骨料粒徑對纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料性能的影響

李 祚,潘丁菊,羅月靜,彭林欣,2,滕曉丹,2,3

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,廣西 南寧 530004;2.廣西大學(xué) 廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 5 3 0 00 4;3.華藍(lán)設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司,廣西 南寧 530011;4.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530028)

1 前 言

ECC是一種纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料,將其用于建筑結(jié)構(gòu)中,可顯著提高結(jié)構(gòu)的變形能力[1]。ECC 材料較其他水泥基材料具有更強(qiáng)的變形能力,經(jīng)過合理設(shè)計(jì)ECC材料極限拉應(yīng)變能夠達(dá)到2%以上,為普通混凝土材料的200倍[2],目前已經(jīng)可以配置出極限拉應(yīng)變能夠達(dá)到4%以上的ECC 材料[3]。ECC 材料在受拉過程中,纖維能夠抑制裂縫開展,材料整體通過形成多條裂縫獲得了極高的拉伸韌性,同時ECC材料的裂縫寬度能夠控制在100μm 以下[4]。這種特性使其具有較好的抗?jié)B性、耐久性和自愈能力[2,5-6]。

骨料在水泥基材料中占有較大的體積分?jǐn)?shù),對材料的強(qiáng)度、延性和彈性模量等方面均具有影響。骨料除了作為降低材料成本經(jīng)濟(jì)填充作用外,其另一個重要作用是控制材料整體的干縮,可以認(rèn)為水泥基材料的收縮變形完全是由骨料顆粒所組成的骨架進(jìn)行約束和控制的[7-8]。ECC 作為一種水泥基材料,砂作為其骨料,對ECC材料整體的力學(xué)性能、拌合物和易性、收縮率和材料造價(jià)都有顯著影響[2],特別是在纖維的分散性方面,砂的影響尤為明顯[9]。使用粒徑或形態(tài)不合適的砂會對纖維分散性產(chǎn)生不利影響,當(dāng)纖維分散不均時,纖維量相對較少的斷裂面上纖維的橋接能力過弱[10],此斷裂面會過早發(fā)展成為主裂縫,導(dǎo)致ECC材料延性下降[2],目前來看,ECC 中使用平均粒徑為60～110μm 的微硅砂效果較好[11-13]。

但是,在實(shí)際工程中使用微硅砂卻并不現(xiàn)實(shí)。目前ECC材料難以直接代替混凝土大規(guī)模應(yīng)用的最根本原因在于其價(jià)格過高,而造成其高價(jià)的主要原因在于纖維與微硅砂價(jià)格昂貴。由此各國研究人員開展了各種對于ECC骨料的研究,試圖使用某種廉價(jià)易得的原料代替微硅砂,配置出性能達(dá)標(biāo)的ECC 材料。Sahmaran等[8]使用破碎砂和粒徑較大的砂礫石配置了ECC并對其進(jìn)行了研究,結(jié)果表明在粉煤灰摻量足夠高的條件下,大粒徑砂也能配置出性能較好的ECC材料。Huang等[14]使用平均粒徑為425μm 的粗鐵礦石尾礦取代硅砂,配置出的ECC 材料在28 d抗拉強(qiáng)度為5.6 MPa,極限拉應(yīng)變能夠達(dá)到2.8%。Meng等[15]利用澳洲當(dāng)?shù)靥烊簧?按典型的M45 配比[2]配置了ECC 材料,發(fā)現(xiàn)極限拉應(yīng)變介于0.45% 與1.12%之間,平均為0.77%。Paul等[16]使用1.19～2.5 mm 粒徑的砂配置出抗拉強(qiáng)度和極限拉應(yīng)變分別介于1.96%～3.04%和3.07～4.28 MPa的ECC 材料。上述研究均體現(xiàn)出骨料與ECC 的關(guān)鍵力學(xué)性能存在著明顯的相關(guān)性,通過調(diào)整骨料來控制ECC材料的性能是合理且可行的。李祚等[17]利用內(nèi)蒙古的沙漠砂配置了ECC 材料并對其進(jìn)行了相關(guān)的材料性能測試,發(fā)現(xiàn)沙漠砂ECC 的極限拉應(yīng)變最大能達(dá)到1.99%左右。

