不同配合比的HECC力學(xué)與干縮性能試驗研究

胡偉 李家正 石妍 盧曉春

摘要：水工超高韌性水泥基復(fù)合材料（HECC），具有中等強度、低彈性模量、較強的熱穩(wěn)定性、可控的裂縫寬度及較寬泛的原材料來源等特性，由于其中無粗骨料、膠凝材料用量高，其體積變形明顯高于普通水工混凝土，因此必須合理控制體積穩(wěn)定性。為探尋不同因素對HECC干縮及力學(xué)性能的影響及其發(fā)展規(guī)律，開展了不同水膠比、纖維摻量、粉煤灰以及硅灰摻量下的HECC流動性能、抗壓抗折強度和干縮性能試驗，并利用SEM對水化產(chǎn)物進行觀察。結(jié)果表明：在用水量一定的情況下，水膠比由0.25增至0.35，試樣的28 d抗壓強度、抗折強度和干燥收縮分別降低17.3%，9.7%和20.5%；纖維摻量顯著影響HECC抗折強度，摻量2.0%比1.0%時的抗折強度高30.0%，但對抗壓強度與干縮性能影響不大；粉煤灰摻量對HECC抗壓和抗折強度影響較大，且抗壓抗折強度隨著粉煤灰的增大而逐漸減小，摻量60%時對應(yīng)的抗壓強度和抗折強度較40%時分別降低30.4%和18.2%，粉煤灰摻量增加能夠大幅度降低HECC干燥收縮，摻量60%時的干縮率較40%摻量時降低23.5%；硅灰能提升HECC早期抗壓抗折強度，且隨著硅灰摻量的增加趨勢逐漸變緩，但硅灰對HECC的干縮不利，會增大HECC干燥收縮，摻6%時干縮率較基準組增長13.6%。

關(guān)鍵詞：HECC； 干燥收縮； 抗壓強度； 抗折強度

中圖法分類號： TV431

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.029

0引 言

超高韌性水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementitious Composite，ECC）是一種在拉伸和剪切荷載作用下表現(xiàn)出應(yīng)變硬化和多縫開裂的纖維增強水泥基復(fù)合材料［1］。ECC在國內(nèi)外的應(yīng)用場景包括制造曲面墻體、邊坡加固、道路施工、橋面修復(fù)等［2-3］。

影響ECC材料性能的因素有很多，國內(nèi)外眾多學(xué)者也開展了相關(guān)研究。張君等［4］通過三點彎曲試驗研究了水膠比對ECC彎曲性能的影響，結(jié)果表明隨著水膠比的增加，ECC的抗彎強度降低，且低水膠比對抗彎性能影響更明顯；高杰等［5］對不同水膠比下材料彎曲韌性展開研究，并計算了韌性指數(shù)，認為韌性指數(shù)能更好地描述材料的能量吸收能力；白亮等［6］則從微觀方面分析水膠比對ECC力學(xué)性能的影響機理，研究結(jié)果表明高水膠比會使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，纖維更容易拔出，能更好地發(fā)揮ECC材料的延性。元成方等［7］研究了纖維摻量對ECC流動性能和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明隨著纖維摻量的增加，拌合物流動性不斷下降，抗彎強度、彎曲開裂撓度增大，試件表現(xiàn)出更好的韌性。伍勇華等［8］通過非接觸式收縮實驗研究了纖維摻量對高延性混凝土早期收縮和干縮性能的影響，研究結(jié)果表明隨著纖維摻量的增加，自收縮和干縮均有不同程度的降低，并提出了適用于高延性纖維混凝土的收縮模型。喬思皓等［9］研究了粉煤灰摻量對ECC力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明纖維摻量從0增至65%的過程中，ECC的抗壓強度呈現(xiàn)下降趨勢，抗折強度先增后減，在粉煤灰摻量45%時表現(xiàn)最好；王雪蓮［10］研究了粉煤灰摻量對混凝土自收縮和干縮性能的影響，結(jié)果表明隨著粉煤灰摻量的增加，材料自收縮和干縮均得到不同程度的抑制。李曉琴等［11］對摻加硅灰的ECC的抗?jié)B和力學(xué)性能進行研究，并對微觀結(jié)構(gòu)進行分析，結(jié)果表明添加硅灰的ECC顯微結(jié)構(gòu)更加致密，抗壓性能增強，但隨著硅灰摻量的增加，增幅逐漸變小，同時硅灰還可以抑制堿集料反應(yīng)，提高了ECC的韌性和耐久性；Zhang等［12］研究了復(fù)摻粉煤灰和硅灰對ECC材料的力學(xué)性能的綜合影響，結(jié)果表明硅灰對抗壓強度和劈裂拉伸強度增長的貢獻主要集中在早期養(yǎng)護階段，硅灰的摻入大大提高了28 d時的壓縮性彈性模量。

