ECC的材料組成與性能關系分析

孔 燕，邵永健，杜 亮，梁 肖，李國建

(1.蘇州科技大學土木工程學院，蘇州 215011；2.中億豐建設集團股份有限公司，蘇州 215131)

0 引 言

19世紀20年代起，混凝土開始廣泛應用于土木工程的各個領域[1]，在眾所周知的取材容易、攪拌工藝成熟、可模性好、抗壓強度高等諸多優(yōu)點背后，也存在抗拉強度低、韌性差，開裂后裂縫難以控制等缺陷引發(fā)的安全隱患。因此，中國工程院院士吳中偉教授提出：“復合化是提高水泥基材料性能的主要途徑，纖維增強是核心”[2]。

為了彌補傳統(tǒng)混凝土的不足，20世紀90年代初，Li等[3]研發(fā)的工程水泥基復合材料(ECC)應運而生。ECC大大提高了材料的抗拉強度，具有高韌性、高延性、高變形能力及耐動荷載性能，在拉伸(彎曲)荷載作用下亦能實現明顯的應變-硬化特性。

研究表明，在一定范圍內隨著粉煤灰摻量的增加，ECC的抗壓強度和彈性模量會顯著降低，而降低水膠比則能提高ECC的抗壓強度與彈性模量[4]。

由于降低粉煤灰置換率和水膠比均能大幅度地提高ECC的強度，故控制粉煤灰摻量和水膠比在合理范圍內、以及通過調整適當的纖維體積摻量可以大幅度提高ECC的壓縮強度，且能保證ECC的破壞模式表現為韌性，同時保持其優(yōu)異的抗拉性能和彎曲性能。

雖然目前ECC的配合比試驗已經日趨成熟，但仍然缺乏對各種纖維體積摻量、水膠比和粉煤灰置換率力學性能演變的系統(tǒng)和定量分析。故本文通過設計10組ECC配合比，基于灰色關聯分析，研究粉煤灰質量置換率、水膠比、纖維體積摻量(其中增加一組砂漿基體對照)對ECC強度和彈性模量變化的影響規(guī)律，通過采用美國ASTM-C1018和德國DBV兩種評價方法中的韌性指標來量化ECC的彎曲韌性。目的是揭示ECC的最佳力學性能配比，有助于ECC的優(yōu)化設計。

1 實 驗

1.1 試驗原材料、配合比及試樣制備

普通硅酸鹽水泥，P·O 52.5；粉煤灰，Ι級，其48 μm方孔篩的篩余率小于5%；細骨料為石英砂，粒徑在100～150目；采用極限拉伸強度不小于1620 MPa的K-ⅡREC15型PVA纖維；外加劑為聚羧酸高效減水劑(HRWR)和粉末狀纖維素醚增稠劑(VMA)；普通自來水。

10組配合比中，PVA體積摻量為1.0%，1.5%，2.0%，相當于13.0 kg/m3，19.5 kg/m3，26.0 kg/m3，其中一組砂漿對照纖維摻量為0%。粉煤灰與水泥的質量比為0.4，1.2，2.6，4.0，折合置換率為28.57%，54.55%，72.22%，80.00%。水膠比為0.27，0.30，0.33，0.36四個水平。本文命名法，例如，E1-0.4-0.33-2.0代表ECC的粉煤灰質量比為0.4，水膠比為0.33，PVA體積率2.0%。所有試件在澆筑24 h后脫模，送至標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d后進行力學性能測試。

1.2 灰色關聯分析

擬通過灰色關聯分析，將灰色體系中各因子(粉煤灰比重、水膠比、纖維摻量)之間，因子對主行為(強度、彈模)之間的不確定關聯經過量化分析后逐漸白化，基于行為因子序列的幾何接近趨勢可區(qū)分灰色系統(tǒng)中多因素關聯的緊密程度，以此來確定出因子間的相互影響或對主行為的貢獻測度[5]。

