高鈣粉煤灰PVA-ECC拉伸性能試驗(yàn)研究

劉曙光,張棟翔,閆長(zhǎng)旺，鄧軼涵

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，呼和浩特　010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，呼和浩特　010051)

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高鈣粉煤灰PVA-ECC拉伸性能試驗(yàn)研究

劉曙光1,2,張棟翔2,閆長(zhǎng)旺1,2，鄧軼涵2

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，呼和浩特010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，呼和浩特010051)

目前配制PVA-ECC(PolyvinylAlcohol-EngineeredCementitiousComposite)采用的粉煤灰主要是低鈣粉煤灰，為進(jìn)一步提高高鈣粉煤灰的利用效率，采用當(dāng)?shù)豂級(jí)高鈣粉煤灰配制出拉伸應(yīng)變穩(wěn)定達(dá)到3%的PVA-ECC，為實(shí)際工程應(yīng)用提供更多的材料選擇。從配合比設(shè)計(jì)開(kāi)始，研究了粉煤灰摻量、水膠比以及試件形式對(duì)PVA-ECC直接拉伸性能以及裂縫模式的影響。結(jié)果表明：隨著粉煤灰摻量的增加，新拌PVA-ECC的流動(dòng)性增大，立方體試塊的抗壓強(qiáng)度越小，拉伸開(kāi)裂強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度降低，拉伸應(yīng)變?cè)龃?，試件斷裂面不平，纖維拔出長(zhǎng)度增長(zhǎng)；隨著水膠比的增大，拉伸開(kāi)裂強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度降低，裂縫模式由橫向等寬度變?yōu)檩S線處細(xì)密邊緣處較寬；啞鈴型試件標(biāo)距范圍內(nèi)的最大等應(yīng)力區(qū)更有利于應(yīng)變硬化的實(shí)現(xiàn)。

PVA-ECC； 直接拉伸； 高鈣粉煤灰； 裂縫模式； 應(yīng)變硬化

1　引　言

混凝土作為一種非常成功的建筑材料在國(guó)民建設(shè)中擔(dān)任著不可或缺的角色。近些年來(lái)，突發(fā)的自然災(zāi)害(嚴(yán)重的動(dòng)荷載)造成的毀壞性的破壞使混凝土材料本身的脆性這一致命缺點(diǎn)越發(fā)顯著。在沖擊或爆炸荷載作用下，由于混凝土的脆性導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂、剝落甚至導(dǎo)致失去結(jié)構(gòu)的完整性是常有的事。除此之外，高速掉落的混凝土碎片會(huì)對(duì)正在結(jié)構(gòu)下面的行人造成人身傷害[1]。

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的水泥基復(fù)合材料(EngineeredCementitiousComposite，簡(jiǎn)稱ECC)在Michigan大學(xué)先進(jìn)土木工程材料研究實(shí)驗(yàn)室應(yīng)運(yùn)而生。在單軸拉伸作用下，纖維體積摻量為2%的前提下，ECC表現(xiàn)出優(yōu)異的拉伸延性(拉伸應(yīng)變?yōu)?3%)和損傷容限特性[2]。這就為減弱混凝土在沖擊或爆破荷載作用下的脆性行為提供了一個(gè)潛在的解決辦法。Ranade等[3]對(duì)比了M45-ECC[4]和HFA-ECC[2]兩種ECC的裂縫形態(tài)，得出在任意一應(yīng)力水平下，M45-ECC的裂縫寬而少相比于HFA-ECC裂縫的細(xì)而多，同時(shí)得出在任意一應(yīng)力水平下，裂縫概率密度函數(shù)可以用對(duì)數(shù)正態(tài)分布很好的描述。Kamile等[5]利用熒光顯微鏡和先進(jìn)的數(shù)字圖像分析了裂縫尺寸和纖維分布(分散和取向)對(duì)PVA-ECC的拉伸延性的作用，得出第一條裂縫開(kāi)裂強(qiáng)度與最大裂縫尺寸的平方根成反比。Yang等[6]研究了拉伸應(yīng)變速率對(duì)PVA-ECC拉伸特性的影響，得出增加纖維剛度、界面化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度、基體韌性導(dǎo)致隨著加載速率(10-5～10-1/s)的增加PVA-ECC拉伸應(yīng)變硬化現(xiàn)象呈負(fù)增長(zhǎng)，建議避免持續(xù)動(dòng)載作用，但是抗拉強(qiáng)度卻隨著加載速率(10-5～10-1/s)的增加而增加，建議設(shè)計(jì)抗沖擊PVA-ECC。Pang等[7]研究了高摻量粉煤灰PVA-ECC的制備和特性，得出隨著粉煤灰摻量的提高和砂含量的降低PVA-ECC的拉伸應(yīng)變?cè)黾?。吳瑞雪[8]對(duì)比了I級(jí)粉煤灰和II級(jí)粉煤灰對(duì)PVA-ECC拉伸性能的影響，得出I級(jí)粉煤灰對(duì)SHCC單軸拉伸性能的影響無(wú)論是從強(qiáng)度上還是從應(yīng)變硬化性能上都比II級(jí)粉煤灰要好很多。李艷等[9]研究了大摻量粉煤灰替代水泥對(duì)直接拉伸性能的影響，得出了粉煤灰摻量的增大降低了抗拉強(qiáng)度，但明顯改善了其受拉應(yīng)變硬化特性。張菊等[10]研究了氯鹽環(huán)境和淡水環(huán)境中聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料快速凍融試驗(yàn)，得出了氯鹽環(huán)境中PVA-ECC試件的抗凍性顯著下降，表明氯鹽環(huán)境對(duì)PVA-ECC抗凍性有重要影響。

