粉煤灰摻量對(duì)HDCC力學(xué)及收縮性能的試驗(yàn)研究

馬 東,王成生,周建國,田 礫*,王鵬剛

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,山東 青島 266033;2.中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司青島分公司,天津 300000;3.山東路橋集團(tuán)青島分公司,山東 青島 266033)

高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(HDCC)是Li基于微觀力學(xué)、斷裂力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué),通過調(diào)整纖維、基體和纖維-基體界面微觀力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)的一種纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料[1],因其具有應(yīng)變硬化和多縫開裂特點(diǎn)被廣泛研究和應(yīng)用,尤其應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)加固、橋梁連接板、抗震結(jié)構(gòu)重要節(jié)點(diǎn)和機(jī)場(chǎng)跑道等方面[2-5]。粉煤灰作為一種常見的輔助膠凝材料[6],已被廣泛應(yīng)用到HDCC中,通過粉煤灰取代水泥不僅可以提高HDCC材料的性能,還可以降低HDCC的生產(chǎn)成本。Wang等[7]研究表明,大摻量粉煤灰(粉煤灰摻量為60%)可顯著降低HDCC基體的強(qiáng)度,獲得較高的拉伸應(yīng)變。Yang等[8]研究了粉煤灰摻量占膠凝材料總量75%～85%的HDCC,結(jié)果表明,90 d齡期HDCC仍能維持2%～3%的拉伸應(yīng)變,且裂縫寬度顯著減小。Zhu等[9-10]研究表明粉煤灰摻量為50%～80% 能顯著提高HDCC的抗彎性能和細(xì)化裂縫等。然而,上述相關(guān)研究采用的是進(jìn)口高強(qiáng)度、高彈性模量的PVA纖維或者PE纖維,導(dǎo)致HDCC成本較高。我國是PVA纖維生產(chǎn)大國,2021年我國PVA纖維產(chǎn)量高達(dá)100萬噸。與進(jìn)口纖維相比,國產(chǎn)PVA纖維強(qiáng)度和彈性模量均較低,但成本僅為進(jìn)口纖維的1/5。因此,許多研究學(xué)者嘗試采用國產(chǎn)PVA纖維制備HDCC,研究結(jié)果表明,采用國產(chǎn)PVA纖維同樣制備出相對(duì)較好的拉伸性能和力學(xué)性能[11-14]的HDCC。然而,對(duì)HDCC的微觀機(jī)理方面的相關(guān)研究尚不完善,同時(shí)HDCC收縮顯著高于普通水泥基材料的問題亟待解決。針對(duì)上述問題,本文采用國產(chǎn)PVA纖維和大摻量粉煤灰等材料制備低收縮HDCC,系統(tǒng)研究粉煤灰摻量對(duì)HDCC微結(jié)構(gòu)、力學(xué)及收縮性能的影響。為低成本、低收縮HDCC制備與應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料

采用P.O 52.5水泥和Ι級(jí)低鈣粉煤灰,水泥和粉煤灰的化學(xué)組成見表1。石英砂粒徑為80～120目,減水劑為聚羧酸高效減水劑,減水率為30%。采用國產(chǎn)PVA纖維,其物理力學(xué)性能見表2。

表1 水泥和粉煤灰的化學(xué)組成(單位:%)Tab.1 Chemical composition of cement and fly ash (unit: %)

表2 PVA纖維物理力學(xué)性能指標(biāo)Tab.2 Physical and mechanical properties of PVA fiber

1.2 配合比

HDCC配合比和基體凈漿配合比見表3和表4。其中,水膠比為0.36,粉煤灰摻量分別為水泥摻量的1.2倍、1.5倍和2.2倍,砂膠比為0.36,PVA纖維的體積摻量為2%。

表3 HDCC配合比(單位:kg/m3)Tab.3 Mix proportion of HDCC (unit: kg/m3)

表4 HDCC基體配合比(單位:kg/m3)Tab.4 Mix proportion of matrix of HDCC(unit:kg/m3)