1.3 強度和彈性模量

測試28 d不同配比ECC的壓縮強度(立方體和棱柱體)、靜態(tài)彈性模量，拉伸強度和彎曲強度。試塊成型與試驗具體參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[6]、《纖維混凝土試驗方法》[7]和《高延性纖維增強水泥基復合材料力學性能試驗方法》[8]。其中，在尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體上測試壓縮強度，在尺寸為100 mm×100 mm×300 mm棱柱體上進行軸心抗壓和彈性模量試驗，在尺寸為80 mm×30 mm×13 mm啞鈴型試件上測試拉伸強度，在尺寸為400 mm×100 mm×15 mm的薄板上測試彎曲強度?？紤]到ECC材料的不均質性和離散性，每組至少制作3個試件，試驗加載裝置見圖1。

圖1 ECC試驗加載裝置
Fig.1 Test loading device of ECC

1.4 彎曲韌性評價

1.4.1 美國材料協(xié)會標準(ASTM-C1018—98)

該方法提出了第一條裂縫出現時彎曲韌性的測試方法。試驗在100 kN-CSS電子萬能試驗機上以0.5 mm/min的位移控制速率進行薄板四點加載。記錄加載期間中間純彎段的荷載-撓度曲線(即p-δ曲線)，依據ASTM-C1018評價方法可計算韌性指標I和殘余強度指標R，可衡量ECC的韌性和能量吸收能力[9]。計算簡圖見圖2，計算算式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

R5,10=20(I10-I5)

(5)

R10,20=10(I20-I10)

(6)

R20,30=5(I30-I20)

(7)

其中：韌性指標I5，I10，I20，I30對應圖中撓度為3.0δ，5.5δ，10.5δ，15.5δ處曲線包圍面積與δ處曲線包圍面積之比；R5,10，R10,20，R20,30為殘余強度指標，R值越大代表材料的塑性性能相對也越大。圖2中δ為第一條裂縫出現時的撓度，在ECC材料的荷載-撓度曲線上反應為曲線第一次發(fā)生陡降處。

圖2 韌性指標計算示意圖(ASTM-C1018)
Fig.2 Schematic diagram of toughness index calculation(ASTM-C1018)

圖3 韌性指標計算示意圖(DBV)
Fig.3 Schematic diagram of toughness index calculation(DBV)

1.4.2 德國纖維混凝土標準(DBV—1998)

該方法采用等效抗彎強度(feq,n)和變形能(Dn)的概念來表述纖維混凝土的韌性及能量吸收能力[9]。采用位移控制，加載速率0.5 mm/min。計算簡圖見圖3，計算算式如下：

(8)

(9)

(10)

(11)

2 結果與討論

2.1 實驗結果

試驗所得數據有立方體抗壓強度fcu、軸心抗壓強度fc、彈性模量Ec、極限拉伸強度σtu，極限拉應變εtu和薄板抗彎強度fw，整理匯總于表1。

表1 ECC力學性能試驗結果匯總Table 1 Experimental results of ECC mechanical properties

2.2 灰色關聯分析

依次設定極限抗拉強度、極限拉應變、薄板抗彎強度、立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和彈性模量為母序列，粉煤灰摻量、水膠比、PVA纖維體積摻量為子序列，經原始數據轉換后代入關聯公式計算關聯度系數和關聯度，得到關聯矩陣如下：

灰色關聯分析可應用于優(yōu)勢分析，而關聯度矩陣可以作為優(yōu)勢分析的基礎，通過優(yōu)勢分析尋找最優(yōu)特征和最優(yōu)因素。例如某一列的各個元素都大于其他列與此對應的各個元素，則此列的因素為最優(yōu)因素。

由關聯度矩陣和表2可以看出，在反映ECC拉伸的性能指標(σtu/εtu/fw)中，PVA纖維體積摻量為主要影響因素，順次為粉煤灰比重、水膠比，就極限抗拉強度而言，三個子因素序列的關聯度分別為：3.166>0.7261>0.4548。在反映ECC壓縮的性能指標(fcu/fc/Ec)中，水膠比為優(yōu)勢因素，順次為粉煤灰比重、PVA纖維體積摻量，就立方體抗壓強度而言，關聯度分別為：1.5833>0.3222>-0.1013。

