崔雙雙，陳 潤，陳 艷，陳偉宏，陳樹輝

(1.地下工程福建省高校重點實驗室，福州 350118；2.福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院，福州 350118； 3.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州 350116；4.中交鷺建有限公司，福州 350108；5.健研檢測集團(tuán)有限公司，廈門 361004)

0 引 言

與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)的開裂滲漏問題，近年來受到越來越多的關(guān)注[1]。結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫后，為水帶入侵蝕性離子提供優(yōu)先運輸通道，這些侵蝕性離子會導(dǎo)致鋼筋腐蝕，降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，而混凝土中水分傳輸以毛細(xì)吸附為主[2]，因此研究混凝土的毛細(xì)吸水性能對于結(jié)構(gòu)的開裂滲漏問題具有重要意義。

工程中的混凝土結(jié)構(gòu)在服役階段都會受到一定的荷載作用，從而影響混凝土材料的毛細(xì)吸水性能，對此，研究人員主要對受到荷載作用后卸載的材料進(jìn)行了滲透分析。Yang等[3]對混凝土試件進(jìn)行了軸壓卸載后的吸水試驗。鮑玖文等[4]通過再生混凝土在軸壓重復(fù)荷載后的毛細(xì)吸水試驗，發(fā)現(xiàn)材料的毛細(xì)吸水質(zhì)量與吸水率隨應(yīng)力水平的提高呈增加趨勢。梁寧慧等[5]開展了軸壓卸載后的聚丙烯纖維混凝土試件的毛細(xì)吸水試驗，發(fā)現(xiàn)纖維的加入能降低混凝土在各個壓應(yīng)力水平下的累計吸水量與毛細(xì)吸水率。

但試件卸載后出現(xiàn)的損傷與持載時不同，材料會出現(xiàn)局部裂縫自愈與孔隙閉合情況，因此部分學(xué)者從荷載與水分傳輸?shù)鸟詈献饔玫慕嵌瘸霭l(fā)，對持壓荷載下混凝土的毛細(xì)吸水性能展開相關(guān)試驗研究。鮑玖文等[6]基于連通器原理改進(jìn)了試驗裝置，從而開展了荷載與水分傳輸?shù)鸟詈显囼灒M(jìn)行了再生混凝土在不同壓應(yīng)力水平下的毛細(xì)吸水性能的研究。王立成等[7]進(jìn)行了短期持壓荷載下高強混凝土的毛細(xì)吸水試驗，分析了不同高爐礦渣含量的混凝土處于不同應(yīng)力水平(0%～60%)下的毛細(xì)吸水性能。Choinska等[8]發(fā)現(xiàn)持壓荷載作用下的混凝土在較小的軸向壓力(不超過抗壓強度的 30%)下，能閉合其孔隙結(jié)構(gòu)與微裂縫，降低滲透性。Picandet等[9]指出在極限強度為80%～90%的單軸壓縮荷載作用下，混凝土的滲透性顯著提高。

由上述論述可知，目前對持壓荷載作用下材料的毛細(xì)吸水性能的探討主要是針對混凝土材料，但普通混凝土具有韌性差的缺點，結(jié)構(gòu)存在易開裂滲漏問題。

工程水泥基復(fù)合材料(engineered cementitious composite， ECC)是經(jīng)系統(tǒng)設(shè)計的一種高延展性材料，其拉伸應(yīng)變可達(dá)到3%～7%，是普通混凝土的300倍[10]，因此，本文考慮對控裂抗?jié)B性能良好的ECC進(jìn)行研究，但ECC傳統(tǒng)配合比中的聚乙烯醇纖維價格昂貴，不利于在工程中大面積推廣。其中，采用綠色環(huán)保價格低的劍麻纖維[11]替換ECC中傳統(tǒng)的增韌材料，可降低成本[12]。為了提高結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能，并且控制結(jié)構(gòu)材料的造價，本文擬采用劍麻纖維-ECC代替混凝土進(jìn)行抗?jié)B研究。通過正交試驗對劍麻纖維-ECC進(jìn)行材料優(yōu)化，選取劍麻纖維-ECC的最優(yōu)配合比，通過改進(jìn)實時吸水試驗裝置，實現(xiàn)了持壓荷載與水分傳輸?shù)耐今詈线^程，對劍麻纖維-ECC開展短期持壓荷載作用(壓應(yīng)力水平范圍為0%～40%)下的毛細(xì)吸水性能試驗，并與普通混凝土試件的抗?jié)B性能進(jìn)行對比分析。

