■陳嘉齊
(福建省交通科研院有限公司,福州 350004)
混凝土裂縫會(huì)加速氯離子、硫酸鹽侵蝕降低結(jié)構(gòu)承載力,會(huì)降低耐久性加重安全隱患[1]。 為克服混凝土的易開裂問題,Li 等[2]基于微觀力學(xué)和斷裂力學(xué)理論,設(shè)計(jì)了具備應(yīng)變硬化和多縫開裂特征的水泥復(fù)合材料 (Engineered Cementitious Composites,ECC)。ECC 適用于各種建筑的建設(shè)和加固修復(fù),日本將噴射ECC 用于實(shí)際工程中,其已在壩體、橋面板、灌溉渠道、航道等修補(bǔ)工程中應(yīng)用。 由于ECC配料所用的纖維價(jià)格高昂,纖維費(fèi)用占總材料費(fèi)用近80%,目前ECC 大多采用日本進(jìn)口的聚乙烯醇纖維(Polyvinyl Alcohol Fiber,PVAF),其高昂的成本限制ECC 在工程上的應(yīng)用范圍,且進(jìn)口的纖維為12 mm,因其纖維過長(zhǎng)導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性差,噴射易堵管。
已有研究人員利用粉煤灰改善水泥的特性并在工程中應(yīng)用, 如普通粉煤灰可減低水泥水化熱、充實(shí)水泥基體、改善水泥和易性。 水泥水化產(chǎn)生大量的Ca(OH)2、C-S-H 凝膠等水化產(chǎn)物,拌合物快速變粘稠,流動(dòng)性變差。 粉煤灰取代水泥,粉煤灰摻量增加,水泥用量減少,水泥水化反應(yīng)減少,粘稠水化產(chǎn)物減少,可減少流動(dòng)度的損失。 然而,穆富江[3]認(rèn)為粉煤灰摻量影響到噴射ECC 力學(xué)性能。
針對(duì)混凝土流動(dòng)性差的問題,本研究從兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn),一是添加長(zhǎng)度為8 mm 的國(guó)產(chǎn)PVAF,以改善纖維過長(zhǎng)導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性差的問題,二是利用粉煤灰改善混凝土流動(dòng)性,并針對(duì)粉煤灰摻量對(duì)PVA-ECC 的工作和力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,以此獲得了一種可噴射高延性水泥基復(fù)合材料。
試驗(yàn)原材料: 福建煉石水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)P·O·42.5R 普通硅酸鹽水泥;粒徑100~200 目的精細(xì)石英砂;一級(jí)粉煤灰;一級(jí)偏高嶺土;減水率25%聚羧酸系高效減水劑Point-PC300;國(guó)產(chǎn)寶華林PVA 纖維,纖維具體性能:長(zhǎng)度8 mm、直徑40 μm、抗拉強(qiáng)度1 550 MPa、伸長(zhǎng)率6.3%、彈性模量3.9 GPa、密度1.3 g/cm3。
為研究粉煤灰摻量對(duì)PVA-ECC 的力學(xué)性能影響, 選取粉煤灰摻量為0、30%、40%、50%、65%的5 組配合比,對(duì)其性能進(jìn)行研究,具體配合比如見表1。
表1 可噴射PVA-ECC 配合比設(shè)計(jì)(質(zhì)量比)
按比例稱取硅酸鹽水泥、 粉煤灰、 偏高嶺土、HPMC、石英砂、水、減水劑、PVAF;將稱取好的硅酸鹽水泥、粉煤灰、偏高嶺土、HPMC 和石英砂投入攪拌機(jī),攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速(140±5)r/min 慢速干拌2 min,得到混合物A;將水與減水劑按比例進(jìn)行混合均勻后加入混合物A 中,攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速(140±5)r/min 慢速攪拌3 min;將PVAF 進(jìn)行分散,沿著旋轉(zhuǎn)方向緩慢投入PVAF,此時(shí)攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速(285±10)r/min;視纖維分散狀況攪拌5~8 min,即得可噴PVA-ECC 拌合物。
