超輕質高延性水泥基材料力學性能研究

黃振宇,隋莉莉,王 芳

(1.深圳大學 土木工程學院，廣東 深圳518060；2.廣東省濱海土木工程耐久性重點實驗室，廣東 深圳518060)

輕質混凝土是指密度在800～1 950 kg/m3或是密度在1 120～1 920 kg/m3同時抗壓強度不小于21 MPa的混凝土[1].輕質混凝土密度小的原因之一是使其材料內部孔隙增多，根據孔隙所在的位置和形成機制，輕質混凝土一般可以分為三類：(1)輕骨料混凝土，孔隙主要集中在骨料中[2]；(2)蜂窩混凝土和泡沫混凝土，孔隙主要在水泥漿中[3]；(3)無細骨料混凝土，由于沒有細骨料的填充作用，粗骨料之間會形成孔隙[4].由于輕骨料混凝土自重小，保溫隔熱性能好等優點，可用于高層建筑，大跨度橋梁以及海洋平臺等對自重敏感的工程結構[1,5].但由于大部分輕質混凝土的抗壓強度偏低，整體性能偏脆的缺點限制了輕質混凝土在建筑工程中的廣泛應用.

傳統的輕骨料有膨脹頁巖[6]，膨脹珍珠巖[7]，聚苯乙烯珠[8]等材料，雖然可以達到減小混凝土密度的目的，但抗壓強度往往不滿足結構應用的標準.另外，生產這類輕骨料通常采用燒結成型方法，能耗大不環保.近幾年，粉煤灰空心微珠、玻璃微珠以其壓碎強度高、功能性能優越得到了眾多學者的關注和研究.Brooks等人[9]使用不同類型及摻量的粉煤灰空心微珠制備了輕質混凝土，干密度在1 400～2 020 kg/m3，強度在35.4～53.5 MPa.Hanif等人[10]用玻璃微珠作為輕質填料，對體積摻量為1.5%的聚乙烯醇纖維(PVA)的輕質混凝土進行試驗發現，隨著玻璃微珠摻量由0%增加到50%(水泥質量占比)，其密度從2 068 kg/m3降至880 kg/m3，抗壓強度由94.3 MPa降至14.3 MPa.Chen等人[11]利用粉煤灰漂珠微珠作為填料，添加2%的PVA纖維進行試驗制備的混凝土密度均在1 300 kg/m3以下，28 d抗壓強度可達到50 MPa，但其單軸拉伸應變率僅略高于1%，延性無法達到高延性混凝土特征.Soe等人[12]開發了一種新型摻加混雜纖維的高延性水泥基材料(ECC)，抗壓強度可達70 MPa，但拉伸應變僅為0.5%左右.俞可權等人[13]使用石英砂、水泥、高爐礦渣、硅灰和粉煤灰制備的ECC，在摻加2%PE纖維后，直接拉伸應變可達到3.90%～9.63%，相應混凝土密度在1 900～2 400 kg/m3.Huang等人[14]使用玻璃微珠制備的一種漂浮水泥基材料，加入1%聚乙烯纖維后拉伸應變即可達到6%，拉伸段存在明顯應變硬化行為.上述文獻表明，大多數傳統高延性混凝土雖然拉伸應變能力較強，但自重仍然較大；而采用粉煤灰漂珠或玻璃微珠制備的混凝土雖然密度降低顯著，但普遍抗壓強度較低，而且拉伸應變能力無法達到高延性混凝土的軸拉應變的標準，限制了其在工程中的應用.因此，開發同時具備質量輕、強度高和延性高的輕質水泥基材料，并應用于實際工程具有重要意義.本文采用優選的玻璃微珠作為填料，并使用經過親水處理的PE 纖維，基于強度和能量準則制備一種超輕質高延性的水泥基材料ULHDCC，并通過系統實驗研究了其力學性能和微觀結構.

1 試驗概況

1.1 試驗材料與設計

制備ULHDCC 采用普通硅酸鹽水泥PO52.5R、SiO2含量超過94%的加密型硅灰、采用三種不同類型(D38、D42、D46)的空心微珠，其中微珠的粒徑分布如圖1 所示.PE 纖維經過親水改性處理，其基本性能指標見表1.減水劑采用聚羧酸型的高效減水劑，水即為普通自來水.ULHDCC 試驗的配合比設計如表2 所示.制備時，將干料投入鍋中進行充分干拌，接著將80%減水劑與水混合后投入干料進行高速攪拌，最后配合低速攪拌和流動度測試指標確定最終減水劑用量，完成ULHDCC的制備.澆筑24 h后拆模，放入溫度為20±2℃，相對濕度為95%以上的標準養護室中進行養護至齡期后測試[15].