河砂無法直接用于ECC 的主要原因在于砂的粒徑和形狀,由于工程用砂的使用目標(biāo)多為混凝土或砌筑砂槳,為實(shí)現(xiàn)合理級配與經(jīng)濟(jì)性目標(biāo),工程用河砂多為中砂,而中砂的粒徑對于ECC材料來說不利于其延性,但若能通過簡單的分篩,從常用工程用砂中以簡單且廉價(jià)的方式直接得到可用于配置ECC的骨料,將大大降低ECC成本。另一方面,有研究表明使用本地天然砂替代硅砂可以降低能源消耗,CO2排放和運(yùn)輸成本[18]。目前國際上對于骨料的可行性探索大多面向其本土原料,由于不同地域能夠獲得的砂在材質(zhì)上有很大不同,使得國外文獻(xiàn)中的某些結(jié)論在我國并不適用,因此,本研究針對本土天然河砂應(yīng)用于ECC 材料進(jìn)行了探索。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 材料

ECC原材料包括水泥、減水劑、粉煤灰、纖維、水和砂。本研究中,水泥采用海螺牌P.O.42.5水泥,成分見表1;粉煤灰使用某火電廠提供的Ⅰ級粉煤灰,物理參數(shù)見表2;纖維使用某公司生產(chǎn)的聚乙烯醇(PVA)纖維,具體參數(shù)見表3;拌合用水為市政供水;減水劑采用聚羧酸高性能減水劑,減水率大于為25%;砂為砂石場提供的建筑用砂,按照我國現(xiàn)行建筑用砂標(biāo)準(zhǔn)(《建筑用砂》GB/T 14684-2011)使用一套標(biāo)準(zhǔn)篩將砂分篩,除去粒徑過大無法拌合的2.5 mm以上粒徑砂和由于粒徑過小難以篩得足量的0.15 mm以下粒徑砂,分別選取0.15～0.3 mm、0.3～0.6 mm、0.6～1.0 mm 和1.0～2.5 mm 四種范圍粒徑砂作為研究對象。

表1 P.O.42.5級水泥主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical characteristics of cement%

表2 粉煤灰物理化學(xué)性能Table 2 Physical and chemical characteristics of fly ash %

表3 PVA纖維性能指標(biāo)Table 3 Physical and mechanical characteristics of PVA fibers

根據(jù)四種范圍粒徑砂,設(shè)計(jì)的四組試件見表4。

表4 ECC配合比Table 4 Mix proportions of ECC kg·m-3

攪拌使用容量為12 L 的強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行。首先稱取水泥、粉煤灰、砂、減水劑放入攪拌桶中,以100 r/min的轉(zhuǎn)速干拌2 min;然后加入水,以150 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌5 min;最后稱取纖維,邊攪拌邊加入,為防止纖維結(jié)團(tuán),加入過程中進(jìn)行手工分散。全部纖維加入后繼續(xù)按150 r/min的速度攪拌5 min以確保纖維分散的均勻性。

2.2 試驗(yàn)方法

本研究對ECC 材料進(jìn)行了拉、壓、剪、彎四類試驗(yàn)。其中抗壓試驗(yàn)采用邊長為100 mm 的立方體試塊,抗拉、抗剪及抗彎試驗(yàn)則均使用了尺寸為15 mm×100 mm×400 mm 的板式試件。將新拌ECC 澆入模具24 h后拆模,后轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度20 ℃,相對濕度95%)進(jìn)行為期28 d的養(yǎng)護(hù)。

抗壓試驗(yàn)采用對混凝土材料常用的單軸壓縮測試方式,將試件放入壓力機(jī),以1 MPa/s的加載速率進(jìn)行測試?？估囼?yàn)則采用直接拉伸的方式進(jìn)行,前國際上常用的測試試件分為兩種,分別是在美國常用的矩形薄板試件[4]和在日本常用的啞鈴型薄板試件[19]。由于ECC獨(dú)有的應(yīng)變硬化特性,即使增大試件兩端截面,也無法保證裂縫在中部試驗(yàn)段開展,因此在本研究中使用的是矩形平板式試件。試驗(yàn)中使用萬能試驗(yàn)機(jī)的平夾頭將板式試件夾持固定,加載過程中夾緊力較大,為防止試件兩端被試驗(yàn)機(jī)夾斷,對試件兩端被夾持部分使用環(huán)氧樹脂膠粘貼碳纖維布(CFRP布)進(jìn)行加固,并在CFRP布外再粘貼鋁板以減輕試驗(yàn)機(jī)夾緊力可能造成的應(yīng)力集中,避免試件兩端被直接夾碎,試件詳圖如圖1所示。剪切試驗(yàn)與四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)采用與單軸拉伸試驗(yàn)相同的板式試件,區(qū)別僅為兩端不再粘貼CFRP 布與鋁板。剪切試驗(yàn)與四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的加載示意圖分別見圖2,3。