低鈣粉煤灰配制出PVA-ECC的拉伸性能及耐久性已多有報(bào)道，但利用高鈣粉煤灰配制出的PVA-ECC的拉伸性能還鮮有報(bào)道。本文采用當(dāng)?shù)豂級(jí)高鈣粉煤灰配制出拉伸應(yīng)變穩(wěn)定在3%以上的PVA-ECC，在此基礎(chǔ)上，以高鈣粉煤灰替代量、水膠比等為變量研究對(duì)其拉伸性能的影響。從而有利于高鈣粉煤灰的合理高效利用，又為PVA-ECC這一新型材料的理論體系作了補(bǔ)充。

2　試　驗(yàn)

2.1原材料

試驗(yàn)選用冀東牌P·O42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分如表1所示。

粉煤灰選用Ⅰ級(jí)高鈣粉煤灰，其中粉煤灰中游離氧化鈣(CaO)的含量達(dá)到18%,屬于C類高鈣粉煤灰，化學(xué)成分如表2所示；正常來(lái)講，由于高鈣粉煤灰游離CaO含量較高，如果使用不當(dāng), 會(huì)導(dǎo)致水泥安定性不良甚至導(dǎo)致混凝土膨脹開(kāi)裂。但有研究表明[11]：高鈣粉煤灰經(jīng)過(guò)消解、磨細(xì)、摻入化學(xué)外加劑以及摻加活性礦物摻合料均能改善高鈣粉煤灰的安定性。在本試驗(yàn)中，高鈣粉煤灰由某環(huán)保建材公司生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)了磨細(xì)篩選，且粉煤灰長(zhǎng)期儲(chǔ)存在倉(cāng)庫(kù)里，這些措施相當(dāng)于對(duì)高鈣粉煤灰進(jìn)行了改性處理，一定程度上改善了高鈣粉煤灰的安定性。纖維選用日本Kuraray公司生產(chǎn)的K-Ⅱ可樂(lè)綸纖維，參數(shù)如表3所示；細(xì)骨料選用粒徑為0.075～0.15mm的優(yōu)質(zhì)硅砂(石英砂)。

增稠劑為德州某公司生產(chǎn)的MK-100000S羥丙基甲基纖維素簡(jiǎn)稱HPMC；減水劑為聚羧酸類高效減水劑，減水率為33%。

表1　P·O 42.5普通硅酸鹽水泥基本化學(xué)成分

表2?、窦?jí)高鈣粉煤灰化學(xué)成分

表3　PVA纖維的基本特性

2.2配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中高鈣粉煤灰替代水泥量為80%、70%、60%；水膠比為0.22和0.24；粉煤灰與水泥的比為4、2.3和1.5。所有試件纖維體積摻量均為2%。配合比如表4所示。

表4　試驗(yàn)用配合比

注：CMa:CementitiousMaterials(Cement+FlyAsh)；FA、C和W分別表示粉煤灰、水泥和水；編號(hào)b中的數(shù)字分別表示粉煤灰替代量和水膠比；E表示ECC。

2.3試件成型

PVA纖維水泥基復(fù)合材料采用JJ-5型攪拌機(jī)攪拌，首先將稱好的膠凝材料(包括水泥和粉煤灰)、石英砂和增稠劑混合干拌2min, 而后將事先溶于水的減水劑和水加入干料中低速攪拌4min，繼續(xù)高速攪拌2min，此時(shí)水泥基體呈流態(tài)狀具有良好的流動(dòng)性，最后人工緩慢加入纖維，待纖維加入后低速攪拌2min后再高速攪拌1min，其依靠重力自由下落呈瀑布形，未出現(xiàn)一整塊的墜落，下降時(shí)相互之間有黏連，新拌PVA-ECC具有良好的連續(xù)性和適宜的粘聚性。如圖1所示。說(shuō)明纖維分散良好，無(wú)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，無(wú)泌水現(xiàn)象。

