ECC材料的抗凍融性能試驗研究

鄧宗才，薛會青，徐海賓

(1.北京工業(yè)大學城市與工程安全減災省部共建教育部重點實驗室，北京100124;2.北京市市政工程研究院，北京100037)

普通水泥基材料抗拉強度低，易開裂，影響結構正常使用和耐久性.纖維的加入大大改善了水泥基材料的抗裂性能，有效提高了結構的抗裂性能和韌性［1－3］.高韌性纖維增強水泥基復合材料(ECC)因其優(yōu)異的拉伸延性和微裂縫控制特性使基礎設施具備更高的耐久性［4］.

筆者通過試驗，研究了ECC的抗凍融耐久性能，分析了在不同砂灰比情況下，國產與進口聚乙烯醇(PVA)纖維對ECC的抗凍融性能的影響規(guī)律，并探討了ECC具有高抗凍性的機理.試驗證明:ECC具備高抗凍性能，在增強抗凍耐久性方面，具有很強的優(yōu)勢.

1 試驗概況

1.1 試驗配合比

水泥為普通P·O 42.5水泥，砂為石英砂，水為自來水，減水劑采用聚羧酸減水劑，水灰比為0.3.PVA纖維包括上海羅洋公司的PVA纖維(記為CPVA)和日本尤尼吉可公司的PVA纖維(記為JPVA)，纖維材料特性見表1.ECC配合比見表2.表2試件編號中的M表示素砂漿，CE和JE分別是摻入 C －PVA 和 J－PVA 的 ECC 簡寫，0.5，0.6和0.8分別代表材料的砂灰比.

表1 纖維材料特性

表2 ECC復合材料配合比

對比試件為C35普通素混凝土(記為PC)試件，其立方體抗壓強度為40.5 MPa，材料用量為:P·O 32.5水泥 486 kg/m3，石子 1 150 kg/m3，砂子618 kg/m3，水 180 kg/m3，減水劑占膠凝材料的0.5%.凍融試件尺寸為 100 mm×100 mm×400 mm，每組試件3塊，并隨之制作了形狀與尺寸相同，且中心埋有溫度傳感器的測溫試件.

1.2 試驗方法

凍融循環(huán)試驗按照《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)中抗凍性能試驗的快凍法進行.采用北京數(shù)智意隆儀器有限公司生產的混凝土快速凍融試驗機，試件達到28 d齡期時進行凍融試驗.試驗前4 d把試件從標準養(yǎng)護室拿出，進行外觀檢查.隨后將試件放在202℃水中浸泡，浸泡時水面高出試件頂面20～30 mm，浸泡4 d后及時進行凍融試驗.

1.3 試驗步驟

凍融試驗前及時從養(yǎng)護水中取出試件，用干凈的濕布擦除表面水分，稱量試件初始質量W0i，并測出試件的橫向與縱向動彈性模量，記錄試件的表面和邊角等完好情況的外觀描述.再將試件放入試件盒，并注入清水，保持盒內水位高度始終保持高出試件頂面5 mm左右.測溫試件采用防凍液作為凍融介質，放在凍融箱的中心位置，開始凍融試驗.

在飽和水狀態(tài)下進行快速凍融試驗，每隔25次凍融循環(huán)測量試件橫向與縱向的動彈性模量，測量前將試件表面浮渣清洗干凈，擦干表面水分，檢查其外部損傷并稱量試件的質量Wni.測完后，迅速把試件調頭重新裝入試件盒內并加入清水，繼續(xù)試驗.

2 試驗結果與分析

2.1 破壞形態(tài)

進行凍融試驗前，所有試件表面光滑、無孔洞.25次凍融循環(huán)后，混凝土、砂漿和ECC試件表面均出現(xiàn)些許小孔洞，這些孔洞主要分布在試件表面，其形成原因主要是試件表面水泥漿中的氣孔在凍融試驗過程中吸水結冰后產生膨脹應力，表面硬化的水泥漿體在膨脹應力作用下剝落.因此，初期凍融破壞，試件的澆筑質量、表面初始缺陷有較大影響，而ECC中纖維的作用并不明顯.