圖1 板式試件(單位:mm)Fig.1 Size of plate specimens(units:mm)

圖2 抗剪試驗(yàn)加載示意圖(單位:mm)Fig.2 Schematic diagram of shear test(units:mm)

拉伸試驗(yàn)結(jié)束后,將試件斷口利用小型切割機(jī)切取面積為15 mm×15 mm 的薄片,使用TM4000掃描電子顯微鏡(SEM)在15 k V 的加速電壓下進(jìn)行觀測,觀察斷面纖維損傷及分布情況。

圖3 四點(diǎn)彎曲加載示意圖(單位:mm)Fig.3 Schematic diagram of 4 points flexure test(units:mm)

3 結(jié) 果

3.1 量化沙粒尺寸與形態(tài)

根據(jù)張茂根等[20]提出顆粒尺寸統(tǒng)計(jì)方式計(jì)算沙粒的平均粒徑,通式為:

式中:nt為具有直徑Dt的顆粒的數(shù)量;D(p,q)具有長度量綱,不同的D(p,q)具有不同的物理意義。在本研究中采用的平均粒徑為長度平均直徑,即測量顆粒的投影面積,將顆粒視為圓形,計(jì)算圓直徑,并將全部顆粒的直徑相加,除以粒徑總數(shù),求得的顆粒平均直徑等于所有顆粒直徑的算術(shù)平均值,稱為長度平均直徑D。顆粒樣本的粒徑使用光學(xué)顯微鏡測定,依照投影面積相同的原則,將不規(guī)則的顆粒等效為圓形并求得直徑。四組砂每組隨機(jī)抽取20個樣本測其粒徑并求均值,求得平均粒徑D由小到大分別為0.29,0.49,0.91和2.03 mm。

沙粒的形態(tài)常用球度(sphericity,S)和圓度(roundness,R)進(jìn)行量化評定[21]。圓度的評測方式如圖4所示。R代表沙粒尖角的平均曲率半徑與最大內(nèi)接圓的半徑之比(式(2))。R值介于0與1之間,沙粒圓度越好,R值越接近于1。

圖4 砂粒幾何特征示意圖Fig.4 Geometric characteristics of sand particle

式中:ri表示沙粒尖角的曲率半徑,rin表示最大內(nèi)接圓的半徑,N為每粒砂的總尖角數(shù)量。

球度則描述了沙粒的投影與一個圓形的接近程度。根據(jù)沙粒最大投影面積,球度S是沙粒最大寬度d2與最大長度d1的比值(式(3))。對于球體而言,S為1,長條形的沙粒球度則遠(yuǎn)小于1。

在圖5中給出了本研究中四種粒徑沙圓度與球度的計(jì)算示例,其中綠色圓形代表尖角曲率最大處的內(nèi)切圓,紅色圓形代表整個投影面積下的最大內(nèi)接圓。將每種粒徑的砂隨機(jī)挑選20個樣本,計(jì)算后取其均值,結(jié)果匯總于表5中?？梢钥闯?四種粒徑的砂圓度介于0.219與0.482之間,S1的圓度最高,S2的圓度最低;球度則較為接近,介于0.791與0.850之間,球度值最高的為S1,最低的為S3。

圖5 四組砂粒尺寸、圓度與球度計(jì)算示意圖Fig.5 Calculation diagram of four groups sand of particle size,roundness and sphericity

表5 砂粒粒徑與形態(tài)Table 5 Size and geometric of sand particles

3.2 單軸抗壓性能

各組試件單軸抗壓試驗(yàn)的結(jié)果匯總于表6中?？箟涸囼?yàn)結(jié)果表明,隨粒徑增大,單軸抗壓強(qiáng)度(UCS)呈減小趨勢(如圖6所示),式(4)給出了強(qiáng)度與粒徑關(guān)系的線性回歸(最小二乘法)結(jié)果。強(qiáng)度最高的為S1組,達(dá)到45.9 MPa,與強(qiáng)度最低的S4組38.8 MPa相比相差18.3%。從S1～S4 的靜力彈性模量數(shù)據(jù)來看,隨砂粒徑變大,材料的剛度降低。

圖6 抗壓強(qiáng)度與粒徑的關(guān)系Fig.6 Relation between unconfined compressive strength and particle size

表6 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 6 Uniaxial compression test results

