高鈣粉煤灰PVA-ECC拉伸性能試驗研究

劉曙光,張棟翔,閆長旺，鄧軼涵

(1.內蒙古工業大學礦業學院，呼和浩特　010051；2.內蒙古工業大學土木工程學院，呼和浩特　010051)

?

高鈣粉煤灰PVA-ECC拉伸性能試驗研究

劉曙光1,2,張棟翔2,閆長旺1,2，鄧軼涵2

(1.內蒙古工業大學礦業學院，呼和浩特010051；2.內蒙古工業大學土木工程學院，呼和浩特010051)

目前配制PVA-ECC(PolyvinylAlcohol-EngineeredCementitiousComposite)采用的粉煤灰主要是低鈣粉煤灰，為進一步提高高鈣粉煤灰的利用效率，采用當地I級高鈣粉煤灰配制出拉伸應變穩定達到3%的PVA-ECC，為實際工程應用提供更多的材料選擇。從配合比設計開始，研究了粉煤灰摻量、水膠比以及試件形式對PVA-ECC直接拉伸性能以及裂縫模式的影響。結果表明：隨著粉煤灰摻量的增加，新拌PVA-ECC的流動性增大，立方體試塊的抗壓強度越小，拉伸開裂強度、極限抗拉強度降低，拉伸應變增大，試件斷裂面不平，纖維拔出長度增長；隨著水膠比的增大，拉伸開裂強度、極限抗拉強度降低，裂縫模式由橫向等寬度變為軸線處細密邊緣處較寬；啞鈴型試件標距范圍內的最大等應力區更有利于應變硬化的實現。

PVA-ECC； 直接拉伸； 高鈣粉煤灰； 裂縫模式； 應變硬化

1　引　言

混凝土作為一種非常成功的建筑材料在國民建設中擔任著不可或缺的角色。近些年來，突發的自然災害(嚴重的動荷載)造成的毀壞性的破壞使混凝土材料本身的脆性這一致命缺點越發顯著。在沖擊或爆炸荷載作用下，由于混凝土的脆性導致混凝土開裂、剝落甚至導致失去結構的完整性是常有的事。除此之外，高速掉落的混凝土碎片會對正在結構下面的行人造成人身傷害[1]。

經過設計的水泥基復合材料(EngineeredCementitiousComposite，簡稱ECC)在Michigan大學先進土木工程材料研究實驗室應運而生。在單軸拉伸作用下，纖維體積摻量為2%的前提下，ECC表現出優異的拉伸延性(拉伸應變為>3%)和損傷容限特性[2]。這就為減弱混凝土在沖擊或爆破荷載作用下的脆性行為提供了一個潛在的解決辦法。Ranade等[3]對比了M45-ECC[4]和HFA-ECC[2]兩種ECC的裂縫形態，得出在任意一應力水平下，M45-ECC的裂縫寬而少相比于HFA-ECC裂縫的細而多，同時得出在任意一應力水平下，裂縫概率密度函數可以用對數正態分布很好的描述。Kamile等[5]利用熒光顯微鏡和先進的數字圖像分析了裂縫尺寸和纖維分布(分散和取向)對PVA-ECC的拉伸延性的作用，得出第一條裂縫開裂強度與最大裂縫尺寸的平方根成反比。Yang等[6]研究了拉伸應變速率對PVA-ECC拉伸特性的影響，得出增加纖維剛度、界面化學粘結強度、基體韌性導致隨著加載速率(10-5～10-1/s)的增加PVA-ECC拉伸應變硬化現象呈負增長，建議避免持續動載作用，但是抗拉強度卻隨著加載速率(10-5～10-1/s)的增加而增加，建議設計抗沖擊PVA-ECC。Pang等[7]研究了高摻量粉煤灰PVA-ECC的制備和特性，得出隨著粉煤灰摻量的提高和砂含量的降低PVA-ECC的拉伸應變增加。吳瑞雪[8]對比了I級粉煤灰和II級粉煤灰對PVA-ECC拉伸性能的影響，得出I級粉煤灰對SHCC單軸拉伸性能的影響無論是從強度上還是從應變硬化性能上都比II級粉煤灰要好很多。李艷等[9]研究了大摻量粉煤灰替代水泥對直接拉伸性能的影響，得出了粉煤灰摻量的增大降低了抗拉強度，但明顯改善了其受拉應變硬化特性。張菊等[10]研究了氯鹽環境和淡水環境中聚乙烯醇纖維增強水泥基復合材料快速凍融試驗，得出了氯鹽環境中PVA-ECC試件的抗凍性顯著下降，表明氯鹽環境對PVA-ECC抗凍性有重要影響。

