高韌性水泥基復合材料強度尺寸效應試驗研究與正交分析

李雪陽，江世永，飛 渭，姚未來

(1.后勤工程學院軍事土木工程系，重慶401311)

(2.后勤工程學院訓練部，重慶401311)

高韌性水泥基復合材料強度尺寸效應試驗研究與正交分析

李雪陽1，江世永2，飛 渭1，姚未來1

(1.后勤工程學院軍事土木工程系，重慶401311)

(2.后勤工程學院訓練部，重慶401311)

江世永

尺寸效應是水泥基材料的固有特性，它與材料的配合比、強度以及結構組成等因素有關。高韌性水泥基復合材料是一種新型復合材料，具有優(yōu)異的韌性，但同時其結構組成與普通混凝土相比也具有較大差異。然而，目前針對尺寸效應的研究大多限于普通混凝土和高強混凝土，并且尚無相關標準對高韌性水泥基復合材料尺寸效應的處理作出規(guī)范。為了探究該種復合材料的抗壓強度尺寸效應，本文采用兩種不同尺寸的立方體試件，對16組不同配合比的高韌性水泥基復合材料進行了單軸抗壓試驗和正交分析，研究了纖維摻量、水膠比、粉煤灰摻量和砂膠比這4個因素對材料強度尺寸效應的影響情況。試驗結果表明:與普通混凝土相比，高韌性水泥基復合材料的脆性特征明顯減??；諸因素對尺寸效應影響的主次順序為水膠比>纖維摻量>粉煤灰摻量>砂膠比，其中水膠比和纖維摻量的影響均非常顯著，而砂膠比對尺寸效應影響甚微。

尺寸效應；高韌性水泥基復合材料；配合比；抗壓試驗；正交分析

1 前 言

高韌性水泥基復合材料最初由Li基于微觀力學的性能驅動設計方法提出[1]，也稱之為Engineered Cemen-titious Composite，簡稱ECC。通過水泥基材內均勻分散的短纖維的橋聯(lián)作用，材料在受到拉伸荷載的過程中會產生多條細密裂縫來實現準應變硬化特性[2]，即隨著拉應變的增加，應力仍然可以隨著應變的增加而增加，不會出現類似于混凝土的陡降現象。在單軸拉伸荷載作用下，高韌性水泥基復合材料的極限拉應變可達混凝土的數百倍[3]，具有良好的韌性。自ECC問世以來，因其優(yōu)異的性能，國內外研究人員都相繼展開了對該材料的研究[4，5]。

已有研究表明[6]，混凝土的強度不僅與材料的配合比、原材料種類等因素有關，還隨著試件的幾何尺寸的變化而變化，尺寸效應是混凝土類材料的固有特性。國內外學者也相繼對混凝土抗壓強度的尺寸效應進行了研究:Neville[7]對尺寸為70~150 mm的混凝土立方體試件進行了抗壓試驗，發(fā)現小尺寸試件的強度普遍高于大尺寸試件；Filho等[8]用不同尺寸的圓柱體試件對普通混凝土和高強混凝土抗壓強度的尺寸效應進行了試驗研究；錢覺時等[9]對多種不同尺寸的高強混凝土試件的抗壓強度尺寸效應進行了一系列的研究；蘇捷等[10，11]對不同骨料組分的普通混凝土和高強混凝土進行了抗壓強度尺寸效應的試驗研究，并提出了尺寸效應律的計算式。ECC與普通混凝土都屬于水泥基復合材料，但兩者的原材料組分和配合比設計有著很大的不同。ECC是在水泥基體里摻入大量單絲短纖維均勻攪拌而成，且大摻量地使用粉煤灰代替水泥，骨料僅使用精細石英砂作為細骨料，不含粗骨料；此外，ECC內均勻分散的短纖維與粉煤灰的火山灰效應[12]能夠使材料內部結構更加均勻密實。因此，ECC的界面特性與普通混凝土之間有著較大差異，破壞時的脆性特征也明顯降低。目前我國混凝土行業(yè)相關標準[13]規(guī)定以邊長為150 mm的立方體試件為標準試件來評定混凝土的強度等級，并分別給出了邊長為100 mm和200 mm的試件與標準試件之間的尺寸換算系數。ECC與普通混凝土的結構組成存在較大差異，二者的尺寸效應勢必也有所不同，因此，在測定ECC的力學性能時不宜直接套用混凝土的尺寸換算系數。為了評價ECC的強度等級等力學指標，有必要針對該材料進行尺寸效應的研究。

