骨料種類對ECC力學(xué)性能的影響研究

郝如升,王振波,包想軍,李 洋

(1. 中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065;2. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京),北京 100083;3. 中國水利水電第三工程局有限公司, 西安 710024)

0 前 言

水工混凝土性脆易裂,服役過程中產(chǎn)生的毫米級裂縫成為有害離子侵蝕和滲漏的主要通道,加快混凝土保護層剝落和鋼筋腐蝕速度,嚴(yán)重影響水工結(jié)構(gòu)的安全性與服役周期[1-3]。將纖維或纖維增強復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer, FRP)與混凝土結(jié)合可改善其脆性,能在一定程度上提升鋼筋混凝土的韌性和變形能力,但拉伸軟化并未得到根本改善[4-5]。高延性水泥基材料(Engineered Cementitious Composites, ECC)是為克服傳統(tǒng)混凝土脆性、解決其耐久性問題而發(fā)展起來的高性能建筑材料,其在復(fù)雜荷載作用下仍具有應(yīng)變硬化、延性高、裂縫小和抗侵蝕等優(yōu)異性能[6],其拉伸應(yīng)變能達到混凝土的百倍[7],目前主要被研究應(yīng)用于建筑加固、混凝土路面、地下水庫和建筑加固等工程領(lǐng)域[8-11]。在水工建筑中,ECC已被成功應(yīng)用于金沙江上游巴塘電站,旨在解決壩基廊道開裂及滲透問題。

ECC主要由纖維、水泥、粉煤灰、水和精細石英砂(75～150 μm)等材料配制而成,高昂的材料成本致使其雖具備優(yōu)異的力學(xué)性能卻無法得到大面積的推廣與工程應(yīng)用。其中,精細石英砂不僅制備費用和運輸價格高,且大量開采對環(huán)境造成不利影響。為此,許多學(xué)者開展了替代精細石英砂方面的研究。Sahmaran等[12]通過調(diào)整粉煤灰摻量,分別使用破碎礫石砂和石灰?guī)r砂制備出性能優(yōu)異的ECC,其強度和延性優(yōu)于精細石英砂ECC;李祚等[13]使用沙漠砂制備了ECC,發(fā)現(xiàn)其抗拉、抗剪和抗壓強度與精細石英砂ECC相比無明顯變化,但極限拉伸應(yīng)變僅達到精細石英砂ECC的50%;郭麗萍等[14]使用金剛砂和精細石英砂制備了ECC,對比發(fā)現(xiàn),金剛砂ECC的抗拉強度高于精細石英砂ECC,但極限拉應(yīng)變降低了56%;姚淇耀等[15]使用海沙制備出抗拉強度達到2.70 MPa、延性達到3.99%的ECC。可見,使用不同類型的骨料配置ECC,其性能易可達到甚至超過精細石英砂ECC。類似地,倘若使用工程現(xiàn)場細骨料制備ECC,不僅能夠降低ECC原材料成本,還可彌補水工混凝土的性能短板,發(fā)揮其高耐久、抗沖擊和耐侵蝕的優(yōu)勢,也為構(gòu)筑高性能水工結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

基于此,本文分別采用某工程現(xiàn)場砂(鈣質(zhì)砂)和石英砂制備了ECC,試驗研究了骨料類型對ECC抗壓性能、抗彎性能、抗拉性能和裂縫寬度的影響,探尋該現(xiàn)場砂制備ECC的可行性,為構(gòu)筑高性能水工建筑物提供新思路。

1 試驗原材料與方法

1.1 試驗原材料

水泥采用金隅冀東水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,其初凝和終凝時間分別為191 min和246 min,化學(xué)成分檢驗結(jié)果見表1。選用粉煤灰代替部分水泥可降低砂漿基體的強度,改善纖維與砂漿基體之間的黏結(jié)性能,使ECC獲得更好的穩(wěn)態(tài)開裂效果。本研究選用I級粉煤灰,其化學(xué)成分檢驗結(jié)果列于表1。

