水工ECC拌和工藝及性能研究

鄭順祥 龔德新 石妍 李家正

摘 要：水工ECC是指用于水工建筑物的水泥基工程復合材料，拌和過程中摻入纖維的均勻分散性對其性能有重要影響。通過室內(nèi)試驗，分析比較4種拌和工藝下拌和物的和易性和纖維分散性，比選最佳拌和工藝。據(jù)此制備不同水膠比、纖維摻量的水工ECC試件，開展力學性能試驗。結果表明：①水膠比為0.35、0.3和0.25的水工ECC的28 d齡期抗壓強度分別滿足C25、C30和C35的配置強度要求；②力學性能主要受水膠比影響；③纖維摻量降低，抗壓強度變化不大，劈拉強度略有降低。在施工現(xiàn)場，從出機口和澆筑倉面處分別取樣并制備試件進行試驗。結果表明：拌和性能良好、纖維分散均勻。拌和過程中需根據(jù)砂的含水率調(diào)整水工ECC配合比，以達到最優(yōu)的拌和物性能。

關鍵詞：水工ECC；纖維；分散性；拌和工藝；拌和性能

中圖法分類號：TU528? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

在壩體自重、水庫水壓力等荷載作用下，大壩防滲墻、廊道等部位會產(chǎn)生過大的應力和變形，導致大壩出現(xiàn)裂縫，影響大壩的正常運行。因此，在大壩工程中需要采用具有特殊性能的混凝土材料，以適應其高應力、復雜大變形的特點，防止發(fā)生開裂和滲漏。

Engineered Cementitious Composites（ECC），即水泥基工程復合材料是基于微觀物理力學原理優(yōu)化設計的一種新型工程用水泥基復合材料[1-3]，由美國密歇根大學的Li Victor.C教授于20世紀90年代提出。Polyvinyl alcohol（PVA），即聚乙烯醇，是具有高強度、高彈性模量、無毒等特點的有機纖維，能在水泥基體中良好分散且造價相對低廉[6-7]，在ECC中起到“橋接作用”，增強其韌性，控制裂縫產(chǎn)生，提高變形能力，顯著提高混凝土材料的抗拉、抗壓、抗彎強度和韌性、延性、抗沖擊疲勞、變形性能[4-5]。PVA-ECC在國內(nèi)外建設工程中應用廣泛，如抗震建筑物、橋面鋪裝、結構連接板、高層建筑連梁，也用于修復水渠結構、開裂滲漏嚴重的水壩[8-10]。

水工ECC相對于普通ECC，具有中等強度、低彈性模量、按需設計的延伸率、較強的熱穩(wěn)定性、耐久性好、可控的裂縫寬度和較寬泛的原材料選擇等特點，其性能與纖維分散度有關。纖維分散越均勻、排列越密集，ECC的高韌性、高能量吸收能力和應變硬化現(xiàn)象會越明顯[11]。拌和性能良好的基體有利于纖維在其內(nèi)部分散以充分發(fā)揮纖維阻裂增韌的作用，使ECC獲得優(yōu)異的力學性能[12]。但由于纖維有親水性，表面會吸附大量的水分子[13]，在混凝土中加入纖維后，漿體流動性大幅減小，增加攪拌難度從而使纖維的分散效果差。近年來，為了追求ECC的超高力學性能，纖維的摻量逐漸提高，如果摻入方式不合理，其在ECC基體中無法均勻分散，將會影響拌和物施工及后期的強度。

纖維在混凝土拌和物中的分散性是影響水工ECC性能的決定因素，在ECC施工的各個環(huán)節(jié)，應盡可能使纖維在基體中均勻分布，以保證ECC的工作性、結構均勻性以及后期硬化性能。拌和工藝是保證纖維在水工ECC中均勻分布的重要環(huán)節(jié)，攪拌時要防止纖維出現(xiàn)結團或損傷等情況。

針對國內(nèi)某水電站壩基廊道混凝土變形大、易開裂的問題，試驗研究水工ECC的拌和工藝，并測試PVA分散性能、拌和性能和主要的力學性能，為ECC在水工上的應用提供最佳拌和工藝。

1 原材料和研究方法

試驗用原材料：峨勝P.O42.5普通硅酸鹽水泥、金塘I級粉煤灰、石英片巖人工砂、江蘇能力PVA纖維、蘇博特PCA高性能減水劑、石家莊創(chuàng)盛纖維素類增稠劑，相關技術指標分別見表1～4。

采用不同增稠劑摻加方法、纖維加入次序、投料順序和攪拌時間的多種工藝拌和水工ECC，測試、分析其纖維分散效果和拌和物的工作性能，確定最優(yōu)拌和工藝。根據(jù)最優(yōu)拌和工藝試驗研究不同水膠比、PVA體積摻量對水工ECC力學性能的影響；在施工現(xiàn)場使用拌和樓拌和水工ECC，在出機口和澆筑倉面處取樣成型水工ECC試件，測試各項主要性能是否滿足現(xiàn)場施工要求。

