纖維水泥漿界面區(qū)對FA-SHCC力學(xué)性能的影響

高 嵩，李秋義，金祖權(quán)，王鵬剛

（1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033；2.青島理工大學(xué) 藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 青島266033）

傳統(tǒng)混凝土材料屬于脆性材料，抗拉強(qiáng)度和極限應(yīng)變都很小.在收縮受到約束時易產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效.新型的應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料（Strain Hardening Cement-based Composite，SHCC）具有較好的韌性、抗沖擊性等特點.PVA纖維的使用可以減緩材料中微裂縫的擴(kuò)展，防止新裂縫的產(chǎn)生，優(yōu)化SHCC材料的力學(xué)性能[1].PVA-SHCC試樣在直拉試驗中可以呈現(xiàn)多重裂縫，應(yīng)力應(yīng)變曲線有明顯的硬化階段，其直拉應(yīng)變達(dá)到2.5%到4.5%，幾乎是普通混凝土的50～100倍，因此其在控制結(jié)構(gòu)裂縫、提高結(jié)構(gòu)抗震性能等方面有廣闊的應(yīng)用前景[2].SHCC的優(yōu)良的直拉性能和開裂模式已經(jīng)得到廣泛關(guān)注并取得了大量研究成果[3]，但是以較低成本實現(xiàn)較好的力學(xué)性能仍然存在很多困難.

1 多重開裂產(chǎn)生機(jī)理要求

PVA-SHCC材料的性能依賴于PVA纖維與水泥漿基體間的界面結(jié)構(gòu)和粘附性，而界面結(jié)構(gòu)和粘附性又與PVA纖維表面的化學(xué)性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系密切.PVA纖維與水泥漿基材的界面粘結(jié)主要靠范德華力，但其分子鏈上的-C-OH基團(tuán)可與水泥水化產(chǎn)物中的-OH基團(tuán)形成氫鍵結(jié)合，從而進(jìn)一步增進(jìn)二者的粘結(jié)，加強(qiáng)纖維對水泥漿基體的橋聯(lián)作用[4].纖維發(fā)揮橋聯(lián)作用時有3種情況：1）纖維在承受拉荷載時達(dá)到抗拉強(qiáng)度而被拉斷，SHCC可以獲得較高的抗拉強(qiáng)度和較低的形變；2）纖維與水泥漿基體的摩擦力小于拉應(yīng)力，從而被從基體中拔出去，SHCC的拉應(yīng)變會相應(yīng)增加，但是摩擦力較小，傳遞出去的拉應(yīng)力不足以在基體其他部位產(chǎn)生開裂；3）單根纖維在從基體中被拔出，未被拉斷的有效纖維數(shù)量較多，纖維與基體間產(chǎn)生的總動摩擦力將拉應(yīng)力有效傳遞到未開裂的基體中，阻止了初始裂縫擴(kuò)展和延伸，而在基體多處產(chǎn)生若干微細(xì)裂縫，即所謂的“多重開裂”[5].

纖維橋聯(lián)作用目前研究很多，為實現(xiàn)多重開裂模式，需要對纖維-水泥漿界面區(qū)（interfacial transition zone，ITZ）進(jìn)行改性，主要包括纖維表面處理和水泥漿膠凝體系優(yōu)化兩種不同改性方法.纖維表面處理方面，Li針對PVA纖維表面改性做過大量研究，發(fā)現(xiàn)PVA纖維表面改性措施可以有效改善拉荷載作用下易斷裂而難被拔出的情況[6].但是表面處理費(fèi)用較高，工序復(fù)雜，很難廣泛應(yīng)用.基體優(yōu)化方面，Zijl G Van和SahmaranM等針對SHCC水泥漿基體部分進(jìn)行改性研究，利用粉煤灰、礦粉和硅灰等礦物摻合料改善水泥漿基體結(jié)構(gòu)，或改善骨料級配，增加材料基體均勻性，以較低成本得到SHCC的多重裂縫[7-9].

粉煤灰的粒徑比水泥小，且顆粒為球狀，填充在水泥水化后的空隙中，可以增加在抗拉和抗彎時纖維拔出過程中的滑動摩擦.而且其二次水化可以重新構(gòu)造纖維-水泥漿界面區(qū)水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，增加材料的多重開裂幾率，對PVA-SHCC的力學(xué)性能有明顯改善.現(xiàn)代高科技手段比如SEM、EDS等微觀觀察技術(shù)的成熟應(yīng)用，對裂縫以及纖維和水泥漿的界面區(qū)可以進(jìn)行充分觀察和研究.本文利用微觀觀測方法對粉煤灰對 PVASHCC材料力學(xué)性能的影響，以及粉煤灰在纖維-水泥漿界面區(qū)特殊結(jié)構(gòu)生成過程中的角色進(jìn)行研究.

2 原材料與試驗方案

2.1 試驗原材料

纖維：日本可樂麗（KURARAY）公司生產(chǎn)的REC15型高模量PVA纖維，性能指標(biāo)如表1，摻量為膠凝材料總量的2%；水泥：山水集團(tuán)生產(chǎn)的P.I52.5水泥；砂：青島大沽河產(chǎn)中砂，按照一定比例配制好的級配砂，顆粒級配為：0.65孔徑篩余l(xiāng)t;3%，0.40孔徑篩余約為40%±5%，0.25孔徑篩余gt;94%；粉煤灰：青島電廠生產(chǎn)的 II級粉煤灰，基本化學(xué)成分如表2所示；減水劑：山東省建筑科學(xué)研究院外加劑廠生產(chǎn)的NC-J聚羧酸高效減水劑，減水率gt;30%；拌合用水：去離子水.