1 劍麻纖維-ECC最優(yōu)配合比的選取

為了提高結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能，同時控制成本，選取劍麻纖維-ECC替代混凝土。由于正交試驗具備在減少試驗次數(shù)時能獲得最佳方案的優(yōu)勢，因此，本文首先采取正交試驗的方法，利用抗壓強度和抗彎強度兩個控制指標(biāo)對劍麻纖維-ECC的最優(yōu)配合比進(jìn)行選定，之后再根據(jù)最優(yōu)配合比進(jìn)行后續(xù)抗?jié)B性能試驗。為方便表述，后文中除特殊說明外，均用SF-ECC指代劍麻纖維-ECC。

1.1 試驗材料

試驗使用的原材料為P·O 42.5R級普通硅酸鹽水泥、粒徑為0.075～0.150 mm的石英砂、細(xì)度模數(shù)為3.1的機(jī)制砂、粒徑為5～10 mm的碎石、粒徑為0.003 1 mm的粉煤灰、粒徑為0.045 mm的礦粉、自來水、聚羧酸高效減水劑、長度為15 mm的短切劍麻纖維(密度1.3 g/cm3)。

1.2 抗壓和四點彎曲試驗方法

以抗壓強度和抗彎強度為指標(biāo)對正交試驗結(jié)果進(jìn)行選取，其中抗壓試驗設(shè)備為3 000 kN壓力試驗機(jī)，加載速度為0.4 mm/min，試驗試件為邊長70.7 mm的立方體試塊，試驗按《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)[13]展開。每組抗壓試驗設(shè)置3個試件，結(jié)果取平均值，抗壓試驗共計51個立方體試塊。為獲得材料的抗彎強度，采用1 000 kN 萬能試驗機(jī)對尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的試件進(jìn)行加載，加載速率為0.4 mm/min，試驗依據(jù)美國ASTM C1609四點彎曲試驗標(biāo)準(zhǔn)[14]進(jìn)行。每組設(shè)置3個試件，結(jié)果取平均值，四點彎曲試驗共計51個棱柱體試件。

1.3 正交試驗設(shè)計和結(jié)果

正交試驗是一種根據(jù)多因素和多水平制定正交試驗表，進(jìn)而展開試驗的方法[15]?；谡辉囼炘恚驹囼炑芯苛怂z比、砂膠比、粉煤灰摻量、劍麻纖維體積摻量4個因素對SF-ECC抗壓強度和抗彎強度的影響，每個因素設(shè)計4個水平。因素和水平見表1，試驗結(jié)果見表2。

各因素對試驗結(jié)果的影響通過極差R的大小確定，其值越大表明試驗結(jié)果受到該因素影響越大，極差由大至小依次排列，能夠得出不同因素對強度影響的主次順序，且表明各因素的重要性程度?，F(xiàn)以水膠比(A因素)為代表闡述極差的計算方法。

表1 正交試驗的因素和水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

表2 正交試驗結(jié)果Table 2 Orthogonal experiment results

表3 極差分析結(jié)果Table 3 Range analysis results

進(jìn)一步地，確定出各因素對材料強度的影響順序。各因素對抗壓強度影響的主次順序：水膠比>粉煤灰摻量>劍麻纖維體積摻量>砂膠比，各因素對抗彎強度影響的主次順序：水膠比>粉煤灰摻量>劍麻纖維體積摻量>砂膠比。

1.4 最優(yōu)方案確定

為了滿足建筑材料在實際工程中的運用，首先考慮材料的標(biāo)準(zhǔn)抗壓強度是否達(dá)到等級C40，其次需有不低于同等級混凝土的抗拉(抗彎)強度。因此，基于抗壓強度和抗彎強度這兩個控制指標(biāo)選取SF-ECC最優(yōu)配合比。從表2的試驗結(jié)果可知，抗壓強度的最佳方案為A1B2C2D2，抗彎強度的最佳方案為A2B2C1D4。

