本文是一篇职称论文，本试验结果表明：弯曲荷载作用下，掺入增强纤维能够有效改善冰材料在受弯作用下的破坏形式，使试件趋于延性破坏；同时，随着增强纤维配合比的增加，复合冰冰梁失效过程中增强纤维对冰材料的持续“拉结”作用不断增强，表现为开裂强度突变减小；开裂后强度突变次数增多；冰梁失效发展过程更加缓慢。
0 概述
随着人们物质生活水平的提高，愈来愈多的人们追求对于严寒生活的体验，以冰雪建筑为主体，冰雪运动、娱乐为特色的冰雪旅游产业发展迅猛[1]。目前，以中国哈尔滨国际冰雪节、加拿大魁北克冰雪狂欢节、日本北海道-札幌冰雪节和挪威奥斯陆滑雪节为代表的各类冰雪节受到人们的广泛欢迎，造型丰富、绚丽多彩的冰雪建筑已成为这些冰雪节中的主角之一[2]。
传统冰结构大多采用河冰、江冰等纯冰作为建筑材料，而纯冰的材料强度较低、气温敏感性较大、力学性能不稳定等缺点，都将影响冰结构的建造和受力性能[3]。通过在纯冰中添加一定的增强纤维，从而形成复合冰材料的方式，使得冰材料的力学性能得到了较大提升[4-5]。来自荷兰的Arno Pronk在冰材料力学性能方面开展了较多研究，他们对加入玻璃屑、棉花、钢渣等22种复合冰材料进行了对比试验，发现复合冰的抗压强度较纯冰有明显提高；2014年，其团队在芬兰利用Pykrete复合冰材料建造了一座30m跨度的冰壳建筑（Pykrete是由木屑和冰混合而成的复合材料，是英国学者Geoffrey Pyke在1942年提出的），这是目前世界上跨度最大的冰壳，是复合冰材料在建筑中的首次应用[6]。 在此基础上，研究复合冰材料抗弯性能逐渐受到学者的重视，2005年维也纳工业大学Benjamin Kromoser, Johann Kollegger[7]对加入纺布等增强材料并分层冻结的冰梁进行了受弯性能试验，冰材料的抗弯强度表现出了离散性差异。2013年埃因霍芬理工大学Frank Janssen, Rémy Houben[8]对掺入不同配合比木屑的复合冰材料进行了受弯性能研究，得到了部分复合冰试件的抗弯强度，并得出使用锯末可以将冰的抗弯强度提高3倍，甚至可以将抗压强度提高4倍。2015年Jan Belis, Arno Pronk等[9]也进行过掺合料为木屑的复合冰冰梁受弯性能试验，试验结果有较大的离散，得出试件类型对复合冰材料的力学性能影响显著，例如棱柱体和立方体试件的抗压强度。本文基于现阶段国内外的研究现状，将木质纸浆纤维掺入到纯冰中形成复合冰冰梁试件，通过对冰梁进行受弯性能试验，研究复合冰冰梁受弯失效模式、机理和承载性能，探索冰材料弯曲加载标准试验方法。
1 试件制作
选用阔叶木纸浆纤维作为复合冰材料掺合料，阔叶木浆的纤维较短，一般为0.8~1.1mm，其长宽比多在60以下。复合冰的制备包括两部分：纸浆水溶液制备以及复合冰材料的低温冻结。确定材料配合比后，在搅拌桶中准备一定量的水，计算并称量出所需纤维纸板的质量。采用搅拌机在水中搅拌15~30min使纸浆纤维均匀分散，搅拌完成后的纸浆水溶液纤维呈棉絮状。选用硅橡胶模具，该模具具有质量较轻、可适当压缩变形、极易与冰试样脱模等一系列优点。在模具内倒入纸浆水溶液，放入低温冷库中，冷冻48h左右。参考《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671—1999）[10]，选择小尺寸冰梁试件，冻结完成后取出脱模，表面加工处理制备成尺寸为40mm×40mm×160mm的冰梁试件（图1），在试验温度下保存24h。
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此外，采集若干哈尔滨松花江江冰及复合冰结构工程中较为明显的分层复合冰试样。江冰与分层复合冰考虑自然冻结方向，切割时冻结方向与加载方向分为平行和垂直两种情况。试验前用游标卡尺测量试件尺寸，并一一记录。
2 试验方案
为研究冰梁弯曲作用下的抗弯强度、失效模式以及不同工况下的承载性能，考虑影响冰梁受弯承载性能的主要因素——配合比、温度，共进行293次试验，纯冰受弯加载70次（包括江冰13次）、复合冰冰梁受弯加载223次。选择增强纤维质量配合比为1%、2%、4%和6%，依据冬季室外气温的变化区间，选择温度为-5、-10、-15和-20℃，具体工况如表1所示。
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试验通过WDW电子万能试验机（图2）进行。试验机设有低温恒温箱（图3），其恒定温度可控制在-25~0℃之间，试件在试验机内完成加载。
