減縮劑和PVA纖維對超輕水泥復合材料收縮開裂行為的影響

王俊顏，莊云芳，劉菲凡，佘安明，*，張敏紅

（1.同濟大學 先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海 201804；2.新加坡國立大學 土木與環(huán)境工程系，新加坡 117576）

超輕水泥復合材料（ULCC）是一種輕質建筑材 料［1］.與普通混凝土相比，ULCC不僅具有較低的密度和較高的比強度，還具有低滲透［2］、低導熱［3］等其他特性，在船舶建造、液態(tài)天然氣圍護系統(tǒng)和其他海上結構等［4］場景中有著廣泛的應用.但是，由于ULCC中一般含有一些輕質組分，例如空心微球，膨脹聚苯乙烯（EPS）和膨脹玻璃等［5］，為獲得良好的工作性能，材料需要適當提高水膠比［4］.同時，高水膠比會導致較高的干燥收縮值，在約束條件下會產生較大的拉伸應力，甚至導致開裂和翹曲.

為了降低ULCC的收縮開裂，一種方法是加入減縮劑（SRA）.一般認為，減縮劑可以通過降低孔溶液的表面張力來降低毛細應力和收縮應變［6］.然而，有研究顯示，隨著摻量的增加，減縮劑會抑制孔隙中堿的溶解，降低水泥水化速率，延緩凝結，阻礙水泥漿體和混凝土的強度發(fā)展［7-8］.另一種方法是加入纖維.纖維可以提高混凝土基體的抗裂能力，并且通過在裂縫間傳遞應力來限制裂縫的寬度［9-10］.與鋼纖維或其他聚合物纖維相比，聚乙烯醇（PVA）纖維可能更適合解決ULCC的收縮開裂問題，原因包括：（1）比鋼纖維輕；（2）合理的彈性模量，達到25～40 GPa；（3）在漿體中不容易導致偏析；（4）與水泥漿基體的化學鍵強度接近；（5）成本相對較低.

本文制備了用于結構應用的新型ULCC，密度為1 100～1 300 kg/m3，強度25 MPa以上.通過基本力學測試、收縮測試、彎曲性能以及圓環(huán)試驗，研究減縮劑摻量和PVA纖維類型對ULCC力學性能及抗干縮開裂性的影響.

1 試驗

1.1 材料

減縮劑為格雷斯公司生產的Eclipse-floor型無色液體，密度為960 kg/m3，試驗中使用減縮劑取代等質量的水.空心微珠密度為610 kg/m3，破碎強度為13.8 MPa.水泥和硅灰的化學組成見表1.試驗采用聚羧酸高效減水劑調控ULCC的流動性來獲得（200±10）mm的流動度.PVA纖維為高韌型，選取直徑0.038 mm的細纖維（代號RECS15）和直徑0.63 mm的粗纖維（代號RF4000-30）進行研究，其性能如表2所示.同時為了研究纖維長度的影響，選擇了長度分別為8、12 mm的細纖維RECS15，分別編號為RECS15-8和RECS15-12.纖維顯微形態(tài)如圖1所示.

表1 水泥和硅灰的化學組成Table 1 Chemical compositions of cement and silica fume w/%

表2 聚乙烯醇纖維的性能Table 2 Properties of PVA fibers

圖1 纖維形態(tài)Fig.1 Pictures of fibers

1.2 配合比

本文共設計了6種ULCC配合比，如表3所示.其中K為減水劑摻量.前3組為無纖維的ULCC，在水、膠凝材料、空心微球質量不變的前提下，改變減縮劑摻量，分別為水質量的0%、3%和6%.其他3種配合比均含有6%的減縮劑和體積分數(shù)（φ）為0.5%的PVA纖維，包括8、12 mm長的細纖維以及30 mm長的粗纖維.6%的減縮劑摻量是根據(jù)自由收縮應變的測試結果選擇的，將在后面討論.

