高延性水泥基材料(ECC)是在细观力学和断裂力学基础上设计出的新型土木工程材料，在拉伸荷载下的极限应变可达3%以上，且单条裂缝宽度可维持在100 μm以内，克服了普通混凝土的脆性及开裂后的应变软化属性[1-2]．目前，ECC已被成功应用到钢箱梁桥面铺装、高层建筑连梁及高速公路面板伸缩缝等众多工程实践[3-5]．实现ECC超高性能的关键在于纤维、基材和纤维/基材界面的匹配设计．其中，良好的纤维分布和取向是达成ECC材料设计理念的重要前提．当纤维由一维均匀排列变为三维随机分布时，纤维的桥接效率甚至会下降50%，此时大量纤维处于无效状态，且容易结团，增加材料内部缺陷，劣化材料性能[6-7]．Li等[8]研究发现较低的纤维分散性会增加材料抗拉应变能力和极限抗拉强度的变异程度；若纤维分散性差，则甚至会使ECC由应变硬化材料直接退化为应变软化材料，以致完全失去优势．Ding等[9]研究指出，随着纤维倾角增大，ECC极限抗弯强度、跨中挠度、极限抗拉强度和延性均呈显著下降趋势．原因在于较大的纤维倾角会增大PVA纤维断裂的风险，限制纤维桥接能力．随着研究的深入及工程应用推广，单一纤维ECC在复杂服役环境中的适用性渐显不足，而采用两种甚至多种纤维混掺来制备ECC已逐渐展现优势．但纤维混杂在实现ECC超高性能的同时往往会在一定程度上增加纤维总掺量，较高的掺量意味着纤维数量变多、间距变小，其在水泥浆体中结团的概率也相应增加．若不能实现纤维的均匀分散，则混杂纤维对ECC带来的实际性能提升并不明显[10]．目前关于混杂纤维ECC的研究主要集中在材料设计、力学性能改善等方面，涉及纤维分布的研究仍比较有限，不同纤维混杂时的相互作用及其对自身在基体中的分布是否有影响尚不明确．基于此，本研究在高强PVA-ECC体系中添加不同掺量微细钢纤维，制备混杂钢-PVA纤维ECC．通过图像分析法研究不同纤维掺量下PVA纤维和钢纤维在基体中的分布和取向特征，同时开展三点抗弯和立方体抗压试验，分析钢纤维掺量对材料抗弯和抗压力学性能的影响，为进一步优化混杂纤维ECC力学性能提供依据．1 试验方案1.1　原材料与配合比试验用原材料为：唐山北极熊建材有限公司生产的42.5级硫铝酸盐水泥；秦皇岛石英砂厂生产的精制石英砂，粒径75~150 μm；纤维分别为Kuraray公司生产的PVA纤维和鞍山昌宏公司生产的微细钢纤维，相关性能参数列于表1；减水剂为江苏苏博特新材料公司生产的高效聚羧酸减水剂；缓凝剂为一水柠檬酸；水为自来水．10.13245/j.hust.239134.T001表1PVA纤维与钢纤维的相关性能参数纤维密度/(g∙cm-3)抗拉强度/MPa弹性模量/GPa直径/mm长度/mmPVA1.30162042.80.03912钢7.82750210.00.10010水泥、水、砂、减水剂、缓凝剂的基材配合比为1.00∶0.25∶0.2∶0.015∶0.005．试验包括单掺纤维和混杂纤维两种体系：单掺纤维体系中PVA纤维掺量为1.7%，记为M-PVA；混杂体系中的PVA体积掺量固定为1.7%，钢纤维掺量为0.3%，0.6%和1.0%，记为M-Hy1，M-Hy2和M-Hy3．1.2　试验方法新拌ECC浆体的材料混合顺序为：先将胶凝材料、石英砂投入搅拌机干拌1~2 min，物料充分混合后缓慢加入水及外加剂继续搅拌约2 min，搅拌期间加入减水剂调整拌和物流动状态，待浆体流动均匀后分别加入PVA纤维和钢纤维继续搅拌．搅拌完成后浇筑入模，在振动台上振捣1 min后抹面，并覆盖聚乙烯薄膜防止水分散失．在室温条件下放置1 d后拆模，随后将试件移至标准养护室进行养护，分别测试7 d和28 d龄期的ECC力学性能．