ ｔｅｓｔｓ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ＰＶＡ－ＥＣＣｓ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｍｏｄｉｉｆｃａｔｉｏｎ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒａｉｎ， ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｌｏａｄ，ｔｈｅ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｍｉｘｔｕｒｅｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ 收稿日期：２０１４－０６－２７ 基金项目：浙江省科技厅公益性资助项目（２０１５Ｃ３３０２７）；国家自然科学基金资助项目（５１３７８４５６）；浙江省自然科学基金重点资助项 目（ＬＺ１３Ｅ０８０００１）；浙江省交通厅科技计划资助项目（２０１４Ｗ０６） 作者简介：王海龙（１９７４一），男，副教授，博士，研究方向为混凝土材料与混凝土结构耐久性，Ｅ．ｍａｉｌ：ｈｌｗａｎｇ＠ ｕ．ｅｄｕ．ｅｎ 通信作者：孙晓燕（１９７６一），女，副教授，博士，研究方向为桥梁结构与新型材料，Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｅｌｉｎａ＠ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｅｎ 引文格式：王海龙，罗月静，彭光宇，等．掺合料对纤维增强水泥基材料拉伸性能的影响［Ｊ］．西南交通大学学报，２０１７，５２（１）：６１－６８． ＷＡＮＧ Ｈａｉｌｏｎｇ，ＬＵＯ Ｙｕｅｊｉｎｇ，ＰＥＮＧ Ｇｕａｎｇｙｕ，ｅｔ ａ１．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ａｄｍｉｘｔｕｒｅｓ ｏｎ ｔｅｎｓｉｌｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１７，５２（１）：６１－６８． ６２ 西 南 交 通 大 学 学 报 第５２卷 ．ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｃｒａｃｋｉｎｇ １ｏａｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｂｙ ６５Ｏ％ ｏｆ ＦＡ ｗｅｒｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ２５．５％ａｎｄ ２６．０％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ｂｕｔ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｂｉｌｉｔｙ ｗａｓ ｔｗｏｆｏｌｄ ｅｎｈａｎｃｅｄ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｎｙ ａｓｈ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｗｉｄｔｈ ａｎｄ ｃｒａｃｋ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，ｃａｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｈａｐｐｅｎｅｄ ｍｏｒｅ ｅａｓｉｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ＦＡ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ａｄｍｉｘｅｄ ｗｉｔｈ ５０．０％ｏｆ ＦＡ ａｎｄ １５．０％ｏｆ ＳＦ ｃｏｍｐｏｕｎｄ，ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｗｉｄｔｈ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ： ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ａｄｍｉｘｅｄ ｗｉｔｈ ｈｏｗｅｖｅｒ．ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｂｉｌｉｔｙ ｗａｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ７．６％６５．０％ｏｆ ＦＡ．