試件尺寸為260mm×50mm×15mm直板型試件和330mm×600mm×15mm啞鈴型試件，啞鈴型試件類型與尺寸參考的是日本推薦規(guī)范《RecommendationsforDesignandConstructionofHighPerformancefiberReinforcedCementCompositeswithMultipleFineCracks(HPFRCC)》的設(shè)計(jì)，如圖2所示。立方體抗壓強(qiáng)度試件尺寸為100mm×100mm×100mm。分兩次澆筑并于試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)60s，共120s，澆筑完成后用塑料薄膜覆蓋并置于室內(nèi),試件初凝后將其抹平，所有試件24h拆模后水浴養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)溫度為(23±2) ℃。

2.4試驗(yàn)加載與測(cè)試

直接拉伸試驗(yàn)在濟(jì)南試金集團(tuán)生產(chǎn)的10kN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行,試驗(yàn)數(shù)據(jù)由DH3820靜態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行采集，荷載由10kN外置拉壓傳感器采集，加載速率采用位移控制，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中保持加載速率為0.1mm/min。試件加載前，使用鋁質(zhì)位移計(jì)固定裝置將位移計(jì)安裝于標(biāo)距長(zhǎng)度為90mm的試件兩側(cè)，試驗(yàn)加載裝置如圖3所示。試驗(yàn)變形值取兩側(cè)位移計(jì)測(cè)量值的平均值，應(yīng)力值和應(yīng)變值取試件實(shí)際尺寸進(jìn)行計(jì)算。

圖1　新拌PVA-ECCFig.1　Fresh of PVA-ECC

圖2　啞鈴型木模板Fig.2　Dogbone-shaped form

為了進(jìn)一步驗(yàn)證拌合物的流動(dòng)性，對(duì)拌合物流動(dòng)性用水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)試儀進(jìn)行了測(cè)試。如圖4所示為流動(dòng)度測(cè)試儀和測(cè)試結(jié)果。

圖3　加載裝置示意圖Fig.3　Diagram of loading device

圖4　流動(dòng)度測(cè)試Fig.4　Test of fluidity

3　結(jié)果與討論

3.1高鈣粉煤灰與低鈣粉煤灰對(duì)PVA-ECC應(yīng)變硬化性能的影響

低鈣粉煤灰的CaO含量較低，它基本上不具有或是很小的水硬活性。低鈣粉煤灰的潛在活性需要在外加離子在堿溶液中激發(fā)才能體現(xiàn)出來(lái)[12]。低鈣粉煤活性較低，Wang和Li[13]通過(guò)加入F類粉煤灰來(lái)改善纖維-基體的界面關(guān)系并降低基體韌度，粉煤灰的惰性細(xì)顆粒附著到纖維表面,在纖維表面形成了一層球膜，避免了纖維和基體水化產(chǎn)物的直接接觸,降低了基體對(duì)纖維化學(xué)黏結(jié)作用，粉煤灰的摻入有利于降低纖維與基體的化學(xué)粘結(jié)力和物理摩擦力。在普通硅酸鹽水泥中，Ca3+和Al2+是形成水泥基體與纖維間的強(qiáng)大薄膜的重要物質(zhì)，并以鋁酸三鈣存在與石膏反應(yīng)形成不能分解的水化物。而在粉煤灰中，大部分Ca3+和Al2+并不是自由的存在的，大摻量的低鈣粉煤灰降低了基體中Ca3+和Al2+的濃度，進(jìn)而減弱可能發(fā)展形成的纖維與基體的化學(xué)黏結(jié)力。另外，低鈣粉煤灰較高鈣粉煤灰含有較高的碳含量，在拔出的纖維纖維表面發(fā)現(xiàn)，碳顆粒附著在纖維表面作為額外的一層“油膜”來(lái)降低纖維與基體的化學(xué)粘結(jié)力同時(shí)改善纖維與基體的摩擦力。所以適量低鈣粉煤灰的摻入有利于PVA-ECC應(yīng)變硬化性能的實(shí)現(xiàn)，在諸多學(xué)者的研究中，其PVA-ECC配合比中粉煤灰替代水泥的量在50%左右，粉煤灰摻量太高會(huì)影響材料的力學(xué)性能。

