配合比對PVA-FRCC 長期自生收縮性能的影響

王玉清， 劉 瀟， 劉曙光， 孟蘇牙拉吐

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051）

收縮是水泥基材料的一個重要性質(zhì)，其中化學(xué)收縮與自收縮（也稱自干燥）［1］由于很難分離，故將二者合并統(tǒng)稱為自生收縮［2］.高性能水泥基材料的水膠比普遍較低，且高效減水劑的摻入使膠凝材料水化不充分，孔隙壓力大，自生收縮增加，從而使總收縮增大［3］，易在構(gòu)件中引起收縮裂縫.Zhang 等［4］指出高強混凝土的自生收縮是總收縮的重要部分，甚至是主要部分. Ma 等［5］認(rèn)為高性能混凝土的自生收縮比普通混凝土大，易導(dǎo)致構(gòu)件開裂，因此自生收縮成為限制高性能混凝土廣泛應(yīng)用的問題之一.

在高性能水泥基材料的自生收縮研究中，Saje等［6］發(fā)現(xiàn)高性能混凝土的水膠比越小，其總收縮和自生收縮越大.Ma等［5］研究發(fā)現(xiàn)高性能混凝土的自生收縮率隨碳纖維摻量增加而降低.Meng等［7］發(fā)現(xiàn)聚乙烯醇（PVA）纖維可顯著降低材料的自生收縮.水亮亮［8］研究表明摻加鋼纖維可有效降低材料的收縮量.馬一平等［9］研究了低摻量聚丙烯纖維對水泥砂漿塑性收縮率的影響，結(jié)果表明聚丙烯纖維對水泥砂漿塑性收縮率有限制作用，且纖維參數(shù)對其影響較大.施韜等［10］研究發(fā)現(xiàn)碳納米管的摻入可有效抑制水泥基材料的自生收縮.對于PVA 纖維增強水泥基復(fù)合材料（PVA-FRCC），目前對其干燥收縮［11］和總收縮［12］有一定的研究，但對其自生收縮性能的研究鮮見報道.

基于此，本文研究了PVA 纖維體積分?jǐn)?shù)（φPVA）、水膠比（mW/mB）、砂膠比（mS/mB）對PVA-FRCC 自生收縮性能的影響，以期確定其較優(yōu)配合比，并提出減縮抗裂措施，為PVA-FRCC 的后續(xù)研究及工程應(yīng)用提供參考.

1 試驗

1.1 原材料

呼和浩特市冀東水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥（C）；鄂爾多斯達(dá)茂旗煤電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰（CA）；包頭明商環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的優(yōu)質(zhì)硅灰（SF）；細(xì)骨料（S）為包頭固陽縣生產(chǎn)的粒徑為75～109 μm 精選優(yōu)質(zhì)石英精粉；纖維為日本Kuraray公司生產(chǎn)的REC15 型PVA 纖維，其參數(shù)見表1；改性聚羧酸高效減水劑（WR）為Sika Visco Crete 3301E；水泥砂漿體系高效消泡劑（D）；增稠劑（TA）主要成分為羥丙甲基纖維素.

表1 PVA 纖維參數(shù)Table 1 Parameters of PVA fiber

1.2 試件設(shè)計

本文試件不含粗骨料，故參照J(rèn)GJ/T 70-2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行設(shè)計，共設(shè)計12 組尺寸為40 mm×40 mm×160 mm 棱柱體試件，每組6個試件，其中3個試件進(jìn)行密封，用于測試自生收縮，另外3個試件不密封，用于測試總收縮，測試結(jié)果均取平均值.同時，每組制作3個70.7 mm×70.7 mm×70.7mm的立方體試件，用于測試材料28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的立方體抗壓強度fcu.試件配合比設(shè)計中，考慮滿足綜合性能較優(yōu)和高強、高應(yīng)變硬化特性2 種需求［13］，配置了高水膠比/高砂膠比（HW/HS）和低水膠比/低砂膠比（LW/LS）2 類試件.PVA-FRCC 的配合比見表2，表中：S-0-0.55-0.8（對照組）表示PVA 纖維的體積分?jǐn)?shù)為0%、水膠比為0.55、砂膠比為0.8 的PVA-FRCC 試 件，其 他 類 推；S-1.5-0.35-0.3 和S-1.5-0.25-0.3 為LW/LS 組試件，其他試件為HW/HS 組試件.