表3 ULCC的配合比Table 3 Mix proportions of ULCC

1.3 試樣制備

將按配合比稱量的膠凝材料和空心微珠放在混合容器中干拌混合，然后再加入對應質量的水和高效減水劑拌和5 min.對于需要加入纖維的試驗組，在加入纖維后需繼續(xù)拌和5 min.當拌合物達到所要求的工作性能時，再次加入減縮劑混合均勻，澆筑成型后靜置24 h脫模.試件在規(guī)定的養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至需要的齡期進行相關測試.

1.4 測試方法

材料性能評定表及相關試驗方法如表4所示.彎曲性能是按照ASTM/C 1609《Standard test method forflexural performance of fiber-reinforced concrete（usingbeam with third-point loading）》，使用Instron閉環(huán)伺服控制測試系統(tǒng)在四點彎曲試驗下進行測量的，裝置的原理如圖2所示（跨長300 mm，采用等位移加載控制方法，試件兩側對稱設置2個光柵位移傳感器用于測量撓度值）.加載速度為0.5 mm/min，荷載高于0.5 k N時開始正式加載.

表4 材料性能評定表及相關試驗方法Table 4 List of material properties evaluated and relevant test methods

圖2 ASTM/C 1609試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the ASTM/C 1609 test apparatus（size：mm）

自由收縮是根據(jù)ASTM/C 157《Standard test method forlength change of hardened hydrauliccement mortar and concrete》，使 用Mitutoyo公 司ID-C150XB型數(shù)字長度比較儀測試的.試件靜置24 h后脫模，然后放置于相對濕度為65%、溫度（28±1）℃的條件下養(yǎng)護，并定期監(jiān)測記錄試件長度變化.

限制收縮開裂行為根據(jù)ASTM/C 1581《Standard test method fordetermining age at cracking and induced tensile stresscharacteristics of mortar and concrete under restrained shrinkage》進行（裝置如圖3所示）.將拌和物澆筑在一個帶有內圈和外圈的圓形鋼模具中并壓實，表面覆蓋濕的粗麻布和塑料片.試件在模具中固化24 h后，立即脫去外層鋼圈，然后用鋁箔密封試件的上表面，只讓外周表面發(fā)生干燥.澆筑前在內圈鋼模具表面粘貼3個電阻應變計，以監(jiān)測鋼環(huán)內的應變發(fā)展.某試件應變突然下降的時間為該試件發(fā)生開裂的時間并記錄（從澆筑開始計時）.采用精度為0.02 mm的裂縫寬度測量顯微鏡，對由內鋼環(huán)抑制作用導致的ULCC裂縫寬度進行50 d的監(jiān)測.裂縫監(jiān)測從澆筑后4 d開始，因為所有試件在澆筑后的2～4 d內均陸續(xù)發(fā)生了第1次開裂.

圖3 圓環(huán)收縮開裂試驗裝置Fig.3 Test setup for shrinkage cracking behavior

2 結果與討論

2.1 抗壓和彎曲荷載下的性能

ULCC的抗壓、抗彎性能試驗結果見表5.由表5可見，試件Z2的28 d密度要高于Z1和Z3，即加入3%減縮劑后ULCC的密度要大于摻0%、6%減縮劑時的密度.這可能是因為摻入3%減縮劑使得混合漿體的表面張力下降，在拌和過程中引入的氣泡更容易發(fā)生破裂［11］，從而被消除，最終導致ULCC體系的密實度增加.這與試件Z1、Z2、Z3的28 d強度值以及彈性模量的變化規(guī)律一致.減縮劑用量從3%增加到6%，由于減縮劑分子對ULCC水泥水化和強度發(fā)展的抑制作用，材料的強度值、密度值和彈性模量都出現(xiàn)了輕微下降的現(xiàn)象.

表5 ULCC的抗壓、抗彎性能試驗結果Table 5 Test results of compressive and flexural performance of ULCC

從表5還可以看出：

（1）摻PVA纖維的試件Z3-15-8、Z3-15-12和Z3-4000-30與不摻纖維的試件Z3的密度相似，彈性模量也基本相同，說明PVA纖維和ULCC基體有較好的結合性.粗纖維（RF4000-30）的摻入略微提高了ULCC的抗壓強度，但抗彎強度有所下降.2種細纖維（RECS15-8和RECS15-12）的摻入降低了ULCC的抗壓強度，而抗彎強度有所增加.這是因為ULCC中缺少粗骨料，受纖維本身特性影響較大.