高鈣粉煤灰中含有一定量的石灰、鋁酸三鈣(C3A)、硅酸二鈣(C2S)、富鈣玻璃體等活性物質(zhì)，并且C3A和C2S的水化行為與波特蘭水泥中的相同，此外其玻璃體結(jié)構(gòu)聚合程度低于低鈣粉煤灰，因此高鈣粉煤灰除了具有低鈣粉煤灰的火山灰活性外，其自身還具有一定水硬活性和自硬性[12,15]。高鈣粉煤灰在體積安定性合格的情況下，加大高鈣粉煤灰的摻量可以在保證力學(xué)性能的前提下實(shí)現(xiàn)應(yīng)變硬化性能的提升。實(shí)現(xiàn)了粉煤灰的高效利用，具體論述見(jiàn)3.4節(jié)。

3.2粉煤灰摻量對(duì)PVA-ECC材料工作性能的影響

不同粉煤灰摻量配制同一水膠比的PVA-ECC流動(dòng)度控制在200～240mm范圍內(nèi)時(shí)所需減水劑結(jié)果如表5所示。

表5　不同粉煤灰摻量配制同一水膠比PVA-ECC所需減水劑結(jié)果

如表5所示，在水膠比相同的情況下，不同粉煤灰摻量所需減水劑不同，隨著粉煤灰摻量的增加，所需減水劑量減少，流動(dòng)度增加。這是因?yàn)閺姆勖夯业奈⒂^結(jié)構(gòu)分析，厲超[12]通過(guò)SEM看到高鈣粉煤灰的形貌照片，得到高鈣粉煤灰基本由球狀顆粒構(gòu)成，放大觀察倍數(shù)，發(fā)現(xiàn)許多更細(xì)小的顆粒分布在球體上。通過(guò)TEM觀察，發(fā)現(xiàn)附著在球體上的細(xì)小顆粒也是球狀的，同時(shí)，在納米級(jí)別，高鈣粉煤灰都是由球狀顆粒組成；從粉煤灰的細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析，粉煤灰與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生的二次反應(yīng)物呈致密的球狀顆粒，表面光滑，可以起到滾珠軸承的潤(rùn)滑作用[14]；從粉煤灰的燒失量[15]分析，其燒失量很低，顆粒形態(tài)以球形為主，所以其需水量低，具有很好的減水作用。實(shí)際上，粉煤灰的加入使系統(tǒng)的有效水膠比增大。故粉煤灰摻量的增加，這些粒狀的產(chǎn)物越來(lái)越多，這也就會(huì)更大面積的減少相互摩擦作用，顆粒與顆粒之間的相對(duì)滑動(dòng)增加，所以可以在滿足流動(dòng)度增加的情況下，減水劑的用量減少。

3.3粉煤灰摻量對(duì)PVA-ECC立方體抗壓強(qiáng)度的影響

表6比較了PVA-ECC在不同齡期、不同粉煤灰摻量對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度的影響，由表6可知，在齡期14d時(shí)，水膠比為0.24時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，立方體抗壓強(qiáng)度降低。文獻(xiàn)[16]認(rèn)為粉煤灰-水泥的強(qiáng)度由水泥水化的強(qiáng)度貢獻(xiàn)和粉煤灰火山灰效應(yīng)的強(qiáng)度貢獻(xiàn)兩部分組成。并得出粉煤灰火山灰效應(yīng)對(duì)整個(gè)體系的早期強(qiáng)度起到不利影響，隨著齡期增長(zhǎng)對(duì)強(qiáng)度開(kāi)始有貢獻(xiàn)。當(dāng)粉煤灰摻量增加到80%時(shí)，水泥量降低，參與水化的水泥熟料少，水化體系中的Ca2+濃度較低，一次水化反應(yīng)產(chǎn)物減少，生成的水化產(chǎn)物聯(lián)系不夠緊密或不能生成具有強(qiáng)度的水化產(chǎn)物。故降低了早期強(qiáng)度。張同生[17]用高鈣粉煤灰做了水化反應(yīng)試驗(yàn)，得出早齡期(3d)時(shí)，只有粒度較細(xì)的粉煤灰顆粒發(fā)生了很少的火山灰反應(yīng)，到齡期為28d時(shí)，粒度較大的粉煤灰顆粒也發(fā)生了火山灰反應(yīng)。隨著齡期的增長(zhǎng)，水泥水化趨于完全，粉煤灰的火山灰貢獻(xiàn)也越來(lái)越大。故隨著齡期的增長(zhǎng)，后期強(qiáng)度較高。

