低干燥收縮性能的工程水泥基復(fù)合材料配合比研究*

姚仲泳

(平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)城鄉(xiāng)建設(shè)與交通運(yùn)輸服務(wù)中心, 福州 350400)

工程水泥基復(fù)合材料(Engineered Cementitious Composites，簡(jiǎn)稱(chēng)ECC)在拉力作用下具有拉伸應(yīng)變硬化的特點(diǎn)，極限拉應(yīng)變可穩(wěn)定達(dá)到3%，具有多縫開(kāi)裂特征，最大裂縫寬度可控制在40 μm以下[1]。ECC在國(guó)外已經(jīng)被廣泛用于大壩、輸水渡槽和橋面連接板等重要工程中的關(guān)鍵部位[2]。然而，由于水泥基材料的固有性質(zhì)，置于未飽和空氣中的ECC會(huì)因水分喪失產(chǎn)生體積縮小的變形，即干縮變形。其干燥收縮占總收縮的80%～90%，28 d的干燥收縮值可達(dá)1.2×10-3～1.8×10-3，為同齡期普通混凝土的3倍[3]。故ECC作為修復(fù)或連接材料時(shí)，無(wú)法與新澆筑的混凝土或者舊混凝土表面協(xié)同工作，由于變形不協(xié)調(diào)而出現(xiàn)界面破壞，導(dǎo)致新舊材料之間界面分層，翹曲和剝離[4]。例如，美國(guó)密歇根州的一座混凝土橋面板伸縮裝置采用ECC澆筑[5]，但是在通車(chē)之前發(fā)現(xiàn)與混凝土連接處出現(xiàn)收縮裂縫，對(duì)橋面板的耐久性產(chǎn)生不利影響。因此，研究如何降低ECC的干燥收縮，減小混凝土與ECC之間的收縮差異，將有利于ECC更廣泛地推廣和應(yīng)用。

目前研究[6-8]表明，降低水泥基材料干燥收縮最直接的方法是添加減縮劑，最大降低值可達(dá)50%～80%，但是存在早強(qiáng)性能差、凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、抗拉壓強(qiáng)度變低以及極限拉應(yīng)變驟降等問(wèn)題，甚至使ECC失去特有的應(yīng)變-硬化特征。吳林妹等研究了在水泥基材料中摻入一定比例的鋼纖維，結(jié)果表明：當(dāng)摻量超過(guò)2%后，對(duì)干燥收縮的改善作用明顯降低，3%時(shí)干燥收縮僅僅降低了1.5%[9]。苗海強(qiáng)等研究得出：隨著聚乙烯醇(PVA)纖維摻量的增加與水膠比的降低，PVA-ECC出現(xiàn)收縮應(yīng)變減小現(xiàn)象且水膠比對(duì)材料前期的收縮影響較大[10]。劉建忠等研究了粉煤灰和礦粉對(duì)低水膠比混凝土干燥收縮性能的影響，發(fā)現(xiàn)粉煤灰有利于減少低水膠比混凝土的干縮，礦粉次之[11]。周磊生等通過(guò)干燥收縮試驗(yàn)研究了纖維摻量、粉煤灰和水膠比對(duì)高延性水泥基材料的收縮影響[12]。邱華芳設(shè)計(jì)PVA-ECC配比的干燥收縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)PVA-ECC的干燥收縮應(yīng)變受到水膠比、砂膠比和粉煤灰摻量的影響[13]。由此可知，外加劑、纖維摻量、粉煤灰和礦粉等因素均會(huì)對(duì)水泥基材料力學(xué)性能和應(yīng)變硬化特性產(chǎn)生一定影響。

為降低ECC的干燥收縮值，減小和混凝土之間的收縮差異，本文將在保證ECC力學(xué)性能的原則下，采用分階段試驗(yàn)設(shè)計(jì)，擬研究PVA纖維摻量、水膠比、粉煤灰、礦粉和砂膠比等影響因素對(duì)ECC干燥收縮的影響規(guī)律，基于正交試驗(yàn)分析法確定各因素影響程度的優(yōu)先級(jí)，獲得與混凝土干縮變形相協(xié)調(diào)的低干縮ECC配合比。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥采用P·O 42.5水泥，比表面積為330 m2/kg。粉煤灰是由河南鉑潤(rùn)鑄造材料有限公司提供的5 000目I級(jí)優(yōu)質(zhì)粉煤灰，比表面積為436 m2/kg。礦粉是精磨后得到的1 000目S95礦渣粉，比表面積為453 m2/kg。PVA纖維采用日本Kuraray公司進(jìn)口的聚乙烯醇纖維，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。配制ECC所用的細(xì)砂為天然河沙，過(guò)篩，最大粒徑不大于0.3 mm，使用前測(cè)定含水率。減水劑為科之杰新材料公司提供的聚羧酸型高效減水劑，減水率高達(dá)38%以上。

