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        華南地區(qū)濕熱環(huán)境下工程水泥基復(fù)合材料配合比優(yōu)化及抗壓尺寸效應(yīng)研究*

        2022-08-01 08:21:56賀紹華李栩銘邱逸濤
        工業(yè)建筑 2022年3期
        關(guān)鍵詞:棱柱體立方體抗折

        賀紹華 李栩銘 邱逸濤 汪 毅

        (1.廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院, 廣州 510006; 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410075)

        普通混凝土存在質(zhì)量大、抗拉強(qiáng)度低、韌性差、補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)困難等缺點(diǎn),對(duì)結(jié)構(gòu)受力安全和耐久性造成不利影響。為克服上述不足,文獻(xiàn)[1-3]基于斷裂力學(xué)原理給出了聚乙烯醇工程水泥基復(fù)合材料(PVA-ECC),并對(duì)其基本力學(xué)性能進(jìn)行了系列研究[1-3]。PVA-ECC是一種在水泥砂漿里摻入1%~2%聚乙烯醇纖維(PVA)的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料,其相對(duì)普通混凝土抗拉強(qiáng)度更高、韌性更好、阻裂能力更強(qiáng)、耐久性更優(yōu)異。得益于工程水泥基復(fù)合材料(ECC)良好的能量耗散及變形能力,其在橋面板、路面修復(fù)和翻新、抗震結(jié)構(gòu)等工程建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[4]。

        目前,關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下ECC配合比和基本力學(xué)性能的研究已較多[5-6],但對(duì)日常氣候環(huán)境下滿足工程實(shí)際需求的ECC研究還很少。我國(guó)華南地區(qū)夏季6—9月日間平均氣溫30 ℃以上,年平均相對(duì)濕度超過(guò)80%。采用雙摻技術(shù)(外加劑和摻和料)和改變水泥用量,雖然可以提高材料的密實(shí)性和降低孔隙率,但濕熱環(huán)境常年較高的溫濕度會(huì)加快混凝土早期水化,影響ECC的力學(xué)性能[7-8]。目前,尚未見(jiàn)針對(duì)華南高溫潮濕環(huán)境下ECC合理使用配比及基本力學(xué)性能的研究報(bào)道。

        近年來(lái),ECC在梁、柱、墻等抗震結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位中的應(yīng)用日益增多,對(duì)其抗壓性能的研究也有諸多報(bào)道。胡春紅等探討了養(yǎng)護(hù)齡期、纖維類型對(duì)PVA-ECC抗壓強(qiáng)度的影響[9];文獻(xiàn)[5,10]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),ECC的抗壓強(qiáng)度隨水膠比的增大逐漸降低,而纖維摻量對(duì)ECC抗壓強(qiáng)度影響較小。國(guó)內(nèi)外對(duì)ECC抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的研究也正逐步展開(kāi)[11-17]。因國(guó)內(nèi)外尚缺乏統(tǒng)一的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),不同學(xué)者圍繞ECC抗壓尺寸效應(yīng)研究采用的試件類型、試件尺寸和測(cè)試方法各不相同,得到的ECC抗壓尺寸效應(yīng)規(guī)律也有所差異。李雪陽(yáng)等通過(guò)16組不同配合比的ECC抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),水膠比對(duì)其抗壓尺寸效應(yīng)影響最大,其次是粉煤灰摻量和砂膠比[18]。朱長(zhǎng)書(shū)等對(duì)ECC抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的研究[19]結(jié)果顯示,ECC的抗壓強(qiáng)度隨試件尺寸減小逐漸增大,邊長(zhǎng)為100 mm和40 mm的立方體抗壓強(qiáng)度明顯高于邊長(zhǎng)150 mm的立方體抗壓強(qiáng)度。李慶華等進(jìn)行的抗壓性能尺寸效應(yīng)試驗(yàn)[20]結(jié)果顯示,ECC的抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)明顯區(qū)別于普通混凝土,高寬比大于1∶1后,試件尺寸對(duì)ECC抗壓強(qiáng)度的影響基本可忽略不計(jì),該試驗(yàn)現(xiàn)象與普通混凝土抗壓強(qiáng)度隨棱柱體高寬比增大逐漸減小的規(guī)律明顯不同。在不良的養(yǎng)護(hù)環(huán)境下,ECC的內(nèi)部缺陷增加,尺寸效應(yīng)更明顯。實(shí)際工程通常為自然養(yǎng)護(hù),其尺寸效應(yīng)系數(shù)取值將區(qū)別于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