表6　各齡期抗壓強(qiáng)度值

3.4粉煤灰摻量對(duì)PVA-ECC直接拉伸性能的影響

3.4.1粉煤灰摻量對(duì)PVA-ECC拉伸應(yīng)力-應(yīng)變的影響

圖5比較了啞鈴型和直板型試件在水膠比為0.24、齡期為28d時(shí)不同粉煤灰摻量對(duì)拉伸應(yīng)力、應(yīng)變的影響。鑒于試件類型在此部分結(jié)果與結(jié)論分析近似相同，只對(duì)啞鈴型試件進(jìn)行分析和討論。隨著粉煤灰摻量的增加，PVA-ECC的開(kāi)裂強(qiáng)度降低。齡期為28d時(shí)也就是水化后期，粉煤灰顆粒表面層已與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次反應(yīng),且形成若干層反應(yīng)物,這些新生成的表面層是強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)，層與層之間或?qū)优c未水化的粉煤灰表面粘結(jié)十分微弱，很容易在外力作用下剝落。進(jìn)而降低基體的強(qiáng)度。且在開(kāi)裂之前，纖維本身不承受抗拉荷載，只有基體受力，開(kāi)裂強(qiáng)度反映了基體的強(qiáng)度變化，所以基體初裂強(qiáng)度隨著粉煤灰含量的增加而降低。

圖5　不同粉煤灰摻量的PVA-ECC拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)啞鈴型試件；(b)直板型試件Fig.5　PVA-ECC tensile stress-strain curve of different dosage of fly ash

此外，由圖5可知，隨著粉煤灰摻量的增加，PVA-ECC的直接拉伸應(yīng)變相應(yīng)增大。拉伸應(yīng)變大是應(yīng)變-硬化行為的宏觀體現(xiàn)。而應(yīng)變-硬化行為的實(shí)現(xiàn)主要依賴?yán)w維與基體適宜的粘結(jié)及界面結(jié)構(gòu)，而適宜的粘結(jié)與界面結(jié)構(gòu)又依賴于纖維的表面和微觀結(jié)構(gòu)。PVA纖維的親水性使其表面聚集大量水化產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)了纖維與基體的粘結(jié)，但是粘結(jié)力如果過(guò)大，大于纖維本身的抗拉強(qiáng)度時(shí)，則纖維不能在裂縫間發(fā)揮作用從而為材料的應(yīng)變做貢獻(xiàn)。此時(shí)，如果能降低纖維與基體的粘結(jié)而提高纖維與基體的摩擦自然是有利的，而粉煤灰的加入恰好為水泥的水化產(chǎn)物提供了沉積區(qū),纖維表面大量附著的就是粉煤灰顆粒；另一方面，粉煤灰的球狀顆粒恰好減小了與纖維的粘結(jié)增大了摩擦。故粉煤灰的摻量越多，替代纖維為水泥水化產(chǎn)物提供沉積區(qū)的就越多，減小與纖維的摩擦就越多，纖維與基體的粘結(jié)就越有利于實(shí)現(xiàn)應(yīng)變-硬化。

圖6　試件斷裂截面(a)E80-24；(b)E70-24；(c)E60-24Fig.6　Fracture section of specimen(a)E80-24,(b)E70-24,(c)E60-24

如圖5a所示，試件E80-24應(yīng)力-應(yīng)變曲線以水平發(fā)展段的形式發(fā)展到3%左右時(shí)，應(yīng)變硬化段不再是水平增長(zhǎng)，而是以類似爬坡的形式繼續(xù)增長(zhǎng)，由于沒(méi)有新裂縫的出現(xiàn)，所以這部分爬坡段非常平滑，偶爾有波動(dòng)也是新裂縫的出現(xiàn)所致。這部分應(yīng)力強(qiáng)化段是在裂縫發(fā)展完全后，纖維在拔出過(guò)程中克服與基體的摩擦應(yīng)力，這個(gè)應(yīng)力大于開(kāi)裂應(yīng)力。如圖6a所示，觀察試件的斷裂截面發(fā)現(xiàn)，斷裂面沿厚度方向起伏。表現(xiàn)為纖維的拔出或拔削，纖維以拔出的形態(tài)出現(xiàn)在斷裂面，具有較長(zhǎng)的伸出長(zhǎng)度。圖5a曲線E70-24應(yīng)變硬化段雖然達(dá)到了3%以上，但是應(yīng)變硬化段是在有限的裂縫條數(shù)下依靠裂縫寬度的增大來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這樣的裂縫寬度必將導(dǎo)致材料耐久性的降低；曲線E70-24較曲線E80-24相比，在曲線應(yīng)變硬化段沒(méi)有由于纖維的拔出而產(chǎn)生的爬坡段，如圖6b所示，通過(guò)觀察試件的斷裂截面處纖維的斷裂形態(tài)發(fā)現(xiàn)，纖維有拔出的跡象，但是在拔出的過(guò)程中拔斷，這表明纖維在基體中輕微拔削后被拔斷。由于試件E60-24僅有很少的幾條裂縫，試件斷裂截面處的纖維幾乎與試件斷裂面相齊，纖維直接拉斷，宏觀上未有纖維的拔出與滑移出現(xiàn)，如圖6c所示。斷裂面沿厚度方向水平。

