張品樂(lè),朱昊天,胡 靜,曾靖淵,陶 忠

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院,昆明 650500)

0 引 言

混凝土自19世紀(jì)被用作建筑材料以來(lái)一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注,目前已經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的建筑材料之一。混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著相關(guān)研究發(fā)展不斷提高,但普通混凝土仍存在抗拉性能差、延性低、在荷載作用下易產(chǎn)生裂縫以及耐久性差等缺點(diǎn)。鑒于傳統(tǒng)混凝土材料性能的不足,新型工程水泥基復(fù)合材料(engineered cementitious composites, ECC)應(yīng)運(yùn)而生[1]。ECC是一種在水泥基體中摻入纖維的復(fù)合材料,廣義上說(shuō),它屬于纖維增強(qiáng)混凝土,由Li等[2-3]根據(jù)細(xì)觀力學(xué)和斷裂力學(xué)的基本原理開(kāi)發(fā),是一種具有超高拉伸延性、拉伸應(yīng)變硬化和多縫開(kāi)裂特征的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。

混凝土結(jié)構(gòu)中常用的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料主要是聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(polyvinyl alcohol fiber reinforced engineered cementitious composites, PVA-ECC)。試驗(yàn)研究[4]結(jié)果表明,PVA-ECC具有超強(qiáng)的拉伸應(yīng)變能力,極限拉伸應(yīng)變可穩(wěn)定超過(guò)3%,是普通混凝土的200倍左右,韌性與鋁合金非常相似。目前,市面上的PVA纖維主要由日本Kuraray有限公司生產(chǎn),成本很高,將ECC大規(guī)模應(yīng)用到實(shí)際工程中非常困難,因此,成本效益高的PVA-ECC具有很高的研究?jī)r(jià)值。國(guó)產(chǎn)PVA纖維的拉伸強(qiáng)度和彈性模量接近日本PVA纖維,成本相對(duì)較低,僅為日本PVA纖維成本的1/8。但國(guó)產(chǎn)PVA-ECC的準(zhǔn)應(yīng)變硬化性能相對(duì)較差,主要原因是國(guó)產(chǎn)PVA纖維分散性較差,纖維與水泥基體的黏結(jié)作用較強(qiáng),在拔出過(guò)程中容易拉斷,不易滿足應(yīng)變硬化條件,因此,國(guó)產(chǎn)PVA-ECC的混合比例需要進(jìn)一步優(yōu)化。此外,工程水泥基復(fù)合材料具有多層次多尺度的結(jié)構(gòu)特征,且破壞過(guò)程也契合這一多層次特征[5]。而PVA纖維難以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)微米尺度裂縫的阻裂,故有學(xué)者將碳纖維等微納米材料用于水泥基材料中,但因成本等問(wèn)題,碳纖維在工程中的應(yīng)用也受到了限制。CaCO3晶須微米級(jí)纖維因兼具低成本(約1 700元/噸)、易于分散的優(yōu)點(diǎn),被引入水泥基材料中用作微觀增強(qiáng)纖維。張聰?shù)萚6]將微米級(jí)的CaCO3晶須、PVA纖維組成的混雜纖維應(yīng)用到水泥基復(fù)合材料中,發(fā)現(xiàn)不同尺度的纖維分別從微觀、細(xì)觀上對(duì)水泥基體進(jìn)行了增強(qiáng)增韌,極大地提高了其力學(xué)性能。

基于以上認(rèn)識(shí),本文根據(jù)ECC材料的設(shè)計(jì)理論,設(shè)計(jì)12組試樣,通過(guò)單軸拉伸試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn),研究了粉煤灰、硅灰、水膠比、纖維種類和CaCO3晶須對(duì)拉伸應(yīng)變能力和抗壓強(qiáng)度的影響。根據(jù)ECC材料的性能和成本,配制經(jīng)濟(jì)高效的混雜纖維水泥基復(fù)合材料,使其在工程中大規(guī)模應(yīng)用成為可能。