表1 膠凝材料化學(xué)成分

纖維采用日產(chǎn)聚乙烯醇(PVA)纖維,出廠時纖維表面已進行涂油處理,從而降低纖維與砂漿基體間的化學(xué)黏結(jié)力,使其發(fā)揮更好的橋接效果,單根PVA基本性能參數(shù)見表2。

表2 PVA性能參數(shù)

本文采用兩種砂制備ECC,二者壓碎值按照J(rèn)GJ 52-2006標(biāo)準(zhǔn)[16]測試,其不同粒徑區(qū)間的壓碎值對比見表3。兩組ECC均由0.075～0.60 mm粒徑區(qū)間的砂制備,細度模數(shù)為1.23,各粒徑占比分別為:0.30 ～0.60 mm占47%,0.15 ～0.30 mm占29%,0.075 ～0.15 mm占24%。

表3 兩種砂的壓碎值

1.2 試驗配合比

兩組ECC采用相同的配合比,ECC-1表示用石英砂制備的ECC,ECC-2表示用鈣質(zhì)砂制備的ECC,PVA纖維的體積摻量為2%。此外,為研究PVA纖維對ECC的增強增韌效果,設(shè)置了不摻纖維的砂漿基體對比組,即ECC-1M和ECC-2M,具體見表4。

表4 ECC配合比

1.3 試驗方法

兩組ECC試件的成型與養(yǎng)護的步驟如下:① 將砂投入攪拌機后加入總拌合水的8%攪拌1 min,使砂子充分預(yù)濕;② 將膠凝材料加入攪拌機與砂子攪拌2 min,待混合均勻后,緩慢加入剩余拌合水和減水劑并繼續(xù)攪拌2 min,獲得均勻流動的漿體;③ 將纖維緩慢撒入漿體內(nèi),充分?jǐn)嚢枰员ＷC纖維分散均勻;④ 將攪拌好的ECC漿體,分2～3次分別澆筑至對應(yīng)模具(抗壓、抗彎和抗拉試件),振搗后抹面,并使用聚乙烯保鮮膜覆蓋表面以防止水分散失;⑤ 將澆筑好的ECC靜置1 d后拆模,并將試件移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室分別養(yǎng)護至7 d和28 d,在測試前將試件從養(yǎng)護室中取出進行相關(guān)力學(xué)性能試驗。

ECC基體抗壓試驗按照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》[17]進行。ECC抗壓試驗的試件采用邊長為70.7 mm的立方體,加載速率為0.5 mm/min。抗拉試件采用日本土木工程學(xué)會(JSEC)推薦的狗骨型試件[18],其具體尺寸見圖1。

試驗過程中,在試件兩側(cè)分別安裝兩個引伸計,并由計算機實時采集拉伸荷載值和試件受拉區(qū)的軸向拉伸應(yīng)變,試驗加載速率為0.15 mm/min。抗彎試件選用160 mm×40 mm×40 mm(長×寬×高)的長方體,三點彎曲加載速率為0.15 mm/min,跨距為100 mm。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗壓性能

從兩組ECC抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比可以看出(見圖2),抗壓試件達到峰值荷載后,強度隨應(yīng)變增加而緩慢降低,曲線趨于平滑,在停止試驗前(2.5%應(yīng)變前),試件仍具有一定的承載力,殘余強度介于20～40 MPa。試驗過程中ECC的破壞過程如下:加載初期,試件表面無明顯變化;荷載增加至峰值荷載的80%左右,試件表面首先出現(xiàn)微裂紋,隨著荷載的繼續(xù)增加,原裂紋延伸擴展的同時伴隨新裂紋的產(chǎn)生,可聽到纖維斷裂和拔出的“嘶嘶”聲;達到峰值荷載時,主裂紋雖貫穿試件,但試件裂而不碎;此后,試件承載力隨著位移的增加而緩慢下降,裂縫繼續(xù)擴張,試件橫向變形明顯增大,側(cè)表面出現(xiàn)“鼓包”和剝落現(xiàn)象,停止加載后,試件仍具有較高的整體性。整個受壓過程中,ECC表現(xiàn)出優(yōu)異的抗壓韌性和延性破壞,與砂漿的脆性破壞形式有明顯差異,這歸功于內(nèi)部PVA纖維的增韌阻裂作用。

