華南地區(qū)濕熱環(huán)境下工程水泥基復(fù)合材料配合比優(yōu)化及抗壓尺寸效應(yīng)研究*

賀紹華 李栩銘 邱逸濤 汪 毅

(1.廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院， 廣州 510006； 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 長沙 410075)

普通混凝土存在質(zhì)量大、抗拉強(qiáng)度低、韌性差、補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)困難等缺點，對結(jié)構(gòu)受力安全和耐久性造成不利影響。為克服上述不足，文獻(xiàn)[1-3]基于斷裂力學(xué)原理給出了聚乙烯醇工程水泥基復(fù)合材料(PVA-ECC)，并對其基本力學(xué)性能進(jìn)行了系列研究[1-3]。PVA-ECC是一種在水泥砂漿里摻入1%～2%聚乙烯醇纖維(PVA)的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，其相對普通混凝土抗拉強(qiáng)度更高、韌性更好、阻裂能力更強(qiáng)、耐久性更優(yōu)異。得益于工程水泥基復(fù)合材料(ECC)良好的能量耗散及變形能力，其在橋面板、路面修復(fù)和翻新、抗震結(jié)構(gòu)等工程建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[4]。

目前，關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下ECC配合比和基本力學(xué)性能的研究已較多[5-6]，但對日常氣候環(huán)境下滿足工程實際需求的ECC研究還很少。我國華南地區(qū)夏季6—9月日間平均氣溫30 ℃以上，年平均相對濕度超過80%。采用雙摻技術(shù)(外加劑和摻和料)和改變水泥用量，雖然可以提高材料的密實性和降低孔隙率，但濕熱環(huán)境常年較高的溫濕度會加快混凝土早期水化，影響ECC的力學(xué)性能[7-8]。目前，尚未見針對華南高溫潮濕環(huán)境下ECC合理使用配比及基本力學(xué)性能的研究報道。

近年來，ECC在梁、柱、墻等抗震結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位中的應(yīng)用日益增多，對其抗壓性能的研究也有諸多報道。胡春紅等探討了養(yǎng)護(hù)齡期、纖維類型對PVA-ECC抗壓強(qiáng)度的影響[9]；文獻(xiàn)[5，10]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，ECC的抗壓強(qiáng)度隨水膠比的增大逐漸降低，而纖維摻量對ECC抗壓強(qiáng)度影響較小。國內(nèi)外對ECC抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的研究也正逐步展開[11-17]。因國內(nèi)外尚缺乏統(tǒng)一的試驗標(biāo)準(zhǔn)，不同學(xué)者圍繞ECC抗壓尺寸效應(yīng)研究采用的試件類型、試件尺寸和測試方法各不相同，得到的ECC抗壓尺寸效應(yīng)規(guī)律也有所差異。李雪陽等通過16組不同配合比的ECC抗壓強(qiáng)度試驗發(fā)現(xiàn)，水膠比對其抗壓尺寸效應(yīng)影響最大，其次是粉煤灰摻量和砂膠比[18]。朱長書等對ECC抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的研究[19]結(jié)果顯示，ECC的抗壓強(qiáng)度隨試件尺寸減小逐漸增大，邊長為100 mm和40 mm的立方體抗壓強(qiáng)度明顯高于邊長150 mm的立方體抗壓強(qiáng)度。李慶華等進(jìn)行的抗壓性能尺寸效應(yīng)試驗[20]結(jié)果顯示，ECC的抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)明顯區(qū)別于普通混凝土，高寬比大于1∶1后，試件尺寸對ECC抗壓強(qiáng)度的影響基本可忽略不計，該試驗現(xiàn)象與普通混凝土抗壓強(qiáng)度隨棱柱體高寬比增大逐漸減小的規(guī)律明顯不同。在不良的養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，ECC的內(nèi)部缺陷增加，尺寸效應(yīng)更明顯。實際工程通常為自然養(yǎng)護(hù)，其尺寸效應(yīng)系數(shù)取值將區(qū)別于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