式中:UCS抗壓強(qiáng)度經(jīng)線性回歸的估計(jì)值;R為回歸系數(shù)。

3.3 單軸抗壓性能

每組試件單軸抗拉試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及結(jié)果見圖7,表7。從圖、表可見抗拉強(qiáng)度(UTS)與粒徑呈線性相關(guān),但不顯著。極限拉應(yīng)變(TSC)最高的為S1,達(dá)到1.12%,最低的是S4組,僅有0.47%,S1組較S4組提高了138%。極限拉應(yīng)變表現(xiàn)出了與砂粒徑顯著的線性相關(guān)性(如圖8(b)所示),即隨粒徑增大,極限拉應(yīng)變降低,這與抗壓強(qiáng)度有著相同的趨勢。式(5),(6)分別給出了抗拉強(qiáng)度和極限拉應(yīng)變二者與粒徑關(guān)系的線性回歸表達(dá)式。

表7 單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Uniaxial tensile properties and residual crack patterns of ECC

圖7 單軸拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Uniaxial tensile stress-strain curves

圖8 (a)抗拉強(qiáng)度和(b)極限拉應(yīng)變與粒徑的關(guān)系Fig.8 Relation between tensile strength and(a)particle size;(b)roundness

3.4 抗剪性能

參考混凝土抗剪試驗(yàn)方法,對ECC板進(jìn)行四點(diǎn)剪切試驗(yàn),測量其抗剪強(qiáng)度(USS),結(jié)果見表8。S1～S4 峰 值 荷 載 均 值 分 別 為9.12、8.95、9.62 和11.95 k N,基本表現(xiàn)出隨粒徑變大,抗剪強(qiáng)度提高的趨勢(圖9(b)所示),這與抗壓、抗拉試驗(yàn)中所表現(xiàn)出的趨勢相反。將荷載數(shù)值換算成切應(yīng)力,矩形截面抗剪強(qiáng)度最大值為:

表8 剪切試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 8 Shear test results

圖9 抗剪強(qiáng)度與粒徑的關(guān)系Fig.9 Relation between shearing strength and particle size

計(jì)算得到S1～S4的抗剪強(qiáng)度分別為9.12、8.95、9.62和11.95 MPa。此數(shù)值遠(yuǎn)高于普通混凝土抗剪強(qiáng)度數(shù)值,約為C40混凝土材料抗剪強(qiáng)度的3倍[22]。ECC材料中亂向分布的纖維其中按剪切方向分布的纖維對ECC基體的剪切變形起到了約束作用,使得基體的切應(yīng)力能夠轉(zhuǎn)化為纖維材料的正應(yīng)力,從而使其抗剪強(qiáng)度明顯提高。有研究者對使用ECC 材料代替混凝土材料澆筑成的鋼筋-ECC 梁進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn),結(jié)果表明,是否配箍筋對試驗(yàn)結(jié)果無影響,無箍筋的鋼筋-ECC梁不發(fā)生剪切破壞[23]。值得注意的是,ECC的剪切破壞也表現(xiàn)出了一定程度的延性,這與混凝土或水泥砂漿材料完全脆性的剪切破壞模式不同。式(7)為抗剪強(qiáng)度與粒徑關(guān)系的線性回歸表達(dá)式。

3.5 抗彎性能

如圖10,表9 結(jié)果表明,所有試件均表現(xiàn)出明顯的變形硬化特性,試件受拉側(cè)有大量細(xì)密裂縫。S1組試件表現(xiàn)出遠(yuǎn)高于其他組別試件的彎曲變形能力,其跨中最大撓度(UD)達(dá)到了41.0 mm,較表現(xiàn)最差的S4組16.2 mm 提高了153%。UD隨粒徑變化的關(guān)系如圖11(a)所示,其線性回歸表達(dá)式見式(9)。

表9 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Four points flexural test results

圖10 四點(diǎn)彎曲荷載-撓度曲線Fig.10 Four point flexural load-deflection curves

抗彎強(qiáng)度(UFS)是反應(yīng)材料抗彎性能的另一個重要指標(biāo),其值可通過彎矩與截面尺寸計(jì)算得出。結(jié)果表明,UFS的結(jié)果與跨中最大撓度有著相同的分布情況。變形能力最強(qiáng)的S1組同時也具有最高的抗彎強(qiáng)度,達(dá)到8.5 MPa,而變形能力最差的S4也是抗彎強(qiáng)度最低的一組,為6.9 MPa,UFS隨粒徑變化的的關(guān)系如圖11(b)所示,式(10)給出了其對應(yīng)的線性回歸表達(dá)式。

圖11 (a)跨中最大撓度與粒徑的關(guān)系;(b)彎曲強(qiáng)度與粒徑的關(guān)系Fig.11 Relation between (a)ultimate deflection and particle size;(b)ultimate flexure strength and particle size

