Effect of temperature on dynamic compression properties of PVA/ECC
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摘要: 为研究不同温度、不同聚乙烯醇(PVA)纤维体积掺量和不同应变率对高延性纤维增强水泥基复合材料(PVA/ECC)动态压缩性能的影响，采用直径50 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)，对高温浸水冷却后的PVA/ECC进行了冲击压缩试验，结果表明：当温度≥250℃，PVA/ECC试件冲击破坏后的整体性变差，应力-应变曲线更趋于扁平，其动态峰值应变提高不明显但动态峰值应力、冲击韧度显著降低，且高温对较大纤维体积掺量PVA/ECC动态峰值应力、冲击韧度的劣化效应更明显；温度≤150℃时，增大PVA纤维体积掺量，PVA/ECC动态峰值应力、峰值应变和冲击韧度均明显提高，但当温度≥250℃时，增大PVA纤维体积掺量，PVA/ECC动态峰值应变增大，而冲击韧度的提高幅度显著降低且动态峰值应力下降；高温水冷后的PVA/ECC仍具有明显的应变率效应，但温度≥150℃后，其抗压强度的应变率敏感性有所降低。
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关键词:
- 高延性纤维增强水泥基复合材料 /
- 聚乙烯醇 /
- 分离式霍普金森压杆 (SHPB) /
- 温度 /
- 动态压缩性能
Abstract: In order to study the effects of different temperatures, different polyvinyl alcohol (PVA) fiber contents by volume and different strain rates on the dynamic compressive properties of engineered fiber reinforced cementitious composite (PVA/ECC), impact compression tests were conducted on PVA/ECC after the high-temperature and water-cooled by using a 50 mm diameter split Hopkinson compression bar (SHPB). The results show that when the temperature is greater than or equal to 250℃, the integrity of PVA/ECC specimens becomes worse after impact damage and the stress-strain curves tend to be flatter. The dynamic peak strain doesn’t increase obviously but the dynamic peak stress and impact toughness decrease remarkably. Furthermore, the deterioration effect of high temperature on the dynamic peak stress and impact toughness of PVA/ECC with larger fiber contents by volume is more obvious. When the temperature is less than or equal to 150℃, the dynamic peak stress, peak strain and impact toughness of PVA/ECC improve significantly with increasing the PVA fiber contents by volume. When the temperature is greater than or equal to 250 ℃, the dynamic peak strain increases with increasing the PVA fiber contents by volume, but the improvement extent of impact toughness reduces significantly and the dynamic peak stress decreases. PVA/ECC still has a significant strain rate effect after the high temperature and water-cooled. While when the temperature is greater than or equal to 150 ℃, the strain rate sensitivity of compressive strength reduces. -