        為探究適于我國(guó)華南地區(qū)高溫潮濕環(huán)境(平均相對(duì)濕度超過(guò)80%、溫度30 ℃以上)的ECC合理使用配合比及其抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng),對(duì)濕熱養(yǎng)護(hù)環(huán)境下ECC的抗壓、抗折和劈拉性能進(jìn)行研究,分析粉煤灰、PVA纖維、養(yǎng)護(hù)環(huán)境和試件尺寸等因素對(duì)ECC基本材料力學(xué)性能的影響,探討不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下ECC的破壞模式和抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng),并給出適于我國(guó)華南濕熱地區(qū)的ECC合理使用配合比及其抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)換算系數(shù)。相關(guān)成果可為ECC在華南地區(qū)的工程應(yīng)用提供參考。

        1 濕熱環(huán)境下ECC配合比試驗(yàn)

        1.1 試驗(yàn)概況

        1.1.1試驗(yàn)配合比

        ECC由水泥、粉煤灰、細(xì)砂、纖維加水?dāng)嚢璩尚?。過(guò)高或過(guò)低的纖維摻量均將導(dǎo)致ECC強(qiáng)度降低和成本增加,目前較為常用的PVA纖維摻量為0.5%~2.0%[21-25]。粉煤灰顆粒的“微集料”效應(yīng)可以改變PVA纖維和水泥砂漿基體的界面特性,減緩濕熱環(huán)境下的早期水化速率從而減少內(nèi)部缺陷[26-27],并提高其經(jīng)濟(jì)性,但過(guò)高的粉煤灰摻量會(huì)降低ECC抗壓強(qiáng)度[22],影響其力學(xué)性能。目前,ECC配比中較為常用的粉煤灰摻量為45%~60%,對(duì)抗壓強(qiáng)度要求較高時(shí)摻量可降至20%以下[6,21-25]。基于此,以PVA纖維和粉煤灰摻量為試驗(yàn)參數(shù),設(shè)計(jì)6組不同ECC配合比,具體如表1所示。以膠凝材料(水泥和粉煤灰)的質(zhì)量為基準(zhǔn),配合比中膠凝材料的質(zhì)量比為1.00,粉煤灰摻量有35%和52%兩種,PVA纖維摻量分為0.5%、1.0%和1.5%三種,纖維基本力學(xué)性能見(jiàn)表2。采用P·O 42.5R水泥,I級(jí)粉煤灰,天然河沙。較低的水膠比可提高材料的抗壓強(qiáng)度,并有助于PVA纖維的分散[22],試驗(yàn)采用的水膠比為0.29。過(guò)高的砂含量會(huì)降低復(fù)合材料的多縫開(kāi)裂能力,試驗(yàn)采用的膠砂比均為0.375。

        表1 ECC配合比Table 1 Mix proportion of ECC

        表2 PVA纖維性能指標(biāo)Table 2 Property indexes of PVA fibers

        1.1.2試件制作與測(cè)試

        為研究ECC抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨各參數(shù)的變化規(guī)律,參照GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,立方體抗壓和劈裂抗拉試驗(yàn)均采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的試件,抗折試驗(yàn)采用40 mm×40 mm×160 mm棱柱體試件。

        各配合比均制作3個(gè)立方體抗壓試件、3個(gè)棱柱體彎折試件和3個(gè)立方體劈裂抗拉試件,共54個(gè)試件。所有試件采用塑料模具成型,混凝土澆筑完成后自然養(yǎng)護(hù)24 h脫模,然后置于平均相對(duì)濕度為80%、溫度為30 ℃的(華南濕熱環(huán)境)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)150 d。其中立方體抗壓試驗(yàn)和劈裂抗拉試驗(yàn)均通過(guò)量程為300 kN的C088-01壓力試驗(yàn)機(jī)加載,三點(diǎn)抗折試驗(yàn)采用量程為10 kN的YAW-300C抗折試驗(yàn)機(jī)加載。