其中抗压试件为70.7 mm×70.7 mm×70.7mm的立方体，每组成型3个试件；抗弯试件为400 mm×100 mm×100 mm的棱柱体，每组成型3个试件．抗压试验在微机控制电液伺服试验机上进行，采用位移控制模式加载，速率为0.5 mm/min．三点抗弯试验在MTS电子试验机上进行，跨距为350 mm，加载速率为0.1 mm/min．三点抗弯试验结束后，在电子显微镜下观察破坏试件裂缝处纤维的桥接情况，随后采用图像分析法对纤维在基体中的分布情况进行测定和评价．试件取样位置、尺寸及图像采集流程如图1所示．在试件最大裂缝附近切割2 mm厚、边长100 mm×100 mm的薄片，依次使用80，400，1 000目的砂纸进行打磨，直至试件表面光滑．每个试件截取一个薄片试样．随后利用电子显微镜和CCD(电荷耦合器件)相机获取薄片中心区域(80 mm×80 mm)的原始图像．纤维在截面上的形状一般呈圆形、椭圆形和条状．对于横截面为圆形的纤维可直接提取纤维的位置信息，计算相关参数．而对于横截面为非规则圆形的纤维，计算纤维倾角时须采用Image-J软件对所获图像进行增强、去噪、分割和形态学重建等处理来获取纤维的截面轮廓，并将纤维轮廓等效成椭圆，拟合得到等效椭圆的长轴与短轴．在此基础上计算等效倾角和纤维取向概率密度函数．10.13245/j.hust.239134.F001图1试件取样位置、尺寸及图像采集流程纤维分散系数α是利用每个单元上的纤维数目与平均纤维数目之间的偏差来表征纤维的分散程度，计算公式[11]为α=exp∑xi/xa-12n，(1)式中：n为试样横截面所划分的单元数目(取n=8×8)；xi为第i个单元上的纤维数目；xa为所有单元上纤维数目的平均值．α∈[0，1]，越接近1，纤维分散越均匀．纤维倾角θ是将纤维在断裂面上的截面形状进行拟合后得到的等效倾角，计算公式[9]为θ=arccos(df/l)，(2)式中：df为纤维直径；l为纤维的椭圆图像上主轴长度．纤维取向概率密度函数p(θ)的计算公式［12］为p(θ)=sin2r-1θcos2q-1θ∫θminθmaxsin2r-1θcos2q-1θ dθ，(3)式中：θmin和θmax为纤维的理论最小和最大倾角，分别为0和π/2；r和q为通过实验确定的形状参数，代表随机纤维取向与参考方向之间倾角的变化情况．由于纤维的体积掺量较大，基体内部含有大量的纤维，因此从统计学的角度来看，采用式(2)和(3)能够有效表征纤维在基体中的取向情况．2 试验结果与分析2.1　纤维分布规律图2为不同纤维掺量ECC横截面纤维分布图像．为使图像表达清晰，各组仅选取靠近试件横截面底端的部分图像(红色代表钢纤维，绿色代表PVA纤维)，截面为80 mm×20 mm．可以看到：单掺PVA纤维ECC中的纤维存在一定的结团现象，且靠近模板壁的纤维明显多于试件中部．而混杂体系中随着钢纤维掺量增加，PVA纤维在基体中的分布变得更加均匀，团聚现象明显减少．钢纤维掺量较小时(M-Hy1和M-Hy2)，钢纤维在基体中的间距较大，几乎不存在搭接、团聚现象，但截面某些区域内分布的钢纤维数量偏少．当钢纤维掺量增加时(M-Hy3)，横截面单位面积内钢纤维数量随之增加，钢纤维也开始出现聚集结团．10.13245/j.hust.239134.F002图2不同纤维掺量ECC横截面纤维分布图像在图2的基础上，采用式(1)和(2)计算不同纤维掺量下PVA纤维和钢纤维的分散系数及倾角．单掺纤维体系中PVA纤维的平均分散系数为0.49，混杂体系中钢纤维掺量0.3%，0.6%和1%时PVA纤维的分散系数分别为0.63，0.61和0.72，较单掺体系(0.71，0.74和0.79)分别提高了28.6%，24.5%和46.9%．