3.4.2粉煤灰摻量對(duì)PVA-ECC裂縫模式的影響

圖7　不同粉煤灰摻量對(duì)PVA-ECC裂縫模式Fig.7　PVA-ECC cracking model of different dosage of fly ash

如圖7所示，給出了直版型試件不同粉煤灰摻量的PVA-ECC裂縫模式。隨著粉煤灰摻量的增加，裂縫條數(shù)增加，間距減小，很多細(xì)密的裂縫用肉眼幾乎分辨不清。如上所述，隨著粉煤灰摻量的增加，基體開(kāi)裂強(qiáng)度減小，當(dāng)基體開(kāi)裂強(qiáng)度小于裂縫間纖維的橋連應(yīng)力時(shí)，第二條裂縫出現(xiàn)之前，第一條裂縫的纖維不會(huì)被拉斷，隨著拉伸應(yīng)力的增加，裂縫間的纖維消耗與基體的摩擦滑移和自身的彈性變形來(lái)為應(yīng)力的重分布提供時(shí)間，同時(shí)使裂縫間的能量釋放。此時(shí)，粉煤灰的球狀顆粒發(fā)揮傳遞和分散纖維應(yīng)力的作用。在下一次達(dá)到基體開(kāi)裂強(qiáng)度之前就會(huì)將第一條裂縫的能量傳遞分散出去，在某一個(gè)截面出現(xiàn)第二條裂縫。如果粉煤灰的摻量不夠多，在下一次達(dá)到基體開(kāi)裂強(qiáng)度之前就不能很好的將第一條裂縫間的能量傳遞出去，導(dǎo)致裂縫間纖維拉斷，裂縫寬度增加，裂縫條數(shù)減少，間距增大。

3.5水膠比對(duì)PVA-ECC直接拉伸性能的影響

3.5.1水膠比對(duì)PVA-ECC拉伸應(yīng)變-應(yīng)變曲線的影響

圖8比較了粉煤灰摻量相同的情況下不同水膠比對(duì)PVA-ECC應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響。由圖8a可知，水膠比從0.22增大到0.24，基體的開(kāi)裂強(qiáng)度從3.1MPa降低到2.4MPa，同時(shí)極限強(qiáng)度也相應(yīng)的降低。試件E80-22Y較E80-24Y相比具有較長(zhǎng)的的應(yīng)變硬化段，表現(xiàn)出更好的應(yīng)變硬化性能。綜合分析有四個(gè)原因。第一，水膠比越大，基體強(qiáng)度較低，很容易由于局部缺陷或者加載偏心導(dǎo)致較早局部主裂縫破壞；水膠比越大，基體中有較多的游離水致使基體孔洞增多，封閉孔、連通孔分布在基體內(nèi)部，基體內(nèi)部不再均勻密實(shí)，拉伸過(guò)程中首先會(huì)在試件缺陷薄弱截面出現(xiàn)裂縫。繼續(xù)加載，在變形監(jiān)測(cè)區(qū)裂縫還沒(méi)有擴(kuò)展開(kāi)裂完全，缺陷薄弱截面裂縫處纖維就會(huì)過(guò)早拔出，使試件提前進(jìn)入應(yīng)力強(qiáng)化的爬坡段。第二，水膠比增大，降低了纖維與基體截面的黏結(jié)力，隨著拉伸荷載的增加，裂縫間纖維的滑移使裂縫寬度增大，這樣就會(huì)使剛要達(dá)到開(kāi)裂的應(yīng)力降低，而加載速率不變，這就需要一定的時(shí)間才能使力再次達(dá)到開(kāi)裂荷載。可以理解為裂縫寬度的增大代替了新裂縫的出現(xiàn)。當(dāng)纖維滑移到與基體產(chǎn)生摩擦力的時(shí)候，就會(huì)進(jìn)入應(yīng)力強(qiáng)化的爬坡段。第三，上述對(duì)比試件粉煤灰摻量為80%，粉煤灰具有減水的作用，已經(jīng)使有效水膠比增大，如果水膠比再大的話，多余的水使試件不密實(shí)，不利于試件開(kāi)裂強(qiáng)度的提高，更不利于應(yīng)變硬化的形成。第四，低水膠比有利于PVA纖維的均勻分散，裂縫間均勻分散的纖維能及時(shí)橋接荷載，實(shí)現(xiàn)裂縫的穩(wěn)態(tài)開(kāi)裂。

