王玉清， 劉 瀟， 劉曙光

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(PVA-FRCC)是在水泥基材料(無粗骨料)中加入PVA纖維形成的復(fù)合材料，具有良好的抗裂、抗?jié)B、抗沖擊韌性及耐久性，近年來受到工程界人士的關(guān)注并在土木工程領(lǐng)域中得到應(yīng)用[1-3],1).

由于水泥基材料的物質(zhì)組成與硬化過程的特殊性，使其成為一種典型的多孔介質(zhì)材料，孔型及孔徑尺寸各異，孔隙分布錯(cuò)綜復(fù)雜，當(dāng)材料配比、養(yǎng)護(hù)環(huán)境等因素發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起材料孔隙分布與孔結(jié)構(gòu)的變化，而孔隙的變化會(huì)影響到材料的各項(xiàng)性能，其中便包括收縮性能.水泥基材料的收縮性能對于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗裂度驗(yàn)算、變形計(jì)算、預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算及非線性有限元分析等具有重要作用.目前關(guān)于水泥基材料收縮性能的研究中，對混凝土收縮的研究較為成熟，有關(guān)混凝土材料收縮性能的內(nèi)外影響因素及收縮計(jì)算模型的建立等方面都取得了較多成果.其中，內(nèi)部因素的研究包括水泥種類[4-5]、摻和料種類及摻量[4,6]、配合比[4]、外加劑種類及摻量[4,7],1)；外部影響因素的研究包括環(huán)境溫濕度[8-10]、養(yǎng)護(hù)條件[4,11]、齡期[12]、試件尺寸及形狀[13]、碳化作用[13]；收縮計(jì)算模型方面主要建立了ACI 209R-92系列模型[14]、CEB-FIP系列模型[15]、GL2000模型[16]和B3模型[17]等幾類.在纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料收縮性能方面，目前對于鋼纖維[18-22]、聚丙烯纖維[23]、混雜纖維[20,24-26]及其他纖維水泥基復(fù)合材料[27]的收縮性能研究結(jié)果表明，適當(dāng)摻入上述纖維可不同程度地減小基材的收縮值；在PVA纖維水泥基復(fù)合材料收縮性能的研究中，有部分學(xué)者[25,28-32]也得出了PVA纖維的加入可以減小基材收縮、提高基材抗裂度的結(jié)論.在對PVA-FRCC收縮性能的研究中，每位研究者從各自角度對某個(gè)或少數(shù)幾個(gè)影響因素進(jìn)行了研究，未能全面考慮多種因素對材料收縮性能的影響，因而無法為PVA-FRCC材料的性能優(yōu)化及多因素影響下收縮估算模型的建立提供較全面的基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù).

1)關(guān)英俊.混凝土自生體積變形試驗(yàn)研究[C]//水利水電科學(xué)研究院科學(xué)研究論文集.北京：水利電力出版社,1981.

基于此，本文對多因素影響下PVA-FRCC的收縮性能展開試驗(yàn)研究，并力求提出PVA-FRCC的收縮估算模型，為PVA-FRCC的性能優(yōu)化及結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)分析理論的完善奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)PVA-FRCC的工程應(yīng)用.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)10組PVA-FRCC試件，由于無粗骨料，試件尺寸參照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[33]，采用40mm×40mm×160mm的棱柱體試件，每組3個(gè)試件，結(jié)果取平均值.本試驗(yàn)針對PVA纖維體積分?jǐn)?shù)φPVA、水膠比mW/mB、砂膠比mS/mB、環(huán)境相對濕度RH這幾種影響因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，試驗(yàn)工況及材料配合比見表1.

表1 收縮試驗(yàn)配合比及工況

水泥采用呼和浩特市冀東水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰采用鄂爾多斯達(dá)茂旗煤電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰；硅灰采用包頭明商環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)硅灰；細(xì)骨料采用包頭固陽縣生產(chǎn)的粒徑范圍為75～109μm精選優(yōu)質(zhì)石英精粉；纖維采用日本Kuraray公司生產(chǎn)的REC15型PVA纖維，其參數(shù)見表2；減水劑采用改性聚羧酸高效減水劑Sika Visco Crete 3301E；消泡劑采用水泥砂漿體系高效消泡劑；增稠劑主要成分為羥丙甲基纖維素.減水劑、消泡劑、增稠劑摻量分別為膠凝材料質(zhì)量的1.00%、0.20%和0.03%.

