徐偉鋮， 李賀東

（浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310018）

0 引言

噴射混凝土是使用噴射機械將配制好的混凝土拌和均勻，通過空氣壓力或其他動力將其高速噴射在結(jié)構(gòu)表面上，并快速凝結(jié)硬化的混凝土[1]。作為混凝土材料，噴射混凝土具有一些不可避免的缺點，例如具有抗拉強度低[2]、耐久性差[3，4]，剛度較大屬于脆性材料等。

超高韌性水泥基復(fù)合材料（簡稱UHTCC）利用斷裂力學(xué)和微觀力學(xué)原理對系統(tǒng)進行設(shè)計、調(diào)整和優(yōu)化，所得的復(fù)合材料在僅使用約2%纖維體積率的摻量下就可以得到拉伸應(yīng)變能力大于3%的新型復(fù)合材料[5-7]。其出色的拉伸性能[8]、彎曲性能[9]、剪切性能和可控的裂縫寬度能力，為材料和結(jié)構(gòu)的耐用性提供了保證。UHTCC在噴射混凝土中的應(yīng)用可以提高噴射混凝土的綜合性能，同時利用噴射技術(shù)，UHTCC材料可以實現(xiàn)大面積的快速施工。

近年來，由于UHTCC具有超高韌性和高效施工的特點，在修復(fù)或加固受損結(jié)構(gòu)方面具有廣闊的應(yīng)用前景，國內(nèi)外一些大型工程項目應(yīng)用了噴射UHTCC，如，日本對廣島Mitaka大壩[10]采用UHTCC噴射技術(shù)覆蓋了一層30mm厚保護層，以限制裂縫開展和防止?jié)B漏；美國運用噴射UHTCC修補了Michigan Ctrtis公路損壞的路面板[11]；國內(nèi)徐世烺團隊[12,13]研制出可持續(xù)噴射UHTCC，研究結(jié)果表明噴射方向?qū)Σ牧系目估瓘姸群徒缑婕羟袕姸扔泻艽蟮挠绊?，噴射UHTCC向下噴射時具有最佳的粘結(jié)性能。

目前國內(nèi)噴射UHTCC基本選用普通硅酸鹽水泥，其生產(chǎn)時存在著能耗高、CO2排放量大[14]等缺點，同時硅酸鹽水泥本身干燥收縮大，耐久性較差，因此選擇了高貝利特硫鋁酸鹽水泥，其具有燒成溫度低，早強快硬、低干縮、抗硫酸鹽侵蝕、耐久性好等優(yōu)點，且快硬快凝的特點更加適合可噴射性能的要求[15,16]。

文中試驗在研制一種噴射性能良好的高貝利特硫鋁酸鹽水泥噴射UHTCC，并開展抗壓試驗、直接拉伸試驗、四點彎曲試驗，以抗壓強度、抗拉強度、彎曲強度為指標(biāo)對其力學(xué)性能進行研究和分析。

1 試驗概況

1.1 試驗材料與制作

試驗配合比包括高貝利特硫鋁酸鹽水泥（C）、粉煤灰（FA：I級粉煤灰）、硅粉（SF：艾肯?920U）、PVA纖維,（性能參數(shù)見表1）、100-200目硅砂（S）、可再分散乳膠粉（LP：VINNAPAS?5010N）、聚梭酸系高效減水劑4930F（SP：德國巴斯夫美爾福斯公司Melflux4930 F）、硼酸（RE：無錫市展望化工試劑有限公司）、觸變劑為987（TH：美國 ROCKWOOD 公司 OPTIBENT?987）等外加劑，用自來水拌和。水泥選用唐山北極熊建材有限公司的42.5高貝利特硫鋁酸鹽水泥。試驗混凝土水膠比為0.30，砂率100%，其配合比見表3。

表1 PVA纖維性能參數(shù)

表2 高貝利特硫鋁酸鹽水泥性能參數(shù)

