新型水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的試驗(yàn)研究

夏正兵，張曉宇

（江蘇城市職業(yè)學(xué)院建筑工程學(xué)院,江蘇南通 226006）

UHTCC 材料是一種復(fù)合材料，水泥基并配有短纖維以增加強(qiáng)度，纖維摻量一般為復(fù)合材料體積總量的2.5%以下，其最顯著的結(jié)構(gòu)特征是多尺度材料，主要由凝膠空洞、孔洞缺陷、水泥水、石英砂、水泥基本體、PVA 纖維等材料構(gòu)成。近幾年，國內(nèi)外材料專家已進(jìn)行了非常多這方面的科學(xué)探索和研究，比如PVA 增強(qiáng)纖維、鋼纖維材料、碳納米管纖維等[1]，主要存在的缺點(diǎn)是微纖維價(jià)格特別貴，造成此類材料無法大面積推廣和應(yīng)用。

MS-UHTCC是水泥基復(fù)合材料的一種，此材料具有纖維增強(qiáng)、延性和韌性較高、應(yīng)變硬化、開裂為細(xì)密多裂縫等優(yōu)點(diǎn)[2]，此材料纖維體積摻量為1.7%時(shí)，單軸拉伸荷載試驗(yàn)中表現(xiàn)應(yīng)變硬化的優(yōu)良特性，與此同時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)細(xì)密多裂縫開裂情況。此外，該材料具有高延性，極限拉應(yīng)變最高達(dá)7%，此指標(biāo)是普通混凝土開裂時(shí)應(yīng)變的300 倍左右，優(yōu)越性很強(qiáng)[3]。

近些年來，國內(nèi)外科研工作者對UHTCC 的力學(xué)性能做了非常多的研究工作，而且在部分建筑工程中進(jìn)行了運(yùn)用，研究結(jié)果表明UHTCC 具有抗?jié)B性好和耐久性強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，此材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和彈性模量的相關(guān)參數(shù)跟普通混凝土相比，性能要好，因此它跟普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，黏結(jié)性增強(qiáng)。唯一的缺點(diǎn)是，UHTCC 材料最主要成分之一PVA 纖維需要通過進(jìn)口才能購置，因此UHTCC 材料的工程造價(jià)大約為普通混凝土材料造價(jià)的13 倍左右。作者在UHTCC 材料已有研究的基礎(chǔ)之上，通過購置生產(chǎn)成本在1000 元/噸左右的碳酸鈣晶須，摻入到UHTC 材料，對其進(jìn)行改性，特別廉價(jià)。本文創(chuàng)新性地提出多尺度水泥基復(fù)合材料（MS-UHTCC）的基本概念，進(jìn)而對該材料進(jìn)行宏觀力學(xué)性能檢測并分析，研究結(jié)果表明：MS-UHTCC 復(fù)合材料比普通的UHTCC 材料相關(guān)力學(xué)性能顯著改善，再加之晶須的摻入，大大提升了UHTCC 的韌性、延性及強(qiáng)度，可見，運(yùn)用摻入碳酸鈣晶須及國產(chǎn)PVA 纖維材料制作廉價(jià)MS-UHTCC 具有完全的可行性，應(yīng)用前景非常廣泛。

1 試驗(yàn)操作

1.1 試驗(yàn)材料的配備

該試驗(yàn)采用的相關(guān)原料包括42.5 級普通硅酸鹽水泥、國產(chǎn)粉煤灰、精細(xì)石英砂、國產(chǎn)PVA 纖維、進(jìn)口PVA 纖維等。原材料的相應(yīng)性能和化學(xué)成分分別見表1 和表2。

表1 原材料相應(yīng)性能

表2 原材料相應(yīng)化學(xué)成分

本試驗(yàn)主要研究內(nèi)容為：PVA 的摻合量、PVA的種類、晶須摻量對多尺度水泥基復(fù)合材料MS-UHTCC 的影響，本試驗(yàn)基體的水膠比統(tǒng)一取值為0.35，砂膠比統(tǒng)一取值為0.45，國產(chǎn)粉煤灰摻量與水泥用量的質(zhì)量比統(tǒng)一取值為4[4]。在試驗(yàn)過程中，要確?；w始終保持優(yōu)良的和易性，聚羧酸（常用減水劑）的摻量為0.56%[5]。試驗(yàn)采用的4 組MS-UHTCC復(fù)合材料基體中纖維類型及體積用量見表3。

