分级加载下海水珊瑚砂高延性水泥基材料轴压性能

薛肖; 高恭文; 侯东旭; 李威; 韩宇栋; 韩红卫

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2504433

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (15) :6528-6536 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2504433

建筑科学

分级加载下海水珊瑚砂高延性水泥基材料轴压性能

薛肖 ¹^,² ,
高恭文 ³ ,
侯东旭 ² ,
李威 ¹ ,
韩宇栋 ¹ ,
韩红卫 ²^,^*

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Axial Compression Behavior of Seawater Sea-Sand High Ductility Cementitious Composites under Graduated Loading

XUE Xiao ¹^,² ,
GAO Gong-wen ³ ,
HOU Dong-xu ² ,
LI Wei ¹ ,
HAN Yu-dong ¹ ,
HAN Hong-wei ²^,^*

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摘要

热带岛礁工程建设面临建筑材料短缺、建筑物延性差等问题,使用海水、珊瑚砂制备海水珊瑚砂高延性水泥基材料(seawater coral sand engineered cementitious composites, SCECC)可有效改善岛礁建设困境。对分级加载条件下SCECC的应力-应变曲线进行分析,并讨论了聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)纤维掺量、养护龄期对SCECC抗压强度、峰值应变及压缩韧性的影响。结果表明:当纤维体积掺量在2.300%以下时,SCECC抗压强度随PVA纤维掺量与养护龄期的增加而增大,SCECC 28 d的抗压强度可达43.66 MPa 且SCECC呈现出早强性。此外,PVA纤维的掺入增强了SCECC的抗变形能力,峰值应变与压缩韧性随纤维掺量的增加总体呈上升趋势。基于SCECC单轴分级加载试验,引入Maxwell黏弹性本构模型,可分析弹性模量和黏度系数与纤维掺量的函数关系。当纤维体积掺量为2.300%时,分级加载下SCECC弹性模量可达12.33 GPa,黏度系数可达4.56×10⁴ GPa·s。

Abstract

The construction of tropical islands and reefs is challenged by the shortage of conventional building materials and the poor ductility of structures. These difficulties can be effectively addressed by utilizing seawater and coral sand to produce seawater coral sand engineered cementitious composites (SCECC). The stress-strain curves of SCECC under graded loading were analyzed, and the influences of polyvinyl alcohol (PVA) fiber content and curing age on its compressive strength, peak strain and compressive toughness were investigated. It was indicated from the results that when the PVA fiber volume fraction was up to 2.3%, the compressive strength of SCECC was improved with the increase in fiber content and curing age, and a 28-day compressive strength of 43.66 MPa was achieved, with obvious early-age strength development being observed. Additionally, the enhanced deformation resistance of SCECC was demonstrated by the incorporation of PVA fibers. An upward trend in both the peak strain and compressive toughness was generally exhibited with the increase in fiber content. Based on uniaxial graded loading tests on SCECC, the Maxwell viscoelastic constitutive model was introduced, and the functional relationships between the elastic modulus, viscosity coefficient and fiber content could be analyzed. At a fiber volume fraction of 2.300%, the elastic modulus of SCECC under graded loading was measured as 12.33 GPa, and the viscosity coefficient was determined as 4.56×10⁴ GPa·s.

Graphical abstract

关键词

高延性水泥基材料 / 珊瑚砂 / 分级加载 / 本构模型

Key words

ECC / coral sand / step loading / constitutive model

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薛肖, 高恭文, 侯东旭, 李威, 韩宇栋, 韩红卫. 分级加载下海水珊瑚砂高延性水泥基材料轴压性能[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(15): 6528-6536 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504433

XUE Xiao, GAO Gong-wen, HOU Dong-xu, LI Wei, HAN Yu-dong, HAN Hong-wei. Axial Compression Behavior of Seawater Sea-Sand High Ductility Cementitious Composites under Graduated Loading[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(15): 6528-6536 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504433