1 混雜纖維ECC的可行性

1.1 復(fù)合材料應(yīng)變強(qiáng)化行為準(zhǔn)則

ECC的設(shè)計(jì)基于纖維、基體和纖維-基體界面三者間的相互作用,實(shí)現(xiàn)拉伸過(guò)程中的多縫開(kāi)裂。Li等[2,7]提出的ECC的微觀力學(xué)模型是ECC的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。該模型提出了使復(fù)合材料達(dá)到應(yīng)變強(qiáng)化行為的準(zhǔn)則,即開(kāi)裂強(qiáng)度準(zhǔn)則和裂縫擴(kuò)展能量準(zhǔn)則。

1)開(kāi)裂強(qiáng)度準(zhǔn)則

ECC的多縫開(kāi)裂由纖維橋聯(lián)以承擔(dān)基體傳遞的荷載。故為了避免單縫開(kāi)裂導(dǎo)致纖維斷裂失效并實(shí)現(xiàn)多縫開(kāi)裂,要求在軸向拉伸時(shí)的初始開(kāi)裂應(yīng)力σfc必須小于最大橋接應(yīng)力σ0,即

σfc<σ0

(1)

2)裂縫擴(kuò)展能量準(zhǔn)則

Marshall等[8]提出了一種扁平裂縫擴(kuò)展模式,最初是為連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料而推導(dǎo)出的,但它同樣適用于纖維橋聯(lián)增強(qiáng)脆性基體的復(fù)合材料,即

(2)

式中:Jtip(J·m-2)為基體材料在裂縫尖端的韌性,δss(mm)為穩(wěn)態(tài)橋聯(lián)應(yīng)力σss(MPa)下的裂縫張開(kāi)寬度,σ(δ)表示橋聯(lián)纖維應(yīng)力與裂縫張開(kāi)寬度的關(guān)系函數(shù)。

為滿足能量準(zhǔn)則,要求

(3)

式中:J′b(J·m-2)為余能,σ0(MPa)為纖維最大橋聯(lián)承載力,δ0(mm)為最大橋聯(lián)承載力對(duì)應(yīng)的裂縫開(kāi)口寬度。

1.2 材料的優(yōu)化

1)基體韌性

根據(jù)式(3),最大余能J′b必須大于基體韌性Jtip才能使復(fù)合材料出現(xiàn)應(yīng)變硬化和多縫開(kāi)裂?？梢酝ㄟ^(guò)限制基體裂縫尖端韌性Jtip來(lái)實(shí)現(xiàn),而Jtip由基體材料成分決定,因此可通過(guò)優(yōu)化基體水灰比、粉煤灰摻量等來(lái)降低Jtip、增大J′b/Jtip。Kanda等[9]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)σ0/σfc≥1.3且J′b/Jtip≥2.7時(shí),才可獲得穩(wěn)定的拉伸應(yīng)變強(qiáng)化特征。

2)PVA纖維

根據(jù)式(3),提高余能J′b更容易實(shí)現(xiàn)多縫開(kāi)裂。國(guó)產(chǎn)PVA纖維余能及對(duì)應(yīng)復(fù)合材料的極限應(yīng)變均較低,而全日產(chǎn)PVA纖維成本過(guò)高,故采用國(guó)產(chǎn)PVA纖維和日產(chǎn)PVA纖維混摻,使復(fù)合材料滿足準(zhǔn)應(yīng)變硬化模型及其性能參數(shù)的要求。纖維摻量增加也能提高峰值橋接應(yīng)力和余能,但根據(jù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)纖維超過(guò)1.8%(體積分?jǐn)?shù),下同)后,攪拌開(kāi)始困難,分散性變差,因而纖維摻量不宜超過(guò)1.8%。

3)CaCO3晶須

試件極限抗拉強(qiáng)度由試件中最弱橫截面的纖維橋接能力σ0決定,Ma等[10]提出纖維橋接能力σ0可通過(guò)式(4)計(jì)算(忽略纖維斷裂和滑移強(qiáng)化)。

(4)

式中:Vf(%)為纖維的體積含量,τ0(MPa)為纖維和基體界面的摩擦結(jié)合強(qiáng)度,Lf(mm)和df(μm)分別為纖維的長(zhǎng)度和直徑,ηB為纖維橋接的效率,可看作是纖維不沿基體開(kāi)裂面法向時(shí)的一個(gè)小于1的效率系數(shù)。

