超輕質(zhì)高延性水泥基材料力學(xué)性能研究

黃振宇,隋莉莉,王 芳

(1.深圳大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 深圳518060；2.廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳518060)

輕質(zhì)混凝土是指密度在800～1 950 kg/m3或是密度在1 120～1 920 kg/m3同時(shí)抗壓強(qiáng)度不小于21 MPa的混凝土[1].輕質(zhì)混凝土密度小的原因之一是使其材料內(nèi)部孔隙增多，根據(jù)孔隙所在的位置和形成機(jī)制，輕質(zhì)混凝土一般可以分為三類：(1)輕骨料混凝土，孔隙主要集中在骨料中[2]；(2)蜂窩混凝土和泡沫混凝土，孔隙主要在水泥漿中[3]；(3)無細(xì)骨料混凝土，由于沒有細(xì)骨料的填充作用，粗骨料之間會(huì)形成孔隙[4].由于輕骨料混凝土自重小，保溫隔熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，可用于高層建筑，大跨度橋梁以及海洋平臺(tái)等對(duì)自重敏感的工程結(jié)構(gòu)[1,5].但由于大部分輕質(zhì)混凝土的抗壓強(qiáng)度偏低，整體性能偏脆的缺點(diǎn)限制了輕質(zhì)混凝土在建筑工程中的廣泛應(yīng)用.

傳統(tǒng)的輕骨料有膨脹頁(yè)巖[6]，膨脹珍珠巖[7]，聚苯乙烯珠[8]等材料，雖然可以達(dá)到減小混凝土密度的目的，但抗壓強(qiáng)度往往不滿足結(jié)構(gòu)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn).另外，生產(chǎn)這類輕骨料通常采用燒結(jié)成型方法，能耗大不環(huán)保.近幾年，粉煤灰空心微珠、玻璃微珠以其壓碎強(qiáng)度高、功能性能優(yōu)越得到了眾多學(xué)者的關(guān)注和研究.Brooks等人[9]使用不同類型及摻量的粉煤灰空心微珠制備了輕質(zhì)混凝土，干密度在1 400～2 020 kg/m3，強(qiáng)度在35.4～53.5 MPa.Hanif等人[10]用玻璃微珠作為輕質(zhì)填料，對(duì)體積摻量為1.5%的聚乙烯醇纖維(PVA)的輕質(zhì)混凝土進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著玻璃微珠摻量由0%增加到50%(水泥質(zhì)量占比)，其密度從2 068 kg/m3降至880 kg/m3，抗壓強(qiáng)度由94.3 MPa降至14.3 MPa.Chen等人[11]利用粉煤灰漂珠微珠作為填料，添加2%的PVA纖維進(jìn)行試驗(yàn)制備的混凝土密度均在1 300 kg/m3以下，28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到50 MPa，但其單軸拉伸應(yīng)變率僅略高于1%，延性無法達(dá)到高延性混凝土特征.Soe等人[12]開發(fā)了一種新型摻加混雜纖維的高延性水泥基材料(ECC)，抗壓強(qiáng)度可達(dá)70 MPa，但拉伸應(yīng)變僅為0.5%左右.俞可權(quán)等人[13]使用石英砂、水泥、高爐礦渣、硅灰和粉煤灰制備的ECC，在摻加2%PE纖維后，直接拉伸應(yīng)變可達(dá)到3.90%～9.63%，相應(yīng)混凝土密度在1 900～2 400 kg/m3.Huang等人[14]使用玻璃微珠制備的一種漂浮水泥基材料，加入1%聚乙烯纖維后拉伸應(yīng)變即可達(dá)到6%，拉伸段存在明顯應(yīng)變硬化行為.上述文獻(xiàn)表明，大多數(shù)傳統(tǒng)高延性混凝土雖然拉伸應(yīng)變能力較強(qiáng)，但自重仍然較大；而采用粉煤灰漂珠或玻璃微珠制備的混凝土雖然密度降低顯著，但普遍抗壓強(qiáng)度較低，而且拉伸應(yīng)變能力無法達(dá)到高延性混凝土的軸拉應(yīng)變的標(biāo)準(zhǔn)，限制了其在工程中的應(yīng)用.因此，開發(fā)同時(shí)具備質(zhì)量輕、強(qiáng)度高和延性高的輕質(zhì)水泥基材料，并應(yīng)用于實(shí)際工程具有重要意義.本文采用優(yōu)選的玻璃微珠作為填料，并使用經(jīng)過親水處理的PE 纖維，基于強(qiáng)度和能量準(zhǔn)則制備一種超輕質(zhì)高延性的水泥基材料ULHDCC，并通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究了其力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu).