為探究適于我國華南地區(qū)高溫潮濕環(huán)境(平均相對濕度超過80%、溫度30 ℃以上)的ECC合理使用配合比及其抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)，對濕熱養(yǎng)護(hù)環(huán)境下ECC的抗壓、抗折和劈拉性能進(jìn)行研究，分析粉煤灰、PVA纖維、養(yǎng)護(hù)環(huán)境和試件尺寸等因素對ECC基本材料力學(xué)性能的影響，探討不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下ECC的破壞模式和抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)，并給出適于我國華南濕熱地區(qū)的ECC合理使用配合比及其抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)換算系數(shù)。相關(guān)成果可為ECC在華南地區(qū)的工程應(yīng)用提供參考。

1 濕熱環(huán)境下ECC配合比試驗

1.1 試驗概況

1.1.1試驗配合比

ECC由水泥、粉煤灰、細(xì)砂、纖維加水?dāng)嚢璩尚?。過高或過低的纖維摻量均將導(dǎo)致ECC強(qiáng)度降低和成本增加，目前較為常用的PVA纖維摻量為0.5%～2.0%[21-25]。粉煤灰顆粒的“微集料”效應(yīng)可以改變PVA纖維和水泥砂漿基體的界面特性，減緩濕熱環(huán)境下的早期水化速率從而減少內(nèi)部缺陷[26-27]，并提高其經(jīng)濟(jì)性，但過高的粉煤灰摻量會降低ECC抗壓強(qiáng)度[22]，影響其力學(xué)性能。目前，ECC配比中較為常用的粉煤灰摻量為45%～60%，對抗壓強(qiáng)度要求較高時摻量可降至20%以下[6,21-25]?；诖?，以PVA纖維和粉煤灰摻量為試驗參數(shù)，設(shè)計6組不同ECC配合比，具體如表1所示。以膠凝材料(水泥和粉煤灰)的質(zhì)量為基準(zhǔn)，配合比中膠凝材料的質(zhì)量比為1.00，粉煤灰摻量有35%和52%兩種，PVA纖維摻量分為0.5%、1.0%和1.5%三種，纖維基本力學(xué)性能見表2。采用P·O 42.5R水泥，I級粉煤灰，天然河沙。較低的水膠比可提高材料的抗壓強(qiáng)度，并有助于PVA纖維的分散[22]，試驗采用的水膠比為0.29。過高的砂含量會降低復(fù)合材料的多縫開裂能力，試驗采用的膠砂比均為0.375。

表1 ECC配合比Table 1 Mix proportion of ECC

表2 PVA纖維性能指標(biāo)Table 2 Property indexes of PVA fibers

1.1.2試件制作與測試

為研究ECC抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨各參數(shù)的變化規(guī)律，參照GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》和JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，立方體抗壓和劈裂抗拉試驗均采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的試件，抗折試驗采用40 mm×40 mm×160 mm棱柱體試件。

各配合比均制作3個立方體抗壓試件、3個棱柱體彎折試件和3個立方體劈裂抗拉試件，共54個試件。所有試件采用塑料模具成型，混凝土澆筑完成后自然養(yǎng)護(hù)24 h脫模，然后置于平均相對濕度為80%、溫度為30 ℃的(華南濕熱環(huán)境)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)150 d。其中立方體抗壓試驗和劈裂抗拉試驗均通過量程為300 kN的C088-01壓力試驗機(jī)加載，三點抗折試驗采用量程為10 kN的YAW-300C抗折試驗機(jī)加載。

1.2 配合比試驗結(jié)果及分析

1.2.1破壞形態(tài)

圖1為ECC立方體抗壓試件的典型破壞形態(tài)。不同于普通混凝土和常規(guī)水泥砂漿的受壓脆性破壞，ECC基體內(nèi)亂向分布的PVA纖維橋接作用有效阻止了初始微裂紋發(fā)展，使得其整體抗壓韌性得到顯著增強(qiáng)。ECC立方體受壓后豎向微裂紋非常豐富，表面無明顯的外鼓和剝落，其破壞后仍保持了較好的完整性。

圖1 立方體試件受壓破壞形態(tài)Fig.1 The failure mode of cubic compression specimens

圖2為ECC棱柱體抗折試件的典型破壞形態(tài)。加載過程中，棱柱體跨中底部首先開裂，隨著荷載增大裂縫不斷向上延伸。對于纖維摻量較高的ECC棱柱體，由于連接裂縫兩側(cè)水泥砂漿的PVA纖維參與抗拉，裂縫寬度得到有效抑制，試驗觀察到跨中裂縫最終未貫穿整個棱柱體。

