纖維水泥漿界面區對FA-SHCC力學性能的影響

高 嵩，李秋義，金祖權，王鵬剛

（1.青島理工大學 土木工程學院，山東 青島 266033；2.青島理工大學 藍色經濟區工程建設與安全協同創新中心，山東 青島266033）

傳統混凝土材料屬于脆性材料，抗拉強度和極限應變都很小.在收縮受到約束時易產生裂縫，導致混凝土結構耐久性失效.新型的應變硬化水泥基復合材料（Strain Hardening Cement-based Composite，SHCC）具有較好的韌性、抗沖擊性等特點.PVA纖維的使用可以減緩材料中微裂縫的擴展，防止新裂縫的產生，優化SHCC材料的力學性能[1].PVA-SHCC試樣在直拉試驗中可以呈現多重裂縫，應力應變曲線有明顯的硬化階段，其直拉應變達到2.5%到4.5%，幾乎是普通混凝土的50～100倍，因此其在控制結構裂縫、提高結構抗震性能等方面有廣闊的應用前景[2].SHCC的優良的直拉性能和開裂模式已經得到廣泛關注并取得了大量研究成果[3]，但是以較低成本實現較好的力學性能仍然存在很多困難.

1 多重開裂產生機理要求

PVA-SHCC材料的性能依賴于PVA纖維與水泥漿基體間的界面結構和粘附性，而界面結構和粘附性又與PVA纖維表面的化學性質和微觀結構關系密切.PVA纖維與水泥漿基材的界面粘結主要靠范德華力，但其分子鏈上的-C-OH基團可與水泥水化產物中的-OH基團形成氫鍵結合，從而進一步增進二者的粘結，加強纖維對水泥漿基體的橋聯作用[4].纖維發揮橋聯作用時有3種情況：1）纖維在承受拉荷載時達到抗拉強度而被拉斷，SHCC可以獲得較高的抗拉強度和較低的形變；2）纖維與水泥漿基體的摩擦力小于拉應力，從而被從基體中拔出去，SHCC的拉應變會相應增加，但是摩擦力較小，傳遞出去的拉應力不足以在基體其他部位產生開裂；3）單根纖維在從基體中被拔出，未被拉斷的有效纖維數量較多，纖維與基體間產生的總動摩擦力將拉應力有效傳遞到未開裂的基體中，阻止了初始裂縫擴展和延伸，而在基體多處產生若干微細裂縫，即所謂的“多重開裂”[5].

纖維橋聯作用目前研究很多，為實現多重開裂模式，需要對纖維-水泥漿界面區（interfacial transition zone，ITZ）進行改性，主要包括纖維表面處理和水泥漿膠凝體系優化兩種不同改性方法.纖維表面處理方面，Li針對PVA纖維表面改性做過大量研究，發現PVA纖維表面改性措施可以有效改善拉荷載作用下易斷裂而難被拔出的情況[6].但是表面處理費用較高，工序復雜，很難廣泛應用.基體優化方面，Zijl G Van和SahmaranM等針對SHCC水泥漿基體部分進行改性研究，利用粉煤灰、礦粉和硅灰等礦物摻合料改善水泥漿基體結構，或改善骨料級配，增加材料基體均勻性，以較低成本得到SHCC的多重裂縫[7-9].

粉煤灰的粒徑比水泥小，且顆粒為球狀，填充在水泥水化后的空隙中，可以增加在抗拉和抗彎時纖維拔出過程中的滑動摩擦.而且其二次水化可以重新構造纖維-水泥漿界面區水化產物結構，增加材料的多重開裂幾率，對PVA-SHCC的力學性能有明顯改善.現代高科技手段比如SEM、EDS等微觀觀察技術的成熟應用，對裂縫以及纖維和水泥漿的界面區可以進行充分觀察和研究.本文利用微觀觀測方法對粉煤灰對 PVASHCC材料力學性能的影響，以及粉煤灰在纖維-水泥漿界面區特殊結構生成過程中的角色進行研究.

2 原材料與試驗方案

2.1 試驗原材料

纖維：日本可樂麗（KURARAY）公司生產的REC15型高模量PVA纖維，性能指標如表1，摻量為膠凝材料總量的2%；水泥：山水集團生產的P.I52.5水泥；砂：青島大沽河產中砂，按照一定比例配制好的級配砂，顆粒級配為：0.65孔徑篩余lt;3%，0.40孔徑篩余約為40%±5%，0.25孔徑篩余gt;94%；粉煤灰：青島電廠生產的 II級粉煤灰，基本化學成分如表2所示；減水劑：山東省建筑科學研究院外加劑廠生產的NC-J聚羧酸高效減水劑，減水率gt;30%；拌合用水：去離子水.

