骨料類(lèi)型及纖維對(duì)高延性水泥基復(fù)合材料性能的影響

郭麗萍 陳 波 孫 偉 諶正凱 張文瀟

(1東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,南京 211189)(2東南大學(xué)江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 211189)(3南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210029)

骨料類(lèi)型及纖維對(duì)高延性水泥基復(fù)合材料性能的影響

郭麗萍1,2陳 波3孫 偉1諶正凱1張文瀟3

(1東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,南京 211189)(2東南大學(xué)江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 211189)(3南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210029)

為了研究骨料類(lèi)型及纖維對(duì)高延性水泥基復(fù)合材料(HDCC)性能的影響,分別采用普通河砂和金剛砂作骨料,添加聚乙烯醇(PVA)纖維，或PVA與微細(xì)鍍銅鋼混雜纖維,制備了4組HDCC,試驗(yàn)研究了HDCC的抗折與抗壓強(qiáng)度、彎曲韌性、單軸拉伸性能、抗沖磨性能,并采用掃描電鏡觀察了HDCC拉伸破壞后PVA纖維的微觀形貌.結(jié)果表明:骨料對(duì)HDCC抗折強(qiáng)度影響較為明顯,而對(duì)抗壓強(qiáng)度、彎曲韌性和抗沖磨性能影響不顯著;微細(xì)鋼纖維對(duì)HDCC抗折、抗壓強(qiáng)度、彎曲韌性和抗沖磨性能的增強(qiáng)效果比較明顯;在不同的HDCC體系中,微細(xì)鋼纖維對(duì)延性影響的規(guī)律略有差異,以天然河砂為骨料時(shí),摻加微細(xì)鋼纖維會(huì)降低HDCC的延性,以金剛砂為骨料時(shí),摻加微細(xì)鋼纖維則會(huì)提高HDCC的延性;金剛砂提高了HDCC的抗拉強(qiáng)度,但顯著降低了延性.

骨料;纖維;延性;彎曲韌性;抗沖磨;金剛砂

高延性水泥基復(fù)合材料(HDCC)是基于細(xì)觀力學(xué)和斷裂力學(xué)理論,經(jīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì),在拉伸和剪切荷載下呈現(xiàn)高延展性的一種纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料[1-2].HDCC以纖維、水泥、礦物摻合料、骨料和混凝土外加劑為基本原材料,經(jīng)加水?dāng)嚢琛⒊尚汀B(yǎng)護(hù)制備,在軸心拉伸荷載下具有多縫開(kāi)裂特性,其基本特性為:單軸拉伸作用下,平均裂縫寬度不大于200 μm，且28 d極限伸長(zhǎng)率不低于0.5%.HDCC具有良好的抗裂能力、耐久性能和黏結(jié)性能[3-4],可用于混凝土結(jié)構(gòu)的修補(bǔ).導(dǎo)流洞等泄水建筑物的混凝土受高流速推移質(zhì)的沖擊和磨蝕,混凝土表面易受到?jīng)_磨破壞,而HDCC具有較高的抗沖擊能力[5],因此適用于泄水建筑物混凝土的磨蝕破壞的修復(fù).

金剛砂硬度高,抗磨蝕性能強(qiáng),而鋼纖維能夠顯著提高混凝土的彎曲韌性,能量吸收能力強(qiáng),兩者經(jīng)常被用來(lái)提高水工混凝土的抗沖磨性能.但以金剛砂和微細(xì)鋼纖維作為原材料的HDCC性能的研究,目前鮮見(jiàn)相關(guān)報(bào)道.本文采用普通河砂和金剛砂作骨料,添加聚乙烯醇(PVA)纖維，或PVA和微細(xì)鍍銅鋼混雜纖維,制備了4組HDCC,試驗(yàn)研究了HDCC的抗折與抗壓強(qiáng)度、彎曲韌性、極限拉伸性能、抗沖磨強(qiáng)度,為泄水建筑物磨蝕破壞修復(fù)提供一種新材料.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

水泥采用南京海螺水泥有限公司的P·Ⅱ 42.5R水泥,化學(xué)成分及物理力學(xué)性能見(jiàn)表1和表2.