1.3 試驗(yàn)方法

采用TAM air八通道等溫量熱儀,測(cè)試不同樣品的水化熱。按照表4稱量各種原材料,采用凈漿攪拌機(jī)攪拌,用膠頭滴管將樣品裝入安倍瓶中,然后將安倍瓶放入等溫量熱儀進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試環(huán)境溫度為(20±2)℃,相對(duì)濕度為60%±5%。

采用PQ001型低場(chǎng)核磁共振分析儀測(cè)試試樣的孔結(jié)構(gòu)。按照表3準(zhǔn)備試樣,試樣在混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度(20±2)℃,相對(duì)濕度≥95%)養(yǎng)護(hù)至14和56 d后用小錘子輕輕敲碎,取2～3 mm的碎塊進(jìn)行飽水處理,然后將待測(cè)試樣放入LF-NMR儀器的圓柱筒中,調(diào)整好儀器相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

采用FSF003高精度纖維性能測(cè)試儀進(jìn)行單纖維拔出試驗(yàn),按照表3配合比,試樣尺寸為10 mm的立方體,纖維一端埋入基體內(nèi)部1 mm,覆膜養(yǎng)護(hù)1 d后拆模,然后將試樣放入混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7 d后取出,待表面干燥后用AB樹脂膠在纖維另一端進(jìn)行纖維掛膠球處理[15]。待膠球強(qiáng)度達(dá)到待測(cè)強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn),測(cè)試?yán)焖俾蕿? μm/s。

抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)參照GB/T—17671《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行,試塊成型1 d后拆模,然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù),之后分別測(cè)試14、28、56和90 d齡期的抗壓和抗折強(qiáng)度。

單軸拉伸試驗(yàn)采用“啞鈴型”試塊進(jìn)行拉伸性能的測(cè)試[16]。試件尺寸示意圖和試驗(yàn)測(cè)試圖如圖1所示。試塊成型后覆膜養(yǎng)護(hù)1 d后拆模、編號(hào),將試塊放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d,到待測(cè)齡期后取出試塊,并擦干表面水分,采用電子拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試,采用外接引伸計(jì)(測(cè)量標(biāo)距為80 mm,最大測(cè)量變形為20 mm)同步采集縱向變形,加載方式按位移加載,加載速率為0.3 mm/min。

圖1 單軸拉伸試驗(yàn)和試件示意圖Fig.1 Schematic diagram of uniaxial tensile tests and specimens

自收縮和干收縮試驗(yàn)按照規(guī)范JCT/603—2004《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》,采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件,成型24 h后拆模。拆模后將自收縮試塊放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)室(溫度(20±2)℃,相對(duì)濕度60%±5%)靜置4 h后,用鋁箔紙將其全部密封,分別進(jìn)行編號(hào)、標(biāo)記測(cè)試方向。干燥收縮試塊成型后24 h后拆模,然后將試塊放入混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d,取出試塊放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)室(靜置4 h后,沿兩個(gè)長(zhǎng)度方向用鋁箔膠帶密封,只保留兩個(gè)暴露面。使用標(biāo)準(zhǔn)桿調(diào)零后,將試塊放在水泥砂漿比長(zhǎng)儀上進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)束后將試塊放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)室。自收縮和干燥收縮試塊分別以1和28 d的長(zhǎng)度為初始長(zhǎng)度,分別測(cè)試不同齡期的試塊長(zhǎng)度,通過計(jì)算得到試塊收縮變形量。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰摻量對(duì)HDCC凈漿水化速率的影響