PVA纤维分散系数的提高一方面可能与钢纤维刚度大、弹性模量高有关，在搅拌过程中钢纤维能够破坏胶凝材料的絮状结构，改善浆体本身的流动性[13]．另一方面，刚度较大的钢纤维在搅拌过程中能够对团聚的PVA纤维起到拨开作用，这在一定程度上也促进了PVA纤维的分散．此外，钢纤维在基体中的分散系数均高于PVA纤维．这可能是因为钢纤维刚度大、不易打结且掺量相对较低，易于分散；同时，PVA纤维的存在对钢纤维沉降能起到一定的阻碍作用．可见，钢纤维和PVA纤维混杂有利于提高纤维的分散性，实现正协同效应，即二者混杂能够产生“1+1＞2”的效果．不同纤维掺量下ECC横截面上纤维倾角的概率密度函数(p(θ))及频率(f )分布如图3所示．图3同时给出了理想情况下纤维三维均匀随机分布时倾角的概率密度函数，即p3D(θ)=sinθ．可以看出：纤维在基体中的真实分布情况与理想的三维(3D)均分随机分布有较大差异，这与基体材料特征、成型工艺及纤维本体特征等因素的影响有关[9]．不同纤维掺量ECC中的PVA纤维角度分布较为集中，而钢纤维角度分布范围相对较大．一般认为，当纤维取向与裂缝面主拉应力方向一致，即二者夹角为0°时，纤维对材料性能的提升最为显著．夹角超过45°，纤维增强增韧的效果会下降；夹角为90°时，纤维对复合材料力学性能的贡献几近为零[14-15]．结合纤维倾角累积频率分布可知：各组ECC中有78.8%~87.9%的PVA纤维倾角为0°~40°，说明大部分PVA纤维在试件承受荷载的过程中能够发挥积极的作用，这与Ding等[9]和Tosun-Felekoğlu等[11]的试验结果接近．相比之下，钢纤维掺量为0.3%，0.6%和1.0%时，钢纤维倾角在40°之上的占比较大，分别达到了71.5%，59.5%和49.2%．较大的倾角意味着纤维在受力过程中承担和传递应力的能力会被削弱，此时钢纤维对材料力学性能的贡献将受到限制．10.13245/j.hust.239134.F003图3不同纤维掺量ECC横截面上纤维倾角的概率密度函数及频率分布对比各组ECC中PVA纤维的倾角分布情况，单掺体系中PVA纤维倾角在0°~40°区间内的占比为78.8%．加入钢纤维后，混杂体系中PVA纤维倾角在该区间的占比较单掺体系均有所提高，分别为87.3%，86.4%和87.9%．钢纤维的加入能够使PVA纤维倾向于向小角度集中．根据Song等[16]的研究，沿模具一侧浇筑试块时，纤维在基体内部的取向会受到流动浆体的影响和调整，使得大部分纤维的取向趋向于与浆体流动方向一致．而钢纤维的加入可在一定程度上“牵引”PVA纤维向着沿浇筑方向排列，纤维倾角也随之变小．类似地，随着钢纤维掺量增加，钢纤维倾角在0°~40°区间内的占比也在逐渐增加，分别为29.5%，40.5%和51.8%．钢纤维倾角的变化可能与自身掺量的增加及PVA纤维对钢纤维翻转产生的影响有关．钢纤维掺量较小时，钢纤维发生移动和旋转的自由度较大；当钢纤维掺量增加时，钢纤维/钢纤维、钢纤维/PVA纤维之间的相互作用使得钢纤维的移动和翻转变得更加困难．可见：钢纤维和PVA纤维混杂能够使纤维倾角朝小角度分布，有利于提高纤维的桥接能力，并改善材料力学性能．2.2　抗弯力学性能各组ECC的7 d和28 d弯曲荷载(F)-挠度(r)曲线如图4所示．不同钢纤维掺量ECC在受力过程中的荷载-挠度曲线主要可分为线弹性、应变硬化和应变软化三个阶段．在线弹性阶段，荷载随跨中挠度增大而线性增加，在线性段末端首次开裂．随后试件进入应变硬化阶段，跨越裂纹的桥接纤维将承受外加荷载，阻止裂纹扩张，同时将外力通过纤维/基体界面转回到周围基体，并引发新的裂纹．宏观表现为初裂后弯曲荷载随挠度持续增大，试件表面形成细密裂纹．峰值荷载过后开始进入应变软化阶段，荷载随着挠度增加逐渐降低，最终沿主裂纹破坏．