由于材料的抗彎性能可以反映出材料韌性的好壞，提高材料韌性可以增強自身的阻裂抗?jié)B能力，因此綜合選出抗彎強度最優(yōu)，且滿足結(jié)構(gòu)抗壓要求的方案作為抗?jié)B研究的基礎(chǔ)配合比，SF-ECC最優(yōu)配合比為A2B2C1D4，即水膠比0.30、砂膠比0.4、粉煤灰摻量0.3、礦粉摻量0.15和劍麻纖維體積摻量0.5%。

進(jìn)一步地，對最優(yōu)配合比下的SF-ECC以及一組對照組C40混凝土分別進(jìn)行坍落度測試、抗壓強度測試和軸拉性能測試。材料具體配合比見表4，測試結(jié)果如表5所示。從表5可以看出，優(yōu)化后SF-ECC的坍落度為155 mm，混凝土的坍落度為160 mm，均滿足《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》(GB 50108—2008)[16]中“材料的坍落度值需在120～160 mm”的要求。依據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)[13]，對邊長為150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊進(jìn)行抗壓強度測試，SF-ECC抗壓強度為42.3 MPa，混凝土抗壓強度為43.5 MPa，均滿足地下結(jié)構(gòu)側(cè)墻抗壓強度不小于C40的要求。制作狗骨試件,對最優(yōu)配合比下的SF-ECC進(jìn)行軸拉性能測試，并與C40混凝土試件軸拉性能進(jìn)行對比，SF-ECC與混凝土拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€如圖1所示。由圖1可知，SF-ECC的抗拉強度與混凝土的抗拉強度相比，相差不大，但SF-ECC在開裂后具有較好的應(yīng)力水平保留率。這些指標(biāo)都說明了優(yōu)化后的SF-ECC具有在實際工程中運用的可行性。

表4 材料配合比Table 4 Mix proportion of materials

表5 SF-ECC和混凝土的性能指標(biāo)對比Table 5 Comparison of property index of SF-ECC and concrete

圖1 試件的拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€Fig.1 Full tensile stress-strain curves of specimens

2 持壓加載與毛細(xì)吸水耦合試驗

材料的毛細(xì)吸水情況在一定程度上能夠反映出材料的抗?jié)B性能，為了解SF-ECC的抗?jié)B性能，利用正交試驗確定的SF-ECC最優(yōu)配合比制作試件，對其展開持壓加載下的毛細(xì)吸水試驗研究，同時設(shè)計一組C40混凝土進(jìn)行對比。

2.1 試件制備及養(yǎng)護(hù)

試驗所用原材料見1.1節(jié)，具體配合比見表4。制作了42個內(nèi)徑63 mm、外徑150 mm、高150 mm的中空圓柱體試件，其中SF-ECC與混凝土試件各21個，進(jìn)行5種不同應(yīng)力水平下的持壓-吸水耦合試驗，中空試件具體使用情況見表6。

本次試驗采用ABS模具(直徑150 mm，高150 mm)制作圓柱體中空試件。澆筑前使用AB膠將外徑63 mm的ABS管固定在ABS模具底板，圓心注意保持在底板正中。試件在室溫養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，隨后放入養(yǎng)護(hù)箱中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，并對試件的上下表面進(jìn)行打磨處理。為了測得試件的孔隙率從而獲得試件的毛細(xì)吸水率，首先要將試件置于澄清石灰水中(促進(jìn)試件中水泥的水化)浸泡一個月以上以達(dá)到完全飽和的狀態(tài)，接著將完全飽和的試件放入105 ℃恒溫烘干箱內(nèi)進(jìn)行完全干燥處理。

