張文帥，馬倩敏，郭榮鑫，顏 峰，付朝書，彭玉清

(昆明理工大學建筑工程學院，云南省土木工程防災重點實驗室，昆明 650500)

0 引 言

混凝土作為傳統(tǒng)的土木工程材料具有原材料容易獲取，加工制作方便和抗壓強度高等優(yōu)點，成為了建筑行業(yè)中使用最為廣泛的土木工程材料之一[1]。但混凝土脆性大、抗開裂性能差、抗拉強度低，這些缺點容易引起混凝土開裂從而造成混凝土保護層剝落，加速鋼筋銹蝕，從而影響建筑工程的耐久性，降低工程的壽命[2]。超高韌性纖維增強水泥基復合材料(UHTCC)具有延性好、抗拉強度高、裂縫控制能力強等特點，能夠有效抑制混凝土裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展[3-4]。

UHTCC中摻入粉煤灰可以改善基體的微觀結構，提高復合材料的變形能力和基體斷裂韌度[5]。因此UHTCC制備時往往摻加大量的粉煤灰，但是大量粉煤灰的摻入可能會帶來UHTCC早期強度低的問題[6-8]。因此本文從宏觀性能和微觀結構角度就養(yǎng)護齡期對大摻量粉煤灰UHTCC的抗壓強度、抗彎強度、抗拉強度等基本力學性能，變形能力，裂紋發(fā)展以及材料破壞形態(tài)的影響展開了研究。

1 實 驗

1.1 原材料與配合比

本實驗采用昆明華新水泥(紅河)有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥制備UHTCC。所摻加的粉煤灰采用宣威電廠的Ⅰ級粉煤灰，粉煤灰的密度為1.9 g/cm3，比表面積為4 500 cm2/g。

圖1 粉煤灰的XRD譜
Fig.1 XRD pattern of fly ash

圖2 粉煤灰的SEM照片
Fig.2 SEM image of fly ash

圖3 石英砂粒徑分布圖Fig.3 Grain size distribution of quartz sand

水泥和粉煤灰的主要化學組成見表1。粉煤灰的XRD譜和SEM照片分別見圖1和圖2。骨料使用優(yōu)質石英砂(其中SiO2≥90%)，粒徑主要分布在20～200 μm，石英砂的粒徑分布圖見圖3。纖維采用日本可樂麗公司生產(chǎn)的PVA纖維，其物理參數(shù)見表2。拌合用水采用的是自來水。為提高纖維與基體間的粘結強度，采用羥丙基甲基纖維素作為增稠劑。減水劑采用西卡(中國)有限公司生產(chǎn)的聚羧酸類減水劑，減水率為30%。UHTCC的配合比見表3，水膠比為0.26，纖維體積摻量為1.7%。

表1 粉煤灰和水泥主要化學組成Table 1 Main chemical composition of fly ash and cement /wt%

表2 PVA纖維的物理性能參數(shù)Table 2 Physical performance parameters of PVA fibers

表3 UHTCC配合比Table 3 Mix proportion of UHTCC /(g/L)

1.2 試件制備

先將水泥、粉煤灰、石英砂混合干拌2～3 min，然后將減水劑在水中混合均勻后分3次加入到拌合物中，繼續(xù)攪拌3 min直到拌合物具有良好的流動度，再將PVA纖維分3次均勻加入到拌合物中，待纖維全部加入后繼續(xù)攪拌4 min以保證纖維分散均勻。

成型50 mm×50 mm×50 mm的立方體試件、400 mm×100 mm×15 mm的薄板試件、330 mm×60 mm×15 mm的狗骨型試件，分別用于抗壓強度、四點彎曲和直接拉伸測試。拌合物入模振搗密實后覆膜養(yǎng)護24 h，試件拆模后放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至規(guī)定齡期。

1.3 實驗設備與方法

試件養(yǎng)護至相應齡期后從養(yǎng)護室內取出擦干表面水分。立方體抗壓實驗采用YES-300型電液壓式壓力實驗機以0.8 kN/s加載速率控制加載。薄板四點彎曲實驗跨度為300 mm，使用UTM-30萬能材料實驗機進行位移加載，位移加載速率為0.2 mm/min，跨中撓度通過LVDT傳感器進行測量，加載過程中通過計算機自動采集荷載和跨中撓度，當薄板底部出現(xiàn)貫穿裂紋時停止加載。直接拉伸實驗同樣采用UTM-30萬能材料實驗機進行位移加載，位移加載速率為0.1 mm/min，標距段的伸長量用LVDT傳感器進行測量；在直接拉伸實驗過程中，采用DIC系統(tǒng)對試件標距段的開裂過程進行采集，裂紋采集區(qū)域為圖4中的標距段。

