碳-钢纤维混杂水泥基复合材料的力学行为.doc

碳钢纤维混杂水泥基复合材料的力学行为李书进1，吴科如2(1常州工学院，213002；2同济大学，上海200092) 摘 要：研究了碳锕纤维在水泥及复合材料断裂破坏过程中的作用机制。研究表明，碳纤维可显著提高基体初裂强度和断裂韧性，钢纤维则能明显改善基体初裂后的力学行为。碳钢纤维混杂水泥基复合材料在初裂阶段和峰值荷载之后均具有较高的强度和断裂韧性。纤维混杂水泥基复合材料的力学行为反映了两种不同品种、不同尺度的纤维的增强、增韧机理。 关键词：混杂纤维；水泥基复合材料；断裂韧性；力学行为 中图分类号：TU528572 文献标识码：A 文章编号：1000-4637(2008)01-41-030 前言 纤维水泥基复合材料用钢纤维、碳纤维、PP纤维或玻璃纤维进行增强或增韧时，通常只采用同一品种、同一尺寸的纤维，复合材料的性能也仅在一定程度上反映所掺纤维的某些性能。而同时掺入不同品种、不同尺度优化组合的混杂纤维，可弥补单一纤维增强的不足，从而获得更优化的力学性能1。配制纤维水泥基复合材料可供选用的纤维品种很多，碳纤维的弹性模量和抗拉强度都比钢纤维高，较低掺量的微细碳纤维即可有效提高水泥基体的初裂强度和初裂变形2。很多文献对碳钢纤维混杂水泥基复合材料采用混合定律进行过研究3-4，较一致的结论是直径较大的钢纤维和直径微细的碳纤维混杂，不仅可大大减少基体的塑性收缩，还可提高水泥基复合材料的强度和韧性。但混合定律以纤维增强树脂基材料为基础，将其用于准脆性的水泥基复合材料并未考虑纤维在基体内裂缝引发、扩展中的作用以及纤维几何尺寸与基体结构层次的匹配性。本文采用抗拉刚度较高的微细碳纤维与钢纤维，通过实验研究了混杂纤维水泥及复合材料的力学行为。1 混杂纤维的增强、增韧机理 纤维水泥基复合材料的断裂破坏可分为弹性阶段、微开裂阶段和局部化阶段。纤维的增强作用可归结为纤维在各个阶段对基体内各种裂缝的抑制。基体初裂前，其内在缺陷点在荷载作用下引发微裂缝，但低应力阶段微裂缝仅随荷载的增加而稳定地张开，并不发生扩展。基体通过界面的剪切将荷载传递给纤维，此时纤维和基体作为一个整体共同承受荷载，可在一定程度上提高水泥基复合材料的初裂强度；当基体内的微裂缝张开到临界宽度(CTODC)或者裂缝尖端的应力场强度满足Ktip=KIC，裂缝将开始不稳定扩展。由于纤维对裂缝的桥接作用，水泥基复合材料将产生应变硬化现象。在此阶段，如果纤维足以承受基体完全开裂以后传递的荷载，则水泥基复合材料的承载能力可持续增长。 Parimi和Rao5采用弹性拉伸条件下纤维拔出所消耗的断裂能来诠释纤维的增韧机理，式(1)表征了纤维水泥基复合材料的断裂韧性： Gc=Gm+Gf (1)式中：Cc、Cm和Gf分别为复合材料、基体以及纤维与基体脱粘的断裂韧性(Jm2)。纤维与基体脱粘断裂韧性由式(2)给出： (2)式中，Ef一纤维的弹性模量，MPa； Vf一纤维的体积分数，； 一纤维与基体的粘结强度，MPa； 、一分别为纤维的长度和直径，mm。 由式(2)可见，在纤维体积分数和纤维几何尺寸相同的情况下，纤维的弹性模量、粘结强度亦对基体的增韧作用有显著的影响，弹性模量较小或界面粘结强度较大的纤维都可能改善水泥基材料的断裂韧性，。2 碳钢纤维混杂水泥基复合材料的试验研究 采用长度为3mm、弹性模量为230GPa的PAN基高强微细碳纤维与中等直径钢纤维混杂配制增强砂浆，共设计了4组不同纤维混杂比的试验方案。21 试验材料与方法 采用425R普通硅酸盐水泥和硅粉作胶结材料。