石妍，李家正，呂興棟，李楊，蔣文廣

（1.長江科學院 材料與結構研究所，湖北 武漢 430010；2.水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心，湖北 武 漢430010）

0 引言

高延性纖維增強水泥基復合材料（ECC）是經(jīng)系統(tǒng)設計，在拉伸和剪切荷載下呈現(xiàn)高延展性的一種纖維增強水泥基復合材料[1-2]。ECC材料拉伸延性極高，纖維體積摻量為2%時，多裂縫平穩(wěn)展開，其應變能力是普通混凝土的幾百倍（單軸拉伸荷載下最大應變大于3%）[3]。其結構除了具有抗坍塌能力，還具有高抗損傷能力，遭受地震等破壞后的殘余裂縫寬度很小。同時，ECC在限制干燥收縮的條件下，裂縫寬度控制在30μm左右，可有效減少氯化物和硫酸鹽等侵蝕性介質對混凝土的破壞，從而提高結構的耐久性[4]。PVA纖維與鋼纖維復合，可降低ECC材料在高溫作用下拉伸強度與拉伸韌性的衰減速率[5]。因此，ECC的抗裂性強、安全性良好、耐久性超高。

在美國、日本和歐洲等國家及地區(qū)，ECC大量應用于邊坡加固、橋面修復、橋梁連接板及高層建筑連梁等領域[1，6]。近年來，國內在建筑工程及道路施工領域也有所應用，但目前ECC材料在水工建筑物中的應用較少。開裂一直是水工混凝土難以解決的問題，尤其是在大壩壩基廊道、堆石壩混凝土面板、堆石壩心墻等易裂易損部位，如能將高延性ECC材料用于水工建筑物，部分或全部替代水工混凝土應用于抗裂需求的關鍵部位，既可以擴展ECC的適用范圍，又有助于解決水工建筑物的開裂及滲漏問題，是非常值得探討的研究方向。

傳統(tǒng)ECC材料中水泥用量過高、石英砂的粒徑要控制在100μm以內[4，7]，其經(jīng)濟成本較高，無法滿足水利水電工程低成本、大宗量的應用需求，因此，需配制利用當?shù)卦牧?、技術經(jīng)濟成本適中的水工ECC材料。水工ECC是基于傳統(tǒng)ECC概念，在滿足設計要求的前提下，對原材料、生產(chǎn)拌合、澆筑施工及功能需求特點進行適應性調整，通過擴大原材料選擇范圍、采用現(xiàn)場人工砂并提高其最大粒徑、優(yōu)化制備工藝等措施，降低ECC制備難度及經(jīng)濟成本，形成具有水工特色的ECC技術。本文開展不同人工砂最大粒徑對水工ECC材料力學及變形性能的影響研究，旨在保持ECC高延性和變形能力的前提下，合理提高并確定人工砂最大粒徑，以降低材料加工及制備成本，配制適用于水工建筑的中等強度、低彈性模量、高延伸率與良好耐久性的水工ECC材料，為水利水電工程的建設與長期耐久提供技術參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：峨勝P·O42.5水泥，主要技術性能見表1，密度3.2 g/cm3，比表面積334 m2/kg，安定性合格，符合GB 175—2020《通用硅酸鹽水泥》的要求。

表1 水泥的主要技術性能

粉煤灰：金唐F類Ⅰ級，主要技術性能見表2，符合DL/T 5055—2007《水工混凝土摻用粉煤灰技術規(guī)范》的要求。

表2 粉煤灰的主要技術性能

PVA纖維：安徽皖維公司產(chǎn)，主要技術性能見表3，符合GB/T 21120—2018《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》中防裂抗裂纖維HF的要求。

表3 PVA纖維的主要技術性能

減水劑：蘇博特PCA高性能減水劑，減水率30%，符合GB 8076—2008《混凝土外加劑》的要求。

增稠劑：羥丙基甲級纖維素類，黏度200 Pa·s。

人工砂：取自某水電工程現(xiàn)場，巖性為黑云母石英片巖，原狀砂的主要技術性能見表4，符合DL/T 5144—2015《水工混凝土施工規(guī)范》的要求。

