不同养护环境下SHCC单轴拉伸性能试验研究

36卷第1期 2017年2月

JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)

河南理工大学学报（自然科学版）

Vol. 36 No. 1

Feb.2017

胡春红，李珍珍，汤广田.不同养护环境下SHCC单轴拉伸性能试验研究[J].河南理工大学学报（自然科学版），2017,36

(1) ： 129-135. doi：10. 16186/j. cnki. 1673-9787. 2017.01.022

HU C H，LI Z Z,TANG G T. Experimental research on uniaxial tensile properties of SHCC under different curing environment [J ] . Journal of Henan Polytechnic University( Natural Science) ,2017,36(1) ： 129-135. doi ： 10. 16186/j. cnki. 1673 -9787. 2017. 01.022

不同养护环境下SHCC单轴拉伸性能试验研究

胡春红1，李珍珍1，汤

广田

2

(1.河南理工大学土木工程学院/河南焦作454000;2.华升建设集团/浙江宁波315016)

hardening cementitious composite，

SHCC)拉伸性能的影响，采用单轴拉伸试验对标准、室内和室外等3种环境下的SHCC进行了 试验研究，获得了不同情况下的应力-应变曲线及相关参数。试验结果表明，在养护充分的情 况下，不同环境条件下的S H C C材料均可表现出显著的应变硬化特征，极限拉应变能够达到 3%以上，且具有良好的裂缝控制能力，极限应变下对应的平均裂缝宽度可以控制在125 |xm以 内；与标准环境相比，室内环境下SHCC材料的强度有所降低，硬化现象不够显著，但其初性没 有降低，裂缝宽度能够控制在6 0 |x m以内；室外环境虽然较为复杂，但早期的充分养护能够使 其保持性能稳定，抗拉强度和初性没有出现明显下降，裂缝宽度可控制在80 |xm以内。采用 引入名义初裂强度和名义初裂应变的双线性简化模型能够较好地描述不同环境下SHCC单轴 拉伸应力-应变关系。研究成果表明，合适的养护环境下SHCC拉伸性能相对稳定，能够满足

工程应用的要求。关

键

词

：SHCC;应变硬化；应力-应变曲线；裂缝；简化模型

文献标志码

摘要：为研冗养护环境对应变硬化水泥基复合材料（strain

中图分类号：TU528.58 ：A 文章编号：1673-9787(2017)01-0129-07

Experimental research on uniaxial tensile properties of SHCC under

different curing environment

HU Chunhong1，LI Zhenzhen1，TANG Guangtian2

(1. School of Civil Engineering, Henan Polytechnic University ,Jiaozuo 454000 , Henan, China 2. Huasheng Construction Group ,Ningbo 315016 Zhe­jiang ,China)

；

Abstract：In order to study the influence of curing environment on the tensile properties of strain hardening ce­mentitious composite, the uniaxial tensile test of SHCC under three kinds of curing environment, standard, in­door and outdoor, was carried out. The stress-strain curves and related parameters of materials under different conditions were obtained. Results showed that in the case of full maintenance all SHCC materials under differ­ent environmental conditions showed significant strain hardening characteristics with ultimate tensile strain reaching above 3% and had a excellent crack control capability that the average crack width corresponding to ultimate strain was well below 125 jxm. Compared with the standard environment, the strength of SHCC under the indoor environment decreased, the hardening phenomenon was not obvious, but its toughness didn’tde-收稿日期

：2016-0S-27

（51208183 );河

南理工大学博士基金资助项目

基金项目：国家自然科学基金青年项目

（B2014-063)

作者简介：胡春红（1976 —），女，河南项城人，博士，副教授，主要从事结构加固与修复方面的教学和研究工作。

E-mail：317006389@ qq. com

130河南理工大学学报（自然科学版)

2017年第36卷

crease, crack width was below 60 jxm. Although the outdoor environment was more complex, early fully curing

enabled keeping SHCC stable performance that tensile strength and ductility had not decreased significantly and crack width was below 80 jxm. Bilinear model introducing nominal initial crack strength and initial strain could well describe uniaxial tensile stress-strain relationship of SHCC under different environment. Research results show that the tensile properties of SHCC are relatively stable under suitable curing conditions, which can meet the requirements of engineering application.