低鈣粉煤灰配制出PVA-ECC的拉伸性能及耐久性已多有報道，但利用高鈣粉煤灰配制出的PVA-ECC的拉伸性能還鮮有報道。本文采用當地I級高鈣粉煤灰配制出拉伸應變穩定在3%以上的PVA-ECC，在此基礎上，以高鈣粉煤灰替代量、水膠比等為變量研究對其拉伸性能的影響。從而有利于高鈣粉煤灰的合理高效利用，又為PVA-ECC這一新型材料的理論體系作了補充。

2　試　驗

2.1原材料

試驗選用冀東牌P·O42.5R級普通硅酸鹽水泥，其化學成分如表1所示。

粉煤灰選用Ⅰ級高鈣粉煤灰，其中粉煤灰中游離氧化鈣(CaO)的含量達到18%,屬于C類高鈣粉煤灰，化學成分如表2所示；正常來講，由于高鈣粉煤灰游離CaO含量較高，如果使用不當, 會導致水泥安定性不良甚至導致混凝土膨脹開裂。但有研究表明[11]：高鈣粉煤灰經過消解、磨細、摻入化學外加劑以及摻加活性礦物摻合料均能改善高鈣粉煤灰的安定性。在本試驗中，高鈣粉煤灰由某環保建材公司生產，經過了磨細篩選，且粉煤灰長期儲存在倉庫里，這些措施相當于對高鈣粉煤灰進行了改性處理，一定程度上改善了高鈣粉煤灰的安定性。纖維選用日本Kuraray公司生產的K-Ⅱ可樂綸纖維，參數如表3所示；細骨料選用粒徑為0.075～0.15mm的優質硅砂(石英砂)。

增稠劑為德州某公司生產的MK-100000S羥丙基甲基纖維素簡稱HPMC；減水劑為聚羧酸類高效減水劑，減水率為33%。

表1　P·O 42.5普通硅酸鹽水泥基本化學成分

表2　Ⅰ級高鈣粉煤灰化學成分

表3　PVA纖維的基本特性

2.2配合比設計

試驗中高鈣粉煤灰替代水泥量為80%、70%、60%；水膠比為0.22和0.24；粉煤灰與水泥的比為4、2.3和1.5。所有試件纖維體積摻量均為2%。配合比如表4所示。

表4　試驗用配合比

注：CMa:CementitiousMaterials(Cement+FlyAsh)；FA、C和W分別表示粉煤灰、水泥和水；編號b中的數字分別表示粉煤灰替代量和水膠比；E表示ECC。

2.3試件成型

PVA纖維水泥基復合材料采用JJ-5型攪拌機攪拌，首先將稱好的膠凝材料(包括水泥和粉煤灰)、石英砂和增稠劑混合干拌2min, 而后將事先溶于水的減水劑和水加入干料中低速攪拌4min，繼續高速攪拌2min，此時水泥基體呈流態狀具有良好的流動性，最后人工緩慢加入纖維，待纖維加入后低速攪拌2min后再高速攪拌1min，其依靠重力自由下落呈瀑布形，未出現一整塊的墜落，下降時相互之間有黏連，新拌PVA-ECC具有良好的連續性和適宜的粘聚性。如圖1所示。說明纖維分散良好，無結團現象，無泌水現象。

