硅灰改性高韌性水泥基材料性能試驗研究

李曉琴,周旭,李世華,劉國壽

（1. 昆明理工大學 建筑工程學院，昆明 650500；2. 云南建投綠色高性能混凝土股份有限公司，昆明 650500）

隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，地下及水工工程建設數(shù)量日益增加。截至2018年底，運營鐵路、公路隧道 總 長 分 別 為16 331[1]、17 236 km[2]，5級 及 以 上 江河堤防總長為306 000 km[3]。由于混凝土抗拉強度低、韌性差等缺點，地下及水工工程結構廣泛出現(xiàn)開裂、變形和滲漏水等病害[4-5]。工程水泥復合材料(Engineering Cementitious Composites，ECC)是一種亂向分布聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol Fiber，PVA)纖維增強水泥基復合材料，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變硬化性能，其極限拉伸應變可達到3%及以上；ECC多縫開裂的特征可使材料在達到極限拉伸應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果，以極限拉伸應變?yōu)樵O計目標，運用UDEM-ACE方法進行了ECC配合比優(yōu)化設計試驗研究，得到極限拉伸應變超過3%的ECC優(yōu)化配合比范圍，并完成了試驗驗證。

對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等級不低于P8(滲透系數(shù)K為2.610×10-11m/s)[9]。而僅有部分學者對ECC的抗?jié)B性能進行過研究。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系，未加載時，其滲透系數(shù)為0.818×10-11m/s；當拉伸應變達到1.5%時，其滲透系數(shù)為19.5×10-11m/s。與相同變形條件下的增強砂漿相比，其滲透系數(shù)低6個數(shù)量級，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ECC材料預施加拉伸荷載，研究了其在帶裂縫工作狀態(tài)下的水滲透性能。試驗結果表明，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。Zhang等[12]通過改變纖維摻量來探究水泥基材料的抗?jié)B性，結果表明，纖維體積分數(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用于地下工程中所要求的抗?jié)B等級P8[9]。但以上研究[10-12]并未針對抗?jié)B型ECC的配合比展開全面的試驗研究，且研究中所采用的水灰比均較低，水灰比過低可能會導致其工作性能不滿足或影響實際工程的施工操作,導致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用中，一般采用噴射水泥基材料對現(xiàn)有隧道襯砌、壩體進行裂縫及表面修復；在新建結構中，一般采用現(xiàn)澆(即泵送或噴射)的方式進行結構修筑[13]。因此，應用于此類工程的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度和黏聚性兩項工作性能指標有關，要求材料的流動度大，黏聚性小。由于ECC不含粗骨料，僅有細砂作為細骨料，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，導致新拌材料的流動性能與水泥砂漿接近。盡管其流動度可參考水泥砂漿跳桌流動度值[14]來評價，然而其操作復雜，對設備的要求高。目前，對于新拌水泥基材料，混凝土泵送技術標準[15]采用坍落度值作為可泵送、可噴射的流動度評判指標。相對而言，坍落度試驗方法簡單，可在施工現(xiàn)場進行試驗操作，且可信度高，能直觀反映水泥基材料的流動性。因此，筆者擬采用新拌材料坍落度評價流動度，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ECC黏聚性的研究，而針對同為水泥基材料的混凝土黏聚性的試驗室評價指標為新拌材料的坍落擴展度值和倒坍時間，泵送性良好的水泥基材料黏聚性要求坍落擴展度值為400～600 mm，倒坍時間為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需保持流動度和黏聚性之間的平衡[19]?？蓢娚湫掳璨牧系奶涠戎狄丝刂圃?00～200 mm[20-21]。但現(xiàn)有標準[17]未對可噴射施工混凝土坍落擴展度及倒坍時間作出明確的規(guī)定。

基于非參數(shù)回歸分析得到的以ECC極限拉伸應變超過3%為設計目標的配合比范圍[8]內(nèi)抽樣進行試驗研究[22]的結果表明，低水灰比ECC（w/c=0.57）表現(xiàn)出高抗?jié)B性，滿足一般應用于地下及水工結構的抗?jié)B等級P8，但其坍落度僅為96 mm，在實際工程中，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遠低于新拌水泥基材料可泵送或可噴射的坍落度指標。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，粉煤灰對新拌材料流動度的改善具體表現(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，高效減水劑含量增加可提高新拌水泥基材料初始流動度，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量的55%[8]，已超過普通粉煤灰混凝土應用技術[25]所規(guī)定的粉煤灰摻量占膠凝材料質量45%的限值；同時，試驗采用的I級粉煤灰在各等級粉煤灰中粒徑最小，已不能再進行改良；且配合比中高效減水劑摻量已達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，但其流動度難以輕易地改善至達到實際工程中新拌材料對可泵送性、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度并增大其黏聚性，使其可泵送性與可噴射性達到平衡，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)配合比中添加適當外加劑，對其進行較為系統(tǒng)的試驗研究，得到同時具有高韌性、抗?jié)B性及具備可泵送、可噴射工作性能的ECC；使其可應用于地下及水工工程中的泵送及噴射施工。