Ｗｈｅｎ ＭＫ ｗａｓ ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ．ｔｈｅ ｍｏｄｉｉｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｈａｄ ｂｅｔｔｅｒ ｆｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｂｉｌｉｔｉｅｓ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＦＡ．ＳＦ ａｎｄ ＭＫ ａｎｄ ａ ｍｏｄｅｒａｔｅ ｉｂｅｒ ｖｏｌｆｕｍｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ２．０％．ａｎ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｓｔｒａｉｎ ｅｘｃｅｅｄｉｎｇ ２．０％ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ａｎ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ３．９９ ＭＰａ ｗａｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｅｘｈｉｂｉｔｅｄ ａ ｈｉｇｈ ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ．Ｔｈｅ ｃｒａｃｋｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｗｅｌｌ ｂｙ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｔｓｅｌｆ．ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｃｒａｃｋ ｗｉｄｔｈ ｉｎ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｓｔａｔｅ ｗａｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １７５ ｔｘｍ ａｎｄ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｃｒａｃｋ ｗｉｄｔｈ ｗａｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １ ｌ５ ＬＬｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｃｒａｃｋ；ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ；ａｄｍｉｘｔｕｒｅ；ｔｅｎｓｉｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ 普通混凝土由于其抗拉强度低、韧性差导致其 在环境和荷载的双重影响下容易开裂，导致结构的 耐久性和安全性随之降低．为了满足工程对裂缝控 制的实际需要，纤维混凝土被广泛应用．传统的纤 维混凝土能够在一定程度上改善混凝土的脆性，但 聚乙烯纤维增强水泥基复合材料进行了改性，试验 研究了其拉伸应变、极限荷载和裂缝的出现及发展 规律，并对不同配比下的试验结果进行了对比 分析． 普通的高性能混凝土通常采用较大的钢纤维体积 掺量，裂缝宽度一般控制在几百微米左右，且一旦 开裂并不能对裂缝开展和裂缝宽度进行有效的控 制．因此，如何有效地控制混凝土的开裂及宽度成 了实际工程中需要克服的一大难题 ． １试验材料与试件 水泥采用Ｐ．Ｏ．４２．５级普通硅酸盐水泥，其主 要性能指标符合标准ＧＢ８０７６—１９９７规定；精细砂采 用８０—１４０目天然石英砂；硅灰采用外观为灰白色 粉末的微硅粉，细度小于１ ｍ的占８０％以上，物 为解决纤维混凝土材料的脆性与应变软化缺 陷，美国密歇根大学的ｕ教授等在２０世纪９０年 代初根据微观力学基本原理提出的设计理论，即采 用基于微观力学的性能驱动设计方法对材料微观 结构进行调整，将乱向短纤维增强水泥基复合材料 的纤维桥联法作为研究的理论基础，设计出了高韧 理化学性能见表１所示；粉煤灰采用一级粉煤灰， 主要成分如表２所示；偏高岭土采用ＤＸ一８０系列 的偏高岭土（密度为２．６２ ｇ／ｃｍ。），其化学成分如 表３所示；ＰＶＡ纤维性能指标参数如表４所示；拌 合水采用自来水，减水剂采用ＳＰ一８ＣＮ的高效减 水剂． 表１硅灰物理化学性能 Ｔａｂ．１ Ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｉｌｉｃａｆｕｍｅ 性纤维增强水泥基复合材料（ＥＣＣ，以下简称为复 合材料）［３－４］．