試件尺寸為260mm×50mm×15mm直板型試件和330mm×600mm×15mm啞鈴型試件，啞鈴型試件類型與尺寸參考的是日本推薦規范《RecommendationsforDesignandConstructionofHighPerformancefiberReinforcedCementCompositeswithMultipleFineCracks(HPFRCC)》的設計，如圖2所示。立方體抗壓強度試件尺寸為100mm×100mm×100mm。分兩次澆筑并于試驗臺振動60s，共120s，澆筑完成后用塑料薄膜覆蓋并置于室內,試件初凝后將其抹平，所有試件24h拆模后水浴養護,養護溫度為(23±2) ℃。

2.4試驗加載與測試

直接拉伸試驗在濟南試金集團生產的10kN電子萬能試驗機進行,試驗數據由DH3820靜態數據測試系統進行采集，荷載由10kN外置拉壓傳感器采集，加載速率采用位移控制，整個試驗過程中保持加載速率為0.1mm/min。試件加載前，使用鋁質位移計固定裝置將位移計安裝于標距長度為90mm的試件兩側，試驗加載裝置如圖3所示。試驗變形值取兩側位移計測量值的平均值，應力值和應變值取試件實際尺寸進行計算。

圖1　新拌PVA-ECCFig.1　Fresh of PVA-ECC

圖2　啞鈴型木模板Fig.2　Dogbone-shaped form

為了進一步驗證拌合物的流動性，對拌合物流動性用水泥膠砂流動度測試儀進行了測試。如圖4所示為流動度測試儀和測試結果。

圖3　加載裝置示意圖Fig.3　Diagram of loading device

圖4　流動度測試Fig.4　Test of fluidity

3　結果與討論

3.1高鈣粉煤灰與低鈣粉煤灰對PVA-ECC應變硬化性能的影響

低鈣粉煤灰的CaO含量較低，它基本上不具有或是很小的水硬活性。低鈣粉煤灰的潛在活性需要在外加離子在堿溶液中激發才能體現出來[12]。低鈣粉煤活性較低，Wang和Li[13]通過加入F類粉煤灰來改善纖維-基體的界面關系并降低基體韌度，粉煤灰的惰性細顆粒附著到纖維表面,在纖維表面形成了一層球膜，避免了纖維和基體水化產物的直接接觸,降低了基體對纖維化學黏結作用，粉煤灰的摻入有利于降低纖維與基體的化學粘結力和物理摩擦力。在普通硅酸鹽水泥中，Ca3+和Al2+是形成水泥基體與纖維間的強大薄膜的重要物質，并以鋁酸三鈣存在與石膏反應形成不能分解的水化物。而在粉煤灰中，大部分Ca3+和Al2+并不是自由的存在的，大摻量的低鈣粉煤灰降低了基體中Ca3+和Al2+的濃度，進而減弱可能發展形成的纖維與基體的化學黏結力。另外，低鈣粉煤灰較高鈣粉煤灰含有較高的碳含量，在拔出的纖維纖維表面發現，碳顆粒附著在纖維表面作為額外的一層“油膜”來降低纖維與基體的化學粘結力同時改善纖維與基體的摩擦力。所以適量低鈣粉煤灰的摻入有利于PVA-ECC應變硬化性能的實現，在諸多學者的研究中，其PVA-ECC配合比中粉煤灰替代水泥的量在50%左右，粉煤灰摻量太高會影響材料的力學性能。

高鈣粉煤灰中含有一定量的石灰、鋁酸三鈣(C3A)、硅酸二鈣(C2S)、富鈣玻璃體等活性物質，并且C3A和C2S的水化行為與波特蘭水泥中的相同，此外其玻璃體結構聚合程度低于低鈣粉煤灰，因此高鈣粉煤灰除了具有低鈣粉煤灰的火山灰活性外，其自身還具有一定水硬活性和自硬性[12,15]。高鈣粉煤灰在體積安定性合格的情況下，加大高鈣粉煤灰的摻量可以在保證力學性能的前提下實現應變硬化性能的提升。實現了粉煤灰的高效利用，具體論述見3.4節。

