表1 配合比及试件编号
Tab.1 M ix proportion and specimen code
鲍文博，李林凤，底高浩，陈四利
（沈阳工业大学 建筑与土木工程学院，沈阳 110870）
摘 要：为了研究绿色尾矿砂PVA纤维增强水泥基复合材料的韧性，参考国内外试验方法开展了立方体抗压、薄板拉伸和冲击韧性等力学性能试验研究.分析了纤维与基体的相互作用及增韧机理，讨论了纤维掺量和水胶比二元因素对增韧性能的影响.该研究获得了复合材料相应的强度和韧性指标，为高性能尾矿砂PVA纤维增强水泥基复合材料的制备和工程应用提供了参考.
关 键 词：绿色建材；尾矿砂；PVA纤维；水泥基复合材料；压缩韧性；拉伸延性；冲击韧性；增韧机理
建筑材料是人类基本建设的物质基础，但建筑材料主要以自然资源及其转化能源为其基本构成，在建筑材料为人类文明进步繁荣作出巨大贡献的同时，也给人类带来了资源过渡开采、能源过渡消耗和环境过渡恶化的灾难性后果.绿色建筑材料是解决自然资源和能源资源消耗高、环境污染严重的最有效途径，是解决建筑材料可持续发展的必然选择.绿色材料的概念最早在1988年第一届国际材料科学研究会议被提出 ［1］，1992年学术界明确定义绿色材料为在原料采取、产品制造、使用或者再循环、废料处理等环节对地球负荷最小和有利于人类健康的材料 ［2］.1999年我国首届全国绿色建材发展与应用研讨会上提出，定义绿色建材为采用清洁生产技术、少用天然资源和能源、大量使用工业或城市固态废物生产的无毒害、无污染、无放射性、有利于环境保护和人体健康的建筑材料 ［3］.
美国等发达国家把提高混凝土的环保性与材质性能结合起来，基于微观力学原理开发出了一种超高韧性水泥基复合材料ECC（engineered cementitious composites） ［4－6］，将混凝土结构的耐久性提高到了一个新的水平，从提高性能的角度有效地降低了混凝土的用量.自2010年以来，沈阳工业大学新型建筑材料研究团队，从节约资源和提高性能两个方面开始探索环保型高性能水泥基复合材料的研发，借鉴ECC制备技术，并应用矿山开采废弃的尾矿砂大比例替代ECC中的细骨料、用工业粉煤灰大比例替代水泥，来制备绿色水泥基复合材料GCC（green cementitious composites），先后在配比设计、制备工艺、基本力学性能以及增强增韧机理等基础研究方面开展了系统研究，在GCC制备和高性能方面取得了重要进展 ［7］.目前，基于尾矿砂细骨料开发ECC水泥基复合材料方面的研究还很少，本试验在项目组已有工作的基础上对该绿色韧性水泥基复合材料进行了基本力学性能研究，为其工程应用提供依据.
为了开发该绿色韧性水泥基复合材料，课题组进行了系统的试验研究，解决了尾矿砂替代率和解决纤维分散性两个关键性问题 ［8］.在此基础之上，本文试验采用50%尾矿砂和54%粉煤灰的大比例替代率，并考虑纤维体积率和水胶比这两种因素的影响，对该绿色韧性水泥基复合材料开展抗压试验、拉伸试验和抗冲击试验等基本力学性能研究.本文共设计9组试验，其中PVA纤维分别采用0、1.5%和2.0%三种体积率，水灰比分别采用0.4、0.45和0.5三个配比值，试验配合比方案如表1所示.
表1 配合比及试件编号
Tab.1 M ix proportion and specimen code
1.1 试验材料
试验用胶凝材料采用标号为P·O42.5的普通硅酸盐水泥，细骨料采用粒径为0.150～0.315mm范围的铁矿尾矿砂和天然砂混合细骨料，纤维采用长度为12 mm的 PVA纤维，粉煤灰采用电厂一级粉煤灰，同时添加掺量为1%的高效减水剂和掺量为0.13%的增稠剂等添加剂.PVA纤维的性能指标如表2所示.
表2 PVA纤维性能指标
Tab.2 Performance indexes of PVA fiber
1.2 试件制备及养护
试验依据《纤维混凝土试验方法标准》（CECS 13：2009）有关规定和要求进行试件的制作与养护.其中，绿色韧性水泥基复合材料的抗压试验采用尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体砂浆试块，6个试件为一组；拉伸试验采用尺寸为200mm×50mm×15mm的薄板试件，6个试件为一组；冲击试验采用直径为150 mm，厚度为（63±3）mm圆饼形试件，6个试件为一组.所有试件都按照优化的搅拌制度搅拌，入模后在振动台上振捣1min，抹平试模上口表面后盖上塑料薄膜防止水分挥发.48 h后拆模，置入湿度90%以上、温度（20±3）℃的标准养护室中养护.