        1.2 配合比試驗(yàn)結(jié)果及分析

        1.2.1破壞形態(tài)

        圖1為ECC立方體抗壓試件的典型破壞形態(tài)。不同于普通混凝土和常規(guī)水泥砂漿的受壓脆性破壞,ECC基體內(nèi)亂向分布的PVA纖維橋接作用有效阻止了初始微裂紋發(fā)展,使得其整體抗壓韌性得到顯著增強(qiáng)。ECC立方體受壓后豎向微裂紋非常豐富,表面無(wú)明顯的外鼓和剝落,其破壞后仍保持了較好的完整性。

        圖1 立方體試件受壓破壞形態(tài)Fig.1 The failure mode of cubic compression specimens

        圖2為ECC棱柱體抗折試件的典型破壞形態(tài)。加載過(guò)程中,棱柱體跨中底部首先開(kāi)裂,隨著荷載增大裂縫不斷向上延伸。對(duì)于纖維摻量較高的ECC棱柱體,由于連接裂縫兩側(cè)水泥砂漿的PVA纖維參與抗拉,裂縫寬度得到有效抑制,試驗(yàn)觀察到跨中裂縫最終未貫穿整個(gè)棱柱體。

        圖2 抗折試件破壞形態(tài)Fig.2 The failure mode of shearing specimens

        圖3為ECC劈裂抗拉試件的典型開(kāi)裂形態(tài)。劈裂荷載作用下,ECC立方體的上、下承壓面幾乎同時(shí)開(kāi)裂,裂縫不斷向立方體中部延伸直至貫通整個(gè)側(cè)面。由于PVA纖維橋接作用有效增強(qiáng)了材料韌性和延性,峰值荷載后ECC立方體仍保持了較好的完整性。

        圖3 抗拉試件破壞形態(tài)Fig.3 The failure mode of tensile specimens

        1.2.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        由不同配合比得到的ECC立方體抗壓、三點(diǎn)抗折和劈裂抗拉結(jié)果見(jiàn)表3。參照GB/T 50081—2016和JGJ/T 70—2009,以每組3個(gè)試件的強(qiáng)度平均值作為試驗(yàn)結(jié)果??梢钥闯?ECC的各類強(qiáng)度指標(biāo)隨粉煤灰和PVA纖維摻量的變化差異較大,粉煤灰摻量較低的配比(1~3組)各強(qiáng)度指標(biāo)整體優(yōu)于粉煤灰摻量較高的配比(4~6組)。

        表3 ECC試件實(shí)測(cè)強(qiáng)度Table 3 The measured strength of ECC MPa

        1.3 PVA纖維影響分析

        圖4為ECC立方體抗壓強(qiáng)度隨PVA纖維摻量的變化情況??梢钥闯?,粉煤灰摻量為35%時(shí),ECC的抗壓強(qiáng)度隨PVA纖維摻量增大先保持不變?nèi)缓笱杆贉p小。這是因?yàn)槔w維摻量超過(guò)1.0%后,ECC制作過(guò)程中PVA纖維極易結(jié)團(tuán),使混凝土內(nèi)部缺陷增多,導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。PVA纖維摻量由0.5%增加至1.5%,ECC的抗壓強(qiáng)度降低了9.4%。粉煤灰摻量為52%時(shí),ECC的抗壓強(qiáng)度隨PVA摻量增加近乎線性增大。纖維摻量由0.5%提高至1.5%,ECC的抗壓強(qiáng)度提高了10.6%。這是由于較多的粉煤灰顯著改善了PVA纖維與水泥砂漿基體的界面特性,攪拌過(guò)程中PVA纖維不易成團(tuán),且能充分發(fā)揮其增韌阻裂效果,進(jìn)而提高了ECC的抗壓強(qiáng)度[26]。