1 試驗設計

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性，解決高水灰比ECC因流動度過大而不具有噴敷性的問題[19,26,32]，但過量硅灰會導致水泥基體變脆，影響韌性指標[33-34]。硅灰對ECC的抗?jié)B性能、力學性能和工作性能影響顯著，Nochaiya等[32]指出，當水灰比為0.7、硅灰摻量為水泥用量的13%時，新拌材料流動度良好，混凝土力學性能顯著增強。Shekarchi等[35]得出，在水灰比為0.5、硅灰摻量為水泥用量的14%時，混凝土抗?jié)B性最佳，同時，考慮到硅灰對混凝土強度的影響，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，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，當水泥基材料水灰比在0.5～0.7之間時，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%基礎上適當增加其摻量，進行各配合比試拌，測試其流動度，判斷拌合物狀態(tài)，最終確定硅灰摻量范圍為10%～20%。試驗中具體的硅灰摻量分別為水泥質量的10%、15%、20%，同時，設置試驗對照組硅灰摻量為0。

1.2 試驗原材料及配合比

試驗原材料：P.O.42.5普通硅酸鹽水泥；細骨料采用標準石英砂，細度模數(shù)為2.9；I級粉煤灰，來自昆明環(huán)恒粉煤灰有限責任公司；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；SiO2含量為94%的硅灰。結合上述分析，試驗各組別的編號及配合比見表1。

表1 ECC配合比表(質量比)Table 1 Table of ECC mix proportions (mass ratio)

1.3 ECC制備工藝

ECC材料中，硅灰、粉煤灰及纖維的分布對其流動度和滲透性有很大影響，為使新拌ECC材料成分均勻，采用強制式攪拌機攪拌，首先將水泥、石英砂、粉煤灰、硅灰投入攪拌機中干拌3～5 min；然后均勻加入人工預先分散好的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中攪拌9～12 min，即可得到均勻的新拌ECC混合物。

2 試驗研究

2.1 工作性能試驗

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、坍落擴展度法及倒坍時間來評定，根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080—2016）[17]進行測定。新拌ECC的可泵送性及可噴射性由流動度及黏聚性決定，研究指出[36]，新拌材料黏聚性較小、流動度良好，配合比的SL/St值約為0.450。新拌ECC工作性能的各評價指標見表2。

表2 新拌ECC工作性能各評價指標Table 2 Evaluation indexes of fresh ECC workability

2.2 力學性能試驗

采用邊長為100 mm的正方體試件進行軸心壓縮試驗。試驗加載過程采用荷載控制，速率恒定為0.6 kN/s。采用長度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]進行軸心拉伸試驗，試件測試段放置測量標距為5 mm、精度達到±0.025 mm的引伸計測量拉伸變形，試驗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

水泥基材料抗?jié)B試驗方法有氯離子擴散系數(shù)法和水滲透法[37]。水滲透法對設備要求較低、可操作性強，能直觀地從試驗結果觀察到材料的滲透能力。因此，選用水滲透法，試驗裝置見圖1。ECC抗?jié)B試驗的試件為175 mm×150 mm×185 mm的截錐樣式。依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）[37]進行試驗，滲透試驗完成后取出試件，將其沿壓力試驗機的縱截面分成兩半，繪制截面上的滲水輪廓線，并將試件底部十等分，對應等分點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）計算。

圖1 ECC抗?jié)B試驗裝置Fig. 1 ECC impermeability test device

式中：Dm為平均滲水高度，m；H為水壓力，以水柱高度表示，m；T為恒壓時間，s；a為吸水率，一般取0.03。以一組4個試件測值的平均值作為試驗結果。

2.4 微觀試驗

采用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)進行微觀試驗，對各組別ECC纖維分布均勻部位進行取樣，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)部微觀結構、孔隙大小及分布情況。為進一步分析ECC內(nèi)部元素變化情況，采用能量分散光譜儀(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)進行分析試驗，該試驗在SEM掃描的同時即可完成，無需再次制樣。分析ECC內(nèi)部化學組分含量，結合以上各試驗結果，分析得到硅灰最適摻量范圍。