1.3 试验方法
本文试验依据《纤维混凝土试验方法标准》（CECS 13：2009）、《纤维混凝土应用技术规程》（JGJ／T221-2010）以及《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ／T70-2009）和《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB／T50081-2002）中相关规定进行.
2.1 抗压试验
试验采用YES-2000型数显式压力试验机.试验时先对试件进行预压，达到要求后再以（2 400±200）N／s的速度对试件连续、均匀加荷，当试件临近破坏变形时，调整试验机油门，直至试件破坏.试验发现，未掺加纤维的GCC立方体试块受压破坏前裂缝集中，当达到峰值荷载后迅速崩裂，承载力突然下降；而掺加纤维的GCC立方体试块受压破坏前形成细小分散裂缝，消耗大量变形能，随着裂缝增加和扩展，承载力逐渐下降直至破坏，立方体试块最终破坏形态如图1所示.
图1 受压破坏后的立方体试块
Fig.1 Cubic specimen after compression failure
为了进一步研究GCC在压缩过程中所展示的压缩韧性，利用伺服系统测试出了GCC在受压过程中的荷载-变形曲线，如图2所示.由图2可知，在荷载较小时，未掺加纤维的立方体试块与掺加纤维的试块荷载-变形规律并无差别，其变形均随着荷载增加而稳定增加.随着荷载增大，未掺加纤维试块的裂缝发展迅速，很快形成主裂缝；而掺加纤维试块的裂缝仍在增加，但裂缝处的纤维明显约束了裂缝的发展和主裂缝的形成，且随着纤维掺量的增加，这种效果愈明显.在压力荷载达到峰值时，未掺加纤维试块承载力突然失稳，荷载-变形曲线出现了陡然下降段；而掺加纤维试块由于裂缝两侧纤维的牵拉作用仍能保持较大的承压能力，并能够在该压力水平下抵抗较大变形的发展，在荷载-变形曲线的峰值后出现了较大的平台段，表明GCC的抗压破坏需要吸收更多的能量.水胶比和纤维掺量变化对GCC的抗压强度和抗压韧性比有明显影响，表3给出了在本文试验配比范围内，水胶比和纤维掺量变化对平均抗压强度和轴压韧性比的影响关系.水胶比相同时，材料的纤维韧性比随纤维掺量的增加而明显增加，表明纤维的掺加使材料在抗压破坏时吸收了更多的能量，显著提高了GCC的韧性.
图2 抗压荷载-变形曲线
Fig.2 Compressive load-deformation curve
表3 立方体抗压试验结果
Tab.3 Results of compression test for cube
2.2 直接拉伸试验
试验采用薄板试件，其尺寸为200 mm×50mm×15mm.为了防止试验时试件两端因装卡受压破坏，试验前对试件的装夹端进行了加固，分别在试件的两个端头粘贴了2 mm厚的铝板，如图3所示（单位：mm）.
图3 直接拉伸试件
Fig.3 Direct tension specimen
试验使用微机控制电液伺服试验机，采用位移控制，对试件连续、均匀加荷.当试件临近破坏、变形速度增快时，调整加载速度，直至试件破坏，记录最大荷载，试验测得的轴向应力-应变曲线如图4所示.
试验表明，未掺加纤维的和掺加纤维的尾矿砂水泥基复合材料的拉伸性能差别非常显著，未掺加纤维的GCC一旦开裂迅速形成主裂缝且即刻退出工作，而掺加纤维的GCC开裂后裂缝宽度发展受限且承载能力仍会持续增加.由于纤维的桥接作用，纤维增强GCC在裂缝处的纤维把基体开裂释放的以及外力增加的应变能不断传递给四周基体，直到裂缝处的纤维达到拉伸极限被拉断或达到拉拔极限被从基体中拔出为止，在这一过程中吸收了大量的变形能，使得绿色韧性尾矿砂PVA水泥基复合材料出现准应变硬化现象，即水泥基体在试件开裂后荷载仍继续增大，并呈现多裂缝状态，该尾矿砂 PVA纤维水泥基复合材料的变形能力大大增加，其极限应变最大可达3%，远大于普通水泥基复合材料的抗拉应变极限.由应力-应变曲线可见，纤维掺量和水灰比对拉伸韧性有一定影响，拉伸变形能力在一定范围内随着纤维掺量增加和水灰比的适当增大而有所增加.