        圖4 PVA纖維摻量對(duì)ECC抗壓強(qiáng)度影響Fig.4 Influence of the PVA fiber content on ECC compressive strength

        圖5為ECC抗折強(qiáng)度隨PVA纖維摻量的變化情況。由于水泥砂漿基體的抗折強(qiáng)度很低,ECC的抗折主要通過(guò)PVA纖維抗拉實(shí)現(xiàn)。由圖5可知,ECC的抗折強(qiáng)度隨纖維摻量增多整體呈增大趨勢(shì)。PVA纖維摻量由0.5%增加到1.5%,粉煤灰摻量為35%和52%的ECC抗折強(qiáng)度分別提高了51.2%和30.0%。可見(jiàn),適當(dāng)增加ECC中PVA纖維摻量,可以顯著改善ECC的抗折性能。

        圖5 PVA纖維摻量對(duì)ECC抗折強(qiáng)度影響Fig.5 Influence of the PVA fiber content on ECC flexural strength

        圖6為ECC抗拉強(qiáng)度隨PVA纖維摻量的變化規(guī)律??梢钥闯?,隨著纖維摻量增加,ECC的抗拉強(qiáng)度先增大后減小。這是由于PVA柔軟易彎曲,過(guò)高的纖維摻量將增大水泥砂漿的黏稠度,使PVA纖維纏繞成團(tuán),進(jìn)而導(dǎo)致劈裂面缺陷增多影響其抗拉強(qiáng)度。結(jié)合表3,粉煤灰摻量為35%時(shí),PVA纖維摻量由0.5%增加到1.0%,ECC的抗拉強(qiáng)度提高了32.9%;繼續(xù)提高PVA纖維摻量至1.5%,ECC的抗拉強(qiáng)度降低了9.2%。粉煤灰摻量為52%時(shí),PVA纖維摻量由0.5%增加到1.0%,ECC的抗拉強(qiáng)度提高了46.0%;繼續(xù)提高PVA纖維摻量至1.5%,其抗拉強(qiáng)度降低了18.1%。可見(jiàn),適量的PVA纖維有利于增強(qiáng)ECC抗拉性能。

        圖6 PVA纖維摻量對(duì)ECC抗拉強(qiáng)度影響Fig.6 Influence of the PVA fiber content on ECC tensile strength

        綜上所述,隨著纖維摻量不斷增加,ECC的抗折強(qiáng)度逐漸增大,而劈拉強(qiáng)度呈先增大后降低趨勢(shì)。這是由于采用的40 mm×40 mm×160 mm抗折試件破斷面小,受隨機(jī)分散的內(nèi)部缺陷影響也小,增加纖維摻量可顯著增強(qiáng)斷面兩側(cè)纖維的橋接作用,抗折強(qiáng)度也隨纖維摻量增加逐漸提高。而采用的70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體劈拉試件破斷面相對(duì)較大,受初始缺陷的影響也更大,纖維摻量超過(guò)1.0%后,由于纖維結(jié)團(tuán)導(dǎo)致的斷面初始缺陷增多,致使抗拉強(qiáng)度有所降低。

        1.4 粉煤灰影響分析

        圖7為粉煤灰摻量對(duì)ECC基本力學(xué)性能的影響情況??梢园l(fā)現(xiàn),由于粉煤灰不存在二次水化過(guò)程,粉煤灰摻量過(guò)多將導(dǎo)致ECC內(nèi)部水泥水化產(chǎn)物不足,其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均有所下降。

        圖7 粉煤灰摻量對(duì)ECC基本力學(xué)性能的影響Fig.7 Influence of the fly ash content on ECC mechanical properties

        結(jié)合表3,將粉煤灰摻量由35%提高至52%,0.5%纖維摻量的ECC的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別降低了21.0%、7.0%和23.7%,1.0%纖維摻量的ECC的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度分別降低了19.9%、8.1%和16.2%,1.5%纖維摻量的ECC抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度分別降低了7.4%、21.6%和24.4%。

