超高韌性水泥基混凝土拉伸性能影響因素試驗(yàn)研究

肖 杰 葉 明 李俊禧 姜海波

（廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院）

1 引言

為了解決混凝土脆性這一個(gè)致命的缺陷，許多的專家與學(xué)者開始了增強(qiáng)混凝土韌性的實(shí)驗(yàn)研究。經(jīng)過大量研究，一種超高韌性水泥基混凝土（E ngineer ed C ement it ious C omposit e，簡稱ECC）得以發(fā)展與完善，這種混凝土有望有效解決了混凝土脆性破壞這一難題，因此該混凝土在工程中具有良好應(yīng)用前景。

ECC 是由密歇根大學(xué)V ict or. C. Li 教授等人在1992 年發(fā)明的短纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，通過細(xì)觀力學(xué)和斷裂力學(xué)原理，以體積不超過2%纖維制成薄板構(gòu)件并做直接拉伸試驗(yàn)，通過試驗(yàn)獲得的極限拉伸應(yīng)變能夠達(dá)到3%以上，并且在拉伸過程形成許多小于100μm 的細(xì)小裂紋[1]，是一種高韌性，高延展性和具有多縫開裂特性的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。Ranade 等[2]在宏觀尺度上將M45-ECC 和HF A-ECC 兩種高延性水泥基混凝土的裂縫特征進(jìn)行了對比，結(jié)果表示，M45-ECC的裂縫寬而少，而HF A-ECC 裂縫的細(xì)而多，同時(shí)得出裂縫概率密度函數(shù)可以用對數(shù)正態(tài)分布很好的描述。Kamil e 等[3]使用熒光顯微鏡和先進(jìn)的數(shù)字圖像分析了兩種不同的ECC 在基質(zhì)流動(dòng)性方面的纖維分布對ECC的拉伸延性的作用，得出第一條裂縫開裂強(qiáng)度與最大裂縫尺寸的平方根成反比。Yang 等[4]研究了拉伸應(yīng)變速率對P VA-ECC 拉伸性能的影響，建立了高負(fù)荷下材料微觀結(jié)構(gòu)與拉伸應(yīng)變硬化的動(dòng)態(tài)微觀力學(xué)模型，研究發(fā)現(xiàn)在聚乙烯醇纖維增強(qiáng)ECC 體系中纖維剛度、纖維強(qiáng)度、基體韌性和纖維界面化學(xué)鍵強(qiáng)度對加載速率敏感，并且它們隨著加載速率增加而增大。P ang 等[5]研究了粉煤灰含量和砂含量對P VA-ECC 性能的影響，得出隨著粉煤灰摻量的增加和砂含量的減少，P VA-ECC 的拉伸應(yīng)變增加。張菊等[6]研究了氯鹽環(huán)境對P VA-ECC 質(zhì)量損失率、相對動(dòng)彈性模量和抗凍性的影響，得出了氯鹽環(huán)境中P VA-ECC 試件的質(zhì)量損失率增大，相對動(dòng)彈性模量明顯下降，抗凍性顯著下降，表明氯鹽環(huán)境對P VA-ECC 的性能有重大影響。除此之外，各位學(xué)者專家對ECC 的研究涉及各各方面，一些學(xué)者研究化學(xué)外加劑[7-10]的對其韌性的影響，一些研究P VA 纖維摻量[11-14]、水膠比[9-10，15]、砂[12-13]與粉煤灰等礦物摻合料的種類和摻量[10，12，15]等對ECC 變形能力的影響，還有一些學(xué)者研究ECC 的臨近裂縫寬度[17]等。

盡管ECC 的配制方法已多有報(bào)道[18-22]，但影響ECC拉伸性能的因素眾多，因此系統(tǒng)地整理這些影響因素尤為重要。本文以纖維摻量、水膠比、骨料粒徑、減水劑品牌、粉煤灰摻量等為變量，配制出了拉伸應(yīng)變穩(wěn)定在3%以上的ECC，此處在骨料粒徑上本人采用了粗砂（粒徑過3mm 的方孔篩子），同時(shí)還研究了不同的減水劑品牌對ECC 拉伸性能的影響，這與以往學(xué)者的研究稍有不同，這一研究結(jié)果又為P VA-ECC 這一新型材料的理論體系作了補(bǔ)充。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

試驗(yàn)水泥采用石井牌P·O42.5R 級(jí)普通硅酸鹽水泥；粉煤灰選用Ⅰ級(jí)高鈣粉煤灰；纖維選用日本Kur ar a y 公司生產(chǎn)的K-Ⅱ可樂綸纖維，參數(shù)如表1 所示；細(xì)骨料采用兩種不同的材料，細(xì)骨料A 采用粒徑為100目和200 目的廣西生產(chǎn)的石英砂按50%混搭；細(xì)骨料B采用粒徑過3mm 孔徑篩子的精細(xì)砂；減水劑采用兩種不同減水率的材料進(jìn)行對比，減水劑A 采用江門生產(chǎn)的聚羧酸類高效減水劑，減水率為20%;減水劑B 采用西卡生產(chǎn)的高效減水劑，減水率為40%。