目前在國(guó)內(nèi)外尚未明確規(guī)范規(guī)定可噴射PVAECC 制備, 也未有專屬的試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)ECC 的流動(dòng)度。 可噴射PVA-ECC 拌合物的流動(dòng)性會(huì)隨著時(shí)間的增加而減少,工程應(yīng)用中也需考慮拌合物在運(yùn)輸途中造成的流動(dòng)度損失。 為保證在施工時(shí)候流動(dòng)度適宜,故需經(jīng)時(shí)損失試驗(yàn)測(cè)定經(jīng)時(shí)損失率。ECC 拌合物形態(tài)與水泥砂漿類似,參照GBT2419-2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》,測(cè)定拌合物流動(dòng)度及經(jīng)時(shí)損失率。 以D0定義為拌合物初始流動(dòng)度,分別測(cè)試0、60、90 min 后拌合物流動(dòng)度,采用公式(1)計(jì)算經(jīng)時(shí)損失率,采用見公式(2)評(píng)定拌合物的變形能力。
式中:St為經(jīng)時(shí)損失率;D0為PVA-ECC 拌合物初始流動(dòng)度(mm);Dt為經(jīng)過t 時(shí)間后的PVA-ECC拌合物流動(dòng)度(mm)。
式中:Γ 為經(jīng)時(shí)損失率;D0為PVA-ECC 拌合物初始流動(dòng)度 (mm);Dt為經(jīng)過t 時(shí)間后的PVAECC 拌合物流動(dòng)度(mm)。
參照GB50081-2002 《普通混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》, 試件尺寸100 mm×100 mm×100 mm,試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7、14、28、56 d。采用2 000 kN電液伺服系統(tǒng)萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試件抗壓強(qiáng)度。 試件承壓面垂直于澆筑面, 試驗(yàn)機(jī)采用荷載控制方式,加載速度為5.0 kN/s, 峰值荷載下降30%時(shí)加載停止。 ECC 立方體試件的抗壓強(qiáng)度按公式(3)計(jì)算:
其中: fc為立方體抗壓強(qiáng)度,單位MPa;F 為試件破壞荷載,單位kN;A 為試件承壓面積,單位mm2;K 為換算系數(shù),取0.95。
國(guó)內(nèi)目前沒有ECC 混凝土材料單軸拉伸的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),故本試驗(yàn)基于日本現(xiàn)有單軸拉伸試驗(yàn),根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備設(shè)計(jì)。 試件采用啞鈴型,試件尺寸參見圖1。 加載采用300 kN 萬能試驗(yàn)機(jī),儀器加載速度恒定為0.1 mm/min。 取啞鈴型試件中間100 mm 的區(qū)域?yàn)樽冃螠y(cè)量區(qū)段, 利用對(duì)稱布置在試件中央兩側(cè)的夾式引伸計(jì)測(cè)量100 mm 標(biāo)距長(zhǎng)度范圍內(nèi)的變形(圖2),并用試驗(yàn)機(jī)采集數(shù)據(jù)。引伸計(jì)通過自制的鋁合金架子用螺栓固定在試件上(圖3)。試驗(yàn)前,在啞鈴型試件測(cè)量區(qū)各個(gè)面對(duì)稱布置電阻應(yīng)變片以檢測(cè)軸向應(yīng)變,進(jìn)行幾何對(duì)中。
