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(上海理工大學環(huán)境與建筑學院，上海 200093)

粉煤灰細度對超高韌性水泥基復合材料性能的影響

闞黎黎，陶毅晨，朱瑨，徐超，曹號

(上海理工大學環(huán)境與建筑學院，上海200093)

為了探究粉煤灰細度對超高韌性水泥基復合材料(ECC)性能的影響，設計對比三組由不同細度粉煤灰制作的ECC試件的抗拉及抗壓試驗性能，并進行了灰色關聯度分析。結果表明：ECC的拉伸應變與粉煤灰細度之間不呈簡單的線性關系；對于ECC的抗壓強度，其主導因素并非是粉煤灰的細度，而是粉煤灰的活性。在特定條件下，通過改變粉煤灰的細度，可以在不影響基體強度的情況下改善ECC的延性。

超高韌性水泥基復合材料(ECC)； 粉煤灰細度； 灰色關聯分析

1 引 言

隨著對建筑質量要求的逐年增高，以及在重大土木工程中的大量應用，超高韌性水泥基復合材料(ECC)自上世紀90年代初問世以來，因其自身所獨具的對裂縫寬度的可控性及緊密細小的多縫開裂特性(圖1[1，2])，吸引了越來越多的國內外學者的廣泛關注。盡管中外學者對ECC這一新型材料的理論研究已得出大量成果，但是在許多方面仍然存在空白。同時，隨著環(huán)保意識的增強，以工業(yè)副產品或廢棄物為原料的礦物摻合料已經成為制備新型混凝土材料不可或缺的組成部分。當前粉煤灰已在水泥基復合材料的研究及制備中得以大量應用。近年來對ECC材料的研究[3]發(fā)現，粉煤灰等礦物摻合料的摻入能顯著改善纖維-基體界面間的粘結性能、縮小各斷裂面間的結構差異、降低基體的斷裂韌性及提高纖維的增強效應，實現更多微裂縫的展開，極大地提高其延性及韌性。由此可見，粉煤灰對于ECC的影響不容小覷。然而，目前國內外關于粉煤灰對ECC性能影響的研究大多關注于粉煤灰摻量的變化[4-7]，而對于粉煤灰諸如細度等自身特性因素的影響研究鮮有報道。為此，本文主要圍繞粉煤灰細度這一變量，研究其對ECC性能的影響。

圖1 ECC多裂縫開裂示意圖及典型的拉伸應力-應變曲線Fig.1 Multi-cracking and typical tensile stress-strain curve and crack width development of ECC

2 試 驗

2.1 原材料及配合比

日本小野田公司生產的P·I型普通硅酸鹽水泥、山東天巖礦業(yè)提供的Ⅱ級粉煤灰、以及細砂、水，并輔以W.R. Grace公司生產的ADVA? 152高效減水劑和瑞士阿克蘇諾貝爾公司生產的Bermocoll M30甲基纖維素醚增稠劑(HPMC)用于ECC材料的制備。纖維使用的是日本Kuraray 公司生產的Kuralon-II REC-15型PVA纖維，力學特性如表1所示，PVA纖維直徑為39μm，長度12mm，抗拉強度1600MPa。此外，由于PVA纖維具有強烈的親水特性，為了減少纖維與基體界面間的粘結作用，對纖維表面進行了油劑處理(1.2%重量百分比)[8]。經X射線熒光光譜分析得出的水泥及粉煤灰化學組成見表2，配比如表3所示，其中粉煤灰摻量為42.85%。

表1 PVA纖維的物理力學特性Table 1 Physical and mechanical characteristics of PVA fiber

表2 水泥和粉煤灰的化學組成/wt.%Table 2 Chemical composition of cement and fly ash/wt.%

表3 ECC的配合比/%

aW/B: Weight ratio of water to binder (cement + fly ash) material

使用行星型球磨機將粉煤灰進行研磨并加入1g助磨劑，然后根據5min、10min、15min三種不同的研磨時間將試件分別分為A、B、C三組。采用上海民儀電子有限公司生產的BT-9300Z型激光粒度分布儀對不同細度的粉煤灰進行表征，具體粉煤灰研磨后的細度參數及粒徑分布詳見如表4和圖2所示。從分布圖中可以看出，圖線峰值隨研磨時間變長而粉煤灰粒徑越來越細。其中，A組中位徑為9.738μm，B組為7.507μm，C組為5.83μm。比表面積依次為：646.9m2·kg-1、750.4m2·kg-1和850.1m2·kg-1。

圖2 研磨不同時間的粉煤灰粒徑分布圖Fig.2 Particle size distribution of fly ash in different grinding time

GroupABCD50/μm9.7387.5075.83Specificarea/m2·kg-1646.9750.4850.1

2.2 ECC試件的制備

本文主要進行的是單軸拉伸及立方體軸心抗壓試驗。單軸拉伸試驗的試件形狀設計為啞鈴型(如圖3)。有效區(qū)的長、寬分別為80mm和30mm，厚度為15mm[9]。立方體軸心抗壓試件尺寸為50mm×50mm×50mm。