由于精确制导武器的发展及各类自然灾害、人为事故、复杂使用环境的影响，工程结构会面临高温、恶劣环境影响与爆炸、冲击等极端作用的严重威胁[1-3]。已有研究表明，动载作用下混凝土材料具有明显的应变率敏感性[4-5]与损伤软化效应[6-7]，而在高温条件下，其动态强度会呈现一定的温度强弱化效应[2, 8]。相关学者还对纤维混凝土高温下的动态力学性能进行了研究，Li等[9]基于高温下钢纤维/混凝土(SFRC)的动态性能试验，分析了不同温度与应变率对SFRC动态力学性能的影响，研究结果表明，高温下SFRC的动态抗压强度仍具有应变率效应，其动态应力-应变曲线和准静态应力-应变曲线形状相似，且随着温度的升高曲线更为扁平。Yang等[10]对超高性能混凝土(UHPFRC)高温后的动态力学性能进行了试验研究，结果表明，当温度为400℃时，UHPFRC的动态抗压强度达到最大值；温度低于400℃时，UHPFRC的动态抗压强度随温度的提高而增大；当温度超过400℃后，UHPFRC的动态强度随温度的升高而明显降低，呈现出温度强弱化效应。任韦波等[3]对玄武岩纤维/混凝土(BFRC)高温后的动态压缩性能进行了试验研究，结果表明，随着温度和应变率的增大，试件的破碎程度更加明显。杨少伟等[11]采用分离式Hopkinson压杆装置研究了高温后钢纤维混凝土(SFRC)的动态力学性能，结果表明，高温后SFRC的动态峰值应力、弹性模量和能量吸收能力均降低，但钢纤维的加入可提高基体混凝土的动态极限应变，显著改善其能量吸收能力。
高延性纤维增强水泥基复合材料(Engineered fiber reinforced cementitious composite，ECC)自问世以来，因其超强的韧性、准应变硬化与多缝开裂特性而得到国内外学者的广泛关注。Chen等[12]对不同粉煤灰掺量的ECC进行了动态压缩性能试验，研究表明，聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol，PVA)纤维和粉煤灰的掺入能使ECC在冲击过程中保持较好的塑性流动，显著改善了材料的变形能力和能量吸收能力。Kai等[13]的试验研究表明，ECC试件的动态峰值应力和峰值应变均随应变率的增大而增大，具有明显的应变率效应，且动态强度增长因子(DIF)与应变率的对数成正比。李艳等[14]研究了不同PVA纤维掺量和基体强度ECC的动态压缩性能，结果表明，PVA纤维可显著提高ECC的峰后韧性，但纤维掺量与基体强度对ECC动态抗压强度应变率敏感性的影响并不明显。徐世烺等[15]采用数值模拟对超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)的动态力学性能进行了研究，结果表明，随着应变率的增大，UHTCC材料的动态应力-应变曲线由应变硬化主导转变为损伤软化主导，建立了DIF与应变率对数的分段函数式。目前，ECC材料已广泛应用于工程实践中[16-18]，但关于PVA/ECC材料在高温动载条件下性能方面的研究较少，本文模拟建筑物在火灾初起阶段，火被及时扑灭后再承受动载的情况，采用霍普金森压杆(SHPB)对高温浸水冷却后的PVA/ECC材料进行冲击压缩试验，主要分析了不同温度、不同PVA纤维体积掺量和不同应变率对PVA/ECC动态力学性能的影响，可为相应工程结构的灾后损伤评估与修复加固提供基础依据。
1. 试验原材料及试验方法
1.1 原材料
采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥、I级粉煤灰、最大粒径不超过0.6 mm的天然细河砂、减水率为28%的聚羧酸高效商用减水剂、PVA纤维性能指标见表1。PVA/ECC试件设计强度均为40 MPa，水泥与粉煤灰质量比为1∶1.2，砂胶比和水胶比均为0.36。
表 1 聚乙烯醇(PVA)纤维性能Table 1. Properties of polyvinyl alcohol (PVA) fiberDiameter
/μmLength
/mmElasticity modulus
/GPaUltimate strain
/%Tensile strength
/MPaDensity
/(g·cm−3)39 12 42.8 7.0 1620 1.2 1.2 试验方法
PVA/ECC试件浇筑后，在标准养护箱内养护28天，试件的PVA纤维体积掺量分别为0.5vol%、1.0vol%、1.5vol%、2.0vol%。采用天水红山试验机有限公司生产的WAW-300型微机控制电液伺服万能试验机对PVA/ECC哑铃型试件(图1)进行了单轴受拉试验，试验曲线与主要试验结果见图2与表2。准静态试验中立方体抗压强度fcu和轴心抗压强度fc分别采用边长为70.7 mm的立方体试块和直径Φ75 mm×150 mm圆柱体试块测得(试验结果见表3)。采用70 s−1、90 s−1、110 s−1 3种应变率对试件进行冲击压缩试验，试件按照SHPB试验要求取芯、切割、打磨成Φ50 mm×25 mm的巴西圆盘，确保试件端面的平整度在0.02 mm以内[19]。
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图 1 PVA/高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)哑铃型试件单轴受拉试验Figure 1. Tensile testing of dumbbell-shaped PVA/engineered fiber reinforced cementitious composite (ECC) specimens![]()