然而，水泥基材料在非飽和的空氣中會由于溫度和濕度等其他因素的改變而發(fā)生體積縮小的變形［13］，且ECC中膠凝材料的用量普遍較大，水化初期纖維與膠凝材料的黏結(jié)能力較弱，會產(chǎn)生更大的收縮，不利于早期抗裂，從而影響ECC材料在水工行業(yè)的推廣應(yīng)用。為此，長江水利委員會長江科學(xué)院針對水利水電工程廊道、面板等部位的高抗裂需求，提出了適用于水工建筑物的HECC（Hydraulic Engineered Cementitious Composites，HECC）材料概念，HECC應(yīng)具備中等強度、低彈性模量、較強的熱穩(wěn)定性、可控的裂縫寬度及較寬泛的原料來源等特性。

目前有關(guān)HECC力學(xué)及干縮性能影響的研究還比較少。鑒于此，本次研究通過改變水膠比、纖維摻量和礦物摻合料來分析其對HECC的力學(xué)及收縮性能的影響，分析HECC的收縮機理，為尋求降低HECC收縮的措施提供理論依據(jù)。

1試 驗

1.1試驗原材料

試驗選用華潤水泥控股有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥，密度為3.06 g/cm3，比表面積為355 m2/kg，標準稠度用水量為27.4%，使用新疆瑪納斯發(fā)電有限責(zé)任公司生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰代替部分水泥，密度為2.45 g/cm3，比表面積為358 m2/kg。水泥和粉煤灰的化學(xué)成分如表1所列。

所用人工砂的最大粒徑為0.63 mm，細度模數(shù)為0.66，表觀密度為2.68 g/cm3，飽和面干吸水率為1.4%，級配曲線如圖1所示。為改善HECC工作性能，選用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的PCA-Ⅰ聚羧酸高性能減水劑（減水率為30%）及石家莊創(chuàng)盛建筑材料有限公司生產(chǎn)的羥丙基甲基纖維素增稠劑進行添加，以改善拌合物的泌水性和黏聚性；纖維選用安徽皖維集團有限責(zé)任公司生產(chǎn)的PVA纖維，性能指標見表2。

1.3試樣制備與檢測

HECC的攪拌采用無錫建儀JJ-5型水泥砂漿攪拌機，拌合流程如圖2所示。按配比稱取相應(yīng)組分后，先將干粉低速攪拌1 min，再加入與減水劑和增稠劑混合均勻的水低速攪拌2 min，最后加入PVA纖維繼續(xù)攪拌4 min。攪拌完成后測定拌合物的流動度，隨后成型力學(xué)和干縮試件，養(yǎng)護（溫度（20±1） ℃，相對濕度大于90%）24 h后脫模。

性能檢測：① 砂膠流動度試驗按照GB/T 2419-2005《水泥膠砂流動度測定方法》進行試驗；② 抗壓和抗折試驗采用GB/T 17671-2021《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》中有關(guān)抗壓強度和抗折強度測定方法進行，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm；③ 干縮試驗采用JC/T 603-2004《水泥膠砂干縮試驗方法》中的測定方法進行，試件尺寸為25 mm×25 mm×280 mm。

2結(jié)果與討論

2.1流動性能

不同水膠比、纖維摻量、粉煤灰摻量和硅灰摻量對HECC材料流動性能的影響如圖3所示。由圖3可知：

（1） 相同試驗條件的情況下，拌合物流動性隨水膠比的增大而增大，水膠比從0.25增長至0.35時，拌合物擴展度增長了12 mm，增幅為7.7%。

（2） 纖維摻量由1%增長至2%時，拌合物擴展度降低了19 mm，降幅為10.2%。拌合物流動性能隨著纖維的增加而降低，這是因為PVA纖維具有親水性，纖維表面可吸附拌合物中自由的水分子［14］，同時纖維分散在拌合物中，包裹著水泥粉煤灰基體的漿液，給漿體的流動增加了阻力，從而使拌合物性能降低。