圖3 啞鈴型試件示意圖Fig.3 Sketch of dumbbell shaped specimen

2.3 試驗設計

試驗中ECC的制備過程為：將細砂、粉煤灰、水泥和固體增稠劑按表3配比稱量好后，倒入容量為5L的行星式攪拌機內慢速攪拌2min，使原料充分混合均勻。將水和減水劑混合攪拌后倒入攪拌機內，快速攪拌2min，直到觀察到漿體呈面團狀時，再緩慢、分散、均勻地加入纖維，快速攪拌 3～5min，直至漿體中纖維不成團、不結塊為止，這是ECC制備的關鍵。攪拌完成后，將攪拌均勻的拌和物裝入事先刷好脫模劑的啞鈴型模具(圖3)中，振搗密實后置于實驗室空氣中養(yǎng)護。24h后脫模，將試件置于溫度為(20±1)℃，濕度≥95%的標養(yǎng)箱中分別養(yǎng)護至7d和28d的設定齡期。

2.3.1抗拉實驗 試件成型1d后拆模，分別標準養(yǎng)護至7d和28d齡期。使用單軸直接拉伸試驗機對試件進行拉伸試驗，試驗裝置見圖4。拉伸實驗加載采用位移控制，拉伸速率為 0.3mm/min。采用荷載傳感器和位移計記錄荷載和位移，記錄拉伸過程中試件拉力和長度的變化。

圖4 單軸拉伸試驗裝置Fig.4 Setup of uniaxial tensile test

2.3.2立方體抗壓試驗 立方體抗壓試件成型1d后，標準養(yǎng)護至14d。使用中正壓力試驗機對試件進行立方體抗壓試驗。

3 結果與討論

3.1 對單軸直接拉伸性能的影響

在實驗前，先使用未磨細的同種粉煤灰制作了一批試件，養(yǎng)護7d后進行單軸拉伸實驗。實驗中，未磨細粉煤灰制作的試件均表現為脆性破壞，并未出現ECC材料所具有的均布裂縫及高延性的特征，這表明過粗的粉煤灰不宜用來制作ECC材料。將該粉煤灰磨細后，經單軸直接拉伸實驗后所得的結果可以看出，試件所表現出的高延性以及多縫開裂性能均符合ECC的性能標準。可以看出，粉煤灰的細度對ECC拉伸性能的影響確實存在。

不同細度粉煤灰對ECC單軸直接拉伸性能的影響詳見表5和表6。同種細度粉煤灰制備4塊試件，最終數據取4塊試件的平均值。

表5 不同細度粉煤灰對ECC單軸直接拉伸性能的影響(7d)

圖5 試件拉伸破壞的宏觀形貌Fig.5 Tensile failure of specimen

啞鈴型試件在拉伸試驗的初始階段，表現出與一般混凝土材料類似的剛度性能。但隨著荷載的增大，試件開始出現裂縫，同時應力-應變曲線開始上下波動，與鋼筋材料的屈服階段表現類似。拉伸試驗進入后期，可以觀察到試件的有效區(qū)域內，與主裂縫平行的方向，出現很多均布的細小裂紋(圖5)，而且還能清晰地聽到PVA纖維被拉斷的響聲，這表明PVA 纖維逐漸被拉斷或從基體中拔出，該階段應力-應變曲線發(fā)生陡降，直至試件最終被拉斷[10-11]。ECC試件在不同齡

期下的單軸直接拉伸應力-應變曲線如圖6所示。

對比實驗數據可以看出，使用A、B、C三種不同細度粉煤灰的ECC試件，延性表現有所不同，見圖7。值得注意的是：平均應變并非隨細度增大而增長。7d齡期的試驗中，B組試件的平均應變最大，之后是C組，A組試件的平均應變最小。而應力則是隨細度增大而變小，但并未表現出很大的差異。28d齡期的三組試件表現出類似的結果，平均應變也并非隨細度增大而增大，同樣為中等細度試件的延性最好，應力隨細度變大趨于變小，差異并未如延性明顯。從裂縫分布的情況來看，均布開裂與延性表現是一致相關的。中間細度的E組試件裂縫分布更加均勻，裂縫條數也較其他兩組多。因此，粉煤灰細度對ECC材料延性的影響，并非是單調、簡單線性的。

圖7 在不同齡期下不同細度粉煤灰對抗拉性能的影響(a) 7d； (b) 28dFig.7 Effect of different fineness of fly ash on tensile properties at different ages(a) 7d; (b) 28d