與硅酸鹽水泥的水化過程相似,HDCC凈漿的水化反應(yīng)同樣包括初始期、誘導(dǎo)期、加速期、減速期和穩(wěn)定期五個(gè)反應(yīng)過程。從圖2可知,隨著粉煤灰摻量的增加,HDCC凈漿的水化放熱峰值和累計(jì)放熱量均顯著降低。從圖2(a)可知,隨著粉煤灰摻量的增加,初始期提前。產(chǎn)生上述的原因:當(dāng)HDCC的膠凝材料用量固定不變時(shí),隨著粉煤灰摻量的增加減少了水泥用量,而粉煤灰早期不參與水化反應(yīng),相當(dāng)于增大了HDCC的有效水膠比,使更多的水參與水泥初始期的水化,導(dǎo)致初始期提前。而誘導(dǎo)期、加速期、減速期和穩(wěn)定期均出現(xiàn)明顯的延遲現(xiàn)象。產(chǎn)生上述的原因:(1)粉煤灰摻量增大了有效水膠比,一方面降低了孔隙溶液的Ca2+濃度,另一方面粉煤灰顆粒對(duì)Ca2+有吸附作用,因此,Ca2+需要更長(zhǎng)的時(shí)間達(dá)到過飽和,導(dǎo)致誘導(dǎo)期延后[18];(2)隨著粉煤灰摻量的增加導(dǎo)致水泥用量的減少,使HDCC凈漿體系水化反應(yīng)生成的氫氧化鈣(CH)和水化硅酸鈣(C-S-H)明顯減少,進(jìn)而導(dǎo)致水化過程延遲且放熱峰顯著降低。從上述分析可知,隨著粉煤灰摻量的增加,顯著降低和延遲了HDCC的水化放熱速率,從而引起HDCC凈漿累計(jì)放熱量的顯著降低。

圖2 粉煤灰摻量對(duì)HDCC凈漿水化放熱速率和累計(jì)放熱量的影響Fig.2 Effect of fly ash amount on the heat release rate of hydration and cumulative heat release of HDCC matrix

此外,與普通硅酸鹽水泥水化放熱相比,在加速期新增了一個(gè)放熱峰,產(chǎn)生的原因是與粉煤灰的礦物組成有關(guān)[17]。產(chǎn)生第二個(gè)放熱峰的原因是由于粉煤灰中氧化鋁(Al2O3)含量較高,水化反應(yīng)生成的鋁酸鹽相與鈣礬石反應(yīng)形成單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)有關(guān),此過程放出一定的熱量,造成加速期新放熱峰的出現(xiàn)。

2.2 粉煤灰摻量對(duì)PVA纖維-基體界面微觀力學(xué)參數(shù)的影響

圖3和表5分別為單纖維拔出荷載-位移曲線和PVA纖維-基體界面微觀力學(xué)參數(shù)?？梢钥闯?粉煤灰摻量的增加引起拉伸荷載的降低,FA2.2出現(xiàn)了明顯的荷載陡降段,該現(xiàn)象表示PVA纖維與基體的脫粘現(xiàn)象。根據(jù)文獻(xiàn)[19]中公式,計(jì)算出化學(xué)結(jié)合能Gd、界面摩擦力τ0和滑移硬化系數(shù)β,計(jì)算結(jié)果如表5所示。由于FA1.2基體強(qiáng)度高,產(chǎn)生較大的Gd,導(dǎo)致纖維因較高的Gd發(fā)生斷裂,使基體無法進(jìn)入脫粘和滑移強(qiáng)化階段。對(duì)于FA1.5和FA2.2,隨著粉煤灰摻量的增加,會(huì)顯著降低纖維與基體之間的化學(xué)結(jié)合能Gd、界面摩擦力τ0,但滑移硬化系數(shù)β逐漸增大。這是因?yàn)榉勖夯覔搅康脑黾?延遲了HDCC基體的水化放熱速率,導(dǎo)致HDCC基體強(qiáng)度顯著降低,未水化的球狀粉煤灰顆粒在基體中起到填充和潤(rùn)滑作用。因此,這三個(gè)微觀參數(shù)的改變會(huì)使纖維在基體中由纖維拔斷變?yōu)槔w維拔出[19],這種變化對(duì)于提高HDCC的延性十分有利。

