SAP對高性能工程水泥基復(fù)合材料性能的影響

姜愛國,楊維斌,2,蔡 杰

(1.煙建集團(tuán)有限公司,煙臺 264000;2.煙臺大學(xué)土木工程學(xué)院,煙臺 264000)

0 引 言

高性能工程水泥基復(fù)合材料(high performance engineered cementitious composites, HP-ECC)是一種抗壓強(qiáng)度大于80 MPa,拉伸延伸率大于3%,并且具有多縫開裂特性的短切纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料[1]。這種優(yōu)良的水泥基材料能夠滿足我國快速城市化進(jìn)程中建筑工程結(jié)構(gòu)逐漸向大跨度和超高層等方向發(fā)展的要求。

在HP-ECC的設(shè)計中,通常用細(xì)硅砂代替粗骨料,降低砂與膠凝材料的比例可獲得更低的基體斷裂韌度,從而提高HP-ECC的拉伸延伸率[2-3]。使用低水膠比和超細(xì)礦物摻合料還可以確保HP-ECC的強(qiáng)度[4]。膠凝材料在水化過程中會消耗一部分水,導(dǎo)致基體內(nèi)部相對濕度急劇下降,這會加強(qiáng)孔隙內(nèi)部的毛細(xì)管張力,并導(dǎo)致材料早期自收縮增加[5]。此外,由于后期的水化反應(yīng)和蒸發(fā)作用,基體內(nèi)部的水分進(jìn)一步耗散,也會導(dǎo)致基體發(fā)生干燥收縮[6]。上述因素導(dǎo)致的HP-ECC內(nèi)部收縮量遠(yuǎn)大于普通混凝土收縮量,這可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂,進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)的使用安全性。因此,收縮問題成為了阻礙HP-ECC廣泛應(yīng)用的瓶頸。

超吸水性聚合物(superabsorbent polymer, SAP)作為一種具有親水網(wǎng)絡(luò)的新型功能聚合物材料,可以吸收大量的水[7]。在早期水化過程中,當(dāng)相對濕度急劇下降時,SAP逐漸將水釋放到硬化的基體中,補(bǔ)充水化反應(yīng)引起的水分消耗,從而降低毛細(xì)管壓力,緩解收縮效應(yīng)[8]。因此,SAP通常被視為一種內(nèi)部養(yǎng)護(hù)外加劑,用于緩解混凝土收縮[9]。Yao等[10]研究表明加入SAP顆?？梢悦黠@提高ECC的拉伸應(yīng)變能力和韌性,由于SAP顆粒具有吸水性,在基體中引入SAP可有效降低ECC試件的干燥收縮和約束收縮。Khan等[11]研究了養(yǎng)護(hù)溫度和SAP含量對ECC應(yīng)變硬化性能的影響,發(fā)現(xiàn)SAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時可抵消溫度對ECC性能的負(fù)面影響。Zhang等[12]發(fā)現(xiàn)SAP的應(yīng)用降低了ECC的抗壓強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度,但使其應(yīng)變能力提高了56.0%～81.3%,同時,ECC表現(xiàn)出較低的自收縮和干燥收縮。

本文以SAP作為內(nèi)部養(yǎng)護(hù)外加劑,對SAP采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算,研究了SAP摻量(0%、0.1%、0.2%、0.3%)對HP-ECC抗壓強(qiáng)度、拉伸性能、干燥收縮和自收縮的影響,并采用掃描電子顯微鏡分析了纖維在基體中拔出后的表面形貌。