（3） 粉煤灰摻量由40%增長至60%時，拌合物擴展度增長了10 mm，增幅6.2%，這是源于Ⅰ級粉煤灰具有減水效果。

（4） 硅灰摻量由0增長至6%時，拌合物擴展度降低了12 mm，降幅為7.2%。拌合物流動性能隨著硅灰摻量的增加呈現(xiàn)下降的趨勢，這主要是因為硅灰的平均粒徑小、比表面積大，對水的吸附作用遠大于填充拌合物孔隙的作用，在膠凝材料體系中能充分發(fā)揮減水和填充作用，導(dǎo)致流動度明顯下降。此外，硅灰與水結(jié)合之后容易形成絮狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，這也會導(dǎo)致拌合物流動性能降低。

2.2力學(xué)性能

2.2.1抗壓強度

隨著水膠比的增大，抗壓強度呈現(xiàn)下降趨勢，且隨著齡期的增長，這種下降趨勢變緩（圖4）。水膠比為0.35時抗壓強度最小，相比于水膠比為0.25時28 d強度降低了17.3%，低水膠比時，HECC孔隙率較低［15］，水泥基體內(nèi)部相對高水膠比時更加致密，因此抗壓強度也相對較高。

纖維摻量對HECC的抗壓強度影響不大（圖5），7 d抗壓強度為（36.0±1.5） MPa，28 d抗壓強度為（58.0±0.5） MPa，90 d抗壓強度為（75.5±1.0） MPa，這與孔燕等［16］的研究結(jié)論一致，表明HECC的抗壓強度主要受水膠比的影響，且依賴粉煤灰和PVA纖維的組合。

不同粉煤灰摻量下HECC的抗壓強度隨著齡期的增長呈現(xiàn)增長的趨勢，粉煤灰摻量從40%增加至60%，各種齡期的抗壓強度均呈現(xiàn)下降趨勢（圖6）。這主要是因為選用粉煤灰等量取代水泥，使水泥在膠凝材料中的占比變小，導(dǎo)致在第一次水化過程中生成的水化產(chǎn)物C-S-H凝膠量減少，SEM觀察到的水化產(chǎn)物如圖7所示。同時，還未發(fā)生水化的粉煤灰由于自身的材料特性使HECC基體變得疏松［17］，密實度降低進而使強度降低。隨著齡期的增長，粉煤灰的火山灰效應(yīng)也逐漸明顯，同時Ⅰ級粉煤灰中含有的大量SiO2等活性物質(zhì)可與Ca（OH）2進行二次水化，水化產(chǎn)物可以有效降低HECC基體內(nèi)部的孔隙率，使孔徑細化。因此，90 d時摻粉煤灰的各組抗壓強度已達到相近水平。

隨著硅灰摻量的增加，HECC的抗壓強度逐漸增大（圖8）。養(yǎng)護齡期為28 d時，SF2、SF4、SF6組的抗壓強度分別為63.6，64.5，65.0 MPa，相對基準組JZ0.33（58.4 MPa）增大8.9%，10.4%，11.3%。可見HECC抗壓強度隨著硅灰摻量的增加，趨勢逐漸變緩。這是因為：硅灰中的活性SiO2可以與水泥水化生成的Ca（OH）2發(fā)生二次水化，生成高密度的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠，提升HECC基體內(nèi)部密實性，使HECC強度得到提升。當(dāng)水泥量一定時，多摻入的硅灰得不到二次水化，只能起到填充的作用，致使抗壓強度提升但趨勢緩慢，這與Poon［18］和Gueneyisi［19］等的研究結(jié)論一致。

2.2.2抗折強度

抗折強度隨著水膠比的增大逐漸降低，例如水膠比由0.25增大至0.35時，28 d抗折強度降低了9.7%（圖9）。這是因為隨著水膠比的增加，水泥基體內(nèi)部逐漸疏松，密實度下降，基體的抗折強度降低。與低水膠比相比，高水膠比更有利于纖維的分散，更好地發(fā)揮與基體的橋接作用，因此在受到荷載作用時，HECC基體內(nèi)的纖維逐漸斷裂，破壞過程較為緩慢且荷載下降時有一定的波動（圖10）。水膠比逐漸增大的過程中，纖維與基體的橋接作用也逐漸增強，纖維與基體的連接情況如圖11所示。