图 2 不同PVA纤维掺量PVA/ECC试件单轴受拉应力-应变曲线Figure 2. Tensile stress-strain curves of PVA/ECC specimens with different PVA fiber volume contents表 2 PVA/ECC试件拉伸试验结果Table 2. PVA/ECC specimen tensile test resultsFiber volume fraction/vol% Ultimate tensile strain εtu/% Tensile strength ftu/MPa 0.5 0.42 3.01 1.0 1.64 3.64 1.5 2.81 4.16 2.0 3.21 4.44 采用北京德志融泰环保科技有限公司研制的TDL-1400F型箱式电阻炉，将试件按10℃/min的加热速率进行加热，为确保试件内部受热均匀，加热到目标温度(分别为150℃、250℃和350℃)后恒温2 h，随后浸水冷却约15 min，试件取出后静置、自然风干1天。为便于分析，将未经历温度作用的常温试件标记为25℃。
采用直径为50 mm变截面分离式霍普金森压杆，试验装置如图3所示。为满足一维应力波假定和应力均匀性假定[20]，试验采用边长1.5 cm、厚为0.3 mm的黄铜片作为波形整形器[21]，以防止应力波的高频振荡和弥散现象，应力波在试件内传播4次以上即可认为应力均匀。杆端加设万向头以减小端面不平整带来的影响，试件两端面涂抹凡士林，以减小摩擦效应，采用三波法[20]计算试件的应力、应变及应变率。每种工况下至少冲击3个试件，以防止离散性大引起的有效数据不足，试验结果取其平均值。
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图 3 分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置示意图Figure 3. Schematic diagram of split Hopkinson compression bar (SHPB) test device2. 试验结果与分析
表3给出了各组PVA/ECC试件动态压缩试验的主要结果。0.5vol%PVA/ECC-25-70表示用70 s−1应变率对常温下(25℃)纤维掺量为0.5vol%的PVA/ECC试件进行冲击压缩试验，fcd为PVA/ECC动态峰值应力，εP为PVA/ECC动态峰值应变，ST为PVA/ECC动态应力-应变全曲线与坐标轴所包围的面积，即冲击韧度。
表 3 PVA/ECC试件动态压缩试验结果Table 3. Test results of PVA/ECC specimens under dynamic compressionSpecimen Measured strain rate/s−1 fcu/MPa fc/MPa fcd/MPa εP/10−6 ST/(MJ·m−3) 0.5vol%PVA/ECC-25-70 74 43.47 35.30 52.9 6656 0.912 0.5vol%PVA/ECC -25-90 93 59.8 8200 1.132 0.5vol%PVA/ECC -25-110 110 70.9 8930 1.334 1.0vol%PVA/ECC -25-70 75 44.84 36.89 60.9 7420 1.097 1.0vol%PVA/ECC -25-90 96 69.1 8760 1.449 1.0vol%PVA/ECC -25-110 115 79.9 10630 1.885 1.5vol%PVA/ECC -25-70 71 45.80 37.56 68.0 10540 1.450 1.5vol%PVA/ECC -25-90 92 78.4 11020 1.703 1.5vol%PVA/ECC -25-110 111 87.8 12190 2.301 2.0vol%PVA/ECC -25-70 72 46.20 38.84 74.8 11240 1.738 2.0vol%PVA/ECC -25-90 93 85.1 13650 2.156 2.0vol%PVA/ECC -25-110 112 95.7 14760 2.520 0.5vol%PVA/ECC -150-70 72 45.40 37.20 55.9 6670 0.945 0.5vol%PVA/ECC -150-90 91 63.0 8360 1.182 0.5vol%PVA/ECC -150-110 112 74.9 9030 1.412 1.0vol%PVA/ECC -150-70 73 47.00 39.50 64.9 7550 1.153 1.0vol%PVA/ECC -150-90 89 74.0 8840 1.452 1.0vol%PVA/ECC -150-110 111 82.9 10750 1.877 1.5vol%PVA/ECC -150-70 72 50.10 40.60 71.8 10700 1.456 1.5vol%PVA/ECC -150-90 94 81.4 11160 1.733 1.5vol%PVA/ECC -150-110 113 90.9 12300 2.237 2.0vol%PVA/ECC -150-70 71 51.20 41.70 76.8 11450 1.732 2.0vol%PVA/ECC -150-90 91 89.1 13820 2.131 2.0vol%PVA/ECC -150-110 112 97.0 15100 2.505 0.5vol%PVA/ECC -250-70 73 38.20 31.50 44.8 6920 0.697 0.5vol%PVA/ECC -250-90 95 51.4 8430 0.925 0.5vol%PVA/ECC -250-110 112 58.0 9060 1.093 1.0vol%PVA/ECC -250-70 72 36.80 29.60 42.9 7540 