表2 PVA纖維性能

1.2 數(shù)據(jù)采集

所有試件均在室溫環(huán)境下養(yǎng)護(hù)48h后拆模，然后將試件分別放入干縮養(yǎng)護(hù)室(DC)環(huán)境和自然養(yǎng)護(hù)(NC)環(huán)境下進(jìn)行收縮試驗(yàn)，分別在齡期為1、3、5、7、14、28、56、90、140、180、270和360d時(shí)測試各試件的收縮應(yīng)變.其中干縮養(yǎng)護(hù)室溫度為(20±2)℃，相對濕度為(60±5)%；自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度為(20±5)℃，相對濕度為(30±10)%.

收縮測量設(shè)備采用紹興市拓展儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的SP-175型立式砂漿收縮儀.千分表采用德清盛泰芯電子科技有限公司生產(chǎn)的數(shù)顯千分表，測量精度0.001mm.

2 收縮性能分析

由于材料收縮受到眾多因素的影響，故收縮有多種類型，如干燥收縮、化學(xué)收縮及碳化收縮等，本文所述收縮應(yīng)變?yōu)槭湛s試驗(yàn)過程中材料所發(fā)生的總收縮應(yīng)變.

圖1為本試驗(yàn)各工況下PVA-FRCC的收縮應(yīng)變-時(shí)間曲線.由圖1可見，PVA-FRCC收縮的發(fā)展大致經(jīng)歷3個(gè)階段：第1階段，各組試件的收縮應(yīng)變相差較小，曲線幾乎重合，曲線斜率較大，且近似呈線性增長，說明PVA-FRCC的初期收縮增長迅速，故此階段稱為收縮快速增長階段；第2階段，隨著時(shí)間的增長，各工況的曲線逐漸分離，且收縮應(yīng)變增長速率開始下降，收縮應(yīng)變曲線逐漸偏向橫軸，此階段稱為收縮第2發(fā)展階段；第3階段，此時(shí)收縮應(yīng)變增長趨于平緩，收縮應(yīng)變曲線開始收斂，曲線斜率大大降低，逐漸趨于水平，故此階段稱為收縮收斂階段.總結(jié)收縮應(yīng)變隨時(shí)間的變化特征，可將之概況為：前期快，后期慢，約180d時(shí)收縮基本完成.

圖1 不同條件下PVA-FRCC收縮應(yīng)變-時(shí)間變化曲線Fig.1 Shrinkage strain-time curves of PVA-FRCC under different conditions

2.1 環(huán)境相對濕度的影響

本試驗(yàn)中，試件分別放置于干縮養(yǎng)護(hù)室(DC)環(huán)境和自然養(yǎng)護(hù)(NC)環(huán)境中.圖1顯示在整個(gè)收縮過程中，相對于干縮養(yǎng)護(hù)室環(huán)境，自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的材料收縮應(yīng)變較大，360d時(shí)自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的各組試件收縮應(yīng)變是干縮養(yǎng)護(hù)室環(huán)境下的 1.25 倍左右.這是因?yàn)樗嗷牧蠒?huì)在水泥硬化過程中產(chǎn)生大量毛細(xì)孔道，當(dāng)水分蒸發(fā)后，毛細(xì)管束中產(chǎn)生的毛細(xì)管張力將對毛細(xì)管壁產(chǎn)生緊縮的壓應(yīng)力，從而引起基材的收縮變形.自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境下試件所處的環(huán)境介質(zhì)相對濕度較低，而相對濕度越低，水泥石中較細(xì)的孔隙水越容易蒸發(fā)，致使孔隙水形成的彎液面不再穩(wěn)定，存在于C-S-H膠凝內(nèi)層區(qū)的層間水隨著相對濕度的降低而產(chǎn)生較大的能量梯度，從而使得層間水向外遷移，進(jìn)而引起收縮[34-35].

