人工砂粒級(jí)對(duì)水工ECC 材料強(qiáng)度及自愈合性能的影響

鄢 勇，李 楊，，石 妍，陳程琦

（1. 華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041； 2. 長江水利委員會(huì)長江科學(xué)院，湖北 武漢 430010）

0 引 言

裂縫是水工混凝土的主要病害之一，可導(dǎo)致宏觀性能損傷和微觀結(jié)構(gòu)劣化，威脅整體的安全穩(wěn)固和長效耐久。據(jù)統(tǒng)計(jì)近90%的水利工程都存在裂縫、滲漏、溶蝕和離子侵蝕等問題［1］，并由此產(chǎn)生了大量的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)，“無壩不裂”仍然是水工混凝土的顯著特點(diǎn)。因此，水工混凝土裂縫的預(yù)防與控制是廣泛關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

混凝土開裂是強(qiáng)度和變形相互作用的結(jié)果。使用聚合物纖維能夠提高水泥基材料的韌性和極限變形能力，改善水泥基材料裂縫發(fā)育和發(fā)展過程中的脆性特性，但無法克服纖維增強(qiáng)材料（Fiber Reinforced Composites，簡稱FRC）破壞過程中應(yīng)變軟化的特點(diǎn)，并且極限變形能力的提高幅度有限，實(shí)際工程中發(fā)生開裂的現(xiàn)象仍然較多［2］。高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementitious composites，簡稱ECC）的纖維摻量顯著高于FRC，單軸拉伸荷載下的最大應(yīng)變超過3%［3］，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過水工混凝土和FRC 的變形能力，并且破壞過程中具有明顯的應(yīng)變硬化特點(diǎn)［4，5］。同時(shí)，ECC材料膠凝材料用量大、水膠比較低，導(dǎo)致膠凝材料水化不完全，具有較好的裂后自愈合能力，這對(duì)混凝土裂縫的控制極為有利。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

使用四川峨勝水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5 水泥進(jìn)行試驗(yàn)，密度為3.14 g/cm3，比表面積為334 m2/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為25.6%。為改善水工ECC 的工作性并降低絕熱溫升，使用F類I 級(jí)粉煤灰取代部分水泥，粉煤灰的密度為2.31 g/cm3，細(xì)度為6.8%，比表面積為390 m2/kg，7 d和28 d的強(qiáng)度活性指數(shù)分別為68%和75%。水泥和粉煤灰化學(xué)成分如表1所示。

表1 水泥和粉煤灰的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of cement and fly ash

為改善和調(diào)節(jié)水工ECC 材料的工作性，使用江蘇蘇博特公司生產(chǎn)的PCA-1 聚羧酸高性能減水劑（緩凝型）提升漿體的分散效果和流動(dòng)性能，減水劑的減水率為30%。同時(shí)使用纖維素類增稠劑改善漿體的泌水性能和黏聚性能，并添加消泡劑降低水工ECC 的含氣量，同時(shí)優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)特性。選用江蘇能力公司生產(chǎn)的短切聚乙烯醇（PVA）進(jìn)行試驗(yàn)，長度為12 mm，密度為1.3 g/cm3，熔點(diǎn)為225～230 ℃。纖維性能檢測(cè)結(jié)果如表2 所示。試驗(yàn)中控制PVA纖維的體積摻量為2%。

表2 PVA纖維性能Tab.2 Properties of PVA fibre

傳統(tǒng)的ECC 材料多采用石英砂制備，并控制石英砂的粒徑尺寸。本次采用人工砂制備水工ECC 材料，同時(shí)利用方孔篩將原狀砂篩分成最大粒徑分別為2.5、1.25、0.63、0.315 和0.16 mm的不同粒級(jí)的人工砂。原狀砂的細(xì)度模數(shù)為2.8，表觀密度為2.66 g/cm3，石粉含量為14.1%，飽和面干吸水率為1.5%，粒徑級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 原狀砂的粒徑級(jí)配曲線Fig.1 Size grading of original artificial sand