表3 混凝土配合比（質(zhì)量比）

攪拌前先用清水沖洗干凈攪拌機，待干后將膠凝材料、干粉料以及外加劑等材料一起倒入攪拌機，干拌1min充分攪勻混合后，加入預(yù)先盛好的水、高效減水劑攪拌攪拌2min，最后加入PVA纖維，攪拌2～3min至纖維均勻分布即可制成UHTCC新鮮拌合物。

噴射時采用濕噴法進行人工噴射，距離噴射面1m自下而上逐層從左往右向模內(nèi)噴射完成見圖1。噴射24h后拆模，送標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護，養(yǎng)護至7d齡期時將大板切成標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件（切割時與噴射方向相同從左往右切割），切割后放入養(yǎng)護室繼續(xù)養(yǎng)護至指定齡期。試件的尺寸如表4所示。

圖1 噴射UHTCC施工示意圖

表4 噴射UHTCC基本力學(xué)性能試件尺寸mm3

1.2 試驗方法

立方體抗壓試驗采用LM-02型數(shù)字式測力儀加載，加載速率為1.5kN/s；直接拉伸試驗采用SANS-30kN萬能試驗機加載，用IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集試驗數(shù)據(jù)，其加載方式和裝置如圖2所示。試件中部量取100mm作為測量段，采用LVDT測量拉伸變形，加載速率為0.1mm/min；彎曲試驗采用四點彎曲加載，加載方法和裝置如圖3所示，采用LVDT測量跨中撓度，加載速率為0.5mm/min。

圖2 拉伸試驗裝置

圖3 彎曲試驗裝置

2 試驗結(jié)果與分析

12mm-PVA噴射UHTCC新鮮狀態(tài)下坍落度為7.8cm，初凝時間約為40min，終凝時間為65min，基體硬化較快。試驗過程中噴射UHTCC泵送性能良好，基本無堵管現(xiàn)象，噴出的UHTCC呈現(xiàn)霧狀擴散見圖4，一次性噴射厚度可達3cm以上見圖5，密度為1.71kg/m3，噴射UHTCC在垂直面上的回彈率控制在5%以下，整體噴射性能良好。

圖4 噴射效果

圖5 噴射厚度

2.1 立方體抗壓試驗

噴射UHTCC抗壓強度試驗結(jié)果如表4所示。

表5 噴射UHTCC抗壓試驗結(jié)果

噴射UHTCC抗壓試驗表明：①12mm-PVA噴射UHTCC早期7d齡期抗壓強度為26.7MPa，28d齡期抗壓強度為42.0MPa，摻入高貝利特水泥后期強度繼續(xù)發(fā)展，56d齡期抗壓強度可達到50.90MPa；②8mm-PVA噴射UHTCC抗壓強度發(fā)展趨勢與12mm-PVA配比大致相同，同齡期抗壓強度略低于12mm-PVA噴射UHTCC；③使用12mmPVA纖維的可噴射UHTCC在各齡期下的抗壓強度皆高于使用8mm纖維的情況。

2.2 直接拉伸試驗

直接拉伸試件于加載前1d從養(yǎng)護室中取出，待試件干燥后，用環(huán)氧樹脂將碳纖維布粘貼在兩端夾緊件上，再用環(huán)氧樹脂將鋁片粘貼在試件兩端，以減輕因夾具的夾持力可能引起的應(yīng)力集中見圖6。

圖6 噴射UHTCC直接拉伸試驗前試件準(zhǔn)備

噴射UHTCC直接拉伸試驗結(jié)果如表6所示。

表6 噴射UHTCC直接拉伸試驗結(jié)果

噴射UHTCC直接拉伸試驗表明：①12mm-PVA噴射UHTCC其早期抗拉強度提高較快，7d齡期極限抗拉強度為3.14MPa，是28d齡期的90%，后期抗拉強度繼續(xù)發(fā)展，56d極限抗拉強度可以達到3.64MPa；②12mm-PVA噴射UHTCC極限拉伸應(yīng)變隨齡期的增加而減小，從7d齡期拉伸應(yīng)變?yōu)?.03%到56d齡期拉伸應(yīng)變?yōu)?.32%；③8mm-PVA噴射UHTCC與12mm-PVA配比相比同齡期抗拉強度、拉應(yīng)變都明顯下降，這可能是因為基體本身的變化以及在噴射施工時工藝的差別造成的。