表1 水泥化學(xué)成分

表2 水泥物理力學(xué)性能

粉煤灰采用南京熱電廠的Ⅰ級(jí)粉煤灰,燒失量3.1%,需水比92%,45 μm篩余4.6%.試驗(yàn)用水為普通自來(lái)水.

減水劑為西卡20HE聚羧酸類(lèi)高性能減水劑,固含量為40%,減水率大于40%.

聚乙烯醇(PVA)纖維采用福建永安市寶華林實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司的高強(qiáng)高彈模PVA纖維,物理力學(xué)性能指標(biāo)如表3所示.

表3 PVA纖維物理力學(xué)性能指標(biāo)

微細(xì)鍍銅鋼纖維采用貝卡爾特公司生產(chǎn)的平直型鍍銅鋼纖維,長(zhǎng)度為13 mm,直徑為0.20 mm,拉伸強(qiáng)度大于2 000 MPa,彈性模量為210 GPa.

天然河砂的最大粒徑不超過(guò)1.18 mm,根據(jù)《建筑用砂》(GB/T 14684—2001)進(jìn)行篩分,各粒徑范圍的比例如表4所示,含泥量為0.

表4 骨料篩分分析

金剛砂采用市售棕剛玉,主要化學(xué)成分是 Al2O3,其含量為96.8%.根據(jù)表4各粒徑范圍的分計(jì)篩余百分?jǐn)?shù),進(jìn)行不同細(xì)度金剛砂的搭配,使其與天然河砂的級(jí)配分布情況相同.

1.2 HDCC配合比

HDCC所使用的纖維與骨料組合如下: PVA纖維與天然河砂(HR)、PVA纖維與金剛砂(HC)、PVA纖維和微細(xì)鍍銅鋼纖維與天然河砂(HRS)、PVA纖維和微細(xì)鍍銅鋼纖維與金剛砂(HCS).

HDCC配合比基本參數(shù)如下:水膠比0.23,水泥與粉煤灰質(zhì)量比為4∶6,骨料與膠凝材料的質(zhì)量比為0.3,PVA纖維體積摻量1.5%,微細(xì)鍍銅鋼纖維體積摻量0.45%.

減水劑摻量為0.2%～0.3%.控制新拌漿體的塑性黏度為(5.0±2.0) Pa·s,微調(diào)減水劑摻量.前期研究發(fā)現(xiàn)[6],新拌漿體的塑性黏度對(duì)纖維均勻分散程度影響最大,因此本文測(cè)試了細(xì)骨料為天然河砂和金剛砂的新拌漿體的塑性黏度,分別為6.7和5.3 Pa·s,可滿足HDCC制備要求.

1.3 試驗(yàn)方法

基本力學(xué)性能試驗(yàn)按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB 17671—1999)進(jìn)行,采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d,進(jìn)行抗折、抗壓強(qiáng)度測(cè)試.

彎曲韌性試驗(yàn)參照《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13: 2009),采用15 mm(高)×75 mm(寬)×300 mm(長(zhǎng))的薄板試件,試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至齡期28 d.利用MTS 810系統(tǒng)測(cè)試,獲得荷載-撓度曲線,加載方式為位移加載,加載速率0.5 mm/min.

單軸拉伸試驗(yàn)按照日本土木學(xué)會(huì)《具有多縫開(kāi)裂特征的高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料設(shè)計(jì)與施工指南》進(jìn)行.試件尺寸為13 mm厚的啞鈴形薄板,總長(zhǎng)330 mm,兩端寬度為60 mm,中間矩形部分長(zhǎng)度和寬度為100和30 mm.試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至齡期28 d.利用MTS 810系統(tǒng)測(cè)試,獲得荷載-位移曲線.加載方式為位移加載,加載速率為0.3 mm/min.

抗沖磨試驗(yàn).按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150—2001)的混凝土抗沖磨試驗(yàn)(水下鋼球法)進(jìn)行,試件直徑為(300±2)mm,高為(100±1)mm.攪拌槳轉(zhuǎn)速為1 200 r/min,累計(jì)沖磨72 h.試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至齡期28和90 d.

2 結(jié)果與討論

2.1 HDCC基本力學(xué)性能

4組HDCC的28 d齡期時(shí)抗折及抗壓強(qiáng)度如表5所示.