目前国内外许多研究者在此基础上 开展了更为深入的研究，内容涉及到了ＥＣＣ材料 的力学、耐久性能和微观机理分析 ． 为了探明掺合料对复合材料抗拉性能和开裂 特征的影响，本文采用粉煤灰、硅灰和偏高岭土对 表２粉煤灰物理化学性能 Ｔａｂ．２ Ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｆｌｙ ａｓｈ 配合比设计时保持各组水泥基复合材料的水 胶比不变，均为０．３，采用粉煤灰、硅灰和偏高岭土 分别取代不同比例的水泥，对各组的性能进行对比 试验研究．为了让纤维能够均匀的分散在水泥基材 第１期 王海龙，等：掺合料对纤维增强水泥基材料拉伸性能的影响 ６３ 料中，搅拌时相应比例的加入高效减水剂来保证复 合材料的和易性，ＰＶＡ纤维体积掺量（ ）约占拌 合物总体积的２％，详细配比如表５所示． 表３偏高岭土化学成分 Ｔａｂ．３ Ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍｅｔａｋａｏｌｉｎ％ 试件尺寸为４００ ｍｍ ｘ １００ ＩＢｍ×１５ ｍｍ，每组 ３个，均采用木模板，试件成型２４ ｈ后拆模，放人标准 养护室养护２８ ｄ，养护到期后取出，进行力学测试． 表４ ＰＶＡ纤维性能指标 Ｔａｂ．４ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＰＶＡ ｆｉｂｅｒ 成分ＳｉＯ２ Ａ１２Ｏ３ Ｆｅ２Ｏ３ ＴｉＯ２ ＣａＯ２ Ｋ２Ｏ Ｎａ２Ｏ ０．５ １．５ ０．２ ０．５ ０．２ 参长度／直径／抗拉强 伸长抗拉弹性 密度／ 数 ｍｍ ｍ度／ＭＰａ率／％模量／ＧＰａ（ｇ・ｅｍ。） 取值１２ ３９ １６２０ ７ ４２．８ １．３ 含量 ６２２ ４５２ 表５纤维增强水泥基复合材料配合比 Ｔａｂ．５ Ｍｉｘｔｕｒｅ ｒａｔｉｏｓ ｏｆ ＰＶＡ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ２试验方法 在室内环境养护过程中，使用游标卡尺配合砂 轮手工磨平试件，并将同一试件不同位置的厚度偏 差控制在±０．０２ ｍｍ以内．试验前２４ ｈ使用酒精 棉将试件端部除油去灰，使用环氧树脂在试件两端 １００ ｍｍ长度范围内粘贴纤维布加固，最后在其试 件两端粘贴长７０ ｍｍ的铝板，使用快速硬化的胶 水（如ＡＢ胶）粘贴位移计固定架，将其固定在纤维 布加固区域内，固定架朝向试件一端与变形监 测区边界线对齐布置，安装好位移计的试件如图１ 所示． 图１ 直接拉伸试验装置图 Ｆｉｇ．１ Ｓｅｔ—ｕｐ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔ ｔｅｎｓｉｏｎ ｔｅｓｔ 在带有液压夹头的２５ｋＮ—ＭＴＳ８１０实验机上进 行试验，采用荷载传感器测量荷载值，利用ＬＶＤＴ 测量试件２００ ｍｍ变形监测区范围内的拉伸变形， 并用ＩＭＣ动态采集系统自动记录采集．由拉伸变 形与测量标距的比值计算平均拉伸应变，由抗拉荷 载与试件横截面面积的比值计算抗拉强度，采用 ＤＪＣＫ裂缝观测仪观测整个试验过程及峰值荷载 附近的裂缝张开宽度，试验加载速率０．１ ｍｒｎ／ｍｉｎ， 在整个试验过程中保持不变，直至试件上某一裂缝 出现局部化扩展破坏时试验停止．为了避免偏拉现 ３试验结果与分析 ３．１拉伸应力应变关系曲线 不同配合比水泥基材料的典型应力．应变关系 曲线如图２（ａ）和（ｂ）所示．对比图２（ａ）和（ｂ）可 以发现，经粉煤灰、硅灰和偏高岭土改性后的ＰＶＡ 纤维增强水泥基复合材料其应力应变曲线主要可 以分为３个阶段： （１）弹性上升阶段 象，试验时采用了特制的球铰来保证直接拉伸的垂 直性． 应力与应变成线性比例发展，在此阶段试件没 有开裂，基材主要承受着外部荷载，其特征与普通 西 南 交 通 大 学 学 报 ４ ３ 重第５２卷 Ｒ ２ １ Ｏ 混凝土和纤维混凝土的上升段形状相同，在弹性阶 段的顶点处出现第１条裂缝． （２）应变硬化阶段 （３）应变软化阶段 试块最薄弱处的裂缝开始张开，宽度明显增 大，应力逐渐减小，出现变形集中现象．与水泥砂浆 和普通混凝土材料相比，经粉煤灰、硅灰、偏高岭土 改性后的ＰＶＡ纤维增强水泥基复合材料当拉伸荷 载达到峰值后不是突然下降而是缓慢稳定下降，随 着裂缝的进一步扩展和串接，最终导致试件断裂． ３．２拉伸性能指标 应变逐渐加大，应力略有上升，曲线表现出应 变硬化的特性，但应力增量与应变增量的比值远远 小于弹性上升阶段，此阶段是材料发生多裂缝开展 阶段．当第１条裂缝出现后，这条裂缝还没有发生 贯通时位于该处的纤维就发挥了桥连作用．由于裂 纹问纤维的桥接作用远大于基材的开裂强度，因此 在第１条裂缝附近产生了很多条细小裂缝，并逐渐 在整个试件范围内形成其他类似裂缝 ，此时裂 缝进入稳定扩展阶段． 