參照《水泥膠砂流動度測定方法》（GB/T 2419—2005）中跳桌流動度法測試流動度，參照《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》（GB∕T 21120—2018）中水洗法測試分散性，參照《水工混凝土試驗規(guī)程》（DL/T 5150—2017）、《高延性纖維增強水泥基復合材料力學性能試驗方法》（JC/T 2461—2018）測試坍落度、力學性能。

2 試驗結果與分析

2.1 水工ECC拌和工藝對纖維分散性能、拌和性能的影響

為獨立研究水工ECC拌和工藝對纖維分散效果、拌和性能的影響，試驗采用固定配合比，水膠比為0.3，水泥∶粉煤灰∶水∶砂∶PVA纖維質量配合比為1∶1∶0.6∶1.03∶0.05，PVA纖維體積摻量為2%，減水劑、增稠劑摻量分別為膠材用量的0.7%、0.06%。

一般水工纖維混凝土中纖維用量為0.9 kg/m3，纖維先與干料混合均勻，再加水拌和，即先加纖維的拌和工藝。而在水工ECC中是在拌和砂漿基體均勻后再加纖維攪拌，即后加纖維拌和工藝；也有將稱好的纖維在水中預分散，然后再加其他原材料的拌和工藝。各種不同拌和工藝方案見表5，測試各拌和工藝下水工ECC拌和物中纖維分散性能和拌和性能，分析比較各工藝方案的優(yōu)劣，選擇最優(yōu)拌和工藝。

各工藝的總攪拌時間為6～8 min，每個攪拌環(huán)節(jié)完成后隨機取樣觀察，若仍有成束或成團的纖維，則延長攪拌時間0.5～1 min，攪拌時間不宜過長，以免纖維受到損傷。

在拌和物攪拌完成后，裝入邊長100 mm的立方體試模中并振實。用75 m孔徑的方孔篩從受檢水工ECC樣品中水洗分離出PVA纖維，洗凈后在（105±5）℃溫度的烘箱內(nèi)烘干至恒重，冷卻至室溫后分別稱其質量，精確至0.01 g。分散性能計算如式（1）所示：

式中： 為試件分散性相對誤差，結果精確到1%；G0為試件含量理論計算值（g）；G1為三批試驗纖維含量的算數(shù)平均值（g）。

各拌和工藝的水工ECC拌和物試驗結果見表6?？芍瑵{體拌和均勻后，再加纖維制備的水工ECC中纖維更均勻，無結團，拌和物性能更好。使用增稠劑略降低水工ECC的擴展度，但改善了拌和物稠度、粘聚性（抗離析能力）以及保水性（抗泌水性），整體提升拌和物的和易性。增稠劑的添加順序也會影響拌和物的和易性，本試驗采用的是冷水可速溶的增稠劑，工藝2（增稠劑溶于拌和水中）和工藝3（增稠劑先與水泥、粉煤灰及砂子干拌）均可達到良好的效果。工藝3中，增稠劑粉末通過與其他原材料干拌，可均勻分散于固體組分中，加水后產(chǎn)生增稠作用，有助于增稠作用的充分發(fā)揮。但是，考慮增稠劑摻量小且速溶效果，現(xiàn)場施工攪拌時，工藝2更加簡便，可以保證增稠劑的均勻添加，以及拌和物整體和易性，且總體攪拌時間可控制在6～8 min。

拌和工藝3與李金路等[14]的研究相似，其通過在不同攪拌時間下對ECC進行拉伸及抗彎性能試驗綜合分析，得到最優(yōu)拌和工藝為：將石英砂、水泥、增稠劑、粉煤灰干拌2 min，然后加入水和減水劑混合液攪拌2.5 min，獲得流動性較好的水泥基體，再加入纖維攪拌5～6 min。

纖維的摻入使ECC拌和物的稠度下降。其原因在于：①纖維加入水泥基材料后在砂漿拌和物中形成網(wǎng)狀結構，使拌和物內(nèi)部摩擦阻力增大，阻止了拌和物的流動；②絲狀物纖維細微觀表面凹凸不平，長徑比、比表面積大，加入水泥基體后，必須有相當量的漿體來包裹纖維，形成潤滑層，而增稠劑能提高ECC稠度，再摻入適量的高效減水劑使ECC具有較好的流動性、纖維分散均勻，增大ECC拌和物的含氣量，提高ECC的工作性能和力學性能[15-16]。

2.2 水工ECC力學性能

采用拌和工藝2成型ECC立方體試件，試驗配合比見表7。各齡期抗壓、劈拉強度測試結果如圖1、圖2所示。

結果表明，隨著齡期的延長，水工ECC的抗壓、劈拉強度均逐漸提高。水膠比為0.35、0.3和0.25時，28d齡期抗壓強度分別為37.1、49.3、57.2 MPa滿足C25、C30和C35的配置強度（31.6、37.4、42.4 MPa）的要求，C30和C35等級強度有較多富裕。劈拉與抗壓強度的比值（拉壓比）比普通混凝土略高，隨著齡期的增長逐漸減小，從7 d的0.8左右減小至28 d的0.6左右。荷載峰值時劈拉試件未明顯破壞，水工ECC試件的破型損傷方式也有別于普通混凝土，承壓下試件的裂縫呈擴散式發(fā)展，劈裂失效的試件并未明顯裂開。