3.2粉煤灰摻量對PVA-ECC材料工作性能的影響

不同粉煤灰摻量配制同一水膠比的PVA-ECC流動度控制在200～240mm范圍內時所需減水劑結果如表5所示。

表5　不同粉煤灰摻量配制同一水膠比PVA-ECC所需減水劑結果

如表5所示，在水膠比相同的情況下，不同粉煤灰摻量所需減水劑不同，隨著粉煤灰摻量的增加，所需減水劑量減少，流動度增加。這是因為從粉煤灰的微觀結構分析，厲超[12]通過SEM看到高鈣粉煤灰的形貌照片，得到高鈣粉煤灰基本由球狀顆粒構成，放大觀察倍數，發現許多更細小的顆粒分布在球體上。通過TEM觀察，發現附著在球體上的細小顆粒也是球狀的，同時，在納米級別，高鈣粉煤灰都是由球狀顆粒組成；從粉煤灰的細觀結構分析，粉煤灰與水泥水化產物發生的二次反應物呈致密的球狀顆粒，表面光滑，可以起到滾珠軸承的潤滑作用[14]；從粉煤灰的燒失量[15]分析，其燒失量很低，顆粒形態以球形為主，所以其需水量低，具有很好的減水作用。實際上，粉煤灰的加入使系統的有效水膠比增大。故粉煤灰摻量的增加，這些粒狀的產物越來越多，這也就會更大面積的減少相互摩擦作用，顆粒與顆粒之間的相對滑動增加，所以可以在滿足流動度增加的情況下，減水劑的用量減少。

3.3粉煤灰摻量對PVA-ECC立方體抗壓強度的影響

表6比較了PVA-ECC在不同齡期、不同粉煤灰摻量對立方體抗壓強度的影響，由表6可知，在齡期14d時，水膠比為0.24時，隨著粉煤灰摻量的增加，立方體抗壓強度降低。文獻[16]認為粉煤灰-水泥的強度由水泥水化的強度貢獻和粉煤灰火山灰效應的強度貢獻兩部分組成。并得出粉煤灰火山灰效應對整個體系的早期強度起到不利影響，隨著齡期增長對強度開始有貢獻。當粉煤灰摻量增加到80%時，水泥量降低，參與水化的水泥熟料少，水化體系中的Ca2+濃度較低，一次水化反應產物減少，生成的水化產物聯系不夠緊密或不能生成具有強度的水化產物。故降低了早期強度。張同生[17]用高鈣粉煤灰做了水化反應試驗，得出早齡期(3d)時，只有粒度較細的粉煤灰顆粒發生了很少的火山灰反應，到齡期為28d時，粒度較大的粉煤灰顆粒也發生了火山灰反應。隨著齡期的增長，水泥水化趨于完全，粉煤灰的火山灰貢獻也越來越大。故隨著齡期的增長，后期強度較高。

表6　各齡期抗壓強度值

3.4粉煤灰摻量對PVA-ECC直接拉伸性能的影響

3.4.1粉煤灰摻量對PVA-ECC拉伸應力-應變的影響

圖5比較了啞鈴型和直板型試件在水膠比為0.24、齡期為28d時不同粉煤灰摻量對拉伸應力、應變的影響。鑒于試件類型在此部分結果與結論分析近似相同，只對啞鈴型試件進行分析和討論。隨著粉煤灰摻量的增加，PVA-ECC的開裂強度降低。齡期為28d時也就是水化后期，粉煤灰顆粒表面層已與水泥水化產物發生二次反應,且形成若干層反應物,這些新生成的表面層是強度的薄弱環節，層與層之間或層與未水化的粉煤灰表面粘結十分微弱，很容易在外力作用下剝落。進而降低基體的強度。且在開裂之前，纖維本身不承受抗拉荷載，只有基體受力，開裂強度反映了基體的強度變化，所以基體初裂強度隨著粉煤灰含量的增加而降低。

圖5　不同粉煤灰摻量的PVA-ECC拉伸應力-應變曲線(a)啞鈴型試件；(b)直板型試件Fig.5　PVA-ECC tensile stress-strain curve of different dosage of fly ash

