高性能PVA纖維增強水泥基材料的制備與性能

楊英姿,姚 燕

(中國建筑材料科學(xué)研究總院,北京100024)

高性能PVA纖維增強水泥基材料的制備與性能

楊英姿,姚 燕

(中國建筑材料科學(xué)研究總院,北京100024)

為了獲得高性能PVA纖維增強水泥基復(fù)合材料的制備方法,研究了砂的顆粒級配、水膠比和粉煤灰摻量對高延性纖維增強水泥基復(fù)合材料(Engineered Cementitious Composites,ECC)的彎曲性能、抗壓、抗折強度及開裂模式的影響。結(jié)果表明:隨著砂的細(xì)度模數(shù)降低,ECC的跨中撓度增大,早期強度提高,但后期強度變化不明顯。隨著水膠比的增大,ECC的初始開裂荷載降低,跨中撓度增大,平均裂縫寬度增加。0.25水膠比的ECC的抗壓強度可以滿足高強度等級的要求。0.35水膠比的抗壓強度可以滿足對普通強度等級的要求。隨著粉煤灰摻量的增加,ECC的初始開裂荷載降低、抗折和抗壓強度逐漸降低,ECC的跨中撓度提高,平均裂縫寬度變小。在水膠比一定的條件下,采用細(xì)砂,適當(dāng)增加粉煤灰摻量有助于提高ECC的韌性和延性。

高延性纖維增強水泥基復(fù)合材料;荷載-撓度曲線;多縫開裂

混凝土是應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域最大宗的人造建筑材料,然而存在著脆性大、易開裂、抗拉強度低、極限延伸率小及抗沖擊性能差等弊端,利用各種纖維改善上述弊端的纖維增強水泥基復(fù)合材料日益受到關(guān)注[1]。ECC(Engineered Cementitious Composites)材料是一種高延性的纖維增強水泥基復(fù)合材料,是基于微觀力學(xué)原理優(yōu)化設(shè)計的具有偽應(yīng)變硬化特性和多縫開裂特征的一種新型土木工程材料。其中聚乙烯醇纖維(PVA)體積摻量通常在2%左右,ECC的拉應(yīng)變在2%～5%,是普通混凝土的幾百倍,抗壓強度在配合比合適的情況下可高達(dá)70～80 MPa。ECC材料的高拉應(yīng)變能力是基于它在受拉過程中能夠形成“穩(wěn)定狀態(tài)開裂”?！胺€(wěn)定狀態(tài)開裂”是指當(dāng)拉應(yīng)變超過1%時,ECC中的裂縫寬度會穩(wěn)定在60μm左右,隨著拉應(yīng)變的提高,裂縫寬度不發(fā)生改變而微裂縫的數(shù)目不斷增加。因此,該材料具有高延性、高韌性、高承載力、耐久性和可持續(xù)性等典型特征,具有良好的耗能減震特性[2-3]。為了獲得PVA纖維增強水泥基復(fù)合材料的制備方法和基本性能,研究了砂的細(xì)度模數(shù)、水膠比及粉煤灰摻量對ECC彎曲性能、抗壓、抗折強度及開裂模式的影響。

實 驗

. 原材料及配合比

實驗采用亞泰哈爾濱水泥廠生產(chǎn)的天鵝牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。粉煤灰是哈爾濱第三電廠I級粉煤灰,密度為2.43 g/cm3,比表面積為655 m2/kg。平均粒徑3.4μm,需水量比95.0%。細(xì)度模數(shù)為1.0的細(xì)集料選自哈爾濱晶華材料有限公司生產(chǎn)的細(xì)石英砂。減水劑用德國巴斯夫集團(tuán)生產(chǎn)的高效減水劑。實驗用的PVA纖維采用日本Kuraray Co.產(chǎn)的K-Ⅱ可樂麗纖維,主要性能指標(biāo)見表1。

