硅灰改性高韌性水泥基材料性能試驗(yàn)研究

李曉琴 周旭 李世華 劉國(guó)壽

摘要：工程水泥復(fù)合材料（ECC）具有良好的韌性和裂縫控制能力，可用于解決地下和水工工程中的混凝土開裂和滲漏水問題。高水灰比ECC（w/c=1.03）流動(dòng)度好，但抗?jié)B性能差，且水灰比過高使得材料坍落度大、黏聚性差，不滿足可噴射性的指標(biāo)要求。為了解決上述問題，將硅灰（SF）以不同的SF/水泥質(zhì)量比引入高水灰比ECC中，以改善其工作性能、抗?jié)B性能、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。結(jié)果表明，當(dāng)SF/水泥比為15％時(shí)，高水灰比ECC的工作性能大大提高，達(dá)到新拌材料可泵送及可噴射的指標(biāo)要求，高水灰比ECC的抗?jié)B性能提高至P8以上；掃描電鏡（SEM）和能量分散光譜儀（EDS）的觀察結(jié)果證實(shí)，添加SF使ECC的顯微組織更致密，而且還可以減少堿性物質(zhì)的產(chǎn)生，從而抑制堿集料反應(yīng)，提高耐久性。對(duì)ECC展開韌性、抗?jié)B性及工作性能（可泵送及可噴涂）研究，獲得了高韌性、高抗?jié)B、可噴可泵的ECC配合比，為其在實(shí)際工程中的推廣及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：工程水泥復(fù)合材料；高韌性；工作性能；抗?jié)B性；微觀結(jié)構(gòu)；硅灰

中圖分類號(hào)：TU528.32 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2022）06-0170-11

Emperimental study on high toughness cement-based materials modified by silica fume

LI Xiaoqin 1，ZHOU Xu 1，LI Shihua 2，LIU Guoshou 1

（1.Faculty of Civil Engineering and Mechanics，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，P.R.China；2.Yunnan Construction Investment Green High-Performance Concrete Co.，Ltd，Kunming 650500，P.R.China）

Abstract：Engineering cementitious composites（ECC）have excellent toughness and crack control ability，which can be used in underground and hydraulic engineering solving the problems of concrete cracking and leakage.ECC with high water-cement ratio（w/c=1.03）has excellent fluidity，but its impermeability is poor.Meanwhile，the high water-cement ratio also induces large slump and poor cohesiveness，leading poor sprayable abilities.In order to solve the above problems，silica fume（SF）was then introduced into ECC（w/c=1.03）with different SF/cement mass ratios to improve its workability，impermeability，microstructure and mechanical behavior.The results indicate that when SF/cement ratio was 15%，the workability of ECC with high water-cement ratio was greatly improved，which could be pumped and sprayed.At the same time，the impermeability of ECC with high water-cement ratio is improved to above P8.The scanning electron microscope（SEM）and energy dispersive spectrometer（EDS）observations confirmed that adding SF made ECC microstructures denser，but also could reduce the alkaline substances to inhibit alkali-aggregate reaction and improve durability.Through the study of toughness，impermeability and workability（pumpable and sprayable）of ECC，the mix proportion of ECC with high toughness，high impermeability，spraying and pumping was obtained，which laid afoundation for the popularization and application in practical engineering.

Keywords：engineering cementitious composites（ECC）；high toughness；workability；impermeability；microstructure；silica fume

隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，地下及水工工程建設(shè)數(shù)量日益增加。截至2018年底，運(yùn)營(yíng)鐵路、公路隧道總長(zhǎng)分別為16331[1]、17236 km[2]，5級(jí)及以上江河堤防總長(zhǎng)為306000 km[3]。由于混凝土抗拉強(qiáng)度低、韌性差等缺點(diǎn)，地下及水工工程結(jié)構(gòu)廣泛出現(xiàn)開裂、變形和滲漏水等病害[4-5]。工程水泥復(fù)合材料（Engineering Cementitious Composites，ECC）是一種亂向分布聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol Fiber，PVA）纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，具有良好的變形能力及裂縫控制能力。在拉伸作用下，ECC可表現(xiàn)出較好的延展性和應(yīng)變硬化性能，其極限拉伸應(yīng)變可達(dá)到3%及以上；ECC多縫開裂的特征可使材料在達(dá)到極限拉伸應(yīng)變之前維持裂縫寬度在60～80 μm范圍以內(nèi)[5-6]，而服役期混凝土材料裂縫寬度范圍一般在0.3～0.4 mm[7]。因此，具備高韌性和良好裂縫控制能力的ECC可用于解決此類工程問題。Li等[8]基于現(xiàn)有的ECC配合比及材性研究結(jié)果，以極限拉伸應(yīng)變?yōu)樵O(shè)計(jì)目標(biāo)，運(yùn)用UDEM-ACE方法進(jìn)行了ECC配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究，得到極限拉伸應(yīng)變超過3%的ECC優(yōu)化配合比范圍，并完成了試驗(yàn)驗(yàn)證。