表2 PVA-FRCC 的配合比Table 2 Mix proportions of PVA-FRCC

1.3 試驗方法

收縮試驗采用SP-175型立式砂漿收縮儀，讀數(shù)儀為數(shù)顯千分表，測量精度為0.001 mm.收縮試驗方法參考JGJ/T 70-2009 進(jìn)行.所有試件養(yǎng)護(hù)至48 h 拆模，立即測量各試件的初始長度后，將需要密封的試件快速裝入塑料袋進(jìn)行真空密封，且非密封與密封試件同時放置于相同實驗室環(huán)境中（環(huán)境溫度為（20±5）℃、相對濕度為（30±10）%）.待試件分批養(yǎng)護(hù)至齡期ts=28、56、90、140 d 時，對密封試件解除密封裝置后立即進(jìn)行自生收縮（εa）測試，同時測試與其對應(yīng)的非密封試件總收縮（εt）.解除密封試件繼續(xù)放置于實驗室環(huán)境，并在解除密封后t'=1、3、5、7、14、28、56、90、140、180、270、360 d 時測試其總收縮，總收縮對應(yīng)的時間t為ts與t'之和.

2 自生收縮性能分析

2.1 PVA 纖維體積分?jǐn)?shù)對自生收縮的影響

圖1為不同PVA纖維體積分?jǐn)?shù)PVA-FRCC試件的自生收縮和自生收縮占比（自生收縮/總收縮，εa/εt）.

由圖1 可見：PVA-FRCC 的自生收縮隨齡期的增加而增大，且由于前期水化反應(yīng)劇烈，自生收縮前期增長速率快而后期增長速率慢，5 組試件28 d 的自生收縮占140 d 的63.2%～64.9%；與對照組相比，摻入PVA 纖維后，PVA-FRCC 的自生收縮和總收縮分別降低了2.5%～4.2%、9.3%～14.9%，可見PVA 纖維對降低自生收縮的作用較小，而對降低總收縮的作用較大.分析其原因，PVA 纖維對水泥基材料收縮的影響有以下幾個方面：（1）纖維分散在水泥基材料中，阻礙了水泥漿凝結(jié)硬化時的回縮，自生收縮和總收縮均減小；（2）PVA 纖維表面吸附大量的水，當(dāng)水泥基材料內(nèi)部相對濕度降低時，纖維通過釋放自身吸附的水分延緩內(nèi)部相對濕度的下降，起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，從而促進(jìn)水泥水化反應(yīng)，自生收縮增大；（3）纖維的存在使纖維與水泥基材料間形成更多孔隙，增加了水分遷移的通道，有更多水分蒸發(fā)散失，干燥收縮增大，從而使總收縮增大；（4）加入纖維后，水泥漿的有效水灰比降低，初始孔結(jié)構(gòu)細(xì)化，毛細(xì)管張力增大，宏觀收縮應(yīng)力提高，自干燥增加，自生收縮增大；同時，有效水灰比的降低使得用于水化反應(yīng)的水減少，毛細(xì)管連通性下降，阻礙了水分遷移，干燥收縮減小，總收縮減??；（5）加入纖維后，單位體積膠凝材料減少，化學(xué)收縮減小，自生收縮減小，但由于纖維體積分?jǐn)?shù)較小，故此影響較小.綜上，PVA 纖維對水泥基材料自生收縮和總收縮的正、負(fù)影響同時存在，最終表現(xiàn)為PVA 纖維對自生收縮和總收縮均有降低作用，但對降低自生收縮的作用較小，對降低總收縮的作用較大.

圖1 不同PVA 纖維體積分?jǐn)?shù)PVA-FRCC 試件的自生收縮和自生收縮/總收縮Fig.1 εa and εa/εt of PVA-FRCC specimens with different φPVA

由圖1（b）可見，試件的自生收縮占比（εa/εt）均隨著齡期的增加而增大.原因是非密封情況下，前期試件的干燥收縮與自生收縮均增長較快，但前者增長速率快于后者，且干燥收縮在總收縮中占比較高，對總收縮的影響更顯著，其快速增長引起總收縮快速增長，故初期εa/εt較??；隨著齡期的增加，雖然總收縮和自生收縮的增長速率均下降，但由于密封試件內(nèi)部水分較充足，水化作用可以在較長時間內(nèi)進(jìn)行，中后期自生收縮的增長速率快于總收縮，故εa/εt增大. 對于非密封試件，雖然還存在碳化收縮的影響，但與干燥收縮及自生收縮相比，其對總收縮影響甚微，且碳化作用對各非密封試件總收縮的影響一致，不會改變各組試件εa/εt的相對關(guān)系，故忽略其影響.相同齡期時，隨PVA 纖維體積分?jǐn)?shù)的增大，εa/εt增大，但增大幅度較小.