（2）RF4000-30纖維為硬質粗纖維，另外2種為柔質細纖維.與試件Z3相比，RF4000-30硬質纖維的加入使試件Z3-4000-30的抗壓強度增加，但抗彎強度略有降低.這可能是因為RF4000-30纖維的引入會削弱ULCC基體截面的抗彎強度，而且纖維數(shù)量少且為硬質纖維，因此在ULCC基體初裂時纖維的橋接和阻裂效果有限.在試件Z3-15-8和Z3-15-12中，加入的柔質細纖維數(shù)量較多且與基體的接觸面積大，因此抗壓強度降低.同時，細纖維對ULCC基體具有較好的橋接作用和阻裂效果，因此ULCC的抗彎強度有所增加.

摻不同PVA纖維ULCC試件的彎曲強度-跨中撓度曲線如圖4所示.由圖4可見：

（1）無論摻不摻纖維，ULCC的彎曲強度-撓度曲線上升部分相似，且ULCC基體斷裂的撓度一般在0.05～0.07 mm范圍.不摻纖維的對照試件Z3無峰后曲線，跟其他試件的曲線重疊在一起，呈現(xiàn)脆性材料破壞模式，而摻入纖維的ULCC均有峰后曲線和不同的殘余彎曲強度.

（2）摻入12 mm長細纖維的試件Z3-15-12在基體初裂后彎曲強度-撓度曲線出現(xiàn)回升現(xiàn)象，隨后在撓度超過0.40 mm后又急劇下降.試件Z3-15-12在0.50 mm的撓度下具有最高的殘余強度，為3.02 MPa，在2.00 mm撓度時殘余強度最低，為0.38 MPa.試件Z3-15-8和Z3-4000-30基體初裂后的彎曲強度-撓度曲線則較為平緩，且在2.00 mm撓度時仍有較高殘余抗彎強度，約1.00 MPa左右.對比3種試件初裂后彎曲強度-撓度曲線發(fā)現(xiàn)，試件Z3-15-12的下降速率遠快于另外2組，2.00 mm時的抗彎強度低于0.50 MPa.這可能是因為試件Z3-15-12中纖維的主要破壞方式不同造成的.PVA作為一種人工合成纖維，有較高的抗拉強度，同時由于具有親水基團，因此與其他纖維相比具有更高的水泥相容性和黏接力，不同參數(shù)的PVA纖維與基體的黏接程度不同.試驗荷載達到第1峰值強度時，試件開始出現(xiàn)裂紋導致基體承載力降低，但由于纖維的橋接作用，彎曲強度-撓度曲線開始出現(xiàn)回升.12 mm的PVA纖維由于長徑比大，相對錨固長度長，與基體黏結效果好，部分纖維在拔出之前先發(fā)生了斷裂.而試件Z3-15-8和Z3-4000-30的彎曲強度-撓度曲線后期的平緩發(fā)展也說明對應試件中纖維的主要破壞方式是逐漸被拔出而不是斷裂，因此未能充分發(fā)揮纖維橋接對基體的增強作用和對裂紋的阻裂效果.試件Z3-15-8和Z3-4000-30分別在0.90、1.90 mm的撓度處觀察到轉折點（如圖4圓點標注處），這2處的撓度值大小可能與纖維的長徑比有關.試件Z3-15-8的長徑比較大，相對錨固長度長，拐點處的撓度值較小，峰后曲線變化趨勢相對接近試件Z3-15-12；試件Z3-4000-30的長徑比小，拐點處的撓度值較大，峰后曲線也最為平緩.