圖7為12mm-PVA噴射UHTCC直接拉伸試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？梢钥闯?，隨著齡期的增加，噴射UHTCC在應(yīng)力基本不變的條件下，極限拉伸應(yīng)變不斷減小，應(yīng)變硬化區(qū)逐漸變短；同時，應(yīng)力應(yīng)變曲線的抖動幅度增大，7d較14d、28d、56d齡期在硬化段振動頻率和幅度相比是減緩的，這也與試樣表面觀察到的多縫開裂現(xiàn)象隨齡期的增加更為顯著的結(jié)果相一致見圖8。另外，拉伸破壞呈現(xiàn)延性破壞方式，破壞面纖維以拔出為主，纖維表面無明顯削剝或磨損。

圖7 12mm-PVA噴射UHTCC直接拉伸試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8 12mm-PVA噴射UHTCC直接拉伸試驗最終破壞裂縫形態(tài)

厚度改變對薄板的真實彎曲強度、工作性能及耐久性能均有重要影響，采用15、30、60mm的3個不同尺寸厚度的薄板進行四點彎曲試驗（噴射面作為受拉面），28d齡期噴射UHTCC的四點彎曲試驗結(jié)果如表7所示。

表7 噴射UHTCC四點彎曲試驗結(jié)果

噴射UHTCC四點彎曲試驗表明：通過對圖9的分析可知，隨著板厚的增加，12mm-PVA噴射UHTCC對應(yīng)的極限彎曲強度、跨中撓度、開裂強度依次減小，同時抖動頻率也依次減少，多縫開裂現(xiàn)象下降見圖10；12mm-PVA噴射UHTCC 60mm厚薄板試件彎曲強度雖然低于15、30mm厚試件的彎曲強度，但極限彎曲強度也可達8.75MPa，峰值荷載對應(yīng)的跨中撓度為為2.63mm，在需要搶修、加固較大厚度結(jié)構(gòu)工程時滿足其對材料的彎曲性能要求。

圖9、圖10在結(jié)構(gòu)破壞過程中，噴射UHTCC還顯示出了優(yōu)異的裂縫無害化分散能力；8mm-PVA噴射UHTCC與12mm-PVA配比相比極限彎曲強度、跨中撓度皆有所下降，可見纖維長度增長對其彎曲性能有所增強。

圖9 12mm-PVA噴射UHTCC四點彎曲試驗應(yīng)力-跨中撓度曲線

圖10 12mm-PVA噴射UHTCC四點彎曲試件最終破壞裂縫形態(tài)

3 結(jié)語

文中利用高貝利特硫鋁酸鹽水泥發(fā)展可噴射UHTCC，經(jīng)過一系列的試驗分析，可得到如下結(jié)論：

（1） 文中研制的噴射UHTCC泵送性能良好，基本無堵管現(xiàn)象，霧化效果好，一次性噴射厚度可達3cm以上，回彈率控制在5%以下，整體噴射性能良好，適合用于噴射連續(xù)施工。

（2） 相較于8mm纖維，12mmPVA纖維顯然更適合用來發(fā)展噴射UHTCC，對應(yīng)可以獲得更高的抗壓強度和極限拉伸應(yīng)變，利用12mmPVA纖維開發(fā)的可噴射UHTCC28d抗壓強度可達42MPa，極限拉應(yīng)變可達到1.5%，其拉伸性能仍有較大的可提升空間。

（3） 12mm-PVA噴射UHTCC56d抗壓強度約為28d齡期強度的119%，其后期強度顯示出明顯的增長趨勢，伴隨抗壓強度的增長，相應(yīng)極限拉應(yīng)變降低至28d齡期的88%，其更長齡期性能未來仍需要持續(xù)觀測。

（4） PVA噴射UHTCC抗彎強度隨薄板厚度增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，但60mm厚UHTCC抗彎強度仍可穩(wěn)定達到8MPa以上，各厚度試件均呈現(xiàn)明顯的彎曲硬化和多縫開裂性能。