2 試驗設計

2.1 試驗原材料

本次制備高韌性水泥基復合材料所用原材料為:標號為42.5＃的普通硅酸鹽水泥，一級粉煤灰，直徑0.1~ 0.2 mm的精細石英砂；纖維使用Kuraray聚乙烯醇(PVA)纖維，已有研究表明[14]該種纖維較為適合用于制備高韌性水泥基復合材料；為使拌合物具有足夠的流動性，保證纖維能夠均勻分散，添加聚羧酸高效減水劑。

2.2 試驗配合比

本次試驗以纖維摻量、水膠比、粉煤灰摻量和砂膠比4個因素為變量因素，每個因素考慮4個水平變量，如表1所示。纖維摻量的4個水平變量取為纖維與攪拌形成的復合材料的體積比Vf(vol%)等于0.8%，1.2%，1.6%和2.0%，分別用A1、A2、A3和A4來表示；水膠比的4個水平變量取為水與膠凝材料的質量比mW/B等于0.20，0.23，0.36和0.29，分別用B1、B2、B3和B4來表示；粉煤灰摻量的4個水平變量取為粉煤灰與水泥的質量比mFA/C等于0.6，0.9，1.2和1.5，分別用C1、C2、C3和C4來表示；砂膠比的4個水平變量取為砂與膠凝材料的質量比mS/B等于0.24，0.30，0.36和0.42，分別用D1、D2、D3和D4來表示。

表1 各因素水平變化Table 1 Changes in the levelof factors

2.3 正交設計

本次試驗為4因素4水平正交試驗，考察指標為高韌性水泥基復合材料抗壓強度尺寸效應系數，采用L16(45)正交表，共16組配合比，如表2所示。對試驗結果進行極差分析和方差分析，探討各因素對尺寸效應影響的主次順序，并定量分析各個因素影響的顯著性。

3 試驗過程

3.1 試驗方法

目前國內外學者都相繼對ECC的抗壓性能進行了一系列的試驗研究，但由于尚無統(tǒng)一的標準或規(guī)范可循，研究方法都不盡相同，采用的較多的試件形式為圓柱體試件[15，16]和立方體試件[17，18]。本次試驗中，每組配合比均制作100 mm×100 mm×100 mm和150 mm× 150 mm×150 mm兩種尺寸的立方體試件，以邊長150 mm的立方體試件抗壓強度試驗值與邊長100 mm的立方體試件抗壓強度試驗值的比值作為尺寸效應系數。

本次制備高韌性水泥基復合材料采用纖維后摻法，使用強制式混凝土攪拌機，先將粉料放入攪拌機干拌1~2 min，待粉料充分混合之后加入水和減水劑濕拌4~5 min，待拌合物流態(tài)達到要求之后再緩慢加入PVA纖維攪拌8~10 min，直至纖維分散均勻。在保證纖維分散均勻的前提下，每組的干拌、濕拌以及摻入纖維后的攪拌時間均保持基本一致，以減少攪拌時間對試件強度的影響。攪拌完成后倒入試模，為保證試件充分密實，每個試件振搗20 s，抹平后靜置36 h脫模，放到標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護。本次試驗采用電液伺服萬能試驗機，試驗方法和強度取值方法參考GB/T 50081—2002?普通混凝土力學性能試驗方法標準?中的相關規(guī)定[13]進行操作。