Key words： strain hardening cementitious composite ( SHCC ) ; strain hardening； stress-strain curve; cracks; simplified model

〇引言

众所周知，混凝土等脆性材料自身抗拉强度

低、易开裂，裂缝的产生为外界有害介质侵人材料 内部提供通道，从而引发一系列耐久性问题。自 20世纪70年代以来，材料界与工程界开始重视 纤维增强水泥基复合材料[1]，纤维的增韧和阻裂 作用有效地改善了水泥基材料抗拉强度低、变形 能力差等缺点，但是传统的纤维增强水泥基复合 材料（碳纤维[2]、聚丙烯纤维[3]、钢纤维[4]等）在 直接拉伸极限时仍会出现应变软化现象，虽然不 会像混凝土材料发生突然断裂，但是仍不能对裂 缝扩展和宽度进行有效控制。

SHCC是一种新型纤维增强水泥基复合材

料，因具有典型的拉伸应变硬化和多微缝开裂特 性而成为近年来的研究热点，其单轴极限拉应变 可达3% ~7%[5]，裂缝宽度能够控制在60 |xm左 右[6]，显著地改变了传统水泥基材料的脆性特 性，克服了材料脆性导致的诸多缺陷[7]，自1992 年1/8]提出后，该材料在美国、日本、欧洲国家等 获得飞快发展与应用[9]。

目前，国内对SHCC材料的拉伸性能研究大 部分是在标准养护条件下进行的，如徐世烺，李贺 东等[1°_11]将SHCC试件拆模后放人标准养护室 (温度（20 ±2) °C、相对湿度大于90% )养护28

d，然后置于室内养护至试验龄期；胡春红等[7’12]

将拆模后的SHCC试件放在温度为（20 ±2)°C、 相对湿度为95%的恒温恒湿养护箱中养护至试 验龄期；李艳等[13]在SHCC自然成型24 h后拆 模，标准养护至试验龄期。SHCC在恒温恒湿环 境条件下能够显示出优异的拉伸性能，然而，李俊 等[14]对试件进行自然养护（试件放人保鲜盒密封 后置于温度为20 °C左右的恒温环境中养护）和 蒸汽养护（试件按JC/T738—2004规定进行养 护，之后养护方式同自然养护）后发现，自然养护 有利于维持SHCC的高极限拉应变，蒸汽养护虽

然能提高SHCC早期的极限抗拉强度，但使材料

的极限拉伸应变随龄期增加而明显降低，可见不 同养护方式对SHCC拉伸性能有一定影响。实际 工程中材料性能经常受到环境条件的影响，因此， 有必要对不同养护环境下SHCC的拉伸性能进行 研究。

本文通过单轴拉伸试验对标准、室内、室外等 3种养护环境下的SHCC进行了单轴拉伸性能研 究，获得了 SHCC在不同养护环境下的单轴拉伸 应力-应变关系曲线以及相关参数，采用双线性简 化模型对单轴拉伸应力-应变曲线进行拟合，试验 结果可供相似环境条件下的理论研究及工程应用 参考。

1

试验研究

1.1试验材料与配合比

SHCC材料（试件编号时简写为S)采用P.

042. 5普通硅酸盐水泥；I级粉煤灰；普通细河砂， 最大粒径为0. 6 mm;聚羧酸型高效减水剂；日本

Kummy公司生产的K-IIREC15型PVA纤维，性

能参数如表1所示；普通自来水。SHCC配合比 如表2所东。

表1

PVA

纤维性能参数

Tab. 1

The performance paraoneters of PVA fiber

直径/长度/

密度/ 弹性模抗拉强极限延(xm

mm

( g • cni _3 )

量/GPa度/MPa伸率/%

39

12

1.21

42. 8

1 620

7

表2.