0.777 1.0vol%PVA/ECC -250-90 95 47.1 8930 1.003 1.0vol%PVA/ECC -250-110 111 55.9 11240 1.271 1.5vol%PVA/ECC -250-70 72 35.70 28.50 40.9 10800 0.858 1.5vol%PVA/ECC -250-90 93 43.8 11250 1.016 1.5vol%PVA/ECC -250-110 115 53.1 12350 1.301 2.0vol%PVA/ECC -250-70 73 34.10 27.20 38.5 11460 0.914 2.0vol%PVA/ECC -250-90 91 41.4 14060 1.073 2.0vol%PVA/ECC -250-110 113 50.0 15160 1.328 0.5vol%PVA/ECC -350-70 74 34.60 28.30 38.1 7060 0.593 0.5vol%PVA/ECC -350-90 91 43.9 9140 0.798 0.5vol%PVA/ECC -350-110 112 52.1 9340 0.981 1.0vol%PVA/ECC -350-70 71 32.80 26.90 35.0 7900 0.677 1.0vol%PVA/ECC -350-90 92 39.9 9140 0.889 1.0vol%PVA/ECC -350-110 113 47.8 11260 1.034 1.5vol%PVA/ECC -350-70 72 31.20 25.20 33.3 11350 0.697 1.5vol%PVA/ECC -350-90 91 36.9 11560 0.899 1.5vol%PVA/ECC -350-110 115 44.8 12890 1.037 2.0vol%PVA/ECC -350-70 74 28.30 23.10 29.8 11950 0.737 2.0vol%PVA/ECC -350-90 95 33.1 14130 0.915 2.0vol%PVA/ECC -350-110 115 40.0 15480 1.068 Notes: 0.5vol%PVA/ECC-25-70 represents that the fiber content by volume of PVA/ECC specimen is 0.5vol%, the temperature is 25℃, and the design strain rate is 70 s−1; fcu—Cubic compressive strength of PVA/ECC; fc—Axial compressive strength of PVA/ECC; fcd—Dynamic peak stress of PVA/ECC; εP—Dynamic peak strain of PVA/ECC; ST— Impact toughness of PVA/ECC. 2.1 PVA/ECC破坏形态
图4为PVA/ECC试件典型破坏形态图。当温度≤150℃，PVA纤维可充分发挥其桥接阻裂作用，ECC试件破坏后的整体性较好，且由于高温浸水冷却促使水泥进一步水化，生成的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶与晶体填充了试件内部的缝隙，试件的密实度与强度提高[22]，因此，经历150℃高温浸水冷却后的PVA/ECC试件，其冲击破坏后的整体性最优；当温度达到250℃，PVA纤维熔化严重(PVA纤维熔点在230℃左右[23-26])，ECC试件表面的裂缝数量和宽度明显增加，且小纤维体积掺量(0.5vol%)较大应变率下(≥90 s−1)的PVA/ECC试件，其冲击破坏后的整体性较差；当温度为350℃时，PVA纤维完全熔化消失，各ECC试件破坏后均呈现出碎块化现象，且碎块飞散速度高、崩溅范围大。可见，应变率与PVA纤维体积掺量相同时，当温度≥250℃时，试件冲击破坏后的整体性变差。文献[22]给出了ECC试件中PVA纤维熔化前后的SEM显微图像(图5[22])，可以看出，PVA纤维熔化后，ECC基体孔隙率明显增大，即导致高温后ECC试件冲击破坏后的整体性较差。实际应用中，可在PVA/ECC中掺入适量耐高温纤维(如钢纤维、玄武岩纤维等)以保证ECC在经历更高温度后的抗冲击性能[26-28]。图4还显示出，当温度与应变率相同时，随着PVA纤维体积掺量的减小，PVA纤维的桥接阻裂作用减弱，试件破坏后的整体性就变差；当温度与PVA纤维体积掺量相同时，随着应变率的增大，试件承受的冲击荷载越大，其破坏后的整体性就越差。
2.2 PVA/ECC动态应力-应变曲线
图6为不同温度条件下PVA/ECC试件动态平均应力-应变曲线的示例(取应变率为110 s−1的曲线，其他应变率下的曲线规律一致)。可知，当温度为25℃和150℃时，试件的动态应力-应变曲线较为接近，主要是由于在150℃时PVA纤维并未熔化，仍能很好地发挥其桥接阻裂作用；当温度超过250℃，PVA纤维熔化，试件内部孔隙率增加，ECC的动态峰值应力明显减小，应力-应变曲线整体上趋于扁平。图7给出了不同PVA纤维体积掺量ECC试件动态平均应力-应变曲线的示例(取应变率为110 s−1的曲线，其他应变率下的规律一致)。可以看出，温度≤150℃时，随着纤维体积掺量的增大，ECC的动态峰值应力与峰值应变均明显增大；温度≥250℃时，由于温度的弱化作用高于纤维的强化作用，随着PVA纤维体积掺量的增大，ECC的动态峰值应力减小，且纤维掺量越高，试件过火后的基体就越疏松，其动态峰值应变就越大，试件应力-应变曲线的下降段也更为平缓。图8为不同应变率下PVA/ECC试件动态平均应力-应变曲线的示例(取纤维体积掺量为2.0vol%的曲线，其他纤维掺量的规律一致)。可知，不同应变率下PVA/ECC试件的平均应力-应变曲线具有一定的相似性，随着应变率的增大，PVA/ECC的动态峰值应力与峰值应变均增大。
