用数字图像相关法研究聚合物改性砂浆的力学性能

张朝阳，孔祥明，卢子臣

(清华大学土木工程系建筑材料所，北京 100084)

前言

       水泥基材料力学性能一直以来都是人们关注的最重要的性能^[1–3]。硬化水泥砂浆和混凝土通常呈高抗压强度、低抗折抗拉强度的脆性材料力学特征。而聚合物材料，通常呈较高的拉伸强度和大变形率的韧性材料特征。因此，人们常常将聚合物加入到水泥基材料中，来提高水泥砂浆或混凝土的抗折、抗拉伸性能及断裂韧性。常用的聚合物材料是聚合物乳液^[4–5]或可再分散胶粉。聚合物以微米、纳米粒子水性分散液的形式拌合到水泥砂浆或混凝土中，水泥水化硬化后，聚合物微、纳粒子团聚、合并、融合、成膜，可显著提高水泥基材料的力学性能、粘结性能、乃至抗渗、抗裂和耐久性能等。聚合物改性砂浆广泛应用于瓷砖粘结剂、墙面涂层、修补砂浆、自流平砂浆地坪、防水砂浆等许多场合^[6–11]。关于聚合物对砂浆力学性能的影响已经有大量研究。材料受力作用下的变形多采用接触式测量^[12–13]，即利用应变片或者机械引伸计附着在变形试件表面来测量材料特定区域的变形量。

        数字图像相关法(DIC方法)是一种光学测量技术。作为一种非接触测量方法，通过分析变形前后图像的系统相关性，计算得到应变分布与全场位移。最初由Peters等^[14]Yamaguchi等^[15]于20世纪80年代提出。Helm等^[16]通过使用双相机进行标定，结合数字图像相关法测量了物体表面的三维变形，被称为三维数字图像相关法(3D-DIC)。由于其具有对样品干扰小、测量精度高等优点而越来越受到人们的欢迎。近年来，通过降低计算复杂度、实现高精度变形测量以及扩大应用范围，DIC技术得到了极大的发展^[17–19]。

三维数字图像相关法也渐渐应用于建筑材料的研究领域。韦江雄等^[20]采用三维数字图像相关法研究了水泥基材料的收缩变形。Wang等^[21]采集了SBS改性沥青混合料半圆试件在三点弯曲试验中的变形图像。雷冬等^[22]采用三维数字图像相关法测量了大理岩在双轴压缩过程中的全场面外位移分布及三维空间形貌。Ruiz-Ripoll等^[23]使用数字图像相关法测量了混凝土早期收缩导致的开裂情况。此外，三维数字图像相关法还可以实时获得材料从变形、裂纹产生、扩展到最终破坏的全过程图像，有助于研究材料的破坏断裂机理。

       聚合物改性砂浆由于聚合物的掺入，其断裂破坏性能与传统水泥砂浆显著不同。采用DIC法进行聚合物改性砂浆力学性能的研究，具有明显优势，但迄今尚未见报道。基于此，采用三维数字图像相关法观测聚合物改性砂浆的受压试验全过程，得到受压荷载下的应力-应变全曲线，同时将此结果与接触式测量结果进行了对比分析，进而讨论聚合物对砂浆破坏过程的影响机理。

结论

      1) 相比于接触式应变测试方法，三维数字图像相关法能够给出试块在加载过程中任意区域、任意方向上的变形信息，同时可以提供试块开裂、裂纹扩展、断裂模式等信息，对于全面研究水泥混凝土材料的力学性可以提供更有价值的数据。

2) 空白水泥砂浆及聚合物掺量为2%、5%的聚合物改性砂浆，均表现为试件开裂-裂纹扩展-试块断裂的脆性破坏模式；聚合物掺量为10%的改性砂浆，则表现为应变持续增长的韧性破坏模式，整个破坏过程中并无可见裂纹的产生。

3) 聚合物改性砂浆的抗压强度随聚合物掺量的增加先略有增加而后降低，弹性模量则随聚合物掺量增加不断降低。开裂应变、峰值应变以及断裂能随着聚合物掺量的增加不断增加，砂浆韧性不断提高。脆性破坏模式下(PMM0、PMM2、PMM5)，聚合物改性砂浆的Poisson比随着聚合物相的增加而升高，呈韧性破坏的PMM10 Poisson比相对于PMM5有所降低。

文中部分图表