圖2 抗折試件破壞形態(tài)Fig.2 The failure mode of shearing specimens

圖3為ECC劈裂抗拉試件的典型開裂形態(tài)。劈裂荷載作用下，ECC立方體的上、下承壓面幾乎同時開裂，裂縫不斷向立方體中部延伸直至貫通整個側(cè)面。由于PVA纖維橋接作用有效增強(qiáng)了材料韌性和延性，峰值荷載后ECC立方體仍保持了較好的完整性。

圖3 抗拉試件破壞形態(tài)Fig.3 The failure mode of tensile specimens

1.2.2試驗數(shù)據(jù)

由不同配合比得到的ECC立方體抗壓、三點抗折和劈裂抗拉結(jié)果見表3。參照GB/T 50081—2016和JGJ/T 70—2009，以每組3個試件的強(qiáng)度平均值作為試驗結(jié)果?？梢钥闯?ECC的各類強(qiáng)度指標(biāo)隨粉煤灰和PVA纖維摻量的變化差異較大，粉煤灰摻量較低的配比(1～3組)各強(qiáng)度指標(biāo)整體優(yōu)于粉煤灰摻量較高的配比(4～6組)。

表3 ECC試件實測強(qiáng)度Table 3 The measured strength of ECC MPa

1.3 PVA纖維影響分析

圖4為ECC立方體抗壓強(qiáng)度隨PVA纖維摻量的變化情況。可以看出，粉煤灰摻量為35%時，ECC的抗壓強(qiáng)度隨PVA纖維摻量增大先保持不變?nèi)缓笱杆贉p小。這是因為纖維摻量超過1.0%后，ECC制作過程中PVA纖維極易結(jié)團(tuán)，使混凝土內(nèi)部缺陷增多，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。PVA纖維摻量由0.5%增加至1.5%，ECC的抗壓強(qiáng)度降低了9.4%。粉煤灰摻量為52%時，ECC的抗壓強(qiáng)度隨PVA摻量增加近乎線性增大。纖維摻量由0.5%提高至1.5%，ECC的抗壓強(qiáng)度提高了10.6%。這是由于較多的粉煤灰顯著改善了PVA纖維與水泥砂漿基體的界面特性，攪拌過程中PVA纖維不易成團(tuán)，且能充分發(fā)揮其增韌阻裂效果，進(jìn)而提高了ECC的抗壓強(qiáng)度[26]。

圖4 PVA纖維摻量對ECC抗壓強(qiáng)度影響Fig.4 Influence of the PVA fiber content on ECC compressive strength

圖5為ECC抗折強(qiáng)度隨PVA纖維摻量的變化情況。由于水泥砂漿基體的抗折強(qiáng)度很低，ECC的抗折主要通過PVA纖維抗拉實現(xiàn)。由圖5可知，ECC的抗折強(qiáng)度隨纖維摻量增多整體呈增大趨勢。PVA纖維摻量由0.5%增加到1.5%，粉煤灰摻量為35%和52%的ECC抗折強(qiáng)度分別提高了51.2%和30.0%。可見，適當(dāng)增加ECC中PVA纖維摻量，可以顯著改善ECC的抗折性能。

圖5 PVA纖維摻量對ECC抗折強(qiáng)度影響Fig.5 Influence of the PVA fiber content on ECC flexural strength

圖6為ECC抗拉強(qiáng)度隨PVA纖維摻量的變化規(guī)律?？梢钥闯?，隨著纖維摻量增加，ECC的抗拉強(qiáng)度先增大后減小。這是由于PVA柔軟易彎曲，過高的纖維摻量將增大水泥砂漿的黏稠度，使PVA纖維纏繞成團(tuán)，進(jìn)而導(dǎo)致劈裂面缺陷增多影響其抗拉強(qiáng)度。結(jié)合表3，粉煤灰摻量為35%時，PVA纖維摻量由0.5%增加到1.0%，ECC的抗拉強(qiáng)度提高了32.9%；繼續(xù)提高PVA纖維摻量至1.5%，ECC的抗拉強(qiáng)度降低了9.2%。粉煤灰摻量為52%時，PVA纖維摻量由0.5%增加到1.0%，ECC的抗拉強(qiáng)度提高了46.0%；繼續(xù)提高PVA纖維摻量至1.5%，其抗拉強(qiáng)度降低了18.1%?？梢?，適量的PVA纖維有利于增強(qiáng)ECC抗拉性能。