不同纖維摻量對HECC抗折強度的影響如圖12所示。可以看出，在本文選取的纖維摻量范圍內(nèi)，抗折強度隨著纖維摻量的增大而增大。如纖維的體積摻量由1.0%增至2.0%時，28 d抗折強度提升了30.0%，強度提升效果明顯。較高的水膠比讓纖維能均勻地分散在水泥基體中，在其他條件相同的情況下，相對高的纖維摻量增強了與水泥基體的橋接作用，使抗折強度得到大幅度提升，試件受到抗折荷載作用時，荷載下降波動所對應(yīng)的位移也相對較長（圖13）。

不同粉煤灰摻量對HECC抗折強度的影響如圖14所示。可以看出，當(dāng)固定水膠比為0.33、纖維摻量為2.0%時，隨著齡期的增長，不同粉煤灰摻量下的抗折強度均有所提高，這是HECC基體不斷水化，使基體強度不斷升高的結(jié)果。對比同一齡期、不同粉煤灰摻量下HECC的抗折強度發(fā)現(xiàn)：隨著粉煤灰摻量的增大，抗折強度呈現(xiàn)下降的趨勢。影響HECC抗折強度的因素有兩部分：一部分是基體，來自水泥粉煤灰等膠凝材料的水化，使基體強度得到提升；另一部分便是纖維，纖維在基體內(nèi)發(fā)揮橋接作用，增強HECC的韌性。當(dāng)粉煤灰摻量為40%時，早期水泥水化使HECC強度迅速提升，基體與纖維的黏聚力較大，纖維與基體的橋接作用不能有效發(fā)揮，強度大部分來源于基體，來自纖維部分的作用較小。隨著粉煤灰摻量的加大，粉煤灰發(fā)揮其形態(tài)作用明顯，粉煤灰呈光滑細小狀，加入HECC中，可以使纖維均勻分散在水泥基體中，并且能減緩前期強度發(fā)展，有效減緩與基體的黏結(jié)作用，讓纖維更好地發(fā)揮橋接作用，這一點在抗折加載圖上也有體現(xiàn)（圖15）。

不同硅灰摻量對HECC抗折強度的影響如圖16所示?？梢钥闯觯弘S著硅灰摻量的不斷增加，HECC的抗折強度也在不斷提高。如28 d齡期時，摻入硅灰組的抗折強度分別為15.1，15.8，16.4 MPa，相比于基準組分別提升了5.6%，10.5%，14.7%。HECC的抗折強度主要取決于3個方面：① 基體膠凝材料等的強度；② 纖維自身的彈性模量；③ 基體與PVA纖維之間的黏結(jié)力。上面分析可知，硅灰的加入使基體膠凝材料等的強度得到了一定提升，但隨著摻量的增大，增幅并不明顯。多摻入的硅灰雖未能與Ca（OH）2發(fā)生水化，但由于其本身粒徑細小，填充了纖維與HECC基體之間的孔隙，增強了纖維與基體之間的黏結(jié)強度，抗折強度提高。纖維與基體之間黏結(jié)力增大，也導(dǎo)致了HECC受到抗折荷載作用時，纖維容易發(fā)生脆性斷裂，對應(yīng)抗折加載圖（圖17）上加荷位移縮短。

2.3干縮性能

對不同水膠比、纖維摻量、粉煤灰摻量和硅灰摻量的HECC干縮試件進行養(yǎng)護，測試1，3，7，14，28，45，60，90 d的試件長度并計算干縮率?？梢钥闯觯煌z比、纖維摻量、粉煤灰摻量和硅灰摻量下HECC的干燥收縮率均隨著齡期的增長而增大，且在28 d前干縮發(fā)展較快，后期發(fā)展較為緩慢。

從圖18可以看出，在用水量保持不變的情況下，HECC材料的干縮率隨著水膠比的增大而減小。一方面是用水量固定不變，而水膠比變小時，基體中的膠凝材料用量增大，水化產(chǎn)物生成凝膠中的凝膠孔［20］以及凝膠吸附的結(jié)合水?dāng)?shù)量也相對增多，導(dǎo)致干縮增大；另一方面，在單位用水量保持不變的情況下，隨著水膠比的減小，單位體積HECC中抑制收縮的人工砂含量減少，也導(dǎo)致了干縮增大。