表5 28 d齡期時(shí)HDCC基本力學(xué)性能

4組HDCC的抗折強(qiáng)度均高于10.0 MPa,抗壓強(qiáng)度均高于60.0 MPa.四組HDCC的膠凝材料組成、水膠比等基本參數(shù)均相同,基本力學(xué)性能的主要影響因素是骨料及纖維.

與HR相比,HRS的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別提高了30%和8%;與HC相比,HCS的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別提高了3%和13%,總體而言,微細(xì)鋼纖維對(duì)基本力學(xué)性能的增強(qiáng)效果比較明顯.

與HR相比,HC抗折強(qiáng)度提高了25%,但抗壓強(qiáng)度基本不變;與HRS相比,HCS抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度基本不變.總體而言,骨料對(duì)抗折強(qiáng)度影響較為明顯,而對(duì)抗壓強(qiáng)度影響不顯著.

試驗(yàn)用金剛砂是由不同目數(shù)的金剛砂混合而成,而同一目數(shù)金剛砂的粒徑基本相當(dāng),因此,盡管金剛砂與天然河砂的分計(jì)篩余百分?jǐn)?shù)相同,但金剛砂的級(jí)配不如天然河砂的連續(xù)性好.骨料的粒徑和級(jí)配對(duì)HDCC的力學(xué)等性能產(chǎn)生了一定的影

響[7-8].

2.2 HDCC彎曲韌性

4組HDCC的彎曲韌性試驗(yàn)的荷載-撓度曲線如圖1所示.

(a) PVA-HDCC

(b) PVA/微細(xì)鋼纖維-HDCC

在彎曲破壞過(guò)程中,多縫開(kāi)裂特征比較明顯，在荷載-撓度曲線上表現(xiàn)為曲線呈鋸齒狀.當(dāng)某一條裂縫形成時(shí),試件承載能力有小幅降低,此時(shí),荷載由裂縫處纖維來(lái)承擔(dān),纖維與基體之間的黏結(jié)力使試件整體的承載能力提升,曲線上形成一個(gè)鋸齒;隨著荷載的增大,基體再次開(kāi)裂,下一條裂縫出現(xiàn),裂縫處纖維再次提升試件的承載能力,形成下一個(gè)鋸齒.當(dāng)局部主裂縫寬度發(fā)展到一定程度時(shí),試件喪失承載力而破壞.

28 d時(shí),HR,HC,HRS和HCS在四點(diǎn)彎曲荷載作用下,最大荷載對(duì)應(yīng)的彎曲強(qiáng)度分別為10.0,10.0,12.0和13.5 MPa.荷載-撓度曲線上,荷載值降至峰值荷載的0.85倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的撓度分別為3.1,3.0,4.4和4.4 mm,相應(yīng)的荷載-撓度曲線包圍的面積分別為1 602,1 621,2 730和3 200 N·mm.

對(duì)比HR與HC，HRS與HCS,彎曲強(qiáng)度、跨中撓度及能量吸收值均相差不大,天然河砂骨料和金剛砂骨料對(duì)HDCC彎曲韌性的影響不大;對(duì)比HR與HRS、HC與HCS,彎曲強(qiáng)度提高了20%～35%,跨中撓度提高了45%以上,能量吸收能力提高了70%～97%,微細(xì)鋼纖維顯著提高了HDCC的彎曲韌性.

2.3 HDCC單軸拉伸性能

HR,HC,HRS和HCS在拉伸過(guò)程中均出現(xiàn)了明顯的應(yīng)變硬化和多縫開(kāi)裂現(xiàn)象,4組HDCC的單軸拉伸性能試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示.

(a) PVA-HDCC

(b) PVA/微細(xì)鋼纖維-HDCC

HR,HC,HRS和HCS的最大拉應(yīng)力分別為3.20,3.30,3.51和3.74 MPa,最大拉應(yīng)力對(duì)應(yīng)的拉伸應(yīng)變值分別為1.55%,0.70%,1.32%和1.15%.