圖6 PVA纖維摻量對ECC抗拉強(qiáng)度影響Fig.6 Influence of the PVA fiber content on ECC tensile strength

綜上所述，隨著纖維摻量不斷增加，ECC的抗折強(qiáng)度逐漸增大，而劈拉強(qiáng)度呈先增大后降低趨勢。這是由于采用的40 mm×40 mm×160 mm抗折試件破斷面小，受隨機(jī)分散的內(nèi)部缺陷影響也小，增加纖維摻量可顯著增強(qiáng)斷面兩側(cè)纖維的橋接作用，抗折強(qiáng)度也隨纖維摻量增加逐漸提高。而采用的70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體劈拉試件破斷面相對較大，受初始缺陷的影響也更大，纖維摻量超過1.0%后，由于纖維結(jié)團(tuán)導(dǎo)致的斷面初始缺陷增多，致使抗拉強(qiáng)度有所降低。

1.4 粉煤灰影響分析

圖7為粉煤灰摻量對ECC基本力學(xué)性能的影響情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，由于粉煤灰不存在二次水化過程，粉煤灰摻量過多將導(dǎo)致ECC內(nèi)部水泥水化產(chǎn)物不足，其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均有所下降。

圖7 粉煤灰摻量對ECC基本力學(xué)性能的影響Fig.7 Influence of the fly ash content on ECC mechanical properties

結(jié)合表3，將粉煤灰摻量由35%提高至52%，0.5%纖維摻量的ECC的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別降低了21.0%、7.0%和23.7%，1.0%纖維摻量的ECC的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度分別降低了19.9%、8.1%和16.2%，1.5%纖維摻量的ECC抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度分別降低了7.4%、21.6%和24.4%。

比較可知，隨著PVA纖維摻量增加，粉煤灰對ECC抗壓強(qiáng)度的影響逐漸減小，但對其抗折強(qiáng)度影響逐漸增大。這是由于粉煤灰顆粒的“微集料”效應(yīng)雖可改善PVA纖維與水泥砂漿基體間的界面特性，減少纖維攪拌成團(tuán)，但立方體試件內(nèi)部任一部位缺陷均將減小其受壓面積，致使立方體抗壓強(qiáng)度降低[28]。三點抗折試驗棱柱體破壞面位于跨中，僅當(dāng)PVA纖維成團(tuán)位于跨中附近時，其抗折強(qiáng)度才可能受到影響。綜上，PVA纖維摻量是影響ECC抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，而增加粉煤灰和PVA纖維摻量均能提高ECC抗折強(qiáng)度。

此外，圖7顯示粉煤灰摻量從35%提高至52%時，不同纖維摻量的ECC抗拉強(qiáng)度均降低了約0.6 MPa。由于1.0%纖維摻量的ECC抗拉強(qiáng)度顯著高于其余纖維摻量配比，隨著PVA纖維摻量增大，粉煤灰對ECC抗拉強(qiáng)度的影響先減小后增大。綜上，ECC抗拉強(qiáng)度主要由PVA纖維摻量控制，而增加粉煤灰摻量也會降低ECC的抗拉強(qiáng)度。

2 ECC抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)

混凝土尺寸效應(yīng)直接關(guān)系到其真實抗壓強(qiáng)度和承載性能。由于ECC中亂向分布的PVA纖維可延緩、約束基體裂縫，使其具有良好的韌性和多裂縫開展能力，其抗壓尺寸效應(yīng)將區(qū)別于脆性破壞的普通混凝土。為研究ECC的抗壓性能尺寸效應(yīng)，在前述最佳配合比(配合比2)基礎(chǔ)上，對不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下ECC抗壓尺寸效應(yīng)展開研究。

2.1 試驗概況

2.1.1養(yǎng)護(hù)條件

為探究不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下ECC的抗壓尺寸效應(yīng)，試驗參照GB/T 50081—2016和JIS A1805—2001《混凝土生產(chǎn)管理用試驗方法》，設(shè)計3種不同養(yǎng)護(hù)條件：

1)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境：試塊澆筑完成24 h后脫模，放入溫度為(20±2) ℃、相對濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d。

2)濕熱養(yǎng)護(hù)環(huán)境：試塊澆筑完成24 h后脫模，與9月置于月平均溫度33 ℃、相對濕度80%的華南地區(qū)室外自然濕熱環(huán)境養(yǎng)護(hù)28 d。