3 試驗結果與討論

3.1 工作性能試驗

各組ECC工作性能的評價指標測試結果見表3。由表3可知，E-0組各項評價指標中，坍落度SL為218 mm，超過可泵送及可噴射水泥基材料SL最大限值200 mm。在摻入硅灰組別中，E-20組的坍落擴展度St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SL、坍落擴展度St及倒坍時間t均滿足新拌材料可泵送及可噴射的評價指標要求，同時，E-15組的SL/St值為0.432，更接近0.450。即硅灰摻量為15%時，滿足各項新拌材料可泵送及可噴射的評價指標要求。這是由于硅灰顆粒極細，會在拌合物表面產(chǎn)生一層潤滑層，導致其泵送阻力減小，對可泵送性產(chǎn)生積極作用[19,26]；同時使新拌材料黏聚性增大,對其噴敷性產(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系[19]。

表3 ECC工作性能各項評價指標值Table 3 Evaluation indicators of ECC workability

3.2 力學性能試驗

每組配合比采用5個試件進行軸心抗壓試驗，各組5個試件的抗壓強度標準差δ0均控制在1～2 MPa以內(nèi)。因此，可將各組ECC的抗壓強度平均值作為28 d軸心抗壓強度。ECC試件28 d軸心抗壓強度與硅灰摻量的擬合關系見圖2。

由圖2可知，通過曲線擬合得到的ECC抗壓強度與硅灰摻量之間呈非線性關系，相關系數(shù)高達0.971 3，具有較好的擬合效果，表明隨著硅灰摻量的增加，ECC抗壓強度逐漸增大。E-10、E-15、E-20組抗壓強度為37.85、38.42、38.63 MPa，相對于E-0組（34.23 MPa）增大11%、12%、13%?？梢?，隨著硅灰含量的增加，ECC的抗壓強度增長趨勢有所減緩。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，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生成高密度的凝膠反應物來大幅度提高ECC的強度[30-31]，從而導致隨著硅灰含量的增加，抗壓強度的差距較小，且增幅不明顯。由于硅灰的“填充效應”及“火山灰效應”使材料內(nèi)部結構更密實，從而使得ECC抗壓強度有所增大。

圖2 ECC抗壓強度與硅灰摻量關系Fig. 2 Relationship between ECC compressive strength and silica fume content

每組配合比采用5個試件進行單軸拉伸試驗，各組5個試件的峰值拉伸應力標準差δ1均控制在0.32～0.62 MPa以內(nèi)。因此，各組ECC的拉伸應力—應變曲線由5個試件所對應的拉伸曲線算數(shù)平均值構成。ECC試件單軸拉伸應力—應變曲線見圖3。ECC的拉伸初裂荷載、極限拉伸應變隨硅灰摻量的增加呈現(xiàn)增大的趨勢（詳見圖3（a））。各組的極限拉伸應變分別為3.48%、3.62%、3.82%，相對于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度，從而使材料有了抗拉強度及更高的韌性。摻硅灰后ECC強度增幅稍緩是由于在本配合比中粉煤灰摻量較高，而硅灰的最大摻量僅為水泥含量的0.20；在水化反應初期，由于粉煤灰活性低于水泥，粉煤灰的火山灰反應過程發(fā)生得非常緩慢，導致系統(tǒng)的總體水化程度降低，粉煤灰摻量越高，越明顯，此時的粉煤灰主要起填充作用；同時，ECC本身水灰比較高，導致基體結構密實性稍差，ECC強度增幅稍緩。但摻硅灰后ECC的力學性能均得到較大提升。