硅粉的比表面积为20m2/g，平均粒径为0102m。细集料采用细度模数为28的中砂，通过掺高效减水剂(FDN)调整拌和物的流动性。试验配合比见表1。试件标准养护至试验龄期后，按GBl77-85的规定测试抗压强度和抗折强度，采用三点弯曲法进行弯曲性能和断裂韧性的测试。22 试验结果与讨论221 抗压强度和抗折强度 碳钢纤维混杂砂浆的抗压强度和抗折强度试验结果见表2。纤维混杂增强砂浆的抗压强度比基准试件提高了84185。随着碳纤维的增加，试件的抗折强度有增加的趋势，增幅在601865。222 荷载挠度全曲线 采用三点弯曲法获得的荷载挠度全曲线见图1，由图可见，混杂纤维中钢纤维越多，水泥基复合材料在峰值荷载以后的部分越平缓，碳纤维所占比例越大，则峰值荷载越高，但随后的下降段越陡。这一结果表明，碳纤维的增强作用非常显著，一方面是其抗拉强度比钢纤维更大，从而对微裂缝的衍生和扩展有更好的抑制作用；另一方面，碳纤维表面还具有反应活性，基体内水化离子与碳纤维表面活性官能团产生良好的结合力，即纤维与基体界面存在物理粘结，又存在化学键合，使得碳纤维的界面粘结优于钢纤维。同时，碳纤维相对钢纤维的几何尺寸小得多，在掺量为15的情况下，单位断面上分布的纤维数量大大增加(1万根cm2，在基体微开裂阶段即可产生有效的桥接作用，延缓微裂缝聚集、合并成局部化裂缝的过程，因而可有效提高基体的初裂强度。图2为纤维总体积分数均为15，而碳钢纤维混杂比不同砂浆的弯曲强度。由图可见，随着混杂纤维中碳纤维体积分数的增加，初裂强度和极限强度不断提高。223 断裂韧性 钢纤维具有尺寸较大、强度中等和韧性高等特点，可抑制基体内局部化裂缝的张开，故复合材料可承受一定的荷载增量，直到钢纤维承受的荷载超过其与基体的粘结强度，纤维脱粘并逐渐拔出，复合材料达到极限强度而进入裂缝局部化阶段。当钢纤维体积分数超过10以后，材料的力学行为存在应变硬化现象(图1中CS0510和CS0015)。有研究认为，碳纤维可改变钢纤维与水泥浆体间的界面粘结韧性6，加大钢纤维从基体中拔出的难度，对局部化裂缝起到更好的桥接作用，这也是碳钢纤维混杂可产生混杂效应的机理之一。224 断裂能 图3为荷载挠度全曲线计算试件的断裂能，图3(a)和图3(b)分别为初裂阶段和挠度为2mm时材料的断裂能。由图3(a)可见，随着混杂纤维中碳纤维比例的提高，初裂荷载对应的断裂能逐渐增加。 试验结果表明，碳纤维亦可明显提高基体裂缝局部化之前的韧性，原因是碳纤维的抗拉强度是钢纤维的3倍，对墓体微裂缝的桥接能力更大，使得基体难以形成局部化裂缝，复合材料对应变能的吸收增大。在碳钢纤维混杂水泥基复合材料中，碳纤维在低应力时可抑制微裂缝的张开，避免钢纤维单独增强时基体很容易形成局部化裂缝的问题，多缝开裂模式所消耗的断裂能远大于单一裂缝模式。当局部化裂缝形成后，碳纤维已被拔出，而钢纤维在不断拔出的过程中与基体发生摩擦滑移，能够消耗更大的能量。由图3(b)可见，随着钢纤维掺量的增加，2mm挠度时水泥基复合材料的断裂能逐渐提高。从式(2)亦可看出，即使两种纤维几何尺寸相当，但因钢纤维的弹性模量小于碳纤维，更有利于提高复合材料的断裂韧性。 因此，为提高水泥基复合材料裂缝局部化前后各阶段的断裂韧性，可在基体中同时掺人碳纤维和钢纤维，而且钢纤维必须达到一定的体积分数。纤维混杂水泥基复合材料的力学行为反映了两种不同品种、不同尺度的纤维的增强、增韧机理，通过合理调整两种纤维的混杂比即可控制复合材料的力学行为，制备出所需力学性能的水泥基复合材料。3 结论 碳