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图 6 不同温度下PVA/ECC试件平均应力-应变曲线Figure 6. Average stress-strain curves of PVA/ECC specimens at different temperatures![]()
图 7 不同纤维掺量PVA/ECC试件平均应力-应变曲线Figure 7. Average stress-strain curves of PVA/ECC specimens with different fiber contents![]()
图 8 不同应变率下PVA/ECC试件平均应力-应变曲线Figure 8. Average stress-strain curves of PVA/ECC specimens at different strain rates2.3 PVA/ECC动态峰值应力与峰值应变
从表3和图6可以看出(以应变率为110 s−1的为例，其他应变率下的规律一致)，同常温(25℃)相比，PVA纤维体积掺量为2vol%的ECC试件经历了150℃、250℃、350℃的高温后，其动态峰值应力fcd分别提高了1.4%、−47.7%、−58.2% (“−”表示降低)，动态峰值应变εP分别提高了2.3%、2.7%、4.9%；当纤维体积掺量为1vol%时，fcd分别提高了3.8%、−30.0%、−40.2%，εP分别提高了1.1%、5.7%、5.9%。可见，当应变率与纤维掺量相同时，随着温度的升高，PVA/ECC的εP提高，但提高幅度很小；而PVA/ECC的fcd则呈现出先小幅增大后大幅降低的趋势，具有一定的温度强弱化效应。其原因可能为当温度为150℃时，试件经高温水冷后，水泥颗粒进一步水化[22]，助力于PVA/ECC动态峰值应力和应变的提升，而当温度≥250℃时，PVA纤维受热熔化析出，试件中留下大量微孔洞，ECC基体强度下降，且ECC为热惰性材料，在浸水冷却过程中，试件内外温差较大，变形的不协调更加剧了微裂缝的发展[29]。因此，试件的动态峰值应力明显下降，而峰值应变小幅度提升。
表3和图7显示，温度≤150℃时(以温度为150℃、应变率为110 s−1的试件为例，其他温度和应变率下的规律一致)，PVA纤维体积掺量由0.5vol%依次增加到1.0vol%、1.5vol%、2.0vol%，ECC动态峰值应力分别提高了10.7%、21.4%、29.5%，峰值应变分别提高了19.1%、36.2%、67.2%；当温度≥250℃时(以温度为350℃、应变率为110 s−1的试件为例，其他温度和应变率下的规律一致)，试件纤维体积掺量由0.5vol%依次增加到1.0vol%、1.5vol%、2.0vol%，ECC动态峰值应力分别提高了−8.3%、−14.0%、−23.2%，峰值应变分别提高了20.6%、38.0%、65.7%。可见，温度≤150℃时，随着纤维体积掺量的增大，ECC动态峰值应力和动态峰值应变均明显提高；当温度≥250℃时，纤维体积掺量越大，ECC动态峰值应力越小，动态峰值应变越大。这是由于在冲击压缩试验中，ECC中纤维的桥连应力限制了试件侧向变形，加强了横向惯性效应[30-31]，且PVA纤维体积掺量越大，横向惯性效应越强，因此ECC动态峰值应力和峰值应变随纤维体积掺量的增大而增大；但温度超过250℃后，纤维熔化析出，纤维体积掺量越高，试件中微孔洞越多，因此纤维体积掺量越大，ECC动态峰值应力越小，峰值应变越大。
表3和图8显示(以温度为250℃、纤维体积掺量为2.0vol%的试件为例，其他温度和纤维体积掺量下的规律一致)，与70 s−1相比，试件在90 s−1、110 s−1应变率下峰值应力分别提高了7.5%、29.9%，峰值应变分别提高22.7%、32.3%。因此，高温水冷后PVA/ECC试件的动态峰值应力与峰值应变仍随应变率的增大而增大，具有明显的应变率效应。
为更有效地分析不同温度后PVA/ECC强度的应变率效应，图9给出了各组试件的动态强度增长因子μDIF (μDIF=fcd/fc)与应变率对数lgέ的关系。可以看出，经历了不同温度后，PVA/ECC试件的μDIF与lgέ大致呈线性增长关系(线性回归的R2均值约为0.909)，且当温度≥150℃后，各回归直线大致平行，其斜率均小于常温下直线的斜率。可见，PVA/ECC试件经高温水冷后，其强度的应变率敏感性有所减弱。各组PVA/ECC试件μDIF随应变率的对数增长规律可表示为
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图 9 PVA/ECC动态强度增长因子(μDIF)与应变率对数lgέ的关系Figure 9. Relationship between dynamic increase factor (μDIF) and logarithm of strain rate lgέ of PVA/ECCμDIF=klgέ+b (1) 式中：b为材料参数(具体取值见图9)；当温度<150℃时，线性关系参数k值约为2.835；当温度≥150℃时，k值约为2.289。
2.4 PVA/ECC冲击韧度