3)溫水養(yǎng)護(hù)環(huán)境：試塊澆筑完成1 h后，將密封試模放入(55±2) ℃溫水中養(yǎng)護(hù)24 h，然后取出脫模室內(nèi)常溫養(yǎng)護(hù)28 d。

在高校協(xié)同創(chuàng)新成為國家戰(zhàn)略的背景下，大學(xué)生創(chuàng)業(yè)教育作為高等教育的重要內(nèi)容和辦學(xué)理念，也應(yīng)該成為協(xié)同創(chuàng)新體系中的重要內(nèi)容之一。協(xié)同創(chuàng)新是開放式的創(chuàng)新模式，強(qiáng)調(diào)組織內(nèi)和組織外資源的挖掘和整合，具有開放、合作、共享等特點?；趨f(xié)同創(chuàng)新內(nèi)涵梳理，我們可以這樣理解：協(xié)同是手段，創(chuàng)新是目的。創(chuàng)業(yè)教育協(xié)同就是把與創(chuàng)業(yè)教育相關(guān)的主體聯(lián)動起來，把相關(guān)資源整合起來，共同服務(wù)于創(chuàng)業(yè)教育的根本目標(biāo)——創(chuàng)新。

其中，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境是ECC材性測試的基準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件，濕熱養(yǎng)護(hù)環(huán)境反映了華南地區(qū)常見的高溫潮濕氣候特征，溫水養(yǎng)護(hù)環(huán)境模擬了華南地區(qū)易發(fā)的強(qiáng)對流極端氣候特征。

2.1.2試件制作及測試

為探究不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下ECC的抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)，參照GB/T 50081—2016和JGJ/T 70—2009，設(shè)計立方體試件尺寸分別為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm、100 mm×100 mm×100 mm和150 mm×150 mm×150 mm，棱柱體尺寸分別為70.7 mm×70.7 mm×140 mm、100 mm×100 mm×200 mm和150 mm×150 mm×300 mm。

3種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，每種尺寸分別制作3個試件，共計54個，采用量程為300 kN的C088-01壓力試驗機(jī)進(jìn)行加載。

2.2 試驗結(jié)果及分析

2.2.1主要試驗結(jié)果

不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，3種尺寸的立方體破壞形態(tài)與圖1基本一致，養(yǎng)護(hù)環(huán)境和試件尺寸對ECC棱柱體破壞形態(tài)影響不明顯。圖8為棱柱體試塊的典型裂縫分布情況。加載過程中，可聽到PVA纖維的拉斷和拔出的聲響，破壞后裂縫與棱柱體澆筑面呈30°～40°夾角。受PVA纖維橫向約束作用的影響，加載過程中未觀察到ECC脆性剝落，且試件破壞后整體性較好。

圖8 ECC棱柱體受壓破壞形態(tài)Fig.8 The compressive failure mode of prism specimens

表4為3種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下不同尺寸試件得到的ECC抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，同種養(yǎng)護(hù)條件下，ECC的抗壓強(qiáng)度隨試件尺寸增大總體呈先提高后降低的變化趨勢；不同養(yǎng)護(hù)條件下，相同尺寸試件得到的ECC抗壓強(qiáng)度差異明顯。隨著養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度不斷升高，由邊長100 mm和150 mm立方體得到的ECC抗壓強(qiáng)度先增大后減小，邊長70.7 mm立方體得到的抗壓強(qiáng)度先增大后趨于穩(wěn)定；由100 mm×100 mm×200 mm和150 mm×150 mm×300 mm棱柱體得到的ECC軸心抗壓強(qiáng)度先降低后趨于穩(wěn)定，70.7 mm×70.7 mm×140 mm棱柱體得到的軸心抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小趨勢。究其原因，隨著養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度升高，ECC中膠凝材料水化速度加快且漸趨充分[6,9]，立方體抗壓強(qiáng)度整體呈增大趨勢。對于邊長為100 mm和150 mm的立方體，由于試塊體積和理論厚度較大，水化加速導(dǎo)致內(nèi)部缺陷增多，立方體抗壓強(qiáng)度略有減小。與此類似，隨著養(yǎng)護(hù)溫度升高，試塊體積和理論厚度均較小的70.7 mm×70.7 mm×140 mm棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度逐漸增大，而體積和理論厚度均較大的100 mm×100 mm×200 mm和150 mm×150 mm×300 mm棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度整體呈減小趨勢。