圖1 單軸拉伸試件尺寸
圖2 試件的應(yīng)變片布置
圖3 單軸拉伸試驗(yàn)測(cè)試
ECC 常用于結(jié)構(gòu)保護(hù)層, 其受力作用類似于板受力,則可通過薄板四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)試ECC 在彎拉荷載作用下的韌性。 目前ECC 薄板彎曲試驗(yàn)的試件尺寸并無統(tǒng)一規(guī)范,考慮纖維亂向分布,薄板厚度應(yīng)大于纖維長(zhǎng)度,試件寬度應(yīng)滿足試件寬度與纖維寬度至少3 倍比例的關(guān)系。 本研究采用李賀東[4]提出的薄板試件尺寸400 mm×100 mm×15 mm。 根據(jù)GB/T15231-2008 《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法抗彎性能》進(jìn)行加載試驗(yàn),將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)56 d 的薄板試塊按照?qǐng)D4 放置在加載裝置上(如圖5)。 控制通道設(shè)置為位移,速率為0.5 mm/min,目標(biāo)位移值為30 mm。 荷載—撓度曲線由MTS 試驗(yàn)機(jī)實(shí)時(shí)記錄。
圖4 四點(diǎn)加載法試件加載簡(jiǎn)圖
圖5 彎曲試驗(yàn)加載裝置
參照GB/T15231-2008 《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法抗彎性能》, 取荷載—撓度曲線上直線段端點(diǎn),定義該點(diǎn)荷載和撓度分別為初裂荷載和初裂跨中撓度, 對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度為抗彎比例極限強(qiáng)度,按公式(4)計(jì)算;取曲線上峰值點(diǎn)(荷載最大值處)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度為抗彎強(qiáng)度, 對(duì)應(yīng)的撓度為峰值撓度,按公式(5)計(jì)算;PVA-ECC 的能量吸收能力評(píng)價(jià)指標(biāo)T 定義如下:荷載—撓度曲線上荷載最大處點(diǎn),曲線面積與試件體積比值,按公式(6)計(jì)算。
其中: fLOP為抗彎比例極限強(qiáng)度,單位MPa; fMOR為極限彎拉強(qiáng)度, 單位MPa;P1為抗彎比例極限荷載,單位N;Pm為極限彎拉荷載,單位N;l 為支座間跨度,單位mm;b 為試件截面寬度,單位m;h 為試件截面高度,單位m;T 為材料對(duì)能量的吸收能力,單位kJ·m-3。
各組配合比可噴射PVA-ECC 拌合物流動(dòng)度測(cè)定、變形能力和經(jīng)時(shí)損失率見表2。 從表2 可知,經(jīng)時(shí)損失度最大是未加粉煤灰的E1 組。 E1 組含有大量的水泥,水泥水化產(chǎn)生大量的Ca(OH)2、C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物,拌合物快速變粘稠,流動(dòng)性變差。粉煤灰取代水泥,粉煤灰摻量增加,水泥用量減少,水泥水化反應(yīng)減少,粘稠水化產(chǎn)物減少,故減少流動(dòng)度的損失。
表2 可噴射PVA-ECC 流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果