        比較可知,隨著PVA纖維摻量增加,粉煤灰對(duì)ECC抗壓強(qiáng)度的影響逐漸減小,但對(duì)其抗折強(qiáng)度影響逐漸增大。這是由于粉煤灰顆粒的“微集料”效應(yīng)雖可改善PVA纖維與水泥砂漿基體間的界面特性,減少纖維攪拌成團(tuán),但立方體試件內(nèi)部任一部位缺陷均將減小其受壓面積,致使立方體抗壓強(qiáng)度降低[28]。三點(diǎn)抗折試驗(yàn)棱柱體破壞面位于跨中,僅當(dāng)PVA纖維成團(tuán)位于跨中附近時(shí),其抗折強(qiáng)度才可能受到影響。綜上,PVA纖維摻量是影響ECC抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵因素,而增加粉煤灰和PVA纖維摻量均能提高ECC抗折強(qiáng)度。

        此外,圖7顯示粉煤灰摻量從35%提高至52%時(shí),不同纖維摻量的ECC抗拉強(qiáng)度均降低了約0.6 MPa。由于1.0%纖維摻量的ECC抗拉強(qiáng)度顯著高于其余纖維摻量配比,隨著PVA纖維摻量增大,粉煤灰對(duì)ECC抗拉強(qiáng)度的影響先減小后增大。綜上,ECC抗拉強(qiáng)度主要由PVA纖維摻量控制,而增加粉煤灰摻量也會(huì)降低ECC的抗拉強(qiáng)度。

        2 ECC抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)

        混凝土尺寸效應(yīng)直接關(guān)系到其真實(shí)抗壓強(qiáng)度和承載性能。由于ECC中亂向分布的PVA纖維可延緩、約束基體裂縫,使其具有良好的韌性和多裂縫開(kāi)展能力,其抗壓尺寸效應(yīng)將區(qū)別于脆性破壞的普通混凝土。為研究ECC的抗壓性能尺寸效應(yīng),在前述最佳配合比(配合比2)基礎(chǔ)上,對(duì)不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下ECC抗壓尺寸效應(yīng)展開(kāi)研究。

        2.1 試驗(yàn)概況

        2.1.1養(yǎng)護(hù)條件

        為探究不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下ECC的抗壓尺寸效應(yīng),試驗(yàn)參照GB/T 50081—2016和JIS A1805—2001《混凝土生產(chǎn)管理用試驗(yàn)方法》,設(shè)計(jì)3種不同養(yǎng)護(hù)條件:

        1)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境:試塊澆筑完成24 h后脫模,放入溫度為(20±2) ℃、相對(duì)濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d。

        2)濕熱養(yǎng)護(hù)環(huán)境:試塊澆筑完成24 h后脫模,與9月置于月平均溫度33 ℃、相對(duì)濕度80%的華南地區(qū)室外自然濕熱環(huán)境養(yǎng)護(hù)28 d。

        3)溫水養(yǎng)護(hù)環(huán)境:試塊澆筑完成1 h后,將密封試模放入(55±2) ℃溫水中養(yǎng)護(hù)24 h,然后取出脫模室內(nèi)常溫養(yǎng)護(hù)28 d。

        在高校協(xié)同創(chuàng)新成為國(guó)家戰(zhàn)略的背景下,大學(xué)生創(chuàng)業(yè)教育作為高等教育的重要內(nèi)容和辦學(xué)理念,也應(yīng)該成為協(xié)同創(chuàng)新體系中的重要內(nèi)容之一。協(xié)同創(chuàng)新是開(kāi)放式的創(chuàng)新模式,強(qiáng)調(diào)組織內(nèi)和組織外資源的挖掘和整合,具有開(kāi)放、合作、共享等特點(diǎn)。基于協(xié)同創(chuàng)新內(nèi)涵梳理,我們可以這樣理解:協(xié)同是手段,創(chuàng)新是目的。創(chuàng)業(yè)教育協(xié)同就是把與創(chuàng)業(yè)教育相關(guān)的主體聯(lián)動(dòng)起來(lái),把相關(guān)資源整合起來(lái),共同服務(wù)于創(chuàng)業(yè)教育的根本目標(biāo)——?jiǎng)?chuàng)新。

