應變硬化水泥基材料在拉伸作用下的滲透性研究

趙 煒，馬志鳴，黃巍林

(1.青島市建筑設計研究院，山東青島 266003;2.青島理工大學，山東青島 266033)

普通混凝土具有優異的抗壓性能，已廣泛用于國家建設行業的各個方面，具有良好的使用性能和經濟效益。但由于混凝土內部結構特點，其脆性大、抗拉強度較低(約為抗壓強度的1/10左右)，使其在彎曲荷載、拉伸應力作用下迅速開裂;同時由于裂縫的存在及凍融循環等惡劣環境的耦合作用，氯離子、硫酸根離子等有害物質隨著水分迅速浸入到混凝土結構內部，造成鋼筋發生銹蝕，降低混凝土結構的耐久性，使結構達不到設計的使用壽命［1-2］。

為解決混凝土材料抗拉強度低的問題，向水泥砂漿中添加聚丙烯纖維制備應變硬化水泥基材料(以下簡稱PVA-SHCC)，由于其分散的內部結構特點，使其具有良好的拉伸、彎曲力學性能。國內外對 PVASHCC進行的大量研究表明，聚丙烯纖維的摻入能夠明顯提高水泥基材料的拉伸和彎曲性能，同時對構件的裂縫開展具有良好的抑制作用。即使在應變較大、多縫開裂環境下仍保持良好的抗拉、抗彎等力學性能，進而提高PVA-SHCC的使用壽命［3-4］。以往的研究側重于PVA-SHCC的力學性能，對其耐久性，特別是多縫開裂環境下的耐久性能研究較少［5-6］。基于此，本文對PVA-SHCC試件進行拉伸試驗，測定其在不同拉伸應力、應變環境下的抗水和抗氯離子滲透性能，為評定其在不同應力、應變、及多縫開裂環境下的耐久性能和實際工程應用提供理論依據。

1 試驗原材料與配合比

聚丙烯纖維來自日本KURARAY公司，聚丙烯纖維的主要性能指標如表1所示。為使試件具有良好的拉伸性能，研究其在不同應力、應變環境下的抗滲透性，對PVA-SHCC配合比進行了試驗優化，結果見表2。

表1 PVA纖維主要性能指標

表2 PVA-SHCC配合比 kg/m3

2 試驗內容及方法

2.1 PVA-SHCC拉伸試驗

PVA-SHCC拉伸試件如圖1所示，厚30 mm。按照試驗規范制備，在一定濕度、溫度環境下靜置24 h后將成型試件拆模，為保證試件內部水化反應完全和成型后的力學性能，待試件拆模后將其放入水中進行水養(溫度為(20±2)℃)，試件養護齡期達到21 d后進行拉伸試驗［7］。

圖1 啞鈴形試塊尺寸(單位:mm)

拉伸試驗儀如圖2所示。待試件達到預定應變值(占試件極限應變的百分比)后，保持該應變環境下的應力值不變，進行抗水滲透性試驗和抗氯離子滲透性試驗，同時繪制毛細吸水量隨時間變化曲線、氯離子含量隨深度變化曲線，從而評定PVA-SHCC試件在拉伸作用下的抗滲透性能。

圖2 拉伸試驗儀

2.2 PVA-SHCC毛細吸水試驗

當PVA-SHCC試件達到不同應變后，使試件保持該應變狀態下的應力值，進行毛細吸收試驗(試驗用水溶液為3%的NaCl溶液)，試驗裝置如圖3所示。為保證水分不隨裂縫從試件四周流出，對試件表面用橡皮泥進行封堵，只保留試驗用毛細吸收區域，從加入3%的Nacl溶液后開始計時，分別記錄在吸水時間為0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 h 時毛細吸水量，繪制試件毛細吸水量隨時間的變化曲線;同時將試件磨成粉末，進行氯離子含量滴定試驗，測定試件中氯離子含量隨氯離子侵入深度變化曲線，從抗水滲透性和抗氯離子滲透性兩個方面評定試件的耐久性能。

