輕質(zhì)超高韌性水泥基復(fù)合材料試驗(yàn)研究

吳樸 ，沈淵 ，諸曉俊 ，李賀東

（1.浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310012；2.杭州市余杭區(qū)交通項(xiàng)目管理有限公司，浙江 杭州 311100；3.浙江理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；4.浙江大學(xué) 高性能建筑結(jié)構(gòu)與材料研究所，浙江 杭州 310058）

0 引言

超高韌性水泥基復(fù)合材料是一種新型高性能纖維水泥基復(fù)合材料，通常僅使用占復(fù)合材料總體積不超過2.5%的短纖維增強(qiáng)，硬化后具有顯著的應(yīng)變硬化特性和多細(xì)密裂縫開裂特性。該類材料基于細(xì)觀力學(xué)和斷裂力學(xué)相關(guān)原理發(fā)展而來，其設(shè)計(jì)原理最早由Li和Leung于1992年提出[1]，而后Li將其命名為 Engineered Cementitious Composite（簡稱 ECC）[2]，國際上部分學(xué)者也將其稱為Strain Hardening Cementitious Composite（簡稱SHCC），國內(nèi)徐世烺[3]基于該材料的性能特點(diǎn)并為了使這些性能特點(diǎn)便于工程師熟知，將其命名為超高韌性水泥基復(fù)合材料（Ultra High Toughness Cemenetitious Composite，簡稱UHTCC）。

輕骨料混凝土的密度小于1950 kg/m3，通常在1400～1900 kg/m3，其輕質(zhì)大都由摻入輕質(zhì)骨料來實(shí)現(xiàn)，常用的輕骨料有黏土陶粒、玻璃微珠、?；⒅椤㈨搸r陶粒、聚苯乙烯微珠、膨脹珍珠巖和漂珠等。輕骨料混凝土若要進(jìn)一步減小密度，可向基體中引入泡沫，以形成在基體中均勻分散的大量微小氣泡。由于輕質(zhì)骨料的強(qiáng)度通常低于水泥基體，對(duì)裂縫擴(kuò)展幾乎沒有抵抗能力，這就導(dǎo)致輕骨料混凝土與抗壓強(qiáng)度相近的普通混凝土相比顯得更脆。為提高輕骨料混凝土的韌性，嘗試向其中加入鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維、尼龍纖維或聚丙烯纖維。纖維的加入使得輕骨料混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和彎曲韌性得到改善，但在直接拉伸荷載作用下，摻纖維的輕骨料混凝土對(duì)應(yīng)仍展現(xiàn)出類似于常規(guī)纖維混凝土的拉伸軟化性能。Wang和Li[4]利用膨脹珍珠巖砂、玻璃微珠、聚合物空心微球和引氣劑開發(fā)了輕質(zhì)PVA－ECC，該復(fù)合材料在具備輕質(zhì)特征的情況下，同時(shí)具備適宜的抗壓強(qiáng)度和良好的應(yīng)變硬化性能。本文的研究目的是開發(fā)一種輕質(zhì)超高韌性水泥基復(fù)合材料，在具有較小密度的同時(shí)，又具有顯著的應(yīng)變硬化特性和多細(xì)密裂縫開裂特性。在本研究中，利用直接拉伸試驗(yàn)和軸壓試驗(yàn)等，研究了4種不同?；⒅閾搅壳闆r下超高韌性水泥基復(fù)合材料的密度、直接拉伸強(qiáng)度、極限拉應(yīng)變和抗壓強(qiáng)度等性能。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

膠凝材料：安徽銅陵海螺水泥有限公司產(chǎn)P·Ⅱ52.5水泥，Ⅰ級(jí)粉煤灰（主要化學(xué)成分見表1），埃肯國際貿(mào)易（上海）有限公司生產(chǎn)的Elkem920硅粉（SiO2含量91.38%）；?；⒅椋毫?0～90目，信陽市平橋區(qū)永鑫珍珠巖廠產(chǎn)；PVA纖維：日本某公司產(chǎn)，物理性能指標(biāo)如表2所示；增稠劑：韓國三星精細(xì)化工有限公司產(chǎn)羥丙基甲基纖維素MECELLOSE PMC－15μS；減水劑：德國BASF公司產(chǎn)MEFLUXR 2651F聚羧酸鹽減水劑。