圖1 微珠粒徑分布Fig.1 The particle size distribution of Microspheres

表1 改性PE 纖維基本性能

表2 配合比設計

注：纖維為體積占比，D38-PE1%即為密度為D38 的微珠添加體積占比為1%的PE 纖維；其余為質量占比.

表3 ULHDCC基本性能

1.2 實驗設備與試驗方法

抗壓強度實驗采用50 mm×50 mm×50 mm 立方體試塊[16]，加載裝置使用恒加載水泥抗折抗壓試驗機，加載速度取1 kN/s.單軸靜力拉伸試驗按照JSCE推薦的標準試件尺寸進行試驗[17]，使用MTS通用試驗機進行靜力拉伸試驗，加載速度為0.5 mm/min，試驗裝置及試件尺寸見圖2.導熱系數測定采用熱流量計法對300 mm×300 mm×50 mm的板進行實驗[18].具體試件信息與測試規范如表3所示.對ULHDCC材料微觀尺度，本文采用掃描電子顯微鏡(SEM)進行觀察和分析.

2 試驗結果與分析

2.1 表觀密度與抗壓強度

表觀密度于澆筑24 h后脫模測得，摻加三種類型微珠的混凝土密度在850～920 kg/m3之間.在體積摻量相同的條件下，微珠密度越大，成型的混凝土的表觀密度也越大.由圖3可以看出，抗壓強度與表觀密度成正比關系，平均抗壓強度從27.2 MPa增至32.9 MPa.原因是密度大的微珠壁厚較大，因此一般破碎強度也高，制備的輕質混凝土密度和強度都隨著提高.同時，本文發現摻加纖維可以使得抗壓強度強度明顯提高，以D46微珠為例，摻加1%纖維，抗壓強度由20.8 MPa 提高到32.9 MPa，提高約59%.原因可能是由于纖維經過了親水處理使得纖維與水泥漿的粘結更好，減少了漿體內部氣泡生成，漿體更加密實，從而使得抗壓強度有明顯提高，但這一結論還需后續試驗驗證.此外，是否摻加纖維對試件的破壞形態也有顯著影響.如圖4、圖5所示，未摻加纖維的試件，壓力荷載下混凝土外層劈裂剝落，與高強混凝土、普通輕骨料混凝土破壞模式相似；而摻加纖維的試件，壓力荷載下有裂縫產生，但纖維由于橋接作用阻止裂縫進一步開展，試塊整體仍保持完整狀態，直到試塊呈現出壓扁狀.

圖2 靜力拉伸裝置與試件尺寸Fig.2 Static tensile setup & dog-bone specimen

圖4 D46-PE0 試塊破壞模式—脆性劈裂Fig.4 Failure mode ofD46-PE0-splitting failure

圖5 D46-PE1%試塊破壞模式-壓扁Fig.5 Failure mode of D46-PE1%-squashed

2.2 直接拉伸強度及拉伸應變

未摻加纖維的試件抗拉強度大約在1 MPa左右，在24 h后拆模時早期強度較低，容易出現裂縫，導致試件發生斷裂而無法測試.加入1%纖維后，極限抗拉強度可以達到2.9 MPa，極限拉伸應變均可達到6%，測試結果如圖6所示.其中，D38-PE1%的極限拉伸應變達到了8%，是普通混凝土極限拉應變(0.000 1～0.000 17)[19]的幾百倍，顯著提高了材料的延性，甚至高于普通高延性混凝土ECC[20].圖7顯示的是超輕質高延性混凝土受拉后呈現出多裂縫開展的典型特征.

圖6 直接拉伸應力-應變曲線Fig.6 The stress-strain curve of direct tensile test

圖7 多裂縫破壞模式Fig.7 Multi-cracks failure mode

2.3 導熱系數

混凝土的導熱系數受材料的含水率和孔隙率影響顯著，為了更準確表征材料的導熱系數，在進行測試之前對試件進行干燥處理，直到試件烘干至質量恒定.本次試驗測試了不含纖維的D46-PE0組別混凝土的導熱系數，經過與文獻資料對比，本文制備的超輕質高延性水泥基材料導熱系數較低，僅為0.152 W/mK.圖8可以看出，導熱系數與材料密度基本成正比關系，這是由于在輕質混凝土孔隙率較高，孔隙率高的混凝土比密實的混凝土含氣量更高，與固體相比，氣體的導熱系數更小，故輕質混凝土擁有較低的導熱系數.本文采用的玻璃微珠為中空的球形骨料，不僅降低了材料密度，也使得密閉孔含量增多，有效降低了材料的導熱系數.

