MS-UHTCC水泥基復(fù)合材料力學(xué)特性的試驗(yàn)研究

夏正兵

(江蘇城市職業(yè)學(xué)院(南通)建筑工程學(xué)院,江蘇南通226006)

MS-UHTCC水泥基復(fù)合材料力學(xué)特性的試驗(yàn)研究

夏正兵

(江蘇城市職業(yè)學(xué)院(南通)建筑工程學(xué)院,江蘇南通226006)

高強(qiáng)混凝土在工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，然而高強(qiáng)混凝土早期熱變形和自收縮變形很大，當(dāng)這種變形受到約束的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力并導(dǎo)致開(kāi)裂。實(shí)際工程中，混凝土總是處于鋼筋和相連構(gòu)件的約束狀態(tài)下，因而易于發(fā)生早期開(kāi)裂。采用廉價(jià)碳酸鈣晶須對(duì)UHTCC進(jìn)行改性研究，結(jié)果表明：晶須的摻入可提高UHTCC的抗壓強(qiáng)度、延性及抗拉強(qiáng)度,MS-UHTCC在單拉作用下表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化行為和多縫開(kāi)裂模式，利用碳酸鈣晶須和國(guó)產(chǎn)PVA配制廉價(jià)MS-UHTCC具有可行性。

配筋；高強(qiáng)混凝土；力學(xué)性能

0 引言

UHTCC是一種水泥基復(fù)合材料，使用短纖維增強(qiáng)，一般纖維摻量不超過(guò)復(fù)合材料總體積的2.5%，其明顯結(jié)構(gòu)特征為多尺度，包括由凝膠孔、水泥水、孔洞缺陷、石英砂、水泥基體、PVA纖維等構(gòu)成。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家已經(jīng)在很多方面開(kāi)展研究和探索，如PVA纖維、碳納米管、鋼纖維等[1]，這些材料的微纖維價(jià)格都較為昂貴，因此無(wú)法推廣應(yīng)用。

MS-UHTCC是一種纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，它具有超高延性和韌性、應(yīng)變硬化、細(xì)密多裂縫開(kāi)裂機(jī)制等特點(diǎn)[2]，該材料在纖維體積摻量為1.8%左右時(shí)，在單軸拉伸荷載作用下即可以體現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特性，同時(shí)出現(xiàn)細(xì)密多裂縫開(kāi)裂。另外，該材料有超高的延性，極限拉應(yīng)變最高能達(dá)到6%，為普通混凝土開(kāi)裂時(shí)應(yīng)變的250倍以上[3]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)UHTCC材料的力學(xué)性能進(jìn)行了很多研究，并且在部分工程中進(jìn)行了應(yīng)用，實(shí)踐證明UHTCC具有抗?jié)B性能好、耐久性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其抗壓強(qiáng)度及彈性模量的參數(shù)與普通混凝土接近，因此與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的黏結(jié)性能強(qiáng)。但是，UHTCC材料的主要成分——PVA纖維完全需要進(jìn)口，其造價(jià)約為混凝土材料造價(jià)的12～15倍。

本文在已有的研究基礎(chǔ)上，采用生產(chǎn)成本約1 000元/t的廉價(jià)碳酸鈣晶須對(duì)UHTCC進(jìn)行改性，提出多尺度工程水泥基復(fù)合材料(MS-UHTCC)的設(shè)計(jì)概念，并進(jìn)行材料宏觀力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果表明：MS-UHTCC相比普通UHTCC材料力學(xué)性能改善顯著，晶須的摻入可以明顯提高UHTCC的延性和強(qiáng)度，利用碳酸鈣晶須和國(guó)產(chǎn)PVA纖維制備廉價(jià)UHTCC具有可行性。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 材料的準(zhǔn)備及配比

本試驗(yàn)采用的原料有水泥(42.5級(jí)的普通水泥)、石英砂(精細(xì))、粉煤灰(國(guó)產(chǎn))、PVA纖維(國(guó)產(chǎn))、PVA纖維(進(jìn)口)等。原材料的性能及化學(xué)成分分別見(jiàn)表1和表2。