從式(4)可以看出,對(duì)于給定的纖維類型和體積分?jǐn)?shù),纖維橋接能力σ0由摩擦結(jié)合強(qiáng)度τ0決定。τ0與纖維/基體界面的粗糙度和密實(shí)度直接相關(guān),通過(guò)加入適量的CaCO3晶須(針狀形態(tài)),提高纖維/基體界面的粗糙度和密實(shí)度,就能提高極限抗拉強(qiáng)度。

纖維在基體中被拉拔會(huì)出現(xiàn)滑移強(qiáng)化現(xiàn)象。滑移強(qiáng)化作用可以使拉伸荷載最終超過(guò)纖維自身強(qiáng)度,故增加界面摩擦(加入CaCO3晶須)會(huì)導(dǎo)致滑移強(qiáng)化作用,這可以改善復(fù)合材料的應(yīng)變硬化。但是,滑移強(qiáng)化不宜過(guò)高,以免導(dǎo)致纖維磨損造成剪切斷裂。

水泥基復(fù)合材料具有多層次多尺度的結(jié)構(gòu)特征[11],其模型如圖1所示。纖維的加入可以阻止水泥基體裂縫的擴(kuò)展[12],但單一尺度的宏觀纖維或微觀纖維很難契合其多層次開(kāi)裂過(guò)程。在水泥基體中加入CaCO3晶須和PVA纖維,既可橋接混凝土內(nèi)部分布的微裂縫,并抑制這些微裂縫發(fā)展成宏觀裂縫,也能阻止宏觀裂縫的擴(kuò)展,這樣就可以在不同結(jié)構(gòu)層次上增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能。

圖1 水泥基復(fù)合材料的多尺度模型[11]Fig.1 Multi-scale model of cement-based composites[11]

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用的水泥為云南昆明華新水泥廠制造的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥;減水劑為宏祥建筑外加劑廠生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑,減水率為30%;粉煤灰為昆明環(huán)恒粉煤灰有限責(zé)任公司生產(chǎn)的I級(jí)粉煤灰;砂為石英砂,細(xì)度模數(shù)2.9、密度2.66 g/cm3;硅灰,SiO2含量約96%;日產(chǎn)PVA纖維(纖維J)由日本Kuraray公司生產(chǎn),國(guó)產(chǎn)PVA纖維(纖維C)由中國(guó)石化集團(tuán)四川維尼綸廠生產(chǎn),其相關(guān)性能參數(shù)見(jiàn)表1;碳酸鈣晶須(CaCO3whisker, CW)由東莞鴻興新材料有限公司生產(chǎn),其相關(guān)性能參數(shù)見(jiàn)表2;水為自來(lái)水。

表1 PVA纖維性能指標(biāo)Table 1 Performance indexes of PVA fibers

表2 CaCO3晶須性能指標(biāo)Table 2 Performance indexes of CaCO3 whisker

2.2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

本文根據(jù)ECC設(shè)計(jì)理論,結(jié)合課題組前期研究成果,通過(guò)調(diào)整粉煤灰含量、水膠比等因素優(yōu)化基體韌性Jtip,通過(guò)加入CaCO3晶須和改變PVA纖維種類優(yōu)化余能J′b。綜合考慮試件應(yīng)變硬化性能和強(qiáng)度,得到試件配合比(見(jiàn)表3)。

表3 試件配合比Table 3 Mix ratio of test specimens

2.3 測(cè)試方法

單軸拉伸試驗(yàn)采用狗骨式試件,試件尺寸如圖2所示,每組配合比制備4個(gè)試件。試驗(yàn)采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的量程為100 kN,加載方式為位移控制,加載速率為0.15 mm/min?？箟涸嚰叽鐬?00 mm×100 mm×100 mm,每組試件均澆筑3個(gè), 采用液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn),試驗(yàn)參照《高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(JC/T2461—2018)[13]。

圖2 試件尺寸圖Fig.2 Specimen size diagram

纖維均勻分散是纖維在ECC中充分發(fā)揮作用的前提條件,提高纖維分散性可提高ECC的力學(xué)性能,并保障其力學(xué)性能穩(wěn)定。為提高纖維分散性,本試驗(yàn)采用改進(jìn)的ECC拌和流程[14]:先將PVA纖維進(jìn)行人工分散,然后把適量的水泥、砂、粉煤灰、硅灰倒入攪拌機(jī)干拌2 min,再加入CaCO3晶須攪拌2 min;將適量的水和減水劑倒入攪拌機(jī)后攪拌3 min,然后加入剩余的粉料和液體拌和,最后沿著攪拌桶旋轉(zhuǎn)的方向緩慢加入PVA纖維,全部加入后再攪拌10 min。