圖3 單纖維拔出試驗(yàn)曲線Fig.3 Single fiber pull-out test curve

表5 PVA纖維-基體界面微觀參數(shù)Tab.5 Microscopic parameters of PVA fiber-matrix interface

2.3 粉煤灰摻量對(duì)HDCC孔結(jié)構(gòu)分布的影響

粉煤灰摻量對(duì)HDCC孔徑分布的影響如圖4所示。從圖4(a)和(b)可知,隨著粉煤灰摻量的增加,波峰和孔隙累計(jì)體積都增大。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,波峰和孔隙累計(jì)體積顯著降低。在14 d齡期時(shí),曲線第一個(gè)波峰對(duì)應(yīng)的孔徑(最可幾孔徑)隨著粉煤灰摻量的增加右移(FA1.2、FA1.5:20.39 nm,FA2.2:25.85 nm)。而56 d的最可幾孔徑分別為(FA1.2、FA1.5:19.02 nm,FA2.2:21.85 nm)。這是因?yàn)榉勖夯覔搅康脑黾?引起HDCC內(nèi)部水化產(chǎn)物相對(duì)稀疏,使最可幾孔徑右移,而隨著齡期的增加,最可幾孔徑左移,這是因?yàn)榉勖夯业亩嗡磻?yīng),生成的水化產(chǎn)物填充了HDCC的內(nèi)部孔隙。根據(jù)研究表明[20],水泥基材料的孔結(jié)構(gòu)可分為凝膠孔(<10 nm)、小毛細(xì)孔(10～50 nm)、大毛細(xì)孔(50～100 nm)以及有害孔(>100 nm)。此外,從圖4(b)的孔隙累計(jì)體積曲線可計(jì)算出各種孔徑的占比,如圖4(c)所示?？芍?隨著粉煤灰摻量的增加,小毛細(xì)孔占比降低,有害孔占比增大。HDCC的總孔隙率如表6所示。很明顯,隨著粉煤灰摻量的增大,HDCC的總孔隙率變大。因此,粉煤灰的摻入顯著改變了HDCC的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),從而影響HDCC的力學(xué)和收縮變形性能。

圖4 粉煤灰摻量對(duì)HDCC孔徑分布的影響Fig.4 Effect of fly-ash amount on the pore distribution of HDCC

表6 HDCC孔隙率Tab.6 Porosity of HDCC

2.4 粉煤灰摻量對(duì)HDCC單軸拉伸性能的影響

HDCC單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。可知,所有配合比的極限拉伸應(yīng)變均大于0.5%,且極限拉伸應(yīng)變隨著粉煤灰摻量的增加而增大。根據(jù)JC/T 2461—2018的規(guī)定,極限拉伸應(yīng)變超過0.5%且裂縫寬度不超過200 μm,即為高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。與FA1.2相比,FA1.5和FA2.2的極限拉伸應(yīng)變分別提高了89%和128.7%,但極限抗拉強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而減小,分別降低了14.6%、25.2%。HDCC多縫開裂情況如圖6所示?？芍?隨著粉煤灰摻量的增加,HDCC多縫開裂和應(yīng)變硬化特性更明顯。從2.2節(jié)可知,粉煤灰摻量越大,對(duì)降低化學(xué)結(jié)合能Gd和界面摩擦力τ0越明顯,基體中的纖維從纖維拔斷變?yōu)槔w維拔出,促進(jìn)纖維-基體更好地發(fā)揮橋接作用,使HDCC的延性顯著提高。

圖5 HDCC單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Uniaxial tensile stress-strain curve of HDCC

圖6 不同粉煤灰摻量HDCC的多縫開裂情況Fig.6 Multiple cracking of HDCC with different fly-ash dosages