影響水工ECC力學性能的因素：①水膠比。水膠比增加，抗壓、劈拉強度均逐步降低。②纖維摻量。纖維摻量略微降低，抗壓強度變化不大，劈拉強度略有降低，結合纖維力學特性，說明纖維主要提升水工ECC的抗拉性能。決定ECC強度的主要因素是水膠比，低水膠比有助于PVA 纖維分散，因而在滿足韌性的前提下應采用較低的水膠比[17]。

2.3 現(xiàn)場工藝性驗證試驗

基于室內(nèi)試驗結果，進行工程現(xiàn)場水工ECC拌和工藝性試驗，采用的施工配合比見表8。

參照最優(yōu)拌和工藝2確定如下現(xiàn)場拌和工藝：①干料預拌（砂、水泥、粉煤灰）；②加水（增稠劑、減水劑事先溶于水中）攪拌；③待漿液攪拌完畢，再人工投送纖維；④纖維全部加入后，至少拌2～3 min，全程約4～5 min。

采用人工投料方式，將袋裝纖維預分散再投放，以避免過于集中而導致的結團現(xiàn)象。結果表明，水工ECC的拌和物的流動性與粘聚性良好，纖維分散均勻（見圖3）。

在拌和樓出機口和倉面分別成型水工ECC試件，測試拌和物性能、抗壓、劈拉強度結果見表9。水工ECC拌和物坍落度保持在205～230 mm之間，無泌水，纖維分散均勻，水工ECC試件抗壓強度滿足C25的強度要求。薄板抗彎強度與抗壓強度有一定相關性，抗壓強度越高，薄板抗彎強度也越大。

劈裂試件斷面見圖4，試件斷面粗糙、纖維與水泥砂漿融合緊密，內(nèi)部纖維分散均勻，不存在纖維結團或缺陷等現(xiàn)象。

薄板試件測試及破壞后情況見圖5，薄板在受力彎曲后并未出現(xiàn)脆性斷裂，而是在開裂后出現(xiàn)一條較為明顯的裂縫和若干條分散的細裂縫，但仍保持結構的整體性，說明水工ECC的纖維產(chǎn)生了一定拉伸變形，阻止裂縫的進一步發(fā)展，起到抗裂作用。

3 結論

通過實驗室、施工現(xiàn)場試驗研究，確定水工ECC最優(yōu)拌和工藝，測試力學性能，并用于項目現(xiàn)場的水工ECC施工。

不加增稠劑的最優(yōu)拌和工藝：首先，將水泥、粉煤灰、砂混合后干拌1 min；然后，加入溶入減水劑的拌和用水濕拌2～3 min；最后，加入纖維拌和3～5 min。增稠劑添加方法：溶于拌和水中或先與水泥、粉煤灰及砂干拌。增稠劑的使用，整體提升了拌和物的性能。

水工ECC的抗壓強度、劈拉強度隨著齡期的延長、水膠比的減小逐漸提高；水膠比為0.35、0.3和0.25的水工ECC的28 d齡期抗壓強度分別為37.1、49.3、57.2 Mpa，滿足C25、C30和C35的配置強度。降低水工ECC纖維摻量，其抗壓強度變化不大，劈拉強度略有降低。

最優(yōu)化拌和工藝下，水工ECC的拌合物拌和性能良好，纖維分散均勻，坍落度在205～235 mm之間；水膠比為0.34的水工ECC試件抗壓強度滿足C25的強度要求。薄板抗彎強度與抗壓強度有一定相關性，抗壓強度越高，薄板抗彎強度也越大。

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Mixing Process and Properties of Hydraulic Engineered? Cementitious Composites

Zhengshunxiang1，Gong Dexin2，Shi Yan2，Li Jiazheng2

（1.Huadian Jinsha River Upstream Hydropower Development Co.，Ltd.，Chengdu 610041，China；2. Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430071，China）

Abstract：The performance of hydraulic ECC （Engineered Cementitious Composite），which is used in hydraulic structures，is significantly affected by the uniform dispersion of fibers in the mixing process. The workability and fiber dispersion of mixtures under four mixing processes are analyzed and compared，and the optimum mixing process is selected. On this basis，hydraulic ECC specimens with different water-binder ratios and fiber content were prepared for mechanical performance tests. Results reveal that 1） the compressive strength of 28-d age hydraulic ECC with water-binder ratio of 0.35，0.3，and 0.25 meets the configuration strength requirements of C25，C30 and C35，respectively；2） the mechanical performance of hydraulic ECC was mainly affected by the water-binder ratio；3） with the decrease of fiber content，the compressive strength barely changed，and the spitting tensile strength declined slightly. Samples were taken from the outlet and pouring warehouse surface and specimens were prepared for testing. The results demonstrate that the mixing performance is favorable，and the fiber is uniformly dispersed. In addition，the mix proportion should be adjusted according to the water content of sand to achieve the best mixing performance.

Key words：hydraulic ECC；fiber；dispersion performance；mixing process；performance of concrete mixture