此外注意到，随着钢纤维掺量增加，荷载-挠度曲线的下降段更加平缓，这主要与钢纤维协同PVA纤维桥接裂纹有关[17]．峰值荷载过后，随着主裂纹宽度增大，单掺纤维ECC中的大量PVA纤维在被拔断或拔出后退出工作，裂纹扩展速度加快，试件能够承受的荷载急剧下降．而混杂纤维体系中的钢纤维抗拉强度和弹性模量较高，在PVA纤维失去对裂纹的控制能力后，钢纤维仍能发挥桥接作用．10.13245/j.hust.239134.F004图4各组ECC 7d和28 d的弯曲荷载-挠度曲线M-PVA，M-Hy1，M-Hy2，M-Hy3的7 d峰值荷载分别为17.1，19.5，20.6，21.9 kN，28 d峰值荷载19.7，20.1，20.9，23.3 kN；7 d极限挠度分别为1.33，1.55，1.98，1.74 mm，28 d极限挠度为1.27，1.54，1.68，1.70 mm．不同钢纤维掺量下混杂纤维ECC的7 d和28 d峰值荷载及延性(用极限挠度表示)均高于单掺PVA纤维．其中，钢纤维掺量为1%时材料的峰值荷载较单掺纤维ECC提升最大，7 d和28 d分别提高了14.1%和18.3%；钢纤维掺量为0.6%时材料的延性最高，7 d和28 d较单掺体系分别提高了48.9%和32.3%．加入钢纤维后，混杂纤维ECC的抗弯拉强度将随纤维总掺量的增加而增长．另外，根据上文分析，随着钢纤维掺量增加，PVA纤维和钢纤维的分散系数均有所提升，并且PVA纤维和钢纤维的倾角均倾向于朝小角度分布，这会在一定程度上提高纤维的桥接能力及材料整体强度和变形能力，使混杂纤维ECC表现出更优异的力学性能．图5为破坏后单掺PVA纤维和混杂纤维ECC典型的跨中底部主裂纹与纤维形态．由图5(a)和(b)可以看出：不同纤维掺量下ECC均表现出多点开裂，且混杂纤维体系的裂纹数量较单掺PVA纤维有所增加，裂纹分布更为细密．图5(c)为电子显微镜拍摄的混杂纤维主裂缝横截面上的纤维形态．ECC中纤维受力后的失效形式主要为断裂或拔出，其中PVA纤维以断裂为主，断裂后的PVA纤维端部有明显的刮削和断裂痕迹．而钢纤维强度高、刚度大，且在与PVA纤维混杂后倾角变小不易断裂，在PVA纤维被拔断后仍能桥接裂缝，直至被拔出，这有利于提高试件的承载能力．可见，钢纤维和PVA纤维混杂可以协同提高材料的抗弯性能与裂缝控制能力．10.13245/j.hust.239134.F005图5破坏后单掺PVA纤维和混杂纤维ECC典型的跨中底部主裂纹与纤维形态2.3　抗压力学性能不同纤维掺量ECC压应力(σ)-应变(ε)曲线(7 d)如图6所示．单掺纤维和混杂纤维ECC均在加载初期表现为线弹性特征，当应力达到比例极限后，应力-应变曲线开始偏离线性；此时纤维开始发挥桥接作用，限制裂缝的扩展并与基体共同承担外加荷载，应力继续上升到峰值应力后进入下降段．混杂纤维ECC压应力-应变曲线的下降段比单掺纤维ECC更为平缓，残余应力逐渐提高，且这种现象随着钢纤维掺量增加而更加明显．这说明混杂钢- PVA纤维在提高ECC抗压韧性方面具有优势．10.13245/j.hust.239134.F006图6不同纤维掺量ECC压应力-应变曲线(7d)3 结论a．随钢纤维掺量增大，PVA和钢纤维的分散系数呈上升趋势，钢-PVA纤维混杂有利于提升纤维的分散性．混掺钢-PVA纤维能够使纤维倾向于小角度分布，有利于提高纤维的桥接能力．b．混杂纤维ECC的抗弯强度和延性均高于单掺PVA纤维．钢纤维掺量为1%时ECC峰值荷载最高，钢纤维掺量为0.6%时ECC延性提升最显著．c．随钢纤维掺量增加，混杂纤维ECC的抗压强度及残余应力水平逐渐提高，钢-PVA纤维混杂可同时改善ECC材料的抗压强度和韧性．