生態(tài)高延性水泥基復合材料的抗凍性能

柴麗娟 郭麗萍 陳 波 徐燕慧 費春廣

(1東南大學材料科學與工程學院， 南京211189)(2南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室， 南京 210029)

在橋梁工程中，采用無縫橋面連接板替代傳統(tǒng)的鋼制伸縮縫，使整個橋面連續(xù)而無縫[1].無縫橋面連接板不僅承受壓縮荷載，而且承受車輛引起的彎曲荷載.高延性水泥基復合材料(High ductility cementitious composites, HDCC)具有高延性、優(yōu)異的裂縫控制能力，已被應(yīng)用于橋面無縫連接板工程中，通車后的連接板監(jiān)測表明HDCC仍保持優(yōu)異的性能[1-2].

HDCC中摻加PVA纖維后，由于纖維有引氣作用，使得HDCC中大于0.3 μm的孔數(shù)量增多，這為凍融循環(huán)過程中HDCC提供了壓力釋放通道，而且纖維有阻裂橋聯(lián)作用，使HDCC的抗凍性能比普通混凝土的抗凍性能更好[3-6].在文獻[3-6]中，HDCC配合比采用日產(chǎn)可樂麗纖維和石英砂，成本較高，不利于HDCC在工程中的推廣應(yīng)用.采用國產(chǎn)PVA纖維和普通河砂替代日產(chǎn)纖維及石英砂可使HDCC的制備成本降低.Qian等[7]采用國產(chǎn)纖維、河砂制備HDCC，并對其彎曲性能進行研究，結(jié)果表明在彎曲荷載下HDCC表現(xiàn)出多縫開裂形態(tài)，但并未涉及抗壓強度；張麗輝[8]采用國產(chǎn)PVA纖維和普通河砂制備生態(tài)HDCC (ecological HDCC, ECO-HDCC)，其抗壓強度為24.3～50.0 MPa，單軸拉伸應(yīng)變?yōu)?.5%～3.0%，且計算得到ECO-HDCC的成本為普通HDCC的三分之一.由于日產(chǎn)纖維和國產(chǎn)纖維表面處理工藝不同，其在水泥基漿體中的親水性也有所差異，會導致不同的引氣效果，因此國產(chǎn)纖維制備的ECO-HDCC的抗凍性能有待進一步研究.

本文在已制備的ECO-HDCC基礎(chǔ)上[8]，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》[9]中規(guī)定水泥混凝土橋面鋪裝層的強度等級不低于C40的要求，為保證無縫連接板與橋面鋪裝層的強度等級一致，選取了C40配合比進行凍融循環(huán)試驗.首先研究ECO-HDCC在經(jīng)歷0～300次凍融循環(huán)后的外觀形貌、質(zhì)量損失率及相對動彈性模量.然后分析其彎曲性能和抗壓性能.最后通過微觀手段揭示其宏觀性能.

1 試驗

1.1 原材料及配合比

水泥采用南京海螺牌P.Ⅱ42.5R水泥；粉煤灰選用南京熱電廠Ⅱ級粉煤灰；普通河砂密度為1 605 kg/m3，細度模量為1.68，最大粒徑為1.18 mm；減水劑為聚羧酸減水劑粉體；試驗所采用的水為南京自來水；試驗用國產(chǎn)PVA纖維的主要性能指標如表1所示. ECO-HDCC配合比如表2所示.

表1 PVA纖維的性能指標

表2 ECO-HDCC配合比 kg/m3

1.2 試件制作流程

試驗成型采用60 L混凝土攪拌機，其攪拌步驟如下：首先將水泥、粉煤灰、河砂、減水劑、功能性組分干拌2～3 min，使各組分混合均勻；然后加水攪拌4～5 min，以獲得均勻的流動漿體；最后緩慢加入纖維，攪拌3～4 min，確保纖維均勻分散.之后裝模，振搗，用塑料薄膜覆蓋表面防止水分蒸發(fā)，靜置24 h拆模，將試塊放置于標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d.參考《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T 2419—2005)，測得新拌漿體的流動度為250 mm；根據(jù)水泥砂漿含氣量測試方法測得新拌漿體的含氣量為3.9%.