對(duì)于地下和水利工程中所使用的水泥基材料，通常要求材料抗?jié)B等級(jí)不低于P8（滲透系數(shù)K為2.610×10-11m/s）[9]。而僅有部分學(xué)者對(duì)ECC的抗?jié)B性能進(jìn)行過研究。Li等[10]研究了在纖維體積摻量為2%、粉煤灰/水泥為1.2、砂膠比為0.80、水灰比為0.55的配合比下ECC裂縫與滲透性之間的關(guān)系，未加載時(shí)，其滲透系數(shù)為0.818×10-11 m/s；當(dāng)拉伸應(yīng)變達(dá)到1.5％時(shí)，其滲透系數(shù)為19.5×10-11m/s。與相同變形條件下的增強(qiáng)砂漿相比，其滲透系數(shù)低6個(gè)數(shù)量級(jí)，表明即使在開裂狀態(tài)下，ECC仍可保持與未破裂的混凝土或砂漿相似的滲透性。李慶華等[11]對(duì)ECC材料預(yù)施加拉伸荷載，研究了其在帶裂縫工作狀態(tài)下的水滲透性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，ECC在裂縫寬度為40～70 μm的狀態(tài)下仍然具有較好的抗?jié)B性能，但未明確給出該ECC的配合比，也沒有指出各裂縫寬度下ECC的抗?jié)B等級(jí)。Zhang等[12]通過改變纖維摻量來探究水泥基材料的抗?jié)B性，結(jié)果表明，纖維體積分?jǐn)?shù)由0.6%增加至1.2%，水的滲透高度從8.7 mm降至7.0 mm，抗?jié)B性能大約提高20%，滿足一般水泥基材料應(yīng)用于地下工程中所要求的抗?jié)B等級(jí)P8[9]。但以上研究[10-12]并未針對(duì)抗?jié)B型ECC的配合比展開全面的試驗(yàn)研究，且研究中所采用的水灰比均較低，水灰比過低可能會(huì)導(dǎo)致其工作性能不滿足或影響實(shí)際工程的施工操作，導(dǎo)致ECC在地下及水工工程中使用及推廣困難。在地下及水工工程應(yīng)用中，一般采用噴射水泥基材料對(duì)現(xiàn)有隧道襯砌、壩體進(jìn)行裂縫及表面修復(fù)；在新建結(jié)構(gòu)中，一般采用現(xiàn)澆（即泵送或噴射）的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)修筑[13]。因此，應(yīng)用于此類工程的ECC還需具備良好的可泵送性或可噴射性。

首先，新拌水泥基材料的可泵送性與流動(dòng)度和黏聚性兩項(xiàng)工作性能指標(biāo)有關(guān)，要求材料的流動(dòng)度大，黏聚性小。由于ECC不含粗骨料，僅有細(xì)砂作為細(xì)骨料，水泥作為主要膠凝材料，與水泥砂漿的骨料及膠凝材料成分相似，導(dǎo)致新拌材料的流動(dòng)性能與水泥砂漿接近。盡管其流動(dòng)度可參考水泥砂漿跳桌流動(dòng)度值[14]來評(píng)價(jià)，然而其操作復(fù)雜，對(duì)設(shè)備的要求高。目前，對(duì)于新拌水泥基材料，混凝土泵送技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[15]采用坍落度值作為可泵送、可噴射的流動(dòng)度評(píng)判指標(biāo)。相對(duì)而言，坍落度試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，可在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)操作，且可信度高，能直觀反映水泥基材料的流動(dòng)性。因此，筆者擬采用新拌材料坍落度評(píng)價(jià)流動(dòng)度，要求可泵送新拌材料坍落度值控制在100～220 mm[15-16]。

再者，目前尚未有專門針對(duì)ECC黏聚性的研究，而針對(duì)同為水泥基材料的混凝土黏聚性的試驗(yàn)室評(píng)價(jià)指標(biāo)為新拌材料的坍落擴(kuò)展度值和倒坍時(shí)間，泵送性良好的水泥基材料黏聚性要求坍落擴(kuò)展度值為400～600 mm，倒坍時(shí)間為4～10 s[17-18]。

最后，可噴射性要求新拌材料在泵送噴射后有掛壁不易流下的能力（噴敷性）。噴敷性隨流動(dòng)度的增大而降低，隨黏聚性的增大而增大，因此，可噴射施工的ECC需保持流動(dòng)度和黏聚性之間的平衡[19]。可噴射新拌材料的坍落度值宜控制在100～200 mm[20-21]。但現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)[17]未對(duì)可噴射施工混凝土坍落擴(kuò)展度及倒坍時(shí)間作出明確的規(guī)定。