與HR相比,HRS的拉應(yīng)力提高了10%,拉應(yīng)變降低了15%;與HC相比,HCS的拉應(yīng)力提高了13%,拉應(yīng)變提高了64%.混雜微細(xì)鋼纖維以后,HDCC的拉應(yīng)力得到了提高.在不同的HDCC體系中,微細(xì)鋼纖維對(duì)延性影響的規(guī)律略有差異:以天然河砂為骨料時(shí),微細(xì)鋼纖維降低了HDCC的延性;以金剛砂為骨料時(shí),微細(xì)鋼纖維提高了HDCC的延性.

與HR相比,HC的拉應(yīng)力基本相同,拉應(yīng)變降低了56%;與HRS相比,HCS的拉應(yīng)力略有提升,提高了7%,拉應(yīng)變降低了13%.金剛砂提高了HDCC的抗拉強(qiáng)度,但降低了HDCC的延性.

2.4 HDCC抗沖磨性能

試件沖磨試驗(yàn)(水下鋼球法)前的形貌如圖3(a)所示,沖磨后試件的表面狀態(tài)如圖3(b)和(c)所示.沖磨后HR和HC的沖坑表面可見(jiàn)均勻分布的PVA纖維,HRS和HCS沖坑表面除PVA纖維外,還可見(jiàn)大量三維亂向分布的微細(xì)鋼纖維.

(a) 沖磨試驗(yàn)前試件形態(tài)

(b) 沖磨試驗(yàn)后HC試件形態(tài)

(c) 沖磨試驗(yàn)后HCS試件形態(tài)

混凝土抗沖磨強(qiáng)度表征的是單位面積上被磨損單位質(zhì)量混凝土所需時(shí)間.4組HDCC的抗沖磨強(qiáng)度如表6所示.

表6 HDCC水下鋼球法抗沖磨試驗(yàn)結(jié)果

與HR相比,28 d時(shí) HC抗沖磨強(qiáng)度略有下降,下降幅度為6.4%,金剛砂未能改善抗沖磨效果;90 d時(shí),HC的抗沖磨強(qiáng)度略高于HR,金剛砂提高抗沖磨強(qiáng)度3.5%.與HRS相比,28和90 d時(shí)HCS的抗沖磨強(qiáng)度均略低于HRS.盡管金剛砂的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于天然河砂,但使用金剛砂取代天然河砂作為HDCC的骨料,不能明顯改善HDCC的抗沖磨強(qiáng)度.水工抗沖磨混凝土通常通過(guò)選擇硬質(zhì)耐磨骨料來(lái)提高混凝土的抗沖耐磨性能[9],但HDCC中無(wú)粗骨料,因此HDCC的抗磨蝕破壞機(jī)理與混凝土有顯著的差異.

與HR相比,28 d時(shí)摻加了Vf=0.45%微細(xì)鋼纖維的HRS的抗沖磨強(qiáng)度增大了4%;90 d時(shí)抗沖磨強(qiáng)度提高了23%.與HC相比,28 d時(shí)HCS的抗沖磨強(qiáng)度增大了8%,90 d時(shí)抗沖磨強(qiáng)度提高了11%.總體而言,微細(xì)鋼纖維提高了HDCC的抗沖磨性能.

2.5 機(jī)理分析

與天然河砂光滑圓潤(rùn)的顆粒表面相比,金剛砂顆粒表面粗糙、棱角尖銳,且金剛砂硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于天然河砂.采用掃描電鏡觀察HDCC試件拉伸試驗(yàn)后的PVA纖維形貌(見(jiàn)圖4),以天然河砂作為骨料時(shí),PVA纖維以拔出破壞為主,纖維的完整性較好,表面基本光滑;以金剛砂作為骨料時(shí),PVA纖維以拔斷破壞為主,纖維表面刮痕較為明顯,纖維切削破壞特征顯著.金剛砂堅(jiān)硬且銳利的棱角使得纖維在拉拔過(guò)程中更易造成切削破壞,從而造成HC的單軸拉伸能力下降.金剛砂與天然河砂相比,金剛砂顆粒級(jí)配較差、密度較大,且顆粒表面尖銳粗糙,HDCC基體的流變特性改變,導(dǎo)致纖維分散均勻性降低[6];另外,金剛砂級(jí)配間斷,連續(xù)性較差,易造成HDCC基體的勻質(zhì)性下降,基體內(nèi)部缺陷增多,這也是金剛砂降低HDCC單軸拉伸能力的原因之一[10].