由圖1還可發(fā)現(xiàn)：在相對濕度較大的干縮養(yǎng)護(hù)室環(huán)境下，收縮應(yīng)變曲線中第1階段末到第3階段開始，以及第2階段中的曲線斜率逐漸減小，變化梯度較小；在相對濕度較小的自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，收縮應(yīng)變曲線中第1階段末到第3階段起點(diǎn)的曲線斜率變化梯度較大，曲線斜率的減小較劇烈，而第2階段變化不明顯.說明在干縮養(yǎng)護(hù)室環(huán)境下，PVA-FRCC在中期產(chǎn)生的收縮占總收縮的比例大于自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的相應(yīng)比例，隨著相對濕度的提高其收縮趨勢有所緩和.這是由于在相對濕度較大的干縮養(yǎng)護(hù)室環(huán)境中，水泥水化作用可以在較長時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，且一直到收縮中后期仍然有較多的水化反應(yīng)進(jìn)行.

2.2 不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下PVA纖維體積分?jǐn)?shù)的影響

由圖1(a)可見，在360d時(shí)，干縮養(yǎng)護(hù)室環(huán)境下不摻纖維試件的收縮應(yīng)變是纖維體積分?jǐn)?shù)為 0.5%、1.0%、1.5%、2.0%試件的 1.01、1.02、1.03和1.03 倍，而自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境下上述各值分別為 1.03、1.04、1.06和1.10 倍.說明PVA纖維的摻入降低了基材的收縮應(yīng)變，且纖維體積分?jǐn)?shù)越高，材料的收縮應(yīng)變越小.這是因?yàn)榉稚⒃诨闹械腜VA纖維表面會(huì)吸附大量水分，形成一層水膜，當(dāng)材料內(nèi)部相對濕度降低時(shí)，纖維通過釋放自身吸收的水分來延緩材料內(nèi)部相對濕度的下降，起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，從而降低材料的收縮值[36]；同時(shí)，纖維分散在基材中，阻礙了水泥漿在結(jié)硬過程中的回縮，其作用與鋼筋、鋼纖維等抑制混凝土收縮的作用類似，故加入PVA纖維后，基材的收縮減小.但總體來說，纖維體積分?jǐn)?shù)不同試件的收縮應(yīng)變相差較小，說明纖維對基材收縮的影響非常有限.

同時(shí)，在干縮養(yǎng)護(hù)室環(huán)境下，各類工況的收縮應(yīng)變曲線比較靠近；在自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，從第2階段開始一直到第3階段，收縮應(yīng)變曲線出現(xiàn)了較明顯的分離，說明相對于干縮養(yǎng)護(hù)室環(huán)境，自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境下纖維對減小基材收縮的作用更大.這是因?yàn)樵诟煽s養(yǎng)護(hù)室環(huán)境中，環(huán)境相對濕度較大，水泥石收縮較小，纖維對收縮的阻礙作用體現(xiàn)得不明顯；反之，在自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境中，環(huán)境相對濕度較小，水泥石收縮較大，纖維對收縮的阻礙作用便體現(xiàn)得較明顯.

2.3 不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下水膠比的影響

由圖1(b)、(c)可以看出，在不同環(huán)境下，砂膠比分別為0.8、1.1時(shí)，在本次試驗(yàn)的水膠比變化范圍內(nèi)，PVA-FRCC的收縮應(yīng)變均隨水膠比的增大而增大，此特征與混凝土材料的收縮特性相似.這是因?yàn)殡S著水膠比的增加，用于水泥水化的水增加，這將導(dǎo)致其化學(xué)收縮增加，同時(shí)使得水泥漿中毛細(xì)管連通性提高，而毛細(xì)孔連通性越好，水分越容易遷移，水泥漿失水越嚴(yán)重，收縮越大.另外，在毛細(xì)管失水的同時(shí)，有時(shí)還會(huì)伴隨著吸附水甚至層間水的散失，使得水泥漿的收縮進(jìn)一步增加.