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纤维增强水泥基复合材料(engineered cementitious composites,ECC)具有自愈合性、良好延展性、抗裂性以及抗冲击韧性等优点,在房屋建筑、公路桥梁、隧道涵洞、河堤大坝和地下水库等工程结构领域有着广泛应用^[1-2]。聚乙烯醇纤维(polyvinyl alcohol,PVA)具有高弹性、高强度、高模量等特点,且其与水泥的亲和性较好,在水泥基材料中应用较广^[3-4]。PVA-ECC已受到国内外较多学者的关注,王玉清等^[5]对PVA-ECC的轴压性能进行了研究,得出PVA-ECC的力学性能与纤维掺量的变化规律。Matsumoto等^[6]对PVA-ECC和PE-ECC的弯曲疲劳特性进行对比试验,研究发现PVA-ECC在疲劳载荷作用下展现出较佳的变形能力。Li等^[7]对PVA纤维混凝土试件进行了直接拉伸试验,结果表明,当纤维体积掺量约为2%时,其极限拉应变最大可达4%。

本构方程是研究结构或构件在外力作用下变形的基础^[8]。张勤等^[9]进行了不同设计参数下耐碱玻璃纤维ECC的轴压性能试验,提出了耐碱玻璃纤维ECC受压应力-应变关系计算模型。刘佳鑫等^[10]使用加载系统自带的传感器测量PVA-ECC的荷载与变形,建立了冻结状态下PVA-ECC抗压本构模型。Huang等^[11]分析了配合比对珊瑚混凝土性能的影响,提出了基于配合比的应力应变数值表达式。Da等^[12]采用棱柱体试件研究了珊瑚混凝土在单轴压缩下的本构关系,提出了分段式本构方程。Zhou等^[13]研究了5种配合比下PVA-ECC单轴压缩的弹性模量、峰值应力等参数,提出一种描述ECC在单轴压缩下峰前和峰后力学行为的本构模型。Han等^[14]建立了基于总应变的塑性纤维增强复合材料的本构模型,并通过循环荷载作用下结构的模拟试验对模型的准确性进行验证。通常采用石英砂制备ECC,但在岛礁工程中采用石英砂作为建筑材料,则会造成运输成本高、工期延长等问题。为提高岛礁地区工程建设效率、降低ECC的制造成本并推广其工程应用,已有学者开始尝试使用珊瑚砂代替河砂、海水代替淡水制备海水珊瑚砂高延性水泥基材料(seawater coral sand engineered cementitious composites, SCECC)^[15-16]。珊瑚砂具有筒压强度低、孔隙率高等特性,导致制备出的珊瑚混凝土脆性大。

综上所述,现通过调整PVA纤维体积掺量,研究PVA纤维对SCECC轴压性能的影响,基于Maxwell模型建立SCECC本构方程,并采用电镜对SCECC微观形貌进行观测,探究PVA纤维作用机理,研究结果可为SCECC工程应用提供理论依据。

1 试验概况

1.1 试件材料

配制SCECC原材料包括:亚泰集团哈尔滨水泥有限公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥;恒源新材料有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰;珊瑚砂采集于某热带海域,其表观密度、堆积密度分别为2 321 、1 043 kg/m³,24 h吸水率为7%,试验使用骨料颗粒级配与细度模数如表1所示;拌合水为人工模拟海水,按照三亚建筑工程质量检测中心的海水检验报告配置,其成分如表2所示;聚乙烯醇纤维(PVA)参数性能如表3所示;减水剂为天津冶建特种材料有限公司生产的高效海工混凝土专用聚羧酸减水剂。

1.2 试件制备与养护

SCECC配合比采用质量比,m(水泥)∶m(粉煤灰)∶m(珊瑚砂)∶m(水)∶m(减水剂)=1∶0.43∶0.5∶0.5∶0.001 23。为探究纤维掺量对SCECC各性能影响,纤维体积掺量分别为0%(对照组)、0.575%、1.150%、1.725%和2.300%。SCECC具体制作流程如图1所示。试件采用Φ50 mm×100 mm圆柱体试件。