在PVA纖維的基礎(chǔ)上混雜Vf=0.45%的微細(xì)鋼纖維后,整個(gè)體系的纖維數(shù)量大幅增加,纖維的分散均勻性較單一的PVA-HDCC體系有所降低.同時(shí),當(dāng)基體開(kāi)裂后,因微細(xì)鋼纖維表面比較光滑,鋼纖維以較小的黏結(jié)應(yīng)力從基體中拔出后,無(wú)法有效橋接微裂縫.因此,一方面,微細(xì)鋼纖維充分發(fā)揮了其增強(qiáng)增韌的效果,提高了力學(xué)性能與抗沖磨性能,實(shí)現(xiàn)了彎曲荷載作用下的應(yīng)變硬化;另一方面,微細(xì)鋼纖維降低了HDCC的單軸拉伸性能.

(a) HR拉伸試件

(b) HC拉伸試件

3 結(jié)論

1) 骨料類(lèi)型對(duì)HDCC抗折強(qiáng)度影響較為明顯,而對(duì)抗壓強(qiáng)度、彎曲韌性和抗沖磨性能影響不顯著;金剛砂提高了HDCC的抗拉強(qiáng)度,但降低了HDCC的延性.

2) 金剛砂堅(jiān)硬且銳利的棱角使得纖維在拉拔過(guò)程中更易造成纖維切削和拉斷,致使HDCC延性降低.

3) 在PVA-HDCC體系中混入微細(xì)鋼纖維后,微細(xì)鋼纖維對(duì)基本力學(xué)性能和彎曲韌性的增強(qiáng)效果比較明顯;以天然河砂為骨料時(shí),摻加微細(xì)鋼纖維會(huì)降低HDCC的延性,以金剛砂為骨料時(shí),摻加微細(xì)鋼纖維則會(huì)提高HDCC的延性;金剛砂和微細(xì)鋼纖維可提高HDCC的抗沖磨性能.

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Effectsofaggregatetypeandfibreonpropertiesofhighductilitycementitiouscomposites

Guo Liping1,2Chen Bo3Sun Wei1Chen Zhengkai1Zhang Wenxiao3

(1School of Materials Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China) (2Jiangsu Key Laboratory of Construction Materials, Southeast University, Nanjing 211189, China) (3State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China)

To investigate the effects of aggregate type and fibre on the properties of high ductility cementitious composite (HDCC), four series of HDCCs were prepared. The HDCCs used ordinary river sand and carborundum as aggregates, and used polyvinyl alcohol (PVA) fibre and PVA and micro-copper-coated steel hybrid fibres as reinforced fibres. The flexural and compressive strength, flexural toughness, uniaxial tensile properties and abrasion resistance were studied. The morphology of PVA fibre of tensile test specimens was observed by the scanning electron microscopy. The results show that the effect of aggregates on flexural strength is obvious, but the effects on compressive strength, bending toughness and abrasion resistance are not significant. Micro-steel fibre has an evident effect on flexural strength, bending toughness and abrasion resistance. The effect of micro-steel fibre on the ductility depends on the aggregate of HDCC. When the natural river sand is used as aggregate, the micro-steel fibre reduces the ductility of HDCC; while the carborundum is used as aggregate, the micro-steel fibre improves the ductility of HDCC. The carborundum increases tensile strength, but significantly reduces the ductility of HDCC.

aggregate; fibre; ductility; toughness; abrasion resistance; carborundum

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.06.022

TV431

A

1001-0505(2017)06-1221-06

2017-05-18.

郭麗萍(1979—)，女，博士，副教授，博士生導(dǎo)師， guoliping691@163.com.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFC0401610)、國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378113，51438003)、江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (BK20151072)、江蘇省六大人才高峰B類(lèi)資助項(xiàng)目(JZ-004).

郭麗萍，陳波,孫偉,等.骨料類(lèi)型及纖維對(duì)高延性水泥基復(fù)合材料性能的影響[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,47(6):1221-1226.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.06.022.