冲击韧度表示试件从加载至破坏失效过程中吸收能量的大小，是材料强度与变形特征的综合体现[28]，可用表3中的ST来表述。图10为不同温度条件下PVA/ECC试件冲击韧度ST的对比。可以看出，同常温相比，当温度≤150℃时，各组PVA/ECC试件的ST均无明显变化；但当温度达到250℃时，随着PVA纤维体积掺量的增大，各ECC试件的ST分别下降了23.6%、29.2%、40.8%、47.4% (以应变率为70 s−1为例，其他应变率下的规律一致)；当温度达到350℃时，各ECC试件的ST分别下降了35.0%、38.3%、51.9%、57.6% (以应变率为70 s−1为例)。可见，当温度≥250℃后，随着温度的升高，PVA/ECC试件的ST明显降低，且高温对较大PVA纤维体积掺量试件的ST所带来的劣化效应更明显。
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图 10 不同温度下PVA/ECC试件冲击韧度对比Figure 10. Impact toughness comparison of PVA/ECC specimens at different temperatures图11为不同PVA纤维体积掺量ECC试件冲击韧度ST的对比图。可知，当纤维体积掺量由0.5vol%增大到2vol%时，经历不同温度作用后，各PVA/ECC试件的ST分别提高了91%、83%、31%、24% (以应变率为70 s−1为例，其他应变率下的规律一致)，可见，当温度≤150℃时，随着纤维体积掺量的增大，PVA/ECC试件的ST显著提高；但当温度≥250℃时，随着纤维掺量的增大， ECC试件ST的提高幅度明显降低。
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图 11 不同纤维掺量PVA/ECC试件冲击韧度对比Figure 11. Impact toughness comparison of PVA/ECC specimens with different fiber contents图12为不同应变率下PVA/ECC试件冲击韧度ST的对比图。可以看出，当应变率由70 s−1增大到110 s−1时，经历不同温度作用后，各PVA/ECC试件的ST分别提高了45.0%、44.6%、45.3%、44.9% (以纤维掺量为2.0vol%为例，其他纤维掺量下的规律一致)，因此，随着应变率的增大，不同温度作用后PVA/ECC试件的ST增长幅度大致相同。图12还显示出，当温度≥250℃时，由于PVA纤维的熔化，相同应变率下不同纤维掺量ECC试件的ST较接近。
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图 12 不同应变率PVA/ECC试件冲击韧度ST对比Figure 12. Impact toughness ST comparisons of PVA/ECC specimens at different strain rates3. 结 论
(1) 温度对高延性纤维增强水泥基复合材料(PVA/ECC)试件冲击破坏后的整体性影响较大，温度≤150℃时，聚乙烯醇(PVA)纤维的桥接阻裂作用明显，试件破坏后的整体性较好；温度达到250℃，不同纤维掺量与应变率下PVA/ECC试件表面的裂缝数量和宽度均明显增加；温度为350℃时，各PVA/ECC试件冲击破坏后均呈现“碎块化”现象。
(2) 温度≤150℃时，各PVA/ECC试件的动态应力-应变曲线具有一定的相似性；温度≥250℃，试件的应力-应变曲线更趋于扁平，且PVA纤维体积掺量越高，试件过火后的基体就越疏松，其应力-应变曲线的下降段也更平缓。
(3) 同常温相比，PVA/ECC试件经历150℃、250℃、350℃的高温后，其动态峰值应变的提高幅度很小，而动态峰值应力则呈现先小幅提高后大幅降低的趋势，具有一定的温度强弱化效应，且高温对较大纤维掺量PVA/ECC冲击韧度的劣化效应更为明显。
(4) 当温度≤150℃时，随着纤维体积掺量的增大，PVA/ECC动态峰值应力、峰值应变和冲击韧度均明显提高；当温度≥250℃时，增大纤维体积掺量，PVA/ECC动态峰值应变增大，而冲击韧度的提高幅度明显降低，且动态峰值应力减小。
(5) 同常温下相同，高温水冷后的PVA/ECC仍具有明显的应变率效应，动态强度增长因子(μDIF)也与应变率的对数呈线性增长关系，但当温度≥150℃后，其强度的应变率敏感性有所减弱。
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图 1 PVA/高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)哑铃型试件单轴受拉试验
Figure 1. Tensile testing of dumbbell-shaped PVA/engineered fiber reinforced cementitious composite (ECC) specimens
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图 2 不同PVA纤维掺量PVA/ECC试件单轴受拉应力-应变曲线
Figure 2. Tensile stress-strain curves of PVA/ECC specimens with different PVA fiber volume contents
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图 3 分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置示意图