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

制備ULHDCC 采用普通硅酸鹽水泥PO52.5R、SiO2含量超過94%的加密型硅灰、采用三種不同類型(D38、D42、D46)的空心微珠，其中微珠的粒徑分布如圖1 所示.PE 纖維經(jīng)過親水改性處理，其基本性能指標(biāo)見表1.減水劑采用聚羧酸型的高效減水劑，水即為普通自來水.ULHDCC 試驗(yàn)的配合比設(shè)計(jì)如表2 所示.制備時(shí)，將干料投入鍋中進(jìn)行充分干拌，接著將80%減水劑與水混合后投入干料進(jìn)行高速攪拌，最后配合低速攪拌和流動(dòng)度測(cè)試指標(biāo)確定最終減水劑用量，完成ULHDCC的制備.澆筑24 h后拆模，放入溫度為20±2℃，相對(duì)濕度為95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)至齡期后測(cè)試[15].

圖1 微珠粒徑分布Fig.1 The particle size distribution of Microspheres

表1 改性PE 纖維基本性能

表2 配合比設(shè)計(jì)

注：纖維為體積占比，D38-PE1%即為密度為D38 的微珠添加體積占比為1%的PE 纖維；其余為質(zhì)量占比.

表3 ULHDCC基本性能

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法

抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)采用50 mm×50 mm×50 mm 立方體試塊[16]，加載裝置使用恒加載水泥抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)，加載速度取1 kN/s.單軸靜力拉伸試驗(yàn)按照J(rèn)SCE推薦的標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸進(jìn)行試驗(yàn)[17]，使用MTS通用試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)，加載速度為0.5 mm/min，試驗(yàn)裝置及試件尺寸見圖2.導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定采用熱流量計(jì)法對(duì)300 mm×300 mm×50 mm的板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[18].具體試件信息與測(cè)試規(guī)范如表3所示.對(duì)ULHDCC材料微觀尺度，本文采用掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行觀察和分析.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表觀密度與抗壓強(qiáng)度

表觀密度于澆筑24 h后脫模測(cè)得，摻加三種類型微珠的混凝土密度在850～920 kg/m3之間.在體積摻量相同的條件下，微珠密度越大，成型的混凝土的表觀密度也越大.由圖3可以看出，抗壓強(qiáng)度與表觀密度成正比關(guān)系，平均抗壓強(qiáng)度從27.2 MPa增至32.9 MPa.原因是密度大的微珠壁厚較大，因此一般破碎強(qiáng)度也高，制備的輕質(zhì)混凝土密度和強(qiáng)度都隨著提高.同時(shí)，本文發(fā)現(xiàn)摻加纖維可以使得抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度明顯提高，以D46微珠為例，摻加1%纖維，抗壓強(qiáng)度由20.8 MPa 提高到32.9 MPa，提高約59%.原因可能是由于纖維經(jīng)過了親水處理使得纖維與水泥漿的粘結(jié)更好，減少了漿體內(nèi)部氣泡生成，漿體更加密實(shí)，從而使得抗壓強(qiáng)度有明顯提高，但這一結(jié)論還需后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證.此外，是否摻加纖維對(duì)試件的破壞形態(tài)也有顯著影響.如圖4、圖5所示，未摻加纖維的試件，壓力荷載下混凝土外層劈裂剝落，與高強(qiáng)混凝土、普通輕骨料混凝土破壞模式相似；而摻加纖維的試件，壓力荷載下有裂縫產(chǎn)生，但纖維由于橋接作用阻止裂縫進(jìn)一步開展，試塊整體仍保持完整狀態(tài)，直到試塊呈現(xiàn)出壓扁狀.