制作前,将模具擦拭干净,在模具内表面涂抹脱模剂。每组按照相同配比制作5个试件,为保证同一配比试件的一致性,每组拌合物均从同一次拌合中取得。由于SCECC流动性较差,装模时分三次装填。装模后置于振捣台振捣2 min随后抹面,使用保鲜膜覆盖在试件表面以防水分散失,放置于室温环境24 h定型后进行拆模。拆模后将试件移入标准养护箱进行标准养护[温度(20±2) ℃,湿度≥95%]。进行力学性能试验前,将试件从养护箱取出静置晾干。将试件分别养护7、14、28 d后进行试验。

1.3 试验方法

分级加载试验使用CMT5305D电子万能试验机,压力机最大可提供300 kN加载力。加载过程采用分级重复加载-恒载过程,加载段加载速率为150 N/s,加载时间为60 s;恒载段保持加载力恒定,持续时间为400 s。分级加载持续上述循环过程直至试件碎裂。

2 试验过程及结果分析

2.1 SCECC分级加载应力-应变曲线特性

SCECC分级加载可揭示其在不同受力阶段的变形特征和破坏过程。通过试验实测的荷载位移数据,计算得到试件受力过程中的应力、应变,公式分别为

(1)σ=$\frac{\mathit{F}}{\mathit{A}}$

(2)ε=$\frac{\mathrm{\Delta }\mathit{l}}{\mathit{l}}$

式中:F为试件所受轴向压力,N;A为试件横截面积,mm²;Δl为试件受力过程中的轴向压缩位移,mm;l为试件总高度,mm。

分级加载下SCECC应力和应变相对加载时间的变化如图2所示。

分级加载试验下SCECC试件变形过程可近似分为压密、弹性变形、塑性变形和破坏四个阶段。在压密阶段,试件的应力随着应变的增加缓慢上升,试件逐渐密实。弹性变形阶段,应力随着应变的增加呈线性上升趋势,此阶段内部孔隙被挤压,试件变得更加密实。在塑性变形阶段内,水平恒载段应变显著增加,应力有微小降低,塑性变形成为主导,内部裂缝不断扩展并交汇,形成宏观裂缝,同时伴有细微的纤维断裂声响和外侧裂缝区域的小碎块剥落现象。破坏阶段,应力急剧下降,应变快速增加,大量裂缝迅速交汇,贯通裂缝形成,最终导致试件的破坏。SCECC压缩破坏外观如图3所示。

如图4所示,分级加载下SCECC应力-应变曲线呈阶梯状上升,加载过程中应力随着应变的增加而逐渐上升,形成了多个明显的阶梯。当应力达到峰值后,开始急剧下降。观察峰值前应力-应变曲线可以看出,随着纤维体积掺量的增加,曲线阶梯数量持续增加,并且峰值前曲线的斜率和峰值点也持续增大,说明纤维的掺入改善了材料的强度和延性。

对照组试件在破坏前无征兆,无明显的塑性变形阶段,应力达到峰值后试件立刻被破坏,一旦接触,试件就会碎裂,无法维持一个整体,属于典型的脆性破坏。观察掺入纤维压溃试件,从断裂面可看到未被拉断的纤维仍在发挥连接作用,破坏后的试件裂而不碎,仍能维持一个整体,并具有一定的残余强度。这是因为掺入纤维后,SCECC受压发生破坏过程中,纤维在基体中乱向分布,充分发挥桥接作用,提高材料的韧性和抗剪切性能,使得试件不会发生剧烈的脆性破坏^[17-18]。随PVA纤维掺量的增加,SCECC的抗变形能力显著增强^[19]。