基于非參數(shù)回歸分析得到的以ECC極限拉伸應(yīng)變超過3%為設(shè)計(jì)目標(biāo)的配合比范圍[8]內(nèi)抽樣進(jìn)行試驗(yàn)研究[22]的結(jié)果表明，低水灰比ECC（w/c=0.57）表現(xiàn)出高抗?jié)B性，滿足一般應(yīng)用于地下及水工結(jié)構(gòu)的抗?jié)B等級(jí)P8，但其坍落度僅為96 mm，在實(shí)際工程中，受施工干擾因素等影響，一般要求泵送型水泥基材料的坍落度大于140 mm[22]，96 mm遠(yuǎn)低于新拌水泥基材料可泵送或可噴射的坍落度指標(biāo)。盡管研究表明，摻加粉煤灰[23]及高效減水劑[24]可有效改善水泥基材料的工作性能，粉煤灰對(duì)新拌材料流動(dòng)度的改善具體表現(xiàn)為隨粉煤灰摻量的增多而增大，隨粉煤灰粒徑的減小而增大[23]；同時(shí)，高效減水劑含量增加可提高新拌水泥基材料初始流動(dòng)度，通常建議摻量為0.15%～0.2%[24]。而研究中，低水灰比ECC（w/c=0.57）配合比中粉煤灰摻量為膠凝材料質(zhì)量的55%[8]，已超過普通粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)[25]所規(guī)定的粉煤灰摻量占膠凝材料質(zhì)量45%的限值；同時(shí)，試驗(yàn)采用的I級(jí)粉煤灰在各等級(jí)粉煤灰中粒徑最小，已不能再進(jìn)行改良；且配合比中高效減水劑摻量已達(dá)0.3%[8]，超過普通粉煤灰混凝土材料建議最大摻量0.2%[24]。因此，低水灰比ECC（w/c=0.57）雖具備一定的抗?jié)B能力，但其流動(dòng)度難以輕易地改善至達(dá)到實(shí)際工程中新拌材料對(duì)可泵送性、可噴射性的要求[8，22]。而高水灰比（w/c=1.03）的ECC試件完全滲透，抗?jié)B性極差，但其坍落度為218 mm，在可泵送坍落度值范圍以內(nèi)（100～220 mm）[15-16]，流動(dòng)度良好。研究表明，適度添加火山灰等微粒徑填充材料可降低新拌水泥基材料的流動(dòng)度并增大其黏聚性，使其可泵送性與可噴射性達(dá)到平衡，并有效降低孔隙率，提高抗?jié)B性[19，26]。

筆者通過在具有良好韌性的高水灰比ECC（w/c=1.03）配合比中添加適當(dāng)外加劑，對(duì)其進(jìn)行較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，得到同時(shí)具有高韌性、抗?jié)B性及具備可泵送、可噴射工作性能的ECC；使其可應(yīng)用于地下及水工工程中的泵送及噴射施工。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 外加劑種類及摻量確定

為解決高水灰比ECC（w/c=1.03）[27]抗?jié)B性差這一短板，調(diào)研發(fā)現(xiàn)，通過改變纖維品種[28]、摻偏高嶺土[29]或粉煤灰[30]及摻硅灰[12]等方法可以提高其抗?jié)B性。其中，改變纖維品種需重新評(píng)估材料的韌性；在等摻硅灰和偏高嶺土的情況下，硅灰降低水泥基材料孔隙率的效果更為明顯[31]；硅灰粒徑小于粉煤灰，對(duì)孔隙的填充作用更明顯[32]。因此，選擇添加硅灰以提高水泥基材料的抗?jié)B性能。

研究表明，摻硅灰可降低新拌材料的流動(dòng)性，解決高水灰比ECC因流動(dòng)度過大而不具有噴敷性的問題[19，26，32]，但過量硅灰會(huì)導(dǎo)致水泥基體變脆，影響韌性指標(biāo)[33-34]。硅灰對(duì)ECC的抗?jié)B性能、力學(xué)性能和工作性能影響顯著，Nochaiya等[32]指出，當(dāng)水灰比為0.7、硅灰摻量為水泥用量的13%時(shí)，新拌材料流動(dòng)度良好，混凝土力學(xué)性能顯著增強(qiáng)。Shekarchi等[35]得出，在水灰比為0.5、硅灰摻量為水泥用量的14%時(shí)，混凝土抗?jié)B性最佳，同時(shí)，考慮到硅灰對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，得到硅灰最適摻量范圍為8%～14%。Yun等[19]得出，在水灰比為0.55、硅灰摻量為水泥用量的9%時(shí)，新拌混凝土的泵送性及可噴射性都有所提高。Beaupre[26]提出，硅灰對(duì)新拌混凝土可泵送性及可噴射性具有積極作用的最適摻量范圍為10%～15%。綜上可知，當(dāng)水泥基材料水灰比在0.5～0.7之間時(shí)，硅灰降低混凝土材料的孔隙率、提高其抗?jié)B性能、改善其力學(xué)性能及工作性能的最適摻量范圍為8%～15%。

