工程水泥基復(fù)合材料的制備及力學(xué)性能

王必元，葛文杰*，周靜靜，曹大富

(1.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127;2.蘇州市鑫萬盛工程管理有限公司，江蘇蘇州 215300)

工程水泥基復(fù)合材料的制備及力學(xué)性能

王必元1，葛文杰1*，周靜靜2，曹大富1

(1.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127;2.蘇州市鑫萬盛工程管理有限公司，江蘇蘇州 215300)

為制備良好的工程水泥基復(fù)合材料(engineered cementitious composites，ECC)，解決纖維成團(tuán)以及拉伸試驗(yàn)中不出現(xiàn)應(yīng)變硬化和多裂縫等問題，提出摻入硅灰的制備方法，并采用整澆方式以確保纖維的良好分散.分析研究了3種試件的拉伸試驗(yàn)和部分配合比的立方體抗壓試驗(yàn).結(jié)果表明:摻入硅灰能較好解決纖維成團(tuán)問題;整澆有利于應(yīng)變硬化的發(fā)揮和多裂縫開展;水膠比增大和水泥摻量減小(即粉煤灰摻量增大)能降低試塊的抗壓強(qiáng)度;3種類型的拉伸試件均在試驗(yàn)中出現(xiàn)了良好的應(yīng)變硬化現(xiàn)象.

工程水泥基復(fù)合材料;polyvinyl alcohol纖維;應(yīng)變硬化;多裂縫

傳統(tǒng)的混凝土抗拉強(qiáng)度低、韌性差并且開裂后裂縫寬度難以控制.工程水泥基復(fù)合材料ECC(engineered cementitious composites)由美國密西根大學(xué)Li［1］提出.ECC中沒有粗骨料，摻入適量的纖維作為增強(qiáng)材料，目前常用的方法是摻入膠凝材料體積量為2%的聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)纖維.與傳統(tǒng)的混凝土相比，ECC具有很好的延展性、微裂縫控制能力和應(yīng)變硬化特性［2］.ECC的出現(xiàn)，可在很大程度上彌補(bǔ)混凝土材料存在的缺陷，更好地增加結(jié)構(gòu)的耐久性，延長建筑的使用壽命.最近，Li等［3］研究ECC材料在建筑防火上的運(yùn)用，提出一種新型噴涂耐火材料SFR-ECC(spray-applied fireresistive ECC);Qian等［4］研究了粉煤灰摻量對ECC材料自愈行為和力學(xué)性能的影響，認(rèn)為當(dāng)粉煤灰與水泥質(zhì)量比為4.0時，ECC材料表現(xiàn)出的自愈性能最好;俞家歡等［5］使用FRP筋(fiber reinforced polymer tendon)增強(qiáng)ECC梁，證實(shí)ECC能夠明顯提高構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的抗震能力;Pan等［6-7］研究鋼筋增強(qiáng)ECC-混凝土復(fù)合梁、FRP筋增強(qiáng)ECC和ECC-混凝土復(fù)合梁等，認(rèn)為ECC可以顯著提高梁的抗彎、抗變形以及降耗能力;Maalej等［8］研究ECC對抗震設(shè)防內(nèi)部梁柱連接的作用，認(rèn)為在塑性區(qū)使用ECC替代混凝土可顯著提高結(jié)構(gòu)的抗剪切性，增強(qiáng)其能量吸收能力及抗震性;隨著高強(qiáng)鋼筋在工程建設(shè)中的廣泛應(yīng)用［9］，薛會青等［10］通過對高強(qiáng)鋼筋ECC梁彎曲性能的試驗(yàn)和理論研究，認(rèn)為高強(qiáng)鋼筋運(yùn)用于ECC中能充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢.本文在前人的工作基礎(chǔ)上，提出通過添加硅灰解決纖維成團(tuán)問題，制備出能夠發(fā)生應(yīng)變硬化以及多裂縫開展的ECC受拉構(gòu)件，研究水泥、粉煤灰、水膠比3種因素對ECC抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，為后續(xù)試驗(yàn)及理論分析打下良好基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)材料與制備

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥;粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰;硅灰采用無定形SiO2超細(xì)硅質(zhì)粉體材料;沙采用粒徑為0.074～0.147 mm的特細(xì)石英沙;纖維采用日本可樂麗RECS15*12型PVA纖維，纖維長度12 mm，直徑40μm，彈性模量41 GPa，伸長率6.5%，抗拉強(qiáng)度1 560 MPa，密度1.3 g·cm－3；減水劑采用Sika聚羧酸減水劑；水為本地自來水.