2.2 纤维掺量对SCECC抗压强度影响

将分级加载下各龄期不同纤维体积掺量SCECC抗压强度和相较对照组强度的提升率绘制折线图,如图5所示。可以看出,SCECC试件表现出明显的早期强度,各配比7 d龄期试件的抗压强度可达28 d龄期试件的73.60%以上,其中纤维体积掺量为0.575%的试件增长最快,达到78.66%;14 d养护龄期试件抗压强度可达28 d龄期试件的90.20%以上,其中纤维体积掺量为1.725%试件增长最快,可达94.90%。SCECC采用海水拌合,海水中氯离子含量较高,可促进铝酸钙反应,类似加入氯盐类早强剂^[20-21],这导致SCECC呈现早强性。

由图5(b)可以直观地看出,在2.300%纤维体积掺量下,SCECC抗压强度与纤维掺量呈现正相关关系,该规律与文献[22-23]的研究一致。掺入纤维后,各养护龄期的SCECC试件抗压强度得到提升,并且纤维体积掺量越大,SCECC强度提升越高。当纤维体积掺量达到2.300%时,试件抗压强度可达最大,7、14、28 d龄期分别为32.12、41.14、43.66 MPa。相较对照组,纤维体积掺量为1.150%试件抗压强度具有明显提升,7、14、28 d抗压强度分别可提升31.72%、32.73%和28.12%;而纤维体积掺量继续增加,从1.150%增加到2.300%,SCECC试件抗压强度提升减慢,7、14、28 d强度相较对照组试件分别可提升29.42%、39.64%和33.51%。

2.3 纤维掺量对SCECC峰值应变影响

如图6所示为分级加载下各龄期不同纤维体积掺量SCECC峰值应变及相较对照组应变提升率。从中可知,分级加载下SCECC峰值应变随养护龄期的增加而增大。SCECC峰值应变与纤维体积掺量呈现正相关趋势。当纤维体积掺量为2.300%时,SCECC试件峰值应变相比对照组提升最大,7 d养护龄期下的SCECC峰值应变可达0.32%,相比对照组提升了16.84%;14 d养护龄期下的SCECC峰值应变达到0.33%,相比对照组提升了18.24%;28 d养护龄期下的SCECC峰值应变达到0.35%,相比对照组提升了24.15%。

2.4 纤维掺量对SCECC压缩韧性影响

分级加载条件下,养护龄期和纤维体积掺量对SCECC压缩韧性的影响如图7所示。采用应力-应变曲线峰值前曲线与坐标轴围成的面积作为压缩韧性W_pre。由图7可知,与单轴压缩试验结果相似,分级加载下SCECC压缩韧性随着养护龄期的增加而增大。14 d养护龄期下,SCECC试件W_pre可达3.71~5.52 N/cm²,相较7 d养护龄期试件可以提高8.21%~26.04%;28 d养护龄期试件W_pre可达4.03~6.31 N/cm²,相较7 d养护龄期试件提高了16.35%~39.65%。

在相同养护龄期下,随着纤维体积掺量的提升,SCECC试件的W_pre整体呈增加趋势。以28 d养护龄期为例,随着纤维体积掺量的增加,试件W_pre增长趋势由快变慢,其中纤维体积掺量为0.575%时增长最快,可达到5.26 N/cm²,提升了39.34%。

2.5 SCECC微观破坏形态

如图8所示为无纤维掺入试件微观图像,可以观察到基体材料的颗粒之间呈现出紧密的黏结状态。然而,在水泥基材料从混合成型至最终硬化的整个过程中,会出现材料收缩和分层所导致的裂缝与孔洞。这些微观层面上的裂缝与孔洞成为材料中潜在的脆弱点,在内外应力的作用下不断扩张并相互连接,最终演变为宏观裂缝,导致材料基体的结构性破坏。

如图9所示为纤维体积掺量为2.300%试件基体中纤维的分布情况。可以观察到,当纤维体积掺量超过一定范围时,基体中一些区域纤维过于密集,出现了团聚现象。通过观察纤维破坏形态,可将其破坏模式分为拉断与拔出,如图10与图11所示。