圖8　不同水膠比PVA-ECC拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)啞鈴型試件;(b)直板型試件Fig.8　PVA-ECC tensile stress-strain curve of different W/CM

3.5.2水膠比對(duì)PVA-ECC裂縫模式的影響

圖9比較了水膠比對(duì)裂縫模式的影響。對(duì)比圖9a與圖9b的裂縫模式看出，圖9a和圖9b相同的是：裂縫在整個(gè)標(biāo)距范圍內(nèi)裂縫寬度幾乎一致，并且均勻分布在標(biāo)距范圍內(nèi)。不同的是：每條裂縫沿試件寬度方向的寬度不一致。圖9a的每一條裂縫寬度從左到右基本相同，而在圖9b中裂縫在邊緣處較寬，試件軸線處較為細(xì)密，表現(xiàn)為中間細(xì)密，邊緣較寬的裂縫形態(tài)。綜合分析，水膠比為0.24 的試件在澆筑振動(dòng)的過(guò)程中，在試模內(nèi)壁邊緣處有析水現(xiàn)象，試件成型后，水膠比為0.24的試件較水膠比為0.22的試件相比在試件邊緣處水化產(chǎn)物少，導(dǎo)致纖維與水泥基體件化學(xué)黏結(jié)力降低，故在試件加載過(guò)程中，邊緣處纖維很容易被拔出，表現(xiàn)較軸線處裂縫寬的裂縫模式。

圖9　不同水膠比裂縫形態(tài)(a)0.22;(b)0.24Fig.9　Fracture morphology of different W/CM ratio

在一定的水膠比范圍內(nèi)，較低水膠比使得PVA-ECC材料更加均勻，可以避免由于內(nèi)部材料的不均勻?qū)е戮植咳毕莸臄U(kuò)大及集中開(kāi)裂的產(chǎn)生，從而保證了PVA-ECC材料較大的應(yīng)變硬化，飽和開(kāi)裂更易發(fā)生。因此，較低水膠比有利于ECC材料延性和韌性的提高。所以在粉煤灰摻量為80%的情況下，水膠比在一定范圍內(nèi)，水膠比越小，其開(kāi)裂強(qiáng)度越高，極限拉伸應(yīng)變也越大。

3.6試件形式對(duì)PVA-ECC直接拉伸性能的影響

圖10a和圖10b分別在水膠比為0.24和0.22時(shí)啞鈴型試件和直板型試件對(duì)拉伸性能的影響，其中啞鈴型與直板型試件的截面尺寸為30×15和50×15，二者的初裂強(qiáng)度相差不大，但是極限抗拉強(qiáng)度有很大的區(qū)別，啞鈴型試件的抗拉強(qiáng)度較直板型試件大，換言之，啞鈴型試件在曲線水平段的顛簸后有較長(zhǎng)的爬坡段，應(yīng)變硬化段較直板型試件更長(zhǎng)。

圖10　啞鈴型(Y)與直板型(Z)試件拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)水膠比為0.24;(b)水膠比為0.22Fig.10　Tensile stress-strain curve between dog-bone shaped and straight plate-shaped specimen

圖11　變截面處裂縫形態(tài)Fig.11　Fracture morphology of variable cross-section

啞鈴型試件截面是從拉伸標(biāo)距段到非標(biāo)距段以弧形過(guò)渡的變截面設(shè)計(jì)，在保證拉伸軸線對(duì)中情況下，試件在荷載作用下橫截面應(yīng)力在標(biāo)距段是以最大等應(yīng)力形式存在的，在截面變化段，截面應(yīng)力從最大等應(yīng)力逐漸連續(xù)變小，在整個(gè)試件變形區(qū)試件截面幾乎不存在應(yīng)力集中，所以試件開(kāi)裂首先發(fā)生在應(yīng)力較大的標(biāo)距段，僅僅在裂縫擴(kuò)展段纖維開(kāi)始克服摩擦力拔出時(shí)標(biāo)距段應(yīng)力增大到超過(guò)開(kāi)裂應(yīng)力，而非標(biāo)距段會(huì)達(dá)到開(kāi)裂應(yīng)力而出現(xiàn)幾條與截面垂直的裂縫，裂縫呈圓弧形，但試件的破環(huán)很少發(fā)生在變截面段，如圖11所示。

直板型試件截面應(yīng)力在任何一個(gè)截面都是等應(yīng)力最大，所以試件的開(kāi)裂和最終破壞可以發(fā)生在任何一個(gè)位置。所以直板型試件在直接拉伸作用下，只有標(biāo)距段的應(yīng)變被采集到，但這不是整個(gè)試件的應(yīng)變，所以其拉伸應(yīng)變較啞鈴型試件低。不過(guò)有很多試驗(yàn)者將非標(biāo)距段進(jìn)行加固也可以避免試件的破壞。