表2 反映拉伸、壓縮的性能指標的影響順序及關聯度Table 2 Influence sequence and correlation degree of performance indexes reflecting stretching and compression

關聯度不僅可以反映各因素對主行為的貢獻測度，還能由正負相關性具體反映是增進還是削弱作用。由關聯矩陣可以看出，水膠比對極限拉應變和彈性模量作用表現削弱，隨著PVA纖維體積摻量的增加會降低壓縮強度和彈性模量。實際上，水膠比越大，ECC基體的用水量增大，和易性得到改善的同時減小了PVA纖維與基體之間的摩擦粘結，纖維的橋接作用未能充分發(fā)揮，從而影響了ECC的極限拉應變的提升；待水泥水化后原來水所占的體積變成空隙，密實性變差，內部缺陷增多，導致ECC抗壓韌性減弱，同時也降低了彈性模量。PVA纖維摻量對ECC強度的影響是辯證的，一方面由于纖維的橋接作用可以顯著提升ECC的抗拉強度，另一方面纖維的摻入也會引入過多的初始缺陷從而降低ECC材料的均質性和密實性，韌性效果減弱，影響抗壓強度和彈性模量。

2.3 強度和彈性模量

由表2和圖4可以看出，ECC的抗拉強度和抗彎強度受PVA纖維體積摻量的絕對主控，隨著纖維體積摻量從0%增加到2%的過程中，對抗壓強度的提高影響甚微，而極限抗拉強度分別提高了13.16%，51.32%，140.13%?？箟簭姸戎饕芩z比控制，且依賴于粉煤灰和PVA纖維的最佳組合，例如E8-1.2-0.33-1.5的抗壓強度高于E3-2.6-0.33-2和E4-4-0.33-2。這是因為粉煤灰部分代替水泥后可以降低ECC的水化熱，且粉煤灰的形態(tài)效應能夠起到很好的致密和均質作用，但是粉煤灰用量越多，早期強度越低，隨著置換率的不斷增加，ECC抗壓強度降低；PVA纖維的僑聯作用可以提供部分受壓時的橫向約束，但是PVA纖維摻量的增加也不可避免地會因為分散不均引入的內部缺陷導致增韌效果降低。雖然添加纖維，減小水膠比和合理地用粉煤灰置換水泥可以提高ECC的彈性模量，但仍然比普通混凝土小很多，這是因為混凝土彈性模量的發(fā)

圖4 不同組分摻量的拉伸、彎曲、壓縮強度和彈模
Fig.4 Strength of tensile， flexural， compressive and elastic modulus of different component contents

展主要依賴于粗骨料含量，ECC可以通過調整的水膠比和粉煤灰置換率的最佳組合獲得具有足夠強度的高韌性水泥基復合材料，這跟灰色關聯分析的優(yōu)勢分析結果基本一致。

由以上灰色關聯分析的優(yōu)勢分析及強度與彈性模量的數據分析可得，若要制備兼具較高壓縮性能及拉伸性能的ECC，推薦的最佳配合比為：粉煤灰比重1.2，水膠比0.30～0.33，PVA纖維體積摻量2.0%。