1.2 配合比

使用不同粒級(jí)的人工砂分別成型水膠比為0.25 和0.35 的兩種水工ECC 材料?？紤]水工混凝土性能特點(diǎn)和應(yīng)用需求，并結(jié)合大體積混凝土溫控壓力和經(jīng)濟(jì)成本，控制兩種水工ECC 材料的粉煤灰摻量均為50%，PVA 纖維的體積摻量均為2%，增稠劑和消泡劑的摻量分別為0.009%、0.05%。為保持不同強(qiáng)度等級(jí)的水工ECC 材料具有相近的流動(dòng)性水平，控制水膠比為0.25系列組的減水劑摻量為0.8%，水膠比為0.35系列組的減水劑摻量為0.6%，相應(yīng)的跳桌流動(dòng)度為150～170 mm。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)人工砂粒級(jí)對(duì)水工ECC 材料的用水量有顯著影響（見圖2）。原狀砂制備0.35 水膠比試驗(yàn)組的用水量為340 kg/m3，制備0.25 水膠比試驗(yàn)組的用水量為305 kg/m3，但隨人工砂最大粒徑尺寸的減小，相同流動(dòng)度時(shí)水工ECC 材料的用水量增大，兩者間存在較好的相關(guān)關(guān)系。從圖2中可以看出，基本上人工砂粒級(jí)每降低一個(gè)等級(jí)，水工ECC 材料的用水量需增加5 kg/m3，這主要與人工砂粒級(jí)降低后，水工ECC 材料整體的比表面積增加，相同水膜厚度情況下需要的用水量也增大。

圖2 人工砂粒級(jí)與用水量的關(guān)系Fig.2 Relationship between water demand and size grading of sand

1.3 成型和試驗(yàn)方法

纖維分散的均質(zhì)程度對(duì)ECC 材料性能有較大影響，而攪拌制度是影響纖維分散效果的關(guān)鍵因素。試驗(yàn)采用臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌和，原材料加料順序和拌和制度如圖3所示，整個(gè)拌和過程持續(xù)6～8 min，包括水泥、粉煤灰和人工砂先干拌1 min，然后加入水和外加劑濕拌2～3 min，最后加入PVA 纖維繼續(xù)攪拌3～5 min。攪拌結(jié)束后，將水工ECC 材料裝入試模，并在室溫下養(yǎng)護(hù)24 h 后拆模，然后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至7 d 或28 d 齡期進(jìn)行試驗(yàn)。

圖3 原材料加料順序和拌和制度Fig.3 Mixing procedure of raw material

使用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d 和28 d。同時(shí)，將受壓破壞的試件重新放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28 d 后再次進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，考察水工ECC 材料抗壓強(qiáng)度的恢復(fù)情況，并用強(qiáng)度比表征受損后的自愈合性能。強(qiáng)度比的計(jì)算公式如下：

用于組織活動(dòng)的微信群中的讀者，熱愛讀書有良好讀書習(xí)慣，樂于積極參與圖書館活動(dòng)，為后續(xù)活動(dòng)積攢了大量人脈。活動(dòng)結(jié)束后讀者參與線下活動(dòng)意愿非常強(qiáng)烈，多次在群討論中表達(dá)組織線下活動(dòng)的意愿，由于缺乏好的線下活動(dòng)主題，我們?cè)诮M織一次頒獎(jiǎng)討論活動(dòng)后再?zèng)]有其他官方活動(dòng)。盡管讀者自發(fā)組織了幾次小范圍的線下活動(dòng)，但是規(guī)模都比較小影響力也不夠。缺乏線下活動(dòng)的刺激，使群活躍度逐漸降低。此外，活動(dòng)結(jié)束后負(fù)責(zé)活躍群氛圍及維護(hù)群秩序的志愿者由于種種原因不再負(fù)責(zé)維護(hù)工作，讀者群內(nèi)廣告及其他無關(guān)信息較多，造成大批讀者退群。

式中：k為強(qiáng)度比；fcc，1為初次試驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度，MPa；fcc，2為再次試驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度，MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度影響

人工砂粒級(jí)對(duì)水工ECC 材料抗壓強(qiáng)度的影響如圖4 所示。相同試驗(yàn)條件下，水膠比0.25 系列組各齡期的抗壓強(qiáng)度普遍高于水膠比0.35 系列組；而隨人工砂粒級(jí)的降低和最大粒徑尺寸的減小，水工ECC 材料各齡期的抗壓強(qiáng)度隨略有增加，但整體的變化幅度并不大，如人工砂最大粒徑尺寸從5 mm 減小為0.16 mm 時(shí)，水膠比0.25 系列組7 d 齡期抗壓強(qiáng)度從30.2 MPa 增加至33.9 MPa，增加幅度為12.3%；28 d 齡期抗壓強(qiáng)度從54.3 MPa 增加至57.3 MPa，增加幅度為5.5%；90 d 齡期抗壓強(qiáng)度從74.6 MPa 增加至77.6 MPa，增加幅度為4.0%。這說明水工ECC材料抗壓強(qiáng)度受人工砂粒級(jí)的影響不明顯。

