直拉荷載下整體防水水泥基復(fù)合材料抗?jié)B透性能試驗研究

張進，王喜彬，徐建光

（1.中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南鄭州 450007；2.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島 266033）

直拉荷載下整體防水水泥基復(fù)合材料抗?jié)B透性能試驗研究

張進1，王喜彬1，徐建光2

（1.中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南鄭州 450007；2.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島 266033）

研究應(yīng)變硬化水泥基材料（SHCC）和摻入硅烷乳液的整體防水水泥基復(fù)合材料（IWR-SHCC）在單軸荷載作用下的滲透性能。對SHCC和IWR-SHCC試件進行單軸拉伸試驗，待試件達到不同拉伸應(yīng)變后開展?jié)B透性試驗，測試SHCC和IWR-SHCC試件在直拉荷載作用下水和氯離子滲透量。結(jié)果表明，水和氯離子滲透量均隨著拉伸應(yīng)變的增加而增大，尤其在較高應(yīng)變下，滲透率和滲透量增加愈為明顯；但是在相同拉伸應(yīng)變下，IWR-SHCC試件較SHCC試件具有更好的抗水和氯離子侵入性能。

軸拉荷載；整體防水；應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料（SHCC）；滲透性

0 引言

混凝土材料是一種多孔的水泥基材料，水分和侵蝕性介質(zhì)通過孔隙侵入混凝土內(nèi)部，造成混凝土材料一系列的耐久性問題[1-3]。同時，混凝土材料抗拉強度較低，在軸拉荷載和彎曲荷載作用下迅速開裂并發(fā)生破壞，制約了混凝土材料的應(yīng)用。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，由于應(yīng)變硬化水泥基材料（SHCC）內(nèi)部纖維的橋連作用，即使在較高應(yīng)力應(yīng)變下仍具有良好的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，已經(jīng)在建筑工程中得到越來越多的應(yīng)用，尤其在受彎曲和直拉作用的構(gòu)件中以及在結(jié)構(gòu)加固和修復(fù)領(lǐng)域中也廣泛應(yīng)用[4-5]。但是在較高應(yīng)變環(huán)境下，SHCC具有較高的裂縫開展情況，為水分和侵蝕性介質(zhì)的侵入提供了通道，加大了SHCC的破壞速度，往往使SHCC構(gòu)件在發(fā)生結(jié)構(gòu)力學(xué)破壞前先發(fā)生耐久性破壞。

根據(jù)以往學(xué)者研究可知[6-8]，向水泥基材料中摻入硅烷乳液制備整體防水水泥基材料是提高水泥基材料抗?jié)B透性的有效方法?；谏鲜隹紤]，本研究向應(yīng)變硬化水泥基材料中摻入硅烷乳液制備整體防水水泥基復(fù)合材料（IWR-SHCC），使其具有較高應(yīng)變硬化特征的同時又具備優(yōu)異的抗水分和氯離子侵蝕性能，研究IWR-SHCC在單軸拉伸應(yīng)力作用下的力學(xué)性能和滲透性，為應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料的實際工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 原材料與配合比

水泥：P·O42.5水泥；砂子：河砂，最大粒徑為5 mm，細(xì)度模數(shù)2.9，屬于中砂，級配合格；PVA纖維：直徑12 μm，彈性模量42 GPa，拉伸強度1600 MPa，極限伸長率7%，密度1.3 g/cm3；硅烷乳液：德國EVONIK公司產(chǎn)Protectosil MH50，濃度0.94 g/cm3，黏度15 mPa·s，硅烷含量50%。

因為硅烷乳液含有自由水，在配合比設(shè)計時需考慮硅烷乳液內(nèi)水分質(zhì)量，經(jīng)過配合比優(yōu)化后，制備相同水灰比的SHCC試件和IWR-SHCC試件，其中IWR-SHCC試件硅烷乳液摻量占水泥質(zhì)量的2%（見表1）。待試件成型后放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室中養(yǎng)護28 d，然后開展單軸拉伸試驗和滲透性試驗。