表1 PVA技術(shù)參數(shù)Table 1 PVA technical parameters

1.2 配合比設(shè)計(jì)

干燥收縮試驗(yàn)不摻入任何抑制收縮的外加劑，只調(diào)整水泥基質(zhì)。試驗(yàn)分為兩階段進(jìn)行，第一階段采用控制變量法研究水膠比(W/C)和砂膠比(S/C)，使得ECC的尺寸變化率與混凝土變形協(xié)調(diào)，避免兩種材料的界面邊緣出現(xiàn)翹曲、剝離。第二階段通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，基于粉煤灰摻量、礦粉摻量和PVA纖維摻量，在保證良好力學(xué)行為前提下進(jìn)一步優(yōu)化ECC的干燥收縮性能，獲得能夠與混凝土干燥變形相匹配的ECC配合比。

第一階段控制膠凝材料為定量，以水膠比和砂膠比為變量。同時(shí)考慮抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)性的影響，在保持足夠強(qiáng)度的同時(shí)，減水劑的摻量適當(dāng) ，盡量減少外加劑對(duì)力學(xué)性能的不利影響，設(shè)置三組水膠比：0.25、0.30、0.35；考慮抗拉強(qiáng)度和極限拉應(yīng)變等因素[14]，設(shè)置三組砂膠比：0.4、0.5、0.6；其他參數(shù)為固定值，具體見(jiàn)表2。

表2 第一階段配合比設(shè)計(jì)Table 2 Mix proportion design in the first stage

以第一階段確定的水膠比和砂膠比為定量，考慮粉煤灰、礦粉和PVA纖維摻量三個(gè)因素，每個(gè)因素取三個(gè)水平變量，如表3所示。粉煤灰摻量的三個(gè)水平變量為其代替膠凝材料中水泥質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，粉煤灰摻量越多越經(jīng)濟(jì)，但粉煤灰過(guò)多會(huì)大幅度降低水泥基材料的初凝強(qiáng)度[15]，故取50%、60%和70%，分別用A1、A2和A3表示；礦粉摻量的三個(gè)水平變量為其代替膠凝材料中水泥質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，因大摻量的礦粉容易產(chǎn)生離析，使ECC在早期失去更多的水分并加快內(nèi)部干燥的過(guò)程，故取10%、15%和20%，分別用B1、B2和B3表示；PVA纖維摻量的三個(gè)水平變量為ECC總體積的百分?jǐn)?shù)，纖維摻量過(guò)少不能最大程度發(fā)揮其抗裂功能，過(guò)多易使ECC結(jié)團(tuán)，流動(dòng)性差[16]，故取1.7%、2%和2.3%，分別用C1、C2和C3表示。

表3 各因素水平Table 3 Levels of each factor %

1.3 ECC干燥收縮試驗(yàn)

根據(jù)JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，干縮試件采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體三聯(lián)模。待澆筑完成4 h后，移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7 d，拆模、編號(hào)并標(biāo)明測(cè)定方向。隨后將試件移入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)室(溫度為(20±2) ℃，濕度為60%±5%)中預(yù)置4 h，按標(biāo)明的測(cè)試方向測(cè)定初始長(zhǎng)度。試驗(yàn)采用立式砂漿收縮儀測(cè)量，上部千分表量程是12.5 mm，最小刻度為0.001 mm，如圖1所示。分別測(cè)試養(yǎng)護(hù)7，14，21，28，56，90 d時(shí)試件的長(zhǎng)度。各測(cè)試齡期的干燥收縮值按下式計(jì)算：

a—標(biāo)定； b—測(cè)量。圖1 ECC干燥收縮測(cè)量Fig.1 The measurement for dry shrinkage of ECC

(1)

式中：εnt為養(yǎng)護(hù)第t天時(shí)的干燥收縮值；L0為試件初始長(zhǎng)度；L為試件初始長(zhǎng)度，取160 mm；Ld為兩個(gè)收縮頭埋入砂漿中長(zhǎng)度之和；Lt為養(yǎng)護(hù)第t天時(shí)的實(shí)測(cè)長(zhǎng)度。