鑒于采用的ECC水灰比為1.03，高于已有研究[19，32，35]中水泥基材料的水灰比，因此，需在硅灰摻量為水泥用量的8%～15%基礎(chǔ)上適當(dāng)增加其摻量，進(jìn)行各配合比試拌，測(cè)試其流動(dòng)度，判斷拌合物狀態(tài)，最終確定硅灰摻量范圍為10%～20%。試驗(yàn)中具體的硅灰摻量分別為水泥質(zhì)量的10%、15%、20%，同時(shí)，設(shè)置試驗(yàn)對(duì)照組硅灰摻量為0。

1.2 試驗(yàn)原材料及配合比

試驗(yàn)原材料：P.O.42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料采用標(biāo)準(zhǔn)石英砂，細(xì)度模數(shù)為2.9；I級(jí)粉煤灰，來自昆明環(huán)恒粉煤灰有限責(zé)任公司；纖維采用日本Kuraray公司的PVA纖維；固含量為30.85%的聚羧酸型高效減水劑；SiO 2含量為94%的硅灰。結(jié)合上述分析，試驗(yàn)各組別的編號(hào)及配合比見表1。

1.3 ECC制備工藝

ECC材料中，硅灰、粉煤灰及纖維的分布對(duì)其流動(dòng)度和滲透性有很大影響，為使新拌ECC材料成分均勻，采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌，首先將水泥、石英砂、粉煤灰、硅灰投入攪拌機(jī)中干拌3～5 min；然后均勻加入人工預(yù)先分散好的PVA纖維，再攪拌9～12 min；最后將減水劑和水充分混合后倒入攪拌機(jī)中攪拌9～12 min，即可得到均勻的新拌ECC混合物。

2 試驗(yàn)研究

2.1 工作性能試驗(yàn)

新拌ECC材料的工作性能，如可泵送性及可噴射性主要通過坍落度、坍落擴(kuò)展度法及倒坍時(shí)間來評(píng)定，根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080—2016）[17]進(jìn)行測(cè)定。新拌ECC的可泵送性及可噴射性由流動(dòng)度及黏聚性決定，研究指出[36]，新拌材料黏聚性較小、流動(dòng)度良好，配合比的S L/S t值約為0.450。新拌ECC工作性能的各評(píng)價(jià)指標(biāo)見表2。

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

采用邊長(zhǎng)為100 mm的正方體試件進(jìn)行軸心壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)加載過程采用荷載控制，速率恒定為0.6 kN/s。采用長(zhǎng)度330 mm、厚度15 mm、邊部寬60 mm、中部寬30 mm的啞鈴型薄板試件[7]進(jìn)行軸心拉伸試驗(yàn)，試件測(cè)試段放置測(cè)量標(biāo)距為5 mm、精度達(dá)到±0.025 mm的引伸計(jì)測(cè)量拉伸變形，試驗(yàn)加載過程采用位移控制，速率恒定為0.15 mm/min，加載至ECC試件破壞。

2.3 抗?jié)B性能試驗(yàn)

水泥基材料抗?jié)B試驗(yàn)方法有氯離子擴(kuò)散系數(shù)法和水滲透法[37]。水滲透法對(duì)設(shè)備要求較低、可操作性強(qiáng)，能直觀地從試驗(yàn)結(jié)果觀察到材料的滲透能力。因此，選用水滲透法，試驗(yàn)裝置見圖1。ECC抗?jié)B試驗(yàn)的試件為175 mm×150 mm×185 mm的截錐樣式。依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）[37]進(jìn)行試驗(yàn)，滲透試驗(yàn)完成后取出試件，將其沿壓力試驗(yàn)機(jī)的縱截面分成兩半，繪制截面上的滲水輪廓線，并將試件底部十等分，對(duì)應(yīng)等分點(diǎn)滲水高度的平均值作為該試件的滲水高度，平均滲透系數(shù)K按式（1）計(jì)算。

式中：D m為平均滲水高度，m；H為水壓力，以水柱高度表示，m；T為恒壓時(shí)間，s；a為吸水率，一般取0.03。以一組4個(gè)試件測(cè)值的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

2.4 微觀試驗(yàn)

采用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）進(jìn)行微觀試驗(yàn)，對(duì)各組別ECC纖維分布均勻部位進(jìn)行取樣，樣品尺寸約為4 mm×3 mm×2 mm。掃描各組別ECC中纖維與水泥基體連接處的情況及其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)、孔隙大小及分布情況。為進(jìn)一步分析ECC內(nèi)部元素變化情況，采用能量分散光譜儀（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）進(jìn)行分析試驗(yàn)，該試驗(yàn)在SEM掃描的同時(shí)即可完成，無需再次制樣。分析ECC內(nèi)部化學(xué)組分含量，結(jié)合以上各試驗(yàn)結(jié)果，分析得到硅灰最適摻量范圍。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 工作性能試驗(yàn)