4 基于掃描電鏡觀測的機(jī)理分析

ECC材料能夠獲得高延性的原因在于其受拉過程中獨(dú)特的多重開裂現(xiàn)象,為判斷多重開裂現(xiàn)象能否出現(xiàn),Li[1]提出了基于細(xì)觀力學(xué)的強(qiáng)度準(zhǔn)則和能量準(zhǔn)則作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。強(qiáng)度準(zhǔn)則認(rèn)為若ECC 能夠發(fā)生多重開裂現(xiàn)象,則受拉過程中,基體在預(yù)先存在的裂縫基礎(chǔ)之上開展裂縫的拉應(yīng)力σcr必須小于穿過該裂紋的纖維的橋接應(yīng)力σ0。圖12顯示,隨用砂平均粒徑增大,纖維分布的均勻程度逐漸變差。纖維分散的均勻度能顯著影響ECC局部的纖維橋接應(yīng)力σ0,較差的分散均勻度將削弱σ0值[10],從而降低了σcr與σ0之間的差值,使多重裂縫開展現(xiàn)象更早停止,導(dǎo)致極限拉應(yīng)變降低。

圖12 ECC拉伸斷裂面纖維分布Fig.12 Fiber dispersion of the ECC tensile fracture surface

除纖維分布均勻度外,ECC 受拉過程中,纖維的破壞模式也決定了其延性大小。能量準(zhǔn)則認(rèn)為,纖維/基體的粘結(jié)強(qiáng)度不能過弱,但同樣也不能過強(qiáng),理由是強(qiáng)粘結(jié)雖然能夠提高纖維橋接應(yīng)力σ0,但會使裂縫最大張開寬度δ0減小,導(dǎo)致裂縫張開過程消耗的能量σ0δ0的值降低,至使ECC材料變形能力降低。纖維/基體粘結(jié)過強(qiáng)的外在表現(xiàn)是斷面纖維的破壞情況,過強(qiáng)的粘結(jié)將導(dǎo)致纖維斷裂,而適中的粘結(jié)則表現(xiàn)為纖維從基體中拔出。圖13中可以看出隨砂粒徑增大,纖維斷裂的情況趨于嚴(yán)重,S1與S2組能夠觀測到完整的纖維端部,而到S4組則只能觀測到斷裂的纖維。這說明使用大粒徑砂會使纖維/基體界面強(qiáng)度增強(qiáng),使材料整體變形能力下降。在單軸拉伸試驗(yàn)中,S4組的平均極限拉應(yīng)變較S1組降低了58%,同時在四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)中,S4組的平均跨中最大撓度與S1組相比降低了60%。從宏觀試驗(yàn)結(jié)果可以看出,用砂粒徑增大影響了ECC材料纖維分散均勻度和纖維破壞模式,降低了ECC的延性。

圖13 ECC拉伸斷裂面纖維破壞情況Fig.13 Fiber damage of the ECC tensile fracture surface

5 結(jié) 論

隨砂粒徑變小,ECC材料抗壓強(qiáng)度與彈性模量均提高,其中抗壓強(qiáng)度在0.29 水膠比下最高能達(dá)到45.9 MPa。由于纖維的橋接作用,ECC受壓破壞后有相比于混凝土材料更加平緩的下降段,且大概下降至峰值應(yīng)力的35%后殘余抗壓強(qiáng)度幾乎不再下降,且受壓破壞后立方體試塊仍保持完整性,不發(fā)生剝離破壞。

隨砂粒徑變小,ECC材料抗拉強(qiáng)度與極限拉應(yīng)變均提高,用砂粒徑最小的S1組較粒徑最大的S4組,延性提高了138%。

ECC抗剪強(qiáng)度隨砂粒徑變大增加,且具有一定的延性。ECC抗剪強(qiáng)度是相應(yīng)抗壓強(qiáng)度混凝土的3倍。

四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果與單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果能夠相互印證,隨砂粒徑變小,試件的最大撓度提高,粒徑大小對抗彎剛度無影響。

隨砂粒徑增大,纖維在斷面上的分散的均勻性變差,且發(fā)生斷裂破壞的纖維增多。根據(jù)強(qiáng)度準(zhǔn)則和能量準(zhǔn)則,以上二者均會降低裂縫張開所需的能量,使得能量準(zhǔn)則難以得到持續(xù)滿足,從而降低材料整體的延性。

使用小粒徑的砂作為骨料,能夠提高ECC材料的綜合性能。天然河砂通過分篩和選擇,有潛力代替經(jīng)典ECC材料中的硅砂作為其骨料,這對控制ECC 材料價(jià)格,加速其推廣應(yīng)用具有積極意義。