硅灰摻量對(duì)ECC 材料性能的影響研究

何華庭 李庚英 張 敏 王海洋

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院）

0 引言

硅灰是一種粒徑非常細(xì)的無(wú)機(jī)非金屬粉末狀的材料，平均小于0.1μm，在冶煉硅鐵合金或工業(yè)金屬硅的過(guò)程中，排放的煙氣主要包括氣態(tài)Si 和SiO，通過(guò)與O2發(fā)生反應(yīng)后形成細(xì)球型粉體[1-2]。為實(shí)現(xiàn)國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展，減少建筑行業(yè)對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重污染，作為常見(jiàn)的工業(yè)廢渣，硅灰與粉煤灰、礦渣粉一樣可以有效收集并合理利用，作為礦物膠凝材料應(yīng)用于混凝土的拌和中，充分填補(bǔ)混凝土材料內(nèi)部空隙，一定程度上提高其密實(shí)性、流動(dòng)性和強(qiáng)度性能，保證工程質(zhì)量和結(jié)構(gòu)使用壽命[3-6]。因此，可將硅灰摻入混凝土中作為增強(qiáng)其性能的成分，重點(diǎn)研究硅灰摻量對(duì)纖維混凝土性能的影響。

普通混凝土在結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用與發(fā)展受到了自重大、韌性差、抗拉強(qiáng)度低等缺陷的限制，在混凝土中添加適量纖維配置纖維混凝土是目前提高混凝土材料韌性以及耐久性最有效的方法，鋼纖維、聚丙烯纖維（pp）和聚乙烯醇（pva）纖維作為增韌纖維材料已經(jīng)獲得大量的研究和成果[7-8]。

高韌性水泥基復(fù)合材料(Engineered Cementitious Composites ECC)是指一種特殊的、高性能的纖維增強(qiáng)水泥材料。它是上世紀(jì)90 年代由美國(guó)密歇根大學(xué)Victor C.Li 教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)纖維配比和材料硬化性質(zhì)并成功制備的一種新材料[9-10]。該材料通常采用短纖維來(lái)增強(qiáng)性能，而且纖維摻量不得高于復(fù)合材料總體積的2.5%，具有明顯的裂縫及應(yīng)變特征[11]。ECC 的膠凝材料一般采用普通硅酸鹽水泥與粉煤灰兩種材料，以精細(xì)石英砂作為細(xì)骨料，摻特定纖維、外加劑和水?dāng)嚢瓒桑ǔＪ褂玫耐饧觿┯袦p水劑、增稠劑、消泡劑等[12]。ECC材料是基于微觀力學(xué)和斷裂力學(xué)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)的，通過(guò)調(diào)整纖維、從質(zhì)以及纖維與基質(zhì)界面性能等手段來(lái)調(diào)整設(shè)計(jì)ECC 材料的力學(xué)性能[13-14]。

本試驗(yàn)采用硅灰對(duì)ECC 材料進(jìn)行改性，設(shè)計(jì)混凝土配合比，分析不同摻量硅灰替代部分粉煤灰對(duì)ECC 材料力學(xué)性能的影響，為ECC 材料在實(shí)際工程中抗裂縫、抗?jié)B等方面的進(jìn)一步研究提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥為廣州石井水泥公司生產(chǎn)的P·O42.5 級(jí)水泥，性能指標(biāo)見(jiàn)表1；硅灰的SiO2含量約為84%，比表面積約為20m2/g，如圖1；粉煤灰為Ⅰ級(jí)粉煤灰，45μm 方孔篩篩余7.2%；細(xì)骨料為粒徑2.36mm 以下的河砂；外加劑為聚羧酸高效減水劑，減水約為35%；摻量纖維主要為聚乙烯醇纖維，性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 水泥基本物理性能

表2 PVA 纖維性能指標(biāo)

圖1 硅灰樣圖

1.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

為研究不同硅灰摻量對(duì)水泥基復(fù)合材料性能的影響，本試驗(yàn)?zāi)z凝材料總量不變，水膠比為0.26，PVA 纖維體積摻量為2.0%，采用硅灰替代部分粉煤灰和水泥，其中硅灰摻量分別為0%、2%、5%、8%、10%，設(shè)計(jì)不同配合比。本試驗(yàn)分為4 組試件，每組3 塊ECC 材料試件，具體配合比特征見(jiàn)表3 所示。

表3 ECC 試驗(yàn)配合比

1.3 試驗(yàn)方法

預(yù)先將干料（水泥、粉煤灰、硅灰、河砂）攪拌2min，然后加入1/2 的水濕拌2min，再把剩余的水倒入攪拌8min，最后將聚乙烯醇纖維緩緩均勻撒入攪拌桶，攪拌6min 后倒出裝模，將漿體上部抹平，在高頻震動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)1min 后取下，自然成型后脫模，并在溫度為20℃±2℃、相對(duì)濕度為95%以上的養(yǎng)護(hù)條件下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 天和28 天。