1 實(shí) 驗

1.1 原材料

膠凝材料采用普通硅酸鹽水泥P·Ⅱ 52.5(portland cement, PC),輔助膠凝材料采用硅灰(silica fume, SF)和S95級?；郀t礦渣(granulated blast furnace slag, GGBS),其化學(xué)組成如表1所示。集料采用石英砂(silica sand, SS),其最大粒徑小于300 μm,平均粒徑為135 μm,表觀密度為2 850 kg/m3。纖維采用超高分子量PE纖維,長度12 mm,彈性模量100 GPa,拉伸強(qiáng)度3 000 MPa,SEM照片如圖1所示。SAP為交聯(lián)聚丙烯酸和丙烯酰胺的共聚物,其吸水能力約為260 g/g,SEM照片如圖2所示,最大粒徑為200 μm,平均粒徑為 95 μm。采用聚羧酸系高效減水劑(superplasticizer, SP),固含量大于20%,減水率為30%。拌合水(water, W)為自來水。

圖1 PE纖維的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM image of PE fiber

圖2 SAP的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM image of SAP

表1 膠凝材料的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of cementitious materials

1.2 配合比及制備方法

HP-ECC的原材料配合比如表2所示,所有HP-ECC的原材料在標(biāo)準(zhǔn)混合器中混合。首先將配合比中干燥的SAP進(jìn)行飽水處理,備用。將所有固體成分,包括PC、SF、GGBS和SS,干燥混合攪拌約2 min。然后將W、SP、SAP添加到干燥混合物中,攪拌3 min,得到砂漿。再將PE纖維緩慢添加到砂漿中并混合攪拌,直到所有纖維均勻分布,得到混合物。最后將混合物澆鑄到模具中,24 h后脫模。脫模后,所有試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d,養(yǎng)護(hù)溫度為(20±2) ℃,相對濕度為(90±5)%。

1.3 測試方法

抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—2021)進(jìn)行測試,試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。拉伸性能根據(jù)《高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗方法》(JCT2461—2018)進(jìn)行測試,試樣尺寸如圖3所示。自收縮和干燥收縮根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)進(jìn)行測試。采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察HP-ECC拉伸后的纖維表面微觀形貌。

圖3 拉伸性能測試試樣的尺寸Fig.3 Specimen size of tensile performance test

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度

圖4為不同摻量的SAP對HP-ECC抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明,隨著SAP摻量的增加,HP-ECC的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度逐漸降低,這意味著SAP對HP-ECC的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度具有負(fù)面影響,尤其是在養(yǎng)護(hù)3 d時。當(dāng)使用更高摻量的SAP時,抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度損失更加明顯。隨著SAP摻量從0%增加到0.3%,HP-ECC在3、28和90 d時的抗壓強(qiáng)度分別降低了22.8%、16.5%和15.4%,抗折強(qiáng)度分別降低了33.9%、20.8%和17.1%?？箟簭?qiáng)度降低的原因主要與SAP吸收的水釋放到基質(zhì)后形成的空隙有關(guān)。值得注意的是,摻入更多的SAP也會導(dǎo)致基體的孔隙率升高,從而降低抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。但是,在HP-ECC的后期階段可以觀察到SAP輕微的強(qiáng)度補(bǔ)償效應(yīng)。相比于S-0試樣,S-0.1、S-0.2和S-0.3試樣從28 d到90 d的抗壓強(qiáng)度分別提高了34.9%、23.3%和11.6%。這主要?dú)w因于SAP的水解效應(yīng)促進(jìn)了HP-ECC中無水水泥顆粒的進(jìn)一步水化反應(yīng),以及硅灰和礦渣的二次水化反應(yīng),進(jìn)而增強(qiáng)了基體的C-S-H凝膠含量,改善了界面過渡區(qū)[13]。

圖4 SAP對HP-ECC抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of SAP on compressive strength and flexural strength of HP-ECC

2.2 拉伸性能

圖5為HP-ECC的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線,樣品編號后的-1#、-2#、-3#為三個平行試樣。HP-ECC在軸向拉伸下的行為可分為三個階段:彈性上升階段、應(yīng)變硬化階段和應(yīng)變軟化階段。所有試樣在拉伸試驗過程中都表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變硬化行為。

圖5 HP-ECC的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Tensile stress-strain curves of HP-ECC