3.2 對ECC試件抗壓強度的影響

ECC試件抗壓實驗結果如表7所示。

立方體試件在試驗初期，剛度表現穩(wěn)定。隨著荷載的增大，試件開始出現豎向裂縫，并且明顯存在纖維連續(xù)拉斷的聲音。試件壓壞時，與一般混凝土材料不同，ECC材料仍表現出良好的整體性，并且豎向裂縫仍然為相對均勻分布。破壞表現并非為典型脆性破壞，如圖8所示。

表7 ECC試件抗壓強度試驗結果

圖8 抗壓試件破壞照片Fig.8 DamageFigure of compressive test

對于普通混凝土，由于粉煤灰的“密實效應”(活性高的細粉煤灰包含有較多表面光滑致密的球狀顆粒玻璃體，可通過相互堆積和填充作用，使水泥基體結構密實，具有良好的宏觀力學性能),在相同的水化條件下，越細的粉煤灰對提高混凝土材料的抗壓強度越有利[12]。從本實驗結果可以看出ECC試件的抗壓強度受細度影響亦頗為明顯，但并不同于普通混凝土，反而表現出比表面積較小的A組試件，平均抗壓強度為45.4MPa，而C組的平均抗壓強度只有32MPa，抗壓強度隨粉煤灰細度變大而趨于變小。當粉煤灰代替大量水泥后，溶液中鈣離子濃度降低，當粉煤灰-水泥體系在室溫下水化時，由于粉煤灰活性不能完全被激發(fā)，漿體不能完全水化，使得基體的水化反應程度很低；同時，由于粉煤灰為低鈣粉煤灰，CSH凝膠形成較少，因此基體強度將有所降低[13-16]。本次實驗中所用粉煤灰

含鈣量較低，CaO含量僅有1.83%。

因此，造成實驗結果與文獻資料描述不同的原因，是由于粉煤灰經機械研磨之后，雖然粒徑變小、粉煤灰顆粒變細，但是其水化能力及活性卻隨之變差[17]。機械研磨的時間越長，水化能力及與水泥生成凝膠的能力損失越大。相比于抗拉強度，粉煤灰細度對ECC基體的抗壓性能的影響表現得更為顯著。

3.3 灰色關聯度分析

以粉煤灰的比表面積為母序列，試件的抗拉抗壓強度、應變?yōu)樽有蛄羞M行灰色關聯度計算，結果見表8。

從表8可以看出，在配比相同的情況下，粉煤灰的細度與ECC基體性能的關聯度值均超過0.5，這表明粉煤灰細度對基體性能的影響確實存在。對比抗拉強度與應變的關聯值可以看出，粉煤灰細度對于基體延性的影響要大于對基體強度的影響，28d應變的關聯度值為0.829，而強度關聯度值最大為0.641。這與抗拉實驗結果一致，即粉煤灰細度對試件延性好壞的影響比較明顯，而對抗拉強度的影響并不突出。該結果間接表明，抗壓試驗中表現出的試件抗壓強度隨粉煤灰細度的增大而減小的原因并非歸因于細度的變化，而是與粉煤灰本身的活性有關。

表8 比表面積與基體性能的灰色關聯度Table 8 Grey connection degree between specific surface area and matrix properties

4 結 論

1.在相同的配合比并且使用同種粉煤灰的條件下，ECC基體的抗拉強度隨細度的變化并不明顯；對于極限拉伸應變，粉煤灰的細度在比表面積值[646m2/kg～850 m2/kg]區(qū)間內，極限拉應變值先大后小，二者并非簡單的線性關系。

2.ECC基體的抗壓強度隨粉煤灰細度的增大而減小，其主要原因是由于主導基體強度的因素不是粉煤灰細度，而是粉煤灰活性。

3.通過灰色關聯度分析可知，在相同的條件下，粉煤灰細度對于ECC拉伸應變的影響大于其對拉伸強度的影響。在特定條件下，通過改變粉煤灰的細度，可以在不影響基體強度的情況下改善ECC的延性。

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EffectofFinenessofFlyAshonPropertiesofEngineeredCementitiousComposites

KANLili,TAOYichen,ZHUJin,XUChao,CAOHao

(SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

In order to study the fineness of fly ash on the properties of engineered cementitious composites (ECC), the tensile and compressive properties of ECC specimens which were made of three different fineness fly ash were investigated and the grey relational analysis were also performed in this paper. The results show that the tensile strain of ECC does not have a simple linear relationship with the fineness of fly ash, and the fineness is also not the key factor to ECC compression performance, but all of them are dependant on the activity of fly ash. In certain conditions, by changing the fineness of fly ash, the ductility of ECC can be improved without affecting the strength of matrix.

Engineered cementitious composites(ECC); fineness of fly ash; grey correlation analysis

2016-06-03；

2016-07-18

國家自然科學基金資助項目(51508329)

闞黎黎(1980-)，女，副教授，碩導。研究方向：新型建筑材料。E-mail：kanlili@usst.edu.cn。

1673-2812(2017)06-0934-06

TQ172.71+5

A

10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.06.015