人工砂最大粒徑對水工高延性纖維增強水泥基復合材料性能的影響研究

石妍，李家正，呂興棟，李楊，蔣文廣

（1.長江科學院 材料與結(jié)構(gòu)研究所，湖北 武漢 430010；2.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，湖北 武 漢430010）

0 引言

高延性纖維增強水泥基復合材料（ECC）是經(jīng)系統(tǒng)設計，在拉伸和剪切荷載下呈現(xiàn)高延展性的一種纖維增強水泥基復合材料[1-2]。ECC材料拉伸延性極高，纖維體積摻量為2%時，多裂縫平穩(wěn)展開，其應變能力是普通混凝土的幾百倍（單軸拉伸荷載下最大應變大于3%）[3]。其結(jié)構(gòu)除了具有抗坍塌能力，還具有高抗損傷能力，遭受地震等破壞后的殘余裂縫寬度很小。同時，ECC在限制干燥收縮的條件下，裂縫寬度控制在30μm左右，可有效減少氯化物和硫酸鹽等侵蝕性介質(zhì)對混凝土的破壞，從而提高結(jié)構(gòu)的耐久性[4]。PVA纖維與鋼纖維復合，可降低ECC材料在高溫作用下拉伸強度與拉伸韌性的衰減速率[5]。因此，ECC的抗裂性強、安全性良好、耐久性超高。

在美國、日本和歐洲等國家及地區(qū)，ECC大量應用于邊坡加固、橋面修復、橋梁連接板及高層建筑連梁等領(lǐng)域[1，6]。近年來，國內(nèi)在建筑工程及道路施工領(lǐng)域也有所應用，但目前ECC材料在水工建筑物中的應用較少。開裂一直是水工混凝土難以解決的問題，尤其是在大壩壩基廊道、堆石壩混凝土面板、堆石壩心墻等易裂易損部位，如能將高延性ECC材料用于水工建筑物，部分或全部替代水工混凝土應用于抗裂需求的關(guān)鍵部位，既可以擴展ECC的適用范圍，又有助于解決水工建筑物的開裂及滲漏問題，是非常值得探討的研究方向。

傳統(tǒng)ECC材料中水泥用量過高、石英砂的粒徑要控制在100μm以內(nèi)[4，7]，其經(jīng)濟成本較高，無法滿足水利水電工程低成本、大宗量的應用需求，因此，需配制利用當?shù)卦牧?、技術(shù)經(jīng)濟成本適中的水工ECC材料。水工ECC是基于傳統(tǒng)ECC概念，在滿足設計要求的前提下，對原材料、生產(chǎn)拌合、澆筑施工及功能需求特點進行適應性調(diào)整，通過擴大原材料選擇范圍、采用現(xiàn)場人工砂并提高其最大粒徑、優(yōu)化制備工藝等措施，降低ECC制備難度及經(jīng)濟成本，形成具有水工特色的ECC技術(shù)。本文開展不同人工砂最大粒徑對水工ECC材料力學及變形性能的影響研究，旨在保持ECC高延性和變形能力的前提下，合理提高并確定人工砂最大粒徑，以降低材料加工及制備成本，配制適用于水工建筑的中等強度、低彈性模量、高延伸率與良好耐久性的水工ECC材料，為水利水電工程的建設與長期耐久提供技術(shù)參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：峨勝P·O42.5水泥，主要技術(shù)性能見表1，密度3.2 g/cm3，比表面積334 m2/kg，安定性合格，符合GB 175—2020《通用硅酸鹽水泥》的要求。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

粉煤灰：金唐F類Ⅰ級，主要技術(shù)性能見表2，符合DL/T 5055—2007《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》的要求。

表2 粉煤灰的主要技術(shù)性能

PVA纖維：安徽皖維公司產(chǎn)，主要技術(shù)性能見表3，符合GB/T 21120—2018《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》中防裂抗裂纖維HF的要求。

表3 PVA纖維的主要技術(shù)性能

減水劑：蘇博特PCA高性能減水劑，減水率30%，符合GB 8076—2008《混凝土外加劑》的要求。

增稠劑：羥丙基甲級纖維素類，黏度200 Pa·s。

人工砂：取自某水電工程現(xiàn)場，巖性為黑云母石英片巖，原狀砂的主要技術(shù)性能見表4，符合DL/T 5144—2015《水工混凝土施工規(guī)范》的要求。