3 基于分级加载的SCECC本构模型

3.1 Maxwell模型

SCECC同混凝土一样,既具有弹性性质,又具有黏性性质,这种兼具弹性和黏性性质的材料被称为黏弹性体。常见的混凝土本构模型可分为统一式^[24]与分段式^[25],本构模型通常采用一个或多个数学表达式描述混凝土应力-应变关系。而Maxwell模型由一个弹性元件和一个黏性元件串联而成,它可以更好地描述混凝土的黏弹性力学性质。当试件受到外部应力时,弹性元件会产生瞬时弹性应变,弹性元件产生的瞬时弹性应变,应力卸载后可以立即恢复;还存在一部分不会随着应力的消失而恢复的塑性应变,这部分随时间不断增长的塑性应变用黏性元件来描述。Maxwell模型总应变率方程表达式为

(3)$\stackrel{·}{\mathit{\epsilon }}$=${\stackrel{·}{\mathit{\epsilon }}}_{\mathit{E}}$+${\stackrel{·}{\mathit{\epsilon }}}_{\mathit{\eta }}$=$\frac{\stackrel{·}{\mathit{\sigma }}}{\mathit{E}}$+$\frac{\mathit{\sigma }}{\mathit{\eta }}$

式(3)中:$\stackrel{·}{\mathit{\epsilon }}$为试件的应变率,s^-1;${\stackrel{·}{\mathit{\epsilon }}}_{\mathit{E}}$为弹性元件的应变率,s^-1;${\stackrel{·}{\mathit{\epsilon }}}_{\mathit{\eta }}$为黏性元件的应变率;$\stackrel{·}{\mathit{\sigma }}$为应力率,MPa/s;E为弹性元件的弹性模量,GPa;η为黏度系数,GPa·s;σ为试件受到的应力,MPa。

黏性系数与弹性模量表达公式分别为

(4)η=$\frac{\mathit{\sigma }}{\stackrel{·}{\mathit{\epsilon }}}$

(5)E=$\frac{1}{\frac{\mathit{\epsilon }}{\mathit{\sigma }}-\frac{\mathit{t}}{\mathit{\eta }}}$

式中:σ为台阶处的恒定应力,MPa;t为时间,s。

3.2 弹性模量与黏度系数

使用式(4)和式(5)对分级加载下应力、应变数据进行计算,得到分级加载下不同养护龄期SCECC基于Maxwell模型的弹性模量、黏度系数随纤维体积掺量变化规律。由图12可知,弹性模量和黏度系数均随着养护龄期的增加而增大,与7 d养护龄期SCECC弹性模量和黏度系数相比,14 d龄期试件分别可以提升4.67%~11.56%和12.29%~23.64%;28 d龄期试件分别可以提升7.95%~16.32%和19.33%~38.04%。

可以直观地看出,弹性模量与黏度系数变化规律相似,均随着纤维体积掺量的增加而增加。各龄期两参数均在纤维体积掺量为0.575%时增长最快,随后增长速率变缓。弹性模量和黏度系数也会随着养护龄期的增加而增大,当养护龄期为28 d,纤维体积掺量为2.300%时分级加载下SCECC弹性模量可达12.33 GPa,黏度系数可达4.56×10⁴ GPa·s。

3.3 本构方程参数确定

经分析可知,各龄期SCECC弹性模量和黏度系数与纤维体积掺量呈多项式关系,对试验数据进行拟合,拟合关系为

(6)E=a₁+b₁V_f+c₁${\mathit{V}}_{\mathrm{f}}^{2}$+d₁

${\mathit{V}}_{\mathrm{f}}^{3}$

(7)η=a₂+b₂V_f+c₂${\mathit{V}}_{\mathrm{f}}^{2}$+d₂

${\mathit{V}}_{\mathrm{f}}^{3}$

式中:E为分级加载下SCECC弹性模量,GPa;η为分级加载下SCECC黏度系数,10³GPa·s;V_f为纤维体积掺量,%;a₁、b₁、c₁、d₁、a₂、b₂、c₂、d₂为拟合系数。

