高韌性水泥基材料基本性能研究

郭 鋒，蘇 駿,2，周 翔

(1 湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068；2 湖北省橋梁安全監(jiān)控技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430068)

高韌性水泥基材料(High Toughness Cementitious Composites，簡稱HTCC)是具有應(yīng)變硬化效應(yīng)、延性好、阻裂能力強(qiáng)的新型建筑材料。與普通混凝土相比，HTCC具有抗拉強(qiáng)度高和耗能能力強(qiáng)等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景。鄧明科[1]研究了通過在剪力墻塑性鉸區(qū)域采用高延性水泥基復(fù)合材料來提高結(jié)構(gòu)的抗剪性能；胡春紅[2]對不同類型的水泥基材料試件進(jìn)行受壓性能試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)立方體試件受壓時強(qiáng)度高于圓柱體試件且變形效果較好；陳升平[3]采用改變纖維摻量和配合比來研究水泥基材料力學(xué)性能試驗，結(jié)果表明纖維摻入約提高了材料抗壓強(qiáng)度的10%；徐世烺[4]對水泥基材料進(jìn)行碳化試驗發(fā)現(xiàn)碳化深度與C40混凝土相當(dāng)，但裂縫控制均在100 μm以下。通過改性PVA纖維來增大纖維與基體之間摩擦力能夠顯著提高復(fù)合材料的力學(xué)性能[5-7]。蔡向榮[8]研究了超高韌性水泥基復(fù)合材料的拉彎性能，對其應(yīng)變硬化過程進(jìn)行理論分析并得到了相應(yīng)的理論模型。綜上可知高韌性水泥基材料可以提高結(jié)構(gòu)和構(gòu)件力學(xué)性能，研究不同摻量下其力學(xué)性質(zhì)具有極其重要的實際意義。

1 試驗概況

1.1 試件制作與配合比

本試驗所使用的高韌性水泥基材料主要組成成分為：華新水泥鄂州有限公司制造生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥(P.O42.5)、Ⅰ級粉煤灰、精細(xì)沙(最大粒徑1.30)、日本Kuraray公司生產(chǎn)的PVA纖維，聚羧酸粉末減水劑。以高韌性水泥基材料抗壓強(qiáng)度、纖維摻量、養(yǎng)護(hù)時間為設(shè)計參數(shù)，共設(shè)計5組試驗，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體。試件制作時采用后摻法以保證纖維的分散性、親水性充分發(fā)揮其阻裂增強(qiáng)增韌效果。試件采用標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)[9]。纖維基本參數(shù)如表1所示，配合比如表2所示。

表1 PVA纖維基本參數(shù)

表2 試驗材料配合比 kg/m3

1.2 抗壓試驗加載方式

高韌性水泥基材料立方體試塊抗壓強(qiáng)度試驗參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081)[10]進(jìn)行測試。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm；采用微機(jī)控制電液伺服試驗機(jī)對試件進(jìn)行均勻連續(xù)加載，峰值荷載出現(xiàn)之前采用位移控制，加載速率為0.1 mm/min，峰值荷載之后改為應(yīng)力控制，加載速率為0.3 MPa/s，直至試驗破壞。立方體抗壓強(qiáng)度按每組的結(jié)果取三個試件測定的算術(shù)平均值。

式中：fcu為高韌性水泥基材料立方體抗壓強(qiáng)度，MPa；Fmax為試驗測得峰值荷載，kN；A為立方體試塊受力面積,mm2。

1.2.1 試件破壞形態(tài)圖1是不同纖維摻量的試件破壞形態(tài)，圖2為不同纖維摻量試件的荷載位移曲線圖，觀察分析可知，相比于普通混凝土，破壞過程為：荷載加載初期，荷載成線性增加，隨著荷載的增加，試塊由底部出現(xiàn)細(xì)微裂縫，緩緩上移，直至破壞，破壞時出現(xiàn)“嘭”聲。對比摻加纖維后，基體破壞面出現(xiàn)絲狀纖維拔出，試件表面有破皮、剝落，出現(xiàn)“藕斷絲連”的狀態(tài)。相比普通混凝土試塊，高韌性水泥基材料的整體性較好，纖維在基體中發(fā)揮橋接作用，破壞時產(chǎn)生良好的延性變形。

高韌性水泥基材料受壓破壞過程與基準(zhǔn)試件(纖維摻量0)有明顯區(qū)別。試驗過程中上下加載板使得立方體試件上表面和下表面形成 “套箍”約束作用。基準(zhǔn)混凝土受壓時邊角形成斜裂縫，試件中部豎向裂縫逐漸發(fā)展為八字形，中部混凝土開始外突剝落，破壞時上下邊緣剝離，混凝土逐漸呈現(xiàn)錐字形。只有基準(zhǔn)試件破壞后碎裂成若干部分，破壞過程明顯屬于脆性破壞。