表6 中空試件使用情況Table 6 Usage of hollow specimens

2.2 改進(jìn)的持壓-吸水耦合試驗加載裝置

改進(jìn)的持壓荷載與毛細(xì)吸水耦合試驗裝置[6]如圖2所示。采用50 t機(jī)械千斤頂加載，并利用力傳感器與力采集箱對壓荷載值進(jìn)行實時監(jiān)測；基于連通器原理，在試件頂部及底部放置帶孔道的不銹鋼墊板，以便讓水充滿試件的中空部位；在上部出水口處與進(jìn)水口處設(shè)置不銹鋼寶塔頭，使之分別與水平觀測管(內(nèi)徑6 mm，外徑8 mm)和進(jìn)水軟管連接，形成連通裝置，裝置的進(jìn)出水通過小型抽水器與止水閥控制；中空試件的吸水量按水平觀測管內(nèi)的水柱變化記錄，為方便觀測，水平觀測管采用定制的L型玻璃管(粘有精度為1 mm的刻度紙)；為保證吸水裝置具有良好的密封性，將厚度為3 mm的環(huán)形橡膠密封墊(內(nèi)徑65 mm，外徑150 mm)粘結(jié)于中空試件的上下表面，在加壓的狀態(tài)下橡膠墊將會被壓實，從而可以防止裝置漏水。

2.3 持壓-吸水試驗方法

持壓吸水試驗包括前期準(zhǔn)備和正式加載兩部分，在持壓-吸水試驗正式開始前，首先要進(jìn)行試驗的前期準(zhǔn)備工作，主要包括中空試件的干燥曲線測定、初始孔隙率測定及極限抗壓強度測定，之后再對試件進(jìn)行正式加載。

2.3.1 前期準(zhǔn)備

毛細(xì)吸水試驗要求試件處于完全干燥狀態(tài)(即最不利狀態(tài))，因此在持壓-吸水試驗正式開始前，需取每組中3個試件進(jìn)行干燥曲線測定，即對試件在105 ℃恒溫烘干箱內(nèi)干燥處理，測定不同時間下的試件質(zhì)量，通過式(1)計算相對含水量θ，并繪制其與時間t的干燥曲線，進(jìn)而估算試件烘干時間，使試件達(dá)到完全干燥狀態(tài)后開展后續(xù)持壓-吸水試驗。

(1)

式中：θ為相對含水量，%；mi為某時刻中空試件的質(zhì)量，g；md和ms分別為中空試件在完全干燥狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的質(zhì)量，g。

圖2 持壓荷載與毛細(xì)吸水試驗裝置(1 反力架；2 千斤頂；3 力傳感器；4、6 上、下部帶孔不銹鋼墊板；5 中空試件； 7 鋼墊塊；8 觀測管；9 抽水器；10 蓄水桶；11 進(jìn)水塑料軟管；12 止水閥)Fig.2 Capillary water absorption test setup under sustained compressive loading (1 reaction frame; 2 jack; 3 load cell; 4， 6 upper and lower part steel backing plate; 5 cylindrical hollow specimen; 7 steel cushion block; 8 scaled tube; 9 water pump; 10 reservoir; 11 water injection tube; 12 water seal valve)

最終測得在不同時刻下的中空試件平均相對含水量，如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)SF-ECC及混凝土中空試件的烘干時間超過80 h時，θ隨時間延長緩慢下降。因此，本試驗假定試件在烘干80 h時處于完全干燥狀態(tài)，此時可進(jìn)行后續(xù)持壓-吸水耦合試驗。

圖3 中空試件平均干燥曲線Fig.3 Average drying curves of hollow specimens

試驗的前期準(zhǔn)備工作還包括初始孔隙率及極限抗壓強度測定[17]，初始孔隙率p0作為吸水率計算的中間計算參數(shù)，測定初始孔隙率可探究其對試件吸水量的影響，根據(jù)式(2)計算得到SF-ECC及混凝土中空試件的平均初始孔隙率,分別為23.02%和13.57%。

(2)

式中：p0為初始孔隙率，%；ms為中空試件浸水飽和時的質(zhì)量，g；md為中空試件被烘干80 h時的質(zhì)量，g；ρw為水的密度，g/mm3；Vc為中空試件的體積，2 182 025.25 mm3。

表7 中空試件各個壓應(yīng)力水平對應(yīng)的壓荷載值Table 7 Compressive loading values corresponding to different compressive stress levels of hollow specimens

