粉煤灰摻量對(duì)PVA-ECC性能的影響

高曙光，馬鋒玲、2，劉艷霞、2，鄭銀林、2

（1.北京中水科海利工程技術(shù)有限公司，北京 100038；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院材料研究所，北京 100038）

0 引言

以聚乙烯醇（簡(jiǎn)稱PVA）纖維為增強(qiáng)材料的水泥基復(fù)合材料ECC（Engineered Cementitious Composites），是一種比較突出的超高韌性水泥基復(fù)合材料，在PVA摻量為2%時(shí)，極限應(yīng)變可達(dá)3%以上，是普通混凝土和砂漿的數(shù)百倍。粉煤灰作為一種火山灰質(zhì)材料，是由晶體、玻璃體及少量未完全燃燒碳組成的一個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)混合體，本身沒有水硬膠凝性能，但在混凝土中能在常溫下與Ca（OH）2或其他堿性金屬氫氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成水硬膠凝化合物，有助于降低水泥水化熱溫升，改善新拌混凝土流動(dòng)性和混凝土耐久性。本試驗(yàn)采用I級(jí)粉煤灰進(jìn)行試驗(yàn)，研究不同摻量的粉煤灰對(duì)PVA-ECC力學(xué)性能的影響。

1 原材料

水泥采用北京太行前景水泥有限公司生產(chǎn)的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其密度為3.08g/cm3，堿含量為0.75%，28d抗壓強(qiáng)度為59.4MPa。粉煤灰采用云南宣威發(fā)電公司生產(chǎn)的I級(jí)粉煤灰，細(xì)度為2.09，需水量比為94%，燒失量為1.04%。外加劑采用粉狀聚羧酸系高效減水劑、羥丙基甲基纖維素醚增稠劑。試驗(yàn)砂采用北京地區(qū)生產(chǎn)的石英砂，粒徑為40~70目、80~120目、120~200目，表觀密度分別為2.65g/cm3、2.65g/cm3、2.63g/cm3。試驗(yàn)用水為普通自來水。纖維采用日本尤尼吉可公司生產(chǎn)的聚乙烯醇（PVA）纖維，該纖維由碳、氫、氧組成，燃燒時(shí)轉(zhuǎn)變成為H2O和CO2，不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，與水泥材料有良好的吸附性，與水泥基體的界面粘結(jié)除借助于范德華力外，氫鍵也有不容忽視的作用。

2 配合比及力學(xué)性能試驗(yàn)

試驗(yàn)固定PVA體積摻量2.0%、灰砂比2.7，分別在不同水膠比、不同石英砂粒徑下，進(jìn)行35%、45%、55%三種粉煤灰摻量的力學(xué)性能試驗(yàn)。其中抗拉試驗(yàn)采用啞鈴形試件，試件中部直線段長(zhǎng)100mm，寬、厚均為25mm；抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用40mm×40mm×160mm棱柱體試件。配合比及試驗(yàn)結(jié)果列于表1，抗拉試驗(yàn)結(jié)果均為6個(gè)試件試驗(yàn)的平均值。

3 力學(xué)性能分析

粉煤灰對(duì)極限應(yīng)變的影響試驗(yàn)結(jié)果如表1、圖1所示，其中0.4水膠比時(shí)，不同粉煤灰摻量的應(yīng)力-應(yīng)變曲線試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示，表明極限拉應(yīng)變可隨粉煤灰摻量的增加而增加。如0.40水膠比（編號(hào)49與50、編號(hào)59與60）時(shí)，當(dāng)粉煤灰摻量由35%提高到45%時(shí)，其極限拉應(yīng)變分別由1.54%和1.90%增加到2.98%和3.51%，分別增加了93.5%和84.7%；編號(hào)69與48、編號(hào)49與41、編號(hào)90與89及編號(hào)59與63，當(dāng)粉煤灰摻量由45%提高到55%時(shí)，其極限拉應(yīng)變分別由2.92%、2.98%、1.86%、3.51%增加到5.72%、4.73%、3.53%、6.23%，分別增加了95.8%、58.7%、89.8%、76.5%。其中55%粉煤灰摻量的配合比，其極限應(yīng)變均超過3.5%，最大的極限拉應(yīng)變達(dá)6.23%。表1中，針對(duì)0.35水膠比、0.40水膠比，分別在石英砂粒徑80~120目、120~200目下進(jìn)行了35%、45%、55%粉煤灰摻量的ECC力學(xué)性能試驗(yàn)。結(jié)果表明0.35水膠比時(shí)，粉煤灰摻量對(duì)提高極限拉應(yīng)變未見明顯效果；而當(dāng)水膠比0.40時(shí)，粉煤灰對(duì)提高極限拉應(yīng)變有明顯效果。從圖2、圖3可以看出，摻55%粉煤灰的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線相對(duì)平緩，說明水泥基復(fù)合材料更加均勻，纖維增強(qiáng)效果明顯，可避免由于內(nèi)部材料不均導(dǎo)致的局部缺陷集中產(chǎn)生，確保了材料的高延性。因此，提高粉煤灰摻量，有利于PVA-ECC材料的延性和韌性提高，本試驗(yàn)條件下，粉煤灰摻量為55%時(shí)PVA-ECC的韌性最好。分析原因認(rèn)為，試驗(yàn)所用的粉煤灰為Ⅰ級(jí)粉煤灰，粉煤灰摻量的增加雖然降低了基體強(qiáng)度，但粉煤灰中的玻璃微珠起到了“滾珠潤(rùn)滑”作用，提高水泥漿體的流動(dòng)性能，使ECC內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加均勻，高摻量粉煤灰不僅使各斷裂面之間的結(jié)構(gòu)差異相對(duì)縮小，大量緊密堆積粉煤灰球形顆粒進(jìn)一步增加了纖維與基體的摩擦力，改善了纖維-基體的界面過渡區(qū)，減少了內(nèi)部缺陷，使得雜散分布在基體內(nèi)的纖維承擔(dān)拉應(yīng)力的比例增加，則多重開裂的現(xiàn)象更易發(fā)生，見圖4。

圖2 不同粉煤灰摻量應(yīng)力-應(yīng)變曲線（石英砂：40~70目50%，80~120目50%）

圖3 不同粉煤灰摻量應(yīng)力-應(yīng)變曲線（石英砂120~200目）

圖4 PVA-ECC試件多重開裂的現(xiàn)象（編號(hào)：63）

表1 配合比與力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

圖1 粉煤灰對(duì)極限拉應(yīng)變的影響

4 結(jié)語

隨著粉煤灰摻量的增加，水泥基復(fù)合材料的極限應(yīng)變明顯增大，抗拉、抗壓強(qiáng)度有所降低。因此在實(shí)際應(yīng)用中，在滿足抗壓強(qiáng)度的前提下，應(yīng)適當(dāng)增加粉煤灰摻量，有助于進(jìn)一步提高水泥基復(fù)合材料的延性、韌性。本文中55%的粉煤灰摻量極限應(yīng)變最大，均超過了3.5%，最大的極限應(yīng)變達(dá)6.23%。