圖1 試塊破壞形態(tài)

圖2 荷載位移曲線圖

高韌性水泥基材料立方體受壓破壞過程中由于纖維的增韌、阻裂作用，基體的韌性明顯增強(qiáng)。由于纖維在混凝土中的亂象分布，當(dāng)荷載增加到破壞荷載的50%左右時，試件局部才出現(xiàn)微裂縫，隨著荷載的增加，豎向裂縫逐漸向兩端延伸，并在周圍出現(xiàn)新的斜裂縫，斜裂縫縱向延伸交叉，最后部分裂縫上下貫穿，承載力開始降低，試件發(fā)生破壞，破壞后能夠保持較好的完整性，且具備較高的殘余抗壓強(qiáng)度。高韌性水泥基材料立方體試塊隨著纖維摻量的增加，纖維的增韌和阻裂效果逐漸增強(qiáng)，纖維摻量從0.5%增加到2.0%，峰值荷載較基準(zhǔn)試件后移。試件破壞時裂縫更細(xì)密。

1.2.2 試件破壞機(jī)理分析高韌性水泥基材料受壓時內(nèi)部微裂縫沿著骨料與砂漿界面形成，當(dāng)受到應(yīng)力作用時，微裂縫開始拓展并延伸，最后形成宏觀裂縫。加入PVA纖維后，PVA纖維與混凝土接觸面結(jié)合形成錨固作用，使得材料在受到豎向荷載加載時的能量被纖維與基體間的粘結(jié)力所吸收，從而增加了整體抵抗變形的能力。PVA纖維彈性模量很高，高韌性水泥基材料內(nèi)部存在大量交錯分布的PVA纖維。纖維的存在在基體內(nèi)部構(gòu)成大量的 “短鋼筋”，加入纖維后高韌性水泥基材料初裂時會受到纖維的束縛作用，從而延緩了裂縫的延伸和發(fā)展。試件破壞過程中，塑性變形逐漸增大，從端部的裂縫中可以看到纖維拔出，裂縫增多的過程會產(chǎn)生更多纖維被拔斷，從而斷裂釋放能量。應(yīng)當(dāng)注意的是：當(dāng)纖維摻量達(dá)到2.0%時，高韌性水泥基材料立方體抗壓強(qiáng)度較1.5%時有所降低。產(chǎn)生的原因可能是當(dāng)纖維摻量過大時，基體內(nèi)的纖維結(jié)團(tuán)導(dǎo)致攪拌不均勻，材料內(nèi)部存在氣泡、空洞所引起的。受壓時由于纖維的體積增大，豎向荷載下基體內(nèi)部的細(xì)微空隙降低了密實度，從而削弱了材料的抗壓強(qiáng)度。

圖3給出不同纖維摻量與不同養(yǎng)護(hù)時間下高韌性水泥基材料的抗壓強(qiáng)度變化趨勢，實驗測得抗壓強(qiáng)度如表3所示。結(jié)果表明：

1)試件抗壓強(qiáng)度前期均隨養(yǎng)護(hù)時間的增加而增大。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間到達(dá)一定時間時，抗壓強(qiáng)度到達(dá)峰值強(qiáng)度后開始有下降趨勢。

(a)相同齡期

(b)相同摻量圖 3 高韌性水泥基材料立方體抗壓強(qiáng)度變化趨勢

表3 高韌性水泥基材料抗壓強(qiáng)度

2)對于纖維摻量不同的試件7 d養(yǎng)護(hù)時間下，PVA纖維摻量為1.5%時其抗壓強(qiáng)度最高，相比基準(zhǔn)混凝土提高20.08%；摻量為2.0%時強(qiáng)度最低，且低于基準(zhǔn)混凝土?？傮w趨勢均為養(yǎng)護(hù)時間為28 d左右時強(qiáng)度最大，當(dāng)纖維摻量越高時養(yǎng)護(hù)時間需要越久。

3)纖維摻量適當(dāng)?shù)脑黾涌梢蕴岣呋炷恋目箟簭?qiáng)度，超過一定范圍時，其抗壓強(qiáng)度會隨纖維的增加而降低。分析原因為：一方面纖維的摻入，相當(dāng)于使得基體內(nèi)部增加了大量的“鋼筋”，“鋼筋”的存在發(fā)揮了橋接作用并阻止裂縫的產(chǎn)生；另一方面，當(dāng)纖維超過一定的含量時，基體的密實度降低均勻性減小，從而降低了抗壓強(qiáng)度。

4)養(yǎng)護(hù)時間的增加可以提高纖維水泥基材料的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)纖維摻量為1.0%時，適當(dāng)養(yǎng)護(hù)超過28 d可以提高其抗壓能力；當(dāng)纖維摻量為1.5%時，養(yǎng)護(hù)時間延長其抗壓強(qiáng)度稍有降低。