3.2 試驗現象及結果

在普通混凝土立方體試塊單軸抗壓試驗中，試件四側處于無約束狀態(tài)，又由于試驗機上、下加載墊板對混凝土的環(huán)箍效應，因此在破壞時試件呈現上、下兩面基本完好而中間細的錐形破壞；由于混凝土的脆性特征，荷載在到達極限荷載后迅速降低，破壞前無明顯征兆，破壞時帶有明顯的崩裂聲，破壞后試件四側表面往往伴隨著嚴重的剝落現象。在本次試驗中，高韌性水泥基復合材料的受壓破壞過程與普通混凝土有明顯區(qū)別，無論試件尺寸大小，所有試件均沒有出現錐形破壞面；第一組和第二組的試件由于纖維摻量較低且水膠比偏小，導致材料脆性特征相對于其余實驗組較為明顯，破壞時帶有崩裂聲，但試件仍能保持完整性，而其余十四組試件破壞時均無崩裂聲；所有試件在破壞后都沒有出現類似于普通混凝土的剝落現象。經觀察發(fā)現，除了第一組和第二組以外的所有試件，無論尺寸大小如何，在加載過程中的破壞模式均表現為:隨著荷載增加，試件中部首先出現豎向細微裂縫，隨之裂縫向邊角處緩慢發(fā)展并生成新裂縫；當荷載加至接近極限荷載時，裂縫基本貫通截面，同時伴有纖維拔出和斷裂的聲音；最終試件橫向變形開始明顯增大，承載力下降，試件破壞。試驗現象表明，纖維的橋聯(lián)作用明顯降低了材料的脆性特性，也使得材料在破壞后仍能保持良好的完整性。兩種尺寸的試件破壞形態(tài)見圖1。每組配合比邊長100 mm和邊長150 mm立方體試件的抗壓強度試驗值與尺寸效應系數記錄于表2。

圖1 不同尺寸立方體試塊受壓破壞形態(tài):(a)100×100× 100 mm，(b)150×150×150 mmFig.1 Compression failure mode ofcube specimens with different sizes:(a)100×100×100 mm，(b)150×150×150 mm

4 結果分析

4.1 極差分析

極差R的大小可以衡量各因素影響作用的大小，極差大的因素通常是重要因素，極差小的因素往往是次要因素。以因素A(纖維摻量)為例說明極差的計算方法。

根據表2，分別計算出纖維摻量各水平對應的尺寸效應系數之和K1、K2、K3、K4與平均尺寸效應系數

極差R取為尺寸效應系數之和的極大值與極小值之差，即:

其余各因素的極差計算方法與因素A相同，本次試驗的極差分析結果見表2。

由極差計算結果可知，在本次試驗所考慮的4個因素中，極差從大到小依次為:水膠比(0.75)>纖維摻量(0.61)>粉煤灰摻量(0.20)>砂膠比(0.05)。由此可以看出，水膠比和纖維摻量對材料抗壓強度尺寸效應影響較大，其次是粉煤灰摻量，而砂膠比的極差遠小于其它3個因素，表明砂膠比對尺寸效應的影響最小。

為進一步分析各因素水平變化對尺寸效應系數的影響，以各因素的水平變化為橫坐標，各水平對應的平均尺寸效應系數值為縱坐標，畫出各因素不同水平與尺寸效應系數之間的關系曲線，如圖2所示。

從表2與圖2可見:

(1)將本次試驗所記錄的尺寸效應系數與混凝土相關規(guī)范[13]相比較發(fā)現，高韌性水泥基復合材料的尺寸效應與普通混凝土存在明顯差異。高韌性水泥基復合材料的結構組分與普通混凝土不同，內部結構更加均勻密實，且破壞過程中脆性特征減小，破壞模式也異于混凝土。因此，在不同尺寸的高韌性水泥基復合材料抗壓試驗中，不宜直接套用現有混凝土相關規(guī)范中的尺寸效應系數。

