PVA－ECC的最優(yōu)配比及力學(xué)性能試驗(yàn)研究

鄭玉國(guó)，崔元東，王偉男，張 勇，劉思民

（湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201）

PVA－ECC的最優(yōu)配比及力學(xué)性能試驗(yàn)研究

鄭玉國(guó)，崔元東，王偉男，張 勇，劉思民

（湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201）

考慮影響纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（ECC）力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，從抗壓強(qiáng)度入手，基于水膠比、粉煤灰摻量、減水劑摻量等的變化，制作各批次的ECC立方體試件并進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，探索ECC的力學(xué)性能隨材料配比而變化的規(guī)律.研究結(jié)果表明，在其它因素都相同的條件下，PVA－ECC的立方體抗壓強(qiáng)度隨水膠比的增大而減小、隨粉煤灰摻量的增加而減小、隨減水劑摻量的增加先增大后減小.在普遍意義上，當(dāng)水膠比為0.25、粉煤灰摻量為45%、減水劑摻量為0.5%時(shí)，PVA－ECC達(dá)到最優(yōu)配比，此時(shí)立方體抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大.

纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料；最優(yōu)配比；力學(xué)性能試驗(yàn)；抗壓強(qiáng)度

ECC（engineered cementitious composite）這種纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，是由美國(guó)密歇根大學(xué)的Victor C.Li教授等［1］在20世紀(jì)90年代根據(jù)微觀力學(xué)和斷裂力學(xué)基本原理提出的一種新型材料.研究發(fā)現(xiàn)［2］，相對(duì)于傳統(tǒng)混凝土材料，ECC的優(yōu)勢(shì)非常明顯，具有很強(qiáng)的變形能力和裂縫寬度控制效果，抗剪、抗彎承載力高，抗爆、抗沖擊性能好，抗疲勞能力強(qiáng)等.ECC的這些優(yōu)良性能使其壽命相對(duì)于傳統(tǒng)混凝土材料可以延長(zhǎng)兩倍以上，從而可以減少結(jié)構(gòu)在整個(gè)壽命周期內(nèi)的維護(hù)維修次數(shù)，在整個(gè)生命周期內(nèi)的總耗能比普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有較大的降低，因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)看ECC具有更高的直接和間接經(jīng)濟(jì)價(jià)值，相對(duì)于普通混凝土來說具有更好的環(huán)保性和可持續(xù)性［3］.

由于ECC所具有的優(yōu)良性能，國(guó)內(nèi)外對(duì)其開展了理論分析、微宏觀設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用等方面的研究［4－6］.然而由于并沒有成熟的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其配比、成型方法等進(jìn)行明確的規(guī)定［7－8］，從而導(dǎo)致很多情況下制備出來的ECC性能并不理想，材料配比與力學(xué)性能之間還缺乏明確的規(guī)律，這在很大程度上限制了ECC的廣泛應(yīng)用.因此，在當(dāng)前已有的ECC材料配制和力學(xué)性能研究的基礎(chǔ)上，首先從立方體抗壓強(qiáng)度入手，考慮影響ECC力學(xué)性能的主要因素，基于水膠比（W／B）、粉煤灰摻量（FA）、減水劑摻量（WR）等的變化，制作各批次的ECC立方體試件，并對(duì)各批次的ECC試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，探索ECC的力學(xué)性能隨材料配比而變化的規(guī)律并提出ECC的最優(yōu)配比，為ECC的實(shí)踐應(yīng)用提出建議.

1 原材料及配比

應(yīng)用于ECC的纖維材料主要有三種：聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP），其中PVA 應(yīng)用最為廣泛.考慮到國(guó)內(nèi)的PVA纖維沒有經(jīng)過特殊的油劑處理，分散性不足，大多達(dá)不到制備ECC的要求.因此采用日本Kuraray Co.生產(chǎn)的RECS15×12型PVA粗短纖維，如圖1所示，纖維的各項(xiàng)性能參數(shù)如表1所示.

圖1 RECS15×12型PVA纖維

表1 PVA纖維的性能參數(shù)

另外，水泥采用P.O32.5普通硅酸鹽水泥，石英砂采用經(jīng)過0.63mm篩孔的細(xì)沙，粉煤灰采用鞏義市金豐凈水材料有限公司生產(chǎn)的一級(jí)粉煤灰，減水劑采用北京德昌偉業(yè)生產(chǎn)的聚羧酸系高效減水劑.