圖4 摻不同PVA纖維ULCC試件的彎曲強度-跨中撓度曲線Fig.4 Flexural strength-deflection curves of ULCC specimens with different PVA fibers

（3）與試件Z3-15-12相比，試件Z3-15-8具有更高的彎曲韌性（以達到2.00 mm撓度時曲線下的面積來衡量），其值為12.26 J，比12 mm細纖維試樣組高25%.這可能是因為在彎曲試驗中，8 mm的細纖維被拉出，而12 mm的細纖維在0.40 mm的小撓度處斷裂.在相同的2.00 mm撓度下，試件Z3-15-12和Z3-4000-30的彎曲韌性值卻幾乎相等.有研究顯示，彎曲韌性值與纖維數(shù)量和纖維破壞模式有關［12］.試件Z3-15-12中纖維在彎曲過程中由于過早被破壞，其值低于試件Z3-15-8.試件Z3-4000-30雖然破壞模式與Z3-15-8相似，但在同體積分數(shù)下試件Z3-4000-30的纖維數(shù)量較少，因此值也相對較低，與試件Z3-15-12相近.

2.2 自由收縮

圖5為減縮劑摻量對ULCC自由收縮的影響.由圖5可見，加入3%的減縮劑后，ULCC試件28 d的自由收縮比未添加減縮劑時降低了27%，而摻入6%減縮劑比未添加減縮劑時降低了48%.減縮劑的加入可顯著降低ULCC的自由收縮，降低程度隨減縮劑用量的增加而增加.這是因為減縮劑可以降低混凝土毛細孔內彎液面的表面張力，從而減少體系的自由收縮量.因此，為了探究控制收縮開裂的最優(yōu)方案，本文在后續(xù)研究PVA纖維對ULCC收縮開裂性能的影響時選擇在體系中摻入6%的減縮劑.

圖5 減縮劑摻量對ULCC試件自由收縮的影響Fig.5 Effect of SRA content on the free shrinkage of the ULCC specimens

摻加不同種類PVA纖維ULCC試件的自由收縮如圖6所示.由圖6可見，不同長度或粗細PVA纖維的摻入對ULCC的自由收縮影響不大.這說明加入纖維只能提高材料抗裂能力，而不能減少自由收縮量.

圖6 摻加不同種類PVA纖維ULCC試件的自由收縮Fig.6 Free shrinkage of the ULCC specimens with different PVA fibers

2.3 約束條件下ULCC收縮開裂行為

圓環(huán)開裂試驗中，各試件第1次開裂的時間如表6所示.由表6可見：（1）試件Z1的第1次開裂發(fā)生在澆筑后49.5 h，試件Z2和Z3首次開裂的時間分別為50.5 h和52.0 h，表明減縮劑用量對延長ULCC首次開裂時間的作用并不顯著.（2）對于摻入纖維的ULCC試件，第1次裂紋發(fā)生在澆筑后約60～84 h，首次開裂的發(fā)生時間明顯延后.其中，加入8 mm和12 mm細纖維的試件Z3-15-8、Z3-15-12與不含纖維的對照試件Z3相比，首次開裂時間分別延遲了42.3%和61.5%.相比之下，摻入粗纖維的試件Z3-4000-30的首次開裂時間只延遲了15.4%.

表6 ULCC的首次開裂時間Table 6 First cracking time of ULCC

ULCC試件在第4天的最大裂縫寬度如圖7所示.由圖7可見，不摻減縮劑的對照試件Z1的最大裂縫寬度為4.20 mm，加入3%減縮劑試件Z2的最大裂縫寬度為2.10 mm，減小了50%，這是因為減縮劑對ULCC的自由收縮有較明顯的降低作用.但進一步增加減縮劑用量至6%時，試件Z3的最大裂縫寬度并沒有進一步明顯減小.考慮到結構的耐久性，一些規(guī)范中對鋼筋混凝土結構設計建議的最大裂縫寬度僅為0.3 mm.因此，后續(xù)對這3個試件最大裂縫寬度變化的監(jiān)測沒有繼續(xù)進行.同時摻入PVA纖維和減縮劑的3種試件，其最大裂縫寬度則大幅減小至0.22 mm及以下；與未摻纖維的Z3組相比，試件Z3-15-12的最大裂縫寬度降低了近90%，表明纖維在控制裂紋寬度方面比減縮劑更有效.