表2 試驗結果及正交分析Table 2 Test results and orthogonalanalysis

圖2 各因素水平變化對尺寸效應系數的影響趨勢Fig.2 Influences trends of changes in various factors on size effect coefficients

(2)纖維摻量和水膠比是對尺寸效應系數影響較大的兩個因素，其中水膠比的影響最為顯著。高韌性水泥基復合材料與普通水泥基復合材料本質的區(qū)別在于其內部隨機分布的短纖維，在試件破壞過程中，纖維在斷裂面之間發(fā)揮橋聯(lián)作用，其間消耗大量能量，避免了類似于普通混凝土的突然破壞，降低了材料的脆性。而材料的脆性程度會直接影響尺寸效應，脆性特征越明顯，尺寸效應越嚴重。另一方面，隨著水膠比的增大，拌合物的流動性越好，纖維越容易分散均勻，相反地，如果水膠比過小，可能會引起基體斷裂韌度過高導致初始開裂強度過高而無法滿足初始開裂應力準則[19]，纖維的破壞形式轉為斷裂破壞，不利于纖維橋聯(lián)作用的發(fā)揮；同時，用水量的增大也會導致材料強度的降低，大量試驗研究表明[20]，抗壓強度越低，尺寸效應越不明顯，尺寸效應系數越接近1。因此，當纖維摻量或水膠比越大，尺寸效應系數越接近1，呈增大趨勢。

(3)本次所用粉煤灰為一級粉煤灰，由大量細微的球狀玻璃體組成，對水的吸附力小，可以改善拌合物流動性，有利于纖維的分散。另一方面，在水環(huán)境中，粉煤灰內的活性成分會與水泥水化物產生化學反應，即粉煤灰的火山灰效應，其反應所生成的產物填充于水泥水化物的孔隙中，降低了材料內部的孔隙率，使材料更加均勻密實，同時也改善了纖維與材料基體之間的界面性質。本次試驗結果顯示，當粉煤灰與水泥的質量比在0.6~1.5的范圍內逐漸增大時，材料的尺寸效應系數呈先增大后減小的趨勢，表明粉煤灰與水泥存在一個最佳比例，能使得材料內部結構更加均勻密實，減小材料脆性特征。

(4)從極差分析的結果來看，砂膠比對尺寸效應系數的影響最小。試驗數據表明，當砂膠比在0.24~ 0.42的范圍內變化時，材料的尺寸效應系數僅在很小的范圍內呈波動性變化。精細石英砂的摻入，一方面增大了拌合物的密實性，但另一方面，過大的砂膠比會增加基體的斷裂韌度，不利于纖維發(fā)揮橋聯(lián)作用。

4.2 方差分析

本次試驗中，用極差法得到了4個變量因素對尺寸效應系數影響的主次順序，但需注意的是，極差分析無法估計試驗的誤差情況。為了衡量本次試驗的精度，并使用一個標準定量地考察這4個因素對尺寸效應的影響是否顯著，對此次試驗結果進行方差分析，結果見表3。

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

由各因素的方差值和自由度可以計算出對應的均方值，然后查表可得F值，通過比較各因素的F值與給定顯著性水平下的臨界值，即可分析各因素對尺寸效應系數影響的顯著性。由方差分析可知:本次試驗的試驗誤差為誤差較小，試驗精度較高；在顯著性水平α＝0.01的情況下，水膠比和纖維摻量這兩個因素的F值均大于臨界值F0.01(3，3)＝29.5，說明這兩個因素對ECC強度的尺寸效應影響均特別顯著；而在顯著性水平α＝0.10的情況下，粉煤灰摻量和砂膠比的F值均小于臨界值F0.10(3，3)＝5.4，表明就本次正交試驗結果而言，粉煤灰摻量和砂膠比對尺寸效應的影響并不顯著；同時，根據均方值的大小判斷，各因素對尺寸效應系數影響的主次順序為水膠比>纖維摻量>粉煤灰摻量>砂膠比，該結論與極差分析的結果一致。