比較圖1(d)、(e)、(f)可見，在同一環(huán)境下，水膠比不同的3組曲線只有收縮應(yīng)變絕對值的不同，而其形態(tài)及每組曲線的相對關(guān)系基本無變化；比較圖1(b)、(c)可見，砂膠比不同的2組曲線也存在同樣性質(zhì).由此可見，水膠比和砂膠比在對PVA-FRCC收縮性能的影響中，二者耦合效應(yīng)較小.

2.4 不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下砂膠比的影響

由圖1(d)、(e)、(f)可見，不同環(huán)境下，水膠比分別為0.55、0.50、0.45時(shí)，在本次試驗(yàn)的砂膠比變化范圍內(nèi)，PVA-FRCC的收縮應(yīng)變均隨砂膠比的增大而減小.原因是隨著砂膠比的提高，骨料含量增多，而骨料本身在整個(gè)收縮過程中基本不產(chǎn)生變形，同時(shí)充斥于水泥漿中的骨料會(huì)對水泥漿的收縮產(chǎn)生阻礙作用，減小基材的收縮應(yīng)變.

3 PVA-FRCC材料收縮應(yīng)變的估算

目前對混凝土材料收縮計(jì)算模型的研究已經(jīng)較為成熟，國際上常用的有ACI 209R-92模型[14]、CEB-FIP90模型[15]、GL2000模型[16]、B3模型[17]等幾種.中國的TB 10002.3—2005《鐵路橋涵鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[37]和JTG 023—85《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[38]采用了CRB-FIP78模型，JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[39]采用了CRB-FIP90模型；GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[40]采用了歐洲的EN1992-2收縮模型.對于纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的收縮計(jì)算，文獻(xiàn)[41]提出了一種預(yù)測聚丙烯纖維水泥基復(fù)合材料塑性收縮開裂的模型；文獻(xiàn)[29]基于混凝土收縮計(jì)算模型的雙曲線函數(shù)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了超高韌性水泥基復(fù)合材料干縮與齡期的函數(shù)關(guān)系式，但此模型不能清晰地反映每個(gè)影響因素對材料收縮的影響；文獻(xiàn)[22]基于收縮機(jī)理，通過系統(tǒng)推導(dǎo)，給出了反映基體和纖維性能以及纖維取向特性影響的自由收縮表達(dá)式，但未反映水膠比、砂膠比、環(huán)境溫濕度等對收縮值的影響.因此本文擬通過試驗(yàn)研究，在考慮多種影響因素的基礎(chǔ)上，總結(jié)PVA-FRCC的收縮發(fā)展規(guī)律，對現(xiàn)有混凝土收縮計(jì)算模型進(jìn)行修正與改進(jìn)，從而得到符合PVA-FRCC的收縮估算模型.

ACI 209R-92、CEB-FIP90和GL2000這3種模型在計(jì)算混凝土收縮時(shí)，都采用了混凝土收縮應(yīng)變隨時(shí)間發(fā)展系數(shù)再乘以各影響因素對收縮的影響系數(shù)兩部分組成.本文在建立PVA-FRCC收縮估算模型時(shí)，參考以上計(jì)算方法，擬采取如下路線進(jìn)行研究：先排除其他各因素對收縮的影響，只考慮時(shí)間對收縮的影響，得出收縮隨時(shí)間發(fā)展系數(shù)βs(t-ts)；然后考慮各相關(guān)因素的影響，乘以各相關(guān)因素對收縮的影響系數(shù)，最終得到各工況下PVA-FRCC的收縮估算模型.

式(1)由上到下依次表示ACI 209R-92、CEB-FIP90和GL2000模型的收縮應(yīng)變隨時(shí)間發(fā)展系數(shù)βs(t-ts)：

(1)

式中：t為測試齡期,d；ts為試件的養(yǎng)護(hù)齡期,d；b為常數(shù)，濕養(yǎng)護(hù)時(shí)b=35，蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)b=55；h0為試件名義厚度，mm；V/S為試件的體表比,mm.