1.2 試驗(yàn)制備

ECC制備時采用后摻纖維法：先將水泥、粉煤灰、硅灰、沙等加入攪拌機(jī)中干拌1 min使其分散均勻.后加入水，濕拌1 min，再加入減水劑直至水泥砂漿呈現(xiàn)出足夠的流動性（停止攪拌后水泥砂漿能夠自動流平）后加入纖維，攪拌時間一般為3～6 min.整體澆入模具后置于振動臺上振動約2 min以確保材料密實(shí)，然后將表面輕輕抹平，蓋上透明塑料薄膜，防止水分蒸發(fā).在室溫下養(yǎng)護(hù)24 h拆模，放入養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù).為驗(yàn)證硅灰對纖維成團(tuán)問題的改善作用設(shè)計(jì)了6種配合比，配合比及攪拌時間、纖維成團(tuán)情況見表1.表中水泥、粉煤灰、硅灰為三者的質(zhì)量比，沙膠比、水膠比、減水劑用量是與膠凝材料（水泥、粉煤灰、硅灰三者之和）的質(zhì)量比，PVA用量是PVA纖維與膠凝材料總體積比.

表1 纖維分布對比試驗(yàn)配合比及攪拌結(jié)果Tab.1 Mix proportions of fiber distribution contrast test and mixing results

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在粉煤灰或水泥摻量不變時，用硅灰替代20%的水泥，能以較小水膠比達(dá)到纖維不成團(tuán)效果，且攪拌時間顯著縮短.說明摻入硅灰有利于纖維的分散，且能節(jié)省攪拌時間，降低水膠比.

纖維在攪拌機(jī)中分散良好，但澆模的方法不當(dāng)會導(dǎo)致纖維分散不均，從而影響試件的力學(xué)性能，尤其是對拉伸試驗(yàn)的影響較顯著.本文建議在澆模過程中采用整澆的方式，將攪拌機(jī)里流態(tài)ECC一次性倒入刷過油的模具中.整澆與未整澆試件拉伸典型應(yīng)力應(yīng)變曲線及裂縫開展對比見圖1.圖1（a）顯示整澆試件應(yīng)變明顯大于未整澆試件，圖1（b）顯示整澆試件裂縫數(shù)量明顯多于未整澆試件，裂縫寬度明顯小于未整澆試件.初步分析認(rèn)為由于未整澆試件在實(shí)際澆模過程中不能保證纖維的良好分散，導(dǎo)致纖維在試件中分布不均勻，進(jìn)而影響應(yīng)變及裂縫開展.

圖1 整澆與未整澆對比Fig.1 Integral cast compared with non－integral cast

2 基本力學(xué)性能

2.1 抗壓性能試驗(yàn)

抗壓性能試驗(yàn)參照國家標(biāo)準(zhǔn)［11］，抗壓試件采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試件，試驗(yàn)機(jī)器采用YAW－3000C微機(jī)控制全自動壓力試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南辰達(dá)試驗(yàn)機(jī)制造有限公司），加載速度1.5 k N·s－1.在加載過程中，與混凝土破壞時聲音較大、“一裂即壞”不同，ECC抗壓試件在破壞的瞬間聲音較為清脆，由于纖維的增韌作用，試件破壞后仍然連在一起，ECC抗壓破壞形態(tài)見圖2.

試件的立方體抗壓強(qiáng)度為f＝K N／A［11］18，其中f為立方體抗壓強(qiáng)度（MPa）；K為換算系數(shù)，取1.35；N為試件破壞荷載（N）；A為試件承壓面積（mm2）.為研究水泥、粉煤灰、水膠比等因素對ECC抗壓強(qiáng)度的影響，設(shè)計(jì)了12種配合比（見表2）.立方體抗壓強(qiáng)度與水膠比關(guān)系見圖3.從圖3及表2可以看出，水泥、粉煤灰摻量相同時，水膠比越大，立方體抗壓強(qiáng)度越低；水膠比相同時，水泥摻量越少（即粉煤灰摻量越多），立方體抗壓強(qiáng)度越低.

圖2 立方體抗壓試件Fig.2 Cube compressive test specimen

圖3 立方體抗壓強(qiáng)度與水膠比關(guān)系Fig.3 The compressive strength vs water－cement ratio

2.2 拉伸性能試驗(yàn)

直接拉伸試驗(yàn)是檢驗(yàn)ECC是否具有應(yīng)變硬化特性的最佳方法.本試驗(yàn)采用了3種不同尺寸的拉伸試件，各試件尺寸見圖4，成型試件見圖5.

圖5中a，b型2種試件采用直接夾持的加載方式，為保證試驗(yàn)機(jī)的夾持力均勻地施加到試件上，以及避免夾持力過大導(dǎo)致夾持范圍內(nèi)的試件夾壞，須在試件的兩端粘貼碳纖維布和鋁片.a型試件先在兩端用環(huán)氧樹脂AB膠粘貼50 mm×40 mm的碳纖維布，后粘貼50 mm×40 mm×0.8 mm的鋁片，見圖6；b型試件先在兩端用環(huán)氧樹脂AB膠粘貼50 mm×50 mm的碳纖維布，后粘貼50 mm×50 mm×0.8 mm的鋁片，見圖7；c型試件根據(jù)DNS－100電子萬能試驗(yàn)機(jī)自行設(shè)計(jì)，利用試驗(yàn)機(jī)自身卡槽進(jìn)行試件拉伸，故兩端無須粘貼碳纖維布和鋁片，將DNS－100電子萬能試驗(yàn)機(jī)夾片取出后塞入c型試件（見圖8）.3種試件都采用位移加載，加載速度取0.2 mm·min－1.各試件試驗(yàn)結(jié)果見圖9.