表4 人工砂的主要技術性能

按照最大粒徑控制，將原狀砂篩分加工為不同最大粒徑，包括5.0 mm（原狀砂）、2.5 mm、1.25 mm、0.63 mm、0.315 mm及0.16 mm，共6組，外觀照片見圖1，粒徑分布見表5，用于制備不同粒徑人工砂的水工ECC試樣，并進行性能對比。

表5 人工砂的粒徑分布

1.2 試驗方法

水工ECC的室內拌合采用強制式攪拌機，轉速約60 r/min。具體拌合工藝為：水泥、粉煤灰與砂先干拌1 min，然后加水（外加劑預先溶于水）濕拌2～3 min，最后添加PVA纖維，全料攪拌3～5 min，總攪拌時間為6～8 min。

水工ECC拌合物的坍落度、擴展度與含氣量參照DL/T 5150—2017《水工混凝土試驗規(guī)程》進行測試。凝結時間參照GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》進行測試，但僅測試不加PVA纖維的漿液拌合物，以避免PVA纖維對試針的影響。按照JC/T 2461—2018《高延性纖維增強水泥基復合材料力學性能試驗方法》的規(guī)定，分別進行水工ECC的立方體抗壓強度（試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm）、劈裂抗拉強度（試件尺寸為00 mm×100 mm×100 mm）、靜力抗壓彈性模量（試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm）、直接拉伸性能測試，試驗照片見圖2。

2 試驗結果與分析

2.1 拌合物性能

不同人工砂最大粒徑的水工ECC配合比及拌合物性能結果見表6。

表6 水工ECC的試驗配合比及拌合物性能

由表6可見，統(tǒng)一水膠比0.35、PVA纖維體積摻量2%、粉煤灰摻量50%時，為保持統(tǒng)一的ECC拌合物性能，人工砂最大粒徑每降低1個粒級，單位用水量需增加5 kg/m3。這是因為，人工砂越細，其填充了纖維與基材之間的空隙，使孔隙率降低，自由水的含量相對降低，纖維對ECC的流動性產(chǎn)生抑制作用，致使拌合物流動度降低[8-9]。因此，通過增加單方用水量，從而達到相對一致的坍落度與擴展度。水工ECC拌合物的坍落度為210～225 mm，擴展度為390～415 mm，流動性與粘聚性良好，無泌水現(xiàn)象，PVA纖維分散均勻。

6組漿液的初凝時間在10：45～13：29，終凝時間在11：35～14：20，初凝和終凝時間間隔約1 h。采用不同最大粒徑人工砂時，漿液的凝結時間有差異，各組間最多相差2 h45 min。保持原材料品種與配合比參數(shù)一致，人工砂越細，單位用水量增加，因此膠凝材料用量增多，致使?jié){液拌合物的凝結時間逐漸縮短。

2.2 抗壓強度與劈裂抗拉強度

采用不同最大粒徑人工砂制備的水工ECC試件，標準養(yǎng)護7 d、28 d與90 d齡期后，抗壓、劈裂抗拉強度及拉壓比結果見表7。

表7 不同粒徑人工砂水工ECC的抗壓、劈裂抗拉強度及拉壓比

由表7可見，隨著齡期的延長，水工ECC的抗壓與劈裂抗拉強度均逐漸提高。水膠比為0.35時，水工ECC的28 d抗壓強度滿足C25的配制強度要求（31.6 MPa）。本試驗采用大摻量的粉煤灰礦物摻合料（50%），因此試件的早期強度較低，但隨著齡期的延長，粉煤灰二次水化產(chǎn)物越來越多，細化了孔隙結構并降低孔隙率，使基體越來越密實，進而提高了水工ECC的后期強度[10]。水膠比是影響水泥基材料力學強度的主要因素，而相同水膠比下，人工砂最大粒徑越小，水工ECC的抗壓強度和劈裂抗拉強度均略有提高，且拉壓比整體呈上升趨勢，表明材料的脆性降低、韌性有所提高。這是因為人工砂越細，有助于改善材料內部結構的均勻性，易于PVA纖維的均勻分散，提高水工ECC的整體密實。