1.4 混凝土干燥收縮試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》，試塊尺寸100 mm×100 mm×515 m，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d后，移入干縮室，采用SP-540型接觸式收縮膨脹儀測(cè)試7，14，21，28，56，90 d的干燥收縮值，如圖2所示。

a—標(biāo)定； b—測(cè)量。圖2 混凝土干燥收縮測(cè)量Fig.2 The measurement for dry shrinkage of concrete

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水膠比對(duì)ECC干燥收縮的影響

水膠比對(duì)ECC干燥收縮的影響如圖3所示。由圖可知，所有ECC試樣的干燥收縮都隨齡期的增加而增大，前14 d增加很快，14～28 d增加速度略有降低，28 d后增加緩慢，最后趨于穩(wěn)定。對(duì)于不同的水膠比，ECC的干燥收縮隨著水膠比的增加而增大，且水膠比越小時(shí)，增大的程度越明顯[17]。在相對(duì)濕度為60%的情況下，ECC干燥收縮主要原因是由于毛細(xì)孔中水分蒸發(fā)而造成部分毛細(xì)孔不能被水飽和，周?chē)念w粒彼此拉近，產(chǎn)生的宏觀(guān)體積收縮。而且毛細(xì)孔聯(lián)通的越多，蒸發(fā)失去的水分就越多，ECC的干燥收縮也就越大。隨著齡期的增加，ECC毛細(xì)孔中水分逐漸消耗，此時(shí)粉煤灰和礦渣粉的填充效應(yīng)堵塞了毛細(xì)孔，使得孔結(jié)構(gòu)更加的密實(shí)，孔中水分散失的越來(lái)越少，所以隨著齡期的增加，ECC的干燥收縮越來(lái)越小。

a—水膠比為0.25時(shí)干燥收縮值； b—水膠比為0.30時(shí)干燥收縮值； c—水膠比為0.35時(shí)干燥收縮值。圖3 水膠比對(duì)ECC干燥收縮的影響Fig.3 Effects of rates of water to cementitious materials on drying shrinkage of ECC

2.2 砂膠比對(duì)ECC干燥收縮的影響

砂膠比對(duì)ECC干燥收縮的影響如圖4所示。可見(jiàn)，隨著砂膠比的增大，ECC的干燥收縮增加，但是影響力并不顯著，在14 d前幾乎無(wú)差別[17]。細(xì)骨料本身的吸水率較大，在相同水膠比的情況下，細(xì)骨料越多，吸收的水分越多，待水分蒸發(fā)后，干燥收縮越大。

a—砂膠比為0.4時(shí)干燥收縮值； b—砂膠比為0.5時(shí)干燥收縮值； c—砂膠比為0.6時(shí)干燥收縮。圖4 砂膠比對(duì)ECC干燥收縮的影響Fig.4 Effects of rates of sand to cementitious materials on drying shrinkage of ECC

2.3 ECC干燥收縮優(yōu)化分析

試驗(yàn)為三因素三水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)指標(biāo)為ECC試塊的干燥收縮值，采用L9(34)正交表，共9組配合比，配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，以確定各因素影響程度的主次順序。

各因素極差R的大小表示該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的大小，其值越大說(shuō)明該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越大，將極差從大到小排序，就可以確定各個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響大小的主次順序，同時(shí)也說(shuō)明了因素對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的重要性?，F(xiàn)以因素A粉煤灰摻量為例說(shuō)明極差的計(jì)算方法。

R1=(Ki)max-(Kj)min

(2)

各因素的極差分析計(jì)算方法與粉煤灰相同，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可以看出，對(duì)于90 d齡期的干燥收縮，試驗(yàn)所考慮的三個(gè)因素中，極差從大到小依次為：粉煤灰摻量、礦粉摻量、PVA纖維摻量，并且粉煤灰摻量的極差為620，遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)因素的差值，這說(shuō)明粉煤灰對(duì)ECC干燥收縮的影響最大，為主要影響因素，礦粉摻量次之，PVA纖維摻量影響最小。

表4 干燥收縮優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Dry shrinkage optimization test results

為了進(jìn)一步分析各因素水平變化對(duì)ECC干燥收縮的影響，以水平變化為橫坐標(biāo)，各因素水平的總干燥收縮值為縱坐標(biāo)，得到因素水平與干燥收縮值的關(guān)系，如圖5所示。