此外，由圖5可知，隨著粉煤灰摻量的增加，PVA-ECC的直接拉伸應變相應增大。拉伸應變大是應變-硬化行為的宏觀體現。而應變-硬化行為的實現主要依賴纖維與基體適宜的粘結及界面結構，而適宜的粘結與界面結構又依賴于纖維的表面和微觀結構。PVA纖維的親水性使其表面聚集大量水化產物，實現了纖維與基體的粘結，但是粘結力如果過大，大于纖維本身的抗拉強度時，則纖維不能在裂縫間發揮作用從而為材料的應變做貢獻。此時，如果能降低纖維與基體的粘結而提高纖維與基體的摩擦自然是有利的，而粉煤灰的加入恰好為水泥的水化產物提供了沉積區,纖維表面大量附著的就是粉煤灰顆粒；另一方面，粉煤灰的球狀顆粒恰好減小了與纖維的粘結增大了摩擦。故粉煤灰的摻量越多，替代纖維為水泥水化產物提供沉積區的就越多，減小與纖維的摩擦就越多，纖維與基體的粘結就越有利于實現應變-硬化。

圖6　試件斷裂截面(a)E80-24；(b)E70-24；(c)E60-24Fig.6　Fracture section of specimen(a)E80-24,(b)E70-24,(c)E60-24

如圖5a所示，試件E80-24應力-應變曲線以水平發展段的形式發展到3%左右時，應變硬化段不再是水平增長，而是以類似爬坡的形式繼續增長，由于沒有新裂縫的出現，所以這部分爬坡段非常平滑，偶爾有波動也是新裂縫的出現所致。這部分應力強化段是在裂縫發展完全后，纖維在拔出過程中克服與基體的摩擦應力，這個應力大于開裂應力。如圖6a所示，觀察試件的斷裂截面發現，斷裂面沿厚度方向起伏。表現為纖維的拔出或拔削，纖維以拔出的形態出現在斷裂面，具有較長的伸出長度。圖5a曲線E70-24應變硬化段雖然達到了3%以上，但是應變硬化段是在有限的裂縫條數下依靠裂縫寬度的增大來實現的，這樣的裂縫寬度必將導致材料耐久性的降低；曲線E70-24較曲線E80-24相比，在曲線應變硬化段沒有由于纖維的拔出而產生的爬坡段，如圖6b所示，通過觀察試件的斷裂截面處纖維的斷裂形態發現，纖維有拔出的跡象，但是在拔出的過程中拔斷，這表明纖維在基體中輕微拔削后被拔斷。由于試件E60-24僅有很少的幾條裂縫，試件斷裂截面處的纖維幾乎與試件斷裂面相齊，纖維直接拉斷，宏觀上未有纖維的拔出與滑移出現，如圖6c所示。斷裂面沿厚度方向水平。

3.4.2粉煤灰摻量對PVA-ECC裂縫模式的影響

圖7　不同粉煤灰摻量對PVA-ECC裂縫模式Fig.7　PVA-ECC cracking model of different dosage of fly ash

如圖7所示，給出了直版型試件不同粉煤灰摻量的PVA-ECC裂縫模式。隨著粉煤灰摻量的增加，裂縫條數增加，間距減小，很多細密的裂縫用肉眼幾乎分辨不清。如上所述，隨著粉煤灰摻量的增加，基體開裂強度減小，當基體開裂強度小于裂縫間纖維的橋連應力時，第二條裂縫出現之前，第一條裂縫的纖維不會被拉斷，隨著拉伸應力的增加，裂縫間的纖維消耗與基體的摩擦滑移和自身的彈性變形來為應力的重分布提供時間，同時使裂縫間的能量釋放。此時，粉煤灰的球狀顆粒發揮傳遞和分散纖維應力的作用。在下一次達到基體開裂強度之前就會將第一條裂縫的能量傳遞分散出去，在某一個截面出現第二條裂縫。如果粉煤灰的摻量不夠多，在下一次達到基體開裂強度之前就不能很好的將第一條裂縫間的能量傳遞出去，導致裂縫間纖維拉斷，裂縫寬度增加，裂縫條數減少，間距增大。