圖2 靜力拉伸裝置與試件尺寸Fig.2 Static tensile setup & dog-bone specimen

圖4 D46-PE0 試塊破壞模式—脆性劈裂Fig.4 Failure mode ofD46-PE0-splitting failure

圖5 D46-PE1%試塊破壞模式-壓扁Fig.5 Failure mode of D46-PE1%-squashed

2.2 直接拉伸強(qiáng)度及拉伸應(yīng)變

未摻加纖維的試件抗拉強(qiáng)度大約在1 MPa左右，在24 h后拆模時(shí)早期強(qiáng)度較低，容易出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致試件發(fā)生斷裂而無法測(cè)試.加入1%纖維后，極限抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到2.9 MPa，極限拉伸應(yīng)變均可達(dá)到6%，測(cè)試結(jié)果如圖6所示.其中，D38-PE1%的極限拉伸應(yīng)變達(dá)到了8%，是普通混凝土極限拉應(yīng)變(0.000 1～0.000 17)[19]的幾百倍，顯著提高了材料的延性，甚至高于普通高延性混凝土ECC[20].圖7顯示的是超輕質(zhì)高延性混凝土受拉后呈現(xiàn)出多裂縫開展的典型特征.

圖6 直接拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 The stress-strain curve of direct tensile test

圖7 多裂縫破壞模式Fig.7 Multi-cracks failure mode

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)

混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)受材料的含水率和孔隙率影響顯著，為了更準(zhǔn)確表征材料的導(dǎo)熱系數(shù)，在進(jìn)行測(cè)試之前對(duì)試件進(jìn)行干燥處理，直到試件烘干至質(zhì)量恒定.本次試驗(yàn)測(cè)試了不含纖維的D46-PE0組別混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，經(jīng)過與文獻(xiàn)資料對(duì)比，本文制備的超輕質(zhì)高延性水泥基材料導(dǎo)熱系數(shù)較低，僅為0.152 W/mK.圖8可以看出，導(dǎo)熱系數(shù)與材料密度基本成正比關(guān)系，這是由于在輕質(zhì)混凝土孔隙率較高，孔隙率高的混凝土比密實(shí)的混凝土含氣量更高，與固體相比，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)更小，故輕質(zhì)混凝土擁有較低的導(dǎo)熱系數(shù).本文采用的玻璃微珠為中空的球形骨料，不僅降低了材料密度，也使得密閉孔含量增多，有效降低了材料的導(dǎo)熱系數(shù).

圖8 不同混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)與密度關(guān)系Fig.8 Relation between thermal conductivity and densityfor different lightweight concrete

2.4 微觀結(jié)構(gòu)和微觀力學(xué)分析

圖9給出了不同尺度下超輕質(zhì)高延性水泥基材料掃描電鏡的微觀結(jié)構(gòu)形貌.微珠為大小不一的光滑球狀物，為實(shí)現(xiàn)低密度，微珠摻量較大，由圖9(a)可見大量微珠均勻分散于水泥漿體中(放大倍數(shù)400倍)，進(jìn)一步證明該材料基體密實(shí)，有利于強(qiáng)度提高.微珠殼體主要成分為SiO2，但成品經(jīng)表面處理后呈惰性，完整微珠活性較低.從圖9(b)與圖9(c)可以看出珠體表面仍然光滑(放大倍數(shù)均1 600倍).由于微珠自身的破碎強(qiáng)度高達(dá)37.9 MPa[14]，因攪拌制備過程或加載發(fā)生破損的微珠較少(微珠珠體上有裂縫，如圖9(b)所示)，裂縫主要出現(xiàn)在微珠與水泥漿的粘結(jié)界面上如圖9(c)所示.由此可見，在本文設(shè)計(jì)配合比下的ULHDCC材料骨料和漿體的粘結(jié)界面是較為薄弱的部位.在水泥基材料中添加纖維能夠增強(qiáng)其延性，在本次試驗(yàn)中摻入纖維組別中未見明顯在受拉后試件得以多裂縫發(fā)展，從而發(fā)揮高延性等于纖維橋聯(lián)強(qiáng)度σ0，即滿足公式(1).