各組ECC工作性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見表3。由表3可知，E-0組各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，坍落度S L為218 mm，超過可泵送及可噴射水泥基材料S L最大限值200 mm。在摻入硅灰組別中，E-20組的坍落擴(kuò)展度S t僅為387 mm，不滿足材料可泵送及可噴射的要求；E-10、E-15組的坍落度S L、坍落擴(kuò)展度S t及倒坍時(shí)間t均滿足新拌材料可泵送及可噴射的評(píng)價(jià)指標(biāo)要求，同時(shí)，E-15組的S L/S t值為0.432，更接近0.450。即硅灰摻量為15%時(shí)，滿足各項(xiàng)新拌材料可泵送及可噴射的評(píng)價(jià)指標(biāo)要求。這是由于硅灰顆粒極細(xì)，會(huì)在拌合物表面產(chǎn)生一層潤(rùn)滑層，導(dǎo)致其泵送阻力減小，對(duì)可泵送性產(chǎn)生積極作用[19，26]；同時(shí)使新拌材料黏聚性增大，對(duì)其噴敷性產(chǎn)生有利影響，增大一次性噴射成型的厚度，維持了高水灰比ECC可泵送性與可噴射性的平衡關(guān)系[19]。

3.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

每組配合比采用5個(gè)試件進(jìn)行軸心抗壓試驗(yàn)，各組5個(gè)試件的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差δ 0均控制在1～2MPa以內(nèi)。因此，可將各組ECC的抗壓強(qiáng)度平均值作為28 d軸心抗壓強(qiáng)度。ECC試件28 d軸心抗壓強(qiáng)度與硅灰摻量的擬合關(guān)系見圖2。

由圖2可知，通過曲線擬合得到的ECC抗壓強(qiáng)度與硅灰摻量之間呈非線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.9713，具有較好的擬合效果，表明隨著硅灰摻量的增加，ECC抗壓強(qiáng)度逐漸增大。E-10、E-15、E-20組抗壓強(qiáng)度為37.85、38.42、38.63 MPa，相對(duì)于E-0組（34.23 MPa）增大11%、12%、13%?？梢?，隨著硅灰含量的增加，ECC的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)有所減緩。在水泥含量不變的情況下，硅灰含量增加，水泥的量或不足以與過多的硅灰發(fā)生二次水化反應(yīng)，剩余的硅灰顆粒僅起到物理填充作用，并不能通過二次水化反應(yīng)生成高密度的凝膠反應(yīng)物來大幅度提高ECC的強(qiáng)度[30-31]，從而導(dǎo)致隨著硅灰含量的增加，抗壓強(qiáng)度的差距較小，且增幅不明顯。由于硅灰的“填充效應(yīng)”及“火山灰效應(yīng)”使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)更密實(shí)，從而使得ECC抗壓強(qiáng)度有所增大。

每組配合比采用5個(gè)試件進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，各組5個(gè)試件的峰值拉伸應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差δ 1均控制在0.32～0.62 MPa以內(nèi)。因此，各組ECC的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線由5個(gè)試件所對(duì)應(yīng)的拉伸曲線算數(shù)平均值構(gòu)成。ECC試件單軸拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線見圖3。ECC的拉伸初裂荷載、極限拉伸應(yīng)變隨硅灰摻量的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)（詳見圖3（a））。各組的極限拉伸應(yīng)變分別為3.48%、3.62%、3.82%，相對(duì)于E-0組（3.07%）提高了13%、18%、25%。由于硅灰填充纖維與基體之間的通道，增加了纖維與基體的黏合強(qiáng)度，從而使材料有了抗拉強(qiáng)度及更高的韌性。摻硅灰后ECC強(qiáng)度增幅稍緩是由于在本配合比中粉煤灰摻量較高，而硅灰的最大摻量?jī)H為水泥含量的0.20；在水化反應(yīng)初期，由于粉煤灰活性低于水泥，粉煤灰的火山灰反應(yīng)過程發(fā)生得非常緩慢，導(dǎo)致系統(tǒng)的總體水化程度降低，粉煤灰摻量越高，越明顯，此時(shí)的粉煤灰主要起填充作用；同時(shí)，ECC本身水灰比較高，導(dǎo)致基體結(jié)構(gòu)密實(shí)性稍差，ECC強(qiáng)度增幅稍緩。但摻硅灰后ECC的力學(xué)性能均得到較大提升。