3 結(jié)果與討論

3.1 拉伸試驗(yàn)

試件的開(kāi)裂強(qiáng)度σfc,t、開(kāi)裂應(yīng)變?chǔ)舊c、抗拉強(qiáng)度σt和極限拉伸應(yīng)變?chǔ)舤的確定方法見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。單軸拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示,單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果平均值見(jiàn)表4。圖3(a)為28 d不同粉煤灰含量下的PVA-ECC拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖3(a)可以看出,粉煤灰含量的增加有利于水泥基復(fù)合材料的應(yīng)變硬化,提高極限拉伸應(yīng)變,相對(duì)于H1,H2、H3極限拉伸應(yīng)變分別提高約了6.23%、11.05%。

表4 試件的單軸拉伸性能Table 4 Uniaxial tensile properties of specimens

圖3 試件的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Tensile stress-strain curves of specimens

圖3(b)為不同水膠比下的PVA-ECC的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖3(b)可知,粉煤灰摻量為58%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)時(shí),0.25水膠比試件的平均極限拉伸應(yīng)變?yōu)?.55%;0.30水膠比試件的平均極限拉伸應(yīng)變?yōu)?.75%;0.35水膠比時(shí),應(yīng)力-應(yīng)變曲線相對(duì)平緩,試件的平均極限拉伸應(yīng)變?yōu)?.21%。與0.25水膠比相比,0.30、0.35水膠比試件極限拉伸應(yīng)變平均值分別提高了47.06%、65.10%。

這是因?yàn)榉勖夯覔搅康脑黾幽軠p弱基體韌性和纖維/基體界面的化學(xué)黏結(jié),而水膠比增大不僅能降低基體韌性,還會(huì)降低纖維/基體界面的化學(xué)黏結(jié)和摩擦黏結(jié),從而導(dǎo)致最大橋接應(yīng)力降低,更容易進(jìn)入應(yīng)變軟化階段。

圖3(c)和(d)分別為加入國(guó)產(chǎn)纖維和碳酸鈣晶須下的PVA-ECC的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖3(c)可知,對(duì)于采用混合纖維的H10、H11,當(dāng)國(guó)產(chǎn)纖維體積率從0.3%增加到0.6%時(shí),材料的極限拉伸應(yīng)變逐漸降低。對(duì)于只加入國(guó)產(chǎn)纖維的H12,其試件的平均極限拉伸應(yīng)變僅為0.54%。相比國(guó)產(chǎn)纖維,加入CaCO3晶須后,試件的極限拉伸應(yīng)變有所提高,加入1%CaCO3晶須試件的極限拉伸應(yīng)變相對(duì)于H2提高了29.07%,隨著CaCO3晶須含量的進(jìn)一步增加,拉伸應(yīng)變略有增加,并穩(wěn)定在4.9%左右。極限抗拉強(qiáng)度與初裂強(qiáng)度呈相似的變化趨勢(shì),即先增加后降低,如表4所示。當(dāng)CaCO3晶須含量為1%時(shí),ECC的極限抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值,與H2相比提高了37.19%;當(dāng)CaCO3晶須摻量增至2%時(shí),試件的極限抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)了降低。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因?yàn)?加入適量的CaCO3晶須可以增加基體的密實(shí)性,并且由于CaCO3晶須具針狀形態(tài),它可以提高纖維/基體的界面的粗糙度,從而提高纖維的橋接能力和極限抗拉強(qiáng)度。其次,附著在PVA纖維表面的CaCO3晶須能減少PVA纖維與水泥基體的接觸面積,減少Al3+和Ca2+的含量,降低界面上的化學(xué)鍵,從而提高最大余能J′b,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多縫開(kāi)裂,提高拉伸應(yīng)變能力。然而,過(guò)量的晶須往往會(huì)聚集,這會(huì)增加基體中的孔隙,導(dǎo)致復(fù)合材料中出現(xiàn)新的缺陷[10]。因此,當(dāng)晶須含量高于1%后,極限抗拉強(qiáng)度隨著晶須含量的增加而降低。