圖4 人工砂粒級(jí)對(duì)水工ECC材料抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4 Effects of maximum particle size of artificial sand on compressive strength of hydraulic ECC

水工ECC 材料受壓過程中的破壞態(tài)與水工混凝土明顯不同。水工混凝土具有典型的脆性特征，破壞后試件表面剝落，呈明顯的“倒八字”型；而水工ECC 材料的破壞過程屬于延性破壞［6-8］。受PVA 纖維作用的影響，隨壓力機(jī)荷載的不斷增大，水工ECC 材料的裂縫寬度不斷增加，裂縫數(shù)量不斷增多，縱向尺寸不斷減小，而表面沒有剝落現(xiàn)象發(fā)生，試驗(yàn)結(jié)束后的試件形態(tài)仍較為完整。

人工砂粒級(jí)對(duì)水工ECC 材料抗壓強(qiáng)度發(fā)展特性的影響如圖5所示。試驗(yàn)以28 d齡期的抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)，分別計(jì)算7 d和90 d 齡期抗壓強(qiáng)度的比值。從圖5 中可以看出，水工ECC 材料具有較好的強(qiáng)度增長特性，同齡期不同水膠比水工ECC 材料的抗壓強(qiáng)度增長率相差不大，而抗壓強(qiáng)度增長率與人工砂粒級(jí)之間也缺少顯著的相關(guān)關(guān)系，如水膠比0.35 試驗(yàn)組7 d 齡期的抗壓強(qiáng)度增長率為50.7%～55.8%，90 d 齡期為134.2%～136.7%；水膠比0.25 試驗(yàn)組7 d 齡期為57.4%～61.0%，90 d 齡期為133.9%～137.4%。水工ECC 材料較好的強(qiáng)度增長特性，一方面與膠凝材料用量大、水膠比較小有關(guān)，另一方面也與粉煤灰摻量較多有關(guān)。

圖5 人工砂粒級(jí)對(duì)水工ECC材料抗壓強(qiáng)度發(fā)展特性的影響Fig.5 Effects of maximum particle size of artificial sand on compressive strength development of hydraulic ECC

2.2 劈拉強(qiáng)度影響

人工砂粒級(jí)對(duì)水工ECC 材料劈拉強(qiáng)度的影響如圖6 所示。水膠比0.25 試驗(yàn)組的同齡期劈拉強(qiáng)度顯著高于水膠比0.35 試驗(yàn)組，這與抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)規(guī)律相吻合，符合水膠比對(duì)水泥基材料性能影響的一般規(guī)律。同時(shí)，隨人工砂粒級(jí)的降低，水工ECC 材料的劈拉強(qiáng)度明顯增加，人工砂粒級(jí)對(duì)水工ECC 劈拉強(qiáng)度的影響程度高于抗壓強(qiáng)度，如人工砂最大粒徑尺寸從5 mm減小至0.16 mm 時(shí)，水膠比0.35 系列組7 d 齡期的劈拉強(qiáng)度從1.63 MPa 增長至1.91 MPa，增加幅度為17.2%；28 d 齡期劈拉強(qiáng)度從2.33 MPa 增長至2.85 MPa，增加幅度為22.3%；90 d 齡期劈拉強(qiáng)度從2.68 MPa 增長至3.28 MPa，增加幅度為22.4%。人工砂粒級(jí)降低時(shí)，水工ECC 材料劈拉強(qiáng)度的增長幅度大于抗壓強(qiáng)度。

圖6 人工砂粒級(jí)對(duì)水工ECC材料劈拉強(qiáng)度的影響Fig.6 Effects of maximum particle size of artificial sand on splitting tensile strength of hydraulic ECC

人工砂粒級(jí)對(duì)水工ECC 材料劈拉強(qiáng)度發(fā)展特性的影響如圖7所示。計(jì)算以28 d齡期的劈拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)，分別計(jì)算7 d齡期和90 d 齡期劈拉強(qiáng)度的比值。從圖7 中可以看出，水工ECC材料28 d 齡期劈拉強(qiáng)度的增長幅度超過90 d 齡期，并且劈拉強(qiáng)度的增長幅度也小于同齡期的抗壓強(qiáng)度，如水膠比0.35 試驗(yàn)組7 d 齡期的劈拉強(qiáng)度增長率為62.8%～70.0%，90 d 齡期的增長率為114.9%-115.1%；而同齡期抗壓強(qiáng)度的增長率分別為50.7%～55.8%和133.9%～137.4%，這說明水工ECC 材料抗壓強(qiáng)度的發(fā)展速度快于劈拉強(qiáng)度，這與其他水泥基材料的特性相同［9］。