在拉伸試驗(yàn)過程中，ECC出現(xiàn)應(yīng)變—硬化及多縫開裂現(xiàn)象，如圖3（b）所示。在應(yīng)力—應(yīng)變曲線上，拉伸應(yīng)變?yōu)?.02%～1.5%時(shí)對(duì)應(yīng)所得ECC的穩(wěn)定應(yīng)變—硬化階段，拉伸應(yīng)變?yōu)?.5%～3.8%時(shí)對(duì)應(yīng)的是應(yīng)變—硬化下降段。而Li[6]得到穩(wěn)定應(yīng)變—硬化階段對(duì)應(yīng)拉伸應(yīng)變的范圍為0.01%～4.5%，即文獻(xiàn)[6]中測(cè)量得到的韌性較好的ECC穩(wěn)定應(yīng)變—硬化階段所對(duì)應(yīng)的拉伸應(yīng)變范圍高于本研究測(cè)量值。僅根據(jù)圖3（a）中曲線可知，研究得到的穩(wěn)定應(yīng)變—硬化階段最大拉伸應(yīng)變?yōu)?.5%，表現(xiàn)為“拉伸軟化點(diǎn)”較早出現(xiàn)，穩(wěn)定應(yīng)變—硬化階段較早結(jié)束。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因?yàn)椋ㄔ斠妶D3（c））：本研究與文獻(xiàn)[6]所用試件均為300 mm啞鈴型拉伸試塊，但筆者采用的試塊拉伸試件測(cè)量段標(biāo)距僅為50 mm，而文獻(xiàn)[6]測(cè)量段的標(biāo)距達(dá)到100 mm；同時(shí)，本研究中啞鈴型拉伸試塊的夾具段和測(cè)試段之間等腰梯形過渡段的坡度為0.27，而文獻(xiàn)[6]的試塊過渡段坡度為0.50，表明本研究試塊的過渡段比文獻(xiàn)[6]平緩得多。因此，當(dāng)且僅當(dāng)水泥基材料ECC的理想材料勻質(zhì)假定完全成立的情況下，本研究50 mm測(cè)試段所測(cè)得的應(yīng)力—應(yīng)變曲線才與文獻(xiàn)[6]中100 mm測(cè)試段具有可比性；由于本研究試塊過渡段比文獻(xiàn)[6]平緩得多，試驗(yàn)過程中不能排除多縫開裂現(xiàn)象產(chǎn)生在測(cè)量標(biāo)距50 mm之外的過渡段部位的可能，如圖3（b）所示。引伸計(jì)不能測(cè)得標(biāo)距以外的多縫開裂、應(yīng)變硬化現(xiàn)象，導(dǎo)致ECC“拉伸軟化點(diǎn)”相對(duì)較早出現(xiàn)，穩(wěn)定應(yīng)變—硬化階段較早結(jié)束。再者，應(yīng)變—硬化下降段相對(duì)于文獻(xiàn)[6]中趨勢(shì)更為平緩，ECC的應(yīng)變—硬化下降段范圍約為文獻(xiàn)[6]試塊的8倍，表明試件并不是在穩(wěn)定應(yīng)變—硬化階段結(jié)束后直接被拉斷，且裂縫并不是迅速擴(kuò)展，而是ECC達(dá)到穩(wěn)定應(yīng)變—硬化階段的拉伸應(yīng)變后，纖維并未被拉斷，其對(duì)基體的“橋接作用”進(jìn)一步加強(qiáng)，可在一定程度上抑制裂縫擴(kuò)展，試件多縫開裂繼續(xù)開展，使得應(yīng)變—硬化行為進(jìn)一步開展，直至試件被拉斷。目前現(xiàn)有的測(cè)試水泥基材料應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的試驗(yàn)均是基于某一試塊類型，而尚未有人提出ECC材料試塊標(biāo)準(zhǔn)，采用標(biāo)距50 mm進(jìn)行拉伸試驗(yàn)并不影響同組別內(nèi)拉伸應(yīng)力—應(yīng)變指標(biāo)的分析與對(duì)比。因此，為了更精確地表征ECC的整個(gè)應(yīng)變—硬化過程，不排除纖維的增韌作用，筆者擬采用的ECC極限拉伸應(yīng)變?yōu)楹奢d下降至峰值荷載的10%以內(nèi)時(shí)應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值。

3.3 抗?jié)B試驗(yàn)