本試驗(yàn)過(guò)程依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG3420-2020）和《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》（GB/T2419-2005）規(guī)定進(jìn)行，測(cè)定新拌ECC 的流動(dòng)度、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，其中抗壓試驗(yàn)采用尺寸為100mm×100mm×100mm 的立方體試件，抗折試驗(yàn)采用尺寸為40mm×40mm×160mm 的試件,每組試塊測(cè)得數(shù)據(jù)后換算為標(biāo)準(zhǔn)試件強(qiáng)度[15-16]。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 ECC 流動(dòng)度測(cè)試結(jié)果與分析

從圖2 可以看出，隨著硅灰摻量從0 增加至10%，流動(dòng)度值由169mm 減小至125mm，下降幅度達(dá)20%以上?？梢?jiàn)隨著硅灰摻量的增加，新拌的ECC 流動(dòng)度呈下降趨勢(shì)。根據(jù)硅灰摻量對(duì)材料流動(dòng)度的影響，為保證混凝土的流動(dòng)性和后期強(qiáng)度，其摻量不宜過(guò)大，硅灰的最佳摻量宜控制在2%～5%范圍內(nèi)。

圖2 ECC 流動(dòng)度隨硅灰摻量變化圖

2.2 抗壓性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

硅灰的摻入在一定程度上替代部分膠凝材料，均勻分散填充水泥基復(fù)合材料的孔隙，提高結(jié)構(gòu)整體密實(shí)度。同時(shí)硅灰中的SiO2與水泥水化作用產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生二次反應(yīng)，產(chǎn)生具有膠凝性的水化硅酸鈣，改善混凝土性能，增加ECC 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[17-19]。

圖3 是不同硅灰摻量、不同齡期（7 天、28 天）的ECC 試塊在抗壓試驗(yàn)中的測(cè)試結(jié)果。結(jié)果表明，當(dāng)硅灰摻量從0 分別增加到2%、5%、8%、10%時(shí)，7 天抗壓強(qiáng)度分別增加了37.4%、46.2%、71.8%、78.0%，28 天抗壓強(qiáng)度分別增加了38.5%、55.9%、65.4%、69.0%。相比于未摻入硅灰的P1 組，其他試驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度均增加30%以上，隨著硅灰總量的增加，ECC 材料強(qiáng)度普遍提高。其中從0至8%摻量時(shí)，同齡期強(qiáng)度增加尤為顯著，而8%至10%范圍內(nèi)ECC 抗壓強(qiáng)度增幅不大。因此，較高摻量硅灰會(huì)影響ECC 材料的工作性能和工程造價(jià)，應(yīng)將硅灰摻量控制在8%以下的合理范圍。

圖3 硅灰摻量對(duì)ECC 抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 抗折性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖4 所示，隨著硅灰摻量增加，抗折強(qiáng)度先增加后降低，總體變化不大，說(shuō)明硅灰摻量對(duì)ECC 抗折強(qiáng)度影響不明顯。結(jié)果表明，硅灰摻量在2%至5%之間的混凝土抗折強(qiáng)度較好，而硅灰摻量較大（5%以上）容易導(dǎo)致復(fù)合材料抑制多裂縫開(kāi)展能力降低，影響ECC 材料的韌性，一定程度上抑制了抗折強(qiáng)度，故控制適量的硅灰摻入能夠有效發(fā)揮ECC 的韌性，改進(jìn)材料性能。

圖4 硅灰摻量對(duì)ECC 抗折強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

⑴硅灰的摻入使得粉煤灰降低水泥基體強(qiáng)度的劣勢(shì)得到很大緩解，未摻硅灰的PVA-ECC 材料的抗壓強(qiáng)度較低，但隨著硅灰含量的增加，改善材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，ECC試件的極限抗壓強(qiáng)度提升顯著。

⑵根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，硅灰摻量過(guò)大不利于ECC 材料的流動(dòng)度和抗折強(qiáng)度，即不但會(huì)在一定程度上降低其流動(dòng)性，還會(huì)使得基體抑制開(kāi)裂能力下降，影響抗折強(qiáng)度的發(fā)揮。

⑶合理優(yōu)化調(diào)整膠凝材料的摻量，采用適量的硅灰替代部分水泥、粉煤灰制備ECC 材料，可以有效提高ECC 材料的強(qiáng)度性能，實(shí)現(xiàn)建筑材料的可持續(xù)發(fā)展和提高工程質(zhì)量。