由式(1)可作出3種模型的收縮應(yīng)變隨時(shí)間發(fā)展系數(shù)曲線，如圖2所示.由圖2可見：CEB-FIP90和GL2000模型的收縮應(yīng)變隨時(shí)間發(fā)展系數(shù)曲線幾乎重合，且其發(fā)展趨勢與本文研究的PVA-FRCC收縮應(yīng)變發(fā)展趨勢較為吻合，基本呈現(xiàn)出早期發(fā)展迅速、中期曲線增長、后期趨于收斂的發(fā)展趨勢；而ACI 209R-92模型曲線早期發(fā)展趨勢較緩，與本文試驗(yàn)所得結(jié)論相差較大，故不予參考.

圖2 3種模型的收縮應(yīng)變隨時(shí)間發(fā)展系數(shù)Fig.2 Shrinkage strain with time coefficients of three models

本文借鑒CEB-FIP90 和GL2000模型的函數(shù)形式，同時(shí)排除其他因素，只考慮時(shí)間因素對收縮應(yīng)變的影響，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立了適用于PVA-FRCC收縮應(yīng)變隨時(shí)間發(fā)展系數(shù)的計(jì)算式:

(2)

排除其他影響因素，僅分析本文10組PVA-FRCC試件的收縮應(yīng)變隨測試齡期變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與式(2)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，所得結(jié)果見圖3.觀察發(fā)現(xiàn)，由式(2)得到的曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高.

PVA-FRCC不含粗骨料，其名義極限收縮應(yīng)變?chǔ)舥要大于混凝土材料.分析圖1可以發(fā)現(xiàn)，各組試件的360d收縮應(yīng)變均在3000μm/m左右.綜合考慮環(huán)境條件及收縮齡期等因素，本文建議PVA-FRCC的名義極限收縮應(yīng)變?chǔ)舥取為3200μm/m；同時(shí)考慮纖維體積分?jǐn)?shù)、水膠比、砂膠比、環(huán)境相對濕度等因素，建立PVA-FRCC收縮估算模型，見式(3)：

(3)

圖3 不同環(huán)境下試驗(yàn)數(shù)據(jù)與收縮應(yīng)變隨時(shí)間發(fā)展系數(shù)對比Fig.3 Comparison of experimental data and shrinkage strain with time coefficients under different environments

式中：ε(t,ts)為從養(yǎng)護(hù)結(jié)束到齡期t時(shí)發(fā)生的收縮應(yīng)變；γs h為收縮修正系數(shù)，γs h=k1·k2·k3·k4，其中k1為纖維摻量修正系數(shù)，k1=1.08-0.06φPVA，k2為水膠比修正系數(shù)，k2=0.45+mW/mB，k3為砂膠比修正系數(shù)，k3=1.51-0.63mS/mB，k4為周圍環(huán)境濕度修正系數(shù)，k4=1.4-0.007RH.

按式(3)計(jì)算所得的收縮應(yīng)變計(jì)算值與試驗(yàn)值的比值見表3.由表3可見，除個(gè)別點(diǎn)外，其余計(jì)算值與試驗(yàn)值的吻合度均較高.經(jīng)對比，建立的PVA-FRCC收縮估算公式計(jì)算值與試驗(yàn)值的比值均值為1.25，方差為0.50，誤差滿足工程精度要求.

表3 收縮應(yīng)變計(jì)算值與試驗(yàn)值的比值

4 結(jié)論

(1)與混凝土收縮發(fā)展過程類似，PVA-FRCC的收縮發(fā)展也呈現(xiàn)出前期快、后期慢，最后逐漸趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律.

(2)在本試驗(yàn)設(shè)計(jì)工況下，PVA-FRCC的收縮應(yīng)變隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而減小，但影響程度較小；隨著水膠比的減小、砂膠比的增大、環(huán)境相對濕度的提高，PVA-FRCC的收縮應(yīng)變減?。凰z比和砂膠比在對PVA-FRCC收縮應(yīng)變的影響中交叉耦合效應(yīng)較小.

(3)結(jié)合現(xiàn)有混凝土收縮預(yù)測模型及本文試驗(yàn)結(jié)果，提出了PVA-FRCC的收縮估算模型.通過與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比可知，估算模型公式的計(jì)算值與試驗(yàn)值之間具有較高的吻合度，誤差滿足工程精度要求.