1.3 試驗方案

抗壓性能試驗參考《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)[10]，設(shè)備采用YAW-3000D電液伺服壓力試驗機，加載速度為0.5 MPa/s，立方體抗壓試驗所用試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，軸心抗壓試驗所用棱柱體尺寸為100 mm×100 mm×300 mm，彈性模量和泊松比采用在棱柱體試塊表面貼應(yīng)變片的方法測試.彎曲性能試驗參考《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13: 2009)[11]，采用四點加載方式，設(shè)備采用Instron 8802電伺服疲勞試驗系統(tǒng)，加載速度為0.5 mm/min，試塊尺寸為75 mm×15 mm×300 mm，撓度通過位移計測量；試驗所用試塊經(jīng)受凍融循環(huán)次數(shù)為0，50，100，150，200，250，300次，分別用FT-0，F(xiàn)T-50，F(xiàn)T-100，F(xiàn)T-150，F(xiàn)T-200，F(xiàn)T-250，F(xiàn)T-300表示.

ECO-HDCC耐久性試驗參考《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)[12]中的快凍法，設(shè)備采用NJW-HDK-9微機全自動混凝土快速凍融試驗機，ECO-HDCC外觀形貌、相對動彈性模量和質(zhì)量損失率試驗采用100 mm×100 mm×300 mm試塊進行分析.壓汞試驗采用Autopore IV9510全自動壓汞儀，掃描電鏡采用FEI 3D場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 外觀形貌

圖1是ECO-HDCC經(jīng)歷不同凍融循環(huán)后試塊的外觀形貌.由圖中可以看出，凍融前試塊表面無裂紋、無剝落，表面光滑平整，經(jīng)歷50次凍融循環(huán)后，試塊表面輕微剝落，無裂縫；經(jīng)歷100～200次凍融循環(huán)后，試塊表面呈龜裂狀，表面脫落，但無纖維裸露；但經(jīng)歷250～300次凍融循環(huán)后，試塊表面脫落，少量纖維露出，無肉眼可觀察的裂縫.

(a) FT-0

(b) FT-50

(c) FT-100

(d) FT-150

(e) FT-200

(f) FT-250

(g) FT-300圖1 ECO-HDCC經(jīng)歷凍融循環(huán)后的外觀形貌

2.2 相對動彈性模量和質(zhì)量損失率

ECO-HDCC在凍融循環(huán)后的相對動彈性模量和質(zhì)量損失率如圖2所示.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，ECO-HDCC的相對動彈性模量逐漸降低，但降低幅度較小，經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后，相對動彈性模量為96.8%，相比未凍融前，只降低3.2%，說明凍融循環(huán)對試塊內(nèi)部損傷較小.質(zhì)量損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增加，最大質(zhì)量損失率為0.25%，但在凍融循環(huán)50次時，試塊質(zhì)量略有增加，試塊內(nèi)部孔隙由于凍脹壓力作用，孔隙逐漸增大，吸水率增加，而此循環(huán)下，雖然試塊表面輕微剝落，但在二者綜合作用下試塊表現(xiàn)出質(zhì)量增加的趨勢[13].結(jié)合圖1試塊的外觀形貌分析，ECO-HDCC經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后，表面僅輕微剝落，質(zhì)量損失較小.這主要是因為纖維的摻入，一方面引入氣泡，導致孔分布比較均勻，改善了孔的結(jié)構(gòu)，大孔較多，可以緩解水結(jié)冰使得體積膨脹而造成的壓力；另一方面，纖維具有抗裂作用，可減少裂縫的擴展，使試塊損傷較小.

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》(GB/T 50476—2008)[14]規(guī)定，寒冷地區(qū)中度飽水條件下設(shè)計使用年限30年的結(jié)構(gòu)要求，抗凍耐久性指數(shù)DF應(yīng)大于45%.通過計算ECO-HDCC的抗凍等級大于F300，抗凍耐久性指數(shù)DF為97%，因此，ECO-HDCC符合寒冷地區(qū)結(jié)構(gòu)抗凍性要求.