從圖6 中可得出, 隨粉煤灰單摻從0、30%、40%、50%逐漸增加,可噴射PVA-ECC 拌合物初始流動(dòng)度從211 mm 增大到248 mm,拌合物的流動(dòng)度相較于未加粉煤灰的基準(zhǔn)組分別提高9.00%、13.74%、17.54%、9.48%。 拌合物的流動(dòng)度存在隨著粉煤灰摻量(≤50%)增加而增大的趨勢(shì)。 拌合物經(jīng)過60、90 min 后,其流動(dòng)性也基本遵循該趨勢(shì)。
圖6 粉煤灰摻量對(duì)可噴射PVA-ECC 流動(dòng)度影響
有2 個(gè)因素對(duì)拌和物的流動(dòng)度起決定的作用:一是固體顆粒之間的摩擦阻力,粉煤灰利用中存在光滑細(xì)微的玻璃體,玻璃體與固體微粒之間產(chǎn)生滾珠效應(yīng),可以降低混凝土、礦物摻合料微粒的摩擦阻力,起到增大拌和物流動(dòng)度作用;二是有效拌和水比,粉煤灰粒度小,取代水泥顆粒之間水分子原有位置,從而增加了拌合水比。 當(dāng)粉煤灰摻量小于50%時(shí),由于粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)和填充效應(yīng)的疊加作用,拌合物的流動(dòng)度隨著粉煤灰摻量的增加而增加。
但當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到65%時(shí),拌合物初始流動(dòng)度降低到231 mm,相較于粉煤灰摻量50%的拌合物流動(dòng)度減少6.9%。 這是由于粉煤灰顆粒比表面積大,易吸附自由水,導(dǎo)致有效拌和水比減少,故拌合物流動(dòng)度降低。3 種時(shí)間的流動(dòng)度比較發(fā)現(xiàn),粉煤灰摻量為65%經(jīng)時(shí)損失率最低,60 min 后損失率7.79%,90 min 損失率為14.29%。 未加粉煤灰流動(dòng)度損失的最大,60 min 后損失率15.17%,90 min 損失率為38.39%。 水泥水化產(chǎn)生大量的Ca(OH)2、CS-H 凝膠等水化產(chǎn)物, 導(dǎo)致拌合物快速變粘稠,流動(dòng)性變差。 從流動(dòng)性、粘聚性和保水性考慮,建議粉煤灰摻量為50%, 初始流動(dòng)最大且初始流動(dòng)為248 mm,60、90 min 后流動(dòng)度仍能在196 mm 以上。
由圖7 可知,粉煤灰摻量從0%提高到65%,各齡期可噴射PVA-ECC 的抗壓強(qiáng)度均減小。 在齡期7 d 時(shí),未加粉煤灰的E1 抗壓強(qiáng)度38.8 MPa,相對(duì)于E1,E2、E3、E4、E5 的抗壓強(qiáng)度分別下降11.7%、25.6%、39.6%、42.5%。 在齡期56 d 時(shí),E1 抗壓強(qiáng)度為59.5 MPa,相對(duì)于E1,E2、E3、E4、E5 的抗壓強(qiáng)度分別下降4.5%、8.9%、15.1%、22.0%。這是由于粉煤活性低, 粉煤灰水化反應(yīng)周期遠(yuǎn)大于水泥水化周期。文獻(xiàn)[5]中水泥水化深度10 μm 只要30 d 左右,而粉煤灰水化產(chǎn)物厚度1 μm 要720 d 左右時(shí)間。粉煤灰內(nèi)有一層致密物質(zhì)附在高活性細(xì)小光滑玻璃體上,阻礙其水化。 故粉煤灰取代水泥量增大,水泥水化反應(yīng)減小,水化產(chǎn)物C-S-H 減少。對(duì)ECC 軸心抗壓性能有增強(qiáng)的C-S-H 量減少, 則表現(xiàn)為粉煤灰摻量提升,試件抗壓強(qiáng)度下降。
圖7 粉煤灰摻量對(duì)可噴射PVA-ECC 抗壓強(qiáng)度影響