表1 PVA纖維的性能參數(shù)Table 1 Characte ristics of PVA fibe r

實驗采用三種細(xì)度模數(shù)的砂、三種水膠比(W/B)、四種粉煤灰摻量。砂的細(xì)度模數(shù)分別為2.97,2.01及1.0;水膠比為0.25,0.30及0.35;粉煤灰取代水泥的比例為50%,60%,70%和80%?？疾炝松鲜鰧嶒炓蛩貙CC彎曲性能、抗壓、抗折強度的影響,并對其開裂模式進(jìn)行了觀察分析。目的是通過上述實驗研究獲得高性能PVA纖維增強水泥基復(fù)合材料的制備方法及影響因素。具體ECC的配合比見表2。

表2 ECC的配合比(kg·m-3)Table 2 Mix proportion of ECC(kg·m-3)

. 的制備

將水泥、粉煤灰、砂稱量好后,倒入攪拌機中攪拌2 min,使各原料充分?jǐn)嚢杈鶆?。先加?然后加減水劑調(diào)節(jié)水泥砂漿的流動度。攪拌4 min后,將水泥砂漿裝入測量水泥砂漿流動度的圓臺形試模,迅速提起試模,當(dāng)水泥砂漿的流動度達(dá)到350 mm時,可認(rèn)定其滿足水泥砂漿工作性的要求。再加入PVA纖維,攪拌5～10 min左右,攪拌的終止時間以纖維漿體不成團(tuán)、結(jié)塊為判斷依據(jù),保證纖維的充分分散,這是ECC制備的關(guān)鍵。而且攪拌的時間要適中,時間太短了可能纖維不分散,時間太長纖維的分散性反而不好。再次利用檢測砂漿流動度試模評價拌合物的工作性,拌合物的直徑控制在180 mm±10 mm。隨后將拌合物裝入試模成型,并置于室內(nèi),24 h后拆模進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室,每種配合比有4個試件。

. 四點彎曲試驗

采用威海市試驗機制造有限公司生產(chǎn)的電子萬能試驗機。四點彎曲的試驗如圖1所示,數(shù)據(jù)自動采集,荷載P由荷載傳感器測定,荷載—撓度曲線由計算機記錄。試件尺寸為320 mm×40 mm×12 mm,獲得荷載—位移曲線后,可進(jìn)一步分析初始開裂荷載、峰值荷載、撓度、斷裂韌性指數(shù)等。采用位移控制加載,加載速率為1 mm/min。抗折強度及抗壓強度試驗的試件尺寸為40 mm×40 mm×16 0mm。

圖1 四點彎曲試驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of four-point bending test

結(jié)果與討論

. 砂的細(xì)度模數(shù)對材料性能的影響

從表2的配合比數(shù)據(jù)可以看出,達(dá)到相同的流動度時,隨著砂的細(xì)度模數(shù)變小,高效減水劑的用量明顯增加,這是因為在攪拌過程中細(xì)集料之間存在相互作用,需要足夠的水泥漿包裹細(xì)集料形成一定的粘結(jié)強度和提供潤滑層滿足工作性的要求。砂的細(xì)度增加,需要更多的水潤濕和更多的水泥漿包裹砂粒,當(dāng)用水量保持不變的情況下,減水劑用量就需要提高。如圖2所示,當(dāng)砂的細(xì)度模數(shù)由2.97降到1.0時,3 d和28 d時,ECC試件的跨中撓度均由11～13 mm提高到23～25 mm,可見細(xì)砂有助于提高ECC的延性。另外,當(dāng)砂的細(xì)度模數(shù)為2.97,2.01和1.0時,28 d時ECC的峰值荷載分別為278 N,315 N和379 N,可見細(xì)砂在一定程度上提高了基體的強度。同時還可以看出:28 d時用細(xì)砂配制的ECC的四點彎曲曲線中,荷載的變化幅度較為平穩(wěn),小于用粗砂配制的ECC試件,這表明細(xì)砂使ECC基體每一受力斷裂截面變得更加均勻,減小了某些截面因局部缺陷導(dǎo)致的應(yīng)力集中,細(xì)砂使基體材料更均勻的特性提高了ECC材料的延性和韌性。