3.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

在制備PVA-ECC受拉試件的同時(shí),制作了同一批次下的立方體試件,研究了不同粉煤灰含量、水膠比、硅灰和纖維尺度對(duì)水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度的影響。這些試樣在與受拉試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)。試驗(yàn)參照《高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(JC/T2461—2018)[13]。

不同粉煤灰含量、水膠比、硅灰和纖維尺度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響如圖4所示。由圖4(a)可知,隨著粉煤灰含量的增加,試件的抗壓強(qiáng)度逐漸降低,相比H1,H2、H3的抗壓強(qiáng)度分別降低了3.76%、9.65%。這主要是因?yàn)樗嗷鶑?fù)合材料中的粉煤灰含量增加、水泥含量降低,粉煤灰與水泥二次反應(yīng)有限,粉煤灰的火山灰反應(yīng)得不到充分發(fā)揮,無(wú)法大量生成水化凝膠物質(zhì)填充到孔隙中,從而使得基體抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)減弱[16-17]。

圖4 不同參數(shù)對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4 Influence of different parameters on compressive strength of specimens

由圖4(b)可知,試件的抗壓強(qiáng)度隨硅灰含量的增加而增大,與H4相比,H2、H5的抗壓強(qiáng)度分別提高了15.86%、25.21%,表明復(fù)摻粉煤灰及硅灰比單摻粉煤灰更有利于提高試件的抗壓強(qiáng)度。這主要是因?yàn)?一方面,硅灰的顆粒細(xì)度較小,比表面積大,能很好地填充到水泥漿體的空隙中,使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)更密實(shí);另一方面,在水泥的水化產(chǎn)物中,高堿性水化硅酸鈣的強(qiáng)度不是很高,Ca(OH)2的強(qiáng)度很低,而硅灰中含有大量的活性SiO2,在常溫下能與水泥水化時(shí)析出的Ca(OH)2發(fā)生二次反應(yīng),生成具有膠凝性的低堿性水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣,可以填充結(jié)構(gòu)空隙從而提高混凝土的強(qiáng)度[18-19]。

由圖4(c)可知,水膠比越大,立方體抗壓強(qiáng)度越低,與H6相比,H2和H7的抗壓強(qiáng)度分別降低了16.70%、33.61%。這是因?yàn)殡S著水膠比增加,基體結(jié)構(gòu)由致密變疏松,內(nèi)部缺陷增多,從而導(dǎo)致立方體抗壓強(qiáng)度降低。

圖4(d)為不同CaCO3晶須含量的立方體抗壓強(qiáng)度?？梢钥闯?與CaCO3晶須含量為0%和2%相比,添加1%體積分?jǐn)?shù)的CaCO3晶須的ECC試件具有最大抗壓強(qiáng)度,與H2相比增加了6.11%,而當(dāng)CaCO3晶須含量增加到2%時(shí),其抗壓強(qiáng)度低于H8。這是由于當(dāng)CaCO3晶須摻量較低時(shí),復(fù)合材料中的CaCO3晶須分散比較均勻,對(duì)混凝土起填充作用,增加了基體的致密性。此外,由于CaCO3晶須的直徑小,它可以在微觀層面橋接缺陷,延遲微裂紋發(fā)展為宏觀裂紋,因而使得復(fù)合材料的力學(xué)性能有所提高。而當(dāng)添加過(guò)量的CaCO3晶須時(shí),CaCO3晶須的活性非常低,導(dǎo)致基體強(qiáng)度相對(duì)較弱。此外,CaCO3晶須的分散性較差,易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象,添加過(guò)量的CaCO3晶須不僅會(huì)影響基體的均勻性,還會(huì)因纖維之間的相互接觸點(diǎn)過(guò)多導(dǎo)致更多孔隙的出現(xiàn),造成基體強(qiáng)度下降[10]。

3.3 試件破壞形態(tài)

圖5為三類試件拉伸試驗(yàn)后的表觀裂縫形態(tài)。加入日產(chǎn)纖維和CaCO3晶須的H8以及日產(chǎn)纖維和國(guó)產(chǎn)纖維混摻的H11表現(xiàn)出明顯的多縫開(kāi)裂模式,且H8的裂紋數(shù)量比H11裂紋數(shù)量更多,而純國(guó)產(chǎn)纖維的H12破壞時(shí)其裂縫僅有幾條,遠(yuǎn)少于H8。結(jié)合試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表明,PVA纖維的加入會(huì)提高試件的韌性和延展性,使試件表現(xiàn)出多縫開(kāi)裂模式,但加入國(guó)產(chǎn)纖維的多縫開(kāi)裂能力小于加入日產(chǎn)纖維,而CaCO3晶須的引入可以進(jìn)一步提高材料多縫開(kāi)裂的能力。