圖7 人工砂粒級(jí)對(duì)水工ECC材料劈拉強(qiáng)度發(fā)展特性的影響Fig.7 Effects of maximum particle size of artificial sand on splitting tensile strength development of hydraulic ECC

圖8是人工砂粒級(jí)對(duì)水工ECC材料拉壓比的影響。拉壓比是水泥基材料同齡期抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值，反映了材料的韌性特征。從圖8 中可以看出，水膠比0.25 系列組的同齡期拉壓比明顯小于水膠比0.35 系列組，并且隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長，同系列試驗(yàn)組的拉壓比有所降低。同時(shí)，人工砂粒級(jí)與拉壓比之間也缺少明確的相關(guān)關(guān)系。如養(yǎng)護(hù)齡期從7 d 增加至90 d時(shí)，水膠比0.35 系列組的拉壓比從0.086～0.094 減小至0.058～0.064，水膠比0.25系列組的拉壓比從0.075～0.081 減小至0.051～0.056。

圖8 人工砂粒級(jí)對(duì)水工ECC材料拉壓比的影響Fig.8 Effects of maximum particle size on the ratio of splitting tensile strength to compressive strength

水工ECC 材料拉壓比隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律符合水泥基材料性能的演變特點(diǎn)，主要與抗壓強(qiáng)度增長較快，而抗拉強(qiáng)度發(fā)展較慢有關(guān)。上述試驗(yàn)表明，人工砂粒級(jí)對(duì)水工ECC 材料的工作性有顯著影響，但與抗壓強(qiáng)度、韌性指標(biāo)之間缺少較為明確的相關(guān)關(guān)系，劈拉強(qiáng)度隨人工砂粒級(jí)的降低略有增加，說明在保證工作性的前提下，水工ECC 材料可適當(dāng)使用較大粒徑尺寸的人工砂，這有利于降低技術(shù)成本、提高經(jīng)濟(jì)性，并改善拌合和施工的效果。

2.3 自愈合性能影響

自愈合能力是ECC 材料備受關(guān)注的重要指標(biāo)之一，本次使用強(qiáng)度比表征水工ECC 材料的自愈合能力［10，11］，試驗(yàn)時(shí)先將到達(dá)預(yù)定齡期的試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，并將破壞后的試件繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28 d 后再次進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，比較兩次抗壓強(qiáng)度的變化情況，從而評(píng)判水工ECC材料的自愈合能力。

圖9 是水工ECC 材料自愈合前后抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，其中水膠比0.35 系列組和水膠比0.25 系列組7 d 齡期試件的再次抗壓強(qiáng)度均超過首次抗壓強(qiáng)度，而28 d 齡期試件的再次抗壓強(qiáng)度均低于首次抗壓強(qiáng)度，如7 d 齡期試件的結(jié)果均分布在45°線以上區(qū)域，而28 d 齡期試件的結(jié)果均分布在45°線以下區(qū)域，說明水工ECC 材料水化早期的自愈合能力較強(qiáng)，而水化后期的自愈合能力減弱，這可能與水化早期膠凝材料的水化程度較低，而水化后期膠凝材料的水化程度較高有關(guān)。

圖9 水工ECC材料自愈合前后抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Comparison of compressive strength of hydraulic ECC before and after healing

人工砂粒級(jí)對(duì)水工ECC材料強(qiáng)度比的影響如圖10所示，各系列組7 d 齡期試件的強(qiáng)度比普遍高于28 d 齡期試件，而水膠比0.35 系列組的強(qiáng)度比也低于水膠比0.25 系列組。同時(shí)，水工ECC 材料強(qiáng)度比隨人工砂粒級(jí)的變化趨勢(shì)不明顯。從圖10 中可以看出，水膠比0.35 系列組7 d 齡期試件的強(qiáng)度比為1.28～1.45，28 d齡期試件的強(qiáng)度比為0.72～0.76；而水膠比0.25系列組7 d 齡期試件的強(qiáng)度比為1.50～1.63，28 d 齡期試件的強(qiáng)度比為0.81～0.87，這表明較高膠凝材料用量和較低水膠比的情況下，水工ECC材料可能具有較好的損傷后自愈合能力［12］。