2.5 粉煤灰摻量對(duì)HDCC抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響

HDCC的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度如圖7(a)和(b)所示。養(yǎng)護(hù)90 d后,與FA1.2相比,FA1.5和FA2.2的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別降低了8.8%、16.5%和9.6%、36%。產(chǎn)生上述的原因如下:(1)粉煤灰的反應(yīng)活性較低,使HDCC內(nèi)部反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物減少。(2)從表6可知,粉煤灰的摻入增大了HDCC的總孔隙率,導(dǎo)致抗壓、抗折強(qiáng)度的顯著降低。與28 d強(qiáng)度相比,三組配合比在90 d齡期的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別增加了14.6%、13.4%、7%和13.9%、20.2%、27.2%。這是由于養(yǎng)護(hù)齡期的增加,未水化的水泥顆粒的繼續(xù)水化和粉煤灰中SiO2和Al2O3與孔溶液中的Ca(OH)2發(fā)生二次火山灰反應(yīng)[21],生成水化硅酸鈣(C-S-H)和水化鋁酸鈣(C-A-H)填充HDCC內(nèi)部孔隙。

圖7 HDCC的抗折和抗壓強(qiáng)度Fig.7 Flexural and compressive strengths of HDCC

2.6 粉煤灰摻量對(duì)HDCC自收縮和干燥收縮的影響

圖8為粉煤灰摻量對(duì)HDCC收縮變形的影響?？梢钥闯?28 d自收縮變形發(fā)展較快,且自收縮變形隨齡期的增加而增大,90 d后趨于穩(wěn)定,與FA1.2相比,FA1.5和FA2.2在90 d齡期自收縮分別降低了14.2%和30%。可見,隨著粉煤灰的摻入可顯著降低HDCC的自收縮變形。產(chǎn)生上述的原因如下:(1)從2.1節(jié)可知,粉煤灰摻量對(duì)HDCC凈漿體系早期的水化有延遲作用,HDCC內(nèi)部水分消耗量減少。由Kelvin方程可知,較高的相對(duì)濕度可降低HDCC自收縮驅(qū)動(dòng)力。(2)從圖5(c)可知,粉煤灰摻入減少了小毛細(xì)孔(10～50 nm)范圍的孔徑比例,而HDCC的自收縮變形主要與小毛細(xì)孔有關(guān),小毛細(xì)孔徑的減少是HDCC自收縮變形減小的另外一個(gè)原因。

圖8 粉煤灰摻量對(duì)HDCC收縮變形的影響Fig.8 Effect of fly ash amount on shrinkage deformation of HDCC

HDCC干燥收縮曲線如圖8(b)所示。與FA1.2相比,FA1.5和FA2.2在90 d干燥收縮分別降低了16.2%和36.1%。可見,隨著粉煤灰摻量的增加,HDCC的干燥收縮變形顯著減小。這是因?yàn)?(1)未水化的粉煤灰顆粒作為細(xì)集料,抑制了HDCC的干燥收縮變形。(2)由于外界濕度保持恒定,而HDCC內(nèi)部水分向外擴(kuò)散,毛細(xì)孔彎液面半徑逐漸減小[22],引起干燥收縮。因此,隨著粉煤灰摻量增加,水化產(chǎn)物的減少,導(dǎo)致干燥收縮因毛細(xì)失水而降低。

3 結(jié)論

1)粉煤灰摻量的增加引起水泥用量的減少,增大了體系的有效水膠比,促進(jìn)初始期水泥顆粒的水化。而水泥用量的減少,導(dǎo)致體系更快地完成水化,使穩(wěn)定期提前。此外,由于粉煤灰顆粒的稀釋和吸附作用,使Ca2+濃度過飽和的時(shí)間延長(zhǎng),反應(yīng)生成物延遲了誘導(dǎo)期、加速期和減速期。

2)粉煤灰摻量的增加,降低了基體的強(qiáng)度,引起微觀力學(xué)參數(shù)的改變,促使基體中的纖維由拔斷轉(zhuǎn)為拔出,進(jìn)而提高了HDCC延性和韌性。

3)粉煤灰摻量的增加,增加了HDCC的總孔隙率,導(dǎo)致了抗壓、抗折強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度的降低。而小毛細(xì)孔徑占比降低和內(nèi)部相對(duì)濕度高引起自收縮顯著降低,干燥收縮降低是未水化的粉煤灰顆粒的微集料效應(yīng)和水化產(chǎn)物減少毛細(xì)失水降低引起的。