3.5水膠比對PVA-ECC直接拉伸性能的影響

3.5.1水膠比對PVA-ECC拉伸應變-應變曲線的影響

圖8比較了粉煤灰摻量相同的情況下不同水膠比對PVA-ECC應力-應變曲線的影響。由圖8a可知，水膠比從0.22增大到0.24，基體的開裂強度從3.1MPa降低到2.4MPa，同時極限強度也相應的降低。試件E80-22Y較E80-24Y相比具有較長的的應變硬化段，表現出更好的應變硬化性能。綜合分析有四個原因。第一，水膠比越大，基體強度較低，很容易由于局部缺陷或者加載偏心導致較早局部主裂縫破壞；水膠比越大，基體中有較多的游離水致使基體孔洞增多，封閉孔、連通孔分布在基體內部，基體內部不再均勻密實，拉伸過程中首先會在試件缺陷薄弱截面出現裂縫。繼續加載，在變形監測區裂縫還沒有擴展開裂完全，缺陷薄弱截面裂縫處纖維就會過早拔出，使試件提前進入應力強化的爬坡段。第二，水膠比增大，降低了纖維與基體截面的黏結力，隨著拉伸荷載的增加，裂縫間纖維的滑移使裂縫寬度增大，這樣就會使剛要達到開裂的應力降低，而加載速率不變，這就需要一定的時間才能使力再次達到開裂荷載。可以理解為裂縫寬度的增大代替了新裂縫的出現。當纖維滑移到與基體產生摩擦力的時候，就會進入應力強化的爬坡段。第三，上述對比試件粉煤灰摻量為80%，粉煤灰具有減水的作用，已經使有效水膠比增大，如果水膠比再大的話，多余的水使試件不密實，不利于試件開裂強度的提高，更不利于應變硬化的形成。第四，低水膠比有利于PVA纖維的均勻分散，裂縫間均勻分散的纖維能及時橋接荷載，實現裂縫的穩態開裂。

圖8　不同水膠比PVA-ECC拉伸應力-應變曲線(a)啞鈴型試件;(b)直板型試件Fig.8　PVA-ECC tensile stress-strain curve of different W/CM

3.5.2水膠比對PVA-ECC裂縫模式的影響

圖9比較了水膠比對裂縫模式的影響。對比圖9a與圖9b的裂縫模式看出，圖9a和圖9b相同的是：裂縫在整個標距范圍內裂縫寬度幾乎一致，并且均勻分布在標距范圍內。不同的是：每條裂縫沿試件寬度方向的寬度不一致。圖9a的每一條裂縫寬度從左到右基本相同，而在圖9b中裂縫在邊緣處較寬，試件軸線處較為細密，表現為中間細密，邊緣較寬的裂縫形態。綜合分析，水膠比為0.24 的試件在澆筑振動的過程中，在試模內壁邊緣處有析水現象，試件成型后，水膠比為0.24的試件較水膠比為0.22的試件相比在試件邊緣處水化產物少，導致纖維與水泥基體件化學黏結力降低，故在試件加載過程中，邊緣處纖維很容易被拔出，表現較軸線處裂縫寬的裂縫模式。

圖9　不同水膠比裂縫形態(a)0.22;(b)0.24Fig.9　Fracture morphology of different W/CM ratio

在一定的水膠比范圍內，較低水膠比使得PVA-ECC材料更加均勻，可以避免由于內部材料的不均勻導致局部缺陷的擴大及集中開裂的產生，從而保證了PVA-ECC材料較大的應變硬化，飽和開裂更易發生。因此，較低水膠比有利于ECC材料延性和韌性的提高。所以在粉煤灰摻量為80%的情況下，水膠比在一定范圍內，水膠比越小，其開裂強度越高，極限拉伸應變也越大。

3.6試件形式對PVA-ECC直接拉伸性能的影響

圖10a和圖10b分別在水膠比為0.24和0.22時啞鈴型試件和直板型試件對拉伸性能的影響，其中啞鈴型與直板型試件的截面尺寸為30×15和50×15，二者的初裂強度相差不大，但是極限抗拉強度有很大的區別，啞鈴型試件的抗拉強度較直板型試件大，換言之，啞鈴型試件在曲線水平段的顛簸后有較長的爬坡段，應變硬化段較直板型試件更長。