2.2 水膠比和砂膠比對自生收縮的影響

水膠比和砂膠比影響PVA-FRCC 中各材料占比，從而影響水化反應(yīng)量，引起化學(xué)收縮和自收縮發(fā)生改變；同時，水量改變會影響干燥收縮量，砂量的改變會使砂對水泥基材料收縮的阻礙作用發(fā)生變化［4］.不同水膠比、砂膠比PVA-FRCC 試件自生收縮和自生收縮占比（εa/εt）見圖2. 由圖2 可見：隨著齡期的增加，PVA-FRCC 試件的εa增大；LW/LS 組試件的εa和εa/εt在56～140 d 齡期時均高于HW/HS 組試件，與高性能混凝土自生收縮性能一致［14-15］，這是因為LW/LS 試件水泥用量大，水化反應(yīng)總量較大，引起的化學(xué)收縮較大，且由于水化反應(yīng)消耗水較多，毛細(xì)管作用較強，干燥收縮也較大，且LW/LS 試件砂的用量較少，其對自生收縮的阻礙作用較小.

由圖2（a）可見，當(dāng)砂膠比一定、水膠比在小范圍內(nèi)增大時，εa增大. 這是因為水膠比增大對PVA-FRCC 試件自生收縮有兩方面的影響：（1）水膠比增大，所用膠凝材料減少，水化反應(yīng)量減少，εa減?。唬?）水膠比增大，試件密實度降低，毛細(xì)管孔徑增大，且PVA 纖維的存在也使材料內(nèi)部孔隙增加，對水分?jǐn)y帶、運輸作用增強，從而使水分向反應(yīng)區(qū)遷移更加容易，同時PVA 纖維通過釋放自身吸附的水為周圍膠凝材料提供水分，提高了膠凝材料的水化程度，產(chǎn)生較大的化學(xué)收縮，當(dāng)外部水大量消耗時，毛細(xì)孔中的水分快速遷移供水泥進(jìn)行水化反應(yīng)，使自干燥增加.當(dāng)水膠比在小范圍內(nèi)變化時，第2 種作用更強，所以εa增大.這種現(xiàn)象在純水泥材料中一般不會出現(xiàn)，但會在纖維增強水泥基復(fù)合材料中出現(xiàn)，其原因在于纖維的摻入改變了材料內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變了水分運動的方式與程度，最終導(dǎo)致材料的收縮特性發(fā)生改變.另外，砂膠比一定、水膠比在小范圍內(nèi)增大時，εa在早齡期時增加幅度較大；當(dāng)砂膠比為0.8 時，隨著齡期的增加，εa的增加幅度隨水膠比增大而下降.這是因為前期水化反應(yīng)較充分，水膠比對εa的影響較大，而到了后期，水化反應(yīng)基本進(jìn)行完畢，水泥石結(jié)構(gòu)已形成，不易產(chǎn)生變形，水膠比對εa的影響下降.由于砂對水泥基材料早期收縮的限制作用，當(dāng)水膠比一定時，εa隨砂膠比的增大而減小，且早齡期時影響較大.以28 d 齡期為例，砂膠比由0.8 提高到1.1 時，水膠比為0.55、0.50、0.45 試件的εa分別下降了23.53%、16.88%、25.07%.

圖2 不同水膠比、砂膠比PVA-FRCC 試件自生收縮和自生收縮/總收縮Fig.2 εa and εa/εt of PVA-FRCC specimens with different mW/mB and mS/mB