表1 原材料性能

表2 原材料主要化學(xué)成分 %

圖1 晶須宏觀形態(tài)

晶須的宏觀形態(tài)如圖1所示。需要研究PVA的類型、PVA的摻合量、晶須的摻量對(duì)MS-UHTCC的影響，本研究基體砂膠比取為0.35，水膠比統(tǒng)一取為0.4，粉煤灰摻量與水泥用量的質(zhì)量比為4[4]。為保證基體有優(yōu)良的和易性，減水劑(聚羧酸)的用量為0.6%[5]。4組MS-UHTCC基體中纖維類型及體積摻量如表3所示。

表3 纖維體積摻量

1.2 試驗(yàn)流程

MS-UHTCC的攪拌流程如圖2所示。依據(jù)日本《單軸拉伸測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)》(JSCE—2008)[6]的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，單軸拉伸試件采用厚度為15 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件測(cè)試其抗拉性能，標(biāo)準(zhǔn)尺寸如圖3所示。試驗(yàn)設(shè)備采用MTS-CMT4204型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加載裝置如圖4所示。

圖2 MS-UHTCC的制備流程

圖3 標(biāo)準(zhǔn)狗骨試件尺寸(單位：mm)

圖4 單軸拉伸試件裝置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)變強(qiáng)度

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制內(nèi)鋼環(huán)的應(yīng)變隨齡期的發(fā)展曲線圖，如圖5～8。

圖5 不配筋試件Y1-0內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變

圖6 配筋試件Y2-16內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變

圖7 配筋試件Y3-20內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變

圖8 配筋試件Y4-25內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變

從圖中可以看出，4組試件內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)相似，前36 h內(nèi)混凝土的收縮變形最為劇烈，之后混凝土的收縮變形速度漸緩。

2.2 單軸拉伸性能

4組配比的單拉曲線如圖9所示。

分析試驗(yàn)圖示可知，用低價(jià)的晶須取代或部分取代PVA纖維具有一定的可行性，而且晶須的摻入在一定程度上可以提高UHTCC的強(qiáng)度和延性，并促使其裂縫更加細(xì)密，分布也更加均勻。這主要是由于MS-UHTCC中本身就存在PVA和晶須，這是2種不同的尺度纖維，晶須在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中阻止了基體內(nèi)部由微觀開(kāi)裂漸漸變?yōu)榧?xì)觀的裂紋，PVA纖維主要用于抑制裂縫的產(chǎn)生。在MS-UHTCC受力并開(kāi)始開(kāi)裂時(shí)，裂紋由微觀層次產(chǎn)生，晶須先在微觀尺度起作用，阻礙裂縫的發(fā)展，根據(jù)基體強(qiáng)弱的不同存在3種作用機(jī)理，即晶須拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)以及裂紋沖斷[7]，這些過(guò)程一直都存在能量消耗，如圖9所示。相關(guān)的裂縫是由微觀裂紋和宏觀裂縫合并而成，但是由于晶須對(duì)微觀裂紋有抑制作用，因此復(fù)合材料中的復(fù)合裂紋相比普通水泥基材料少很多，即使PVA體積摻量達(dá)不到2%，復(fù)合材料(MS-UHTCC)依然可以表現(xiàn)出極好的應(yīng)力硬化以及極好的多裂縫開(kāi)裂?？梢?jiàn)，晶須的摻入可以達(dá)到部分代替PVA纖維的效果。

(a)a組

(c)c組

(d)d組

晶須的部分摻入可以使基體與相關(guān)纖維的界面增大，使 MS-UHTCC的總孔隙率比普通UHTCC高。由于晶須是處于微觀尺度的，其孔隙主要在微細(xì)觀層面上，降低了產(chǎn)生大缺陷的可能，可以保證晶須的摻入起到優(yōu)化基體孔隙分布的作用[8]。在UHTCC基體里，孔隙是作為初始缺陷的，這對(duì)UHTCC的穩(wěn)定性具有極其重要的積極意義，晶須的摻入大大優(yōu)化了基體的孔隙分布，因此UHTCC開(kāi)裂的裂源會(huì)增加很多，延性及抗拉強(qiáng)度會(huì)得到相應(yīng)的提高[9-11]。