100次凍融循環(huán)后，ECC試件表面孔洞略微增多，表面未見水泥漿剝落現(xiàn)象;但混凝土和砂漿試件表面出現(xiàn)了大量伴隨著許多浮渣的孔洞，且孔徑逐漸增大，這些孔洞逐漸形成坑槽，可見少量微裂縫.而直至150次凍融循環(huán)，混凝土和砂漿試件的縱向與橫向相對動彈性模量均下降到60%以下，但為了與ECC比較，繼續(xù)進行凍融試驗.而ECC中PVA纖維向基體中引入大量的微氣泡，使基體含氣量增大，有效緩解低溫循環(huán)過程中的靜水壓力和滲透壓力，從而提高了抗凍性能，試件表面未見明顯變化.

200次凍融循環(huán)后，混凝土和砂漿試件表面孔洞增多且孔徑增大，微裂縫增多.而ECC試件表面仍未見明顯變化.直至300次凍融循環(huán)，混凝土和砂漿試件均破壞嚴重，試件表面都出現(xiàn)了大面積的剝落，并伴有少量明顯裂縫.而ECC試件表面孔洞略微增多，表面水泥漿剝落現(xiàn)象并不嚴重，試件表面也未見明顯裂縫.這主要是由于PVA纖維改善了ECC試件的內在品質，減少了內部缺陷數(shù)量，降低了原生裂隙尺度，提高了ECC試件抵抗凍融循環(huán)作用產生的膨脹應力，增加了試件凍融損傷過程中的能量消耗，有效地抑制了試件的凍脹開裂，提高了抗凍性.

2.2 結果分析

2.2.1 試件質量損失率

在凍融循環(huán)過程中，混凝土、砂漿與摻入CPVA和J－PVA的ECC試件的質量損失率如圖1(a)與圖1(b)所示，圖1(c)為砂灰比為0.6時，砂漿與ECC試件的質量損失率.

圖1 凍融后ECC的質量損失率

由圖1(a)和圖1(b)可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件的質量損失率逐漸增加.300次凍融循環(huán)后，摻入C－PVA的ECC質量損失率均控制在2.5%以內，摻入J－PVA的ECC質量損失率均控制在1.5%以內，而混凝土和砂漿的質量損失率控制在1%以內，稍低于ECC試件.這主要是由于試驗測得的試件總質量包括試件本身質量和孔洞中水的質量，混凝土和砂漿試件孔洞中水的質量彌補了試件本身損失的質量，以至于試件質量損失率稍低于ECC試件，說明試件表面孔洞中水的質量不可忽略.在凍融循環(huán)過程中，隨著砂灰比的增加，ECC質量損失率逐漸增加，ECC試件表面形成的孔洞增多但孔徑減小，孔洞中水的質量彌補不了試件本身損失的質量，以至于試件總質量減少，因此，ECC質量損失率逐漸增加.

由圖1(c)可知，砂灰比為0.6時，100次凍融循環(huán)前，砂漿與ECC質量損失率均稍有增加，但變化不明顯;100次凍融循環(huán)后，ECC與砂漿質量損失率逐漸增加;300次凍融循環(huán)后，ECC質量損失率稍高于1%，砂漿質量損失率低于1%.這也是由于砂漿試件孔洞中水的質量彌補了試件本身損失的質量.

2.2.2 試件縱向相對動彈性模量

圖2(a)與圖2(b)是混凝土、砂漿與摻入CPVA和J－PVA的ECC試件的縱向相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律圖，圖2(c)是砂灰比為0.6時，砂漿與ECC試件的縱向相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律圖.

圖2 凍融后ECC的縱向相對動彈性模量變化

由圖2(a)和圖2(b)可知，在整個凍融循環(huán)過程中，混凝土、砂漿與ECC的縱向相對動彈性模量逐漸下降，變化曲線可分為3個階段:①25次凍融循環(huán)，曲線稍有下降;②25～150次凍融循環(huán)，曲線下降趨勢明顯;③150～300次凍融循環(huán)，曲線下降趨勢較平緩.300次凍融循環(huán)后，混凝土和砂漿的縱向相對動彈性模量約為39.12%，ECC縱向相對動彈性模量比混凝土和砂漿提高1.62～1.87倍.ECC縱向相對動彈性模量隨砂灰比的增加，逐漸增加.