不同纖維摻量對HECC收縮的影響如圖19所示。從圖中可以看出：HECC的干縮率隨著纖維摻量的增多而逐漸變小，但降低趨勢不明顯，纖維摻量從1.0%增加至2.0%時，28 d干縮率僅降低4.1%。這是因為摻入的纖維可以使HECC基體內(nèi)部的孔隙發(fā)生變化，基體內(nèi)直徑較大的毛細孔數(shù)量增多，導(dǎo)致基體內(nèi)由于水分擴散產(chǎn)生的毛細管壓力降低。此外，多摻入的纖維可以阻礙水分遷移的通道，水分由HECC內(nèi)部擴散至外界環(huán)境的速率降低，進而減緩了HECC干燥收縮。

從圖20可以看出：HECC的干燥收縮率隨著粉煤灰摻量的增多而大幅度降低，粉煤灰摻量由40%增至60%，HECC 28 d齡期時的干縮率降低23.5%。一方面是因為粉煤灰的水化需要水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2參與，因此粉煤灰在水化初期活性較低，僅作為填充料填充在基體內(nèi)部，粉煤灰的微集料效應(yīng)改善了HECC基體內(nèi)孔結(jié)構(gòu)，細毛細孔含量較低，對應(yīng)毛細孔負壓作用降低［21］，干縮降低；另一方面，隨著粉煤灰摻量的不斷增多，HECC基體內(nèi)有效水灰比增大，導(dǎo)致自由水增多，起到限制HECC漿體收縮的作用。

不同硅灰摻量對HECC收縮的影響如圖21所示。隨著硅灰的摻入，HECC的干燥收縮也在逐步增大，當(dāng)硅灰摻量為2%，4%，6%時，28 d干縮率分別增大了1.8%，9.4%和13.6%。這是因為：從目前研究者對于干燥收縮的研究中得知，材料的干燥收縮以吸附水和毛細管水的喪失為主導(dǎo)。隨著硅灰摻量的增加，一方面硅灰中的活性SiO2與水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2反應(yīng)生成C-S-H凝膠，即火山灰效應(yīng)，填充了水泥水化過程中產(chǎn)生的孔隙［22］；另一方面，多摻入的硅灰可填充到基體的孔隙中，改善了HECC的孔結(jié)構(gòu)，基體中大孔（>50 nm）數(shù)量減少，中小孔數(shù)量增多。根據(jù)Espinosa等對孔尺寸的劃分，毛細孔張力影響的孔隙范圍為25～50 nm。因此，隨著硅灰摻量的增加，HECC中的毛細孔的數(shù)量也相應(yīng)增加，當(dāng)濕度降低時，這些毛細孔開始失水，毛細管張力增加，導(dǎo)致干燥收縮增大。

3結(jié) 論

（1） 不同水膠比對HECC抗壓強度、抗折強度和干縮均影響較大。在用水量一定的情況下，隨著水膠比的增加，抗壓強度、抗折強度和干縮均降低明顯，水膠比由0.25增至0.35時，28 d抗壓強度降低17.3%，抗折強度降低9.7%，干縮降低20.5%。適當(dāng)提高水膠比有利于PVA纖維在基體中分散均勻，降低與基體的黏結(jié)力，更好地發(fā)揮橋接作用，發(fā)生延性破壞。

（2） 纖維摻量由1.0%增加至2.0%時，HECC的抗壓強度基本不變，28 d抗壓強度穩(wěn)定在（58.0±0.5） MPa，但纖維的橋接作用使得抗折強度得到明顯提升，28 d抗折強度提升了30.0%，干縮降低趨勢不明顯，28 d干縮僅降低4.1%。

（3） 粉煤灰對HECC強度和干縮影響較大，摻量由40%增加至60%時，28 d抗壓強度降低30.4%，抗折強度降低18.2%，干縮降低23.5%。在較高粉煤灰摻量下，纖維與基體能夠表現(xiàn)更好的應(yīng)變硬化特性。

（4） 硅灰能增強HECC早期抗壓和抗折強度，但隨著硅灰的不斷增加，增加的趨勢逐漸變緩。硅灰外摻2%時，抗壓強度增長最快，28 d抗壓強度增幅8.9%。硅灰的摻入使得干縮率增大，硅灰摻量6%時，28 d干縮率增長13.6%。

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（編輯：胡旭東）