2.3 靜壓彈性模量和泊松比

水工ECC的28 d靜壓彈性模量和泊松比見表8。

彈性模量為單向應力狀態(tài)下應力與應變的比值，由表8可見，C25強度等級時，水工ECC的靜壓彈性模量平均值為20 GPa，明顯低于普通水工混凝土（約為30 GPa）。降低人工砂最大粒徑，水工ECC的彈性模量略有提高，這是因為其抗壓強度提高了，二者呈正相關的關系。泊松比為單向受壓時橫向應變與縱向應變之比值，水工ECC的泊松比平均值為0.29，高于同強度等級普通水工混凝土（約為0.22）[11]。因此，水工ECC的彈性模量低、泊松比高，表明了其韌性、變形能力及抗裂性能顯著優(yōu)于普通水工混凝土。

2.4 直接拉伸性能

選取具有代表性的3個人工砂最大粒徑，進行水工ECC單軸拉伸性能試驗，結果見表9，應力-應變曲線見圖3。

表9 水工ECC試件單軸拉伸性能結果

PVA纖維在水泥基材料中主要發(fā)揮了增韌作用[12-13]。由圖3可以看出，通過添加體積摻量2%的纖維，水工ECC材料表現(xiàn)出顯著的應變硬化現(xiàn)象，且人工砂越細規(guī)律性越好，這種現(xiàn)象多出現(xiàn)在具有很強塑性的金屬及合金材料中。首先曲線呈現(xiàn)彈性階段[14-15]，在試件產(chǎn)生初裂縫前是直線發(fā)展的；然后，進入多裂縫開裂階段，試件產(chǎn)生初裂縫后，載荷通過PVA纖維傳遞到鄰近的基體，此時PVA纖維發(fā)揮橋聯(lián)作用，標距段產(chǎn)生多條細密微裂縫，應力-應變曲線不斷低幅波動，但總體趨勢平穩(wěn)直至試件最終破壞。如果試件在開裂以后應力波動幅度較小，可取試件初裂應力為極限抗拉強度。

同時，水工ECC試件的直接拉伸性能顯著受人工砂最大粒徑的影響，其差異性明顯大于抗壓強度與劈拉強度。人工砂最大粒徑分別為5.0、1.25、0.315 mm時，水工ECC試件的極限延伸率分別可達到1.00%、2.14%、2.51%。人工砂越細，極限抗拉強度越高，極限延伸率也顯著增大。研究結果與已有文獻的規(guī)律基本相符，有研究表明[8]，采用最大粒徑0.3 mm的級配砂比最大粒徑為0.6 mm和1.18 mm級配砂所配制出的ECC材料能夠更好地實現(xiàn)應變硬化和多點開裂，且極限拉應變可達5.8%左右。纖維摻入基體并攪拌的過程中，人工砂粒徑越大，引入的空氣越多，使內部結構出現(xiàn)孔隙而形成薄弱環(huán)節(jié)的幾率增大，試件在受力過程中，薄弱界面處出現(xiàn)應力集中，從而降低了試件的承載力。因此，采用粒徑小的細砂，更能有效發(fā)揮纖維在水工ECC中的阻裂增韌效果，從而提高其直接抗拉性能。

3 結論

（1）固定其他條件，人工砂最大粒徑分別為5.0、2.5、1.25、0.63、0.315、0.16 mm時，每降低1個粒級，水工ECC的用水量需增加5 kg/m3，以滿足其良好的流動性、粘聚性與纖維分散性要求。人工砂越細，水工ECC的凝結時間越短。

（2）水膠比為0.35時，試驗的水工ECC抗壓強度均滿足C25配制強度要求；隨著人工砂最大粒徑的降低，水工ECC的抗壓強度和劈拉強度略有提高，拉壓比增大，表明材料的脆性降低、韌性提高。

（3）水工ECC的28 d靜壓彈性模量平均值為20 GPa，泊松比平均值為0.29，明顯低于普通水工混凝土。人工砂越細，水工ECC的彈性模量隨強度的提高略有增加。

（4）水工ECC拉伸時表現(xiàn)出顯著的應變硬化現(xiàn)象，人工砂越細，極限抗拉強度和極限延伸率明顯增加。人工砂最大粒徑分別為5.0、1.25、0.315 mm時，水工ECC的極限延伸率分別可達到1.00%、2.14%、2.51%。

（5）綜合試驗結果，推薦人工砂最大粒徑為1.25 mm，以制備低彈模、高韌性且長期耐久的水工ECC材料，達到良好施工性能、C25強度等級、不低于2%極限延伸率的技術要求，可用于壩基廊道、堆石壩面板或心墻等抗裂關鍵部位。