基于HP-ECC的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線,表3列出了拉伸性能的關(guān)鍵參數(shù),包括初裂強(qiáng)度、極限拉伸強(qiáng)度、拉伸延伸率和拉伸應(yīng)變能。結(jié)果表明,隨著SAP摻量的增加,HP-ECC的初裂強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度逐漸降低,這與HP-ECC的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度變化趨勢相似。與S-0試樣相比,S-0.1、S-0.2和S-0.3試樣的極限拉伸強(qiáng)度分別降低了5.7%、12.0%和15.6%。顯然,SAP作為有機(jī)聚合物會增加基體的孔隙率。盡管SAP在水泥基復(fù)合材料中具有內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用,可以改善HP-ECC的微觀結(jié)構(gòu),但SAP導(dǎo)致的基體孔隙效應(yīng)高于SAP引起的纖維-基體界面黏結(jié)效應(yīng)。由于PE纖維在拔出過程中具有相對更小的摩擦阻力,纖維的橋接作用更弱,從而降低了試樣的極限拉伸強(qiáng)度。然而,HP-ECC的拉伸延伸率隨著SAP摻量的增加而增加,這是因為SAP顆?？梢员灰暈榛w內(nèi)部預(yù)先存在的缺陷,存在更多促進(jìn)多重開裂的潛在開裂源,從而提高了HP-ECC的拉伸應(yīng)變能力。應(yīng)變能是評價試樣拉伸性能的一個重要指標(biāo),可以反映試樣的拉伸韌性。在HP-ECC的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線中通過從初裂點(diǎn)到極限拉伸強(qiáng)度峰值點(diǎn)的積分來計HP-ECC的能量吸收能力。隨著SAP摻量的增加,HP-ECC的拉伸應(yīng)變能逐漸增加,應(yīng)變能的增加主要來自于基體更多的開裂耗能。圖6為HP-ECC拉伸開裂圖像,結(jié)果表明,隨著SAP摻量的增加,HP-ECC拉伸后的裂紋數(shù)量逐漸增多。

圖6 HP-ECC的拉伸開裂圖像Fig.6 Tensile cracking images of HP-ECC

表3 不同SAP摻量下HP-ECC拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的關(guān)鍵參數(shù)Table 3 Key parameters of tensile stress-strain curves of HP-ECC with different SAP dosage

2.3 自收縮

不同SAP摻量的HP-ECC成型后72 h內(nèi)的自收縮發(fā)展曲線如圖7所示。由圖7可知,隨著SAP摻量的增加,HP-ECC的自收縮顯著降低。HP-ECC混合料在10 h內(nèi)水化速度快、彈性模量低的特點(diǎn)導(dǎo)致了該階段自收縮的快速演變,并隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長,自收縮趨于穩(wěn)定增長。由于HP-ECC具有水膠比低、僅含細(xì)骨料、水泥和硅灰含量高等特點(diǎn),基體微觀結(jié)構(gòu)中的內(nèi)應(yīng)力較大,HP-ECC表現(xiàn)出非常大的自收縮。S-0試樣中的最大自收縮值為2 408 με,與S-0試樣相比,S-0.1、S-0.2和S-0.3試樣的自收縮率分別降低了8.1%、23.7%和42.9%。SAP含有的聚丙烯酸側(cè)鏈具有羥基官能團(tuán),可以與水分子上的氫鍵相互作用形成交聯(lián)[4]。SAP的收縮緩解機(jī)制如圖8所示。當(dāng)基體內(nèi)的相對濕度因水化作用而急劇下降,SAP中被交聯(lián)聚電解質(zhì)吸附的水分子就會因滲透壓釋放到基體中。SAP在HP-ECC混合物的初始攪拌過程中可吸收部分游離水,并隨著水泥水化過程中內(nèi)部相對濕度的降低,被視為一個內(nèi)部蓄水池,以抵抗毛細(xì)收縮應(yīng)力引起的自收縮。此外,SAP的引入還可以有效地延緩內(nèi)部相對濕度的降低,從而減少自收縮。