        其中,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境是ECC材性測(cè)試的基準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件,濕熱養(yǎng)護(hù)環(huán)境反映了華南地區(qū)常見(jiàn)的高溫潮濕氣候特征,溫水養(yǎng)護(hù)環(huán)境模擬了華南地區(qū)易發(fā)的強(qiáng)對(duì)流極端氣候特征。

        2.1.2試件制作及測(cè)試

        為探究不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下ECC的抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng),參照GB/T 50081—2016和JGJ/T 70—2009,設(shè)計(jì)立方體試件尺寸分別為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm、100 mm×100 mm×100 mm和150 mm×150 mm×150 mm,棱柱體尺寸分別為70.7 mm×70.7 mm×140 mm、100 mm×100 mm×200 mm和150 mm×150 mm×300 mm。

        3種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下,每種尺寸分別制作3個(gè)試件,共計(jì)54個(gè),采用量程為300 kN的C088-01壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載。

        2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.2.1主要試驗(yàn)結(jié)果

        不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下,3種尺寸的立方體破壞形態(tài)與圖1基本一致,養(yǎng)護(hù)環(huán)境和試件尺寸對(duì)ECC棱柱體破壞形態(tài)影響不明顯。圖8為棱柱體試塊的典型裂縫分布情況。加載過(guò)程中,可聽(tīng)到PVA纖維的拉斷和拔出的聲響,破壞后裂縫與棱柱體澆筑面呈30°~40°夾角。受PVA纖維橫向約束作用的影響,加載過(guò)程中未觀察到ECC脆性剝落,且試件破壞后整體性較好。

        圖8 ECC棱柱體受壓破壞形態(tài)Fig.8 The compressive failure mode of prism specimens

        表4為3種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下不同尺寸試件得到的ECC抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果??梢园l(fā)現(xiàn),同種養(yǎng)護(hù)條件下,ECC的抗壓強(qiáng)度隨試件尺寸增大總體呈先提高后降低的變化趨勢(shì);不同養(yǎng)護(hù)條件下,相同尺寸試件得到的ECC抗壓強(qiáng)度差異明顯。隨著養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度不斷升高,由邊長(zhǎng)100 mm和150 mm立方體得到的ECC抗壓強(qiáng)度先增大后減小,邊長(zhǎng)70.7 mm立方體得到的抗壓強(qiáng)度先增大后趨于穩(wěn)定;由100 mm×100 mm×200 mm和150 mm×150 mm×300 mm棱柱體得到的ECC軸心抗壓強(qiáng)度先降低后趨于穩(wěn)定,70.7 mm×70.7 mm×140 mm棱柱體得到的軸心抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小趨勢(shì)。究其原因,隨著養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度升高,ECC中膠凝材料水化速度加快且漸趨充分[6,9],立方體抗壓強(qiáng)度整體呈增大趨勢(shì)。對(duì)于邊長(zhǎng)為100 mm和150 mm的立方體,由于試塊體積和理論厚度較大,水化加速導(dǎo)致內(nèi)部缺陷增多,立方體抗壓強(qiáng)度略有減小。與此類似,隨著養(yǎng)護(hù)溫度升高,試塊體積和理論厚度均較小的70.7 mm×70.7 mm×140 mm棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度逐漸增大,而體積和理論厚度均較大的100 mm×100 mm×200 mm和150 mm×150 mm×300 mm棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度整體呈減小趨勢(shì)。

        表4 ECC抗壓尺寸效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results for compressive size effect of ECC MPa

        2.2.2抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)

        以邊長(zhǎng)為100 mm的立方體抗壓強(qiáng)度(fcu100)為基準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度,圖9給出了3種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下ECC立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cui與fcu100的比值分布。

        立方體尺寸單位為毫米。圖9 ECC立方塊抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)系數(shù)Fig.9 The size effect coefficient for compressive strength of cubic ECC specimens