圖7 ULCC試件在第4天的最大裂縫寬度Fig.7 Maximum crack width of the ULCC specimens at 4 d

試驗發(fā)現(xiàn)，對于摻PVA纖維的ULCC試件，隨著時間的增長和自由收縮量的增加，材料出現(xiàn)了多條裂縫，但28 d時其最大裂縫寬度仍小于0.3 mm.與未摻纖維的ULCC相比，試件在荷載作用下產生初裂紋時，由于PVA纖維對基體的橋接作用和對裂紋擴展的阻礙作用，部分力由纖維傳遞到了基體上，材料呈現(xiàn)出多微裂紋發(fā)展狀態(tài)，提升了材料的抗裂能力.

圖8為摻加不同PVA纖維的ULCC試件最大裂縫寬度發(fā)展趨勢.由圖8可見：（1）3種纖維增強ULCC試件的最大裂縫寬度在50 d齡期內隨時間的增加而增加.與試件Z3-15-8和Z3-4000-30相比，試件Z3-15-12在早期對裂縫寬度有較強的控制能力，在前25 d內的最大裂縫寬度一直最小.（2）到45 d齡期時，所有試件均表現(xiàn)出相似的最大裂縫寬度，約為0.32 mm.摻不同種類PVA纖維的ULCC對首次開裂的抵抗能力可能與該纖維增強的ULCC在小撓度時的抗彎性能有關.在2.1的彎曲試驗中，試件Z3-15-12在0.5 mm以下的小撓度處殘余彎曲強度最高，說明此時纖維對基體收縮的約束能力較強，與試件Z3-15-12在前25 d具有最小的最大裂縫寬度值相對應.對比試件Z3-15-8和Z3-4000-30發(fā)現(xiàn)，試件Z3-15-8在小撓度狀態(tài)下的對應殘余強度高于試件Z3-4000-30，在最大裂縫寬度發(fā)展曲線中，前期對最大裂紋的約束力也相對較高.由此可知，在小撓度處具有較高殘余強度的ULCC在首次裂紋出現(xiàn)并開始擴展時具有較高的抗裂能力，但隨著體系收縮應力的增加，摻入不同PVA纖維的ULCC最大裂縫寬度也基本趨于一致.

圖8 摻加不同PVA纖維ULCC試件的最大裂縫寬度發(fā)展Fig.8 Maximum crack width development of ULCC specimens with PVA fibers

3 結論

（1）含PVA纖維ULCC的彎曲強度-撓度曲線在初裂后均出現(xiàn)峰后曲線，且存在不同程度的曲線回升現(xiàn)象.摻入12 mm細纖維的試件在0.5 mm小撓度處的殘余強度最高，之后則出現(xiàn)快速下降，摻8 mm細纖維和30 mm粗纖維ULCC的峰后曲線較為平緩，在0.90 mm和1.90 mm的較大撓度處才出現(xiàn)拐點.

（2）摻入減縮劑顯著降低了ULCC的自由收縮，且自由收縮值隨減縮劑摻量的增加而減小，摻入6%減縮劑可使自由收縮率降低48%，而PVA纖維對ULCC自由收縮的影響較小.

（3）減縮劑對推遲ULCC首次開裂時間的作用不大，PVA纖維對推遲ULCC首次開裂的時間有顯著作用.與未摻纖維的對照組相比，摻入12 mm PVA細纖維ULCC的首次開裂時間延遲了32 h.

（4）PVA纖維相比于減縮劑能更有效地控制ULCC的裂縫寬度.單摻入6%減縮劑時，ULCC的4 d最大裂縫約為2 mm，而結合使用12 mm細纖維和6%減縮劑的ULCC在4 d時的最大裂縫寬度僅為0.06 mm，降低了約90%，且纖維控制ULCC早期裂縫發(fā)展的能力與其在小撓度狀態(tài)下的殘余強度具有相關性.