试验机两加载点之间的距离为5cm，下部两支座中心点的距离为15cm。 试验开始前，调节低温恒温箱至设定温度以使加载端及加载支座表面降温，冰梁试件在低温箱恒温15~20min。待温度达到要求后，再开始加载。采用位移控制加载方式，加载速率为0.5mm/min。
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3 试验现象及分析
3.1 纯冰冰梁失效模式
在纯冰冰梁跨间对称点进行弯曲加载试验中，分别在-5、-10、-15、-20℃下进行了9、10、13、11次共43次加载试验。试验结果表明，纯冰冰梁在荷载作用下没有明显的位移变形，试件发生突然断裂失效，失效时表现出了明显的脆性破坏特征。从-20℃加载的11块试件中选择了较为典型的荷载-位移曲线。
纯冰在冻结过程中掺杂的气泡等杂质不均匀地分散在试件内部。初始阶段所施加的荷载较小，冰梁所对应的应力值也较小，结合试验得到的荷载-位移曲线，此时冰梁处于弹性状态，这就是冰梁加载破坏的第一阶段。随着荷载的增大，横梁向下位移不断增加，当达到一定的承载极限时，冰梁发生断裂破坏，这是冰梁弯曲加载破坏的第二阶段。
以往的研究结果[11]认为温度在-40~-3℃范围时，可将非均匀的弹塑性冰材料近似看作完全弹性体，利用弹性理论分析冰梁试件的弯曲破坏[11]。根据梁的最大破坏应力计算公式计算出纯冰的抗弯强度，进而初步得到纯冰抗弯强度平均值。对于纯冰，冰梁开裂时承载力所对应的弯曲强度即为抗弯强度。
此外，对江冰试件进行加载试验，试验温度为-15℃，试验现场照片如图7所示，荷载-位移曲线如图8所示。试验过程中根据加载方向与冻结方向一致或垂直将冰梁分组进行试验，得到其抗弯强度平均值分别为3.11MPa和2.14MPa，方向一致时冰梁抗弯强度较垂直时高45%，其两者的弹性模量分别为1307.6MPa和1672.6MPa。结合以往试验，同江冰冰梁-2.9℃时弯曲强度1.31MPa相比[12]，试验温度为-15℃时江冰冰梁抗弯强度2.14MPa，符合温度越低其强度越高的变化规律。
3.2 复合冰冰梁失效模式及承载性能分析
与纯冰冰梁加载失效过程有所不同，复合冰冰梁失效过程中没有明显的脆性破坏特征，在冰梁强度达到开裂强度后冰梁并不会出现截面断裂而是还可以继续承载到一定强度。6%纤维配比的冰梁失效现场照片见图9，荷载-位移曲线见图10。结合复合冰冰梁原位跨间对称点加载试验，由图10可以看出，复合冰冰梁加载初期，荷载-位移曲线呈线性变化，此时复合冰冰梁为弹性状态。当达到开裂强度后复合冰冰梁即出现第一条裂缝（图11），这是复合冰冰梁弯曲加载失效的第一阶段。随后对复合冰冰梁继续加载，此时复合冰冰梁荷载-位移曲线呈现出不规律的随机波动，在复合冰冰梁底部还可能再次出现多个细小微裂缝相贯通形成的宏观裂缝（图12），随着荷载不断增大以及复合冰冰梁裂缝的不断发展，最终会在复合冰冰梁底部的薄弱处形成一条主裂缝。此时破坏截面的受压区高度达到复合冰冰梁弯曲破坏的临界受压区高度，复合冰冰梁即达到最大承载力，此时的强度为复合冰冰梁的抗弯强度，这是复合冰冰梁弯曲加载失效的第二阶段。
在上一阶段冰梁达到最大承载力之后，随着荷载继续增大，裂缝不断开展，冰梁破坏截面的中性轴上移，截面受压区高度不断减小。截面受压区高度小于临界受压区高度时，冰梁承载力出现下降，主裂缝发展较为缓慢，但裂缝宽度增大，梁的挠度急剧增大，此时可以考虑冰梁在荷载作用下逐渐失效（图13），这是冰梁弯曲加载失效的第三阶段。在该阶段其荷载-位移曲线变化率随着位移不断增大而缓慢趋近于0，但冰梁仍具有部分承载力。复合冰冰梁失效表现趋于延性破坏特征。
4 结论
通过纯冰和木质纸浆纤维复合冰冰梁跨间对称点弯曲加载试验，对冰梁受弯失效机理和承载性能进行了相关研究，主要结论如下：
（1）复合冰冰梁能够有效改善冰梁弯曲失效模式，使构件受弯破坏趋于延性特征。
（2）复合冰冰梁抗弯强度和温度呈负相关，与配合比呈正相关。配合比6%时，-20℃条件下其抗弯强度是-5℃条件下的1.6倍；-20℃条件下，配合比6%时其抗弯强度是配合比1%的2倍，是配合比4%的1.5倍。
（3）配合比大于3%时，增强纤维对冰材料的“拉结”作用凸显。当配合比为1%、2%时，冰梁失效表现出硬而脆的特点；当配合比大于3%时，冰梁失效表现出强而韧的特点。
参考文献（略）