圖2 砂的細(xì)度模數(shù)對ECC荷載—撓度曲線的影響Fig.2 Effect of fineness modulus of sand on load-deflectioncurve of ECC,for 3 d(a)and 28 d(b)

如圖3所示,齡期為3 d和28 d時,由細(xì)度模數(shù)造成的ECC抗壓與抗折強度的差異是明顯的。隨著齡期延長至90 d時,不同細(xì)度模數(shù)砂的ECC抗壓與抗折強度比較接近,且ECC抗壓強度都能夠滿足C60混凝土強度等級的要求。也就是說上述配合比制備的ECC屬于高強混凝土范疇,且砂的細(xì)度模數(shù)對ECC后期強度影響不顯著。

. 水膠比對材料性能的影響

從圖4可以看出,ECC材料的抗壓強度隨水膠比增大而降低,當(dāng)水膠比由0.25提高到0.35時,28 d抗壓強度由62 MPa降低到35 MPa。對于ECC材料,7 d抗壓強度約為28 d抗壓強度的50%～60%。另外,隨水膠比的增加,ECC的抗折強度降低,三種水膠比的ECC的28 d抗折強度均大于10 MPa。

圖3 砂的細(xì)度模數(shù)對ECC抗壓強度與抗折強度的影響Fig.3 Effect of fineness modulus of sand on compressive strength(a)and flexural strength(b)of ECC

圖4 水膠比對ECC抗壓強度及抗折強度的影響Fig.4 Effect of water-binder ratio on compressive strength and flexural strength of ECC

水膠比不僅決定了水泥基復(fù)合材料的基體強度,還會對材料的韌性有重要的影響。圖5表明,隨著水膠比的增加,水泥基復(fù)合材料的初始開裂荷載降低,這是因為水膠比的增大,降低了基體的強度,而且在開裂之前,纖維本身不參與工作,只有基體受力,從而初始開裂荷載反映了基體的強度變化。而且隨著齡期的延長,同一配比ECC的初始開裂荷載也大幅增長,如7 d時0.35水膠比ECC的初始開裂荷載約為30 N,28 d時該值上升到75 N左右,說明隨著水泥水化硬化的不斷進(jìn)行,基體強度不斷增長。由于ECC是偽應(yīng)變硬化材料,其峰值荷載隨水膠比、齡期的變化規(guī)律與初始開裂荷載的相同。

圖5 水膠比對ECC荷載—撓度曲線的影響Fig.5 Effect of water-binder ratio on load-deflection curve of ECC,for 7 d(a)and 28 d(b)

由圖5可見,0.25水膠比ECC的7 d,28 d跨中撓度分別為12.5 mm和10.5 mm,0.35水膠比ECC的7 d、28 d跨中撓度分別為28 mm和18 mm?？缰袚隙入S水膠比的增大而增加,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長而降低。對于低水膠比ECC跨中撓度隨齡期的降低趨勢不如高水膠比的顯著。高水膠比7 d跨中撓度達(dá)到最大值28 mm,說明此時ECC中的基體與PVA纖維達(dá)到比較理想的匹配,即能夠很好滿足材料發(fā)生多重開裂的條件。在受彎過程中伴隨著大量微裂縫的開展實現(xiàn)了ECC材料的偽應(yīng)變硬化,從而使水泥基復(fù)合材料獲得了高的斷裂韌性。但是0.35水膠比的基體強度較低(接近C30混凝土強度),由于纖維價格較高,如果基體的強度較低,這無形當(dāng)中使得水泥基復(fù)合材料的成本相對提高,對材料的使用和推廣不利。因此考慮ECC抗壓強度、成本和高韌性的三者的有機平衡是至關(guān)重要的?；谖⒂^力學(xué)設(shè)計原理,使基體、纖維以及基體與纖維的界面粘結(jié)性能不斷改善,獲得更多高強、高韌性、高耐久的纖維增強水泥基復(fù)合材料是技術(shù)關(guān)鍵所在[5]。