表1 試驗用SHCC和IWR-SHCC配合比kg/m3

2 試驗

SHCC和IWR-SHCC試件為啞鈴型，具體尺寸如圖1（a）所示，單拉荷載作用下滲透性試驗裝置如圖1（b）所示，當(dāng)試件達到不同應(yīng)變后，使試塊繼續(xù)保持持載狀態(tài)，采用自制的吸水裝置對試件進行滲透性試驗，滲透用溶液為3%NaCl溶液，為保證水分和氯離子只沿一維方向傳輸，將除與溶液接觸面外的其它表面均用橡皮泥密封。從開始加水時刻開始計時，分別在吸水時間為0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h記錄吸水量，進而繪制出單位面積吸水量ΔW與毛細(xì)吸水時間平方根的關(guān)系曲線[9-10]。然后將試件取下，烘干后將混凝土分層打磨，利用化學(xué)滴定方法測試混凝土氯離子侵入量，并繪制氯離子侵入量隨深度變化曲線。

圖1 試件尺寸和直拉荷載作用下滲透性試驗裝置

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 SHCC和IWR-SHCC試件的力學(xué)性能

水泥基材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)對其力學(xué)性能有明顯影響，利用壓汞試驗儀測試了水泥基內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)隨硅烷乳液摻量的變化曲線，如圖2所示。

圖2 不同硅烷乳液摻量水泥基復(fù)合材料的孔隙特征曲線

由圖2可知，隨著硅烷乳液摻量的增加，孔隙特征變化不明顯，而且孔徑的分布大致相同，沒有發(fā)生硅烷乳液阻塞水泥基材料內(nèi)部孔隙的情況，使混凝土材料仍具有良好的通透性。所以硅烷乳液的摻入沒有明顯改變水泥基復(fù)合材料的孔隙結(jié)構(gòu)，是一種較為理想的內(nèi)摻防水劑。

圖3所示為SHCC和IWR-SHCC試件在單軸拉伸荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，圖中2種試件均表現(xiàn)出明顯的三階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線：（1）彈性段；（2）應(yīng)變硬化段；（3）應(yīng)變軟化段。

圖3 直拉荷載作用下SHCC和IWR-SHCC的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖3可知，應(yīng)變明顯增加的階段為應(yīng)變硬化階段，該階段由于PVA纖維橫跨于裂縫之間的橋接作用存在，并且其橋接應(yīng)力遠大于基體的開裂強度，將荷載繼續(xù)傳遞給裂縫附近的基體，應(yīng)力重分布，進入穩(wěn)態(tài)開裂階段，從而表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化特性。同時，SHCC和IWR-SHCC試件具有相近的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，最大拉伸應(yīng)變和拉伸應(yīng)力也接近，最大應(yīng)變接近于4%，說明硅烷乳液的摻入沒有明顯改變應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料的力學(xué)應(yīng)能，仍具有優(yōu)異的應(yīng)變硬化特征。

3.2 SHCC和IWR-SHCC試件的抗水滲透性能

不同應(yīng)變下SHCC和IWR-SHCC試件毛細(xì)吸水量隨時間的變化曲線見圖4。

圖4 不同應(yīng)變下SHCC 和IWR-SHCC試件的毛細(xì)吸水量曲線

由圖4可知，直拉荷載對試件的水分滲透量有明顯影響，試件的最大毛細(xì)吸水量隨著應(yīng)變值的增加而增加，尤其在較大應(yīng)變環(huán)境下，水分滲透量和滲透速度快速增加。對于SHCC試件，當(dāng)應(yīng)變值為2.0%時的最大毛細(xì)吸水量約為應(yīng)變值為0時的3.6倍；對于IWR-SHCC試件，應(yīng)變值為2.0%時的最大毛細(xì)吸水量約為應(yīng)變值為0時的1.19倍。這是因為隨著應(yīng)變的增加，SHCC和IWR-SHCC表面和內(nèi)部出現(xiàn)大量微裂縫，且裂縫的數(shù)量和寬度隨應(yīng)變的增加而增加，水分以裂縫和孔隙為通道快速侵入試件內(nèi)部，所以水分侵入量隨著應(yīng)變值增加而增大。

對比圖4（a）、（b）可知，在相同應(yīng)變環(huán)境下，IWR-SHCC較SHCC具有更好抗水分滲透性能：應(yīng)變值為0時SHCC最大毛細(xì)吸水量約為IWR-SHCC的2.5倍；應(yīng)變值為2.0%時SHCC最大毛細(xì)吸水量約為IWR-SHCC的7.5倍。這是因為隨硅烷乳液的摻入，水泥基材料內(nèi)部發(fā)生一系列縮聚反應(yīng)，在混凝土表面和內(nèi)部形成憎水區(qū)域，改變了水泥基材料與水分的接觸角度，使水侵入混凝土內(nèi)部更加困難，從而提高了水泥基材料的抗水滲透性。即使隨著應(yīng)變的增加，侵入IWR-SHCC內(nèi)部的水分增多，但是由于大部分IWR-SHCC仍具有較好的憎水能力，所以在相同應(yīng)變環(huán)境下IWR-SHCC較SHCC具有更優(yōu)異的抗水滲透性能；并且在較高應(yīng)變環(huán)境下這種差異性更加明顯。