表4 人工砂的主要技術(shù)性能

按照最大粒徑控制，將原狀砂篩分加工為不同最大粒徑，包括5.0 mm（原狀砂）、2.5 mm、1.25 mm、0.63 mm、0.315 mm及0.16 mm，共6組，外觀照片見圖1，粒徑分布見表5，用于制備不同粒徑人工砂的水工ECC試樣，并進行性能對比。

表5 人工砂的粒徑分布

1.2 試驗方法

水工ECC的室內(nèi)拌合采用強制式攪拌機，轉(zhuǎn)速約60 r/min。具體拌合工藝為：水泥、粉煤灰與砂先干拌1 min，然后加水（外加劑預先溶于水）濕拌2～3 min，最后添加PVA纖維，全料攪拌3～5 min，總攪拌時間為6～8 min。

水工ECC拌合物的坍落度、擴展度與含氣量參照DL/T 5150—2017《水工混凝土試驗規(guī)程》進行測試。凝結(jié)時間參照GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》進行測試，但僅測試不加PVA纖維的漿液拌合物，以避免PVA纖維對試針的影響。按照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》的規(guī)定，分別進行水工ECC的立方體抗壓強度（試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm）、劈裂抗拉強度（試件尺寸為00 mm×100 mm×100 mm）、靜力抗壓彈性模量（試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm）、直接拉伸性能測試，試驗照片見圖2。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 拌合物性能

不同人工砂最大粒徑的水工ECC配合比及拌合物性能結(jié)果見表6。

表6 水工ECC的試驗配合比及拌合物性能

由表6可見，統(tǒng)一水膠比0.35、PVA纖維體積摻量2%、粉煤灰摻量50%時，為保持統(tǒng)一的ECC拌合物性能，人工砂最大粒徑每降低1個粒級，單位用水量需增加5 kg/m3。這是因為，人工砂越細，其填充了纖維與基材之間的空隙，使孔隙率降低，自由水的含量相對降低，纖維對ECC的流動性產(chǎn)生抑制作用，致使拌合物流動度降低[8-9]。因此，通過增加單方用水量，從而達到相對一致的坍落度與擴展度。水工ECC拌合物的坍落度為210～225 mm，擴展度為390～415 mm，流動性與粘聚性良好，無泌水現(xiàn)象，PVA纖維分散均勻。

6組漿液的初凝時間在10：45～13：29，終凝時間在11：35～14：20，初凝和終凝時間間隔約1 h。采用不同最大粒徑人工砂時，漿液的凝結(jié)時間有差異，各組間最多相差2 h45 min。保持原材料品種與配合比參數(shù)一致，人工砂越細，單位用水量增加，因此膠凝材料用量增多，致使?jié){液拌合物的凝結(jié)時間逐漸縮短。

2.2 抗壓強度與劈裂抗拉強度

采用不同最大粒徑人工砂制備的水工ECC試件，標準養(yǎng)護7 d、28 d與90 d齡期后，抗壓、劈裂抗拉強度及拉壓比結(jié)果見表7。

表7 不同粒徑人工砂水工ECC的抗壓、劈裂抗拉強度及拉壓比

由表7可見，隨著齡期的延長，水工ECC的抗壓與劈裂抗拉強度均逐漸提高。水膠比為0.35時，水工ECC的28 d抗壓強度滿足C25的配制強度要求（31.6 MPa）。本試驗采用大摻量的粉煤灰礦物摻合料（50%），因此試件的早期強度較低，但隨著齡期的延長，粉煤灰二次水化產(chǎn)物越來越多，細化了孔隙結(jié)構(gòu)并降低孔隙率，使基體越來越密實，進而提高了水工ECC的后期強度[10]。水膠比是影響水泥基材料力學強度的主要因素，而相同水膠比下，人工砂最大粒徑越小，水工ECC的抗壓強度和劈裂抗拉強度均略有提高，且拉壓比整體呈上升趨勢，表明材料的脆性降低、韌性有所提高。這是因為人工砂越細，有助于改善材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性，易于PVA纖維的均勻分散，提高水工ECC的整體密實。