σcr<σ0

(1)

纖維斷裂，圖9(d)中纖維仍“錨固”于漿體中，的特征.在設(shè)計(jì)高延性材料時(shí)需滿足強(qiáng)度和能量?jī)蓚€(gè)準(zhǔn)則[20]，強(qiáng)度準(zhǔn)則是指初始裂縫強(qiáng)度σcr小于只有初始裂縫強(qiáng)度小于纖維橋聯(lián)強(qiáng)度，水泥基基體在開裂后才不會(huì)直接發(fā)生纖維拔出等破壞，從而纖維受力發(fā)揮其橋聯(lián)作用，將應(yīng)力傳遞到其他未開裂部位，周而復(fù)始，使得出現(xiàn)多裂縫破壞機(jī)制(圖7所示).在本次試驗(yàn)中，從圖9(b)、圖9(c)、圖9(d)可以看出，水泥基體強(qiáng)度要小于纖維的橋聯(lián)強(qiáng)度.初始裂縫強(qiáng)度主要受試件的斷裂韌性Km與內(nèi)部缺陷等因素影響[20,21]，纖維橋聯(lián)強(qiáng)度主要受纖維種類以及纖維/基體的界面性能影響.顯然，σcr/σ0比值越小對(duì)于裂縫發(fā)展更有利，但降低σcr會(huì)影響材料的其他性能，故本文挑選了經(jīng)過改性處理的PE纖維，使纖維粘結(jié)更牢固來提高σ0.

圖9 微觀尺度下的形貌Fig.9 Microscopic morphology

滿足能量準(zhǔn)則可以使得裂縫穩(wěn)定地發(fā)展.能量準(zhǔn)則是指抵消裂縫尖端強(qiáng)度所消耗的能量Jtip(補(bǔ)足能量)與纖維橋聯(lián)作用所消耗的能量之和應(yīng)與拉伸應(yīng)力σss產(chǎn)生應(yīng)變?chǔ)膕s的能量相等，圖10為其示意圖，Jtip必須要小于最大補(bǔ)足能量，即滿足公式(2)～(4)：

(2)

(3)

(4)

圖10 能量準(zhǔn)則示意圖Fig.10 Schematic diagram of energy criterion

(5)

(6)

3 結(jié)論

開發(fā)了一種超輕質(zhì)高延性水泥基材料ULHDCC，通過基本材性試驗(yàn)可知表觀密度低于850～920 kg/m3，仍能保持較高的抗壓強(qiáng)度達(dá)20～33 MPa，軸向拉升應(yīng)變能力達(dá)到8%，而且具有較高的較低的導(dǎo)熱系數(shù)0.152 W/mK，是一種結(jié)構(gòu)功能一體化高性能水泥基材料.本文主要研究結(jié)論如下：

(1)ULHDCC抗壓強(qiáng)度受微珠類型和纖維摻量的影響.微珠類型會(huì)影響材料的密度， 隨著骨料密度的增加，ULHDCC的密度也隨之增加，抗壓強(qiáng)度也有所提高.

(2)極限抗拉強(qiáng)度和應(yīng)變受纖維摻量和微珠類型的影響.加入纖維可以提高材料的極限抗拉強(qiáng)度，對(duì)于極限拉伸應(yīng)變有顯著的提高.

(3)導(dǎo)熱系數(shù)與干密度成正比例關(guān)系，密度越小，導(dǎo)熱系數(shù)越低.孔隙率是影響導(dǎo)熱系數(shù)的重要因素之一，質(zhì)量輕的混凝土孔隙率相應(yīng)較大，進(jìn)而導(dǎo)致其導(dǎo)熱系數(shù)下降，使用玻璃微珠能很好地增加密閉孔的含量，從而到達(dá)保溫隔熱的目的.

(4)改性后的PE纖維增強(qiáng)材料和水泥基體組合作用滿足強(qiáng)度準(zhǔn)則與能量準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)了材料高延性特征和多裂縫發(fā)展.后續(xù)研究將系統(tǒng)地從堆積理論、強(qiáng)度準(zhǔn)則和能量方法對(duì)ULHDCC進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能調(diào)控.