圖4 狗骨型試件示意圖
Fig.4 Schematic diagram of dog bone specimen

2 結果與討論

2.1 立方體抗壓性能

2.1.1 立方體抗壓實驗現(xiàn)象及破壞形態(tài)

普通水泥混凝土受壓時產(chǎn)生的裂縫通常為“八字”形[9]，在加載到極限荷載時試件中部外鼓剝落，試件失效，屬于脆性破壞。實驗中，當加載到極限荷載的50%左右時，UHTCC立方體試件中部開始出現(xiàn)細微的豎向裂紋。隨著荷載的增大，裂紋向兩端延伸然后斜向發(fā)展。加載到極限荷載時，部分裂紋貫穿試件，試件承載力下降繼而失效。與普通水泥混凝土相比，由于纖維的阻裂作用[10]，UHTCC試件在受壓破壞后裂紋較細，無明顯外鼓以及剝落現(xiàn)象，試件的完整度較好。

圖5 立方體抗壓強度Fig.5 Cube compressive strength

2.1.2 立方體抗壓強度

UHTCC立方體抗壓強度見圖5。圖中的強度值為3個試件的平均值。從圖中可以看出UHTCC試件28 d的抗壓強度較7 d時增長了48.8%。由于粉煤灰火山灰效應發(fā)揮滯后[11]，28 d后試件的強度仍有明顯增長，56 d時的強度值較28 d時增長了25.9%。之后強度基本保持恒定。

2.2 薄板四點彎曲性能

2.2.1 破壞形態(tài)和荷載-撓度曲線

圖6為UHTCC薄板試件在不同齡期條件下的荷載-撓度曲線，從圖中可以看出，隨著養(yǎng)護齡期的增長，試件所能承受的初始開裂荷載也相應的增加。之后，各齡期試件均表現(xiàn)出不同程度的應變硬化現(xiàn)象。養(yǎng)護齡期較短時(如7 d和28 d)，試件極限彎曲荷載較小而對應的跨中撓度較大。由于粉煤灰火山灰效應發(fā)揮滯后，此時基體的開裂應力較低，纖維的橋接作用大于基體的開裂應力。試件表面雖然產(chǎn)生了許多裂縫，但裂縫并沒有貫穿整個試件，跨中撓度較大。但試件所能承受的極限彎曲荷載仍主要由基體強度決定，所以此時極限彎曲荷載較小。隨著養(yǎng)護齡期延長至56 d和90 d，基體開裂應力隨之增大，纖維的橋聯(lián)作用小于基體開裂應力，所以試件的跨中撓度較小。在基體和纖維的共同作用下，試件所能承受的極限彎曲荷載較高。綜上，隨著養(yǎng)護齡期的增長，UHTCC試件所能承受的初裂荷載和極限荷載隨之增大，但是材料的延性卻在下降。

圖6 荷載-撓度曲線
Fig.6 Load-deflection curves

2.2.2 薄板四點彎曲強度

圖7 試件彎曲初裂強度和極限強度Fig.7 Bending initial crack strength and bending ultimate strength of specimens

圖7是UHTCC薄板試件四點彎曲初裂強度和極限強度。圖中的數(shù)值為3個試件的平均值。UHTCC試件彎曲初裂強度和極限強度隨著齡期的發(fā)展規(guī)律與立方體抗壓強度類似，56 d前強度隨著齡期增長明顯，之后基本恒定不變。UHTCC彎曲初裂強度主要由基體強度決定，極限強度則是基體和纖維共同作用的結果。

2.3 直接拉伸性能

2.3.1 直接拉伸強度與應力-應變曲線

圖8所示為UHTCC狗骨試件在不同齡期時的拉伸應力-應變曲線。表4給出了試件在不同齡期時的拉伸初裂強度和極限抗拉強度，以及與之相對應的應變。從表4可以看出，UHTCC試件拉伸初裂強度基本隨著齡期增長而增大。與彎曲性能類似，UHTCC試件拉伸初裂強度主要由基體強度決定，而大量粉煤灰的摻入使得試件基體強度發(fā)展較為滯后。早期大量粉煤灰還未參與水化反應，基體結構疏松，纖維與基體的粘結作用較弱，纖維易于被拔出而不斷裂。纖維在逐漸拔出的過程中賦予了試件較大的變形能力，使得試件具有較大的極限拉應變。后期粉煤灰逐漸與水泥水化生成的Ca(OH)2及高Ca/Si的C-S-H凝膠發(fā)生二次水化反應，大量生成低Ca/Si的C-S-H凝膠。使纖維與基體界面過度區(qū)更加致密，由此增大纖維與基體的粘結強度[12-15]，纖維在拉伸過程中易斷裂而造成試件極限拉應變下降。雖然試件在56 d和90 d時的極限拉應變較28 d時大幅下降，但仍有2%左右，表現(xiàn)出較好的應變硬化行為。