根據(jù)當(dāng)前的研究，PVA纖維的體積含量一般為2%，根據(jù)控制ECC性能的關(guān)鍵因素，基于水膠比（W／B）、粉煤灰摻量（FA）、減水劑摻量（WR）的變化，確定三種水膠比為0.25、0.35和0.45，粉煤灰取代水泥的比例為45%、55%和65%，減水劑占膠體的比例為0、0.5%和1.0%.從而確定的PVAECC的配比方案如表2所示，相應(yīng)的材料用量如表3所示.

表2 PVA－ECC配比方案

表3 PVA－ECC配比材料用量（kg／m3）

2 PVA－ECC的制備

ECC的成型與其力學(xué)性能密切相關(guān)，由于大含量纖維的存在，一般應(yīng)采用強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)攪拌才能取得較好的效果.通常，ECC的成型一般應(yīng)遵循如下程序［7］［9］：

（1）將砂和水泥置于攪拌筒中，攪拌2min；

（2）放入l／2的水和粉煤灰，攪拌2min；

（3）放入剩余l(xiāng)／2的水，攪拌2min；

（4）加入減水劑，攪拌1min；

（5）加入PVA纖維，攪拌5～10min，此時(shí)攪拌的終止時(shí)間以纖維漿體不成團(tuán)、結(jié)塊為判斷依據(jù)，保證纖維的充分分散，攪拌的時(shí)間要適中，時(shí)間太短了可能纖維不分散，時(shí)間太長(zhǎng)纖維的分散性反而不好；

（6）隨后將拌合物裝入已涂好脫模劑的試模中，選用100×100×100mm的三聯(lián)立方體試模，裝料時(shí)應(yīng)用抹刀沿試模壁插搗，并使拌和物略高出試模口；

（7）將試模置于高頻混凝土振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)，拌合物在振動(dòng)臺(tái)上的振動(dòng)應(yīng)使試模表面出漿為止，時(shí)間不夠可以延長(zhǎng)，但不得過振；

（8）振動(dòng)完成之后，從振動(dòng)臺(tái)上取下試模，刮除試?？谏隙嘤嗟陌韬衔铮R近初凝時(shí)，用抹刀抹平；

（9）試件成型后，在室溫為20±5℃的環(huán)境中靜置24h，然后編號(hào)、拆模放入溫度為20±2℃及相對(duì)濕度為95%以上的標(biāo)養(yǎng)室中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)28d以后開始進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn).

按照上述程序，制備并養(yǎng)護(hù)完成的27批次的PVA－ECC試件如圖2所示.

圖2 制備完成的PVA－ECC試件

3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及結(jié)果

在PVA－ECC試件養(yǎng)護(hù)達(dá)到28d之后，將其從養(yǎng)護(hù)室中取出進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)在2000kN的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載速率為0.5～0.8MPa／s.

3.1 水膠比影響分析

通過對(duì)各批次PVA－ECC試件抗壓強(qiáng)度的分析，在其它條件都相同的情況下，水膠比（W／B）對(duì)PVA－ECC抗壓強(qiáng)度的影響如圖3所示.

圖3 PVA－ECC抗壓強(qiáng)度與水膠比關(guān)系圖

可以看出，在粉煤灰摻量分別為55%和65%、減水劑摻量為0時(shí)，隨著水膠比的增大，PVAECC的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，即在這兩種情況下當(dāng)水膠比為0.35時(shí)，PVA－ECC的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大.除此之外在大多數(shù)情況下，當(dāng)粉煤灰摻量、減水劑摻量一定時(shí)，隨著水膠比的增大PVA－ECC的抗壓強(qiáng)度逐漸減小，即在水膠比為0.25時(shí)PVA－ECC的抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大.

3.2 粉煤灰摻量影響分析

在其它條件都相同的情況下，粉煤灰摻量對(duì)PVA－ECC抗壓強(qiáng)度的影響如圖4所示.