3.3.1 ECC抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果及分析 ECC抗?jié)B試驗(yàn)相關(guān)結(jié)果見表4。各組ECC的滲透系數(shù)K與硅灰摻量的擬合關(guān)系見圖4。由表4的試驗(yàn)結(jié)果可知，摻硅灰組別試件滲透系數(shù)K均低于規(guī)范值2.610×10-11m/s，表明硅灰可使高水灰比ECC達(dá)到抗?jié)B要求P8[9]，平均滲透系數(shù)K最大降低為E-0組別的48％。由圖4、圖5可知，隨硅灰摻量的增加，試件平均滲水高度及滲透系數(shù)均呈線性減小趨勢(shì)，硅灰摻量與抗?jié)B性呈正比關(guān)系，兩者擬合相關(guān)系數(shù)R 2為0.9922，具有良好的相關(guān)性。由于硅灰摻量分別為0、10%、15%及20%，為便于分析得到硅灰摻量對(duì)抗?jié)B性能的影響，現(xiàn)將硅灰摻量大致分為0～10%、10%～15%、15%～20%3個(gè)階段，平均滲水高度和滲透系數(shù)在3個(gè)階段的降低值與硅灰摻量增加值的比例分別為2.09、2.56、1.6和0.083、0.089、0.051，不難看出，在這3個(gè)階段中，10%～15%階段兩個(gè)指標(biāo)的降低速率最為顯著。由于硅灰的“填充效應(yīng)”及參與二次水化反應(yīng)生成凝膠物質(zhì)，使?jié)B流通道延長(zhǎng)、曲折度增加，增大了水在孔隙中的流動(dòng)難度。所以，添加硅灰可顯著提升高水灰比ECC的抗?jié)B性。

為進(jìn)一步得到硅灰最適摻量，擬采用箱形圖及標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)各組滲透高度數(shù)據(jù)進(jìn)行離散程度分析，如圖5所示。因E-0組幾乎滲透完全，此處不對(duì)該組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由圖5可知，在E-15、E-20組中，箱形圖表現(xiàn)出的平均值接近中位線，較E-10組數(shù)據(jù)分布更加良好，且在E-10組中滲水高度出現(xiàn)較多異常值；在E-15組中，數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)差最小，中位線和滲水高度平均值幾乎均分箱形圖方盒，表明該組滲透數(shù)據(jù)離散程度小且更接近于正態(tài)分布；且相對(duì)于其他組別，下四分位滲水高度較上四分位分布更為密集，即低的滲透高度數(shù)據(jù)分布范圍較其余組別更為集中，表明15%硅灰摻量對(duì)ECC抗?jié)B性改善明顯。

3.3.2 摻硅灰ECC抗壓強(qiáng)度與滲透性的關(guān)系 摻硅灰ECC抗壓強(qiáng)度與滲透性的關(guān)系見圖6。由圖6（a）可知，隨硅灰摻量的增加，ECC抗壓強(qiáng)度增大，其平均滲水高度、滲透系數(shù)均降低?？箟簭?qiáng)度在硅灰摻量為0～10%時(shí)增長(zhǎng)最為顯著，而平均滲水高度、滲透系數(shù)在硅灰摻量為10%～15%時(shí)降低趨勢(shì)最為顯著，表明抗壓強(qiáng)度與滲透性并不具備良好的對(duì)應(yīng)性。為進(jìn)一步探究摻硅灰ECC抗壓強(qiáng)度與滲透性的關(guān)系，將其擬合成如圖6（b）中所示的非線性關(guān)系，兩者相關(guān)系數(shù)R 2為0.9979、0.9968，均接近1，表明擬合程度接近兩者的實(shí)際關(guān)系。說明摻硅灰ECC抗壓強(qiáng)度與滲透性之間呈非線性關(guān)系，并不同于普通混凝土滲透性隨抗壓強(qiáng)度的增加而線性降低[38]。

3.4 微觀試驗(yàn)

3.4.1 電鏡掃描和成分分析 試驗(yàn)得到的E-0、E-10組微觀結(jié)構(gòu)示意圖見圖7、圖8。由圖7、圖8可知，E-0組中纖維與水泥基體之間形成較大的通道，且結(jié)構(gòu)相對(duì)較疏松，有較多的裂隙產(chǎn)生；界面存在層狀氫氧化鈣（Ca（OH）2）晶體，與水泥基結(jié)合不緊密，同時(shí)產(chǎn)物自身結(jié)構(gòu)疏松，裂隙及孔隙較為明顯；

摻硅灰后，E-10組中纖維與水泥石基體之間通道細(xì)化，水化產(chǎn)物顯微結(jié)構(gòu)中Ca（OH）2晶體明顯減少，以凝膠狀物質(zhì)水化硅酸鈣（C-S-H）為主體，同時(shí)還可觀察到固化28 d未反應(yīng)完全的SF顆粒附著在水泥基體上，使得整個(gè)基質(zhì)的結(jié)構(gòu)更加致密，ECC的抗?jié)B性及力學(xué)性能得到提高[32]。下面通過EDS能譜進(jìn)一步分析摻入硅灰后ECC中物質(zhì)、元素的變化情況。