(a) 相對動彈性模量

(b) 質(zhì)量損失率

圖2凍融循環(huán)次數(shù)對ECO-HDCC相對動彈性模量和質(zhì)量損失率的影響

2.3 彎曲性能

ECO-HDCC在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的彎曲性能結(jié)果如表3所示.為方便觀察其彎曲性能與凍融次數(shù)的關(guān)系，選取凍融循環(huán)0，150，300次后ECO-HDCC彎曲強度-撓度關(guān)系曲線，如圖3所示.經(jīng)歷凍融循環(huán)后，ECO-HDCC均表現(xiàn)出撓度硬化現(xiàn)象，結(jié)合表3和圖3可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，ECO-HDCC的彎曲強度和初裂強度呈下降趨勢，經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后，試塊初裂強度和彎曲強度分別降低了49.8%和24.9%；而撓度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，經(jīng)歷150次凍融循環(huán)后，試塊撓度增加了72.4%，但經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后，撓度降低了21.6%.在初裂點之前，試塊的彎曲強度由砂漿基體承擔，但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，基體逐漸松散，導致彎曲強度降低，因此ECO-HDCC的初裂強度隨著凍融次數(shù)的增加呈下降趨勢；在凍融循環(huán)過程中，由于水結(jié)冰使得體積膨脹而造成壓力增加，試塊由表及里逐漸剝落，結(jié)構(gòu)松散，因此彎曲強度降低.低溫作用也會導致纖維的抗拉強度降低，會使纖維與基體界面化學黏結(jié)力降低，摩擦力增加，因此在彎曲荷載下更多纖維呈拔出狀態(tài)，纖維的橋聯(lián)作用得以充分發(fā)揮，試塊撓度逐漸增加.在凍融循環(huán)次數(shù)為200～300次時，試塊結(jié)構(gòu)較為松散，纖維的抗拉強度下降明顯，纖維的橋聯(lián)作用不足以發(fā)揮，試塊的撓度逐漸降低.

表3 ECO-HDCC彎曲性能試驗結(jié)果

圖3凍融循環(huán)次數(shù)對ECO-HDCC彎曲性能的影響

2.4 抗壓性能

ECO-HDCC在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的抗壓性能結(jié)果如表4所示.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和靜力受壓彈性模量均呈現(xiàn)下降趨勢，這與彎曲強度的變化趨勢一致，而凍融循環(huán)次數(shù)對泊松比影響不大.試塊經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后，立方體抗壓強度、軸心抗壓強度及彈性模量分別降低了20.2%，27.8%和10.1%，其中軸心抗壓強度降低較為明顯.在ECO-HDCC抗壓試驗中，試塊的破壞形式是裂縫由中間向上下延伸，轉(zhuǎn)向角部，但由于立方體試塊尺寸較小，端部受加載墊板的影響較大，套箍效應(yīng)明顯，其抗壓強度較大；而在軸心抗壓強度試驗中，試塊中間100 mm范圍內(nèi)試塊近似呈單軸受壓狀態(tài)，此時中間部位是最薄弱環(huán)節(jié)，且受端部的套箍效應(yīng)影響較小.由于添加纖維的ECO-HDCC的抗拉性能和抗剪性能較好，因此在軸心抗壓試驗中，試塊主要是因為套箍效應(yīng)弱而破壞.在經(jīng)歷凍融循環(huán)后，試塊的抗拉性能、抗剪性能有所降低，同時受到較弱的套箍效應(yīng)，導致軸心抗壓強度降低更為明顯.在經(jīng)歷150～200次凍融循環(huán)后，試塊的泊松比最大，說明試塊在受壓過程中，橫向受拉變形比縱向受壓變形更為明顯，這主要是纖維的橋聯(lián)作用得以充分發(fā)揮，這與彎曲撓度的變化規(guī)律一致.