由圖5可知，隨粉煤灰、礦粉和PVA纖維摻量增加，干燥收縮值均有降低的趨勢(shì)，具體影響如下：

圖5 不同因素下各水平的平均干燥收縮值Fig.5 Average drying shrinkage values under different factors and levels

1)粉煤灰對(duì)ECC干燥收縮的影響。不同摻量粉煤灰對(duì)ECC干燥收縮的影響如圖6所示。從圖中可以看出，各粉煤灰摻量ECC的干燥收縮應(yīng)變值隨著時(shí)間的增加而增長(zhǎng)，總體上看，28 d前增長(zhǎng)速度快，28 d后逐漸趨于穩(wěn)定。但是不同摻量的粉煤灰，對(duì)ECC干燥收縮影響程度不同，隨著粉煤灰摻量的增加，ECC的干燥收縮應(yīng)變呈現(xiàn)大幅度降低[18]，粉煤灰摻量為70%時(shí)的干燥收縮應(yīng)變值僅為摻量50%的一半。這是由于粉煤灰參與水化反應(yīng)的程度和速度都遠(yuǎn)低于水泥，在水化反應(yīng)的早期，粉煤灰對(duì)其抑制作用顯著，從而也抑制了ECC的干燥收縮。由于粉煤灰顆粒的彈性模量高于水泥顆粒，隨著粉煤灰的增加，ECC中有效的水灰比增大，自由水增多，在ECC漿體內(nèi)起著限制漿體收縮的作用，這些都會(huì)造成ECC干燥收縮應(yīng)變的下降。

圖6 不同粉煤灰摻量對(duì)ECC干燥收縮的影響Fig.6 Effects of the fly ash content on drying shrinkage of ECC

2)礦粉對(duì)ECC干燥收縮的影響。不同摻量礦粉對(duì)ECC干燥收縮的影響如圖7所示。從圖中可以看出，各礦粉摻量ECC的干燥收縮應(yīng)變值隨著時(shí)間的增加而增加，總體上的趨勢(shì)與粉煤灰的影響類(lèi)似。但在28 d前，ECC的干燥收縮隨著礦粉的增加先減小后增加，15%礦粉摻量使ECC達(dá)到前期的最小干縮值。28 d后，高礦粉摻量的干縮增長(zhǎng)率明顯低于低礦粉摻量的，在90 d干燥收縮應(yīng)變穩(wěn)定后，呈現(xiàn)隨著礦粉摻量的增加，干燥收縮應(yīng)變值降低的現(xiàn)象[19]。這是由于礦粉的摻入，細(xì)化漿體孔結(jié)構(gòu)的同時(shí) 降低了空隙的連通性，增加了干燥條件下水分遷移的難度，有效地降低了ECC的干燥收縮。

圖7 不同礦粉摻量對(duì)ECC干燥收縮的影響Fig.7 Effects of the mineral powder content on drying shrinkage of ECC

3)PVA纖維對(duì)ECC干燥收縮的影響。不同摻量的PVA纖維對(duì)ECC干燥收縮的影響如圖8所示。從圖8可以看出：各PVA纖維摻量ECC試樣的干燥收縮隨著齡期的增加而增大，總體呈現(xiàn)隨著纖維量的增加，干燥收縮有降低的趨勢(shì)，但是各水平之間差別很小，最大相差不到1.0×10-4[20]。這是由于PVA纖維使ECC內(nèi)部的孔隙出現(xiàn)細(xì)微的變化，孔隙結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了一些直徑較大的孔，并且隨著PVA纖維摻量的增加，較大毛細(xì)孔的數(shù)量越多，從而降低了水分?jǐn)U散引起的毛細(xì)管壓力；同時(shí)PVA纖維的存在使?jié)B水通道曲折或者堵塞了滲水通道，使ECC內(nèi)部與外部濕度擴(kuò)散降低，從而減少了收縮。

圖8 PVA纖維摻量對(duì)ECC干燥收縮的影響Fig.8 Effects of the PVA fiber content on drying shrinkage of ECC

2.4 最小干縮ECC配合比的確定

ECC干燥收縮優(yōu)化試驗(yàn)的各參數(shù)因素水平對(duì)90 d干燥收縮值的影響如表4和圖5所示，由圖5中極差和斜率可以看出：粉煤灰摻量的最高水平和最低水平相差48.8%，而礦粉摻量和PVA摻量在既定的水平因素內(nèi)，干燥收縮值僅差14.2%和6.8%。因素影響由大到小的排序依次為：粉煤灰、礦粉、PVA纖維。通過(guò)因素的水平分析，得到干燥收縮值的最優(yōu)配合比的水平為A3B3C3。