圖10　啞鈴型(Y)與直板型(Z)試件拉伸應力-應變曲線(a)水膠比為0.24;(b)水膠比為0.22Fig.10　Tensile stress-strain curve between dog-bone shaped and straight plate-shaped specimen

圖11　變截面處裂縫形態Fig.11　Fracture morphology of variable cross-section

啞鈴型試件截面是從拉伸標距段到非標距段以弧形過渡的變截面設計，在保證拉伸軸線對中情況下，試件在荷載作用下橫截面應力在標距段是以最大等應力形式存在的，在截面變化段，截面應力從最大等應力逐漸連續變小，在整個試件變形區試件截面幾乎不存在應力集中，所以試件開裂首先發生在應力較大的標距段，僅僅在裂縫擴展段纖維開始克服摩擦力拔出時標距段應力增大到超過開裂應力，而非標距段會達到開裂應力而出現幾條與截面垂直的裂縫，裂縫呈圓弧形，但試件的破環很少發生在變截面段，如圖11所示。

直板型試件截面應力在任何一個截面都是等應力最大，所以試件的開裂和最終破壞可以發生在任何一個位置。所以直板型試件在直接拉伸作用下，只有標距段的應變被采集到，但這不是整個試件的應變，所以其拉伸應變較啞鈴型試件低。不過有很多試驗者將非標距段進行加固也可以避免試件的破壞。

4　結　論

(1)低鈣粉煤灰較低的活性對改善纖維與水泥基體間的界面關系有較大的貢獻，進而對PVA-ECC實現應變硬化性能提供保證。高鈣粉煤灰具有較高的活性，較低的粉煤灰摻量不利于應變硬化性能的實現，但提高粉煤灰摻量，基體斷裂韌度降低，纖維與基體的界面關系得到改善，PVA-ECC的單軸拉伸性能提高；

(2)隨著粉煤灰摻量的增加，使有效水膠比增大，拌合物流動性增加，減水劑的用量減少。粉煤灰摻量的增加，水泥含量相對減少，不能生成或很少生成具有強度的水化產物，使齡期很短的PVA-ECC立方體的抗壓強度較低，但隨著齡期的增長，后期的PVA-ECC立方體的抗壓強度較高；

(3)粉煤灰摻量增加，在單軸拉伸荷載作用下，開裂強度、極限拉伸強度降低，但是拉伸應變增大。粉煤灰的球狀顆粒可以為水泥的水化產物提供沉積區，減小水化產物與纖維的化學黏結而增大摩擦，這樣有利于實現纖維的拔出破壞，更容易實現應變硬化；

(4)粉煤灰摻量越高，裂縫越多，越細密，間距越小。同時粉煤灰摻量多的試件破壞截面沿厚度方向起伏，同時破壞截面纖維具有較長的伸出長度；

(5)水膠比越大，開裂強度越低，極限強度也降低。同時裂縫的開裂模式為沿試件寬度方向，軸線處細密邊緣較寬；

(6)啞鈴型試件由于標距段是最大等應力截面，裂縫的發生和擴展都會先于其他截面發生，從而能很好的反應試件的拉伸應力-應變行為。

[1]CliftonJR.Penetrationresistanceofconcrete-areview.Washington(DC):NationalBureauofStandards; 1984 [Special,publication480-45].

[2]YangEH,YangYZ,LiVC.UseofhighvolumesofflyashtoimproveECCmechanicalpropertiesandmaterialgreenness[J].ACI Mater. J.,2007,104:620-628.

[3]RaviR,ZhangJ,JeromeP,etal.Influenceofmicro-crackingonthecompositeresistivityofEngineeredCementitiousComposites[J].Cement and Concrete Research,2014,58:1-12.

[4]WangSX,LiVC.Engineeredcementitiouscompositeswithhigh-volumeflyash[J].ACI Mater. J.,2007,104:233-241.

[5]KamileTosun-Felekoglu,BurakFelekoglu,RaviRanade,etal.TheroleofflawsizeandfiberdistributionontensileductilityofPVA-ECC[J].Composites: Part B,2014,56:536-545.