SHCC

的配合比

Tab. 2

Mix proportion of SHCC

水泥密粉煤灰砂密度/水密度/

PVA纤维

度，(kg •密度/

(kg -

(kg -

减水密 密度/

m-3)

(kg • m_3)m_3)

m_3)

度剂/%(kg • m-3)

555

680

490

420

2.25

26

第1期

胡春红，等：不同养护环境下SHCC单轴拉伸性能试验研究

131

1.2试验设计

SHCC试件尺寸如图1所示，试件厚13 mm，

采用哑铃型钢质模具。试验过程中，测量试件中 间长度为80 mm等截面区域的变形。

图

1哑铃型试件尺寸

Fig.l The dumbbell specimen size

试验选择标准（B)、室内（N)和室外（W)等3 种养护环境6标准环境：浇筑后的试件放在室内 养护，拆模后放人温度为（20 ± 2) °C，相对湿度为 95%的标准养护箱内养护d室内环境反映了本地 一般环境:试件拆模前后均放在该环境中养护，温 度为（25±3)°C，相对湿度为（60±5)%〇室外环 境结合工程实际，反映了材料的实际应用条件，根 据试验安排，选用本地夏、秋季环境进行研究：试 件拆模前后均放在该环境中养护，并根据GB 50204—2011《混凝土结构工程施X质量验收规 范》要求，对室外试件进行浇水养护，浇水次数应 能保持材料处于湿润状态，浇水龄期为7 d;该环 境下的温（湿）度、风速根据实测值确定，不同时 段平均温度为25. 42〜31. 20 °C，最高温度40.2 °C，最低温度19.1 °C，不同时段平均相对湿 度为49. 97%〜77.64%，最大相对湿度100% (雨 天），最小相对湿度19%，不同时段平均风速为0. 27 〜0.71 m/s，最大风速 2.3 m/s。

每种环境3个试件，共3组试件a试件养护 龄期为28 d，养护龄期从拆模后算起。1.3试件制作

试验采用UJZ-15砂浆搅拌机低速搅拌、

R6201A型手持式电动搅拌机高速搅拌、HCZT-1

型混凝土程控磁盘振实台振实的方法进行试件制 作。

搅拌过程中先保持低速搅拌，混合材全部加 人后高速搅拌，以确保纤维分散均勻，不出现结团 现象。搅拌好的SHCC用铲子挑起后，可观察到 其依靠自重下降，相互之间有黏连，说明SHCC具 有较好的流动性和黏聚性，如图2所示D浇筑完

成后将试件表面抹平，并立即用塑料薄膜覆盖，以 防止水分蒸发。24 h后编号、拆模，然后放人3种 环境进行养护至试验龄期，

图2 新拌SHCC

Fig.2 Fresh SHCC

1.4试验过程

试验过程使用WAW600/1000型万能试验机 加载，加载方式采用位移控制法，控制速率为 0. 002 mm/s;通过两个LVDT测量变形，并结合动态数据采集系统记录数据_图3为单轴拉伸试验 示意图6

图3

拉伸试验示意图

Fig.3 The diagram of tensile test

2

试验结果

2.1单轴拉伸应力-应变曲线

标准、室内、室外养护环境下SHCC试件28 d 的单轴拉伸应力-应变曲线如图4所示。

从图4可以看出，3种养护环境下SHCC ±句 表现出明显的应变硬化现象，极限拉应变可达到 甚至超过3%。2.2多微缝开裂模式

不同养护环境下SHCC在直接拉伸荷载作用 下的典型开裂模式如图5所示Q

由图5可看出，3种养护环境下SHCC均表 现出显著多微缝开裂特征，裂缝大体能够均勻地 布满整个监测区。与标准养护SHCC相比，室内 和室外养护环境下，SHCC裂缝条数明显增多，相 应的间距减小，特别是室内养护SHCC;每条新裂 缝的出现反映在应力-应变曲线上通常都会有应 力的瞬间抖动，新裂缝越宽，对应得抖动越明显， 结合图4，在整个硬化过程中，室内和室外养护

132河南理工大学学报（自然科学版）2017年第36卷

(a)标准养护

图4

處变/%

（室内养护

b)