4　結(jié)　論

(1)低鈣粉煤灰較低的活性對(duì)改善纖維與水泥基體間的界面關(guān)系有較大的貢獻(xiàn)，進(jìn)而對(duì)PVA-ECC實(shí)現(xiàn)應(yīng)變硬化性能提供保證。高鈣粉煤灰具有較高的活性，較低的粉煤灰摻量不利于應(yīng)變硬化性能的實(shí)現(xiàn)，但提高粉煤灰摻量，基體斷裂韌度降低，纖維與基體的界面關(guān)系得到改善，PVA-ECC的單軸拉伸性能提高；

(2)隨著粉煤灰摻量的增加，使有效水膠比增大，拌合物流動(dòng)性增加，減水劑的用量減少。粉煤灰摻量的增加，水泥含量相對(duì)減少，不能生成或很少生成具有強(qiáng)度的水化產(chǎn)物，使齡期很短的PVA-ECC立方體的抗壓強(qiáng)度較低，但隨著齡期的增長(zhǎng)，后期的PVA-ECC立方體的抗壓強(qiáng)度較高；

(3)粉煤灰摻量增加，在單軸拉伸荷載作用下，開(kāi)裂強(qiáng)度、極限拉伸強(qiáng)度降低，但是拉伸應(yīng)變?cè)龃?。粉煤灰的球狀顆?？梢詾樗嗟乃a(chǎn)物提供沉積區(qū)，減小水化產(chǎn)物與纖維的化學(xué)黏結(jié)而增大摩擦，這樣有利于實(shí)現(xiàn)纖維的拔出破壞，更容易實(shí)現(xiàn)應(yīng)變硬化；

(4)粉煤灰摻量越高，裂縫越多，越細(xì)密，間距越小。同時(shí)粉煤灰摻量多的試件破壞截面沿厚度方向起伏，同時(shí)破壞截面纖維具有較長(zhǎng)的伸出長(zhǎng)度；

(5)水膠比越大，開(kāi)裂強(qiáng)度越低，極限強(qiáng)度也降低。同時(shí)裂縫的開(kāi)裂模式為沿試件寬度方向，軸線處細(xì)密邊緣較寬；

(6)啞鈴型試件由于標(biāo)距段是最大等應(yīng)力截面，裂縫的發(fā)生和擴(kuò)展都會(huì)先于其他截面發(fā)生，從而能很好的反應(yīng)試件的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變行為。

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ExperimentalStudyontheTensilePropertiesofPVA-ECCwithHigh-calciumFlyAsh

LIU Shu-guang1,2,ZHANG Dong-xiang2,YAN Chang-wang1,2,DENG Yi-han2

(1.SchoolofMiningandTechnology,InnerMongoliaUniversityofTechnology,Hohhot010051,China;2.SchoolofCivilEngineering,InnerMongoliaUniversityofTechnology,Hohhot010051,China)

CurrentlypreparedPVA-ECC(PolyvinylAlcohol-EngineeredCementitiouscomposite)usedprimarilylowcalciumflyash,inordertofurtherimprovetheefficiencyofhigh-calciumflyash,usinglocalclassⅠhigh-calciumflyashcreatedasteady3%tensilestrainofPVA-ECC,providingmorematerialoptionsforpracticalapplication.Startingfromthedesignofmixproportion,researchingontheflyash,watertocementitiousmaterial(W/CM)ratioandspecimenformstotheinfluenceofthedirecttensilepropertiesandcrackpattern.TheresultsshowedthatwiththeflyashcontentofPVA-ECCincreased.TheflowbilityoffreshPVA-ECCincreased,thecompressivestrengthoftestcubesdecreased,tensilecrackingstrengthandultimatetensilestrengthdecreased,tensilestrainincreased.Thefracturesurfaceofspecimenisuneven,longerfibersarepulled.Asthewatertocementitiousmaterial(W/CM)ratioofPVA-ECCincreased,tensilecrackingstrengthandultimatetensilestrengthdecreased.Thesamecrackwidthofcrackpatternbecamewideintheedgeandfineintheaxis.Themaximumequivalentstressareaintherangeofthegagelengthofdog-boneshapedspecimenismoreconducivetotherealizationofstrainhardening.

PVA-ECC;directtensile;highcalciumflyash;crackpattern;strainhardening

國(guó)家自然科學(xué)基金(51168033，51368041)；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金(2012MS0706，2013MS0709)；內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目(NJZY13104)

劉曙光(1960-)，男，碩士，教授.主要從事纖維混凝土基本理論與研究.

閆長(zhǎng)旺,教授.

TD98

A

1001-1625(2016)01-0052-09