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出ECC具有應(yīng)變硬化特性，說明ECC的抗拉性能優(yōu)于普通混凝土.3種形狀的試件在加載過程中都出現(xiàn)了多點(diǎn)開裂和裂縫，且出現(xiàn)的裂縫與應(yīng)力應(yīng)變曲線中的抖動相對應(yīng)，即每出現(xiàn)一條裂縫，應(yīng)力應(yīng)變曲線就出現(xiàn)一次抖動.從圖9中可以看出，采用直接夾持的b型試件應(yīng)變差異最小，a型試件應(yīng)變差異較小，c型試件應(yīng)變差異較大；a型試件曲線抖動情況良好，出現(xiàn)的抖動細(xì)而密，c型試件抖動幅度較大，b型抖動幅度很??；變截面的b型和c型試件，裂縫多出現(xiàn)在變截面處，且容易在變截面處出現(xiàn)大裂縫并發(fā)生斷裂破壞.初步分析認(rèn)為應(yīng)力在變截面處過渡不均勻，形成應(yīng)力集中從而使得裂縫出現(xiàn)在變截面處，故須將變截面過渡段設(shè)計(jì)成平滑的圓弧段，使應(yīng)力過渡均勻，b型和c型試件有待改善，a型試件使用效果較好.

表2 ECC抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)配合比Tab.2 Proportion of ECC compressive strength test

圖4 3種試件尺寸（mm）Fig.4 Three kinds of specimen size（mm）

圖5 3種成型試件Fig.5 Three kinds of forming specimen

圖6 a型試件粘貼碳纖維布及鋁片F(xiàn)ig.6 The a－type specimen with CFRP and aluminum

圖7 b型試件粘貼碳纖維布及鋁片F(xiàn)ig.7 The b－type specimen with CFRP and aluminum

圖8 c型試件加載圖示Fig.8 The c－type specimen loading icon

圖9 試件應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.9 The stress－strain curve of specimens

3 結(jié)論

1）制備ECC材料時用硅灰替換20%水泥或粉煤灰，可在較低水膠比情況下解決纖維成團(tuán)問題.在澆模過程中，采用整澆方式可避免纖維良好的分散效果遭到破壞，更好地實(shí)現(xiàn)應(yīng)變硬化及多裂縫開展.

2）在ECC抗壓試驗(yàn)中，水泥、粉煤灰摻量相同時，水膠比越大，立方體抗壓強(qiáng)度越低；水膠比越小，立方體抗壓強(qiáng)度越高.水膠比相同時，水泥摻量越少（即粉煤灰摻量越多），立方體抗壓強(qiáng)度越低；反之，立方體抗壓強(qiáng)度越高.

3）由于PVA纖維的摻入，明顯提高了ECC材料的抗拉性能，應(yīng)變顯著提高，并且能夠發(fā)生應(yīng)變硬化現(xiàn)象，呈現(xiàn)出良好的延性.本試驗(yàn)采用的a型160 mm×40 mm×15 mm矩形截面試件總體拉伸效果最好，b型15 mm厚變截面啞鈴型試件和c型自行設(shè)計(jì)15 mm厚變截面試件有待進(jìn)一步改善.

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Preparation and mechanic behaviors of engineered cementitious composites

WANG Biyuan1，GE Wenjie1＊，ZHOU Jingjing2，CAO Dafu1

（1.Sch of Civ Sci Engin，Yangzhou Univ，Yangzhou 225127，China；2.Xinwansheng Engin Manage Ltd，Suzhou 215300，China）

In order to produce engineered cementitious composites，solve the problem of fiber balling and ensure the phenomenon of strain hardening and the multiple fractures in the tensile test，a method of adding silica fume and using integral casting to protect fiber dispersion is proposed.Tests of tensile specimens with three different kinds and compressive strengths of some mix proportion are analyzed.The results show that silica fume can solve the problem of fiber balling better.Integral cast has advantageous to the occurrence of strain－h(huán)ardening and multiple－crack.Compressive strength decreases with the increasing of water－cement ratio or cement content （fly ash content increases）.Strain hardening phenomenon all occurs in the tensile tests of three kinds specimens.

engineered cementitious composites；polyvinyl alcohol fiber；strain－h(huán)ardening；multiple－crack

TQ 172.1

A

1007-824X(2015)03-0064-06

2015-05-05.* 聯(lián)系人，E-mail:gewj@yzu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51308490);江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20130450);住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013-K4-17);江蘇省高校自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (13KJB560015);揚(yáng)州市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012149).

王必元，葛文杰，周靜靜，等.工程水泥基復(fù)合材料的制備及力學(xué)性能［J］.揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，18(3):64-69.

（責(zé)任編輯 秋 實(shí)）