由图２（ａ）和（ｂ）应力一应变关系曲线可以获得 材料的开裂强度、极限抗拉强度及极限拉应变（与 抗拉强度相对应的应变值）．为比较不同配比下材 料之间的抗拉性能差异，可根据试件拉伸应变测量 标距￡内裂缝数量ｎ及与极限拉应力相对应的应 变ｓ，计算达到极限应力时平均裂缝宽度伽与间距 Ｚ，其具体定义为 ＝ｓｕｎ， ｆ＝Ｌ／ｎ． （１） 由于有些微裂纹在卸载后完全闭合，实际的裂 缝数应大于目测观测得到的裂缝数，所以计算出的 平均裂缝宽度值与裂缝间距值要比真实受力状态 下的数值略大．由试验结果可得材料的开裂荷载、 极限荷载、极限应变和裂缝宽度及间距等指标，每 （ａ）Ｃ－０ 组试验结果的平均值如表６所示．当荷载达到极限 荷载时，试件Ｃ－Ｏ突然发生脆断现象，如图３（ａ）所 示．与纯水泥基试件相比，掺入体积为２％的纤维 ａＣｌ ＣＣ２ 水泥基复合材料的极限拉应变有了显著的改善和 提高．然而，对于试件ＣＣ４与ＣＣ５，当第１条裂缝 出现时，荷载稍有降低，随后又会继续增加，随着荷 载的不断增长，试件中相继出现多条裂缝，试件 ０２３ ｃｃ４ ＣＣ５ ＣＣ６ ０．０ ０．５ ｌ＿０ １．５ ２．０ ２．５ ３．０ ＣＣ４与ＣＣ５表现出了良好的应变硬化特点．当荷载 应变 达到峰值时，板上出现了破坏主裂缝，最后试件被拉 坏，如图３（ｂ）所示．ＣＣ３与ＣＣ６的应力．应变曲线虽 然也表现出了应变硬化现象，但是荷载突然有很大 （ｂ）ＣＣ１一ＣＣ６ 图２拉伸应力．应变关系曲线 Ｆｉｇ．２ Ｓｔｒｅｓｓ—ｓｔｒａｉｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｕｎｄｅｒ ｔｅｎｓｉｏｎ 的降低，即使在以后的过程中荷载增加，仍无法超过 第１条裂缝对应的开裂强度，影响了应变硬化现象． 表６直接拉伸试验结果 Ｔａｂ．６ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｒｅｃｔ ｔｅｎｓｉｏｎ 注：Ｓ／Ｂ为砂胶比； 为开裂强度； 为极限强度；ｓ 为极限应变； 为最大裂缝宽度 第１期 王海龙，等：掺合料对纤维增强水泥基材料拉伸性能的影响 ６５ 图３试件的拉伸裂缝分布图 分析原因，ＣＣ３由于硅灰的掺人使得材料的黏 够增强ＰＶＡ纤维的增韧效果．由试验结果可以看 稠度增大；ＣＣ６由于砂率较大使得胶凝材料对砂粒 空隙的填充不太完善，成型时试件内部可能有较大 的缺陷产生，缺陷处由于没有纤维的桥接作用而不 能承受荷载，导致荷载突降．因此在材料设计和试件 出：与没有掺人粉煤灰的试件相比，掺人６５％粉煤 灰的ＣＣ２试件虽然初始开裂应力和极限应力随着 粉煤灰掺量的增加而明显降低，但是其极限拉应变 提高了一倍；掺入粉煤灰的ＣＣ２平均裂缝宽度仅为 试件ＣＣ１裂缝宽度的５０％，裂缝间距仅为ＣＣＩ的 ２０％．由ＰＶＡ纤维增强水泥基材料的机理可知：纤 制作过程中应减小大孔隙产生的概率 ． 应力应变曲线和试件的破坏形态说明，添加 ＰＶＡ纤维并经粉煤灰、硅灰和偏高岭土改性后的水 泥基复合材料，能够明显的表现出应变硬化的特性 并且具有很好的变形能力．其中，ＣＣ５的极限拉应变 维的增韧效果主要依赖于ＰＶＡ纤维与基体的界面 结构和黏附性，如果纤维与基体之间没有粘结，则基 体中的应力无法传递给纤维，纤维不能起到有效的 达到２．０４％，极限拉应力达到３．９９ ＭＰａ，并表现出 多裂缝开裂的特性，达到极限拉应变时的裂缝宽度 增强增韧作用；如果粘结强度很大，则会导致纤维发 生脆断，不利于材料应变硬化特性的实现，ＰＶＡ纤维 的增韧效果亦不明显．因此，只有当ＰＶＡ纤维与基 体之间的粘结达到理想状态，纤维的增强增韧效果 才会明显．加入粉煤灰后，由于粉煤灰的水化作用较 不超过１７５ Ｉｘｍ，平均裂缝宽度不超过ｌ１５ Ｉｘｍ．与国 内外研究 。＇ 相比，即使材料制备过程中ＰＶＡ 纤维没有经过浸润等特殊处理，但是采用粉煤灰、硅 灰和偏高岭土改性后的水泥基复合材料仍旧可以达 到相近的韧性要求． 弱，会削弱纤维与基体界面的化学结合力和基体韧 度．由如图４所示的ＣＣ２材料的微观结构可以看出， 但是，在相同水胶比的情况下，随着砂胶比的提 基体与界面上含有未水化或者水化不完全的粉煤灰 颗粒，这些颗粒降低了基体水化产物对纤维的摩擦 和削刮作用，因此粉煤灰的加入有利于ＰＶＡ纤维的 增韧效应．此外，粉煤灰的掺入能够更好地减小基体 高，极限拉应变却降低的非常明显． ３．３影响因素及影响机理分析 用粉煤灰替代水泥不仅能够减少水泥用量、降 低成本，而且还能减少水泥生产过程中有害气体的 排放，降低环境污染，更重要的是通过掺入粉煤灰能 材料的不均匀性，降低局部缺陷出现的概率，使得试 件各断裂面间的结构差异相对缩小．由于粉煤灰降 图４基体材料的微观结构形貌图 Ｆｉｇ．４ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ＣＣＩ ａｎｄ ＣＣ２ ｍａｔｒｉｘｅｓ 西 南 交 通 大 学 学 报 低了基体材料的强度，使得改性后试件在拉伸过程 第５２卷 图５所示），有利于纤维的增韧效应．