可噴射PVA-ECC 在7 d 抗壓強(qiáng)度變化幅度大,56 d 抗壓強(qiáng)度下降趨勢(shì)減緩。 以粉煤灰摻量65%的E5 組為例,E5 組7 d 抗壓強(qiáng)度相較于E1 下降42.5%,56 d 抗壓強(qiáng)度E5 組相較于E1 下降22.0%,下降程度有所減小。已有研究掃描電鏡觀察粉煤灰水化反應(yīng)過程中發(fā)現(xiàn),粉煤灰水化產(chǎn)物與玻璃微珠之間存在水解層, 厚度大約為0.5~1 μm,粉煤灰水化反應(yīng)中不斷生成水化產(chǎn)物充實(shí)水解層,基體抗壓強(qiáng)度在緩慢增大。 粉煤灰在水化早期產(chǎn)生的水化產(chǎn)物量少,此時(shí)水解層疏松,對(duì)抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)不大。 水化反應(yīng)后期,粉煤灰和水泥水化析出的鈣離子吸附在玻璃體表層,緩慢侵蝕玻璃體,加速粉煤灰水化反應(yīng),水化產(chǎn)物充實(shí)水解層,基體強(qiáng)度得到提高。 水泥、粉煤灰水化反應(yīng)互相提供水化反應(yīng)所需物質(zhì),促進(jìn)兩者水化(表3)。
表3 可噴射PVA-ECC 試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果
PVA-ECC 啞鈴試件在拉伸荷載作用下的裂縫形態(tài)(圖8),能觀察到可噴射PVA-ECC 表現(xiàn)出典型的多縫開裂現(xiàn)象。
圖8 試件多縫開裂現(xiàn)象
圖9 中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)可見,(a)為未加礦物摻合料試件應(yīng)力—應(yīng)變曲線,曲線在彈性階段呈線性增長(zhǎng)。 彈性階段結(jié)束后,應(yīng)力向下波動(dòng)不明顯且次數(shù)不多,表明試件裂縫寬而且數(shù)量少,隨著應(yīng)力“鋸齒狀”波動(dòng),PVA-ECC 達(dá)到極限應(yīng)力后,應(yīng)力迅速下降,曲線無明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象。 粉煤灰摻量為30%的曲線如圖9(b),曲線進(jìn)入彈塑性階段后,應(yīng)力上下波動(dòng)次數(shù)顯著增多,應(yīng)力波動(dòng)均勻且密集。 這表明裂縫在穩(wěn)定開裂中,PVA-ECC 具備較好的應(yīng)變硬化特性,但應(yīng)力平穩(wěn)波動(dòng),硬化不顯著,且極限拉伸應(yīng)變不到2%。當(dāng)粉煤灰摻量繼續(xù)增加到50%時(shí)(即E4 組),應(yīng)力波動(dòng)次數(shù)多且波動(dòng)幅度大,表明PVA-ECC 在多裂縫開裂中,也岀現(xiàn)顯著應(yīng)變硬化現(xiàn)象, 硬化幅度大, 極限拉伸應(yīng)變達(dá)到4%。 當(dāng)粉煤灰摻量繼續(xù)增加到65%時(shí)(即E5 組),曲線在彈塑性段,應(yīng)力波動(dòng)有大幅度變化,表明出現(xiàn)較大裂縫,試件主裂縫寬,但也有多裂縫開裂現(xiàn)象,極限拉伸應(yīng)變?yōu)?%左右,與E4 組相比小許多。綜上,建議摻入50%粉煤灰,極限拉伸應(yīng)變可4%以上,充分體現(xiàn)PVA-ECC 的高韌性。
圖9 單軸拉伸試驗(yàn)應(yīng)力—應(yīng)變曲線
從圖10 可知, 提高粉煤灰摻量,PVA-ECC 抗拉強(qiáng)度會(huì)減少。 從28 d 齡期分析,粉煤灰摻入量為0%時(shí),PVA-ECC 抗拉強(qiáng)度最大值為3.49 MPa;粉煤灰摻量提高到65%,PVA-ECC 抗拉強(qiáng)度減小到最小值2.43 MPa,減少30.4%。 在粉煤灰摻量50%~65%區(qū)間內(nèi),抗拉強(qiáng)度下降趨勢(shì)最為顯著。 由于隨著粉煤灰增加,水泥量減少,故水泥水化反應(yīng)減少,抗拉強(qiáng)度降低。
圖10 粉煤灰對(duì)可噴射PVA-ECC 抗拉強(qiáng)度的影響