圖8 UHTCC拉伸應力-應變曲線
Fig.8 Tensile stress-strain curves of UHTCC

表4 抗拉強度及應變
Table 4 Tensile strength and strain

Age/dσfc/MPaεfc/%σtu/MPaεtu/%72.76±0.140.06±0.054.08±0.226.43±0.49282.72±0.130.08±0.024.77±0.265.60±0.09564.19±0.070.04±0.015.08±0.261.98±0.10903.88±0.260.07±0.025.28±0.142.04±0.08

Note:σfcis the initial crack strength;εfcis the corresponding strain to the initial crack strength;σtuis the ultimate tensile strength;εtuis the ultimate tensile strain.

2.3.2 開裂情況

多縫開裂和優(yōu)異的裂縫控制能力是UHTCC相比普通水泥混凝土和砂漿最重要的優(yōu)勢[16]。圖9為UHTCC狗骨試件在直接拉伸實驗過程中采用DIC系統(tǒng)所拍攝的照片，由于裂紋細而密集很難分辨，經(jīng)VIC-2D軟件分析標距段內的位移場得到裂紋詳圖，其中養(yǎng)護齡期為90 d時由于架設DIC系統(tǒng)的時候出現(xiàn)問題所以用未經(jīng)處理的原圖代替。由圖9可以看出，7 d和28 d時裂紋較窄且密集；隨著齡期的增加，到56 d時裂紋寬度變化不大，但數(shù)量大幅減少；到90 d時裂紋的數(shù)量和56 d時相差無幾。齡期較短時試件基體強度較低，纖維的橋接能力大于基體的開裂強度，纖維的橋接作用得到充分發(fā)揮，所以試驗過程中產(chǎn)生的裂紋細而密，試件極限拉應變較大(見表4)。隨著齡期增長基體強度增加，纖維與基體的粘結強度增大，纖維易被拉斷致使其橋接作用減弱，故而裂縫的數(shù)量有所下降，試件極限拉應變降低(見表4)。

圖9 不同齡期試件的裂紋詳圖
Fig.9 Crack details of specimens at different ages

2.3.3 PVA纖維形貌

圖10為UHTCC試件拉伸實驗后，試件斷口處的纖維形貌圖。養(yǎng)護齡期為7 d時，纖維是從基體中拔出，在拔出的過程中纖維表面幾乎沒有損傷，相對完整。此時基體內大量摻入的粉煤灰還未開始反應，未水化的粉煤灰玻璃微珠顆粒在基體中對纖維起到潤滑作用[17]，削弱了纖維與基體之間的粘結力，使得纖維易于從基體中拔出。在纖維拔出過程中，試件產(chǎn)生了大量細而密集的裂紋，同時對試件的極限拉應變帶來較大貢獻。28 d時，隨著粉煤灰逐漸開始反應，纖維與基體間的粘結力增大，纖維在拔出的過程中已經(jīng)開始出現(xiàn)刮削現(xiàn)象。UHTCC試件的極限拉應變也相應地有所降低。56 d及之后，隨著水化反應進一步進行，纖維與基體間的粘結作用進一步增強，纖維難以從基體中拔出而開始出現(xiàn)頸縮斷裂或直接斷裂現(xiàn)象。相對應的，試件的極限拉應變較早期有所降低。

圖10 斷口處的纖維形貌圖
Fig.10 Fiber morphology of fracture

3 結 論

(1)在UHTCC中摻入大量粉煤灰可以提高材料的應變硬化和多縫開裂能力，但由于粉煤火山灰效應發(fā)揮滯后，降低了UHTCC在養(yǎng)護初期的強度。

(2)UHTCC的抗壓強度、薄板四點彎曲強度和抗拉強度隨著養(yǎng)護齡期的增長得到提高，達56 d后，各項強度趨于穩(wěn)定。

(3)隨著養(yǎng)護齡期的增長，纖維與基體的粘結強度增大，纖維對材料的變形能力的貢獻小，從而降低了UHTCC應變硬化和多縫開裂的能力。