由圖2（b）可見：LW/LS 試件的εa/εt隨齡期增加呈先增大后降低的趨勢，在28～56 d，εa有一定的增長，但總收縮增長極其緩慢；后期εa增長速率下降較快，εa/εt降低；HW/HS 試件εa/εt隨齡期的增加呈線性增大；水膠比較小的試件εa/εt隨齡期增加較快，水膠比較大的試件相反，這與文獻(xiàn)［16］結(jié)論一致.分析其原因：水膠比較小試件的內(nèi)部毛細(xì)孔隙率低、孔徑小，早期水分無法快速向反應(yīng)區(qū)遷移，導(dǎo)致反應(yīng)區(qū)水量少，膠凝材料水化程度低，故εa/εt較小；中后期，試件中水分逐漸遷移，未水化的膠凝材料在較長時間內(nèi)仍然可以緩慢吸收毛細(xì)管中的水分進(jìn)行水化反應(yīng)，后期水化反應(yīng)量較大，εa/εt較大.對于砂膠比較小的試件，其εa/εt早期相對較大、后期相對較小，砂膠比較大的試件正好相反.其原因為：早期砂膠比較大試件的單位體積膠凝材料較少，發(fā)生的化學(xué)收縮較小，且砂對材料內(nèi)部水分遷移的阻礙作用較強，自干燥較小，故εa較小，且此時材料中水泥基相的彈性模量較小，砂對水泥基相收縮變形的約束作用較強，故早期εa/εt較??；隨著齡期的增加，水泥基相的彈性模量逐漸增大，砂對收縮變形的約束作用降低，εa的增長速率較快，故εa/εt增長較快.

2.3 自生收縮與水泥基材料強度的關(guān)系

已有混凝土收縮預(yù)測模型中收縮與材料強度存在一定關(guān)系［17-19］，故本文進(jìn)行了二者之間關(guān)系的研究.圖3 為不同強度水泥基材料的自生收縮，圖中水泥基材料強度基本涵蓋了大部分實際工程的需要.由圖3 可見：相同齡期下，強度較大和較小的試件自生收縮εa較大，強度居中試件（S-1.5-0.45-1.1）的εa卻最?。辉嚰-1.5-0.25-0.3 的強度是S-1.5-0.55-0.8 的2.60 倍，但密封140 d 時εa相差較小，前者的εa僅比后者高13.00%.這是因為強度居中的試件水膠比適中，砂膠比較大，故水化反應(yīng)量適中，且較大量的砂與PVA 纖維有效地限制了其自生收縮；而強度較高的試件砂膠比較小，少量的砂無法有效限制水化反應(yīng)引起的自生收縮.

圖3 不同強度水泥基材料的自生收縮Fig.3 εa of specimens with different strength of base material

由上述試驗結(jié)果及分析可知，強度的影響歸根結(jié)底是配合比的影響.在實際應(yīng)用中，根據(jù)具體工程的需要，通過合理選擇配合比可取得較小收縮與較大強度的統(tǒng)一.

2.4 初始測試時間對自生收縮的影響

已有研究表明，低水膠比材料的收縮中自生收縮 占 比 顯 著［6，20］，而 本 文 試 驗 中εa/εt在11.97%～32.03%，雖高于普通混凝土，但總體上εa/εt較小.實際工程中，試件自然干燥收縮非常嚴(yán)重，與密封試件相比，雖然自干燥有所增加，但由于供水化反應(yīng)的水量減少，使化學(xué)收縮減少，所以自然環(huán)境中構(gòu)件εa/εt可能更低.對本試驗全過程和方法進(jìn)行分析，出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因有以下2 點：（1）本文試驗中大部分試件水膠比較高，接近普通混凝土的水膠比，所以εa/εt較?。唬?）本文試驗方法參考JGJ/T 70-2009 進(jìn)行，對收縮的測試從初凝之后2 d 開始，對前2 d 之內(nèi)發(fā)生的收縮未進(jìn)行統(tǒng)計，而最初的2 d 中材料水分充足，自生收縮發(fā)生速率最快，故對最初2 d 未進(jìn)行收縮測試也造成了本次試驗自生收縮的偏低. 然而目前不同規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對收縮初始測試時間的規(guī)定不同：GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定初始測試在拆模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d 時進(jìn)行；DL/T5150-2001《水工混凝土試驗規(guī)程》規(guī)定初始測試時間為成型后帶模養(yǎng)護(hù)2 d；JTJ E30-2001《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》規(guī)定帶模標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到3 d 時進(jìn)行初始測試；RILEM聯(lián)合會推薦標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（24±4）h 拆模后立即進(jìn)行初始測試；日本JIS-1129-2010《Methods of measurement for length change of mortar and concrete》規(guī)定試件成型后1 d 進(jìn)行初始測試；美國ASTM C157/C157M-2017《Standard test method for length change of hardened hydraulic-cement mortar and concrete》規(guī)定試件成型1 d 后拆模，浸入23 ℃飽和石灰水中，放置30 min 后測量試件初始長度［14］.各規(guī)范規(guī)定的初始測試時間普遍較晚且各不相同，導(dǎo)致試驗結(jié)果不能真實反映材料的收縮性能，使不同研究結(jié)果間無法進(jìn)行對比.高原等［3］認(rèn)為應(yīng)該將混凝土凝結(jié)時間作為其收縮測量的初始時間，此時為混凝土由流態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變點，是混凝土膨脹變形向收縮變形轉(zhuǎn)變的臨界點，此后混凝土中將產(chǎn)生收縮應(yīng)力.本文作者同意該觀點，認(rèn)為應(yīng)將水泥基材料凝結(jié)時間作為其收縮初始測試時間，這樣可測得超早期收縮應(yīng)變，從而可測得全部收縮.