表4 ECC抗壓尺寸效應(yīng)試驗結(jié)果Table 4 Test results for compressive size effect of ECC MPa

2.2.2抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)

以邊長為100 mm的立方體抗壓強(qiáng)度(fcu100)為基準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度，圖9給出了3種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下ECC立方體抗壓強(qiáng)度fcui與fcu100的比值分布。

立方體尺寸單位為毫米。圖9 ECC立方塊抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)系數(shù)Fig.9 The size effect coefficient for compressive strength of cubic ECC specimens

可以發(fā)現(xiàn)，除溫水養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的fcu70.7與fcu100接近外，其余各組試件得到的fcui/fcu100均小于1.0。這是由于試驗采用的PVA纖維長度達(dá)到12 mm，邊長100 mm立方體相對70.7 mm立方體尺寸更大，更利于發(fā)揮其內(nèi)部PVA纖維的橋接增韌阻裂作用。而對于邊長150 mm的立方體，增大立方體尺寸雖更好地發(fā)揮了PVA纖維的增韌阻裂作用，但也使立方體內(nèi)部缺陷顯著增多，測得的立方體抗壓強(qiáng)度相對基準(zhǔn)強(qiáng)度也有所降低。

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的fcu70.7/fcu100和fcu150/fcu100分別為0.83和0.80，濕熱養(yǎng)護(hù)條件下的fcu70.7/fcu100和fcu150/fcu100分別為0.92和0.83，溫水養(yǎng)護(hù)條件下的fcu70.7/fcu100和fcu150/fcu100分別為1.02和0.71，3種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的立方體抗壓強(qiáng)度平均比值為fcu70.7∶fcu100∶fcu150=0.93∶1.00∶0.78。文獻(xiàn)[15]給出的ECC抗壓強(qiáng)度比值為fcu70.7∶fcu100∶fcu150=1.03∶1.00∶0.95，而文獻(xiàn)[21]給出的相應(yīng)比值為fcu40∶fcu70.7∶fcu100=1.04∶1.00∶1.07?？梢园l(fā)現(xiàn)，不同學(xué)者得到的ECC立方體抗壓強(qiáng)度比值差異較大。這是由于ECC中包含大量柔性PVA纖維，隨著立方體尺寸增大，纖維的橋接增韌阻裂作用逐漸增強(qiáng)，而ECC內(nèi)部缺陷也迅速增多，兩者共同作用導(dǎo)致得到的ECC立方體抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)有所差異。

以尺寸為100 mm×100 mm×200 mm的棱柱體抗壓強(qiáng)度(fc100)為基準(zhǔn)軸心抗壓強(qiáng)度，圖10給出了3種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下ECC軸心抗壓強(qiáng)度fci與fc100的比值分布?？梢钥闯?，與立方體抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)類似，除濕熱養(yǎng)護(hù)下fc70.7高于fc100外，其余試件得到的fci/fc100均小于1.0。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的fc70.7/fc100和fc150/fc100分別為0.81和0.92，濕熱養(yǎng)護(hù)條件下的fc70.7/fc100和fc150/fc100分別為1.21和0.91，溫水養(yǎng)護(hù)條件下的fc70.7/fc100和fc150/fc100分別為0.87和0.97，3種養(yǎng)護(hù)條件下的ECC軸心抗壓強(qiáng)度平均比值為fc70.7∶fc100∶fc150=0.96∶1.00∶0.93。文獻(xiàn)[22]得到的ECC軸心抗壓強(qiáng)度隨尺寸增大規(guī)律與本試驗結(jié)果相同，給出的fc40∶fc70∶fc100=0.96∶1.00∶0.90。而文獻(xiàn)[21]發(fā)現(xiàn)ECC軸心抗壓強(qiáng)度隨試件尺寸增大先減小后增大，給出的fc40∶fc70∶fc100=1.04∶1.00∶1.18。可見，ECC的軸心抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)與普通混凝土軸心抗壓強(qiáng)度隨尺寸增大逐漸減小的規(guī)律并不一致，其原因與立方體抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的原因相同。

棱柱體尺寸單位為毫米。圖10 ECC軸心抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)系數(shù)Fig.10 The size effect coefficient for axial compressive strength of ECC specimens