5 結 論

(1)相對于普通混凝土，高韌性水泥基復合材料的脆性特征明顯減小。在受壓破壞過程中，當材料產生微裂紋時，材料內部均勻分散的短纖維可阻止裂紋擴展并吸收能量，從而使材料韌性增強。同時，在試件破壞過程中，纖維在斷裂面之間產生橋聯(lián)作用，使材料在破壞后仍能保持良好的整體性，無明顯的外凸和剝落現象。

(2)高韌性水泥基復合材料立方體試塊抗壓強度存在尺寸效應，由于與普通混凝土組成成分不同，其尺寸效應與普通混凝土也存在明顯的差異，試驗中不宜直接參考現有的混凝土相關規(guī)范來評價高韌性水泥基復合材料的抗壓性能。

(3)諸因素對強度尺寸效應系數影響的主次順序為:水膠比>纖維摻量>粉煤灰摻量>砂膠比。其中水膠比和纖維摻量對尺寸效應的影響非常顯著，隨著水膠比(0.20~0.29)或纖維摻量(0.8%~2.0%)的增加，尺寸效應系數逐漸趨近于1。粉煤灰的火山灰效應能夠改善纖維與材料基體之間的界面性質，更利于纖維發(fā)揮其橋聯(lián)作用以增大材料韌性，減小了材料的脆性特征，但同時粉煤灰的活性反應也減小了材料內部的孔隙率，對材料強度具有積極作用，而水泥基復合材料的強度越大，其尺寸效應也會越明顯；因此，粉煤灰摻量存在一個最佳值，能使尺寸效應系數最接近1。當砂膠比在0.24~0.42的范圍內變化時，尺寸效應系數基本保持不變，可以認為砂膠比對尺寸效應的影響較小，可將其作為次要因素來考慮。

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(編輯 惠 瓊)

Experimental Study and Orthogonal Analysis of Strength Size Effect of High Toughness Cementitious Composite

LI Xueyang1，JIANG Shiyong2，FEI Wei1，YAO Weilai1
(1.Department of Military Civil Engineering，Logistical Engineering University，Chongqing 401311，China)
(2.Department of Training，Logistical Engineering University，Chongqing 401311，China)

Size effect is the inherent characteristic of cementitious materials，which is related to the factors such as mix-ture ratio，strength and structure composition.The high toughness cementitious composite is a new type of composite mate-rial with excellent toughness，but at the same time its structure is quite different from that of ordinary concrete.However，most of the current studies on size effects are limited to ordinary concrete and high-strength concrete，and there is no rele-vant standard to regulate size effect of high toughness cementitious composite.In order to explore the compressive strength size effect of high toughness cementitious composite，the uniaxial compressive test and orthogonal analysis on 16 groups of high toughness cementitious composites with different mixture ratios and two sizes of cube specimens were carried out to study the influence of four factors on the compressive strength size effect of this material，including fiber content，water-binder ratio，fly ash content and sand-binder ratio.The test results show that the brittleness of high toughness cementitious composite is obviously reduced compared with ordinary concrete.The primary and secondary order of the influence of this four factors on size effect is water-binder ratio>fiber content>fly ash content>sand-binder ratio；the influence of water-binder ratio and fiber content is highly significant，while sand-binder ratio has little effect on the size effect.

size effect；high toughness cementitious composite；mixture ratio；compressive test；orthogonal analysis

TU528

A

1674－3962(2017)06－0473－06

2017－03－06

重慶市高校優(yōu)秀成果轉化資助重點項目(KJZH14220)

李雪陽，男，1991年生，碩士研究生

江世永，男，1965年生，教授，博士生導師，Email:jiangshy1＠163.com

10.7502/j.issn.1674－3962.2017.06.12