表3 纖維體積摻量和用量

1.2 試驗(yàn)基本流程

MS-UHTCC 復(fù)合材料試驗(yàn)攪拌制備流程圖見圖1。按照J(rèn)SCE-2008[6]的試驗(yàn)基本標(biāo)準(zhǔn)，單軸拉伸試件使用的標(biāo)準(zhǔn)試件厚度為15mm，對其測定抗拉性能。試驗(yàn)采用設(shè)備為電子萬能試驗(yàn)機(jī)，型號是MTS-CMT4204。

圖1 MS-UHTCC 的制備流程

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)應(yīng)變強(qiáng)度

經(jīng)過試驗(yàn)測得相關(guān)數(shù)據(jù)，得出內(nèi)鋼環(huán)的應(yīng)變隨齡期的變化曲線見圖2～圖5。

圖2 不配筋試件內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變趨勢圖

圖3 直徑15mm 配筋試件內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變趨勢圖

圖4 直徑18mm 配筋試件內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變趨勢圖

圖5 直徑23mm 配筋試件內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變趨勢圖

依據(jù)上述四副圖可看出，四組試件內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變發(fā)展趨勢極為相似，之前的36h，混凝土的收縮變形最為劇烈，之后混凝土的收縮變形速度漸緩。

2.2 構(gòu)件單軸拉伸試驗(yàn)圖

進(jìn)行三組配比單拉試驗(yàn)，相應(yīng)曲線見圖6（a）-圖6（d）。

圖6 配比不同的情況下MS-UHTCC 單軸拉伸試驗(yàn)曲線圖

經(jīng)過對試驗(yàn)圖進(jìn)行嚴(yán)密分析，可見采用廉價(jià)晶須取代PVA 纖維是可行的，并且摻入廉價(jià)晶須后，發(fā)現(xiàn)UHTCC 強(qiáng)度和延性均有所提高，混凝土裂縫變得更為細(xì)密，分布也特別均勻，性能得到改善。出現(xiàn)上述情況主要原因是MS-UHTCC 復(fù)合材料中一直存在PVA 和晶須兩種成分，是兩種不同尺度的纖維。晶須在試驗(yàn)過程中有效地控制了基體內(nèi)部的開裂，使其演變?yōu)榧?xì)觀裂紋，PVA 纖維的作用是有效抑制了裂縫的大量產(chǎn)生。MS-UHTCC 復(fù)合材料在受力初始階段，僅僅在微觀層次產(chǎn)生裂紋，在微觀尺度開始起作用的是晶須，它從一開始就阻止產(chǎn)生裂縫并控制其發(fā)展。材料基體強(qiáng)弱的不同，一共分為三種機(jī)理，他們是晶須拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)作用和裂紋沖斷作用[7]，在這三個(gè)過程中始終都存在能量消耗（見圖6）。產(chǎn)生的裂縫包括微觀裂紋和宏觀裂縫。正是晶須對微觀裂紋產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用，才導(dǎo)致復(fù)合材料與普通的水泥基材料相比，復(fù)合裂紋減少很多，即使在PVA 體積摻量減少到2%以下，MS-UHTCC 復(fù)合材料依然具有強(qiáng)大的應(yīng)力硬化和很少的多裂縫開裂。由此可知，摻入晶須是完全可行的，完全可代替PVA 纖維。在UHTCC 復(fù)合材料基體里，孔隙是一種初始效果，對材料的穩(wěn)定性具有極其重要的意義，摻入晶須可大大優(yōu)化基體的孔隙分布，材料的延性、抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度等都會(huì)得到有效提高。

3 研究結(jié)論

(1)摻入碳酸鈣晶須纖維形成MS-UHTCC 水泥基復(fù)合材料是有可行性的，完全可代替PVA 纖維，材料具有受拉應(yīng)變硬化以及多裂縫的性能。

(2)摻入廉價(jià)晶須后，發(fā)現(xiàn)UHTCC 強(qiáng)度和延性均有所提高，混凝土裂縫變得更為細(xì)密，分布也特別均勻，性能得到改善。

(3)晶須對微觀裂紋產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用，才導(dǎo)致復(fù)合材料與普通的水泥基材料相比，復(fù)合裂紋減少。

(4）試件內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變趨勢進(jìn)行對比分析，在直徑不同的情形下，齡期的發(fā)展，變形趨勢幾乎一致，即前2 天鋼筋應(yīng)變劇烈，3～6 天變緩，7 天后幾乎靜止不變。