. 粉煤灰對材料性能的影響

由圖6可見,隨著粉煤灰摻量的增加,基體的初始開裂荷載相應(yīng)降低。在基體開裂前,纖維不參與工作,粉煤灰摻量的增加,降低了基體的強度,而初始開裂荷載只與基體強度有關(guān)。3 d,28 d摻80%粉煤灰的ECC初始開裂荷載比摻60%粉煤灰的ECC降低了約70 N。摻粉煤灰ECC的跨中撓度值的變化范圍在15～25 mm。28 d時隨著粉煤灰摻量的增加,ECC跨中撓度值呈現(xiàn)增大的趨勢。

試驗所用的粉煤灰為一級粉煤灰,粉煤灰摻量的增加雖然降低了基體強度,但同時使ECC內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加均勻,改善了纖維—基體的界面過渡區(qū),減少了內(nèi)部缺陷,使得雜散分布在基體內(nèi)的纖維承擔(dān)拉應(yīng)力的比例增加,多重開裂的現(xiàn)象更易發(fā)生。從圖5,圖6可以看出摻80%粉煤灰的ECC荷載—撓度曲線光滑平緩,無明顯的基體產(chǎn)生新的斷裂面時荷載下跳現(xiàn)象,說明ECC的材料更加均勻,多重開裂易開展,可以避免由于內(nèi)部材料的不均勻?qū)е戮植咳毕莸臄U大及開裂的集中產(chǎn)生,從而保證了ECC材料的高延性。因此,提高粉煤灰摻量,有利ECC材料的延性和韌性的提高。

圖6 粉煤灰的摻量對ECC荷載—撓度曲線的影響Fig.6 Effect of fly ash on load-deflection curve of ECC,for 3 d(a)and 28 d(b)

然而,由圖7可見隨著粉煤灰摻量的增加,ECC材料的抗壓強度和抗折強度不斷降低。28 d時摻60%,70%和80%粉煤灰的抗壓強度分別約為60 MPa,50 MPa和40 MPa,抗折強度分別約為15 MPa,12 MPa和10 MPa,說明粉煤灰的摻量對抗壓、抗折強度的影響是明顯的。因此,在實際應(yīng)用中,應(yīng)該在滿足水泥基材料強度等級要求的前提下,適當(dāng)提高粉煤灰的摻量,既有利于環(huán)境保護(hù),促進(jìn)土木工程材料的可持續(xù)發(fā)展[6],又有利于材料延性、韌性的提高。

圖7 粉煤灰的摻量對ECC抗壓強度和抗折強度的影響Fig.7 Effect of fly ash on compressive strength and flexural strength of ECC,for compressive strength(a)and flexural strength(b)

. 水膠比和粉煤灰摻量對裂縫寬度的影響

由圖8可見,四點彎曲試驗中兩種水膠比的ECC均呈現(xiàn)多重裂縫開裂形式,低水膠比的ECC的裂縫更加細(xì)密,有些模糊不清;而高水膠比ECC的裂縫寬度相對粗大明顯,并連續(xù)貫穿整個試件。通過讀數(shù)顯微鏡觀測,0.25,0.35水膠比ECC的平均裂縫寬度分別為40μm和60μm。其平均裂縫寬度上的差異在于:高水膠比導(dǎo)致基體內(nèi)部孔隙率增大,材料原始缺陷增多,強度降低。纖維表面水膜增厚以及纖維—基體界面過渡區(qū)增大,引起纖維—基體界面粘結(jié)性能改變,基體中相對疏松的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使PVA纖維易于由基體拔出,因此,其裂縫寬度相對增大。