圖4 PVA－ECC抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻量關(guān)系圖

由圖4可以看出，在水膠比為0.25、減水劑摻量為0.5%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增大，PVA－ECC的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，即在粉煤灰摻量為55%時(shí)，PVA－ECC的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大.除了這一種配比之外在其它絕大多數(shù)情況下，當(dāng)水膠比、減水劑摻量一定時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，PVA－ECC的抗壓強(qiáng)度逐漸減小，即在粉煤灰摻量為45%時(shí)，PVA－ECC的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大.

3.3 減水劑摻量影響分析

在其它條件都相同的情況下，減水劑摻量對(duì)PVA－ECC抗壓強(qiáng)度的影響如圖5所示.

圖5 PVA－ECC抗壓強(qiáng)度與減水劑摻量關(guān)系圖

可以看出，在水膠比為0.25和粉煤灰摻量為45%時(shí)，隨著減水劑摻量的增大，PVA－ECC的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，即在減水劑摻量為1.0%時(shí)PVA－ECC的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大.在水膠比為0.45和粉煤灰摻量為55%時(shí)，隨著減水劑摻量的增大，PVA－ECC的抗壓強(qiáng)度逐漸減小，即在減水劑摻量為0時(shí)PVA－ECC的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大.在水膠比為0.45和粉煤灰摻量為65%時(shí)，隨著減水劑摻量的增大，PVA－ECC的抗壓強(qiáng)度先減小后增大，即在減水劑摻量為1.0%時(shí)PVA－ECC的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大.除這三種配比之外，在其它大多數(shù)情況下，當(dāng)水膠比、粉煤灰摻量一定時(shí)，隨著減水劑摻量的增加PVA－ECC的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，即在減水劑摻量為0.5%時(shí)，PVA－ECC的抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大.

4 結(jié) 論

通過制作不同配比的各批次PVA－ECC試件并進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，探索PVA－ECC的力學(xué)性能隨配比而變化的規(guī)律.

（1）當(dāng)粉煤灰摻量、減水劑摻量一定時(shí)，隨著水膠比的增大PVA－ECC的抗壓強(qiáng)度逐漸減小；

（2）當(dāng)水膠比、減水劑摻量一定時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，PVA－ECC的抗壓強(qiáng)度逐漸減??；

（3）當(dāng)水膠比、粉煤灰摻量一定時(shí)，隨著減水劑摻量的增大PVA－ECC的抗壓強(qiáng)度先增大后減?。?/p>

（4）在普遍意義上，從抗壓強(qiáng)度的角度來看，當(dāng)水膠比為0.25、粉煤灰摻量為45%、減水劑摻量為0.5%時(shí)，PVA－ECC達(dá)到最優(yōu)配比.

［1］LI V C.ECC－tailored Composites Through Microme Chanical Modeling ［A］.Fiber Reinforced Concrete：Present and the Future Edited by Banthia et al，CSCE［C］，Montreal，1998，64－97.

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［3］Li V C.高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的研究進(jìn)展及應(yīng)用［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2007，35（4）：531－536.

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Study on Optimal Mix Proportion and Mechanical Property Experiment of PVA－ECC

ZHENG Yu－guo，CUI Yuan－dong， WANG Wei－nan，ZHANG Yong，LIU Si－min
（School of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China）

From the aspect of compressive strength and considering the essential influencing factors for the mechanical properties of the engineered cementitious composite（ECC），a batch of cube specimens of ECC are manufactured based on the variation of water binder ratio，amount of fly ash and amount of water reducer.And the compressive strength test is conducted for the ECC specimens.Then the variation law is studied about the mechanical properties of ECC along with the mix proportion.The results show that the cube compressive strength of PVA－ECC reduces along with the increase of the water binder ratio and the amount of the fly ash.And the cube compressive strength of PVA－ECC increases firstly and then decreases along with the increase of the amount of the water reducer.In a general sense，the PVA－ECC attains the optimal mix proportion and the cube compressive strength reaches the maximum when the water binder ratio is 0.25，the amount of fly ash is 45%and the amount of water reducer is 0.5%.

engineered cementitious composite；optimal mix proportion；mechanical property experiment；compression strength

TU528

A

1671－119X（2014）02－0069－04

2014－01－12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51348010）；湖南科技大學(xué)2013年度SRIP重點(diǎn)項(xiàng)目（SZZ2013004）

鄭玉國(guó)（1978－），博士，講師，研究方向：橋梁抗震及橋梁性能評(píng)價(jià).