        可以發(fā)現(xiàn),除溫水養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的fcu70.7與fcu100接近外,其余各組試件得到的fcui/fcu100均小于1.0。這是由于試驗(yàn)采用的PVA纖維長(zhǎng)度達(dá)到12 mm,邊長(zhǎng)100 mm立方體相對(duì)70.7 mm立方體尺寸更大,更利于發(fā)揮其內(nèi)部PVA纖維的橋接增韌阻裂作用。而對(duì)于邊長(zhǎng)150 mm的立方體,增大立方體尺寸雖更好地發(fā)揮了PVA纖維的增韌阻裂作用,但也使立方體內(nèi)部缺陷顯著增多,測(cè)得的立方體抗壓強(qiáng)度相對(duì)基準(zhǔn)強(qiáng)度也有所降低。

        標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的fcu70.7/fcu100和fcu150/fcu100分別為0.83和0.80,濕熱養(yǎng)護(hù)條件下的fcu70.7/fcu100和fcu150/fcu100分別為0.92和0.83,溫水養(yǎng)護(hù)條件下的fcu70.7/fcu100和fcu150/fcu100分別為1.02和0.71,3種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的立方體抗壓強(qiáng)度平均比值為fcu70.7∶fcu100∶fcu150=0.93∶1.00∶0.78。文獻(xiàn)[15]給出的ECC抗壓強(qiáng)度比值為fcu70.7∶fcu100∶fcu150=1.03∶1.00∶0.95,而文獻(xiàn)[21]給出的相應(yīng)比值為fcu40∶fcu70.7∶fcu100=1.04∶1.00∶1.07??梢园l(fā)現(xiàn),不同學(xué)者得到的ECC立方體抗壓強(qiáng)度比值差異較大。這是由于ECC中包含大量柔性PVA纖維,隨著立方體尺寸增大,纖維的橋接增韌阻裂作用逐漸增強(qiáng),而ECC內(nèi)部缺陷也迅速增多,兩者共同作用導(dǎo)致得到的ECC立方體抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)有所差異。

        以尺寸為100 mm×100 mm×200 mm的棱柱體抗壓強(qiáng)度(fc100)為基準(zhǔn)軸心抗壓強(qiáng)度,圖10給出了3種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下ECC軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)ci與fc100的比值分布??梢钥闯?,與立方體抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)類似,除濕熱養(yǎng)護(hù)下fc70.7高于fc100外,其余試件得到的fci/fc100均小于1.0。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的fc70.7/fc100和fc150/fc100分別為0.81和0.92,濕熱養(yǎng)護(hù)條件下的fc70.7/fc100和fc150/fc100分別為1.21和0.91,溫水養(yǎng)護(hù)條件下的fc70.7/fc100和fc150/fc100分別為0.87和0.97,3種養(yǎng)護(hù)條件下的ECC軸心抗壓強(qiáng)度平均比值為fc70.7∶fc100∶fc150=0.96∶1.00∶0.93。文獻(xiàn)[22]得到的ECC軸心抗壓強(qiáng)度隨尺寸增大規(guī)律與本試驗(yàn)結(jié)果相同,給出的fc40∶fc70∶fc100=0.96∶1.00∶0.90。而文獻(xiàn)[21]發(fā)現(xiàn)ECC軸心抗壓強(qiáng)度隨試件尺寸增大先減小后增大,給出的fc40∶fc70∶fc100=1.04∶1.00∶1.18。可見(jiàn),ECC的軸心抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)與普通混凝土軸心抗壓強(qiáng)度隨尺寸增大逐漸減小的規(guī)律并不一致,其原因與立方體抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的原因相同。

        棱柱體尺寸單位為毫米。圖10 ECC軸心抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)系數(shù)Fig.10 The size effect coefficient for axial compressive strength of ECC specimens

        2.2.3抗壓強(qiáng)度的尺寸換算系數(shù)