应变/%

SHCC单轴拉伸戍力-成变曲线

Fig.4 Stress versus strain curves of SHCC uniaxial tension

(b)室外莽护

5 SHCC多微缝开裂模式

Fig. 5 Multiple micro-cracking patterns of SHCC

图

SHCC曲线抖动幅度比标准养护SHCC的相对较

行评定，平均极限裂缝间距/nlu =变形监测区长度 (80 mm)/试验结束后试件上贯穿整个横截面的 裂缝条数;平均极限裂缝宽度wmu =极限拉应变

X变形监测区长度（80 mm)/试验结束后试件上

小，这表明室内和室外环境下SHCC裂缝宽度可 能没有增加，甚至有所减少《2.3单轴拉伸性能参数

结合应力-应变关系曲线和试验数据，可以获 得SHCC材料单轴拉伸性能参数，如表3所示。表3各参数含义分别为初裂强度/t、初裂应变 拉伸弹性模量心极限抗拉强度九、极限拉应变

stu、平均极限裂缝间距/mu和平均极限裂缝宽度

贯穿整个横截面的裂缝条数，此式中忽略了未开 裂区域的弹性伸长，计算得到的平均极限裂缝宽 度要略大于实际裂缝宽度。

3

试验结果对比分析

根据试验结果，将表3中SHCC每组参数与

其中试验选用平均极限裂缝间距/mu和平均 极限裂缝宽度wmu两个指标[1|]对拉伸试件裂缝进

工程常用C35普通混凝土的相关参数进行对比

编号

SB28d-lSB28d-2SB28 d-3

_ 3 SHCC单轴拉伸性能参数

Tab. 3 Performance parameters of SHCC uniaxial tensile

Zniu/mm//MPaff/%/n/MPaE/GPa

3.0483.5343.0393.2073.0182.7213. 1102.9504.0374.2764.0644. 126

0.02190.02260.02180.02210.02320.02450.02350.02370.02370.02100.02270.0225

13.90315.66513.92514.51013.00911•09713.22312.42117.00520.32317.90318.342

5.0844.3834.9484.8053.8743.5344.0643.8245.7505.5145.5495.604

3.9073.0504.5343.8304.7644. 1184. 1124.3314.7644.2254.4634.484

3.2003.6362.2862.9271.2121. I

ll

wmu/pm

1251111041125846414861727368

平均值

SK28d-lSN28 a-2SN28d-3

1.0001. 1011.2901.7021.6331.519

平均值

SW28d-lSW28d-2SW28a-3

平均值

第1期

胡春红，等：不同养护环境下SHCC单轴拉伸性能试验研究

133

分析，C35普通混凝土的抗拉强度为2.20 MPa, 极限拉应变为〇. 01%，弹性模量约为31.5 GPa;

同时对3种养护环境下SHCC的相关参数进行对 比^3对比结果如图6〜9所示。

6 5

乂/tu

[

:u

—

M

4

S/ -R3

茵

2 1 0

30252015105 0

SBSNSWConrete

.024.0

.01.08(1

20 6

i

图7

11

n

图

SB

Conrete

图6

强度平均值对比

戍变平均值对比

Fig.6 Comparison of

average strength

3.0 | 2.5 | 2-0

碰Fig.7Comparison of average

strain,mu

8弹性模量平均值对比 Fig. 8Comparison of average

elastic modulus

SHCC，其平均值分别为标准养护SHCC的1. 13

和1.17倍。说明在早期养护充分的情况下，环境 条件对SHCC初裂应变影响不大，而且材料的整 体变形能力不会低于标准环境。3.3 弹性模量对比

图8中SHCC的拉伸弹性模量E明显低于

I 1.5

1.0

■ 〇.16

^ 0.12

S0.08

0.04

0

SBSNSW

C35普通混凝土弹性模量，为混凝土的35%〜

SHCC裂缝参数对比

Fig.9 Comparison of crack parameters

3.1强度对比

图6中，3种环境下SHCC的/t与/tu均比C35 普通混凝土抗拉强度高，SHCC的/t是混凝土抗 拉强度的1.24〜1.94倍；SHCC的/tu是混凝土抗 拉强度的1.61〜2.61倍。

3种环境下SHCC的/tu是初裂强度/t的1.24 〜1.67倍，说明不同养护环境下SHCC均具有明 显的应变硬化特性。室内养护SHCC的/t和/tu的 平均值分别是标准养护SHCC的92%和80%，室 夕卜养护SHCC的/t和/tu的平均值分别是标准养护