圖9給出了粉煤灰摻量對ECC開裂模式的影響。水泥取代量為60%與80%(粉煤灰)的ECC均呈多縫開裂模式,同時還可以發(fā)現(xiàn)80%粉煤灰摻量ECC的裂縫更加細(xì)密,其平均裂縫寬度為25μm,而摻60%粉煤灰的ECC平均裂縫寬度為40μm。存在上述差異的機理在于當(dāng)水膠比相同時,粉煤灰摻量的提高使基體更加均勻,高摻量粉煤灰不僅使各斷裂面之間的結(jié)構(gòu)差異相對縮小,大量緊密堆積的粉煤灰球形顆粒進(jìn)一步增加了纖維與基體的摩擦力,改善了纖維—基體界面粘結(jié)性能。但由于基體強度相對降低,基體在各個受力截面易于開裂,因而使更多的纖維在較早階段受力,纖維的增強得到改善。因此,造成高粉煤灰摻量ECC的荷載—撓度曲線平穩(wěn)光滑,裂縫多、細(xì)小均勻。

圖8 水膠比對ECC開裂模式的影響Fig.8 Effect ofwater-binder ratio on crackingmode of ECC,for W/B=0.25(a)andW/B=0.35(b)

圖9 粉煤灰的摻量對ECC開裂模式的影響Fig.9 Effect of fly ash content on cracking mode of ECC,for 60%FA(a)and 80%FA(b)

結(jié) 論

(1)隨著砂的細(xì)度模數(shù)減小,ECC的韌性和早期強度增加;砂的細(xì)度模數(shù)對后期ECC的抗壓、抗折強度影響不大。

(2)隨著水膠比的增大,初始開裂荷載降低、跨中撓度增大。0.25水膠比的ECC的抗壓強度可以滿足高強水泥基復(fù)合材料強度等級的要求。0.35水膠比的抗壓強度可以滿足對普通水泥基復(fù)合材料強度等級的要求。

(3)隨著粉煤灰摻量的增加,ECC的初始開裂荷載降低,抗折和抗壓強度逐漸降低,ECC的跨中撓度提高,在滿足抗壓強度要求的前提下,適當(dāng)增加粉煤灰摻量有助于進(jìn)一步提高ECC的韌性和延性。

(4)水膠比增大,ECC的平均裂縫寬度增加,粉煤灰摻量提高,ECC的平均裂縫寬度變小。

[1]Xu Shilang(徐世烺),Li Hedong(李賀東).超高韌性水泥基復(fù)合材料研究進(jìn)展及其工程應(yīng)用[J].China Civil Engineering Journal(土木工程學(xué)報),2008,41(6):45-60.

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[5]Jang Guoqing(姜國慶),Liu Xiaoquan(劉小泉),Sun Wei(孫偉),etal.高性能特種水泥基復(fù)合材料的關(guān)鍵技術(shù)與力學(xué)行為研究[J].Architecture Technology(建筑技術(shù)),2007,38(3):28-30.

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Preparation and Properties of High Performance PVA Fiber Reinforced Cementitious Materials

YANG Yingzi,YAO Yan

(China Building Materials Academy,Beijing 100024,China)

In order to obtain the preparation method of high perfor mance PVA fiber reinforced cementitious material(also called Engineered Cementitious Composites,ECC),the effects of gradation of sand,water-binder ratio(W/B)and content of fly ash on the bending properties,compressive strength,flexural strength and cracking pattern of ECC were investigated in this paper.The results showed that with the fineness modulus of sand decreased,ECC'smid-span deflection increased,the early strength increased but the strength in the long term did not change significantly.As the water-binder ratio of ECC increased,the initial cracking load of ECC lowered,deflection atmid-span and the average crack width increased.The compressive strength of ECC with W/B of 0.25 could meet the requirements of high-strength concrete grades.The compressive strength of ECC with W/B of 0.35 could meet the requirements of ordinary strength concrete grades.W ith the fly ash content of ECC increased,the initial cracking load of ECC lowered,the flexural and compressive strength gradually decreased,the deflection of ECC enhanced,as well as the average crack width became smaller.As theW/B of ECC is fixed,using finer sand and increasing fly ash content appropriately will help to further improve the toughness and ductility of ECC.

engineered cementitious composites;load-deflection curve;multiple cracking

TU528

A

1674-3962(2010)09-0019-06

2009-12-10

國家自然科學(xué)基金(50872127);教育部回國人員科研啟動基金(2008)

楊英姿,女,1967年生,博士,教授