在拉伸試驗過程中，ECC出現(xiàn)應變—硬化及多縫開裂現(xiàn)象，如圖3（b）所示。在應力—應變曲線上，拉伸應變?yōu)?.02%～1.5%時對應所得ECC的穩(wěn)定應變—硬化階段，拉伸應變?yōu)?.5%～3.8%時對應的是應變—硬化下降段。而Li[6]得到穩(wěn)定應變—硬化階段對應拉伸應變的范圍為0.01%～4.5%，即文獻[6]中測量得到的韌性較好的ECC穩(wěn)定應變—硬化階段所對應的拉伸應變范圍高于本研究測量值。僅根據(jù)圖3（a）中曲線可知，研究得到的穩(wěn)定應變—硬化階段最大拉伸應變?yōu)?.5%，表現(xiàn)為“拉伸軟化點”較早出現(xiàn)，穩(wěn)定應變—硬化階段較早結束。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因為（詳見圖3（c））：本研究與文獻[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量段標距僅為50 mm，而文獻[6]測量段的標距達到100 mm；同時，本研究中啞鈴型拉伸試塊的夾具段和測試段之間等腰梯形過渡段的坡度為0.27，而文獻[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[6]平緩得多。因此，當且僅當水泥基材料ECC的理想材料勻質假定完全成立的情況下，本研究50 mm測試段所測得的應力—應變曲線才與文獻[6]中100 mm測試段具有可比性；由于本研究試塊過渡段比文獻[6]平緩得多，試驗過程中不能排除多縫開裂現(xiàn)象產(chǎn)生在測量標距50 mm之外的過渡段部位的可能，如圖3（b）所示。引伸計不能測得標距以外的多縫開裂、應變硬化現(xiàn)象，導致ECC“拉伸軟化點”相對較早出現(xiàn)，穩(wěn)定應變—硬化階段較早結束。再者，應變—硬化下降段相對于文獻[6]中趨勢更為平緩，ECC的應變—硬化下降段范圍約為文獻[6]試塊的8倍，表明試件并不是在穩(wěn)定應變—硬化階段結束后直接被拉斷，且裂縫并不是迅速擴展，而是ECC達到穩(wěn)定應變—硬化階段的拉伸應變后，纖維并未被拉斷，其對基體的“橋接作用”進一步加強，可在一定程度上抑制裂縫擴展，試件多縫開裂繼續(xù)開展，使得應變—硬化行為進一步開展，直至試件被拉斷。目前現(xiàn)有的測試水泥基材料應力—應變關系的試驗均是基于某一試塊類型，而尚未有人提出ECC材料試塊標準，采用標距50 mm進行拉伸試驗并不影響同組別內(nèi)拉伸應力—應變指標的分析與對比。因此，為了更精確地表征ECC的整個應變—硬化過程，不排除纖維的增韌作用，筆者擬采用的ECC極限拉伸應變?yōu)楹奢d下降至峰值荷載的10%以內(nèi)時應力所對應的應變值。

圖3 單軸拉伸試驗Fig. 3 Uniaxial tensile test

3.3 抗?jié)B試驗

3.3.1 ECC抗?jié)B試驗結果及分析 ECC抗?jié)B試驗相關結果見表4。各組ECC的滲透系數(shù)K與硅灰摻量的擬合關系見圖4。由表4的試驗結果可知，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，硅灰摻量與抗?jié)B性呈正比關系，兩者擬合相關系數(shù)R2為0.992 2，具有良好的相關性。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個階段，平均滲水高度和滲透系數(shù)在3個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個階段中，10%～15%階段兩個指標的降低速率最為顯著。由于硅灰的“填充效應”及參與二次水化反應生成凝膠物質，使?jié)B流通道延長、曲折度增加，增大了水在孔隙中的流動難度。所以，添加硅灰可顯著提升高水灰比ECC的抗?jié)B性。

表4 ECC抗?jié)B試驗結果Table 4 ECC impermeability test results

圖4 滲透系數(shù)K與硅灰摻量關系Fig. 4 Relationship between K and silica fume content

為進一步得到硅灰最適摻量，擬采用箱形圖及標準差對各組滲透高度數(shù)據(jù)進行離散程度分析，如

圖5所示。因E-0組幾乎滲透完全，此處不對該組數(shù)據(jù)進行分析。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)的標準差最小，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ECC抗?jié)B性改善明顯。

圖5 統(tǒng)計圖Fig. 5 Statistical chart

3.3.2 摻硅灰ECC抗壓強度與滲透性的關系 摻硅灰ECC抗壓強度與滲透性的關系見圖6。由圖6（a）可知，隨硅灰摻量的增加，ECC抗壓強度增大，其平均滲水高度、滲透系數(shù)均降低?？箟簭姸仍诠杌覔搅繛?～10%時增長最為顯著，而平均滲水高度、滲透系數(shù)在硅灰摻量為10%～15%時降低趨勢最為顯著，表明抗壓強度與滲透性并不具備良好的對應性。為進一步探究摻硅灰ECC抗壓強度與滲透性的關系，將其擬合成如圖6（b）中所示的非線性關系，兩者相關系數(shù)R2為0.997 9、0.996 8，均接近1，表明擬合程度接近兩者的實際關系。說明摻硅灰ECC抗壓強度與滲透性之間呈非線性關系，并不同于普通混凝土滲透性隨抗壓強度的增加而線性降低[38]。