表1 粉煤灰的主要化學(xué)成分 %

表2 PVA纖維的基本性能

1.2 試件制備

UHTCC配比見表3，PVA摻量為體積摻量，其余為質(zhì)量摻量。

表3 UHTCC的配合比

首先按配比將稱好的膠凝材料、?；⒅?、減水劑干粉和增稠劑干粉加入到攪拌機(jī)中，使用單臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌1～2 min，然后加水再攪拌3～5 min，待基體材料具有良好的流動(dòng)性后加入PVA纖維，再攪拌4～6 min，待纖維分散均勻后，整個(gè)攪拌程序結(jié)束。

立方體抗壓強(qiáng)度試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，一次澆筑成型，在振動(dòng)臺(tái)上振搗5～10 s后收面并覆蓋塑料膜；直接拉伸試件采用啞鈴型試件，試件最小截面尺寸為60 mm×60 mm，試件兩端內(nèi)嵌螺紋套管，試件一次澆筑成型，在振動(dòng)臺(tái)上振搗10 s中后收面并覆蓋塑料膜。2種試件皆在24 h后拆模，然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d取出測試。

1.3 測試方法

立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)在INSTRON（1000 kN）動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用恒定位移率0.2mm/min加載，參照J(rèn)GJ/T70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。直接拉伸試驗(yàn)在INSTRON8820（250 kN）動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)采用恒定位移率0.054 mm/min加載，利用對(duì)稱布置的2個(gè)LVDT測量試件中部90mm長度范圍內(nèi)的變形，試驗(yàn)同時(shí)記錄拉伸荷載，對(duì)應(yīng)試件及試驗(yàn)概況如圖1所示。數(shù)據(jù)采集利用IMC動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成。

圖1 UHTCC直接拉伸試驗(yàn)概況

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 ?；⒅閾搅繉?duì)UHTCC抗壓強(qiáng)度的影響

?；⒅閾搅繉?duì)UHTCC抗壓強(qiáng)度與密度的影響見表4。

表4 ?；⒅閾搅繉?duì)UHTCC抗壓強(qiáng)度與密度的影響

由表4可見，摻加?；⒅轱@著降低了UHTCC的抗壓強(qiáng)度，摻入占膠凝材料質(zhì)量11.7%的?；⒅?，UHTCC的抗壓強(qiáng)度由49.75 MPa降至32.87 MPa，降低了34%；繼續(xù)增加?；⒅閾搅恐?7.6%，UHTCC的抗壓強(qiáng)度基本與摻11.7%的持平；?；⒅閾搅吭黾又?3.5%，UHTCC的抗壓強(qiáng)度較M1和M2有小幅下降，較M0降低了40%。

由于?；⒅榈目箟簭?qiáng)度通常僅為1 MPa左右，遠(yuǎn)低于水泥基體強(qiáng)度，如果僅考慮具有超低強(qiáng)度?；⒅閷?duì)復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度的弱化作用，隨著玻化微珠摻量的增加，UHTCC抗壓強(qiáng)度理應(yīng)不斷降低，試驗(yàn)結(jié)果中M1較M0抗壓強(qiáng)度的大幅下降也很好地證明了這一點(diǎn)，但M2和M1抗壓強(qiáng)度持平，這顯然還需要新的機(jī)理來解釋這種現(xiàn)象。為此，對(duì)各配比基體制樣并進(jìn)行掃描電鏡觀測，結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 各配比基體微觀掃描電鏡照片

圖3 M2配比中?；⒅榕c水泥漿基體界面結(jié)合情況

由圖2可以看出，斷裂面處?；⒅榈谋”诙嗫捉Y(jié)構(gòu)清晰可見，摻入?；⒅橐馕吨騏HTCC基體內(nèi)引入了大量的缺陷，這是造成摻?；⒅閁HTCC抗壓強(qiáng)度顯著降低的直接原因。