3.4.2 EDS能譜成分分析 進(jìn)行EDS能譜試驗(yàn)，得到的各組ECC中所含各元素質(zhì)量百分比見表5，定義鈣硅比（Ca/Si）為ECC材料中鈣質(zhì)材料CaO、Ca（OH）2和硅質(zhì)材料SiO 2化學(xué)成分中的Ca、Si元素量之比，Ca/Si值隨硅灰摻量的變化情況見圖9。由圖9及表5可知：

1）隨著硅灰摻量的增加，Si元素含量呈遞增趨勢(shì)，由于ECC組成原材料中水泥的含量不變，使得其自身水化反應(yīng)產(chǎn)生的Ca（OH）2量幾乎不變，則基體中游離Ca元素含量為定值。在硅灰的火山灰反應(yīng)中，整個(gè)過程可以描述為反應(yīng)方程式：SiO 2+Ca（OH）2+H 2 O→C-S-H。由于硅灰的活性較高，在Ca元素幾乎為定量的情況下，隨著硅灰的摻加，Ca（OH）2逐漸被消耗，轉(zhuǎn)而生成凝膠物質(zhì)C-S-H，導(dǎo)致基體中的游離Ca元素含量不斷減小，而硅灰并不能完全參加反應(yīng)，水化反應(yīng)剩余或未參加反應(yīng)的硅灰顆粒將對(duì)孔隙進(jìn)行填充，從而提高ECC的抗?jié)B性能和力學(xué)性能。

2）在上述反應(yīng)過程中，消耗了大量OH-離子，降低了ECC基體中OH-的含量，同時(shí)，C-S-H呈現(xiàn)很強(qiáng)的吸收堿的能力，從而使水泥砂漿中的堿含量進(jìn)一步降低，表明硅灰可在一定程度上抑制堿集料反應(yīng)，提高材料耐久性。

3）由Ca/Si值變化圖可得到硅灰的最適摻量，Ca/Si隨硅灰摻量的增加呈減小趨勢(shì)。這是因?yàn)楣杌业幕鹕交曳磻?yīng)在生成凝膠產(chǎn)物C-S-H的同時(shí)會(huì)消耗Ca、Si元素，當(dāng)硅灰摻量超過15%后，其減小趨勢(shì)變緩尤為明顯。

在水泥含量一定的情況下，水化反應(yīng)產(chǎn)生Ca（OH）2的量不變，硅灰含量的增加導(dǎo)致其與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2的火山灰反應(yīng)不能完全進(jìn)行，達(dá)到飽和態(tài)；同時(shí)，火山灰反應(yīng)會(huì)生成大量水化產(chǎn)物C-S-H，該過程不僅消耗大量水分，C-S-H的凝膠孔也會(huì)吸附部分水分，使得基體內(nèi)部相對(duì)濕度迅速下降，導(dǎo)致硅灰的火山灰反應(yīng)不能進(jìn)一步進(jìn)行[31]。因此，當(dāng)硅灰超過最適含量后，Ca/Si值的減小趨勢(shì)會(huì)有所降緩。由此表明，該配合比下硅灰的最適摻量約為15%。

4 結(jié)論

1）摻加硅灰可改善高水灰比ECC（w/c=1.03）的工作性能。硅灰摻量為15%時(shí)，新拌ECC滿足可泵送及可噴射的要求。同時(shí)，硅灰摻量10%～15%是改善高水灰比ECC工作性能的最適摻量。

2）隨著硅灰摻量的增加，其28 d軸心抗壓強(qiáng)度、極限拉伸應(yīng)變逐漸增大?？梢姡杌铱商岣逧CC的力學(xué)性能，使得韌性良好的ECC進(jìn)一步提高其韌性。

3）摻加硅灰顯著提高了高水灰比ECC的抗?jié)B性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，摻硅灰組別試件的抗?jié)B等級(jí)均達(dá)到國(guó)家水工結(jié)構(gòu)防滲要求P8，滲透系數(shù)最大降低到約為E-0組別的48％。硅灰摻量為10%～15%對(duì)ECC抗?jié)B性能的改善最為明顯，摻硅灰ECC滲透性并不隨抗壓強(qiáng)度的增加而線性降低，而是呈非線性關(guān)系。

4）由ECC微觀機(jī)理試驗(yàn)可得，硅灰“填充效應(yīng)”及“火山灰效應(yīng)”產(chǎn)生的凝膠物質(zhì)可使纖維與水泥石基體之間的通道減小，使材料內(nèi)部基質(zhì)結(jié)構(gòu)致密；硅灰可一定程度地抑制堿骨料反應(yīng)，提高材料耐久性。由Ca/Si值變化趨勢(shì)得到硅灰最適摻量為15%。

5）摻加約15%硅灰的高水灰比ECC（w/c=1.03）在韌性、抗?jié)B性及工作性能上都得到了改善，可應(yīng)用于地下及水工結(jié)構(gòu)，解決開裂和滲漏水等工程病害問題。

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（編輯 黃廷）