圖5 單軸受拉試件的開(kāi)裂形態(tài)Fig.5 Cracking morphologies of uniaxial tensile specimens

圖6為單軸受壓試件破壞后的圖像。受壓試驗(yàn)中,基體的破壞形式為脆性破壞,即當(dāng)外荷載達(dá)到極限荷載后,試件會(huì)瞬間失去承載力,而無(wú)論摻入哪種PVA纖維,都會(huì)使得試件在受壓達(dá)到極限荷載后可以繼續(xù)承載而不發(fā)生脆性破壞,呈延性破壞,說(shuō)明PVA纖維對(duì)水泥基材料的延性破壞性能起到了改善作用。

從表4中可以看出,H9的極限拉伸應(yīng)變?yōu)?.96%,較沒(méi)摻CaCO3晶須的對(duì)照組H2有較大的提高,說(shuō)明該復(fù)合材料的延性和韌性得到了較大的改善。但H9的抗壓強(qiáng)度只有38.6 MPa,相對(duì)H2偏低,而H8的極限拉伸應(yīng)變?yōu)?.84%,同時(shí)抗壓強(qiáng)度也達(dá)到43.8 MPa,是本組試驗(yàn)中的較優(yōu)配比。

4 經(jīng)濟(jì)成本分析

為了平衡混凝土性能和經(jīng)濟(jì)成本的關(guān)系,更加客觀地反映混凝土的性能,采用價(jià)值工程分析法[20]對(duì)比分析本文制備的混雜纖維水泥基復(fù)合材料的經(jīng)濟(jì)價(jià)值性。價(jià)值工程分析法是經(jīng)濟(jì)分析的一種方法,現(xiàn)已被應(yīng)用于機(jī)械、電氣、化工、紡織、建材、冶金等多種行業(yè),其核心是通過(guò)計(jì)算價(jià)值系數(shù)評(píng)估產(chǎn)品或項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,公式如式(5)所示。

V=F/C

(5)

式中:V為價(jià)值系數(shù),F為產(chǎn)品的功能值,C為產(chǎn)品的成本,本研究主要對(duì)不同組ECC成本進(jìn)行對(duì)比分析。

原材料的成本以1 m3不同配比ECC所用原材料的成本(市場(chǎng)上材料價(jià)格計(jì)算)計(jì)算,結(jié)果如表5所示。

表5 原材料成本Table 5 Cost of raw materials

降低成本是材料研發(fā)中的一個(gè)重要目標(biāo),因?yàn)槌杀镜母叩椭苯佑绊懖牧系膽?yīng)用范圍和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。從表5可以看出,混雜纖維水泥基復(fù)合材料成本占比中纖維成本占80%～90%,其中日產(chǎn)PVA纖維的成本占主導(dǎo)地位,最高占原材料總成本的91%。故傳統(tǒng)混雜纖維水泥基復(fù)合材料成本高的原因主要為日產(chǎn)PVA纖維價(jià)格昂貴。隨著國(guó)產(chǎn)PVA纖維替代率的增加,混雜纖維水泥基復(fù)合材料的總成本下降,相較于H2,H10、H11、H12分別下降了13%、27%、82%。

以28 d齡期的極限拉伸應(yīng)變、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度為功能值,對(duì)比分析不同配比ECC的性能,可以得到不同配比ECC的性能差距。以H2為基準(zhǔn)組,標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為1,由其他組力學(xué)性能數(shù)值與基準(zhǔn)組相除可以得到其力學(xué)性能比,計(jì)算公式為

(6)

式中:Fi為不同組ECC的功能系數(shù),Di為三種力學(xué)性能比值的平均值。ECC試件的力學(xué)性能以及力學(xué)性能比值、功能系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 ECC試件的力學(xué)性能以及力學(xué)性能比值、功能系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 6 Mechanical properties and calculation results of mechanical properties ratio and functional coefficients of ECC specimens