2.3.2 正式加載

由預(yù)試驗可知，當(dāng)預(yù)壓荷載超過45%時，試件會立即產(chǎn)生透水裂縫導(dǎo)致無法進(jìn)行持壓-吸水耦合試驗，因此本次試驗設(shè)置的壓應(yīng)力水平取值范圍為0%～40%(以10%遞增，共5個壓應(yīng)力水平)。安裝好吸水裝置后，將中空試件加載至預(yù)估壓應(yīng)力水平對應(yīng)的壓荷載值并持壓穩(wěn)定5 min。接著打開止水閥，使水分通過帶孔不銹鋼墊板的孔道快速注入試件的中空部分。待中空試件及水平觀測玻璃管內(nèi)充滿水后關(guān)閉止水閥，此時開始記錄帶刻度的水平觀測玻璃管內(nèi)水柱的失水量，由此得到中空試件的累計吸水量(mm3)。由于注水過程較快，因此本試驗忽略注水時中空試件的吸水量。由預(yù)試驗得知，當(dāng)試件吸水超過12 h后，試件吸水變化緩慢且個別試件發(fā)生滲漏現(xiàn)象，因此本次試驗吸水時長設(shè)定為12 h。

3 持壓-吸水試驗結(jié)果與分析

3.1 試件破壞形態(tài)

通過實時吸水試驗裝置[6]，實現(xiàn)了加載與毛細(xì)吸水的耦合作用，圖4給出了中空試件在軸向持壓-吸水耦合試驗時的破壞形態(tài)。隨著持壓應(yīng)力水平的不同，不同試件出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象也不同。在0%～30%壓應(yīng)力水平作用下，SF-ECC試件在設(shè)置的持壓吸水時間范圍內(nèi)(12 h)未發(fā)生滲漏現(xiàn)象，如圖4(a)所示；在40%壓應(yīng)力水平作用下，隨著時間的推進(jìn)，SF-ECC試件表面出現(xiàn)滲水裂縫，可分為貫穿型滲水裂縫(見圖4(b))和局部型滲水裂縫(見圖4(c))；裂縫均沿著平行于壓荷載的方向發(fā)展，存在單條透水裂縫向多條透水裂縫發(fā)展的情況，如圖4(c)、(d)所示；當(dāng)出現(xiàn)滲水裂縫時，水平玻璃管中水量快速減少，SF-ECC試件的吸水速率明顯加快；在0%～40%壓應(yīng)力水平作用下，混凝土試件在設(shè)置的持壓吸水時間范圍內(nèi)一直未出現(xiàn)滲水裂縫，如圖4(e)所示。

圖4 持壓荷載試件吸水破壞情況Fig.4 Water absorption failure of compressive loading specimens

3.2 累計吸水量

吸水量是評價非飽和多孔材料吸水性能的重要參數(shù)，非飽和多孔材料在單位橫截面積中的毛細(xì)累計吸水量i(mm)計算通?？蓞⒄帐?3)[18]。

(3)

需要注意的是，吸水橫截面積Ac會隨著水分在試件中的徑向運動而不斷發(fā)生變化。為此，中空試件實際吸水的梯形截面可簡化為矩形截面，修正系數(shù)如式(4)所示。

(4)

式中：β為吸水截面面積的修正系數(shù)(β=梯形面積除以矩形面積)；Δms為矩形截面的累計吸水質(zhì)量，g；r為吸水半徑，mm；d為中空圓柱體的內(nèi)徑，63 mm。假設(shè)材料吸水飽和時的累計吸水體積與材料中的孔隙體積相等，即材料的孔隙中都充滿水，則Δt時間內(nèi)累積吸水質(zhì)量Δm為

(5)

式中：p為壓荷載作用下材料的有效孔隙率；h為中空圓柱體試件高度，150 mm。此外，試件吸水質(zhì)量等于水平觀測管內(nèi)水分累積減少的質(zhì)量，則

(6)

式中：d0為水平觀測管的內(nèi)徑，6 mm；Δl為水平觀測管內(nèi)水柱長度的變化值，mm。將式(5)、(6)合并得

(7)

對于試件有效孔隙率p的測定，由于影響當(dāng)前孔隙率的主要因素為彈性模量、泊松比、材料的初始孔隙率以及外部的等效荷載等，則壓荷載作用下中空試件的有效孔隙率為

(8)

式中：Eb和vb分別為材料的彈性模量與泊松比，SF-ECC的彈性模量取27 460 MPa，C40混凝土的彈性模量取33 050 MPa，SF-ECC的泊松比取0.19，C40混凝土的泊松比取0.25；qb為外部等效應(yīng)力，即所施加的壓應(yīng)力，拉正壓負(fù)，壓應(yīng)力應(yīng)取負(fù)值代入公式中計算，MPa；p0為初始孔隙率，假設(shè)干燥過程對材料孔隙率的影響可忽略，則可按2.3.1節(jié)中式(2)計算得到SF-ECC及混凝土中空試件的初始孔隙率p0。