[6]YangEH,LiVC.Strain-rateeffectsonthetensilebehaviorofstrain-hardeningcementitiouscomposites[J].Construction and Building Materials,2014,52:96-104.

[7]PangCM,LeungCKY,SunW.Preparationandpropertiesofhighductilitycementitiouscompositeswithhighcontentoffly-ash[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2009,37(12):2071-2077.

[8] 吳瑞雪.應變硬化水泥基復合材料單軸拉伸性能及其溫度影響規律研究[D].青島:青島理工大學學位論文,2010.

[9] 李艷，劉澤軍，梁興文.高性能PVA纖維增強水泥基復合材料單軸受拉特性[J].工程力學,2013,30(1):322-330.

[10] 張菊，劉曙光，閆長旺，等.氯鹽環境對PVA纖維增強水泥基復合材料抗凍性的影響[J].硅酸鹽學報,2013,41(6),766-771.

[11] 謝祥明,謝彥輝,石愛軍.大摻量高鈣粉煤灰碾壓混凝土安定性控制與性能研究[J].水力發電學報,2008,27(4):111-115.

[12] 厲超.礦渣、高/低鈣粉煤灰玻璃體及其水化特性研究[D].北京:清華大學學位論文,2011.

[13]WangSX,VictorCLi.Engineeredcementitiouscompositeswithhigh-volumeflyash[J].ACI Materials Journal,2007,104(3):233-241.

[14] 沈旦申.粉煤灰混凝土[M].北京：中國鐵道出版社,1989.

[15] 施惠生.高鈣粉煤灰的本征性質與水化特性[J].同濟大學學報,2003,31(12):1440-1443.

[16] 梁慧.粉煤灰活性效應研究[D].長沙：中南大學學位論文,2007.

[17] 張同生.水泥熟料與輔助性膠凝材料的優化匹配[D].廣州：華南理工大學學位論文,2012.

ExperimentalStudyontheTensilePropertiesofPVA-ECCwithHigh-calciumFlyAsh

LIU Shu-guang1,2,ZHANG Dong-xiang2,YAN Chang-wang1,2,DENG Yi-han2

(1.SchoolofMiningandTechnology,InnerMongoliaUniversityofTechnology,Hohhot010051,China;2.SchoolofCivilEngineering,InnerMongoliaUniversityofTechnology,Hohhot010051,China)

CurrentlypreparedPVA-ECC(PolyvinylAlcohol-EngineeredCementitiouscomposite)usedprimarilylowcalciumflyash,inordertofurtherimprovetheefficiencyofhigh-calciumflyash,usinglocalclassⅠhigh-calciumflyashcreatedasteady3%tensilestrainofPVA-ECC,providingmorematerialoptionsforpracticalapplication.Startingfromthedesignofmixproportion,researchingontheflyash,watertocementitiousmaterial(W/CM)ratioandspecimenformstotheinfluenceofthedirecttensilepropertiesandcrackpattern.TheresultsshowedthatwiththeflyashcontentofPVA-ECCincreased.TheflowbilityoffreshPVA-ECCincreased,thecompressivestrengthoftestcubesdecreased,tensilecrackingstrengthandultimatetensilestrengthdecreased,tensilestrainincreased.Thefracturesurfaceofspecimenisuneven,longerfibersarepulled.Asthewatertocementitiousmaterial(W/CM)ratioofPVA-ECCincreased,tensilecrackingstrengthandultimatetensilestrengthdecreased.Thesamecrackwidthofcrackpatternbecamewideintheedgeandfineintheaxis.Themaximumequivalentstressareaintherangeofthegagelengthofdog-boneshapedspecimenismoreconducivetotherealizationofstrainhardening.

PVA-ECC;directtensile;highcalciumflyash;crackpattern;strainhardening

國家自然科學基金(51168033，51368041)；內蒙古自然科學基金(2012MS0706，2013MS0709)；內蒙古自治區高等學校科學研究項目(NJZY13104)

劉曙光(1960-)，男，碩士，教授.主要從事纖維混凝土基本理論與研究.

閆長旺,教授.

TD98

A

1001-1625(2016)01-0052-09