Figure 3. Schematic diagram of split Hopkinson compression bar (SHPB) test device
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图 6 不同温度下PVA/ECC试件平均应力-应变曲线
Figure 6. Average stress-strain curves of PVA/ECC specimens at different temperatures
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图 7 不同纤维掺量PVA/ECC试件平均应力-应变曲线
Figure 7. Average stress-strain curves of PVA/ECC specimens with different fiber contents
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图 8 不同应变率下PVA/ECC试件平均应力-应变曲线
Figure 8. Average stress-strain curves of PVA/ECC specimens at different strain rates
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图 9 PVA/ECC动态强度增长因子(μDIF)与应变率对数lgέ的关系
Figure 9. Relationship between dynamic increase factor (μDIF) and logarithm of strain rate lgέ of PVA/ECC
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图 10 不同温度下PVA/ECC试件冲击韧度对比
Figure 10. Impact toughness comparison of PVA/ECC specimens at different temperatures
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图 11 不同纤维掺量PVA/ECC试件冲击韧度对比
Figure 11. Impact toughness comparison of PVA/ECC specimens with different fiber contents
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图 12 不同应变率PVA/ECC试件冲击韧度ST对比
Figure 12. Impact toughness ST comparisons of PVA/ECC specimens at different strain rates
表 1 聚乙烯醇(PVA)纤维性能
Table 1 Properties of polyvinyl alcohol (PVA) fiber
Diameter
/μmLength
/mmElasticity modulus
/GPaUltimate strain
/%Tensile strength
/MPaDensity
/(g·cm−3)39 12 42.8 7.0 1620 1.2 
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表 2 PVA/ECC试件拉伸试验结果
Table 2 PVA/ECC specimen tensile test results
Fiber volume fraction/vol% Ultimate tensile strain εtu/% Tensile strength ftu/MPa 0.5 0.42 3.01 1.0 1.64 3.64 1.5 2.81 4.16 2.0 3.21 4.44
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表 3 PVA/ECC试件动态压缩试验结果
Table 3 Test results of PVA/ECC specimens under dynamic compression
Specimen Measured strain rate/s−1 fcu/MPa fc/MPa fcd/MPa εP/10−6 ST/(MJ·m−3) 0.5vol%PVA/ECC-25-70 74 43.47 35.30 52.9 6656 0.912 0.5vol%PVA/ECC -25-90 93 59.8 8200 1.132 0.5vol%PVA/ECC -25-110 110 70.9 8930 1.334 1.0vol%PVA/ECC -25-70 75 44.84 36.89 60.9 7420 1.097 1.0vol%PVA/ECC -25-90 96 69.1 8760 1.449 1.0vol%PVA/ECC -25-110 115 79.9 10630 1.885 1.5vol%PVA/ECC -25-70 71 45.80 37.56 68.0 10540 1.450 1.5vol%PVA/ECC -25-90 92 78.4 11020 1.703 1.5vol%PVA/ECC -25-110 111 87.8 12190 2.301 2.0vol%PVA/ECC -25-70 