分别将弹性模量拟合式(6)与黏度系数拟合式(7)代入Maxwell本构方程(8)中,得到分级加载条件下不同纤维体积掺量SCECC黏弹性本构方程为

(8)$\stackrel{·}{\mathit{\epsilon }}$=${\stackrel{·}{\mathit{\epsilon }}}_{\mathit{E}}$+${\stackrel{·}{\mathit{\epsilon }}}_{\mathit{\eta }}$=$\frac{\stackrel{·}{\mathit{\sigma }}}{\mathit{E}}$+$\frac{\mathit{\sigma }}{\mathit{\eta }}$

(9)$\stackrel{·}{\mathit{\epsilon }}$=$\frac{\stackrel{·}{\mathit{\sigma }}}{{\mathit{a}}_{1}+{\mathit{b}}_{1}{\mathit{V}}_{\mathrm{f}}+{\mathit{c}}_{1}{\mathit{V}}_{\mathrm{f}}^{2}+{\mathit{d}}_{1}{\mathit{V}}_{\mathrm{f}}^{3}}$+$\frac{\mathit{\sigma }}{{\mathit{a}}_{2}+{\mathit{b}}_{2}{\mathit{V}}_{\mathrm{f}}+{\mathit{c}}_{2}{\mathit{V}}_{\mathrm{f}}^{2}+{\mathit{d}}_{2}{\mathit{V}}_{\mathrm{f}}^{3}}$

各龄期不同纤维体积掺量作用下SCECC基于Maxwell模型的弹性模量与黏度系数拟合结果如表4、表5所示。根据拟合结果,各养护龄期下的可决系数R²均在0.94以上,说明纤维体积掺量对SCECC黏弹性性质的影响尤为明显。此外,拟合的均方根误差(root mean square error, RMSE)均在0.48以下,表明模型的预测结果与真实值之间的偏差相对较小,说明方程具有较好的预测能力。因此,得到的SCECC黏弹性本构方程能够较准确地反映分级加载下不同纤维体积掺量SCECC的力学行为,并为工程设计和分析提供重要依据。

4 结论

(1) SCECC分级加载试验中,试件的抗压强度随着养护龄期和纤维体积掺量的增加而增加。纤维体积掺量达到2.300%时,试件抗压强度达到峰值,其7、14、28 d抗压强度分别为32.12、41.14、43.66 MPa。

(2)试件的峰值应变与压缩韧性随着养护龄期和纤维体积掺量的增加而增加。28 d龄期各组试件应变为0.28%~0.35%,W_pre为4.03~6.31 N/cm²。

(3)基于SCECC分级加载试验,引入Maxwell黏弹性本构模型,考虑纤维掺量的变化,结合试验数据拟合得到弹性模量(E)和黏度系数(η)与纤维掺量的函数关系,进而得到不同纤维掺量下SCECC黏弹性本构模型。当纤维体积掺量为2.300%时,分级加载下SCECC弹性模量可达12.33 GPa,黏度系数可达4.56×10⁴ GPa·s。

(4)使用电镜可观测到SCECC断裂处的微观形貌,发现PVA纤维在基体内部呈三维网络分布,当纤维体积掺量超过一定范围时,基体中一些区域纤维过于密集,会出现团聚现象。纤维在基体中的破坏形式主要分为拉断和拔出两种形式。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

国家重点研发计划青年科学家项目(2023YFB3711800)

国家自然科学基金(52178263)

中国五矿集团有限公司青年科技创新基金(2024BJB04)

中冶集团“181计划”重大研发项目(CBN2022Kt01)

黑龙江省自然科学基金(LH2022E008)

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Received	Published	Revised
2025-06-13	2026-05-28	2025-11-19
Online Date
2026-08-07

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