圖10 人工砂粒級(jí)對(duì)水工ECC材料強(qiáng)度比的影響Fig.10 Effect of maximum particle size on compressive strength ratio of hydraulic ECC

水工ECC 材料的強(qiáng)度與膠凝材料的用量和水化程度有關(guān)，而膠凝材料的水化程度又進(jìn)一步影響到自愈合性能［13］。利用原狀砂制備水工ECC 材料，在水膠比為0.25、用水量為305 kg/m3的情況下，相應(yīng)的膠凝材料用量為1 220 kg/m3，其中水泥和粉煤灰的用量均為610 kg/m3；而在水膠比為0.35、用水量為340 kg/m3的情況下，相應(yīng)的膠凝材料用量為972 g/m3，其中水泥和粉煤灰的用量均為486 kg/m3。前者試驗(yàn)組的膠凝材料用量和水泥用量較后者高26%，這是導(dǎo)致水膠比0.25 系列組自愈合能力較強(qiáng)的原因之一。

單位體積中水工ECC 材料水化產(chǎn)物組成如圖11 所示。粉煤灰活性指數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果表明，在30%摻量水平下，摻粉煤灰試驗(yàn)組的7 d 齡期抗壓強(qiáng)度僅為未摻對(duì)比組的68%，說明粉煤灰在最早7 d 齡期時(shí)仍未發(fā)生“二次水化”反應(yīng)。因此，計(jì)算中假定粉煤灰在7 d 齡期時(shí)并未參與水泥水化，同時(shí)水膠比和實(shí)際水灰比對(duì)水泥水化速率的影響也較小。水化產(chǎn)物組成采用水化熱力學(xué)軟件計(jì)算，模型參照Lothenbach等人［14］的工作。

圖11 單位體積重水工ECC材料水化結(jié)束時(shí)體系組成Fig.11 Phase composition of each group after hydration completed

從圖11 中可以看出，在水膠比0.25 和0.35 的情況下，試驗(yàn)組內(nèi)部干燥速率較快，水泥均不能完全水化；其中水膠比0.25試驗(yàn)組，水化0.7 d時(shí)結(jié)束水化，自由水完全消耗；水膠比0.35試驗(yàn)組，水化3 d 時(shí)結(jié)束水化，自由水完全消耗。水化中止時(shí)，水膠比0.25 試驗(yàn)組的C3S、C2S 含量仍遠(yuǎn)高于水膠比0.35 試驗(yàn)組，導(dǎo)致前者裂后自愈合能力高于后者。

3 結(jié) 論

水工ECC 材料在裂縫預(yù)防與損傷自愈合方面有廣闊的前景。本文使用人工砂制備出了性能良好的水工ECC 材料，并研究了人工砂粒級(jí)對(duì)水工ECC 材料力學(xué)強(qiáng)度、自愈合性能的作用規(guī)律，分析了自愈合性能的主要影響因素，得出的主要結(jié)論如下。

（1）人工砂粒級(jí)對(duì)水工ECC 材料的工作性和用水量有顯著影響。相同流動(dòng)度水平情況下，人工砂粒級(jí)每降低一個(gè)等級(jí)，水工ECC材料的用水量需增加5 kg/m3左右。

（2）水工ECC 材料的抗壓強(qiáng)度對(duì)人工砂粒級(jí)的變化不敏感，但劈拉強(qiáng)度隨人工砂粒級(jí)的降低有小幅增加。水工ECC 材料具有較好的強(qiáng)度增長特性，抗壓強(qiáng)度的增長速率高于劈拉強(qiáng)度，90d齡期抗壓強(qiáng)度較28 d齡期可增加30%～40%。

（3）水工ECC 材料具有較好的自愈合能力，水膠比、養(yǎng)護(hù)齡期和膠凝材料用量是影響水工ECC 材料自愈合性能的主要因素，而人工砂粒級(jí)與水工ECC 材料自愈合性能之間缺乏顯著的相關(guān)關(guān)系。水化早期情況下，水工ECC 材料愈合后的強(qiáng)度可超過受損前強(qiáng)度。

混凝土裂后自愈合能力是工程界普遍關(guān)注的重點(diǎn)，文章采用強(qiáng)度比綜合表征了水工ECC 的自愈合性能，但未就損傷程度、裂縫寬度、養(yǎng)護(hù)條件等因素與自愈合效果的關(guān)系進(jìn)行討論，這也是本文下一階段的工作重點(diǎn)。