由圖11 可知, 與PVA-ECC 抗拉強(qiáng)度不同,粉煤灰摻量0~50%區(qū)間內(nèi),極限拉伸應(yīng)變隨粉煤灰取代水泥量增加而增大。從28 d 齡期分析,粉煤灰摻量從0 增加到50%,PVA-ECC 極限拉伸應(yīng)變從1.33%增加到3.81%,大摻量粉煤灰顯著改變PVA-ECC 的韌性。 纖維在試件破壞的過程中,并未被直接拉斷,而是與基體界面發(fā)生相對(duì)滑移, 保證了纖維的超高韌性。 大摻量粉煤灰替代水泥,PVAF 與基體界面的化學(xué)粘結(jié)力和摩擦力減小, 纖維與基體的相對(duì)滑動(dòng)位移增大,因此增大了復(fù)合材料拉應(yīng)變(表4)。
圖11 粉煤灰對(duì)可噴射PVA-ECC 極限拉伸應(yīng)變的影響
表4 單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果
薄板試件破壞裂縫形態(tài)見圖12,即由于粉煤灰摻量增大,試件裂縫數(shù)量上升,裂縫間距減少。 在粉煤灰摻量50%時(shí),試件純彎段裂縫最細(xì)密。 由圖13可知,微小粉煤灰填充纖維與基體之間,粉煤灰內(nèi)光滑滾珠減少PVAF 與基體摩擦阻力。 粉煤灰的加入會(huì)降低PVA 與基體界面的化學(xué)粘結(jié)力和摩擦粘結(jié)力,從而提高纖維與基體界面之間的相對(duì)滑移,因此大摻量粉煤灰有助于國(guó)產(chǎn)PVA-ECC 提高韌性。
圖12 薄板試件多縫開裂圖
圖13 粉煤灰改善PVAF 與基體粘結(jié)作用
設(shè)置不同粉煤灰摻量研究國(guó)產(chǎn)PVAF 對(duì)ECC薄板彎曲性能變化,試驗(yàn)結(jié)果見圖14,PVA-ECC 內(nèi)粉煤灰含量對(duì)PVA-ECC 的抗彎強(qiáng)度和峰值撓度影響存在差異。 粉煤灰的摻入增多,PVA-ECC 的抗彎強(qiáng)度持續(xù)減小,峰值撓度則先增大后減小。 粉煤灰在膠凝材料占比從0%增加至65%的變化,PVAECC 抗彎強(qiáng)度從15.65 MPa 降低至11.22 MPa,減少28%(表5)。
圖14 PVA-ECC 荷載-撓度曲線
粉煤灰中微小滾珠圍繞PVAF, 減少纖維與水泥基體界面的粘結(jié)力, 從而減小PVA-ECC 的抗彎強(qiáng)度。 粉煤灰在膠凝材料占比從0%提高到50%,PVA-ECC 的峰值撓度從7.42 mm 增加至13.11 mm,增大76.7%。 隨著粉煤灰增加,PVA 與基體界面的化學(xué)粘結(jié)力和摩擦粘結(jié)力逐漸減小,而纖維與基體界面之間的相對(duì)滑移力增加,甚至從界面中拔出纖維,使得PVA-ECC 擁有超高延性。但隨著粉煤灰占比增加到65%,峰值撓度降到10.23 mm。因此,根據(jù)ECC 的韌性要求,粉煤灰的最佳摻量為50%。
表5 PVA-ECC 薄板四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果
本試研究了5 組不同粉煤灰摻量的可噴射PVA-ECC 的工作和力學(xué)性能影響,主要結(jié)論如下:(1)粉煤灰可顯著改善ECC 工作性能,提高ECC 流動(dòng)性、粘聚性、保水性。 與未加粉煤灰基準(zhǔn)組比較,單摻50%粉煤灰的拌合物流動(dòng)度提高9.48%。 (2)單摻粉煤灰超過30%,可噴射PVA-ECC 抗壓強(qiáng)度便下降。 在齡期28 d 時(shí),65%粉煤灰摻量的可噴射PVA-ECC 抗壓強(qiáng)度比未加粉煤灰下降23.9%。(3)抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度也隨著粉煤灰增加而下降,而粉煤灰摻量的增加有利于可噴射PVA-ECC 韌性的增強(qiáng),單摻50%粉煤灰的可噴射PVA-ECC 極限拉伸應(yīng)變3.81%,峰值撓度13.11 mm,試件破壞的裂縫細(xì)密,應(yīng)力應(yīng)變曲線平穩(wěn)。