高強度高延性水泥基復合材料的彎曲性能*

吳立山，余志輝，袁 振，張 聰,2

(1.江南大學 環(huán)境與土木工程學院，江蘇 無錫 214000；2.江蘇省土木工程環(huán)境災(zāi)變與結(jié)構(gòu)可靠性重點實驗室，江蘇 徐州 221000)

0 引 言

高強度高延性水泥基復合材料(high strength high ductility cementitious composite, HSHDCC)是近年來快速發(fā)展的一種新型超高性能建筑材料。相比于傳統(tǒng)的聚乙烯醇(PVA)纖維增強高延性水泥基復合材料(PVA-engineered cementitious composite, PVA-ECC), 采用超高分子量聚乙烯(PE)纖維制備的HSHDCC抗壓強度通常不低于100 MPa且拉伸延性可達5%～10%，在結(jié)構(gòu)加固、工程抗震、結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計等方面具有更加廣泛的應(yīng)用前景[1-5]。但是，昂貴的PE纖維所導致的HSHDCC的高成本始終是限制其大規(guī)模工程應(yīng)用的主要問題。

纖維混雜化是降低HSHDCC成本的重要方法之一[6]。目前，PE纖維與鋼纖維混雜是最為常用的一種方式。但是，大量研究表明，采用鋼纖維部分取代PE纖維雖然提高了HSHDCC的抗拉強度，但是明顯劣化了HSHDCC的延性和裂縫控制能力[7-9]。究其原因，HSHDCC是基于細觀斷裂力學設(shè)計的一種具有應(yīng)變硬化和多縫開裂行為的高延性材料，在設(shè)計中需要通過纖維的有效橋聯(lián)應(yīng)力來滿足強度準則和能量準則；而相同體積的鋼纖維根數(shù)與PE纖維根數(shù)差異巨大，從而導致纖維的有效橋聯(lián)應(yīng)力不足，致使HSHDCC的硬化過程和多縫開裂過程不穩(wěn)定且不飽和，從而明顯劣化了HSHDCC的延性。張聰?shù)热饲捌诘难芯堪l(fā)現(xiàn)[10-12]，高強高彈模低成本的文石型碳酸鈣晶須對提高傳統(tǒng)PVA-ECC的性價比具有顯著的效果，利用碳酸鈣晶須部分替代價格昂貴的PVA纖維不但可以有效降低PVA-ECC的成本，同時明顯改善了材料的應(yīng)變硬化和多縫開裂行為，這為提高HSHDCC性價比提供了可借鑒的思路。

本文基于前期研究成果[10-12]，首先，通過優(yōu)化配合比制備了C120強度等級的HSHDCC材料，通過彎曲性能試驗確定了最優(yōu)配合比；其次，通過引入廉價的碳酸鈣晶須進一步優(yōu)化HSHDCC的性能，配制了新型的HSHDCC材料，研究了碳酸鈣晶須對彎曲性能的改善效果。本文的研究成果可為HSHDCC的配制與優(yōu)化提供重要的依據(jù)與參考。

1 實 驗

1.1 原材料與配合比

配制HSHDCC所用原材料包括P·Ⅱ 52.5硅酸鹽水泥(安徽海螺)、SF96級硅灰(河南鉑潤)、一級粉煤灰(河南四通)、S105級礦粉(山東蟠龍山)、精細石英砂(粒徑100～210 μm，平均粒徑150 μm)、聚羧酸高性能減水劑(蘇州弗克，減水率≥30%)、碳酸鈣晶須(上海峰竺)和PE纖維(東莞索維特)。水泥、硅灰、礦粉、粉煤灰、石英砂和碳酸鈣晶須的實測粒徑分布如圖1所示。膠凝材料的化學組成如表1所示。PE纖維和碳酸鈣晶須的形貌如圖2所示，其基本物理力學性能如表2所示。

圖2 PE纖維與碳酸鈣晶須的形貌

表1 膠凝材料的化學組成

表2 PE纖維和碳酸鈣晶須的基本物理力學性能

圖1 原材料的粒徑分布曲線

共設(shè)計了6組HSHDCC配合比，如表3所示。各組HSHDCC固定PE纖維的體積摻量為1.5%，碳酸鈣晶須根據(jù)設(shè)計需要按0.5%的體積摻量引入。

表3 試驗配合比(kg/m3)

1.2 試驗方法

采用行星式攪拌機將水泥、硅灰、礦粉、粉煤灰、碳酸鈣晶須、石英砂干拌2 min，隨后加入水和高效減水劑，攪拌2 min，最后均勻加入PE纖維，攪拌6 min，獲得新拌HSHDCC材料。新拌HSHDCC裝入100 mm×400 mm×13 mm的鋼模后放入混凝土標準養(yǎng)護箱養(yǎng)護24 h，拆模，隨后在溫度(20±2)℃、濕度95%的標準養(yǎng)護箱中繼續(xù)將試件養(yǎng)護至28 d，隨即進行彎曲性能測試。采用MTS E44電子萬能試驗機進行彎曲試驗，試驗的加載裝置如圖3所示。參照《JC/T 2461—2018 高延性纖維增強水泥基復合材料力學性能試驗方法》，彎曲試驗加載方式為位移控制，加載速率為0.5 mm/min。