圖2 ECC抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3匯總了兩組ECC的抗壓強度,與ECC-1M和ECC-2M相比,摻入纖維使其抗壓強度分別降低了30%和18%。這是因為,試件攪拌成型時,摻入PVA纖維在ECC中引入界面和氣孔等內(nèi)部缺陷,導(dǎo)致試件孔隙率增大、抗壓強度降低。值得注意的是,ECC-2的7 d抗壓強度達到28 d的75.8%,遠高于ECC-1的57%。上標(biāo)是因為ECC-2中的鈣質(zhì)砂內(nèi)部含有氯離子(Cl-),可促進鋁酸鈣(C3A)和硅酸三鈣(C3S)的水化作用[19],有利于ECC早期強度發(fā)展。

圖3 抗壓強度對比

2.2 抗拉性能

圖4繪制了兩組ECC的抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖4中可以看出,應(yīng)力應(yīng)變曲線均經(jīng)歷3個階段:① 線彈性階段,此階段試件表面保持完整,應(yīng)力隨應(yīng)變線性增加;② 應(yīng)變硬化階段,在產(chǎn)生第一條裂紋后,ECC進入應(yīng)變硬化階段,此階段試件表面呈現(xiàn)多點開裂的特征,抗拉強度隨應(yīng)變增加抖動上升,應(yīng)力的每一次抖動都代表著一條新裂縫的產(chǎn)生;③ 應(yīng)變軟化階段,拉伸應(yīng)力達到峰值后,最薄弱的裂縫持續(xù)張開發(fā)展為主裂縫,最終導(dǎo)致試件斷裂破壞。

圖4 ECC抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線中提取出兩組ECC的開裂強度、抗拉強度和極限拉應(yīng)變等參數(shù),并匯總于圖5中。ECC-1的7 d和28 d開裂強度達到2.94 MPa和3.25 MPa,分別是ECC-2的1.31倍和1.40倍。這是因為ECC的拉伸開裂強度主要取決于砂漿基體的開裂強度,而鈣質(zhì)砂的壓碎值低于石英砂(見表3),致使ECC-2的拉伸開裂強度低于ECC-1。相較于兩組ECC的開裂強度,二者之間的抗拉強度差距縮小,ECC-1的抗拉強度僅為ECC-2的1.08倍和1.09倍。反觀二者的極限拉伸應(yīng)變,ECC-2的7 d和28 d極限拉應(yīng)變分別達到4.23%和5.15%,分別是ECC-1的5.42倍和2.96倍。

圖5 抗拉參數(shù)對比

ECC是基于微觀力學(xué)設(shè)計的高性能水泥基復(fù)合材料,其具有的應(yīng)變硬化行為本質(zhì)上是“拉伸強度增大-基材開裂-斷面間纖維發(fā)揮橋接作用-拉伸應(yīng)變持續(xù)增加-拉伸強度增大”的循環(huán)往復(fù)過程,正是因為ECC-2較低的開裂強度,更易滿足設(shè)計原理中的強度準(zhǔn)則,致使PVA纖維在ECC-2的應(yīng)變硬化過程中發(fā)揮了更好的橋接作用,從而表現(xiàn)出更優(yōu)異的延性。也正是通過應(yīng)變硬化過程,彌補了ECC-2自身拉伸開裂強度的不足。但整體而言,兩組ECC的延性均遠超于普通混凝土的延性,ECC-1的極限拉應(yīng)變超過1.5%,可滿足多數(shù)水工結(jié)構(gòu)對材料延性的需求。