2 高韌性水泥基材料抗折試驗

2.1 試驗概況

對高韌性水泥基材料棱柱體試塊抗折強(qiáng)度試驗按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081)[10]進(jìn)行測試。試驗采用微機(jī)控制電液伺服試驗機(jī)，對試件進(jìn)行均勻連續(xù)的加載，加載速率為0.05 MPa/s，直至試驗破壞。試件的尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，試件和加載裝置示意如圖4所示。

高韌性水泥基材料抗折強(qiáng)度按下式進(jìn)行計算，每組的結(jié)果取三個試件的算術(shù)平均值[11]。

式中：F為高韌性水泥基材料極限荷載,N；L為底端支座間距離,mm；b為試件截面寬度,mm；h為試件截面高度,mm。

圖4 抗折強(qiáng)度試驗示意圖

2.2 試驗結(jié)果

試驗得到不同纖維摻量的高韌性水泥基材料抗折強(qiáng)度如表4所示。

表4 高韌性水泥基材料抗折強(qiáng)度

從表4中可以看出：

1)基準(zhǔn)混凝土抗折強(qiáng)度與齡期之間近似呈線性關(guān)系，基準(zhǔn)混凝土在養(yǎng)護(hù)前期，抗折強(qiáng)度提高較快，后期變化緩慢。

2)相同養(yǎng)護(hù)齡期下,抗折強(qiáng)度隨纖維摻量的增加而增加。其中纖維摻量為1.5%時變化最顯著。當(dāng)纖維摻量為2.0%時,在養(yǎng)護(hù)時間為14 d情況下測得抗折強(qiáng)度稍低于養(yǎng)護(hù)時間為7 d的抗折強(qiáng)度。

2.3 試驗結(jié)果與分析

1)高韌性水泥基材料的抗折強(qiáng)度與纖維摻量之間關(guān)系如圖5所示。當(dāng)纖維摻量分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%時，抗折強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加，但增加速率并不相同。其中，基準(zhǔn)混凝土的抗折強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時間近似呈線性關(guān)系，養(yǎng)護(hù)時間為28 d時抗折強(qiáng)度為4.64 MPa，隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加35 d抗折強(qiáng)度為5.21 MPa。

(a)相同齡期

(b)相同摻量圖 5 不同養(yǎng)護(hù)時間下抗折強(qiáng)度趨勢

2)纖維摻量分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%時，試件在7 d養(yǎng)護(hù)下抗折強(qiáng)度相對于基準(zhǔn)混凝土提高了61.40%、76.90%、92.95%、111.26%；14 d養(yǎng)護(hù)條件下提高了52.42%、60.19%、67.47%、74.75%：28 d養(yǎng)護(hù)條件下提高了54.09%、66.81%、76.72%、104.74%；35 d養(yǎng)護(hù)條件下提高了50.67%、52.59%、83.30%、92.32%。

3)纖維摻量在0～1.5%之間時，抗折強(qiáng)度增加最為顯著。養(yǎng)護(hù)時間的增加能夠有效提高試件的抗折強(qiáng)度，分析原因可能是試件在達(dá)到荷載極限時，基體內(nèi)的纖維在裂縫處起到橋接作用，阻止了裂縫的延續(xù)，從而提高了試件的抗折性能。

3 結(jié)論

通過對5組不同養(yǎng)護(hù)齡期與纖維摻量的高韌性水泥基材料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)抗壓與抗折試驗研究，并與基準(zhǔn)混凝土試塊對比，得到相關(guān)結(jié)論如下：

1)高韌性水泥基材料內(nèi)部隨機(jī)分布的PVA纖維能夠有效束縛裂縫的發(fā)展，使得試塊抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土試塊相比能有較大的提高，破壞后裂縫細(xì)密，呈延性破壞。

2)纖維摻量的改變對高韌性水泥基材料的抗壓強(qiáng)度影響較大。在纖維摻量為0～1.5%之間時，纖維摻量的增加顯著提高基體的抗壓強(qiáng)度；當(dāng)纖維摻量超過1.5%時，基體的抗壓強(qiáng)度則有所降低。

3)高韌性水泥基材料不同纖維摻量的養(yǎng)護(hù)時間差別不大。前期抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期增加顯著，抗壓強(qiáng)度提升較大，后期緩慢。建議纖維摻量為1.0%時養(yǎng)護(hù)時間不宜過大，纖維摻量為1.0%～2.0%時適當(dāng)提高養(yǎng)護(hù)時間。

4)在摻量為0～2.0%之間時高韌性水泥基材料抗折強(qiáng)度隨纖維含量的增加而增加。

5)纖維摻量的增加和養(yǎng)護(hù)齡期對抗折強(qiáng)度的變化影響最為顯著，纖維摻量為2.0%時，養(yǎng)護(hù)齡期對抗折強(qiáng)度影響最大。