圖5 不同壓應(yīng)力水平下中空試件累計吸水量曲線Fig.5 Cumulative water absorption amount curves of hollow specimens under different compressive stress levels

綜上分析可知，對于中空試件，簡化后的累計吸水量公式為

(9)

由整體變化趨勢可知：當(dāng)SF-ECC與混凝土試件受到的壓應(yīng)力水平介于0%～20%時，試件的毛細(xì)累計吸水量隨著壓應(yīng)力水平的升高而降低；當(dāng)壓應(yīng)力水平高于20%時，毛細(xì)累計吸水量則隨著壓應(yīng)力水平的增加而增加。分析原因：當(dāng)持壓應(yīng)力水平較低時，荷載作用在中空試件上形成壓合作用，部分孔隙和細(xì)微裂縫在試件內(nèi)發(fā)生閉合，使得試件吸水量減少；當(dāng)持壓應(yīng)力水平較大時，壓荷載會使試件內(nèi)部的裂縫發(fā)展，貫通，從而導(dǎo)致試件內(nèi)部出現(xiàn)較多的水分傳輸通道，最終表現(xiàn)為試件累計吸水量逐漸增大。持壓荷載作用對水分傳輸過程影響的示意圖見圖6[3]。

根據(jù)試件累計吸水曲線的斜率可知，在測定時間范圍內(nèi)，SF-ECC的吸水模式分為兩種：(1)初期吸水速度快于后期吸水速度(壓應(yīng)力水平在0%～30%時)；(2)初期吸水速度慢于后期吸水速度(壓應(yīng)力水平為40%時)。而混凝土在0%～40%壓應(yīng)力水平下僅有第一種吸水模式。

為便于對比分析，將不同中空試件累計吸水量進(jìn)行匯總，結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出：當(dāng)壓應(yīng)力水平為0%時，SF-ECC累計吸水量略大于混凝土，此時，SF-ECC吸水速度出現(xiàn)拐點的時間(約為440 min)較混凝土(約為360 min)晚，這是由于SF-ECC試件初始孔隙率較大，結(jié)構(gòu)中孔隙較多，造成試件吸水多且要更多的時間才能出現(xiàn)吸水飽和拐點。當(dāng)壓應(yīng)力水平在10%～30%時，隨著壓應(yīng)力水平的增大，SF-ECC吸水速度出現(xiàn)拐點的時間變早(且早于混凝土)，SF-ECC的累計吸水量明顯低于混凝土。對原因進(jìn)行分析：SF-ECC中不含粗骨料，材料能夠較好地被壓密實，材料中較多的孔隙及微裂縫封閉，使材料吸水量減少，拐點出現(xiàn)時間變早，此外，纖維具有橋接作用，可以在試件產(chǎn)生微裂縫時起到阻裂作用，從而減少微裂縫的數(shù)量，這也限制了毛細(xì)孔的數(shù)量，加大了毛細(xì)吸水難度。當(dāng)壓應(yīng)力水平為40%時，壓應(yīng)力使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷，內(nèi)部裂縫發(fā)展，貫通，水分的快速入侵使SF-ECC基體較快發(fā)生損壞，產(chǎn)生滲漏裂縫，故SF-ECC累計吸水量上升快且明顯超過混凝土。在該壓應(yīng)力水平下，SF-ECC累計吸水曲線出現(xiàn)兩次轉(zhuǎn)折點，轉(zhuǎn)折點對應(yīng)的時間與SF-ECC試件表面出現(xiàn)滲水裂縫的時間相同，即出現(xiàn)第一條裂縫時，SF-ECC-40%出現(xiàn)第一個轉(zhuǎn)折點，當(dāng)單裂縫發(fā)展為多裂縫時，SF-ECC-40%出現(xiàn)第二個轉(zhuǎn)折點，試件開裂情況可見圖4。

圖6 持壓荷載作用對水分傳輸過程影響的示意圖[3]Fig.6 Schematic diagram of effect of sustained compressive loading on water transfer process[3]