圖3 毛細吸水試驗裝置

3 結果與分析

3.1 不同拉伸應變水平下抗水滲透性試驗

不同拉伸應變水平下，PVA-SHCC吸水量與吸水時間平方根的關系見圖4。

圖4 不同直拉應變水平下試件吸水量隨時間變化曲線

由圖4可知，試件毛細吸水量隨著與水接觸時間的增加而增加;同時，試件毛細吸水量隨著直拉應變的增大而增大。對比未受應力、應變作用的空白試件毛細吸水數據可知，當試件上的應變值超過1.0%時，試件毛細吸水量呈突變式增加;當試件應變值達到2.0%時，其毛細吸水量約為空白試件的3.5倍。分析其原因有:由于在拉伸作用下，當應變值超過1.0%時，試件出現較多的裂縫，同時有些裂縫會增大并貫通，但是由于PVA-SHCC內部結構的分散性，在持續應力作用下仍能保持試件的整體完整性，此時裂縫的存在為水分迅速侵入試件內部提供了通道，造成應變值超過1.0%時，水分侵入量突變式增長。

對圖4中曲線進行線性擬合，得到試件在不同應變水平下的毛細吸收系數，見表3。可以看出，試件的毛細吸收系數隨著試件應變值的增加而增加，當應變值超過0.5%時，其毛細吸收系數有較大幅度的提高;對比空白試件毛細吸收系數，當應變值為2.0%時，試件的毛細吸收系數增量約為4.52倍。實際工程中應用PVA-SHCC，雖然其具有良好的抗拉、抗彎曲性能，在較多裂縫環境下仍具有良好的力學性能和結構完整性，但當其應變超過一定限度時，在毛細吸收作用下，(SO4)2－，Cl－等有害離子會隨裂縫迅速進入結構內部，造成耐久性不足、使用壽命降低，故應對PVA-SHCC進行防護處理。如采取表面防水處理可減少水分及有害離子的侵入，提高其耐久性能。

表3 不同拉伸應變水平下PVA-SHCC毛細吸收系數g/(m2·h1/2)

3.2 不同拉伸應變水平下PVA-SHCC抗氯離子滲透性試驗

對試件進行抗氯離子滲透性試驗，測定試件在不同拉伸應變水平下，氯離子含量隨滲透深度變化曲線，如圖5所示。由圖可知，在同一應變水平下，在開始一段區域內，氯離子含量隨著試件深度的增加而減少;在不同應變水平下，氯離子含量隨著應變的增加而增加，當試件應變值達到0.5%時，氯離子已侵入到整個試件。這是因為應變為0.5%時，試件表面和內部出現較多的裂縫，氯離子隨水分沿著裂縫侵入到試件內部，導致其氯離子含量增加。在不同應變水平下，試件背面的氯離子含量較高出現氯離子富集現象。這是由于在拉伸作用下，為防止溶液從試件四周流出，在試件表面用橡皮泥進行了封堵，從而造成試件背面氯離子含量較其他部位高。

圖5 不同拉伸應變水平下氯離子分布曲線

4 結語

1)PVA-SHCC試件在較高應變水平下仍具有良好的力學性能，隨著拉伸應力和拉伸應變的提高，試件表面和內部出現較多的裂縫，水分及氯離子迅速侵入試件內部，導致其抗水滲透性及抗氯離子滲透性均呈突變式降低，使結構耐久性降低，使用壽命縮短。

2)實際工程應用PVA-SHCC，當發現有較多裂縫出現時，應及時對構件進行表面防水處理，保證其在良好的力學性能下，具有良好的抗水和抗氯離子滲透性能，從而提高結構的耐久性能。

［1］張玉娥，田礫，趙鐵軍.SHCC-鋼筋混凝土疊合構件彎曲性能試驗研究［J］.混凝土，2013(1):24-27.

［2］馬志鳴，趙鐵軍，趙彥迪，等.靜水壓力下混凝土中氯離子傳輸特征試驗研究［J］.公路，2012(12):168-171.

［3］田礫，張洪源，趙鐵軍，等.防水處理對應變硬化水泥基復合材料孔結構的影響［J］.混凝土，2012(1):4-9.

［4］胡春紅，趙鐵軍，戎濤.應變硬化水泥基復合材料(SHCC)抗拉性能試驗研究［J］.工業建筑，2012(3):102-106.

［5］王麗靜，張鵬，趙鐵軍，等.摻硅烷后應變硬化水泥基復合材料的吸水性能［J］.新型建筑材料，2010(11):72-74.

［6］LI VICTOR C，WU H C.Conditions for pseudo strain-hardening in fiber reinforced brittle matrix composites ［J］.J.Applied Mechanics Review，1992，45(8):390-398.

［7］MARSHALL D，COX B N.A J-integral method for calculating steady-state matrix cracking stress in composites［J］.Mechanics of Materials，1988(7):127-133.