图4 直接拉伸应力-应变曲线
Fig.4 Direct tensile stress-strain curve
2.3 抗冲击试验
为了考察该绿色水泥基复合材料GCC在动态荷载作用下的韧性，开展了抗冲击韧性试验研究.试验采用落锤冲击圆板法，并参考美国混凝土学会 ACI-544和中国工程建设协会 CECS13推荐的冲击试验装置，自行设计了落锤冲击试验装置，其示意图如图5所示.冲击球为钢质球，直径为63mm.测试时，将落锤自由落下，直接冲击放置在试件中心的冲击钢球顶部，然后由冲击球把冲击力传递给圆饼试样，对试验实施冲击加载.每完成一次冲击即为一个循环，每次冲击加载后仔细检查试件是否开裂或破坏，记录试件初裂及破坏时的冲击次数，试验结果如表4所示.表4中的冲击韧性指数，系参照弯曲韧性的评价方法并按ASTM-C1018弯曲韧性指数概念 ［9］定义的.
图5 冲击试件与试验装置
Fig.5 Impact specimen and experimental device
表4 抗冲击试验结果
Tab．4 Results of impact test
绿色水泥基复合材料GCC冲击试验的破坏过程可分为两个阶段：第一阶段，不同纤维掺量及不同水灰比的GCC的初裂次数在3～4次之间，初裂冲击能约为200 N·m.纤维掺量及水灰比的多少对材料初裂性能的影响并不明显，说明其偏差主要是材料本身的离散性所致，而与纤维掺量的多少关系不大.无纤维增强的GCC一旦冲击出现初裂即告破坏，因此，它只存在第一阶段.纤维增强GCC试样进入第二阶段后，纤维的阻裂增韧作用逐渐呈现出来，最终冲击破坏次数较初裂次数增大数十倍.从消耗冲击能量考察，有纤维增强较无纤维增强的GCC冲击破坏能平均增加了24.38倍.在水胶比相同的前提下，随着纤维掺量的增加，GCC的破坏冲击能增加，延性指数也相应增加.由此可见，冲击破坏能随纤维掺量在一定范围内增加而稳定增加，这是由于第二阶段纤维的阻裂增韧作用被强化的结果.另一方面，在纤维掺量相同的配比下，适当增加水胶比可以在一定程度上改善其冲击韧性.
本文基于50%尾矿砂和54%粉煤灰的大比例替代率，并考虑纤维体积率和水胶比这两种因素的影响，对绿色韧性水泥基复合材料GCC的基本力学性能开展了试验研究，得到以下结论：
1）绿色韧性尾矿砂PVA纤维增强水泥基复合材料具有良好的抗压性能和抗拉延性，在拉伸荷载作用下均表现出明显的假应变硬化和多缝开裂特性，其极限拉伸应变可达约3%，是一种具有延性变形特征的水泥基复合材料，具有很强的能量吸收能力，可以显著改善混凝土结构的抗震性能和抗拉变形能力.
2）PVA掺量和水胶比对于GCC的初裂冲击能无明显影响，但对破坏冲击能的交互影响显著.试验采用的纤维掺量体积比由1.5%增加到2%时，水胶比分别为0.4、0.45和0.5的GCC的破坏冲击能则依次增加42%、11%和15%，延性指数依次增加了66%、24%和28%；水胶比从0.4增加到0.5后，两种纤维掺量的GCC试样的破坏冲击能增加了85%和50%，延性指数增加了88%和44%.由此可见，在一定范围内适当增加纤维掺量和水胶比，可以改善GCC的抗冲击韧性.
3）GCC中水胶比对尾矿砂PVA纤维增强水泥基复合材料的韧性和强度有一定的影响.水胶比在一定范围内增加时，材料的变形能力有所增强，韧性变大，但相应的强度有所降低.
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（责任编辑：钟 媛 英文审校：尹淑英）
Mechanical properties of green toughness cementitious composite
BAO Wen-bo，LI Lin-feng，DI Gao-hao，CHEN Si-li
（School of Architecture and Civil Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China）
Abstract：In order to investigate the toughness of cementitious composite reinforced by green tailing sand PVA fiber，such mechanics performance tests as the compressive strength of cube as well as the tension and impact toughness of thin plate were conducted with taking the experimental methods at home and abroad as reference.The interaction and toughening mechanism between the fiber and matrix were analyzed，and the effect of both fiber content and ratio between water and cement on toughening performance was discussed. The corresponding strength and toughness indexes of composite are obtained，which can provide the reference for the preparation and engineering application of cementitious composite reinforced by tailing sand PVA fiber with high performance.
Key words：green building material；tailing sand；PVA fiber；cementitious composite；compressive toughness；tensile ductility；impact toughness；toughening mechanism
中图分类号：TU 411
文献标志码：A
文章编号：1000－1646（2016）06－0697－06
doi：10.7688／j.issn.1000－1646.2016.06.18
收稿日期：2015－11－17.
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51279109）.
作者简介：鲍文博（1958－）男，辽宁大连人，教授，博士，主要从事结构动力学及新型建筑材料等方面的研究.
网络出版地址：09－07 16∶09在中国知网优先数字出版.
网络出版地址：http：∥www.cnki.net／kcms／detail／21.1189.T. 20160907.1609.040.htm l