2.3 靜壓彈性模量和泊松比

水工ECC的28 d靜壓彈性模量和泊松比見表8。

彈性模量為單向應力狀態(tài)下應力與應變的比值，由表8可見，C25強度等級時，水工ECC的靜壓彈性模量平均值為20 GPa，明顯低于普通水工混凝土（約為30 GPa）。降低人工砂最大粒徑，水工ECC的彈性模量略有提高，這是因為其抗壓強度提高了，二者呈正相關(guān)的關(guān)系。泊松比為單向受壓時橫向應變與縱向應變之比值，水工ECC的泊松比平均值為0.29，高于同強度等級普通水工混凝土（約為0.22）[11]。因此，水工ECC的彈性模量低、泊松比高，表明了其韌性、變形能力及抗裂性能顯著優(yōu)于普通水工混凝土。

2.4 直接拉伸性能

選取具有代表性的3個人工砂最大粒徑，進行水工ECC單軸拉伸性能試驗，結(jié)果見表9，應力-應變曲線見圖3。

表9 水工ECC試件單軸拉伸性能結(jié)果

PVA纖維在水泥基材料中主要發(fā)揮了增韌作用[12-13]。由圖3可以看出，通過添加體積摻量2%的纖維，水工ECC材料表現(xiàn)出顯著的應變硬化現(xiàn)象，且人工砂越細規(guī)律性越好，這種現(xiàn)象多出現(xiàn)在具有很強塑性的金屬及合金材料中。首先曲線呈現(xiàn)彈性階段[14-15]，在試件產(chǎn)生初裂縫前是直線發(fā)展的；然后，進入多裂縫開裂階段，試件產(chǎn)生初裂縫后，載荷通過PVA纖維傳遞到鄰近的基體，此時PVA纖維發(fā)揮橋聯(lián)作用，標距段產(chǎn)生多條細密微裂縫，應力-應變曲線不斷低幅波動，但總體趨勢平穩(wěn)直至試件最終破壞。如果試件在開裂以后應力波動幅度較小，可取試件初裂應力為極限抗拉強度。

同時，水工ECC試件的直接拉伸性能顯著受人工砂最大粒徑的影響，其差異性明顯大于抗壓強度與劈拉強度。人工砂最大粒徑分別為5.0、1.25、0.315 mm時，水工ECC試件的極限延伸率分別可達到1.00%、2.14%、2.51%。人工砂越細，極限抗拉強度越高，極限延伸率也顯著增大。研究結(jié)果與已有文獻的規(guī)律基本相符，有研究表明[8]，采用最大粒徑0.3 mm的級配砂比最大粒徑為0.6 mm和1.18 mm級配砂所配制出的ECC材料能夠更好地實現(xiàn)應變硬化和多點開裂，且極限拉應變可達5.8%左右。纖維摻入基體并攪拌的過程中，人工砂粒徑越大，引入的空氣越多，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)孔隙而形成薄弱環(huán)節(jié)的幾率增大，試件在受力過程中，薄弱界面處出現(xiàn)應力集中，從而降低了試件的承載力。因此，采用粒徑小的細砂，更能有效發(fā)揮纖維在水工ECC中的阻裂增韌效果，從而提高其直接抗拉性能。

3 結(jié)論

（1）固定其他條件，人工砂最大粒徑分別為5.0、2.5、1.25、0.63、0.315、0.16 mm時，每降低1個粒級，水工ECC的用水量需增加5 kg/m3，以滿足其良好的流動性、粘聚性與纖維分散性要求。人工砂越細，水工ECC的凝結(jié)時間越短。

（2）水膠比為0.35時，試驗的水工ECC抗壓強度均滿足C25配制強度要求；隨著人工砂最大粒徑的降低，水工ECC的抗壓強度和劈拉強度略有提高，拉壓比增大，表明材料的脆性降低、韌性提高。

（3）水工ECC的28 d靜壓彈性模量平均值為20 GPa，泊松比平均值為0.29，明顯低于普通水工混凝土。人工砂越細，水工ECC的彈性模量隨強度的提高略有增加。

（4）水工ECC拉伸時表現(xiàn)出顯著的應變硬化現(xiàn)象，人工砂越細，極限抗拉強度和極限延伸率明顯增加。人工砂最大粒徑分別為5.0、1.25、0.315 mm時，水工ECC的極限延伸率分別可達到1.00%、2.14%、2.51%。

（5）綜合試驗結(jié)果，推薦人工砂最大粒徑為1.25 mm，以制備低彈模、高韌性且長期耐久的水工ECC材料，達到良好施工性能、C25強度等級、不低于2%極限延伸率的技術(shù)要求，可用于壩基廊道、堆石壩面板或心墻等抗裂關(guān)鍵部位。