由圖2(c)可知，300次凍融循環(huán)后，砂灰比為0.6的ECC縱向相對動彈性模量控制在67.67%左右，比砂漿提高1.64倍.

2.2.3 試件橫向相對動彈性模量

混凝土、砂漿與摻入 C－PVA和J－PVA的ECC試件的橫向相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖3(a)和(b)所示;砂灰比為0.6時，砂漿與ECC試件的橫向相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖3(c)所示.

圖3 凍融后ECC的橫向相對動彈性模量變化

由圖3(a)和圖3(b)可知，凍融循環(huán)增加，混凝土、砂漿與ECC試件的橫向相對動彈性模量逐漸下降，變化曲線可分為3個階段:①25次凍融循環(huán)，曲線稍有下降;②25～100次凍融循環(huán)，曲線下降趨勢明顯;③100～300次凍融循環(huán)，曲線下降趨勢較平緩.300次凍融循環(huán)后，混凝土和砂漿的橫向相對動彈性模量控制在39.27%左右，ECC橫向相對動彈性模量比混凝土和砂漿提高1.61～1.79倍.ECC橫向相對動彈性模量隨砂灰比的增加，稍有增加.

由圖3(c)可知，300次凍融循環(huán)后，砂灰比為0.6的ECC橫向相對動彈性模量控制在66.24%左右，比砂漿提高1.59倍.

綜上所述，300次凍融循環(huán)后，ECC的縱向與橫向相對動彈性模量降低量均不到40%;100次凍融循環(huán)后，混凝土和砂漿的縱向相對動彈性模量降低接近40%，橫向相對動彈性模量降低量超過40%.

混凝土、砂漿與ECC的抗凍耐久性指標對比，見表3.由表3可知，ECC抗凍等級均高于F300，混凝土與砂漿均為F100.按照《混凝土結構耐久性設計及施工指南》(CCES 01—2004)規(guī)定，嚴寒地區(qū)中度飽和水條件下設計使用年限50 a的結構與寒冷地區(qū)中度飽和水條件下設計使用年限100 a的結構均要求DF＞60%，ECC抗凍耐久性指標完全符合該要求［5－7］.ECC 耐久性明顯優(yōu)于普通混凝土與砂漿.

表3 混凝土、砂漿與ECC的抗凍耐久性指標

3 結語

1)100次凍融循環(huán)后，混凝土和砂漿試件表面出現(xiàn)了大量伴隨著許多浮渣的孔洞，且孔徑逐漸增大，這些孔洞逐漸形成坑槽，可見少量微裂縫;300次凍融循環(huán)后，ECC試件表面孔洞略微增多并伴隨少量浮渣.

2)凍融次數(shù)增加，混凝土、砂漿與ECC的質量損失率逐漸增加.300次凍融循環(huán)后，摻入C－PVA的ECC質量損失率均控制在2.5%以內，摻入JPVA的ECC均控制在1.5%以內.

3)凍融次數(shù)增加，混凝土、砂漿與ECC的縱向與橫向相對動彈性模量逐漸下降.100次凍融循環(huán)后，混凝土和砂漿的縱向相對動彈性模量稍高于60%，橫向相對動彈性模量接近60%;300次凍融循環(huán)后，ECC的縱向與橫向相對動彈性模量分別比混凝土和砂漿提高1.62～1.87 倍和1.61～1.79 倍.

4)在凍融循環(huán)試驗過程中，ECC質量損失率隨砂灰比的增加，逐漸增加;縱向與橫向相對動彈性模量稍有增加，選用砂灰比為0.6的ECC較合理.

5)ECC的DF為63% ～70%，抗凍等級高于F300，可用于寒冷地區(qū)混凝土結構的維護與加固.

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