圖7 不同中空試件累計吸水量曲線Fig.7 Cumulative water absorption amount curves of different hollow specimens

3.3 毛細(xì)吸水率

材料的毛細(xì)吸水過程可分為初始階段和后期階段，材料處于初始階段時，表面快速吸水，處于后期階段時則吸水緩慢。圖5的累計吸水量曲線斜率變化漸緩，呈雙線性變化的曲線與材料在毛細(xì)吸水過程中的兩個階段相對應(yīng)。因此，基于毛細(xì)累計吸水量公式(3)，可雙線性擬合出各個壓應(yīng)力水平下的試件累計吸水量曲線，從而獲得中空試件在毛細(xì)吸水兩個階段的分界點(曲線拐點處)，由此可計算得到材料處于各個壓應(yīng)力水平下的初始吸水率S1以及后期吸水率S2，進(jìn)一步地，取兩者的平均值，并將該值作為中空試件的平均吸水率S，以此評價材料在毛細(xì)吸水全過程中的吸水率。圖8給出了SF-ECC試件與混凝土試件吸水率對比情況。中空試件吸水率計算結(jié)果見表8。對圖8進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：

(1)材料的吸水率隨著壓應(yīng)力水平的增加先減小后增大。持壓荷載的變化會使材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，而材料的毛細(xì)吸水作用會受材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的影響，在較小壓應(yīng)力水平下，材料中的部分孔隙與微裂縫會發(fā)生閉合，毛細(xì)吸水作用減弱，而隨著壓應(yīng)力水平的增大，材料中的裂縫發(fā)展，貫通，毛細(xì)吸水作用加強，因此材料的吸水率隨著壓應(yīng)力水平的增加先減小后增大。

(2)在0%～30%的壓應(yīng)力水平下，材料的初始吸水率S1要明顯大于材料的后期吸水率S2。在毛細(xì)吸水過程，材料內(nèi)部水分子的擴(kuò)散路徑可分為三種：(a)通過材料表面進(jìn)行的擴(kuò)散；(b)通過骨料-漿體界面進(jìn)行的擴(kuò)散；(c)通過材料本體進(jìn)行的擴(kuò)散。前兩種擴(kuò)散方式可稱為短路擴(kuò)散，其速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于第三種擴(kuò)散方式，因此材料的初始吸水率S1要明顯大于材料的后期吸水率S2。

(3)當(dāng)壓應(yīng)力水平在10%～30%時，SF-ECC的初始吸水率S1要明顯小于混凝土的初始吸水率S1；當(dāng)壓應(yīng)力水平在0%～20%時，SF-ECC的后期吸水率S2要明顯小于混凝土的后期吸水率S2；當(dāng)壓應(yīng)力水平在0%～30%時，SF-ECC的平均吸水率S明顯小于混凝土的平均吸水率S。

圖8 不同壓應(yīng)力水平下試件的吸水率Fig.8 Water absorption rate of specimens under different compressive stress levels

表8 中空試件吸水率Table 8 Water absorption rate of hollow specimens

(4)當(dāng)壓應(yīng)力水平為40%時，SF-ECC的后期吸水率S2要顯著大于前期吸水率S1。在較大的壓應(yīng)力水平下，SF-ECC內(nèi)部損傷大，裂縫擴(kuò)展貫通至試件表面，形成透水裂縫，因此后期吸水率S2顯著大于初期吸水率S1。

4 結(jié) 論

(1)抗彎性能最好且能夠滿足地下結(jié)構(gòu)側(cè)墻抗壓強度要求的SF-ECC最優(yōu)配合比為：水膠比0.3、砂膠比0.4、粉煤灰摻量0.3、礦粉摻量0.15和劍麻纖維體積摻量0.5%。

(2)在10%～40%壓應(yīng)力水平下，隨著壓應(yīng)力水平的提高，SF-ECC的毛細(xì)累計吸水量和平均吸水率均先減小后增大，發(fā)生變化的壓應(yīng)力水平閾值為20%。

(3)在10%～30%壓應(yīng)力水平下，SF-ECC的毛細(xì)累計吸水量及吸水率要明顯小于同條件時的普通混凝土，與混凝土相比可明顯改善抗?jié)B效果。