3.3 SHCC和IWR-SHCC試件的抗氯離子滲透性能

氯離子是造成水泥基材料內(nèi)部鋼筋銹蝕的主要原因，是評價水泥基材料耐久性的重要指標(biāo)。本研究測試不同應(yīng)變下SHCC和IWR-SHCC試件的抗氯離子滲透性能，氯離子含量隨深度變化曲線見圖5。

圖5 不同應(yīng)變下SHCC和IWR-SHCC試件的氯離子含量

由圖5可知，對于SHCC和IWR-SHCC試件而言，表面氯離子濃度隨著應(yīng)變的增加而增加，這是由于氯離子侵入水泥基復(fù)合材料內(nèi)部主要以水分的傳輸為介質(zhì)，隨著應(yīng)變的增加水分侵入試件內(nèi)部的含量增加，氯離子侵入量也隨之增加。圖5（a）所示，在試件內(nèi)部氯離子含量有所提高，這是由對試件的處理方式造成的（試件側(cè)邊用橡皮泥進行密封），從而導(dǎo)致氯離子在試件內(nèi)部發(fā)生富集。對比圖5（a）、（b）可知，在相同應(yīng)變下，IWR-SHCC具有更低的表面氯離子含量，這是因為IWR-SHCC較SHCC具有更好的抗水分滲透性能，在相同應(yīng)變下侵入到IWR-SHCC試件內(nèi)部的水分含量較SHCC少，所以以水分為介質(zhì)侵入的氯離子含量也隨之減少。

4 結(jié)論

（1）硅烷乳液的摻入沒有明顯改變應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料的孔隙特征和力學(xué)性能，相同水灰比下的IWR-SHCC和SHCC試件具有相近的應(yīng)變硬化特征，最大拉伸應(yīng)變約為4%。

（2）單軸拉伸荷載對SHCC和IWR-SHCC試件的水滲透量和滲透速率有明顯影響，試件的毛細(xì)吸水量隨著拉伸應(yīng)變的增加而增大，尤其在較大應(yīng)變環(huán)境下，試件吸水量急劇增加。但是在相同拉伸應(yīng)變下，IWR-SHCC較SHCC試件具有更好的抗水分滲透性能。

（3）對于SHCC和IWR-SHCC試件，表面氯離子濃度隨拉伸應(yīng)變的增加而增加；但是在相同拉伸應(yīng)變下，IWR-SHCC較SHCC試件具有更好的抗氯離子滲透性能。對于應(yīng)用中實際工程中應(yīng)變硬化水泥基材料，應(yīng)摻入適量硅烷乳液以提高其抗?jié)B透性能。

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Influence of the uniaxial tension load on the permeability of integral waterproofing strain hardening cementitious composites

ZHANG Jin1，WANG Xibin1，XU Jianguang2
（1.School of Architecture Engineering，Zhongyuan Institute of Technology，Zhengzhou 450007，China；2.School of Civil Engineering，Qingdao Technological University，Qingdao 266033，China)

This paper aims to investigate the influence of uniaxial tension load on the permeability of SHCC and IWR-SHCC. The uniaxial tensile test was first carried out，and then the permeability test was carried out after different tensile strains were applied to the SHCC and IWR-SHCC.Furthermore，the water and chloride penetration content were determined.The results show that the content of water and chloride penetration increases with the increase of tensile strains.Especially for the specimens suffered a high tensile strain，the increment becomes more obvious.However，the IWR-SHCC possesses a better resistance to the water and chloride penetrations than that of SHCC under the same tensile strain.

uniaxial tension load，integral waterproofing，SHCC，permeability

TU57+8.12

A

1001-702X（2016）07-0072-03

2016-01-27；

2016-03-06

張進，女，1974年生，河南鄭州人，副教授，碩士，研究方向：建筑材料及其耐久性。通訊作者：王喜彬。