2.4 彎曲韌性評價

2.4.1p-δ曲線及分析

圖5是無缺口ECC薄板的代表性p-δ曲線圖，其大致分為三個階段：第一條裂紋前的彈性階段、應變硬化階段和應變軟化階段。由粉煤灰摻量不同對照組可以看出，在粉煤灰比重為1.2時應變軟化段下降緩慢，表現出優(yōu)異的韌性效果，且彈性模量最高(彈性階段的曲線斜率)，繼續(xù)增大粉煤灰置換率有利于多裂縫的開展，但對軟化段幾乎沒有影響。較小的水膠比能獲得較大的彈性模量，但是軟化段的延性不如0.33時的理想。增加PVA 纖維摻量可以提高第一條裂縫出現時的初裂強度和應變硬化效果，且具有一定的殘余變形量，呈現良好的韌性，在PVA纖維摻量小于1%時，達到峰值荷載后曲線發(fā)生陡降，呈現明顯脆性?？傮w來說，彈性階段主要受水膠比控制，而應變硬化和軟化段則由粉煤灰和PVA摻量共同控制，合理的粉煤灰摻量能減小PVA纖維直接與基體的水化產物的接觸，從而降低因為受基體削刮作用而產生的過高的滑移硬化效應。在第一條裂縫產生后，嵌入基體裂縫處的PVA纖維的橋接錨固效應仍起到主導作用。這與上述優(yōu)勢分析的結果一致。

圖5 薄板四點彎曲的荷載-撓度曲線
Fig.5 Load-deflection curves of four-point bending of thin plates

2.4.2 ASTM-C1018韌度指數法

根據ASTM-C1018可知，當韌性指數I5，I10，I20和I30值超過5、10、20和30時，殘余強度系數值R5,10，R10,20達到100及以上時，則該材料可被視為完美的塑性材料，而由表3顯示幾乎所有纖維摻量為2%的ECC的I5，I10，I20和I30值均超過5、10、20和30，且R5,10，R10,20甚至R20,30值均超過100，這意味著ECC材料具有很大的可塑性。

表3 ASTM-C1018韌度指數法計算結果Table 3 Results of toughness characteristics in ASTM-C1018

注：表中“-”表示該組薄板跨中撓度未達到相應開裂撓度的倍數，該數值不存在。

由表3可以明顯地看出，隨著PVA纖維體積摻量(1.0%→2.0%)的增加，ECC的韌性指數先增大后減小，在1.5%的摻量時達到最大；隨著粉煤灰質量比(0.4→4)的增加，韌性指數先減小后增大，在質量比為2.6時達到最大，這意味著纖維摻量和粉煤灰置換率對薄板抗彎韌性具有組合效應；增大水膠比(0.27→0.36)，無論是韌性指數還是殘余強度系數均呈現下降趨勢，說明在保證ECC性能的同時盡量降低水膠比有利于提高其抗彎韌性。

纖維摻量在1.5%時，I5和I10值雖然較2%分別提高了7.64%和13.02%，但是抗彎強度卻下降了57.5%，纖維摻量大不可避免的會導致纖維分散不均的問題，低纖維摻量對抗彎韌性的提升效果不明顯。粉煤灰質量比為2.6時，I5，I10和I20值較質量比為1.2時分別提高了1.81%，20.41%和12.14%，但是抗彎強度卻降低了50%，增加粉煤灰的置換率不會影響韌性指數，但是會增加第一條裂縫產生時的變形，即降低剛度。故由綜合分析法可得，當纖維摻量為1.5%，粉煤灰質量比1.2(置換率為72.22%)時，彎曲韌性及彎曲強度效果最佳。

2.4.3 德國纖維混凝土標準DBV法

表4 DBV韌度指數法計算結果Table 4 Result of toughness characteristics in DBV

3 結 論

(1)ECC的抗壓強度主要受水膠比和粉煤灰置換率影響，而彎曲強度和拉伸強度則主要受PVA纖維摻量影響，ECC的彈性模量主要受水膠比控制；

(2)本試驗合理的水膠比范圍是0.30～0.33，粉煤灰置換率54.55%左右效果最佳，PVA纖維摻量最優(yōu)為2%；

(3)基于薄板四點彎曲試驗，ECC的第一裂縫出現時的強度主要取決于水膠比的影響，而應變硬化和軟化效應主要由PVA纖維摻量主導；

(4)由ASTM-C1018韌度指數法和DBV法分析結果可得，ECC可近乎視為完美的塑性材料。