根據(jù)式(7)計(jì)算不同組ECC的成本系數(shù)(以1 m3不同配比ECC所用原材料的成本計(jì)),再根據(jù)式(5)計(jì)算出價(jià)值系數(shù),結(jié)果如表7所示。

表7 ECC試件的價(jià)值系數(shù)Table 7 Value coefficients of ECC specimens

(7)

式中:Yi為各組ECC的成本,Ci為各組ECC的成本系數(shù)。

由表6可知,從價(jià)值分析法的角度來(lái)看,H8、H11和H12的價(jià)值系數(shù)高于其他試驗(yàn)組。H8通過(guò)加入廉價(jià)的CaCO3晶須,提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能,從而提高其價(jià)值性。H11通過(guò)國(guó)產(chǎn)PVA纖維替代日產(chǎn)PVA纖維,雖然在力學(xué)性能上不能達(dá)到全日產(chǎn)PVA纖維(H2),但其價(jià)值和經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于全日產(chǎn)PVA纖維。H12則通過(guò)采用全國(guó)產(chǎn)PVA,大幅度降低成本,從而提高其價(jià)值性。

根據(jù)混雜纖維水泥基復(fù)合材料的成本、價(jià)值系數(shù)、拉伸和壓縮性能,提出了三種配合比:低成本、拉伸延展性相對(duì)較低、只加入國(guó)產(chǎn)PVA纖維的H12;中等成本、拉伸延展性相對(duì)較高、加入兩種PVA纖維的H11;高成本、高拉伸延展性、加入日產(chǎn)PVA纖維和CaCO3晶須的H8。混合料的確定取決于實(shí)際應(yīng)用的需求。

通過(guò)力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)成本分析可知,加入適量的CaCO3晶須能顯著提高復(fù)合材料的力學(xué)性能,而國(guó)產(chǎn)PVA纖維替代日產(chǎn)PVA纖維能大幅度提高其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。故通過(guò)上述試驗(yàn)和理論分析可以預(yù)估,在水泥基復(fù)合材料中,用國(guó)產(chǎn)PVA纖維替換日產(chǎn)PVA并加入適量的CaCO3晶須,能實(shí)現(xiàn)混雜纖維水泥基復(fù)合材料功能價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的最大化,從而實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)性提高的雙重目標(biāo)。

5 結(jié) 論

1)水膠比和粉煤灰含量的增加有利于復(fù)合材料應(yīng)變硬化,提高極限拉伸應(yīng)變,但也降低了水泥基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。與0.25水膠比相比,0.30、0.35水膠比極限拉伸應(yīng)變平均值分別提高了47.06%、65.10%,抗壓強(qiáng)度分別降低了16.70%、33.61%。

2)復(fù)摻粉煤灰和硅灰替代部分水泥時(shí),隨著硅灰含量的增加,PVA-ECC試件的拉伸峰值應(yīng)力及開(kāi)裂荷載提高,抗壓強(qiáng)度得到改善。

3)最佳含量的CaCO3晶須可以顯著提高ECC的拉伸應(yīng)變能力,這是由于CaCO3晶須的加入能減少纖維/基體界面化學(xué)鍵。此外,CaCO3晶須的針狀形貌可以提高界面粗糙度,從而提高摩擦結(jié)合強(qiáng)度。這可以提高余能J′b,從而提高拉伸應(yīng)變能力。

4)CaCO3晶須的最佳含量為總ECC混合物體積的1%。在此含量下,ECC的抗拉應(yīng)變能力為4.84%,比H2(VCW=0)提高了29.07%;極限抗拉強(qiáng)度為4.82 MPa,比H2提高了37.19%;抗壓強(qiáng)度為43.8 MPa,比H2提高了6.11%。

5)兩種PVA纖維比例適當(dāng)時(shí),所制成的復(fù)合材料既能滿足降低成本的要求,又能保證較好的力學(xué)性能。并對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)成本對(duì)比分析,提出了三種配合比:低成本、拉伸延展性相對(duì)較低、只加入國(guó)產(chǎn)PVA纖維的H12;中等成本、拉伸延展性相對(duì)較高、加入兩種PVA纖維的H11;高成本、高拉伸延展性、加入日產(chǎn)PVA纖維和CaCO3晶須的H8。在工程中可根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的配合比。