3 解除密封后的總收縮發(fā)展

解除密封后試件的收縮-時間曲線見圖4.由圖4 可見：解除密封后試件的總收縮發(fā)展經(jīng)歷了3個階段，前期曲線斜率很大，說明在解除密封初期試件濕度仍較高，水分的快速蒸發(fā)導(dǎo)致大量干燥收縮發(fā)生，使總收縮增加，隨著時間的增加，收縮速率逐漸減小，最后趨于收斂；解除密封后，前期密封時間較長的試件總收縮均比非密封試件小，是因為長時間密封的試件前期水化反應(yīng)耗水量較大，解除密封后發(fā)生的干燥收縮較少，因此其總收縮較小.

圖4 解除密封后試件的總收縮-時間曲線Fig.4 εt-t curves of specimens after unsealing

由圖4 還可見，除S-1.5-0.45-1.1 試件外，HW/HS 試件在密封28 d、解除密封后60～360 d 期間的總收縮均高于非密封試件.這可能是因為：密封試件在前期密封28 d 期間，水化反應(yīng)比非密封試件更充足，產(chǎn)生了較大的自生收縮；水膠比較大時，解除密封后試件會在短時間內(nèi)產(chǎn)生較大的干燥收縮，此時若試件砂膠比不是足夠大，砂對收縮的限制作用較弱，使其總收縮增大；非密封試件一直暴露于空氣中，早期碳化作用產(chǎn)生的CaCO3沉淀物充塞于毛細(xì)孔中，給內(nèi)部水分遷移造成困難，阻礙了水分的蒸發(fā)，使干燥收縮和自干燥收縮均小于密封試件，故總收縮較小.LW/LS 的2 組試件含水量較少，在密封期內(nèi)大部分水用于水化反應(yīng)，解除密封后干燥收縮較小，故解除密封后總收縮一直遠(yuǎn)小于非密封試件，前期密封28、140 d 的S-1.5-0.35-0.3 試件在解密封360 d 時的總收縮分別是未密封試件的65.8%和62.1%.由此可見，對于水膠比較小的試件，采取前期密封養(yǎng)護(hù)會大幅減小其總收縮.實際工程中，如在早期采取覆蓋塑料膜等方法對材料進(jìn)行一定時間的養(yǎng)護(hù)，將有效減小其總收縮，從而減輕收縮裂縫，且密封28 d 與140 d對PVA-FRCC 收縮的減小作用相差不多，故實際工程中在試件澆筑完畢后覆蓋塑料膜養(yǎng)護(hù)28 d 即可達(dá)到較好的減收縮效果.

4 結(jié)論

（1）摻入PVA 纖維可降低水泥基材料的自生收縮，但幅度較小，降低程度在2.5%～4.2%；PVA 纖維對PVA-FRCC 自生收縮的影響程度小于對總收縮的影響.

（2）低水膠比/低砂膠比試件的自生收縮大于高水膠比/高砂膠比試件；當(dāng)水膠比在小范圍內(nèi)變化時，PVA-FRCC 的自生收縮隨水膠比的增大而增大，隨砂膠比增大而降低；早齡期時水膠比與砂膠比對材料自生收縮的影響較大，晚齡期時影響較小.

（3）高水膠比/高砂膠比試件自生收縮占比（εa/εt）隨齡期的增加而提高，低水膠比/低砂膠比試件εa/εt隨齡期的增加先提高后降低；水膠比較小或砂膠比較大的試件εa/εt增長速度較快，反之則較慢. 本文中PVA-FRCC 材料的自生收縮占比較小，主要原因是初始測試時間較晚.

（4）水泥基材料強度較大或較小時，其自生收縮較大，可根據(jù)具體工程的實際需要，通過合理選擇配合比可取得較小收縮與較大強度的統(tǒng)一.

（5）解除密封后，高水膠比/高砂膠比試件仍可發(fā)生較大的總收縮，低水膠比/低砂膠比試件則總收縮較小.