圖8 不同混凝土的導熱系數與密度關系Fig.8 Relation between thermal conductivity and densityfor different lightweight concrete

2.4 微觀結構和微觀力學分析

圖9給出了不同尺度下超輕質高延性水泥基材料掃描電鏡的微觀結構形貌.微珠為大小不一的光滑球狀物，為實現低密度，微珠摻量較大，由圖9(a)可見大量微珠均勻分散于水泥漿體中(放大倍數400倍)，進一步證明該材料基體密實，有利于強度提高.微珠殼體主要成分為SiO2，但成品經表面處理后呈惰性，完整微珠活性較低.從圖9(b)與圖9(c)可以看出珠體表面仍然光滑(放大倍數均1 600倍).由于微珠自身的破碎強度高達37.9 MPa[14]，因攪拌制備過程或加載發生破損的微珠較少(微珠珠體上有裂縫，如圖9(b)所示)，裂縫主要出現在微珠與水泥漿的粘結界面上如圖9(c)所示.由此可見，在本文設計配合比下的ULHDCC材料骨料和漿體的粘結界面是較為薄弱的部位.在水泥基材料中添加纖維能夠增強其延性，在本次試驗中摻入纖維組別中未見明顯在受拉后試件得以多裂縫發展，從而發揮高延性等于纖維橋聯強度σ0，即滿足公式(1).

σcr<σ0

(1)

纖維斷裂，圖9(d)中纖維仍“錨固”于漿體中，的特征.在設計高延性材料時需滿足強度和能量兩個準則[20]，強度準則是指初始裂縫強度σcr小于只有初始裂縫強度小于纖維橋聯強度，水泥基基體在開裂后才不會直接發生纖維拔出等破壞，從而纖維受力發揮其橋聯作用，將應力傳遞到其他未開裂部位，周而復始，使得出現多裂縫破壞機制(圖7所示).在本次試驗中，從圖9(b)、圖9(c)、圖9(d)可以看出，水泥基體強度要小于纖維的橋聯強度.初始裂縫強度主要受試件的斷裂韌性Km與內部缺陷等因素影響[20,21]，纖維橋聯強度主要受纖維種類以及纖維/基體的界面性能影響.顯然，σcr/σ0比值越小對于裂縫發展更有利，但降低σcr會影響材料的其他性能，故本文挑選了經過改性處理的PE纖維，使纖維粘結更牢固來提高σ0.

圖9 微觀尺度下的形貌Fig.9 Microscopic morphology

滿足能量準則可以使得裂縫穩定地發展.能量準則是指抵消裂縫尖端強度所消耗的能量Jtip(補足能量)與纖維橋聯作用所消耗的能量之和應與拉伸應力σss產生應變δss的能量相等，圖10為其示意圖，Jtip必須要小于最大補足能量，即滿足公式(2)～(4)：

(2)

(3)

(4)

圖10 能量準則示意圖Fig.10 Schematic diagram of energy criterion

(5)

(6)

3 結論

開發了一種超輕質高延性水泥基材料ULHDCC，通過基本材性試驗可知表觀密度低于850～920 kg/m3，仍能保持較高的抗壓強度達20～33 MPa，軸向拉升應變能力達到8%，而且具有較高的較低的導熱系數0.152 W/mK，是一種結構功能一體化高性能水泥基材料.本文主要研究結論如下：

(1)ULHDCC抗壓強度受微珠類型和纖維摻量的影響.微珠類型會影響材料的密度， 隨著骨料密度的增加，ULHDCC的密度也隨之增加，抗壓強度也有所提高.

(2)極限抗拉強度和應變受纖維摻量和微珠類型的影響.加入纖維可以提高材料的極限抗拉強度，對于極限拉伸應變有顯著的提高.

(3)導熱系數與干密度成正比例關系，密度越小，導熱系數越低.孔隙率是影響導熱系數的重要因素之一，質量輕的混凝土孔隙率相應較大，進而導致其導熱系數下降，使用玻璃微珠能很好地增加密閉孔的含量，從而到達保溫隔熱的目的.

(4)改性后的PE纖維增強材料和水泥基體組合作用滿足強度準則與能量準則，實現了材料高延性特征和多裂縫發展.后續研究將系統地從堆積理論、強度準則和能量方法對ULHDCC進行優化設計與性能調控.