表4 ECO-HDCC抗壓性能試驗結(jié)果

3 微觀機理分析

3.1 孔結(jié)構(gòu)分析

利用壓汞法研究ECO-HDCC在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的孔徑分布情況，其臨界孔徑分布、最可幾孔徑分布及不同孔徑的孔隙率如圖4所示.由圖可知，凍融循環(huán)次數(shù)對ECO-HDCC的臨界孔徑和最可幾孔徑影響不大，在經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后，試塊的臨界孔徑和最可幾孔徑由40.3 nm增大到50.3 nm，增加了24.8%；而凍融循環(huán)次數(shù)對不同孔徑下的孔隙率影響較顯著.對于孔徑小于20 nm的無害孔，凍融循環(huán)對孔徑影響較小，孔隙率基本維持在18%左右；對于孔徑為20～50 nm的少害孔，在經(jīng)歷0～250次凍融循環(huán)后，此類孔徑的孔隙率變化在30%左右，而經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后，此類孔徑的孔隙率為18.4%，相對未經(jīng)歷凍融循環(huán)時，降低了40.1%；對于孔徑為50～200 nm的有害孔，在經(jīng)歷0～250次凍融循環(huán)后，此類孔徑的孔隙率為5%～7%左右，而在經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后，孔隙率為14%，增加了180%；對于孔徑大于200 nm的多害孔，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，此類孔徑對應(yīng)的孔隙率逐漸增加，經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后，孔隙率增加了31.1%.由圖4可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，少害孔逐漸增大轉(zhuǎn)變?yōu)橛泻谆蛘叨嗪祝瑢е掠泻缀投嗪椎目紫堵手饾u增加，在300次凍融循環(huán)后試塊的孔隙率變化最明顯.而有害孔和多害孔孔隙率的增加導致ECO-HDCC的抗壓強度和彎曲強度呈降低的趨勢.

(a) 累計進汞量曲線

(b) 分計進汞量曲線

(c) 不同孔徑下的孔隙率

圖4凍融循環(huán)次數(shù)對ECO-HDCC孔徑尺寸分布的影響規(guī)律

3.2 微觀形貌分析

ECO-HDCC在經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的微觀形貌如圖5所示.由圖可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，基體結(jié)構(gòu)逐漸松散，而且開裂也隨之嚴重，尤其是經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后，基體表面脫落，結(jié)構(gòu)松散程度最為嚴重.由圖可以看出，纖維拔出后的路徑隨著凍融次數(shù)的增加，路徑上裂縫寬度逐漸增大，而且路徑周圍的基體松散程度越來越明顯.說明纖維與周圍基體的黏結(jié)性能逐漸下降，導致更多纖維呈拔出狀態(tài)，因此彎曲撓度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而呈現(xiàn)增加的趨勢.但在經(jīng)歷250～300次凍融循環(huán)后，纖維的抗拉性能下降，基體更加松散，導致試塊撓度降低.

(a) FT-0

(b) FT-50

(c) FT-100

(d) FT-150

(e) FT-200

(f) FT-250

(g) FT-300圖5 ECO-HDCC經(jīng)歷凍融循環(huán)后的微觀形貌

4 結(jié)論

1) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，ECO-HDCC的相對動彈性模量逐漸降低，質(zhì)量損失率基本呈增加的趨勢，在經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后，相對動彈性模量降低了3.2%，質(zhì)量損失率為0.25%.通過分析ECO-HDCC的抗凍等級和抗凍性指數(shù)可知，ECO-HDCC符合寒冷地區(qū)結(jié)構(gòu)抗凍性要求.

2) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，ECO-HDCC的彎曲強度逐漸降低，經(jīng)歷300次循環(huán)后，彎曲強度降低了24.9%；而撓度呈現(xiàn)先增加后降低的規(guī)律，在經(jīng)歷150次凍融循環(huán)后，撓度增加了72.4%，經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后，撓度降低了21.6%.由此可見，凍融循環(huán)次數(shù)對撓度的影響較大.

3) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，ECO-HDCC的抗壓強度和彈性模量呈下降趨勢，而泊松比基本無變化.軸心抗壓強度的降低趨勢較立方體抗壓強度明顯.

4) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，ECO-HDCC的有害孔和多害孔逐漸增加，基體的結(jié)構(gòu)逐漸松散，纖維與基體的界面黏結(jié)力降低.經(jīng)歷50～200次凍融循環(huán)后，在彎曲荷載下更多纖維呈現(xiàn)拔出狀態(tài)，試塊撓度增加；在經(jīng)歷250～300次凍融循環(huán)后，纖維和基體的抗拉性能損失較嚴重，試塊撓度降低.

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