圖6 摻硅灰ECC抗壓強度與滲透性關系Fig. 6 Relationship between compressive strength and permeability of ECC with silica fume

3.4 微觀試驗

3.4.1 電鏡掃描和成分分析 試驗得到的E-0、E-10組微觀結構示意圖見圖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，且結構相對較疏松，有較多的裂隙產(chǎn)生；界面存在層狀氫氧化鈣（Ca（OH）2）晶體，與水泥基結合不緊密，同時產(chǎn)物自身結構疏松，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化，水化產(chǎn)物顯微結構中Ca（OH）2晶體明顯減少，以凝膠狀物質水化硅酸鈣（C-S-H）為主體，同時還可觀察到固化28 d未反應完全的SF顆粒附著在水泥基體上，使得整個基質的結構更加致密，ECC的抗?jié)B性及力學性能得到提高[32]。下面通過EDS能譜進一步分析摻入硅灰后ECC中物質、元素的變化情況。

圖7 ECC中纖維與水泥基體連接情況Fig. 7 Connection between fiber and cement matrix in ECC

圖8 ECC微觀結構形貌圖Fig. 8 Microstructure morphology of ECC

3.4.2 EDS能譜成分分析 進行EDS能譜試驗，得到的各組ECC中所含各元素質量百分比見表5，定義鈣硅比（Ca/Si）為ECC材料中鈣質材料CaO、Ca（OH）2和硅質材料SiO2化學成分中的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：

表5 ECC中各元素質量百分比Table 5 Element mass percentage of ECC%

圖9 Ca/Si值隨硅灰摻量的變化Fig. 9 Changes of Ca/Si value with silica fume content

1）隨著硅灰摻量的增加，Si元素含量呈遞增趨勢，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中，整個過程可以描述為反應方程式：SiO2+Ca（OH）2+H2O→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，轉而生成凝膠物質C-S-H，導致基體中的游離Ca元素含量不斷減小，而硅灰并不能完全參加反應，水化反應剩余或未參加反應的硅灰顆粒將對孔隙進行填充，從而提高ECC的抗?jié)B性能和力學性能。

2）在上述反應過程中，消耗了大量OH-離子，降低了ECC基體中OH-的含量，同時，C-S-H呈現(xiàn)很強的吸收堿的能力，從而使水泥砂漿中的堿含量進一步降低，表明硅灰可在一定程度上抑制堿集料反應，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。這是因為硅灰的火山灰反應在生成凝膠產(chǎn)物C-S-H的同時會消耗Ca、Si元素，當硅灰摻量超過15%后，其減小趨勢變緩尤為明顯。

在水泥含量一定的情況下，水化反應產(chǎn)生Ca(OH)2的量不變，硅灰含量的增加導致其與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2的火山灰反應不能完全進行，達到飽和態(tài)；同時，火山灰反應會生成大量水化產(chǎn)物C-S-H，該過程不僅消耗大量水分，C-S-H的凝膠孔也會吸附部分水分，使得基體內(nèi)部相對濕度迅速下降，導致硅灰的火山灰反應不能進一步進行[31]。因此，當硅灰超過最適含量后，Ca/Si值的減小趨勢會有所降緩。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，新拌ECC滿足可泵送及可噴射的要求。同時，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軸心抗壓強度、極限拉伸應變逐漸增大。可見，硅灰可提高ECC的力學性能，使得韌性良好的ECC進一步提高其韌性。

3）摻加硅灰顯著提高了高水灰比ECC的抗?jié)B性能。試驗結果表明，摻硅灰組別試件的抗?jié)B等級均達到國家水工結構防滲要求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度的增加而線性降低，而是呈非線性關系。

4）由ECC微觀機理試驗可得，硅灰“填充效應”及“火山灰效應”產(chǎn)生的凝膠物質可使纖維與水泥石基體之間的通道減小，使材料內(nèi)部基質結構致密；硅灰可一定程度地抑制堿骨料反應，提高材料耐久性。由Ca/Si值變化趨勢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，可應用于地下及水工結構，解決開裂和滲漏水等工程病害問題。