圖7 HP-ECC的自收縮Fig.7 Autogenous shrinkage of HP-ECC

圖8 SAP的收縮緩解機(jī)制Fig.8 Mechanism of shrinkage mitigation for SAP

2.4 干燥收縮

所有HP-ECC混合物的干燥收縮如圖9所示。結(jié)果表明,對于所有HP-ECC試樣,在21 d之前,干燥收縮均顯著增加。隨著HP-ECC養(yǎng)護(hù)齡期的增加,基體越來越致密,內(nèi)部自由水減少,水分蒸發(fā)量減少,因此,HP-ECC的干縮曲線發(fā)展趨于平緩。隨著SAP摻量的增加,HP-ECC的干燥收縮逐漸降低。與S-0試樣相比,S-0.1、S-0.2和S-0.3試樣的干燥收縮量分別降低了8.5%、16.4%和26.9%。SAP降低HP-ECC干燥收縮量的機(jī)制是SAP顆粒的蓄水池效應(yīng)。在HP-ECC中引入SAP可以阻礙其內(nèi)部的水分蒸發(fā),有效解決水泥基體內(nèi)部缺水的問題,促進(jìn)未水化水泥的水化進(jìn)程,并減少HP-ECC混合物的干燥收縮量[14]。

圖9 HP-ECC的干燥收縮Fig.9 Drying shrinkage of HP-ECC

2.5 纖維拔出微觀形貌

圖10為拉伸后的HP-ECC纖維SEM照片。在S-0試樣中觀察到拔出后的纖維表面出現(xiàn)了一些絲狀物,這是纖維在拔出過程中受到擠壓導(dǎo)致的,說明纖維-基體界面黏結(jié)性能良好,這也是S-0試樣拉伸強(qiáng)度最高的原因之一。此外,由于纖維在拔出過程中與拉伸應(yīng)力軸向方向存在夾角,纖維在拔出位置受到基體楔形的尖銳切削作用,也會造成纖維損傷。隨著SAP摻量的增加,HP-ECC拉伸后的纖維表面越來越光滑,這意味著纖維-基體界面黏結(jié)性能降低。因此,纖維表面損傷也受基體的致密性影響。顯然,SAP摻量的增加提高了基體的孔隙率,降低了纖維周邊的基體密實(shí)度,進(jìn)而降低了纖維-基體界面摩擦黏結(jié)應(yīng)力。

圖10 拉伸后的HP-ECC纖維SEM照片F(xiàn)ig.10 SEM images of HP-ECC fibers after stretching

3 結(jié) 論

1)隨著SAP摻量的增加,HP-ECC的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度呈降低的趨勢。隨著SAP摻量從0%增加到0.3%,HP-ECC在3、28和90 d時的抗壓強(qiáng)度分別降低了22.8%、16.5%和15.4%,抗折強(qiáng)度分別降低了33.9%、20.8%和17.1%。然而,在HP-ECC的后期階段可以觀察到SAP輕微的強(qiáng)度補(bǔ)償效應(yīng)。當(dāng)SAP摻量為0.1%時,SAP的強(qiáng)度補(bǔ)償效應(yīng)最顯著。

2)所有HP-ECC試樣在拉伸過程中均表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變硬化行為。隨著SAP摻量的增加,HP-ECC的初裂強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度逐漸降低,分別從4.07和7.25 MPa降為1.84和6.12 MPa。然而,隨著SAP摻量的增加,HP-ECC的拉伸延伸率和拉伸應(yīng)變能分別從3.62%和203.4 J·m2增加到5.27%和240.8 J·m2。

3)SAP在HP-ECC中可充當(dāng)“蓄水池”,釋放的水保持了內(nèi)部的相對濕度,有效緩解了HP-ECC的自收縮和干燥收縮,使HP-ECC的自收縮和干燥收縮分別從2 408和505 με降低到1 372和369 με。

4)隨著SAP摻量的增加,在HP-ECC基體中拔出后的纖維表面越來越光滑,這意味著纖維-基體界面黏結(jié)性能降低。