圖6展示了拉伸過程中兩組ECC的裂縫形態(tài)發(fā)展,圖中括號內(nèi)的數(shù)字代表該應(yīng)變下裂縫的平均寬度。由圖6可以看出,隨著應(yīng)變的增加,裂縫寬度和裂縫數(shù)量逐漸增大。與傳統(tǒng)混凝土破壞時展現(xiàn)出的宏觀裂縫不同,兩組ECC在應(yīng)變硬化過程中的裂縫始終控制在微米級。研究表明,寬度不超過150 μm的裂縫具有優(yōu)異的自愈合性能,且裂縫寬度越小,愈合效率越高[20]。因此,ECC的這一優(yōu)異的裂縫控制能力,對于有嚴(yán)格抗?jié)B要求的水工結(jié)構(gòu)是非常有利的。

圖6 ECC裂縫發(fā)展

2.3 抗彎性能

兩組ECC的抗彎荷載-位移曲線如圖7所示。由圖7可知,與抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線相同,荷載-位移曲線也經(jīng)歷了線彈性、應(yīng)變硬化和應(yīng)變軟化3個階段。從曲線中提取出兩組ECC的抗彎荷載和極限撓度,并繪制于圖8,可以看出,ECC-2的28 d抗彎荷載和極限撓度分別達6.83 kN和1.83 mm,均高于ECC-1,說明使用鈣質(zhì)砂制備ECC具有更優(yōu)的抗彎性能。此外,根據(jù)ASTM C1018[21]計算了ECC的彎曲韌性,抗彎過程中,ECC的各級韌性指數(shù)(In)均滿足硬化彈塑性材料的條件。

圖7 ECC抗彎荷載-位移曲線

圖8 抗彎參數(shù)對比

圖9展示了兩組ECC抗彎試件28 d的受彎試件側(cè)面的裂紋形態(tài),拍攝時間對應(yīng)位移-荷載曲線上的峰值荷載(試件處于加載狀態(tài))。其中,對試件純彎段進行了二值化處理,以便觀察裂紋分布形態(tài)?？梢钥闯?兩組ECC均表現(xiàn)出不同程度的多點開裂特征,其破壞形態(tài)與鋼筋混凝土類似,這是因為亂象分布的PVA纖維在ECC內(nèi)部形成穩(wěn)定的支撐體系,在基材開裂后承擔(dān)一部分應(yīng)力,避免了應(yīng)力的突然釋放,抑制了ECC的開裂過程,提高其抗折和抗彎性能。

圖9 ECC彎曲破壞形態(tài)

3 結(jié) 論

本文分別使用石英砂和鈣質(zhì)砂制備了ECC,并通過抗壓試驗、抗拉試驗和抗彎試驗,研究對比了骨料類型及養(yǎng)護齡期對ECC基本力學(xué)性能的影響,并分析了PVA纖維對ECC的增強增韌作用機理,得出以下主要結(jié)論:

(1) 與ECC-1M和ECC-2M相比,摻入PVA纖維使兩種ECC的28 d抗壓強度分別降低了18%和30%,但抗壓試驗中表現(xiàn)出優(yōu)異的延性和韌性。鈣質(zhì)砂ECC的早期強度發(fā)展速度快于石英砂ECC,其7 d抗壓強度可達到28 d的75.8%。

(2) 兩種砂制備的ECC在抗拉過程中均展現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)變硬化效果,其平均裂縫寬度不超過100 μm。鈣質(zhì)砂ECC的拉伸開裂強度和抗拉強度均低于石英砂ECC,但其極限拉應(yīng)變遠高于石英砂ECC,7 d和28 d分別達到了4.23%和5.15%。

(3) 兩種ECC的抗彎荷載位移曲線均經(jīng)歷了線彈性、應(yīng)變硬化和應(yīng)變軟化3個階段,二者均滿足彈塑性材料的韌性指標(biāo)。與石英砂ECC相比,鈣質(zhì)砂ECC具有更優(yōu)的抗彎性能,其28 d抗彎荷載和極限撓度分別達6.83 kN和1.83 mm。