        標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下,ECC的立方體抗壓強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)為fcu70.7∶fcu100∶fcu150=0.83∶1.00∶0.80,軸心抗壓強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)為fc70.7∶fc100∶fc150=0.81∶ 1.00∶0.92;濕熱養(yǎng)護(hù)條件下,立方體抗壓強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)為fcu70.7∶fcu100∶fcu150=0.92∶1.00∶0.83,軸心抗壓強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)為fc70.7∶fc100∶fc150=1.21∶1.00∶0.91;溫水養(yǎng)護(hù)條件下,立方體抗壓強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)為fcu70.7∶fcu100∶fcu150=1.02∶1.00∶0.71,軸心抗壓強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)為fc70.7∶fc100∶fc150=0.87∶1.00∶0.97。

        可以發(fā)現(xiàn),除溫水養(yǎng)護(hù)條件下邊長(zhǎng)為70.7 mm的立方體抗壓強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)接近1.0外,其他養(yǎng)護(hù)條件下的立方體抗壓強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)均小于1.0。這是由于試驗(yàn)采用的PVA纖維較長(zhǎng),邊長(zhǎng)70.7 mm立方體因尺寸較小不利于纖維橋接增韌阻裂作用的發(fā)揮,致使強(qiáng)度相對(duì)基準(zhǔn)強(qiáng)度(fcu100)有所降低。溫水養(yǎng)護(hù)由于溫度最高,膠凝材料水化更充分,促進(jìn)了ECC強(qiáng)度的發(fā)展,使得該養(yǎng)護(hù)條件下fcu70.7與fcu100接近。對(duì)于邊長(zhǎng)150 mm的立方體,增大立方體尺寸雖更好地發(fā)揮了纖維的增韌阻裂作用,但也使立方體內(nèi)部缺陷顯著增多,導(dǎo)致fcu150相對(duì)fcu100的尺寸換算系數(shù)均小于1.0。

        此外,除濕熱養(yǎng)護(hù)條件下70.7 mm×70.7 mm×140 mm棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)大于1.0外,其他養(yǎng)護(hù)條件下各尺寸試件的軸心抗壓強(qiáng)度換算系數(shù)均小于1.0。其原因與立方體抗壓強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)類似,由于70.7 mm×70.7 mm×140 mm尺寸較小限制了PVA纖維的橋接增韌阻裂作用,導(dǎo)致fc70.7相對(duì)fc100要小。濕熱養(yǎng)護(hù)相對(duì)濕度最低,70.7 mm×70.7 mm×140 mm棱柱體具有相對(duì)較小的理論厚度,有利于水分向試件內(nèi)部擴(kuò)散,從而促進(jìn)膠凝材料水化,使得fc70.7相對(duì)其他尺寸試件更大。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        以粉煤灰、PVA纖維、養(yǎng)護(hù)環(huán)境和試件尺寸為基本參數(shù),對(duì)適于我國(guó)華南自然濕熱環(huán)境的ECC合理使用配合比和抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)進(jìn)行研究,探討了不同因素對(duì)ECC抗壓、抗折和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響,得到了不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的ECC抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)系數(shù),主要結(jié)論如下:

        1)PVA纖維的橋接作用可顯著改善ECC水泥基體的阻裂能力,并在一定程度上起到增強(qiáng)作用,但過(guò)量的PVA纖維將使ECC內(nèi)部纖維結(jié)團(tuán)而降低其抗壓強(qiáng)度。

        2)增大粉煤灰摻量會(huì)導(dǎo)致ECC立方體抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度降低,但有利于改善PVA纖維和基體的界面特性。

        3)ECC抗壓強(qiáng)度主要受PVA纖維控制,提高纖維摻量有利于增強(qiáng)ECC抗折強(qiáng)度,但會(huì)降低其抗拉強(qiáng)度,華南自然濕熱環(huán)境下,粉煤灰摻量為35%、PVA纖維摻量為1.0%的ECC配合比綜合性能最佳。

        4)ECC的立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度隨試塊尺寸增大先提高后降低,小尺寸試塊受環(huán)境因素的影響相對(duì)較大。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、濕熱養(yǎng)護(hù)、溫水養(yǎng)護(hù)下的立方體抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)平均系數(shù)為fcu70.7∶fcu100∶fcu150=0.93∶1.00∶0.78,軸心抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)平均系數(shù)為fc70.7∶fc100∶fc150=0.96∶1.00∶0.93。

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