圖3 彎曲試驗加載裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 水膠比對抗彎性能的影響

圖4(a)為HSHDCC-1、HSHDCC-2以及HSHDCC-3試件的代表性彎曲荷載-撓度曲線；圖4(b)為HSHDCC-1、HSHDCC-2以及HSHDCC-3試件的抗彎強度、極限撓度隨水膠比的變化關(guān)系。由圖4可以看到，各組試件的抗彎強度均高于10 MPa，是傳統(tǒng)PVA-ECC抗彎強度的2倍，且均表現(xiàn)出了不同程度的彎曲撓度硬化行為，具有較高的延性。HSHDCC的抗彎強度與水膠比近似呈負線性相關(guān)，隨著水膠比增大，HSHDCC的抗彎強度逐漸降低；相比于0.14水膠比，當水膠比提高至0.16時，HSHDCC的抗彎強度降低了31.6%。相反地，HSHDCC的極限撓度與水膠比近似呈正線性相關(guān)，隨著水膠比增大，HSHDCC的極限撓度明顯提高；相比于0.14水膠比時的15.4 mm，當水膠比增大到0.16時，HSHDCC的極限撓度提高至45.7 mm，提高了196.7%。究其原因，適當增大水膠比降低了HSHDCC的初裂強度(如圖4(a)所示)和彈性模量，使纖維的橋聯(lián)應(yīng)力始終大于材料的開裂應(yīng)力，從而保證了HSHDCC穩(wěn)定的多縫開裂；同時，較低的開裂應(yīng)力和彈性模量也保證了HSHDCC的基體斷裂韌度小于纖維的橋聯(lián)余能，從而實現(xiàn)HSHDCC穩(wěn)定的硬化行為，表現(xiàn)出更高的延性[13-15]。

圖4 試件HSHDCC-1、HSHDCC-2和HSHDCC-3的彎曲性能

圖5為試件HSHDCC-1、HSHDCC-2和HSHDCC-3的彎曲裂縫形態(tài)?？梢钥吹?，試件的裂縫形態(tài)符合圖4(a)中的荷載-撓度曲線結(jié)果，因為HSHDCC的延性在宏觀上表現(xiàn)為材料的多縫開裂程度；隨著水膠比由0.14提高至0.16，試件的裂縫根數(shù)由9條增加至45條，裂縫變得更為細密。

圖5 試件HSHDCC-1、HSHDCC-2和HSHDCC-3的彎曲裂縫形態(tài)

2.2 碳酸鈣晶須對抗彎性能的影響

圖6為0.15水膠比未摻粉煤灰的HSHDCC-2和HSHDCC-4組試件的彎曲荷載-撓度曲線，其中，HSHDCC-4混雜使用了1.5%體積摻量的PE纖維和0.5%體積摻量的碳酸鈣晶須。可以看到，引入碳酸鈣晶須并未對HSHDCC的抗彎強度產(chǎn)生明顯的劣化，但是顯著改善了材料的延性，試件的極限撓度由未摻晶須的34.1 mm提升至57.1 mm，提高了67.4%。

圖6 碳酸鈣晶須對不摻粉煤灰HSHDCC彎曲性能的影響

同樣地，對于0.16水膠比摻加了粉煤灰的HSHDCC-5和HSHDCC-6組試件，由圖7可以看到，摻入粉煤灰能夠提高HSHDCC的延性，而碳酸鈣晶須的引入可以進一步改善HSHDCC的抗彎強度和延性。究其原因，碳酸鈣晶須能夠通過晶須拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋橋聯(lián)等微觀作用機制(如圖8所示)增加砂漿基體中微裂紋的數(shù)量，進而產(chǎn)生更多的微裂源，提高裂縫的穩(wěn)定擴展能力，從而改善HSHDCC的多縫開裂能力和彎曲撓度硬化行為[16-19]。

圖7 碳酸鈣晶須對摻粉煤灰HSHDCC彎曲性能的影響

圖8 碳酸鈣晶須的微觀作用機制

圖9為0.16水膠比摻加了粉煤灰的HSHDCC-5和HSHDCC-6組試件的彎曲裂縫形態(tài)?？梢钥吹?，相比于單摻1.5%體積摻量的PE纖維，混雜使用0.5%體積摻量的碳酸鈣晶須使試件的彎曲裂縫數(shù)量增加，裂縫間距減小，多縫開裂現(xiàn)象更加明顯。

圖9 試件HSHDCC-5和HSHDCC-6的彎曲裂縫形態(tài)

3 結(jié) 論

研究了C120強度等級的HSHDCC材料的彎曲性能，并通過引入廉價的碳酸鈣晶須配制了新型的HSHDCC材料。研究了碳酸鈣晶須對新型HSHDCC材料彎曲性能的改善效果，可以得到以下結(jié)論：

(1)水膠比對HSHDCC的彎曲性能有顯著影響，HSHDCC的抗彎強度與水膠比近似呈負線性相關(guān)，而彎曲極限撓度和延性與水膠比近似呈正線性相關(guān)。

(2)HSHDCC的彎曲裂縫隨水膠比的提高而愈發(fā)飽和、細密，引入碳酸鈣晶須可以進一步改善HSHDCC的多縫開裂行為。

(3)碳酸鈣晶須通過晶須拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋橋聯(lián)等微觀作用機制改善了HSHDCC的彎曲性能，材料的撓度硬化行為更加顯著，延性提升明顯。