3 混凝土和ECC的干縮協(xié)調(diào)分析

混凝土和70%粉煤灰摻量的ECC干燥收縮變化如圖9所示。前28 d，混凝土與S7配比的ECC干燥收縮差值大約為(1.5～2.0)×10-4，由于干燥收縮相差較大，兩種材料界面變形不協(xié)調(diào)，且早期的強(qiáng)度較低，極易出現(xiàn)干縮裂縫，甚至出現(xiàn)剝落和分離；養(yǎng)護(hù)到第90天時(shí)的干燥收縮值，S8和S9都與混凝土較接近，并且混凝土與ECC已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，抗裂能力強(qiáng)，能夠滿(mǎn)足兩種材料的變形協(xié)調(diào)的要求，不出現(xiàn)干縮裂縫。根據(jù)混凝土和ECC整個(gè)齡期的干燥收縮變化分析，最終確定S8和S9作為能夠與混凝土相匹配的低干縮配合比，最大程度地降低了干縮裂縫和變形不協(xié)調(diào)對(duì)混凝土與ECC交界面的影響。

圖9 混凝土和ECC的干燥收縮對(duì)比Fig.9 Comparisons of drying shrinkage between concrete and ECC

4 低干縮ECC的基本力學(xué)性能

ECC作為修復(fù)和連接材料，干燥收縮值降低至能夠與混凝土干縮變形協(xié)調(diào)的同時(shí)，其力學(xué)性能應(yīng)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)能正常服役的基本要求。依據(jù)JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)能夠與混凝土干縮變形協(xié)調(diào)的S8和S9兩組低干縮ECC的拉、壓、彎性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，其力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表5，拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)和四點(diǎn)彎曲力學(xué)行為曲線(xiàn)見(jiàn)圖10。

表5 ECC基本力學(xué)指標(biāo)Table 5 Basic mechanical indexes of ECC

a—單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)； b—彎曲力學(xué)行為曲線(xiàn)。圖10 ECC基本力學(xué)行為曲線(xiàn)Fig.10 Basic mechanical property curves of ECC

試驗(yàn)結(jié)果顯示：S8和S9兩組低干縮配比ECC的抗壓強(qiáng)度達(dá)到C40以上，單軸直接拉伸曲線(xiàn)和四點(diǎn)彎曲曲線(xiàn)均具有明顯的應(yīng)力-應(yīng)變硬化階段，試件的破壞模式均表現(xiàn)為典型的多縫開(kāi)裂特征，破壞時(shí)能夠保持試件的完整性。

文獻(xiàn)[6-8]研究表明，外加減縮劑雖保證材料的低干縮，但嚴(yán)重削弱了ECC的拉伸應(yīng)變硬化特性。優(yōu)化后的兩組ECC配比相比于文獻(xiàn)[10]，兩者在低收縮值差異不大的區(qū)間內(nèi)，本文配比纖維用量更少，水泥占比低，總成本更低。對(duì)比于文獻(xiàn)[13]的配比，本文所給配合比ECC拉伸應(yīng)變硬化性能更好，干燥收縮值更小，基本力學(xué)性能更優(yōu)。綜上所述，S8和S9兩組配合比的低干縮ECC具有干燥收縮值低，與普通混凝土干縮協(xié)調(diào)性能好，力學(xué)性能優(yōu)異和多縫開(kāi)裂延性高的特性。

5 結(jié)束語(yǔ)

1)隨著水膠比和砂膠比的增大，ECC的干燥收縮值增加，同時(shí)水膠比對(duì)ECC干燥收縮的影響遠(yuǎn)大于砂膠比。

2)隨著粉煤灰、礦粉和PVA纖維摻量的增加，ECC的干燥收縮值降低，其中粉煤灰對(duì)降低干燥收縮效果最佳，礦粉次之，PVA纖維影響最小。

3)低水膠比ECC，當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到70%時(shí)，ECC干燥收縮應(yīng)變與混凝土接近，兩種材料的交界面不會(huì)由于變形不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致干縮裂縫。

4)低干縮ECC的抗壓強(qiáng)度達(dá)44.5 MPa以上，抗拉和抗彎強(qiáng)度分別超過(guò)2.5 MPa和10 MPa，極限拉應(yīng)變穩(wěn)定超過(guò)3%，具有明顯的應(yīng)變-硬化特征。