3 結(jié)論

1)摻入碳酸鈣晶須纖維形成工程水泥基復(fù)合材料(MS-UHTCC)具有一定的可行性，該復(fù)合材料具有一定的受拉應(yīng)變硬化和多裂縫開(kāi)展的性能。

2)碳酸鈣晶須的微觀增強(qiáng)和微觀阻裂作用使該水泥基復(fù)合材料具有很高的強(qiáng)度。

3)經(jīng)過(guò)組合優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以用低價(jià)的碳酸鈣晶須取代PVA纖維，大大節(jié)約成本并可以制備具備超高延性的廉價(jià)工程水泥基復(fù)合材料。

4)對(duì)4組試件進(jìn)行內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)分析，在不同直徑下，隨齡期的變化，發(fā)展趨勢(shì)一致，第1～3天鋼筋應(yīng)變發(fā)展劇烈，第4～7天發(fā)展變慢，此后應(yīng)變基本不變。

[1]汪衛(wèi),潘鉆峰,孟少平,等.國(guó)產(chǎn)PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能研究[J].工業(yè)建筑,2014,44(12):958-964.

[2]錢(qián)吮智,張志剛.基于當(dāng)?shù)夭牧现苽涓哐有运嗷鶑?fù)合材料的研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(英文版),2012,28(3):327-330.

[3]李慶華，周寶民,黃博滔,等.超高韌性水泥基復(fù)合材料抗壓性能的尺寸效應(yīng)研究[J].水利學(xué)報(bào)，2015，46(2):174-182.

[4]王楠,徐世烺.超高韌性水泥基復(fù)合材料與既有混凝土黏結(jié)性能[J].建筑材料學(xué)報(bào),2011,14(3):317-323.

[5]巴恒靜.硫酸鈉摻量對(duì)混凝土早期收縮開(kāi)裂的影響[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2005(1):36-41.

[6]鐘軍.水泥混凝土結(jié)構(gòu)早期裂縫防治技術(shù)的研究[D].吉林:吉林大學(xué),2010.

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[10]EDUARDO B P,GREGOR F,JOAQUIM A O B.Effect of hybrid fiber reinforcement on the cracking process in fiber reinforced cementitious composites[J].Cement Concrete Research,2012,34(10):1114-1123.

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責(zé)任編輯：唐海燕

Mechanical Property Test of a Reinforced MS-UHTCC Cementitious Composite

XIA Zhengbing

(College of Architecture and Civil Engineering,Jiangsu City Vocational College Nantong Campus,Nantong 226006)

The application of high-strength concrete has become increasingly popular in engineering.However,early thermal deformation and autogenous-shrinkage deformation of high-strength concrete is large.When the deformation is restrained,stress is induced,which might lead to cracks.As the concrete is usually restrained by steel bars and other components,early cracks are very common.In this research,CaCO3whisker is employed to modify the properties of ultra-high toughness cementitious composite (UHTCC).The result indicates that the compressive strength,ductility and tensile strength of multi-scale (MS) UHTCC has been enhanced due to the existence of CaCO3whisker,and strain-hardening behavior and multiple crack patterns have been observed under uniaxial tension,which provides possibility of developing cheaper MS-UHTCC using CaCO3whisker and domestic PVA fiber.

reinforcement；high strength concrete;mechanical performance

10．3969/j．issn．1671-0436．2016．05．004

2016- 05- 19

九三學(xué)社江蘇省委員會(huì)科技創(chuàng)新項(xiàng)目(YHK1408);江蘇省江豪工程項(xiàng)目管理有限公司江豪專項(xiàng)資助項(xiàng)目(1503)

夏正兵(1982— )，男，碩士，講師。

TU599

A

1671- 0436(2016)05- 0018- 05