72 46.20 38.84 74.8 11240 1.738 2.0vol%PVA/ECC -25-90 93 85.1 13650 2.156 2.0vol%PVA/ECC -25-110 112 95.7 14760 2.520 0.5vol%PVA/ECC -150-70 72 45.40 37.20 55.9 6670 0.945 0.5vol%PVA/ECC -150-90 91 63.0 8360 1.182 0.5vol%PVA/ECC -150-110 112 74.9 9030 1.412 1.0vol%PVA/ECC -150-70 73 47.00 39.50 64.9 7550 1.153 1.0vol%PVA/ECC -150-90 89 74.0 8840 1.452 1.0vol%PVA/ECC -150-110 111 82.9 10750 1.877 1.5vol%PVA/ECC -150-70 72 50.10 40.60 71.8 10700 1.456 1.5vol%PVA/ECC -150-90 94 81.4 11160 1.733 1.5vol%PVA/ECC -150-110 113 90.9 12300 2.237 2.0vol%PVA/ECC -150-70 71 51.20 41.70 76.8 11450 1.732 2.0vol%PVA/ECC -150-90 91 89.1 13820 2.131 2.0vol%PVA/ECC -150-110 112 97.0 15100 2.505 0.5vol%PVA/ECC -250-70 73 38.20 31.50 44.8 6920 0.697 0.5vol%PVA/ECC -250-90 95 51.4 8430 0.925 0.5vol%PVA/ECC -250-110 112 58.0 9060 1.093 1.0vol%PVA/ECC -250-70 72 36.80 29.60 42.9 7540 0.777 1.0vol%PVA/ECC -250-90 95 47.1 8930 1.003 1.0vol%PVA/ECC -250-110 111 55.9 11240 1.271 1.5vol%PVA/ECC -250-70 72 35.70 28.50 40.9 10800 0.858 1.5vol%PVA/ECC -250-90 93 43.8 11250 1.016 1.5vol%PVA/ECC -250-110 115 53.1 12350 1.301 2.0vol%PVA/ECC -250-70 73 34.10 27.20 38.5 11460 0.914 2.0vol%PVA/ECC -250-90 91 41.4 14060 1.073 2.0vol%PVA/ECC -250-110 113 50.0 15160 1.328 0.5vol%PVA/ECC -350-70 74 34.60 28.30 38.1 7060 0.593 0.5vol%PVA/ECC -350-90 91 43.9 9140 0.798 0.5vol%PVA/ECC -350-110 112 52.1 9340 0.981 1.0vol%PVA/ECC -350-70 71 32.80 26.90 35.0 7900 0.677 1.0vol%PVA/ECC -350-90 92 39.9 9140 0.889 1.0vol%PVA/ECC -350-110 113 47.8 11260 1.034 1.5vol%PVA/ECC -350-70 72 31.20 25.20 33.3 11350 0.697 1.5vol%PVA/ECC -350-90 91 36.9 11560 0.899 1.5vol%PVA/ECC -350-110 115 44.8 12890 1.037 2.0vol%PVA/ECC -350-70 74 28.30 23.10 29.8 11950 0.737 2.0vol%PVA/ECC -350-90 95 33.1 14130 0.915 2.0vol%PVA/ECC -350-110 115 40.0 15480 1.068 Notes: 0.5vol%PVA/ECC-25-70 represents that the fiber content by volume of PVA/ECC specimen is 0.5vol%, the temperature is 25℃, and the design strain rate is 70 s−1; fcu—Cubic compressive strength of PVA/ECC; fc—Axial compressive strength of PVA/ECC; fcd—Dynamic peak stress of PVA/ECC; εP—Dynamic peak strain of PVA/ECC; ST— Impact toughness of PVA/ECC.
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期刊类型引用(1)
1. 刘泽军，赵柳，李艳，褚颜贵. 不同长径比聚乙烯醇(PVA)/高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)动态压缩性能. 复合材料学报. 2023(12): 6859-6870 . 
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