SHCC的1.29和1. 17倍。与标准养护SHCC相

图9

65% 0

室内养护SHCC的£在3种养护环境中最 小，其平均值约是标准养护SHCC的£平均值的 86%，约是室外养护SHCC的£平均值的68% ; 室外养护SHCC的E平均值高于标准养护

SHCC，约是标准养护SHCC £平均值的1.26倍。

3.4 裂缝对比

图9为SHCC裂缝参数对比图，与标准养护

SHCC相比，室内和室外养护SHCC裂缝间距较

密、裂缝宽度较小（特别是室内试件），在这2种 环境下养护的SHCC能够较好地控制裂缝宽度。 值得注意的是，与室内养护SHCC相比，室外养护

SHCC的极限应变较大，同时裂缝间距和裂缝宽

比，室内环境下SHCC的强度有所降低，硬化现象 不够明显，室外养护SHCC的强度有所提高。3.2 应变对比

图7中SHCC与C35普通混凝土应变对比显 示，前者的&和均大于后者的极限拉应变6 SHCC的 '是混凝土极限拉应变的2. 10〜2. 45 倍，SHCC的‘超过3%，是混凝土极限拉应变的 305 〜476 倍。

SHCC的&在3种养护环境下相差不大，3

度也相对较大，可见裂缝间距大的SHCC极限应 变并不一定小，极限应变还与裂缝宽度有关，这表 明极限应变是极限裂缝间距和极限裂缝宽度共同 作用的结果。

Wang等[16]研究表明，宽度小于100 pm的裂

缝对混凝土的渗透性影响很小；同时文献[15 ]指 出宽度小于50 pm的裂缝对结构的正常使用功 能及耐久性都是无害的，故假定宽度小于50 pm 裂缝结构是无裂缝结构。与标准养护SHCC相 比，室内和室外养护SHCC能将裂缝控制在 80 pm以内，这对材料抵抗水和侵蚀物质侵人从

者相座的平均值在0.0221 %〜0.0237%;室内和 室外养护环境下SHCC的‘均高于标准养护

134河南理工大学学报（自然科学版)

2017年第36卷

而提高材料耐久性十分有利，特别是室内环境中 的SHCC，甚至能将裂缝控制在50 ixm以内，故工 程应用SHCC时，可采用与室内环境相似的温 (湿）度进行养护。

与混凝土相比，SHCC材料组成成分中没有 粗骨料且添加了纤维。SHCC开裂前，由于水泥 基体与纤维的复合作用，推迟了裂缝的出现，从而 使试件初裂强度有所提高；开裂后，试件在纤维的 桥联作用下能够稳定开裂，表现出明显的应变硬 化特性和优异的裂缝控制能力，极限抗拉强度也 得到提高，同时裂缝宽度得到控制；纤维的加人增 加了材料的韧性，这可能是SHCC弹性模量较低 的原因。

养护环境将影响SHCC内部水泥水化作用， 从而影响其拉伸性能。与标准环境相比，室内环 境湿度较低，从而延缓水泥水化进程，使得室内养 护的SHCC试件拉伸强度下降，硬化现象不够明 显，但其韧性没有降低，裂缝宽度得到有效控制； 室外养护环境虽然较为复杂，但因早期浇水养护， 使SHCC水化更充分，其强度和韧性并没有降低， 甚至有所提高，裂缝宽度得到有效控制，在室外这 种不利条件下养护的SHCC仍能保持良好的拉伸 性能，这对工程应用SHCC是有利的。3.5单轴拉伸应力-应变曲线简化模型

对于具有应变硬化特性的水泥基复合材料， 目前常用“双线性模型”和“三线性模型”对其拉 伸应力-应变曲线进行简化[11 ]。根据试验结果，

SHCC单轴拉伸应力-应变曲线较符合双线性模

型，并引人名义初裂强度人和名义初裂应变

SHCC单轴拉伸应力-应变曲线本构关系可表达为

E ' e (e « ent)

/„, + Etu ■ (e - ent) (ent < £ ^ etu)式中:/„t为名义初裂强度，MPa;^t为名义初裂应 变;£为初始弹性模量，GPa，£=//&; £tu为应变 硬化弹性模量，GPa，£tu =(人-/,)/(、-&)。