2.2.3抗壓強(qiáng)度的尺寸換算系數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，ECC的立方體抗壓強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)為fcu70.7∶fcu100∶fcu150=0.83∶1.00∶0.80，軸心抗壓強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)為fc70.7∶fc100∶fc150=0.81∶ 1.00∶0.92；濕熱養(yǎng)護(hù)條件下，立方體抗壓強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)為fcu70.7∶fcu100∶fcu150=0.92∶1.00∶0.83，軸心抗壓強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)為fc70.7∶fc100∶fc150=1.21∶1.00∶0.91；溫水養(yǎng)護(hù)條件下，立方體抗壓強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)為fcu70.7∶fcu100∶fcu150=1.02∶1.00∶0.71，軸心抗壓強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)為fc70.7∶fc100∶fc150=0.87∶1.00∶0.97。

可以發(fā)現(xiàn)，除溫水養(yǎng)護(hù)條件下邊長為70.7 mm的立方體抗壓強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)接近1.0外，其他養(yǎng)護(hù)條件下的立方體抗壓強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)均小于1.0。這是由于試驗采用的PVA纖維較長，邊長70.7 mm立方體因尺寸較小不利于纖維橋接增韌阻裂作用的發(fā)揮，致使強(qiáng)度相對基準(zhǔn)強(qiáng)度(fcu100)有所降低。溫水養(yǎng)護(hù)由于溫度最高，膠凝材料水化更充分，促進(jìn)了ECC強(qiáng)度的發(fā)展，使得該養(yǎng)護(hù)條件下fcu70.7與fcu100接近。對于邊長150 mm的立方體，增大立方體尺寸雖更好地發(fā)揮了纖維的增韌阻裂作用，但也使立方體內(nèi)部缺陷顯著增多，導(dǎo)致fcu150相對fcu100的尺寸換算系數(shù)均小于1.0。

此外，除濕熱養(yǎng)護(hù)條件下70.7 mm×70.7 mm×140 mm棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)大于1.0外，其他養(yǎng)護(hù)條件下各尺寸試件的軸心抗壓強(qiáng)度換算系數(shù)均小于1.0。其原因與立方體抗壓強(qiáng)度尺寸換算系數(shù)類似，由于70.7 mm×70.7 mm×140 mm尺寸較小限制了PVA纖維的橋接增韌阻裂作用，導(dǎo)致fc70.7相對fc100要小。濕熱養(yǎng)護(hù)相對濕度最低，70.7 mm×70.7 mm×140 mm棱柱體具有相對較小的理論厚度，有利于水分向試件內(nèi)部擴(kuò)散，從而促進(jìn)膠凝材料水化，使得fc70.7相對其他尺寸試件更大。

3 結(jié)束語

以粉煤灰、PVA纖維、養(yǎng)護(hù)環(huán)境和試件尺寸為基本參數(shù)，對適于我國華南自然濕熱環(huán)境的ECC合理使用配合比和抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)進(jìn)行研究，探討了不同因素對ECC抗壓、抗折和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響，得到了不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的ECC抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)系數(shù)，主要結(jié)論如下：

1)PVA纖維的橋接作用可顯著改善ECC水泥基體的阻裂能力，并在一定程度上起到增強(qiáng)作用，但過量的PVA纖維將使ECC內(nèi)部纖維結(jié)團(tuán)而降低其抗壓強(qiáng)度。

2)增大粉煤灰摻量會導(dǎo)致ECC立方體抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度降低，但有利于改善PVA纖維和基體的界面特性。

3)ECC抗壓強(qiáng)度主要受PVA纖維控制，提高纖維摻量有利于增強(qiáng)ECC抗折強(qiáng)度，但會降低其抗拉強(qiáng)度，華南自然濕熱環(huán)境下，粉煤灰摻量為35%、PVA纖維摻量為1.0%的ECC配合比綜合性能最佳。

4)ECC的立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度隨試塊尺寸增大先提高后降低，小尺寸試塊受環(huán)境因素的影響相對較大。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、濕熱養(yǎng)護(hù)、溫水養(yǎng)護(hù)下的立方體抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)平均系數(shù)為fcu70.7∶fcu100∶fcu150=0.93∶1.00∶0.78，軸心抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)平均系數(shù)為fc70.7∶fc100∶fc150=0.96∶1.00∶0.93。