由圖3可以看出，?；⒅榕c水泥漿體界面粘結(jié)緊密。對(duì)比圖2中各配比基體的SEM照片可清晰看到，摻加?；⒅楹笏酀{體部分較未添加時(shí)更為致密，尤其是在將M3和M0對(duì)比時(shí)，這種差別尤為明顯。玻化微珠的摻入，除前面提到的因薄弱顆粒的使用導(dǎo)致基體強(qiáng)度降低的作用外，尚有2種作用可能影響基體強(qiáng)度：其一，即類似于常規(guī)輕骨料混凝土中自養(yǎng)護(hù)效應(yīng)；其二，試驗(yàn)用玻化微珠具有較強(qiáng)的吸水性，玻化微珠吸收水泥漿體中的水分將使基體的實(shí)際水膠比減小，此2個(gè)因素都可以產(chǎn)生強(qiáng)度增強(qiáng)效應(yīng)。

綜合上述分析，在摻加了玻化微珠的配比M1～M3中，玻化微珠的弱化作用始終強(qiáng)于強(qiáng)度增強(qiáng)效應(yīng)，這導(dǎo)致M1～M3的強(qiáng)度皆低于M0；M1較M0強(qiáng)度降低了34%，M2較M1玻化微珠用量增加50%，但M2的強(qiáng)度與M1基本相同，甚至有微幅提高，這說明?；⒅閾搅康脑黾訋淼膹?qiáng)度強(qiáng)化作用也明顯增強(qiáng)。

2.2 直接拉伸特性分析

不同?；⒅閾搅肯耈HTCC直接拉伸試驗(yàn)曲線如圖4所示，直接拉伸性能參數(shù)如表5所示。

圖4 不同玻化微珠摻量下UHTCC直接拉伸試驗(yàn)曲線

表5 直接拉伸性能參數(shù)

由圖4、表5可知，?；⒅閾搅吭谝欢ǚ秶鷥?nèi)，隨著?；⒅閾搅康脑黾?，UHTCC的極限抗拉應(yīng)變明顯增大，極限抗拉強(qiáng)度先降低后提高，拉伸彈性模量逐漸減小。UHTCC抗拉性能出現(xiàn)上述變化，主要?dú)w因于大量“超低強(qiáng)度”?；⒅榈囊?，相當(dāng)于向基體內(nèi)引入了大量“缺陷”，這些“缺陷”明顯降低了材料的彈性模量，基體的斷裂韌度也將因此而降低，參照應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料的相關(guān)設(shè)計(jì)原理，基體如此的“弱化”將有助于UHTCC應(yīng)變硬化性能的提升。

3 結(jié)論

（1）摻入?；⒅槊黠@降低了UHTCC的抗壓強(qiáng)度，這種降低主要源于?；⒅樽陨淼膹?qiáng)度遠(yuǎn)低于水泥基體強(qiáng)度，其摻入就如同向基體內(nèi)引入了大量的“缺陷”。

（2）一定范圍內(nèi)增加?；⒅榈膿搅?，對(duì)應(yīng)UHTCC的抗壓強(qiáng)度并沒有降低，甚至稍有提高，這是因?yàn)椴；⒅榈膬?nèi)養(yǎng)護(hù)效應(yīng)和吸水性致使水泥漿體實(shí)際的水膠比大幅降低產(chǎn)生的強(qiáng)度增強(qiáng)效應(yīng)。

（3）隨玻化微珠摻量的增加，UHTCC的拉伸彈性模量和密度逐漸降低，極限抗拉應(yīng)變逐漸增大，極限抗拉強(qiáng)度先降低后提高。

（4）當(dāng)玻化微珠摻量占膠凝材料質(zhì)量的23.5%時(shí)，制備的輕質(zhì)超高韌性水泥基復(fù)合材料密度最低，僅為1.34 g/cm3，對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度為29.84 MPa、極限抗拉強(qiáng)度為4.03 MPa、拉伸彈性模量為9.3 GPa、極限抗拉應(yīng)變?yōu)?.81%。