不同养护环境下，SHCC轴拉应力-应变拟合 曲线如图10所示。/„t即为线弹性段应力-应变曲 线所在直线（^ = £• 4和应变硬化段线性拟合直 线交点对应的应力值，相应应变为“，SHCC简化 模型参数如表4所示。

通过拟合结果可看出，各试件线性拟合相关 系数K超过〇.75(N28d-l除外），可见拟合效果显著。

表

4 SHCC单轴应力-应变曲线简化模型参数

Tab. 4 Simplified model parameters of uniaxial tensile

stress-strain curve of SHCC

编号/nt/MPaE/GPa£tu/GPa相关系数ESB28d-l3.4630.024913.9030.0400.959SB2S d-23.3030.021115.6650.0310.860SB28d-33.6230.026013.9250.0300.909平均值3.4630.023914.5100.0330.910SN28d-l3.4010.026113.0090.0070.582SN28d-23.0820.027811.0970.0120.755SN28d-33.3200.025113.2230.0150.941平均值3.2680.026312.4210.0110.773SW28d-l4.4340.026117.0050.0320.902SW28d-24.6880.023120.3230.0240.841SW28d-34.7210.026417.9030.0220.784平均值

4.614

0.0251

18.342

0.026

0.844

4

结论

(1)

SHCC在标准、室内和室外养护环境下均

表现出显著的拉伸应变硬化和多微缝开裂模式， 极限拉应变可稳定达到3%以上，裂缝宽度控制 在125 |xm以内。

(2)

与标准养护环境相比，室内养护环缓了 SHCC水化进程，从而使其强度有所降低，硬 化现象不够显著，但其韧性没有降低；室外养护环 境虽然较为复杂，但早期的充分养护能够使

SHCC保持性能稳定，其抗拉强度和韧性没有出

现明显下降。与标准养护SHCC相比，室内和室 外养护SHCC的裂缝增多，相应的间距减小，裂缝 宽度能够控制在80 ixm以内，甚至控制在50 ixm 以内（室内试件）。

(3)

不同养护环境下，SHCC单轴拉伸应变曲线硬化阶段线性拟合效果较好，并获得了 应变硬化阶段的弹性模量；采用引人名义初裂强 度和名义初裂应变的双线性简化模型能够较好地 描述不同环境下SHCC单轴拉伸应力-应变关系。参考文献：

[1]沈荣熹，崔琪，李清海.新型纤维增强水泥基复合

材料[M

].北京：中国建材工业出版社，2004:1-

10.

SHEN R X , CUI Q , LI Q H . New type fibre rein­forced cement-based composites [ M ] . Beijing ： China Building Materials Industry Press, 2004： 1-10.

境减

应力-

第1期

胡春红，等：不同养护环境下SHCC单轴拉伸性能试验研究

135

t

SB28d-2

Equationy =a+bx

0.739 73Adj.R-SquareD

D

StandardValue

Error

Intercept3.296 830.001 51Slope30.820 740.092 42

0.5 1.0 1.5 2.0 2.53.0 3

应变/%

(b) SB98H-2

4.45 o3.3. 2.52

o1 51 o0.

5 o 5

i

4.0

3.53.2. 2.01

51 0.0

5 0 5

一

SN28 d-2—SN28d-3

12 3 4

2

应变/%

(f) SN28d-3

SW28d-3

3

应变/%

(e) SN28d-2

6

5

-SW28d-2

03§/-Rti

5 4 3 21 o

Equationy=a+bx

0.813 59Adj.R-SquareB

B

StandardError

Intercept4.425 560.001 77Slope32,413 650.085 68

Value

4 3 2 1 0

Equationy =a+bxAdj.R-Square0.707 52DD

1

2

StandardValue

Error

Intercept4.682 990.002 23Slope23.837 680.101 24

3

4

叻麵-R街

y =a+bx

Adj.R-Square0.614 71DD

StandardValue

Error

Intercept4.715 120.002 01Slope21.854 340.098 93

12 3 4

5

2

应变/%

3

-3

J、V:变/%

(g) SW28d-l

应变/〇/〇

(h) SW28d-2

SHCC单轴拉伸应力-应变曲线简化模型

Fig. 10 Siraplified model of uniaxial tensile stress-strain curve of SHCC

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