表1 PVA 纖維的基本特性

2.2 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中水膠比為0.22 和0.24；粉煤灰摻量為80%、70%；試件纖維體積摻量為0%、1%、1.5%、2%、2.5%；砂的粒徑為過3mm 孔徑篩子的精細(xì)砂和石英砂；A 與B 兩種減水劑品牌。共設(shè)計(jì)了9 組配合比，每組3 個(gè)構(gòu)件。配合比如表2 所示。

2.3 試件制作工藝

P VA 纖維水泥基復(fù)合材料除了配合比影響其工作性能外，各種材料的添加順序、添加后的攪拌時(shí)間也會(huì)對其產(chǎn)生影響，經(jīng)過重復(fù)試驗(yàn)，對P VA 纖維水泥基復(fù)合材料采用以下試件制備成型方法：

首先按配合比質(zhì)量將粉狀材料(包括水泥、粉煤灰和石英砂)稱好、倒入JJ-5 型攪拌機(jī)混合攪拌2min 其次，將已稱好的減水劑加入水中，攪拌均勻后全部倒攪拌桶內(nèi)，先低速攪拌4min，接著高速攪拌2min，此時(shí)拌合材料呈糊狀，且具有良好的流動(dòng)性。最后，緩慢均勻地P VA 纖維，待人工將纖維全部加入到攪拌桶后，先低速攪拌2min，接著高速攪拌1min。若拌合物呈現(xiàn)出良好的粘聚性，且無結(jié)團(tuán)與泌水現(xiàn)象，則攪拌過程完成。

試件尺寸為330mm×600mm×15mm 啞鈴型試件，如圖1 所示。試件澆筑完成后用塑料薄膜覆蓋并置于室內(nèi)，試件初凝后將其表面進(jìn)行抹平，所有試件24h 拆模后薄膜養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為(23±2)℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28d。

圖1 啞鈴型鋼模板

2.4 試驗(yàn)加載與測試

試件兩端采用鋁板進(jìn)行粘貼加固，鋁板與試件之間采用502 膠水進(jìn)行粘結(jié)。固定完畢后在微電控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)W A W-300 型（如圖2）中進(jìn)行直接拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由D H3819 靜態(tài)數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)進(jìn)行采集，荷載由10k N 外置拉壓傳感器采集，加載速率采用位移控制，整個(gè)試驗(yàn)過程中保持加載速率為0.5mm/min。試件加載前，使用鋁質(zhì)位移計(jì)固定裝置將位移計(jì)安裝于標(biāo)距長度為90mm 的試件兩側(cè)，試驗(yàn)加載裝置如圖3 所示。試驗(yàn)變形值取兩側(cè)位移計(jì)測量值的平均值，應(yīng)力值和應(yīng)變值取試件實(shí)際尺寸進(jìn)行計(jì)算。

圖2 電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)

圖3 試驗(yàn)加載圖

表2 配合比

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試件應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4 給出了9 組試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。

3.2 纖維體積摻量對PVA- ECC 單軸拉伸性能的影響

為了研究纖維摻量，對P VA-ECC 單軸拉伸性能的影響，本試驗(yàn)共五種不同的纖維摻量，即0%、1%、1.5%、2%、2.5%。

根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出，在水膠比、減水劑及粉煤灰都相同的情況下，纖維的加入使P VA-ECC 的拉伸性能逐漸提高，在纖維摻量為2%時(shí)，其拉伸性能表現(xiàn)最為優(yōu)越和穩(wěn)定，表現(xiàn)出較高的拉伸應(yīng)變。而當(dāng)纖維的量大于2%時(shí)，纖維就會(huì)出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，纖維摻量為2.5%的應(yīng)力應(yīng)變曲線就可以看出，纖維的加入過多，不僅抗拉強(qiáng)度下降，應(yīng)變硬化現(xiàn)象也很不明顯。從經(jīng)濟(jì)效果以及攪拌工藝上考慮，2%的纖維摻量明顯優(yōu)于2.5%的纖維摻量，而且2%纖維摻量的ECC 的細(xì)密裂縫條數(shù)明顯多而密，可以使纖維的利用率最大化。

3.3 水膠比對PVA- ECC 單軸拉伸性能的影響

圖4 應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

為了研究水膠比對P VA-ECC 單軸拉伸性能的影響，本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了兩種不同的水膠比，即0.22 和0.24。