表1 REC15 PVA纖維性能指標(biāo)Tab.1 Property indexesof REC15 PVA fiber

表2 粉煤灰化學(xué)成分 %Tab.2 Chem ical componentof FA

2.2 試樣制備

拉伸試驗的試樣為八字模試樣，尺寸為：240mm×60mm×15mm，每個配比4個試樣，三點彎曲試驗的平板試樣尺寸為：500mm×70mm×15mm.

2.3 試驗配合比

為了研究其他因素一致的情況下，粉煤灰摻量對PVA-SHCC力學(xué)性能的影響，試驗分別采用粉煤灰摻量占膠凝材料總量的0%，30%，40%，50%，60%的配比制備SHCC試驗，具體配合比如表3.

表3 試驗配合比 kg m 3Tab.3 Experimentalm ixing proportion

3 實驗結(jié)果與分析

力學(xué)性能試驗參考ZijlGVan和Boshoff W P的試驗方法[7]，PVASHCC試樣直拉試驗的拉伸強(qiáng)度與拉應(yīng)變關(guān)系如圖1a）所示，靜彎曲試驗的彎曲荷載與試樣撓度關(guān)系如圖1b）所示，試驗中應(yīng)力和彎曲荷載由加載機(jī)器直接讀出，應(yīng)變和撓度由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到.

圖1 粉煤灰摻量對PVA-SHCC力學(xué)性能影響Fig.1 Influenceby FA adm ixtureon mechanis mproperties of PVA-SHCC

由圖1a）可知，PVA-SHCC材料的韌性隨著粉煤灰摻量的增加而逐漸增加，同時保持試件的抗拉強(qiáng)度，當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到50%、60%時，試件的抗拉強(qiáng)度以及韌性均達(dá)到較高的水平，拉應(yīng)力達(dá)到3MPa左右，應(yīng)變在2%～3%.粉煤灰摻量少的幾組試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的開裂模式是由于基體中大部分纖維被拉斷，少部分纖維由水泥基材拉出，破壞仍呈現(xiàn)一定的脆性，但與水泥石或普通砂漿相比，脆性要小的多.這種情況下SHCC一般具有較高的抗拉強(qiáng)度，但韌性與抗沖擊強(qiáng)度則較低.

圖1b）所示的試樣彎曲荷載-撓度曲線為SHCC試樣彎曲時典型的受力形變過程.在初始裂縫出現(xiàn)后荷載-撓度曲線呈現(xiàn)緩和上升段，而多重裂縫就出現(xiàn)在此階段.這是由于彎曲開始時橫跨基材裂縫的纖維承受拉力，在裂縫處纖維逐漸自水泥基材中拔出，拔出過程吸收大量的能量，并成功將荷載由初始裂縫處轉(zhuǎn)移至水泥石中引起其他裂縫.彎曲荷載-撓度曲線圖出現(xiàn)的下降的曲線段（軟化段），此時試樣的承載能力不斷降低，但仍然具有較大的變形能力.

4 界面區(qū)水化產(chǎn)物分析

SHCC在成型中，纖維與砂漿之間產(chǎn)生水膜層，而水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2晶體則在水膜層中大量積聚，這就構(gòu)成了纖維與水泥基材之間存在的ITZ.ITZ不僅在微觀結(jié)構(gòu)上與水泥基體不一致，而且在化學(xué)成分上也存在差異.采用配比為粉煤灰摻量為50%的D試樣的ITZ和水泥漿基體進(jìn)行電子探針（EDS）測試，分析界面相和本體相水化產(chǎn)物的異同，見圖2和表4、表5.

表4 纖維-水泥漿界面區(qū)掃描點元素成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %Tab.4 Element concentration of scanning spoton ITZ between fiberandmatrix

表5 水泥漿基體掃描點元素成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)%Tab.5 Element concentration of scanning spot inmatrix

界面區(qū)（ITZ）主要由Ca(OH)2晶體與水化硅酸鈣（CSH）凝膠組成，等效計算表4、表5數(shù)據(jù)可知，ITZ中的Ca(OH)2晶體含量比基材本身要高出20%～40%左右，而Si元素質(zhì)量含量卻只有基體中的約37%.這說明ITZ是Ca(OH)2晶體的富集區(qū)，卻是CSH凝膠的貧乏區(qū)，這也是ITZ結(jié)構(gòu)疏松、高孔隙率的主要原因.

5 結(jié)論

PVA-SHCC材料中，PVA纖維的親水性令水泥水化產(chǎn)物緊密附著在纖維表面，使得纖維被拔出時承受的阻力加大，大量纖維在拉應(yīng)力作用下被拉斷，從而降低了纖維橋聯(lián)作用.粉煤灰替代部分水泥的 FA-SHCC的ITZ水泥水化產(chǎn)物主要為Ca(OH)2，而CSH凝膠的含量相對較低，造成ITZ結(jié)構(gòu)疏松、高孔隙率，削弱了界面區(qū)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.纖維與水泥漿ITZ弱界面效應(yīng)的降低纖維與水泥基體的界面黏結(jié)強(qiáng)度，有助于保持有效纖維數(shù)量，增強(qiáng)纖維的橋聯(lián)作用，有利于多重開裂的形成，提高SHCC的直拉應(yīng)變和靜彎曲撓度.

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