因此，与ＣＣ１试 中基体更易开裂，不仅有利于多裂缝的产生，还让杂 散分布在基体内的ＰＶＡ纤维承担了更多的拉应力， 也使更多的ＰＶＡ纤维在较早的阶段就承担荷载，导 致ＰＶＡ纤维更易从基体中拔出而非发生断裂（如 件相比，ＣＣ２的应力－应变曲线较为光滑平缓，无明 显的因基体产生新裂缝而出现荷载大幅下跳的现 象，多重开裂现象更易发生，试件呈现了准应变一硬 化特征． 图５ 试件破坏时纤维拔断与拔出形貌 Ｆｉｇ．５ Ｐｕｌｌ—ｏｕｔ ａｎｄ ｒｕｐｔｕｒｅ ｏｆ ＰＶＡ ｆｉｂｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆａｉｌｅｄ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ 由试验结果还可以看出，掺人５％～１０％偏高岭 土的试件ＣＣ４和ＣＣ５，其极限拉应变、极限抗拉强度 如试件ＣＣ４开裂荷载和极限荷载比ＣＣ２分别提高 了１０．２％和２１．９％．而掺入了５％的硅灰和５％的 均高于未掺入高岭土的试件ＣＣ３，这主要是由于偏 高岭土具有很好的火山灰活性，不仅有利于水泥水 化过程中氢氧化钙的吸收，还与之反应生成二次水 化硅酸钙凝胶 “ ，改性后的材料结构更加致密和均 匀．因此，对于水泥基复合材料来说偏高岭土是一种 有效的混合材． 粉煤灰和硅灰的复掺使得改性后ＰＶＡ纤维增 强水泥基复合材料的裂缝宽度随着硅灰掺人而略有 偏高岭土的试件ＣＣ５，其极限拉应变比ＣＣ２提高了 ４７％．与ＣＣ１相比，掺入粉煤灰、硅灰、偏高岭土的试 件ＣＣ５具有更好的变形能力，主要原因是偏高岭土 和硅灰这两种火山灰质材料的加入，均明显缩短了 水泥的水化诱导期，使得基材中的钙矾石形成提 前 ‘ ，而且随着偏高岭土和硅灰掺量的增加，基体 材料中的氢氧化钙含量减少（如图６所示），使得基 体材料更加均匀，避免了裂缝的集中．因此，使用粉 煤灰、硅灰和偏高岭土改性后的复合材料具有优良 的延性和裂缝控制能力． 减小，掺粉煤灰和硅灰能够增大ＰＶＡ纤维、增强水 泥基复合材料的初始开裂荷载和极限抗拉强度，例 图６基体材料中的氢氧化钙分布形貌图 Ｆｉｇ．６ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｌｃｉｕｍ ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｔｒｉｘｅｓ 第１期 王海龙，等：掺合料对纤维增强水泥基材料拉伸性能的影响 ６７ ４结论 （１）用一定量的粉煤灰、硅灰和偏高龄土代替 水泥，使得ＰＶＡ纤维增强水泥基复合材料在直接拉 伸荷载作用下表现出了较好的应变硬化及多裂缝开 裂特性，材料自身对裂缝开展具有很好的可控性，抗 拉性能优良． （２）在ＰＶＡ纤维体积掺量为２．０％的情况下， 掺入粉煤灰、硅灰和偏高岭土的复合材料其极限拉 应变能达到２．０４％，极限拉应力达到３．９９ ＭＰａ，在 拉伸荷载作用下呈现出高延性和明显的应变一硬化 特性，复合材料的最大裂缝宽度为１７５ Ｉｘｍ，平均裂 缝宽度不超过１１５ ｍ． （３）用一定量的粉煤灰代替水泥，虽然有限降 低了ＰＶＡ纤维增强水泥基复合材料的开裂荷载和 极限强度，但是显著改善了复合材料的变形能力． （４）掺人一定量的偏高岭土和硅灰，能够有效 改善基体材料的结构，增加基体材料的均匀性，提高 复合材料的极限拉应变． （５）在相同水胶比的条件下，随着砂胶比的增 大，复合材料的极限拉应变显著降低． 参考文献： ［１］ 孙伟．钢纤维对高强混凝土的增强、增韧与阻裂效应 的研究［Ｊ］．东南大学学报，１９９１，２１（１）：５０—５７． ＳＵＮ Ｗｅｉ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｆｉｂｅｒ ｏｎ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ，ｔｏｕｇｈｅｎｉｎｇ ａｎｄ ｃｒａｃｋ ａｒｒｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， １９９１，２１（１）：５０—５７． ［２］ＬＩ Ｖ Ｃ．Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ ＥＣＣ ｒｅｓｅａｒｃｈ［Ｊ］．ＡＣＩ Ｓｐｅｃｉｌａ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｎ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ：Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｔｏ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ， ２００２，ＳＰ２０６－２３：３７３－４００． ［３］ｕ Ｖ Ｃ．Ｏｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ（ＥＣＣ）一ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｉｒｌａ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３，１（３）：２１５—２３０． ［４］ Ｌｌ Ｖ Ｃ，ＬＥＰＥＣＨ Ｍ，ＷＡＮＧ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｇｒｅｅｎ ＥＣＣ ｆｏｒ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｃ］／／ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａｍｅｓ：Ｉｏｗａ Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００４：１８１—１９２． ［５］ 曹明莉，许玲，张聪．高延性纤维增强水泥基复合材料 的微观力学设计、性能及发展趋势［Ｊ］．硅酸盐学报， ２０１５，４３（５）：６３２－６４２． ＣＡＯ Ｍｉｎｇｉｉ，ＸＵ Ｌｉｎｇ，Ｚ／－／ＡＮＧ Ｃｏｎｇ．Ｒｅｖｉｅｗ ｏｎ ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ，ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２０１５，４３（５）： ６３２．６４２． ［６］ 沈平邦，王林．复掺矿物掺合料对聚乙烯醇纤维增强 水泥基复合材料弯曲性能的影响［Ｊ］．混凝土，２０１５， ３０７（５）：８３—８６． ＳＨＥＮ Ｐｉｎｇｂａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｌｉｎ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｍｉｎｅｒａｌ ａｄｍｉｘｔｕｒｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ ｉｆｂｅｒ ｒｅｉｆｎｏｒｃｅｄ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］。Ｃｏｎｃｒｅｔｅ， ２０１５，３０７（５）：８３—８６． ［７］何芸，何真，孙海燕．粉煤灰和ＰＶＡ纤维复掺水泥基 材料微观机理分析［Ｊ］．水利与建筑工程学报，２０１４， １２（５）：２０５—２１０． ＨＥ Ｙｕｎ，ＨＥ Ｚｈｅｎ，ＳＵＮ Ｈａｉｙａｎ．Ｍｉｃｒｏ・ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｃｅｍｅｎｔ—ｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉｌａｓ ｗｉｔｈ ｆｌｙ ａｓｈ ａｎｄ ＰＶＡ ｉｆｂｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１４，１２（５）：２０５－２１０． ［８］ＬＩ Ｖ ｃ，张亚梅．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，２００７，３５（４）：５３１— ５３６． Ｕ Ｖ Ｃ．ＺＨＡＮＧ Ｙａｍｅｉ．Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００７，３５（４）：５３１—５３６． ［９］ ＡＨＭＥＤ Ｓ Ｆ Ｕ，ＭＡＡＬＥＪ Ｍ．Ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒａｉｎ ｈａｒｄｅｎｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ｏｆ ｈｙｂｒｉｄ ｓｔｅｅｌ—ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｆｉｂｒｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．Ｃｏｎｓｔｕｒｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２００９，２３（１）：９６—１０６． ［１０］ ＭＵＺＥＮＳＫＩ Ｓ，ＦＬＯＲＥＳ Ｖ Ｉ，ＳＯＢＯＬＥＶ Ｋ．Ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｃｏｍ－ ｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．Ｃｏｎｓｔｕｒｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉｌａｓ，２０１５， ８１（４）：２９１－２９７． ［１１］ＰＡＮ Ｚ Ｆ，ｗｕ Ｃ，ＬＩＵ Ｊ Ｚ，ｅｔ １ａ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｃｌａ ｐｒｏｐｅ￣ｉｅｓ ｏｆ ｃｏｓｔ－ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ（ＰＶＡ—ＥＣＣ）［Ｊ］．Ｃｏｎｓｔｕｒｃｔｉｏｎ ｎａｄ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉｌａｓ，２０１５，７８（１）：３９７－４０４． ［１２］李艳，温丛格．工程纤维增强水泥基复合材料ＰＶＡ— ＥＣＣ单轴受拉性能研究［Ｊ］．混凝土，２０１５， ３１１（９）：３１—３５． ＬＩ Ｙａｎ，ＷＥＮ Ｃｏｎｇｇｅ．Ｔｅｎｓｉｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆｉｅｂｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｅｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ＰＶＡ—ＥＣＣ ｕｎｄｅｒ ｕｎｉａｘｉａｌ ｔｅｎｓｉｏｎ［Ｊ］．Ｃｏｎｃｒｅｔｅ，２０１５， ３１１（９）：３１—３５． ［１３］刘界鑫，杨树桐．高性能纤维增强水泥基复合材料的 力学性能试验研究［Ｊ］．混凝土，２０１５，３０９（７）：６８— ７０． ＬＩＵ Ｊｉｅｘｉｎ，ＹＡＮＧ Ｓｈｕｔｏｎｇ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌａ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ｌａｃｏｈｏｌ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］． Ｃｏｎｃｒｅｔｅ，３０９（７）：６８－７０． ６８ 西 南 交 通 大 学 学 报 第５２卷 （上接第４４页） ［１２］ ＲＹＡＮ Ｃ，ＪＩＥ Ｈ，ＤＥＥＰ Ｋ，ｅｔ ａ１．Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｇｅｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｂｕｒｉｅｄ ｓｔｅｅｌ—ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ＨＤＰＥ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｏｆｉｆｃｉａｌｓ（ＡＡＳＨＴＯ）．ＡＡＳＨＴＯ ＬＲＦＤ ｂｒｉｄｇｅ ｄｅｓｉｇｎ ｓｐｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎｓ［Ｓ］．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，Ｄ．Ｃ．： ［Ｓ．ｎ．］，１９９８． ［１５］ 中华人民共和国建设部．ＧＢ５０３３２－－２００２给水排水 工程管道结构设计规范［Ｓ］．北京：中国建筑工业 出版社，２００２． ｐｉｐｅｓ ｆｒｏｍ ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｇｅｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，１４０：９－１８． ［１ ３］ ＲＡＪＫＵＭＡＲ Ｒ，ＩＬＡＭＰＡＲＵＴＨＩ Ｋ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｂｕｒｉｅｄ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｐｉｐｅ［Ｊ］．Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｆ ｏＰｌａｎｔ Ｐａｔｈｏｌｏｇｙ，２００８， １１８（１）：７３－８３． （中文编辑：徐萍 英文编辑：周 尧） ［１４］ Ａｍｅｉｒｃａｎ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｔａｔｅ Ｈｉｇｈｗａｙ ａｎｄ