如圖4，由應(yīng)力應(yīng)變曲線圖可知，纖維摻量在2.5%的情況下，水膠比從0.22 增大到0.24，從流動(dòng)性講和拉伸效果講，都有一定的提高，但由于纖維摻量過多，使得該混凝土有結(jié)團(tuán)的現(xiàn)象。由于纖維結(jié)團(tuán)會(huì)造成混凝土試件的不密實(shí)，所以不利于試件開裂強(qiáng)度的提高及多條細(xì)密裂縫的形成。不過適當(dāng)?shù)靥岣咚z比可以使混凝土流動(dòng)性提高，從而提高該試件的密實(shí)度，對于配制自密實(shí)ECC 大有好處。

3.4 砂的粒徑對PVA- ECC 單軸拉伸性能的影響

為了研究砂的粒徑對P VA-ECC 單軸拉伸性能的影響，本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了兩種不同的砂的粒徑，即砂的粒徑為過3mm 孔徑篩子的精細(xì)砂和石英砂。由圖4 可知，砂的粒徑越大，不利于曲線的振蕩段的形成，即難以出現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象。因此，砂子粒徑的大小對于配制高韌性混凝土尤為重要，而對于ECC 的配制，砂子粒徑至少控制在3mm 以下。

3.5 A 與B 兩種減水劑品牌對PVA- ECC 單軸拉伸性能的影響

本次實(shí)驗(yàn)對比了纖維體積摻量在2.5%的情況下，不同的減水劑品牌對其拉伸性能的影響。如圖，由于減水劑會(huì)影響混凝土的流動(dòng)性，從而影響P VA-ECC 單軸拉伸性能。而減水劑B 由于減水率高，可以大大提高混凝土流動(dòng)性，且不出現(xiàn)嚴(yán)重的泌水現(xiàn)象，因此配出來的試件不僅拉伸性能高，而且具有明顯的多裂縫開裂現(xiàn)象，應(yīng)變硬化現(xiàn)象比減水劑A 所配出來的試件更明顯。

3.6 粉煤灰對PVA- ECC 單軸拉伸性能的影響

在粉煤灰為80%的應(yīng)力應(yīng)變曲線中，由于粉煤灰摻量的增加，顆粒與顆粒之間的相對滑動(dòng)增加，從而使混凝土的流動(dòng)性增加，可以最大限度地使纖維分散均勻，因此裂縫條數(shù)多而密。在粉煤灰為70%和80%的應(yīng)力應(yīng)變曲線中，由于水膠比低，粉煤灰的減少，不利于混凝土和易性，但一般來說，可以增大了混凝土的初裂強(qiáng)度。對比這兩種應(yīng)力應(yīng)變曲線中，由于纖維的量為2%，流動(dòng)性好，因此拉出來的應(yīng)變硬化結(jié)果都很明顯，極限抗拉應(yīng)變都超過3%。總的來說，80%的粉煤灰摻量下，應(yīng)變硬化效果更明顯一點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文通過單軸拉伸試驗(yàn)，研究了P VA 纖維摻量、水膠比、細(xì)骨料粒徑、減水劑品牌、粉煤灰摻量對P VA-ECC單軸拉伸性能的影響，研究結(jié)果表明：

⑴隨著纖維摻量的增加，P VA-ECC 的拉伸性能逐漸提高，在纖維摻量為2%時(shí)，其拉伸性能表現(xiàn)最為優(yōu)越和穩(wěn)定，表現(xiàn)出較高的拉伸應(yīng)變。

⑵水膠比0.22 的情況下，粉煤灰摻量為80%的P VA-ECC 試件表現(xiàn)出高強(qiáng)度和高延性，且表現(xiàn)出多縫開裂特征，具有優(yōu)異的裂縫控制能力。

⑶砂的粒徑為過3mm 孔徑篩子的精細(xì)砂和石英砂，砂的粒徑越大，可以提高初裂強(qiáng)度，但不利于多裂縫的出現(xiàn)，極限拉應(yīng)變也大大降低。

⑷B 品牌減水劑由于減水率高，可以大大提高混凝土流動(dòng)性，且不出現(xiàn)嚴(yán)重的泌水現(xiàn)象，因此配出來的試件不僅拉伸性能高，而且具有明顯的多裂縫開裂現(xiàn)象，應(yīng)變硬化現(xiàn)象比減水劑A 所配出來的試件更明顯。

⑸由于粉煤灰摻量的增加，顆粒與顆粒之間的相對滑動(dòng)增加，從而使混凝土的流動(dòng)性增加，可以最大限度地使纖維分散均勻，因此粉煤灰80%的摻量比70%的拉伸性能好，裂縫條數(shù)多而密?！?/p>