表1 REC15 PVA纖維性能指標Tab.1 Property indexesof REC15 PVA fiber

表2 粉煤灰化學成分 %Tab.2 Chem ical componentof FA

2.2 試樣制備

拉伸試驗的試樣為八字模試樣，尺寸為：240mm×60mm×15mm，每個配比4個試樣，三點彎曲試驗的平板試樣尺寸為：500mm×70mm×15mm.

2.3 試驗配合比

為了研究其他因素一致的情況下，粉煤灰摻量對PVA-SHCC力學性能的影響，試驗分別采用粉煤灰摻量占膠凝材料總量的0%，30%，40%，50%，60%的配比制備SHCC試驗，具體配合比如表3.

表3 試驗配合比 kg m 3Tab.3 Experimentalm ixing proportion

3 實驗結果與分析

力學性能試驗參考ZijlGVan和Boshoff W P的試驗方法[7]，PVASHCC試樣直拉試驗的拉伸強度與拉應變關系如圖1a）所示，靜彎曲試驗的彎曲荷載與試樣撓度關系如圖1b）所示，試驗中應力和彎曲荷載由加載機器直接讀出，應變和撓度由數據采集系統得到.

圖1 粉煤灰摻量對PVA-SHCC力學性能影響Fig.1 Influenceby FA adm ixtureon mechanis mproperties of PVA-SHCC

由圖1a）可知，PVA-SHCC材料的韌性隨著粉煤灰摻量的增加而逐漸增加，同時保持試件的抗拉強度，當粉煤灰摻量達到50%、60%時，試件的抗拉強度以及韌性均達到較高的水平，拉應力達到3MPa左右，應變在2%～3%.粉煤灰摻量少的幾組試樣的應力-應變曲線的開裂模式是由于基體中大部分纖維被拉斷，少部分纖維由水泥基材拉出，破壞仍呈現一定的脆性，但與水泥石或普通砂漿相比，脆性要小的多.這種情況下SHCC一般具有較高的抗拉強度，但韌性與抗沖擊強度則較低.

圖1b）所示的試樣彎曲荷載-撓度曲線為SHCC試樣彎曲時典型的受力形變過程.在初始裂縫出現后荷載-撓度曲線呈現緩和上升段，而多重裂縫就出現在此階段.這是由于彎曲開始時橫跨基材裂縫的纖維承受拉力，在裂縫處纖維逐漸自水泥基材中拔出，拔出過程吸收大量的能量，并成功將荷載由初始裂縫處轉移至水泥石中引起其他裂縫.彎曲荷載-撓度曲線圖出現的下降的曲線段（軟化段），此時試樣的承載能力不斷降低，但仍然具有較大的變形能力.

4 界面區水化產物分析

SHCC在成型中，纖維與砂漿之間產生水膜層，而水泥水化產生的Ca(OH)2晶體則在水膜層中大量積聚，這就構成了纖維與水泥基材之間存在的ITZ.ITZ不僅在微觀結構上與水泥基體不一致，而且在化學成分上也存在差異.采用配比為粉煤灰摻量為50%的D試樣的ITZ和水泥漿基體進行電子探針（EDS）測試，分析界面相和本體相水化產物的異同，見圖2和表4、表5.

表4 纖維-水泥漿界面區掃描點元素成分質量分數 %Tab.4 Element concentration of scanning spoton ITZ between fiberandmatrix

表5 水泥漿基體掃描點元素成分質量分數%Tab.5 Element concentration of scanning spot inmatrix

界面區（ITZ）主要由Ca(OH)2晶體與水化硅酸鈣（CSH）凝膠組成，等效計算表4、表5數據可知，ITZ中的Ca(OH)2晶體含量比基材本身要高出20%～40%左右，而Si元素質量含量卻只有基體中的約37%.這說明ITZ是Ca(OH)2晶體的富集區，卻是CSH凝膠的貧乏區，這也是ITZ結構疏松、高孔隙率的主要原因.

5 結論

PVA-SHCC材料中，PVA纖維的親水性令水泥水化產物緊密附著在纖維表面，使得纖維被拔出時承受的阻力加大，大量纖維在拉應力作用下被拉斷，從而降低了纖維橋聯作用.粉煤灰替代部分水泥的 FA-SHCC的ITZ水泥水化產物主要為Ca(OH)2，而CSH凝膠的含量相對較低，造成ITZ結構疏松、高孔隙率，削弱了界面區結構強度.纖維與水泥漿ITZ弱界面效應的降低纖維與水泥基體的界面黏結強度，有助于保持有效纖維數量，增強纖維的橋聯作用，有利于多重開裂的形成，提高SHCC的直拉應變和靜彎曲撓度.

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